用于纤维玻璃的环焰炉的制作方法

专利名称：用于纤维玻璃的环焰炉的制作方法
用于纤维玻璃的环焰炉 本发明涉及用于熔化玻璃组分尤其是待转变为纤维的玻璃组分的设备。玻璃纤维主要有两种类型的应用强化复合材料和热绝缘。用于强化复合材料(具有热固性或热塑性的有机基底或无机基底， 例如水泥或混凝土类型的)的玻璃纤维在侧焰炉类型的传统炉中通常相对 容易熔化。而对于某些用于绝缘的富含氧化铝的组分则不是这样。一些高性能的纤维(尤其是那些具有较高机械强度和较高耐腐蚀性 能的纤维)必须含有大量的中间化学成分(这是本领域技术人员用来命名 那些在网络形成物和网络改性物之间起中间作用的成分的术语)，例如氧 化铝(A1203 )或氧化锆(Zr02)。这些成分也赋予改善的耐火性能。这些 成分的添加导致产生了比传统玻璃例如钠钩硅玻璃更难熔化的组分。并不 是总能使用著名的碱金属氧化物类型的有效助熔剂，因为它们对在某些应 用中所必需的电阻和耐腐蚀性能有不利影响。氧化硼(B203 )经常被用作 用于可纤维化的玻璃组分的替代助熔剂，已经有人提出在侧焰炉中熔化具 有高的氧化铝含量的组分时使用氧化硼。为了更有效地熔化不含硼的可玻璃化的组分，已经有人提出在侧焰 炉中添加顶式燃烧器以及向所有的燃烧器供应氧气使得能够达到所需的 温度。使用氧气作为助燃剂还允许达到很高的燃烧效率。但是，氧气是一 种昂贵的助燃剂。经常使用环焰炉来熔化钠钙硅类型的传统玻璃，更具体地用于熔化 空心玻璃。与平板玻璃相比，空心玻璃的应用不太需要高质量的玻璃，尤 其是在细小气泡的含有率方面。环焰炉很适合用于空心玻璃的应用中，尽 管其灵活性相对较低。实际上，环焰炉具有主要始于该炉上游面并且在经 历了一个环形之后又返回到该炉上游面的火焰，且不太可能调整它的运 行。但是，环焰炉的设计简单，使用很少的燃烧器却获得极高的燃烧效率。 相反，侧焰炉需要多得多的燃烧器，它们的调节是棘手的。申请人发现环焰炉的使用不是必然获得可纤维化的玻璃。实际上， 在某些情况下，寄生相的形成使得最终的玻璃完全不能纤维化。已证实硼 的存在可能是这个问题的根源。现在已经发现环焰炉非常适合于熔化含有氧化铝和/或氧化锆的无 硼可纤维化组分。实际上，现在已经发现环焰炉向含有氧化铝和/或氧化 锆的无硼可纤维化组分的熔化提供了理想的温度分布，而这是采用少量燃 烧器实现的。实际上，少量的燃烧器大大便利了炉子的调节。可获得非常高的燃烧效率，高于70%，甚至达到80%，同时可以使用空气作为助燃剂。 环焰炉从装料区起就提供所需的高温。因此，本发明允许不使用昂贵的助 熔剂一一氧化硼。此外，还观察到，硼的缺失所反映出的结果是更少的泡 沫形成在玻璃的表面上，这相应地提高了火焰和熔融浴之间的热交换。燃烧器指的是并列地包括燃料喷射器和助燃剂导入管的组件，其中 助燃剂有助于火焰的形成。文件EP805123提出使用具有分级燃烧的氧燃烧炉(使用纯氧作为助 燃剂)来熔化可玻璃化的物质，尤其是在环焰炉中(参见其图3)。提供 了所有可能的玻璃应用，其中特别包括纤维化。这里的主要目的是减少构 成炉壁的耐火材料的磨损。然而，纯氧是一种昂贵的助燃剂，本领域技术 人员力图使用空气。但是，使用空气进行EP805123所提出的分级燃烧是不 可想象的，因为要引入到各侧上的空气的流量将需要建造非常多和非常昂 贵的管道。