玻璃制备方法

专利名称：玻璃制备方法
玻璃制备方法本发明涉及玻璃制备方法。更具体地说本发明涉及其中至少 一火焰与; 隻盖区(tapis de composition)接触的方法。玻璃的制备需要高温，常常在约140(TC到1700°C,这取决于玻璃 的类型。因此需要大量的能量，不仅用于熔化原料，而且用于加速在各 原料之间的化学反应，尤其溶解硅石(大部分工业玻璃的主要组分，在这 些之中它的熔点是最高的)的反应。高温对于从熔化玻璃浴中除去任何气 体夹杂物也是必要的，这一步骤被称为"精制(affinage)"。这些气体夹杂物有几个来源。它们主要来自于在粉末状材料之间夹 含的空气和来自于因为在熔化玻璃的步骤中发生的某些化学反应所引 起的放气。因此，该碳酸盐型原料(例如碳酸钠，石灰石或白云石)释放 出大量的气体形式的二氧化碳。气体夹杂物还归因于在某些条件下某些 气体的去溶解(d6solubilisation)反应，或归因于在熔化玻璃与在炉中存在 的某些材料(耐火陶瓷和/或金属)之间的化学反应或电化学反应。这些气 体夹杂物被禁锢在熔化玻璃的主体内，气体按照与它们的直径的平方成 正比例的速度从中逃逸。因此，小的气泡(有时被称为"种子")能够仅 仅以极低的速率逃逸。气泡上升速率能够另外由于玻璃的粘度和由于对 流运动而被减慢，其中对流运动带着气泡移向炉的底部。因为当温度提 高时粘度下降，因此需要高温来获得脱除气体夹杂物的玻璃。在玻璃生产炉中，该能量 一般由燃烧器和/或由浸没在玻璃中的电极 提供给玻璃。在大部分的工业炉中，尤其对于平板玻璃、瓶子或纤维的生产，燃 烧器被置于护壁或置于炉的上端的壁中以便产生与玻璃浴的表面平行 的火焰。这尤其被称作"空中"燃烧器，因为火焰不与玻璃浴的表面接 触。这一火焰通过辐射加热玻璃，部分直接地，^旦也间接地，归因于在 燃烧器上方的炉顶的存在，该炉顶反射热辐射。根据所谓的"横向燃烧器"的几何结构(常常用于生产平板玻璃的熔 化炉)，这些空中燃烧器位于侧壁或护壁上，并且火焰与熔化玻璃的流动 方向^f黄向展开。将原料的加入炉中则一般经由炉的上端壁来进行的。根据另一种几何结构，它更经常用于包装领域(瓶子，罐，烧瓶等)和被称为"环状的，，，大的火焰从炉的上端壁在熔化玻璃的流动方向 上展开。根据使用助燃剂(comburant)的性质，使用两大类的燃烧器，。对于 空气用作助燃剂的情况，热回收的技术可以限制由于加热大量的不起反 应的因此无用的氮气所造成的能量损耗。根据最常用的技术，由燃烧反 应产生的热量的一部分被贮存在从耐火材料堆叠所形成的回热器或再 生器中，然后该热量被再利用来预热用于燃烧的空气。 氧也可用作助燃剂，它不需要此类回热器的构造。 当玻璃难以熔化时，或当要求生产率提高时，常常使用"辅助加热(boosting)"。例如，在吸收红外辐射的玻璃情况下，在炉的底部使用电 极以便提供过量的能量和因此加速熔化。红外辐射^皮玻璃浴的吸收实际 上防止该辐射穿透与炉底部最接近的各个层。其它熔化或"辅助加热"技术已有描述，它们在于产生与玻璃浴或 与覆盖区直接接触的氧气燃烧器火焰。"覆盖区"是指熔化玻璃浴被还 没有熔化的粉末状原料覆盖的区域。这一区域接近于用于将原料加入到 炉中的原料投料口。粉末状原料还包括"碎玻璃"，即磨细的回收玻璃。专利申请WO 82/04246因此描述一种方法，其中在没有被原料覆盖 的地方，氧气燃烧器火焰直接接触玻璃浴。