用于由玻璃熔体生产玻璃产品同时避免气泡形成的设备和方法与流程

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于由玻璃熔体生产玻璃产品同时避免气泡形成的设备，以及可以利用根据独立权利要求的前序部分的设备实施的方法。特别地，本发明涉及一种用于由玻璃熔体生产玻璃产品、诸如管玻璃的设备和方法，所述玻璃熔体通过位于和/或安装于电加热坩埚中的部件在电加热坩埚中被调节，特别是均质化。这种坩埚例如可以是搅拌坩埚，搅拌元件在其中安装成可作为部件旋转。例如，其也可以是如下坩埚，在其中提供管作为部件，以便根据vello方法生产例如管状玻璃。然而，本发明旨在可适用于任何类型的坩埚和位于其中的部件。

背景技术：

对于玻璃产品的生产，使用如下设备，其也称为玻璃熔融单元，更一般地也称为生产单元。在生产期间，在相应的玻璃熔融单元中的气泡的形成被最小化，或者如果可能，被完全防止。

典型的玻璃熔融单元包括从批料借助插入机的插入处到出口的区域，在所述出口处，仍然液态的玻璃被转移到后处理装置(用于成形所期望的玻璃产品)。这些例如可以是滴给器、辊压机、管拉伸设备或者锡浴，液态玻璃在其上运行。

玻璃熔炉通常由用于形成液态玻璃熔体的区域、精炼熔体的区域以及用于调节的区域组成，其中在所述精炼熔体的区域中在熔融工艺之后剩余的残余气泡从熔体中移除。在该最后区域中，熔体通常仍然均匀化并达到后处理所需的温度。整个熔融工艺所需的温度强烈地取决于玻璃的类型。例如，用于例如生产窗玻璃和玻璃容器的钠钙玻璃在比例如用于显示器应用的特殊玻璃或玻璃陶瓷明显更低的温度下熔融。

熔融槽可以是纯化石加热的，设有附加的电加热装置或者也可以完全电动地运行。作为通常被预热的气体燃烧器的燃烧介质，可以使用正常空气或甚至纯氧。

熔融和精炼区域可以位于共同的池中或者也可以位于空间上分离的部分中。用于影响流动的各种设备也是现有技术。

调节步骤在工作槽中或在沟槽和分配器系统中进行。后者可以以各种方式构造，其中它可以包含一个或多个金属部件或设备。搅拌元件(搅拌器、搅拌针等)通常用于均匀化，其搅拌位于搅拌器中的玻璃熔体。

众所周知，气泡可以在电加热的玻璃熔融单元中(诸如在搅拌器中)的玻璃熔体中融入或形成，这最终导致产品质量的显着劣化，因此这些气泡的形成应当完全抑制。

de102010037376a1公开了一种用于生产玻璃产品的方法和设备，其基本限制着眼于玻璃熔体的电加热上。所使用的加热频率、所使用的电极材料和玻璃本身的性质，可以积极地影响由于过高的电流载荷而在加热电极或电流供应凸缘处及其附近形成气泡。建议限制不同氧化还原系统所遵循的电流载荷。

在de19955827a1中公开了一种用于改善玻璃质量的方法和设备，其中由于水的分解而避免了(无电)o2气泡形成，因为直流电压源接触聚集体的导电部件(例如壁)以及突出到熔融玻璃中的电极，以便在玻璃熔体中产生电位梯度，这使得在氢迁移之后残留的氧被离子化，即转化为带负电荷的o2离子，其-与中性o2分子相反-在熔体中以无限量溶解，因此不聚集成气泡。

用于生产玻璃产品同时避免气泡形成的其它方法和设备在以下文献中公开：

de102008042117a1、jph0967127a和jp2005060215a.