另外，就获得高的燃烧率而言，分级燃烧也是不合适的。实际上， 温度越高，热的传递就越有效。通过分级燃烧，获得的是相对低的温度， 热的传递也相应地降低了，这导致在最终的玻璃里有未熔物(由可玻璃化 的原料的不充分熔化所造成的缺陷)。现在已经发现，如果大部分矿物能量由环焰炉的上游面提供，那么 最终的玻璃就不会有这些不期望的缺陷。本发明尤其允许以非常高的燃烧 效率熔化有高含量Ah03和/或Zr02的玻璃，燃烧效率通常高于70%且通常 是从70%到80%。术语"上游"和"下游"应解释成相对于熔融物质的流动方向而言。 一个炉子通常包括四个侧壁，上游面是位于最上游的那个面，相反，下游 面位于熔融物质的出口区域。因此，本发明首先涉及一种制备玻璃的方法，该玻璃包含少于2%重 量比的氧化硼(B203基)且含有的氧化铝或氧化锆(以及需要时含有氧化 铝和氧化锆)的量使得氧化铝和氧化锆的质量之和占至少8%重量比，可玻 璃化的物质的熔化在装有再生器的环焰炉中实现，至少80%的矿石能量由环形火焰引入，在所述炉子的上游面处引入火焰的助燃剂和燃料，助燃剂为空气或者富含氧的空气，所述助燃剂含有至多30%体积比的氧气。优选 地，100%的矿石能量由环形火焰引入，在所述炉子的上游面处引入火焰的 助燃剂和燃料。可经由上游面或在炉子侧壁的上游区域干引入或湿引入可玻璃化的 物质。如果担心有飞溅的风险，则进行湿引入。优选地，通过所述侧壁中 的洞口在炉子侧壁的上游区域将可玻璃化的物质装入，以便限制粉末状的 可玻璃化的物质的飞溅。这些洞口通常位于侧壁的上游第一个三分之一 处。因此，可玻璃化的物质通常在侧面洞口处以粉末的形式被引入。如果 它们被干引入，那么优选地，借助螺旋装料机来完成。本发明还涉及一种用于制造矿物纤维的设备，其包括用于熔化可玻 璃化的物质的环焰炉，续接纤维化单元(通常用于纤维化玻璃)。环焰炉 在上游面上装有至少一个燃烧器以产生环形火焰，所述火焰产生至少80% 的用于加热所述炉子的矿石能量。可以在炉子和纤维化单元之间放置精炼 室，但这通常是不需要的。实际上，现在已经发现纤维化应用对于玻璃中 气泡的存在非常包容。通过根据本发明的方法，所获得的玻璃每升包含ioo 至6000个气泡(直径小于50微米)，而这很适合纤维化应用。因此，简单 的流动管道将环焰炉与纤维化单元相连接。在本申请中不再详细描述纤维 化单元，这种类型的单元对应于文献中所描述的单元，是本领域技术人员 所熟知的。更具体地，这里的目标纤维是采用例如拉丝纤维化方法或在纤 维化离心器中进行内部离心的纤维化方法(在WO0161088或EP0189534中参 见对这些方法的综述)经由孔所形成的纤维。因此，本发明还涉及一种制 备玻璃纤维的方法，包括在环焰炉中制备玻璃的方法，续接将玻璃转变成 纤维的方法。用来使环焰炉运行的助燃剂是空气或者富含纯氧的空气，纯氧提供 助燃剂流中全部氧的至多40%，这等价于含有至多30%体积比氧气的助燃 剂。这种助燃剂具有至少1250。C的温度，优选地至少1350。C。得益于再生 器的使用才达到这个温度。实际上，助燃剂在被引入到炉子中之前已被再 生器加热过。再生器为本领域技术人员所熟知。它们被放置在炉子的上游面的后 面。它们由耐火砖(这包括耐火陶瓷砖)构成，耐火砖放置在两个分开的 依次运行的隔室中。