专利申请EP 546 238描述一 种方法，其中由氧气燃烧器产生的火焰在暴露的玻璃浴和覆盖区之间的 界面上与熔化玻璃接触。另一方面在专利申请EP 1 077 901中，在与覆 盖区接近处形成氧气火焰，该氧气火焰源自于位于炉顶的燃烧器并且与 玻璃浴表面垂直而形成。该氧火焰，它的绝热温度是很高的，因此可以 同时由辐射和由对流将能量转移到玻璃浴或转移到覆盖区，因此提高了 产量，即每单位时间所生产的玻璃量。然而这些方法存在一些缺点，尤其就玻璃的质量而言。这一类型的方法不能用于富含挥发性组分如碱金属氧化物(钠，钾或 锂氧化物)和/或氧化硼的玻璃，因为产生大量的飞走物(envol)，这表现 为所述组分的含量的大大减少。这些飞走物对玻璃的质量，对环境(因此 需要特别昂贵的消除污染系统的投入)以及对于玻璃组成的稳定性和因 此对它的物理化学性能的稳定性是有害的。类似地，对于碱金属氧化物含量低的玻璃，会遇到精制问题，归因 于不适当的再沸腾。最后，燃烧器位于炉顶会导致后者的变脆问题。本发明的一个目的是通过提供一种方法来避免这些缺陷，该方法可 以在提高产量的同时改进玻璃的熔化，但不损害精制质量。本发明的另 一个目的是防止炉的炉顶的变脆。本发明的目的是提供一种在包括侧壁、炉顶、上端壁和与至少一个 气态或液态燃料喷射器相结合的至少 一 个空气喷射器的炉中从粉末状 原料制备玻璃的方法，这些喷射器中的至少一个被放置于该侧壁、炉顶 或上端壁中，该方法包括经由所述喷射器喷入空气和气态或液体燃料的 步骤，如此产生的火焰或各火焰仅仅是在粉末状原料覆盖玻璃浴的区域 的紧邻近处产生的。根据本发明，空气因此^C用作助燃剂。该术语"空气"应该理解为 指不富集氧的空气，因此包含约20%氧气/80%氮气。本发明人指出，使用空气作为助燃剂产生的火焰可以兼顾了某些出 乎意料的优点。事实上，已证明这样的火焰可以限制挥发性组分的飞走，可能归因 于比较低的火焰温度。另夕卜，观察到精制质量的改进，尤其对于低碱金 属含量的玻璃来说。事实上，这些玻璃通常使用硫酸钠进行精制，硫氧 化物S03然后被溶于玻璃浴中。然而低碱金属氧化物含量的玻璃对于该 组分具有低溶解度，这会导致不适当的再沸腾的风险。这种再沸腾(对精 制质量有害)实际上当使用氧火焰时被观察到，但是当使用空气用作助燃 剂的火焰时不出现再沸腾。似乎表明氧熔化气氛典型的高水含量是这一 再沸腾的起因。一地，这是指当喷射器位于侧壁或^i时:、这一优点也:因于挥发性物质的飞走的减少和在燃烧气氛上的差异。尽管在空气火焰比氧火焰相比绝热火焰温度较低，另一方面令人吃 惊地看出，改变助燃剂没有伴随产量的显著下降。根据本发明的 一个实施方式，大部分的能量利用该方法提供给玻璃 浴。本发明则使用特定专用于这一方法的、不具有顶部燃烧器的炉。然而另 一种方式是优选的，其中喷射器用来将过量的能量(辅助加热) 带到炉中，在该炉包括至少一个空中燃烧器，优选该炉包括至少一个其 助燃剂是空气的空中燃烧器和至少一个回热器或热量再生器。喷射器在炉顶中或在侧壁中或在上端壁中的放置的选择取决于炉的构型，尤其当该方法在于将"辅助加热，，能量供应给现有的炉时。配置在壁(护壁)中或在上端壁中可以限制炉顶变脆的风险并且还i更于在早已运转的炉中的安装，炉顶温度比炉的其它组成部分的温度高得 玄夕。在这一实施方案中，在火焰轴线和水平轴之间有利地提供40。