因此，已知的方法和设备主要处理由于水分解导致的(无电)气泡形成的问题，也处理由于交流电加热导致的(电流调节的)气泡形成的问题。然而，以有效的方式处理和解决这两个问题，将是一种解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的是进一步改进用于生产上述类型的玻璃产品的方法和设备，从而有效地防止无电和电流调节的气泡形成。

该目的通过具有方法权利要求1的特征的设备以及通过具有设备的独立权利要求的特征的方法来实现。

因此，本发明涉及一种设备，其包括诸如搅拌坩埚的坩埚和位于其中的部件，诸如例如可旋转地安装的搅拌器，并且该设备包括用于加热熔融玻璃的交流电单元，其通过电流连接元件将电流供给坩埚，其中该部件或搅拌器现在经由具有可调阻抗的限流扼流器连接到坩埚或搅拌杆的电流连接元件(例如下加热凸缘)中的一个。通过这种限流扼流器，通过调节阻抗，可以同时实现设备的ac电流载荷最小化以及积极地影响水分解反应。

本发明适用于所有类型的坩埚和位于其中的部件。如果例如搅拌坩埚或棒设置有搅拌器，则搅拌器优选通过滑动接触件和外部电缆直接连接到加热凸缘。这改变了设备中的电场以及电流密度分布。实际测试表明，与下加热凸缘的连接对气泡质量具有最大的影响。通常，这种影响只有很短的时间，所以连接再次断开。通常，任何变化、即滑动接触件的夹紧或断开已经导致气泡的出现的减少，并且因此导致产品质量的改善。因此，滑动接触件的反转电路可以实施为具有预设持续时间的可行性。

本发明出自以下令人惊讶的发现：

为了减少电流引起的气泡形成，将容易实施措施以尽可能多地减小交流电以及由此的电流密度。虽然这将避免搅拌器叶片上的高电流密度和相关的气泡形成，然而，太低的交流电可能不足以形成用于在搅拌坩埚的导电壁上的水分解反应的有效直流缓冲器。因此，通过在此提出的限流扼流器，其通过将阻抗设置为用于相应配置的最佳值而引起，产生最少的气泡形成，使得可以以简单且非常有效的方式最优化产品质量。实验已经表明，令人惊讶地，在扼流器的给定阻抗zd处气泡发生达到最小值，即在该分支中太小的ac电流或过高的ac电流导致产品中更多的气泡。在本发明的实施例中，如果限流扼流器通过加热变压器实现，则可以通过相应的抽头和通过电阻器以简单的方式调节扼流器或电感器的阻抗。变压器的次级侧或初级侧可用于此目的。重要的是注意变压器的比率。下面更详细地描述本发明的原理及其效果。为此，公开了优选的示例性实施例，其也由从属权利要求得出。

因此，搅拌坩埚优选由贵金属或金属合金、特别是由pt-rh合金制成，并且安装在搅拌坩埚的上端的第一加热凸缘和安装在搅拌坩埚的下端的第二加热凸缘用作为电流连接元件。优选地，搅拌器元件经由限流扼流器连接到第二加热凸缘(在搅拌器的下端)。搅拌器元件可以是例如搅拌器或一个或多个搅拌针。

在本发明的优选实施例中，取代经由电源连接元件的接触，该设备具有接触件连接元件，特别是接触凸缘，使限流扼流器与搅拌坩埚接触。该附加接触凸缘不用于加热目的，而是仅用于通过扼流器使搅拌器与坩埚接触。

限流扼流器的可调阻抗优选地被调节为使得在玻璃熔体中、特别是在搅拌器翼或叶片的端部处形成的交流电密度处于下限值和上限值之间。在这方面，下限值表示在搅拌坩埚的内壁上形成足够的直流(dc)缓冲以防止伴随气泡形成的水分解反应的最小的所需交流(ac)电流密度。上限值又规定了最大允许ac密度，高于该最大允许ac密度，在玻璃熔体中、特别是在搅拌器叶片端部上和/或在电流连接元件的区域中形成气泡。使用调整后的阻抗值，人们可以因此找到用于交流载荷和直流保护的最佳值。

