专利名称：澄清玻璃或类似物的多阶段工艺及其设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种用来生产玻璃或类似物的阶段性工艺及其设备，特别是关于该工艺或设备澄清过程的改进。本发明不仅特别适用于生产透明玻璃产品例如平板玻璃、纤维玻璃、容器玻璃或钠硅酸盐玻璃，而且也适用于从严格意义上来说并非“玻璃”的类似产品。这里所用的“玻璃”术语是一种泛指，它包括玻璃类似物。另一方面，由于平板玻璃的光学性质要求较高，本发明对澄清过程的改善对于平板玻璃产品来说就具有特别的意义。
在Kunkle等申请的美国专利4381934中，已经公开了用来完成该熔化过程的最初步骤的工艺，即使粉状物料配合料变成液化的，部分熔化的状态。对绝大多数玻璃产品来说，该工艺要求其下一段工艺必须使熔化完全，液化物料的澄清将是下一段工艺的主要任务。在前面所述的专利中，澄清过程就是把液化了的物料喂入一只传统的罐型熔窑中。为了使这样一个分段的熔化和澄清过程的建造及操作费用最经济，就要求以尽可能有效的形式完成该澄清过程，从而使澄清设备的尺寸及能耗降至最小。
在玻璃熔化过程中，气体基本上是由于物料配合料的分解而产生的，其它气体则是由于配合料燃烧热源自然携带进去的，大多数气体在熔化过程的最初阶段就能逸出，仅有部分气体裹入熔体中。澄清过程的主要目的就在于提供足够的时间及温度条件使这些裹入的气体大部分从熔体中排出。由于升高温度能够加快气体裹入物的上升及逸出，因而对澄清区必须提供熔化过程中的最高温度。此外，传统地通过控制澄清区的热条件使熔融玻璃保持循环流动，以提供适当的停留时间，并且确保物料在高温下通过该区域，这时气体就被排入熔体上方的空间，而未澄清的熔体部分被直接从料流中分离开。另外，澄清过程可以用来使残留的配合料颗粒熔化，而且澄清过程中产生的循环现象有助于熔化均匀。当将该澄清过程和如美国专利4381934中所述的独立的液化过程相结合时，人们希望能使澄清过程至少部分最好是全部达到目标。在此发明以前，人们已经发现将液化物料喂入循环澄清罐中会产生增加短循环流动的趋势，即进入的物料很快地通到出去的产品料流中，因而不能提供足够的停留时间来澄清。
在以前的艺术玻璃制造窑炉中，熔化过程总是从一只较大的熔化室进入较小或较窄的容器中进行澄清操作，常常是通过一条狭窄的通道从一个室进入下一个室。下面的美国专利就显示了典型的分隔式玻璃窑炉，如1941778;704040;2254079;2808446;3399047;3897234;4099951;和4195982等。在导向澄清室的狭窄通道中加热熔化了的玻璃技术可以从下列美国专利中看出，如2926208;2990438;3499743;4011070;3261677;3415636;和2691689等。这些专利中没有一篇认识到影响澄清过程的因素所在，人们已经发现这些可归因于进入澄清器的料流的热条件及自然流向。
在本发明中，玻璃物料配合料或类似物在独立的，自然隔开的阶段中被液化、澄清，但它不是将液化的物料直接送入澄清阶段，而是通过一个中间阶段并在那儿升温。由于在导入澄清室以前就升高了温度，这就为液化的物料进入澄清室中合适的料流做好了热准备，从而能迫使它们产生合适的循化过程。最好，在中间阶段能将液化物料加热到物料由液化阶段出来进入中间阶段的温度以上，但又比澄清室中熔融物料的峰值温度低。在澄清器后端及出口端之间某一位置，熔体中峰值表面温度区域会不均匀地导致一种向上的流动，也就是人们所知的“热带”或“热点”，结果，热带前后的表面料流都明显地离开热带，而沿着澄清室底部的料流则明显地趋向热带。因此在澄清室中处理的熔融物料中就产生了两个反向转动的循环。本发明的中间热处理的目的是向送入澄清室中的物料提供热浮力，这样就能防止料流直接进入澄清室中最低层或最上层的料流中，而是进入来自热带的循环系统上方料流的中间层。进入此层就更有可能保证新入物料在被带入下部流动单元的上部料流(这是澄清室主要的产品输出料流)以前就能在该流动单元中经过几次循环。