-80° 的角度。还有可以考虑上部分倾斜但不垂直的护壁或端壁。在本发明的范围内可以设想到喷射器的全部类型的结合。空气以及气态或液态燃料如天然气或燃料油的喷射因此经由燃烧 器来进行，该燃烧器包括至少 一个明显圆柱形的用于燃料的内管道和与 内管道同中心的用于空气的外管道。当燃料经由单个内管道来喷射时， 然而不可能独立地控制气体的流量和速度。因此优选的是，当燃料是气 态时，该燃料在两种不同的压力下经由两个同中心的内管道喷射。也可以使用分离的喷射器，燃料和空气助燃剂是从炉中不同的地方 如炉顶、上端壁或侧壁被喷射。因此，调节两股如此分离的喷射流，使 得两个喷射流(空气喷射流和燃料喷射流)在覆盖区的紧邻近处相交，因 此在粉末状原料覆盖玻璃浴的区域中，在这一精确位置产生火焰(燃烧的 位置)。空气因此经由位于炉炉顶中的喷射器被喷入和燃料经由位于炉的 侧壁中的喷射器被喷入，或反之亦然。还有可能的是，空气喷射器与几 个燃料喷射器相结合，或反之亦然。在任何情况下，优选的是该火焰仅仅在粉末状原料覆盖玻璃浴的区 域(覆盖区)的紧邻近处产生，这可以防止炉顶或炉侧壁的任何过热，同 时使热量转移至原料最大化。甚至有利地调节火焰，使得它在该覆盖区 上展开，以覆盖该覆盖区的大部分。该术语"紧邻近处"应该理解为指， 在刚好位于覆盖区之上的区域，在该区域中形成从炉的上部分指向覆盖 区的火焰；由火焰产生的能量因此非常高效地传输到原料，主要通过对 流作用。已经观察到，当这些喷射器的结合的比脉冲(specific impulse)是在 2-4N/MW之间，尤其在2.6-3.2 N/MW之间时，实现了最佳的热转移至 原料。比脉冲在本发明的意义上被定义为相对于喷射器的结合的功率， 空气和燃料脉冲(动量的流量)的总和。因此获得了最佳的热传递，特征 在于仅仅在覆盖区的紧邻近处(刚好在覆盖区之上)形成火焰。在喷射器出口的燃料和空气流一般不是层流，即雷诺数(Re)大于 2000。尽管如此，在比脉冲适宜控制的范围内，没有，见察到两个射流的 反应性混合。可以有利地设置附加的空气入口以实现分级燃烧。 根据本发明方法的一个优选实施方式和为了进一步改进对原料的 热传递，用作助燃剂的空气在进入到炉中之前被预热到至少50(TC的温度。燃料流量优选是在50-300 Nm3/h之间，喷射器的各结合的功率是在 0.5-3 MW之间。气态或液体燃料和该空气可以按照化学计量比例被引入。其它条 件，如亚化学计量的、因此减低(不充足的空气)的条件，在某些情况下 仍然是优选的。例如，当需要具有高的还原氧化作用(redox)(大于0.3， 甚至大于0.5)的玻璃时，便是这种情况，该还原氧化作用是通过在玻璃 中还原形式存在的铁(二价铁)的量相对于铁的总量的比率来定义的。如上所指出，根据本发明的方法有最大的优点来制备含有挥发性物 质如碱金属氧化物或氧化硼的玻璃。根据本发明的方法因此优选用于生 产这样的玻璃，它的化学组成包括大于3wt%,甚至4wt。/。的氧化硼和/ 或大于12wt。/。，甚至15wt。/。的^成金属氧化物。根据本发明的方法因此有利地用于制备绝热和隔音纤维所用的玻 璃，该玻璃的组成包括在以下以重量百分数表示所限定的范围内的下列 成分Si0245-75;A12030-10;CaO0-15;MgO0-15;Na2〇12-20;K200-10;B2033-10;Fe2030-5;和P2050-3。