火焰自上游面的半边处发出，然后扫过炉子中的大气勾画出一个环形以便朝向上游面的另外半边返回。经由上游面的这个另外 半边中的孔回收烟，烟的热量加热放置在其中一个再生器中的耐火砖，其 中再生器放置在上游面的后面。当耐火砖足够热时，颠倒炉子的运行，即， 使火焰从炉子的另外半边发出并由放置在炉子的另外半边的后面的另一 个再生器回收烟。热的再生器用于加热作为火焰助燃剂的空气或富含氧的 空气。燃料(例如，液体燃油或甲烷、丙烷或丁烷类型的可燃气体)与助 燃剂被分开地引入，但是燃料的引入点靠近助燃剂的引入点。无论在哪种 情况下，燃料和助燃剂经由相同的上游面半边被引入。这样，使炉子以一
个方向运行直到在回收烟的再生器中获得了至少1250。C的温度，然后颠倒 炉子的运行。再生器中所容许的温度当然取决于对所使用材料的选择。某 些陶瓷的使用允许达到甚至高于1450。C的温度，以及甚至在1500。C的数量 级。还观察到再生器中源自烟的沉积物消失了。所使用的组分中含有低比 例的氧化硼似乎是这种消失的原因。
除了经由上游面所提供的主要矿石能量之外，炉子通常还装有补充 电加热器，其通常占到炉子中所使用的总能量的0至50%。因此，总能量的 通常0至50%，更通常是5至30%，源自电(非矿石能量)。通常，在不超过 炉顶所能承受的温度的前提下，力图尽可能多地使用矿石能量。因此，根 据炉顶的耐火能力，以最高水平利用矿石能量，并通过通常浸没在熔融浴 中的电极供电来补充所需的能量。供电也允许增加炉子的产出量。
炉子可装有提坝(耐火的)，其浸渍在熔融玻璃中并设置在下游那 半中甚至在炉子下游最后一个三分之一中。这个堤坝的作用是促进熔融玻 璃浴内部的对流带。这些运动构成了扰动，增加了停留时间，这所反映出 来的结果是未熔物的比例下降。平均而言，在通过下游处的流动出口孔离 开炉子之前，玻璃可转例如数十圈。也可以设置一横排起泡器，放置在堤 坝的上游，通常就在堤坝的前面，以促进对流。这些起泡器还有一个作用
是驱散泡沫以改善火焰给玻璃的热传递。
本发明所涉及的玻璃包括通常至少35%重量比和通常至多70%重量比 的氧化硅。这种玻璃包含通常少于2%重量比甚至少于1%重量比的氧化硼 (B203 )。特别的，不含或少含硼的E玻璃非常合适。然而，氧化硼(B203 基)却可能存在于最终的玻璃中，含量为至少lppm重量比。玻璃甚至还可 能包含低比例的碱金属氧化物，尤其是少于1%重量比，或者甚至不含有。 但是，优选地，玻璃包含足够多的碱金属氧化物类型(R20，其中I^Na、 Li或K)和碱土金属氧化物(例如MgO、 Ca0、 Ba0、 Sr0)类型的助熔剂(碱 金属氧化物的质量和碱土金属氧化物的质量之和)，以使它的液相线温度 低于1250。C,优选地甚至低于1200。C。这样，在根据本发明所使用的玻璃 中，碱金属氧化物的质量和碱土金属氧化物的质量之和通常高于20%重量 比而低于40%重量比。
玻璃包含氧化铝(A1203)或氧化锆(ZrOj (意思是玻璃可含有氧化 铝和氧化锆)使得Al203与Zr02的重量百分比之和为至少8M重量比，通常至 少10%重量比，甚至至少12%重量比，但通常低于25%重量比。特别地，玻 璃可以不包含氧化锆，在这种情况下，玻璃则包含至少10%重量比的氧化 铝且通常低于25%重量比的氧化铝。更具体地，本发明适合于进行共晶型 熔化或主要进行共晶型熔化的组分，这意味着至少95%重量比的可玻璃化 的物质进行共晶型熔化。
