玻璃提纯的方法和设备的制作方法

专利名称：玻璃提纯的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及由玻璃碎片或玻璃料生产玻璃。生产过程的三个重要的工段包括熔化、然后提纯以及最后匀质化。
生产高质量的特殊玻璃在熔化后需要提纯工序，以便从熔体中排除残余气泡。按照先有技术，玻璃的提纯通过添加如氧化还原提纯剂或蒸发提纯剂这样的提纯剂进行。在这里谈论的是化学提纯，因为利用从熔体中释放出气体，以便使现有的小气泡膨胀并因而使气泡易于上升。
除化学提纯的方法外，作为替换或补充在现有文献中还提到利用物理效应来排出气泡并因而实现提纯，例如利用离心力(US 3893836)或减小熔池深度并进而使气泡易于上升到熔体表面(DE 19710351C1)来实现提纯。
众所周知，可通过提高熔体温度来促进提纯。这一点然而在使用耐火材料来制作提纯容器时受到限制。若采用含大量锆的陶瓷，则温度最高可达1650℃。
还已知在一种按所谓渣壳(Skull)原理工作的装置内实施提纯，对此可参见欧洲专利EP 0528025B1。这种设备包括一坩埚，它的壁由一圈金属管构成，这些金属管可连接一种冷却剂，在彼此相邻的金属管之间有缝隙。此设备除此之外还包括一围绕坩埚壁的感应线圈，通过该感应线圈可往坩埚内容物中输入高频能量。这种借助于辐射高频能直接加热玻璃熔体在功率为10kHz至5MHz的条件下进行。
这种坩埚与耐火材料制的容器相比允许承受明显更高的温度。与其他各种物理提纯方法相比，高温提纯的优点在于，由于高的温度提纯非常有效和迅速。在高温下提纯过程进行得明显地快得多，所以可以为提纯过程制备很小的快速工作的成套设备。
DE 2033074A介绍了一种用于连续熔化和提纯玻璃的设备。其中设一提纯装置，它按渣壳原理工作。熔体从熔池底部通过一连接通道到达提纯容器。在其底部进入此提纯容器。因此，在提纯容器中玻璃液流从下向上地上升。这样做的优点是，液流有与气泡浮力同样的方向。要去除的气泡到达熔体热的表面并从此表面排出。
这种实施形式的缺点在于，在熔池与高频提纯装置之间的所述连接通道由于高的流速而遭受强烈的磨损。
本发明要解决的技术问题在于开发一种系统，其中，要基于玻璃熔体的向上流动获得良好的提纯结果，除此之外熔体在表面的气泡排出区内保持高温，所以所有气泡可在表面破裂，以及，在此系统中可以取消在熔池与提纯设备之间成问题的连接通道。
上述技术问题按照本发明通过独立权利要求1，4来解决。
发明人有下列认识若不仅将高频坩埚的进口而且将其出口安排在上部区内，确切地说按这样的方式，即，令两者彼此处于相对位置，则可导致非常良好和有效的提纯。但在这种情况下人们必须估计到，在这样一种结构中，在短路情况下大部分熔体会未加热和未提纯地从进口沿表面直接引向出口。然而按照本发明在这里却不会出现这种情况，而是基于在不同的熔体区域中密度的差异形成规定的流动。当熔体的体积膨胀系数足够高以及可相应保证熔体在坩埚内的加热时，所述侧向输入的冷的玻璃不是通过短路流动直接流向坩埚出口，而是首先被牵引向坩埚底部，然后从那里通过对流旋涡经过或长或短的圆周运动被引向玻璃熔体表面和出口。
进口和出口应基本上沿径向彼此对置。不过这一点并不是绝对必须的，允许有某些偏差。坩埚亦应正确地设计尺寸。这是一个可由专家解决的优化问题。
可以避免象先有技术中已公开那样在熔池与提纯坩埚之间设置连接通道。取代此连接通道的是，熔体可由熔池经一敞口的流槽溢流到提纯坩埚中。
在这里比较相宜的是可按DE 2033074A来设计提纯坩埚。此坩埚在此包括一个直径较小的下部和一个直径较大的上部。