根据本发明的方法也特别适合于生产碱金属氧化物含量低的玻璃，尤其适合含有低于2wt。/。的碱金属氧化物，甚至低于1%或0.5%的碱金属氧化物的玻璃。这一类型的玻璃是用作LCD(液晶显示器)的基板的玻璃，该玻璃组成包括在以下以重量百分数表示的限定范围内的下列成分；Si02 58-76%;B203 3-18%,尤其5-16%;A1203 4-22%;MgO 0-8%;CaO 1-12%;SrO 0-5%;BaO 0-3%。事实上，该玻璃兼顾了氧化硼的存在和碱金属氧化物的低含量，这 使得根据本发明的方法特別适合于它的制备。本发明的另一个目的是在包括侧壁、上端壁和至少一个配置于所述 侧壁或所述上端壁中的燃烧器的炉中从粉末状原料制备玻璃的方法，该 方法包括将助燃剂和气态或液态燃料经由或与至少一个燃烧器的结合 进行喷入的步骤，在粉末状原料覆盖玻璃浴的区域的紧邻近处产生火 焰。事实上，燃烧器，不论它是氧燃烧器或空气燃烧器，被布置在侧壁 和/或上端壁中有利于减少炉顶受损的风险。阅读下面的举例说明的而不限制本发明的实施例和附图将更好地理解本发明。

图1和2用图解法表示用于实施根据本发明的方法的炉的纵向截面。图3表示实验获得的曲线，它描述了在被传递到原料的功率与比脉 冲之间观察到的变化。图4表示在燃烧器试验过程中拍取的照片。图1举例说明了燃烧器放置于炉顶中的实施方式，而在图2中所示 的实施方式中，燃烧器放置于上端壁中。在两种情况下，由耐火材料建造的炉包括底部1,上端壁2和炉顶 3。空中燃烧器4按照所述为"横向燃烧器，，的构型因此被配置在侧壁5 或护壁上。示意性地，显示了采用空气运行的四个空中燃烧器，四个其 它燃烧器(未显示)与它们相对地位于另一侧壁上。通常，这一类型的工业炉包括6到8对的空中燃烧器。在正常的操作规程中，只有同一个壁 的燃烧器同时操作，放出的燃烧气体再加热位于相对壁的再生器中的耐火材料多层体。在约20分钟的周期后，这些燃烧器停止工作和相对壁 的燃烧器启动，因为空气围绕刚刚被再加热的再生器的耐火材料堆叠体 循环，用作为助燃剂的空气被预热。这些空中燃烧器4的火焰与玻璃浴 6的表面7平行展开。粉末状原料经由批料投料口 (未显示)被引入并在玻璃浴6的表面上 形成4隻盖区8。图1所示的是位于炉顶中的燃烧器9形式的喷射器的结合体。燃烧 器9包括两个同心圆柱体，内圆柱体用于喷射燃料(在这种情况下为天然 气或曱烷(CH4)),至于外圓柱体，用于喷射空气。两个流月殳以非层状方式流入与玻璃浴6的表面7基本垂直的区域10 中，然后在与覆盖区8接触点反应而形成火焰11,该接触点是在空气和 天然气之间的燃烧反应的位置。在图2中，燃烧器位于上端壁2中，与水平轴形成了大约45°的角 度。在覆盖区8的紧邻近处产生火焰14。火焰11可以经由各种现象来加速该熔化程序。向覆盖区传递热的 最高效率显然有助于熔化动力学的提高。火焰11的脉冲另外改变了在 玻璃浴6中的对流流动并迫使粉末状原料穿透入到玻璃浴6,这会提高 它们的熔化和溶解速率。当在覆盖区的邻近处产生燃烧的燃烧器不存在 时，覆盖区将漂浮更长时间而不反应并且另外覆盖玻璃浴6的更大面积， 减少了从空中燃烧器至玻璃浴的热传递。在未显示的一种变型中，燃烧器位于护壁5中，特别在上部分中， 形成合适的角度，使得在覆盖区的紧邻近处产生火焰11。图3表示描述在^C传递到原料的功率和比脉沖之间的关系的曲线。