图l示出了俯视看到的可用于本发明的环焰炉。该炉包括上游面l、 两个侧面2和2，以及下游面3。该炉装有两个相同的再生器4和4，，它们并列 地放置在上游面的后面。每个再生器放置在半个上游面的后面。洞口6和6， 设置在侧壁2和2，中，用于引入可玻璃化的物质。这些洞口设置在侧壁的上 游第一个三分之一处。浸渍在熔融浴中的堤坝5设置在炉子的下游那半中。 在图l的情形中，火焰起自上游面的半边la处。火焰在炉子的大气中勾画 出一个环形以便回转向上游面的另外半边lb处。当再生器4，中的耐火砖足 够热时，炉子的运行颠倒成图2所示。在这种情况下，火焰起自上游面的 半边lb处，烟的热量回收在另一个再生器4中。火焰的助燃剂是穿过再生 器4，时被加热的空气。最终的玻璃穿过设置在炉子的下游面3上的孔7流出。
该玻璃随后供应给纤维化单元。
图3示出了通过侧壁从侧面看到的炉子。可识别出堤坝5和起泡器8 ， 后者产生气泡以驱散玻璃表面上的泡沫并促进火焰和熔融浴ll之间的热 交换。在熔融浴11中产生了对流带10。
图4示出了通过下游壁3从侧面看到的炉子。在熔融浴ll的上方、在 炉顶12的下方，可识别出两个生成环形火焰的系统，所述系统依次运行。 每个生成火焰的系统各包括一个进气口13和13，以及燃料喷射器14和14，。
图5将根据本发明的环焰炉情形下的温度曲线与传统侧焰炉情形下 的温度曲线(温度在玻璃流动方向上的变化)进行了比较，其中两种炉子 的表面积和加热功率相同。可以看到，环焰炉在较为上游处获得了更高的的玻璃的熔化非常有利。侧焰炉的温度不会 上升得这么快，在本发明所针对的可玻璃化的物质的情形下，如果产出量 变得很高，那么这会导致产生未熔物。图6示出了俯视看到的现有技术中 的传统侧焰炉。对这种炉子来说，可玻璃化的物质也是通过侧壁中位于上 游的洞口15和15，而引入的。众多的侧装燃烧器16装在侧壁上。烟的热量 被回收器17所回收。经由出口18回收玻璃。回顾一下，回收器是以换热器 模式运行的，即经过一个管道的烟加热了经过另 一个管道并供应给侧装燃 烧器的空气。在再生器(用在本发明中)的情形下，只有一个管道，燃烧 气体加热包含在再生器中的耐火成分，然后进行一次颠倒，新鲜空气随后 流经再生器以被加热并为燃烧器供应空气流。这种运行意味着再生器通常 是成对运行的。可能会想到制造装有再生器的侧焰炉，以提高燃烧效率并 接近环焰炉的燃烧效率。但是，每个燃烧器将必须具有各自的空气渗透窗， 而这极其昂贵。为了达到在环焰炉情形中所观察到的上游温度，还必须将 側装燃烧器设置在装料洞口的上游。假设即使达到了环焰炉的热学性能 (温度分布和燃烧效率)，但还是需要与燃烧器的数目相同的渗透窗，考 虑到所需的燃烧器的数目，这会造成相当可观的成本。因此，对于所针对 的组分，任何侧焰炉都不能以相等的成本达到环焰炉的性能。这个结果对 于本领域技术人员而言不是显而易见的。
权利要求
1.一种制备玻璃的方法，该玻璃包含少于2％重量比的氧化硼且含有的氧化铝或氧化锆的量使得氧化铝和氧化锆的质量之和占至少8％重量比，该方法的特征在于，可玻璃化的物质的熔化在装有再生器的环焰炉中实现，至少80％的矿石能量由环形火焰引入，火焰的助燃剂和燃料在所述炉子的上游面处引入，助燃剂为空气或者富含氧的空气，所述助燃剂含有至多30％体积比的氧气。