对送入澄清室的液化物料进行中间热处理的优选实施例是一条细长、狭窄的通道。一般，通道的长度，宽度都比澄清器的要小。用一组液化段向单个澄清器喂料更为有利，最好对每个液化段再用一条通道将液化段和澄清器相连。由于通道的基本功能是使液化的物料加热到一个较高的温度，所以通道的容量就无甚重要。但是进、出口之间足够的长度有利于为通道里的加热处理提供一定的停留时间。通道内通过浸没电极间的电阻加热，但也可以使用上部燃烧或其它的加热手段来代替电加热。通道和澄清器之间的开口最好位于澄清器底部的上方以保证物料能进入澄清器中适当的位置。
利用本发明将液化物料从液化段送入澄清器的思想使得澄清器的效果达到较高水平，这样就能使澄清器的尺寸缩小。通常用一间操作室或工作室来接受澄清器下部的熔融玻璃料流以使之达到将该玻璃形成所需产品的适当温度。
本发明的一个较好的特征在于连接澄清器的通道或通道组是在澄清器侧面且位于澄清器上部料流端壁和热带之间的某一处，这种安排减少了新入物料被直接带到澄清器中最低层料流中的机会，用一对相对的通道更为有利，人们发现单侧通道不对称排列操作起来更令人满意。
图1是本发明的一个优选实施例纵截面俯视图，示出了两条通道喂向一个澄清器。
图2是图1纵截面侧视图，剖切面沿图1中2-2线。
图3是同一个实施例的横截面图，剖面沿图1中3-3线，表示出和通道之一相连的液化器的一个优选类型。
图4是图2澄清器左边部分放大的示意图，表示了熔体的循环线路。
参照图1和图2，表明澄清器10和操作器11用一个狭窄腰部12连接起来，它们全都用传统的耐火陶瓷材料制成，这些材料通常都用于玻璃熔炉，但实际尺寸较小且没有燃料燃烧的设备，在澄清器中最好配有一些加热装置以使熔融物料13达到其峰值温度并帮助在澄清器内建立所需的循环线路，对此，实施例中装有电极14以使电流通过熔体而加热。可采用多种电极布局，最好排成如图所示的两组两横行。
如图1所示，一对通道20和21通过开口22和23导向澄清器10并分别在澄清器的侧壁上。在所示的安排中，只有一对通道，但应该懂得可以采用更多或更少的通道且任何时刻所有通道都可以不用。因此，能够较大地改变该系统的流量。每条通道至少得接受来自液化容器25、26的部分熔融物料，液化段可以采用各种本领域内所知的结构，但前面所述的美国专利4381934中所显示的结构最为有利。在该专利中，物料配合料层在一旋转容器中起着绝热层作用，喂到此绝热层上的配合料被高温快速液化并立即从底部开口流出。
图3中显示了优选的液化器的示意性例子，容器25包括一个支撑在圆环31上的钢筒30，这种安装目的在于能围绕一垂直轴旋转。固定的盖子32上可以装有一组燃烧器，燃烧器最好是用氧气燃烧或者其它热源(未示出)燃烧，盖子上有一开口(未示出)，物料配合料由此口被喂入容器25中，液化过程中其它的一些细节可以由美国专利4381934得到。
当玻璃物料配合料由所优选的实施例液化后，进入通道20的液化物料仅仅是部分熔化，其组成大部分为液相(主要包括钠源物料如纯碱)和少量的固相(主要包括砂粒)，此阶段部分熔化的物料中还包括大量气相，其组成主要是由配合料组分中碳酸盐矿物分解出的二氧化碳气体，另外，由于它存在于液化容器中，典型的钠-钙-硅玻璃大约在500°F～800°F(270℃～450℃)就熔化，此温度低于澄清所需的峰值温度。