特别地，限流扼流器的阻抗也可以被设定为以下参数中的至少一个的函数：

-由交流发生器产生的加热电流的频率；

-坩埚的材料，特别是搅拌元件和/或电流连接元件的搅拌器的材料；

-包括坩埚的材料厚度、特别是搅拌元件的搅拌器和/或电流连接元件的材料厚度的几何形状；

-接触件连接元件和/或它们的电源线的电流连接元件的阻抗；

-使用的玻璃的类型，特别是玻璃熔体中使用的氧化还原元素的类型和数量。

附图说明

现在将参照示例性实施例并参照附图来详细描述本发明和所得到的优点，附图示意性地示出了以下图形：

图1示出了第一实施例中的设备的结构；

图2示出了第二实施例中的设备的结构；

图3示出了另一实施例中的设备的结构；以及

图4是由设备执行的方法的流程图。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了第一实施例中的根据本发明的设备100的结构。该设备可以理解为生产或玻璃熔融单元，并且特别地包括搅拌坩埚110，在其中布置有可旋转地安装的用于搅拌玻璃熔体g的搅拌元件120。玻璃熔体经由进给通道130等被进给到搅拌坩埚110。为了进一步加热搅拌器内的玻璃熔体，设备具有交流电单元150，其经由电流连接元件111和112给搅拌器110供应电流。在该示例中，电流连接元件由上加热凸缘111和下加热凸缘112形成。交流电单元在这里由加热变压器150实施；电流供给线用它们各自的阻抗151和152示出。本身已知的是，在搅拌坩埚的下部区域中、特别是在搅拌器翼或叶片处，存在由高电流密度引起(电流调节的)气泡形成的关键区域125。在下加热凸缘112的附近，存在对于由水分解引起(无电)气泡形成特别关键的区域115。

为了有效地抵消两种类型的气泡形成，在设备100中设置限流扼流器160，其将搅拌元件或构件120电连接到搅拌器坩埚的至少一部分，在此处连接到下加热凸缘112。优选地，搅拌器通过滑动接触件161和外部电缆直接连接到加热凸缘112。这改变了设备中的电场以及电流密度分布。实际测试表明，与下加热凸缘的连接对气泡质量具有最大的影响。通常，这种影响只有很短的时间，所以连接再次断开。通常，任何变化，即滑动接触件的夹紧或断开已经导致气泡的减少，并且因此导致产品质量的改善。因此，滑动接触件的反转电路可以实施为具有预设持续时间的可行性。

当搅拌器120直接连接到下凸缘112时，高ac电流(高达100a)可以流动，其与高搅拌器转速结合会不利地影响滑动接触件的使用寿命。因此，降低通过限流扼流器的ac电流是有用的。进一步的实验已经表明，限流扼流器160的阻抗zd积极地影响气泡破坏。

因此，这里建议通过具有可调阻抗的限流扼流器160将搅拌元件120连接到搅拌坩埚110的一个电流连接元件、这里为加热凸缘112。为了更好地理解经最佳调节的扼流器阻抗的令人惊讶的效果，在此详细解释对气泡形成机理的影响：

如上所述，气泡的主要来源是水分解反应。该反应主要发生在贵金属外表皮上，其与外部大气直接或间接接触。它受玻璃中的水含量、玻璃中存在的氧化还原元素(其形成用于所出现的氧的缓冲)以及流动场的影响，所述流动场可以运走富氧玻璃区域，从而在气泡发生之前将它们稀释。模拟表明，高搅拌器转速有助于该移除。由于存在于例如50hz的交流电加热(不可逆)的两个半波中的所涉及的氧化还原物质的不同的扩散常数，存在dc电压电位的升高，其形成水分解反应的额外缓冲。所进行的模拟显示了该方法的有效性。

为此，可以理解的是，高ac电流以及因此在搅拌器翼尖端处的高电流密度导致气泡形成，而不导致在搅拌器翼尖端处的电流密度增加以及因此导致没有气泡形成的低ac电流然而不足以为单元的贵金属外壁上的水分解反应形成所需的dc缓冲。

通过使用可调阻抗的限流扼流器160，现在可以为每个单元-诸如图1所示的搅拌器-坩埚系统-实现相对于ac载荷和dc保护的最优化。

进一步的研究已经表明，作为用于相对于ac载荷以及在坩埚区域中相对于水分解设置最优化的电场的另外的参数，使用另一凸缘，其不用于加热目的，而是仅用于通过扼流器接触搅拌器。该实施例在图2中示为设备100'。