2. 前述权利要求的方法，其特征在于，玻璃包含足够多的碱金属氧 化物或碱土金属氧化物类型的助熔剂，以使玻璃的液相线温度低于 1250。C。
3. 前述权利要求的方法，其特征在于，玻璃包含足够多的碱金属氧 化物或碱土金属氧化物类型的助熔剂，以使玻璃的液相线温度低于 1200。C。
4. 前述权利要求之一的方法，其特征在于，碱金属氧化物的质量和 碱土金属氧化物的质量之和高于20%重量比。
5.前述权利要求之一的方法，其特征在于，碱金属氧化物的质量和 碱土金属氧化物的质量之和低于40%重量比。
6. 前述权利要求之一的方法，其特征在于，100%的矿石能量由环形 火焰引入，火焰的助燃剂和燃料在所述炉子的上游面处引入。
7. 前述权利要求之一的方法，其特征在于，助燃剂为空气。
8. 前述权利要求之一的方法，其特征在于，总能量的0至50%源自电。
9. 前述权利要求的方法，其特征在于，总能量的5至30%源自电。
10. 前述权利要求之一的方法，其特征在于，玻璃包含少于1%的氧 化硼。
11. 前述权利要求之一的方法，其特征在于，玻璃包含的氧化铝或 氧化锆的量使得氧化铝和氧化锆的质量之和为至少10%重量比。
12. 前述权利要求的方法，其特征在于，玻璃包含的氧化铝或氧化 锆的量使得氧化铝和氧化锆的质量之和为至少12%重量比。
13. —种制备玻璃纤维的方法，包括根据前述权利要求之一的制备 玻璃的方法，续接将所述玻璃转变成纤维的方法。
14. 前述权利要求的方法，其特征在于，为了将所述玻璃转变成纤 维，纤维穿过孔。
15. 前述权利要求之一的方法，其特征在于，助燃剂以至少1250。C 的温度被引入到炉子中。
16. 前述权利要求的方法，其特征在于，助燃剂在被引入到炉子中 之前被再生器加热过。
17. —种用于制造矿物纤维的设备，包括用于熔化可玻璃化的物质 的环焰炉，续接纤维化单元，其特征在于，炉子装有再生器和用于在 炉子上游面处引入空气或富含氧的空气的装置，其特征还在于，纤维 化单元通过孔形成纤维。
18. 前述权利要求的设备，其特征在于，炉子设置有位于侧壁上游 第一个三分之一处的洞口，用于装入可玻璃化的物质。
19. 前述设备权利要求之一的设备，其特征在于，炉子中装有放置在炉子的下游那半中的浸渍堤坝。
20. 前述权利要求的设备，其特征在于，至少一横排起泡器放置在 堤坝的上游。
21. 前述设备权利要求之一的设备，其特征在于，炉子中设置有浸 没在熔融浴中的电极。
全文摘要
本发明涉及一种制备含有少量硼、含有氧化铝或氧化硼的玻璃的设备和方法，可玻璃化的物质的熔化在装有再生器(4、4i)的环焰炉中实现，大部分的矿石能量由环形火焰引入，火焰的助燃剂和燃料在所述炉子的上游面(1)处引入，助燃剂为空气或者富含氧的空气。熔化室可续接玻璃纤维化单元。本发明允许以极高的燃烧效率和高的生产率产生纤维。
文档编号C03B5/235GK101626985SQ200780046967
公开日2010年1月13日 申请日期2007年12月13日 优先权日2006年12月18日
发明者D·雅克 申请人:圣戈班研究公司