根据所要生产玻璃的类型及质量，通道中所接受的液化物料上至少已施加了熔化和澄清过程所需总能量的70%，不到85%的能量，因此只需要相当少的能量用于熔体上。已经发现在熔体进入对流的澄清器之前就在通道中提供基本能量会更有利。某些澄清功能，例如完全熔化砂粒和把气体从熔体中排出，在通道中就可以进行。当然通道的主要性质是提高熔体的温度。一般地，温度控制在物料进入通道的温度和峰值澄清温度中间。举例来说，玻璃澄清温度为2800°F(1540℃)，那么它在通道中的加热温度大约在2500°F(1370℃)就较有利。通道出口温度的选择要根据来自通道物料在澄清器10中循环线路中的相互作用结果而确定，这些将在下面论述。通道内的加热可以通过附图中所示的实施例中的电极35来实现，也可以用忌占尤仁侄卫创娴缂尤茸爸谩Ｈ厶逶谕ǖ乐械耐Ａ羰奔浣鲂枳阋酝瓿杉尤燃纯伞Ｒ虼嗣刻跬ǖ涝谌莼峡梢员瘸吻迤餍〉枚啵ǖ雷詈猛庑蜗琳允谷厶蹇拷仍床⒛芗跎偃人鹗АＴ诿刻跬ǖ澜氤吻迤鞯牡胤蕉加幸恢簧叩目布鞑糠 6，这样就能保证只有流过通道经过适当加热的物料流向通道进入澄清器中某预定位置的出口。靠近通道出口处还配有一浮块37用来防止过量的气泡或其它漂浮物流入澄清器中。
图4澄清室示意图中示出了典型的循环线路，由于离开澄清室后壁41处的热条件作用产生了上升循环区40(“热区”或“热带”)，在所给予的优选实施例中，该热条件主要是由电极14加热形成的。辅助间隔地通过熔体13上方的燃烧装置也能向澄清室提供热量。在后壁41和其它壁表面附近聚集了比较冷的物料，它们在熔体上产生冷却效应，逐渐引起后壁附近循环系统温度的下降。这些下降的循环和热带40处的上升循环在后壁和热带之间形成一个环形单元，如图4所示，它是逆时针的。这个线路是合乎要求的，因为它能增加澄清室内新入物料的停留时间而且也能减少新入物料由澄清室直接进入出口料流42的可能。这样一来，每部分熔体在被带入产品料流之前更可能地被完全澄清。另外，表面向后的料流43也有助于防止气泡和其它漂浮杂物进入产品料流42。同样，在热带后面料流中存在一个反向的循环线路，还有来自操作器11的，沿较冷物料底部的回流。
如果液化好的物料直接由液化器25或26喂入澄清器，物料温度较低，造成新入物料沉入澄清器底部，其主要部分将掺入底部料流44。这就不合乎要求了，因为这会使来自底部的料流44的物料随着类似料流45的通道流过热带底部而进入出口料流42的趋势。结果产生了澄清器的短路通道而不合乎要求地缩短了大部分物料的停留时间。导致澄清不充分且产品质量不合格。通过在物料液化后而进入澄清器以前加热物料，就可以利用热浮力来调节物料进入循环单元的位置高度。如图4中所示，通道22的物料的较好路径是在后端循环单元的中央部分，该新入物料流动路径类似料流46，最好先是向后流动，然后由底部料流44上方流向热带，在那儿由于位置较高，大部分料流自己产生了一个较短的热带回流路线47。因此在优选路径中，物料的主要部分首先流过以后，又一次回到后端循环单元中去，而仅有很少一部分进入热带向前的料流45中。结果对于给定容积的澄清容器来说，在澄清器中的平均停留时间就较长，澄清度也较高。澄清容器的尺寸就可以比原来所要求的减少许多。
但是，在通道21或22中对物料加热过分，则会导致不利的流动线路，物料由熔体13的表面进入澄清器，直接在下流方向进行，阻碍了向后的流动43，抑制了向上的循环单元。结果，为防止未澄清物料因短路进入由热区40提供的出口料流42的热阻挡层就被浪费了。基于这些原因，由通道流过的物料温度最好大约在进入通道时物料10的温度和峰值澄清温度之间。换句话说，在处理钠-钙-硅玻璃时，通道的存在温度大约比峰值澄清温度低200°F～400°F(110℃～220℃)。
由于从通道引入新的物料进入澄清器的后壁进行有效运动是合乎需要的，所以本发明的一个最佳特征在于使导向澄清器的开口或开口组22，23与后壁41分隔开。由例子发现开口离后壁的距离最好是后壁41和热带40距离的1/3～1/2。
在操作器11中，熔融物料被冷却到适宜温度，使之制成所需的产品如玻璃板。对于钠-钙-硅玻璃，其成形温度一般在1900°F～2100°F(1040℃～1150℃)之间。
熔化炉的大小受所需产品大小的影响。对于传统的平板玻璃熔化及澄清炉(包括操作器部分)，停留其中的熔融物料容量一般是玻璃日产量(24小时)的2～3倍，可以用这样一个数字来表明本发明的效果利用本发明的结构，停留在澄清器10和操作器11中的熔融玻璃容积不到日产量的两倍，最好低于1.5倍，而在所设计的一个特定例子中，所停留的物料容量约等于所需的最大日产量。