如图2所示，设备100'另外具有接触件连接元件，这里为接触凸缘113的形式，其使限流扼流器160与搅拌坩埚110接触，作为经由电流连接元件112的接触的替代(参见图1)。结果，滑动接触件161经由扼流器160直接连接到搅拌坩埚的接触凸缘113上。接触凸缘113不用于给搅拌坩埚供应电流，而是仅用于使搅拌器120的上端与搅拌坩埚110的下部区域接触。

此外，在图2所示的示例中，限流扼流器160的阻抗(zd)被设置为使得存在于熔融玻璃g中、特别是在搅拌器翼的端部处的ac密度(i)位于下限值(imin)和上限值(imax)之间。下限值(imin)表示最小所需ac密度，其可在搅拌坩埚110的内壁上形成足够的dc电流缓冲，用于防止伴随气泡形成的水分解反应。上限值(imax)表示最大允许ac密度，高于该最大允许ac密度，在玻璃熔体g中、特别是在搅拌器翼端部上和/或在电流连接元件的区域中形成气泡。

所述限流扼流器160的阻抗(zd)还可以根据以下参数中的至少一个来设置：

-由交流电发生器150产生的加热电流的频率；

-搅拌搅拌器110、搅拌元件120和/或电流连接元件111、112的材料和/或几何形状，例如材料厚度；

-电流连接元件111、112、接触件连接元件113和/或其供电线路151、152和165的阻抗zo、zu、zz；

-所使用的玻璃的类型，特别是在玻璃熔体中使用的氧化还原元素的类型和数量。

对于以下系统尺寸规格的几何形状作为示例提及：搅拌设备或系统120的端部与坩埚110的底部之间的距离dr例如为0-20mm；底部和接触凸缘113之间的距离dz可以例如为50-200mm。

这里给出用于电气部件的尺寸设计的以下示例性信息：变压器150应当经由凸缘提供用于电流供应的大约2-8伏特的电压ut；将大约500-3000a的范围称为电流强度。上进给线151具有约0.2-1mohm的阻抗；下供电线152具有大约1-5mohm的阻抗。如果在图2中，限流扼流器160连接到附加凸缘113，则必须考虑大约0.2-1mohm作为附加电阻器或阻抗165。

所述电路的目的是调节包括滑动接触件的限流扼流器160的阻抗，使得交流电载荷、特别是在搅拌器翼上的交流电载荷变得最小，同时使dc缓冲最大化。

如果通过其他方式，水分解反应已经被完全抑制，则扼流器的阻抗可以如上所述地被调整，使得在系统中在所有位置处不超过ac电流载荷极限。这可以通过系统中存在的另外的阻抗(如图1和图2中概述的)另外地辅助。

在图3中，示出了作为另一实施例的设备100”，其最初具有与图1的设备100相同的结构。在图3中，还示出了与限流扼流器160并联连接的稳压直流电源180。阻抗l用于有效抑制交流电，用于保护直流设备，其产生可调dc电压u。借助于直流电源180，还可以提供直流电，其可以积极地影响在贵金属边界表面处的水分解反应。因此，限流扼流器160可以更具体地用于避免由交流电引起的气泡形成。在这种情况下，该过程所需的直流电将仅由直流电源提供。

因此，附加的dc电源180特别用于这样的使用情况，其中在熔体中占优势的ac密度i不落入工艺窗口(imin<i<imax)，但是接近上限值(imax))或甚至超过该值。然后，dc电源180被激活并且可以提供额外的、辅助的dc保护。优选地，直流电源被构造为使得其具有电感l，该电感l与产生直流电压u的实际设备串联连接，并且因此保护直流电源免受由加热电流(交流电)引起的交流电影响。

借助于图4中所示的流程图示例性地示出了根据本发明的用于生产玻璃产品的方法。在下文中，参考该图4并再次参照图1-3：

方法10起始于步骤11，在其中玻璃熔体g通过搅拌元件120在搅拌坩埚110中搅拌，其中为了加热玻璃熔体，搅拌坩埚110经由电流连接元件111、112被赋能；在随后的步骤12中，搅拌元件120经由具有可调阻抗的限流扼流器160连接到搅拌坩埚110的电流连接元件中的一个，这里为下加热凸缘112。如上所述调节限流扼流器160的阻抗(zd)，即使得存在于玻璃熔体中的交流电密度(i)处于下限值(imin)和上限值(imax)之间。在另一步骤13中，还根据以下参数中的至少一个来调节限流扼流器160的阻抗(zd)：