下面借助附图进一步说明本发明，附图中

图1表示生产玻璃的设备；图2表示按照本发明的一个提纯坩埚的垂直剖面；图3表示生产玻璃的设备的另一种实施形式；图4示意表示在渣壳坩埚中的一个被冷却的桥壁(Brückenwall)；图5表示将桥壁组合到一个渣壳坩埚内；以及图6表示一个具有两个提纯工段的玻璃熔炼设备。
在图1中表示的设备包括一个带有一加料装置1.1的熔池1。加入的玻璃料1.2在继续流向下游的工段时被桥壁1.3挡住。
在熔池1上连接一溢流槽2。该溢流槽2上面敞开。粗熔体通过该溢流槽2流到一个提纯装置3。该提纯装置3包括一个渣壳坩埚，此外还有一个图中未表示的高频线圈。在这里，真正的提纯在温度从1750至3000℃的条件下进行，具体温度取决于玻璃合成和对玻璃质量的要求。
提纯后熔体中没有气泡。它通过一传统加热的沟槽系统4到达一均化装置5，该均化装置本身包括一搅拌坩埚和一搅拌器。
由图2可详细看到渣壳坩埚的结构。在这里涉及一种按DE 2033074A1所述的所谓的蘑菇式渣壳坩埚。此渣壳坩埚具有一个直径较小的下坩埚部分3.1，以及一个直径较大的上坩埚部分。上坩埚部分同时含有熔体的进口3.2和出口3.3。箭头表示熔体的流动方向。可以看出，通过进口3.2由一侧输入的冷的玻璃，起先向下降落流往坩埚底部3.4，然后重新向上升，以便在一流动旋滚中再次向下和重新向上流动。如图所示，渣壳坩埚的下部3.1被一高频线圈3.5包围。
在图3所示的设备中，提纯装置3配备一个附加的被冷却的桥壁3.6。它有下列任务若到达渣壳提纯装置的玻璃泡沫很多或熔体作为温度函数的体积膨胀系数很小，则存在熔体的一小部分在表面上被拉曳的危险。既可以通过明显地提高在入流的熔体与在渣壳组件内坩埚芯部熔体之间的温度差来防止这种危险，也可以通过安装桥壁3.6来防止这种危险。
所述桥壁既可用一种气体或液体冷却的陶瓷材料制造，也可用一种水冷的金属材料制造。还可以设想对用陶瓷作内衬的冷却式金属构件作改进。若桥壁具有金属构件，这些金属构件位于熔体表面的上方以及与烧嘴废气接触，则可能比较有益的是在桥壁上涂覆一层薄的聚四氟乙烯涂层(＜150μ)，以防止金属表面被腐蚀性的烧嘴废气腐蚀。所述桥壁要么可定位在提纯器组件内的中央，要么可朝进口3.2侧向错移。后面一种改型的优点是，所述热的气泡上升区可选择得尽可能大。若所述桥壁用金属材料构成，则它应与金属的渣壳坩埚电连通，以便在坩埚的金属支器(Metallkorsett)和壁之间不形成感应电压，否则会导致形成电弧并因而破坏金属的壁。若不能实现电连通，则所有的构件均应在电气上自由浮动地，亦即不接地地工作。当熔体倾向于严重结晶时尤其可以这样做，因为在这种情况下会形成一个稳定的耐击穿的中间层，此中间层能可靠地阻止电弧形成。
图4中表示了这种桥壁的一种实施方式。在图5中可看到这种壁的安装。在这里，此壁定位在熔体表面的下方。这样做的优点是，在上炉室内没有冷的金属构件。在这里的问题主要是烧嘴废气在冷的构件上凝结。这种安装方式的缺点是，不能允许玻璃液位有较大的波动，因为为了保证没有液态熔体经壁溢流，在熔体表面之下允许的浸入深度最大达1cm。
人们可以将壁安装为使壁的棱边高出玻璃熔池的上棱边，为此要么用聚四氟乙烯涂层要么用陶瓷材料给金属壁作内衬，或者可在过程开始时使玻璃液面首先更高(确切地说超过壁的上棱边)，然后在工作中使玻璃液面重新降到正常水平。在这种情况下实现壁的玻璃化，这种玻璃化保护壁免受烧嘴废气的侵蚀。除了在这里说明的壁的设计外还可设想其它更简单的设计方案，例如一个简单的陶瓷砖壁或一个横向地通过坩埚延伸的冷却式金属杆。
由图5可详细看出坩埚3与壁3.6之间的电连接装置3.7，此外从图5中还可看到一个坩埚短路环3.8。