其它的一些变化及调整对于本领域内熟炼的技术人员来说都是显而易见的，也将落入本发明后附的权利要求所确定的范围之中。
权利要求
1.制造玻璃或类似物的一种方法，其特征在于它是把物料配合料液化成为一种不完全熔化状态，然后用一通道接受已液化了的物料并升温，将此加热的物料由通道送入一澄清器中，在该容器中所容纳的熔融物料保持对流状态，它包括澄清器出口处表面部分向前的流动以及澄清器进口处表面部分向后的流动，同时保持通过通道的物料温度，从而使该物料和澄清器进口端向后流动的物料熔合。
2.权利要求1中所述的方法，其中物料是以横向于向后料流的方向由通道流入澄清器的。
3.权利要求1中所述的方法，其中提供给澄清器中部分物料的温度高于施加给通道中物料的温度。
4.权利要求1中所述的方法，其中保留在澄清器中的物料量实际上要比通道中的量大。
5.权利要求1中所述的方法，其中物料是在两个或两个以上的地方被液化并且通过两条或两条以上独立的通道喂入澄清室。
6.权利要求5中所述的方法，其中物料是从澄清室相对的两壁由通道导入澄清室的。
7.权利要求1中所述的方法，其中由通道输入澄清器的料流基本上是水平的。
8.权利要求1中所述的方法，其中生产的是钠-钙-硅玻璃，物料温度升高到低于澄清器中峰值温度的200°F～400°F(110℃～220℃)。
9.制造玻璃或类似物的一种方法，它是将物料配合料液化，让液化的物料在完全熔化之前由液化区自由地流下，用一条较窄的水平延伸的通道接受液化的物料并升高温度，再将物料输入一个较宽的澄清器中并进一步升高温度。
10.权利要求9中所述的方法，其中澄清过的熔融物料是由澄清器出口端获取，而物料最初是以一个基本远离该出口端的方向由通道流入澄清器的。
11.权利要求10中所述的方法，其中物料是由通道从澄清器的一侧进入澄清器的。
12.权利要求11中所述的方法，其中由通道进入澄清器的物料温度为低于澄清器中物料最高温度的200°F～400°F(110℃至220℃)。
13.权利要求12中所述的方法，其中玻璃是钠-钙-硅平板玻璃。
14.制造玻璃或类似物的装置，其中包括一个液化容器，它包括有将粉状物料配合料喂入该容器的装置，加热容器内部使其达到物料配合料液化温度的装置以及向泄料口倾斜的配合料支撑表面;位于泄料口下方的一条水平细长的通道，用来接受来自液化容器的液化物料，以及在通道内加热液化物料的装置;和通道相连用来接受来自通道的熔融物料的澄清容器，它的面积基本上大于通道，用来加热澄清器的装置以及一只用来从该澄清器获取熔融物料的出口，它的位置与通道隔开。
15.权利要求14中所述的装置，其中的澄清器具有一个纵向长度，它是由后壁向出口处沿着侧壁以基本纵向的方向延伸的，其中的通道则通过侧壁上的一个开口和澄清器的内部相连。
16.权利要求15中所述的装置，其中的通道横向地延伸到澄清器纵向长度上去。
17.权利要求14所述的装置，其中至少有两个液化器和至少两条通道和澄清器相联系。
18.权利要求15中所述的装置，其中通道向澄清器的开口应在该部分澄清器底部的上方。
19.权利要求14中所述的装置，其中的通道装有电加热装置。
20.权利要求14中所述的装置，其中的通道为熔融物料由液化容器到澄清器提供了一条通路，其长度尺寸大于宽度尺寸。
全文摘要
制造玻璃或类似物的一种方法，其中物料配合料在澄清室外的一个特定区域内被液化，液化了的物料在被送入澄清室以前在一个中间过程中加热。在优选的实施例中，此中间过程是由一条或多条由澄清室壁伸出的通道组成的。
文档编号C03B5/16GK1032329SQ87107788
公开日1989年4月12日 申请日期1987年9月30日 优先权日1986年10月2日
发明者莱奥纳德·阿瑟·纳维施, 戴维德·理查德·哈斯金斯 申请人:Ppg工业公司