-由交流电发生器150产生的加热电流的频率；

-搅拌搅拌器110、搅拌元件120和/或电流连接元件111、112的材料和/或几何形状，例如材料厚度；

-电流连接元件111、112、接触件连接元件113和/或其供电线路151、152和165的阻抗zo、zu、zz；

-所使用的玻璃的类型，特别是在玻璃熔体中使用的氧化还原元素的类型和数量。

因此，可以通过所公开的设备(图1和图3)执行方法10(图4)。关于设备或单元的配置，在此也进行以下说明：

玻璃熔体优选不与物质(mass)直接接触。玻璃熔体的直接接地通常是出于人身安全的原因，特别是如果玻璃熔融工艺由另外的电加热(ezh)辅助的话。由于玻璃在工艺所需的温度下是导电电解质，因此施加到加热电极的相当高的电压有时可能发生在整个系统中。这些人身安全预防措施主要用于系统中接近后处理的区域，在这些区域经常需要进行手动处理，并且只能以非常高的努力实施和保持安全的接地间隙。在许多情况下，只有以相对高的成本，例如在浮法浴中，实现不接地结构。

在整个接地环境中，还必须考虑所使用的测量值检测技术，因为在测量对地电压时，不能忽略的小电流(ac和dc)总是可以流动。

在许多情况下，在成型之前，存在由贵金属合金制成的金属部件，其用于在内部运输液态玻璃。为了获得良好的化学均匀性和温度恒定性，搅拌元件优选以在搅拌坩埚或容器中运行的搅拌器或搅拌针的形式使用。为了提供、调节和调控成型或成形所需的温度，金属部件通常是电加热的。最简单和最具成本效益的方式是通过凸缘(所谓的加热凸缘)供给直流电。

根据部件的复杂性，使用这些凸缘中的两个或更多个。加热频率通常为50hz，其对应于线路频率。由于贵金属和玻璃之间的电阻，不施加恒定电流，因此加热电流的一部分将总是在玻璃本身中流动，并且因此将导致电解和气泡形成。感应加热也是可行的，然而，通常仅应用于较小的部件，因为与电阻加热相比，其设计和构造费用非常复杂。通常在成型或成形之前不使用间接辐射加热，因为在该区域中快速的温度控制是重要的。由于贵金属部件由耐火结构支撑，因此辐射加热太慢而不允许快速的温度变化。

由通过加热电极加热玻璃熔体，本身已知的是，从电极表面上的一定电流密度发生气泡形成。尚未导致气泡形成的仍然可容许的电流密度取决于加热频率、使用的电极材料和玻璃本身的类型。因此，还已知当使用10khz取代50hz时，可以在气泡出现之前施加更高的电流密度。还已知当使用贵金属合金作为电极材料时的容许电流密度显著低于使用钼或钨时的容许电流密度。

同时，对于例如转换器、电缆、匹配变压器等设备，10khz加热器的成本几乎类似于50hz加热器。然而，更复杂的是总体组件的结构实施，因为不能忽略在使用10khz时金属外设中发生的感应现象。

日常实践与理论考量和实验室测试结合已经表明，在贵金属组件上的气泡形成基本上有两个主要原因：第一个原因是所谓的水分解，其中溶解在玻璃中的水分裂成氧和氢。该反应的驱动力是液体玻璃和外部空间之间的氢分压差，因为氢在高温下通过贵金属板扩散。第二个原因是当在坩埚中使用搅拌器时，在电流供应凸缘附近以及特别是在搅拌器翼端部处的交流电密度。通常，通过两种机理形成氧气泡。已经经常讨论了由于搅拌器翼端处的气穴的气泡形成，但是通常难以绝对确定地检测它们。

因为搅拌器或搅拌器针由于产品的质量要求在面向玻璃的一侧上具有贵金属，所以整个搅拌器与玻璃相比是非常导电的。因此，其影响由搅拌坩埚的加热电压形成的电场。因此，一部分加热电流将流过搅拌器。因此，某些区域可以超过临界ac电流强度并导致气泡形成。由玻璃流场(由搅拌器运动引起的流动和穿过流动)引起的所谓稀释效应也就此起着重要的作用。在达到气泡形成的临界压力之前，富氧玻璃被连续运走。