在被放置于炉的炉顶中的燃烧器上进行试验之后观察到这一相互 关系。在这些试验过程中，燃烧器的比脉冲通过改变喷射速率进行调节。燃烧器的比脉沖在横坐标表示，纵坐标与被传递到原料的功率(任意 单位，最高功率与100%的值有关)有关。这一曲线表明，约3N/MW的比脉冲值与被传递到覆盖区的最高功 率有关，因此与仅仅在覆盖区的紧邻近处产生火焰的情况有关。图4确切地举例说明了燃烧器的比脉沖等于3 N/MW的情况。在照片中可以分辨覆盖区和位于炉顶中的燃烧器尖头。该火焰仅仅在覆盖区 的紧邻近处产生并且在该覆盖区展开，由对流作用传递其功率的主要部
权利要求
1.一种在包括侧壁、炉顶、上端壁和与至少一个气态或液态燃料喷射器相结合的至少一个空气喷射器的炉中从粉末状原料制备玻璃的方法，这些喷射器中的至少一个被配置于所述侧壁、所述炉顶或所述上端壁中，该方法包括经由所述喷射器喷入空气和气态或液态燃料的步骤，如此产生的火焰或各火焰仅仅在所述粉末状原料覆盖玻璃浴的区域的紧邻近处产生。
2. 根据权利要求1所要求的方法，特征在于该炉包括至少一个其助 燃剂是空气的空中燃烧器，以及至少一个再生器或回热器。
3. 根据前述权利要求中任一项的方法，特征在于空气以及气态或液 态燃料如天然气或燃料油的喷射经由燃烧器来进行，该燃烧器包括至少 一个用于燃料的几乎圓柱形内管道和与内管道同中心的用于空气的外 管道。
4. 根据前迷权利要求的方法，特征在于气体燃料经由两个同中心的 内管道在两种不同的压力下喷入。
5. 根据权利要求1或2的方法，特征在于燃料和空气从炉的不同地 方喷入。
6. 根据前述权利要求中任一项的方法，特征在于这些喷射器的结合 的比脉沖是在2-4 N/MW之间，尤其在2.6-3.2 N/MW之间。
7. 根据前述权利要求中任一项的方法，特征在于在喷射器出口的燃 泮+和空气流不是层流。
8. 根据前述权利要求中任一项的方法，特征在于用作为助燃剂的空 气在进入炉中之前被预热到至少50(TC的温度。
9. 根据前述权利要求中任一项的方法，特征在于空气是按照相对于 燃料是亚化学计量条件下被引入，以便生产还原氧化作用大于0.3的玻 璃。
10. 根据前述权利要求中任一项的方法，特征在于玻璃化学组成包 括大于3wt。/。，甚至4wty。的氧化硼和/或大于12wt。/。，甚至15wt"y。的碱金属氧化物。
11. 根据权利要求1到9中任一项的方法，特征在于所生产的玻璃 含有4氐于2wt。/。的碱金属氧化物。
12. 在包括侧壁、上端壁和至少一个被配置在所述侧壁或所述上端壁中的燃烧器的炉中，从粉末状原料制备玻璃的方法，该方法包括将助 燃剂和气态或液态燃料经由或与至少一个燃烧器相结合进行喷入的步 骤，在粉末状原料覆盖玻璃浴的区域的紧邻近处产生火焰。
全文摘要
本发明涉及在包括侧壁、炉顶、上端壁和至少一个与气态或液态燃料喷射器相结合的空气喷射器的炉中从粉末形式的原料制备玻璃的方法，喷射器中的至少一个被配置在侧壁中，在炉顶中或在上端壁中。该方法包括下面步骤经由所述喷射器喷入空气和气态或液态燃料，在紧邻近于粉末形式的原料覆盖玻璃浴的区域产生至少一个火焰。
文档编号C03B5/235GK101253125SQ200680025286
公开日2008年8月27日 申请日期2006年7月12日 优先权日2005年7月13日
发明者J·-G·勒康特 申请人:圣戈班伊索福公司;法国圣戈班玻璃厂