在图6所示的设备中设有一级联式提纯装置。在这里仍可看到加入的玻璃料6和一个桥壁7。其中，多个提纯器组件前后相连并且它们在上部区内简单地互相连接。所述连接部位可按惯例例如用烧嘴加热。在这种情况下可以省去复杂的易出故障及耗能大的连接通道。图6表示了一个带有两个前后串联的提纯器组件的实施例。当然也可以设想任意多个前后串联的提纯器组件。
在几何尺寸(尤其是直径)、高频率和高频电压方面应与当时有待熔炼的玻璃的电导率相适应。若要在同一个熔池中熔炼电导率明显不同的玻璃类型并借助高频加热装置来提纯，则不采取改造措施(如连接另一台有适配的频率范围的发电机、连接一适配的线圈、有可能要改变熔体直径、调整高频发电机中的电容)不可能完成这一任务，当然若能如图6中那样串联两个或多个成套设备，则每个组件可适应不同的电熔融特性。所述高频能量只供入与相应的熔体相适配的高频提纯器组件中，反之，另一些组件不用高频能量加热而采用传统的能量，例如借助在上炉室内的烧嘴。玻璃熔体溢流过来接通的组件并且只是在高频加热的组件内被向下牵引并加热。为了在这种成套设备内简单和快速地完成玻璃更换(Glaswechsel)，比较有益的是每个组件有一个附加的底部出口9，它在玻璃更换阶段短时打开。这种底部出口也可以在只有一个高频组件的简单结构的情况下使用，且尤其当打算在此熔池内更换玻璃时，或应在那里排卸出沉积物的情况下使用。
本发明的另一个优点是在设备高频区发生故障时有非常好的“应急工作特性”。若由于某些原因导致高频加热装置失效，则在有下部给料口的直通式坩埚中存在着通道中发生凝结的危险，并由此使玻璃流中断。在本发明中原则上不存在这种危险，因为在任何情况下可通过烧嘴加热上限(Brenneroberhitze)保证玻璃流动。
权利要求
1.在一个由高频辐射能加热的渣壳坩埚(3)内借助高温提纯玻璃的方法，其特征为将玻璃熔体输入渣壳坩埚(3)的上部坩埚区内，以及仍在上部坩埚区内在一个基本上与进口相对的位置将其重新排出。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征为采取防止在进口与出口之间出现短路流的措施。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为所述壁(3.6)被冷却并由金属或陶瓷的构件组成。
4.一种按照渣壳原理在高温下提纯玻璃熔体的设备，其包括4.1一个渣壳坩埚，它的壁由大量被冷却的管构成；4.2一个高频线圈(3.5)，用于将电能耦合到坩埚内容物中；4.3一个进口(3.2)和一个出口(3.3)，它们安排在熔体表面的区域内；4.4所述进口(3.2)和出口(3.3)布置为基本上彼此处于相对位置。
5.按照权利要求4所述的设备，其特征为在熔体表面区域内设置一桥壁(3.6)。
6.按照权利要求4或5所述的设备，其特征在于6.1所述渣壳坩埚设计成蘑菇状并有一直径较小的下部和一直径较大的上部；6.2所述进口(3.2)和出口(3.3)连接在所述渣壳坩埚的上部。
7.按照权利要求4至6之一所述的设备，其特征为串联两个或多个渣壳坩埚。
全文摘要
本发明涉及一种按渣壳原理提纯玻璃熔体的方法和设备。按照本发明将进口和出口设在坩埚的上部区内并基本上沿直径彼此处于相对位置。
文档编号C03B5/02GK1452599SQ01815206
公开日2003年10月29日 申请日期2001年7月14日 优先权日2000年8月25日
发明者埃里克·罗德克, 沃尔夫冈·施米德鲍尔, 希尔格加德·罗默, 冈特·韦德曼, 沃纳·基弗 申请人:舱壁玻璃公司