搅拌器可以通过滑动接触件和外部电缆(没有限流扼流器)直接连接到一个加热凸缘。这将已经改变系统中的电场以及电流密度分布。测试已经表明，与下加热凸缘的连接对气泡质量具有最大的影响。然而，通常这种影响只是短暂的，使得连接必须再次分离。在此情况下，任何变化、即连接或断开滑动接触件已经导致产品中的气泡质量的改善。这可以在滑动接触件的反转电路中在可以设置时间段的情况下实现。

然而，当搅拌器与下凸缘直接连接时，高达100a的高电流可以流动，并且与高旋转速度相结合，滑动接触件的使用寿命将因此非常低。因此，限流扼流器、即所谓的限流电抗器安装或装配在搅拌器和凸缘之间的连接线中(参见图1)。进一步的研究和实验已经令人惊讶地显示，在扼流器的给定阻抗zd下气泡破坏达到最小值，这意味着在该分支中过小的ac电流或过高的ac电流分别导致产品中更多的气泡。电感器的最佳阻抗可以通过相应的抽头和通过加热变压器的次级侧的电阻器容易地调节。

为了理解这个令人惊讶的发现，已经详细地考虑了并且进考察了气泡形成机制：

如上所述，气泡的主要来源是水分解反应。该反应主要发生在外部贵金属表皮上。它受玻璃中的水含量、玻璃中存在的氧化还原元素的影响，其中氧化还原元素构成用于形成氧和流场的缓冲，其可以运走富氧玻璃区域并在其达到气泡分离之前将其稀释。模拟已经表明，高搅拌速度有利于该去除。由于50hz加热的两个半波(不可逆的)涉及的氧化还原物质的不同扩散常数，存在dc电位的升高，其形成水分解反应的附加缓冲。模拟已经显示了这个过程的有效性。

由于这个原因，可以理解的是，高ac电流以及因此在搅拌器翼尖端处的高电流密度导致气泡形成，而导致在搅拌器翼尖端处的电流密度增加并因此不引起气泡的低ac电流，不足以在贵金属外壁上形成用于水分解反应的足够的dc缓冲。

现在为每个搅拌器-坩埚系统找到关于ac载荷和dc保护的最佳值，如上所述地并参照图1和3调节限流扼流器的阻抗。

作为用于设置相对于ac负载的优化电场和坩埚区域相对于水分解的优化电场的附加参数，可以使用附加凸缘，其不用于加热目的，而是仅用于通过限流扼流器(见图2)接触搅拌器。

如果水分解反应理想地完全被抑制，则如上所述，可以最佳地调节扼流器的阻抗，使得其在系统中处于ac电流载荷极限以下的所有位置。这可以另外通过安装在系统中的另外的阻抗(如图1和图2所示)来辅助。

总之，在优选实施例中，在贵金属系统中描述了用于防止气泡的设备和方法，其中搅拌元件经由可调阻抗与加热凸缘连接，使得同时使系统上的ac功率载荷最小化，并且水分解反应受到积极的影响。优选地，通过加热变压器的旋塞和电阻器来进行扼流器的阻抗的调节。

附图标记列表

100用于生产玻璃产品的设备(也称为玻璃熔融单元)

g玻璃熔体

110搅拌坩埚

120搅拌元件，在此设计为搅拌器

130用于玻璃熔体的进料通道

150交流电(ac)单元，在此设计为加热变压器

160具有可调阻抗的限流扼流器

111、112电源元件，这里设计为顶部或底部加热凸缘

115由于水分解可能形成气泡的区域

125由于通过交流电(ac)的加热的可能形成气泡的区域

151、152加热电流供应线的阻抗

161用作限流扼流器的上部连接点的在搅拌器顶部的滑动接触件

162、162*用于接触限流扼流器的连接点

165附加连接点的电源线的阻抗

113接触件连接元件，这里作为用于限流扼流器的附加接触凸缘

163用于接触限流扼流器的附加连接点

10用于生产玻璃产品的方法

11-13工艺步骤