专利名称：控制玻璃制造系统中一个或多个容器周围环境的系统和方法
技术领域：
本发明涉及控制玻璃制造系统中ー个或多个容器周围环境(如，氧、氢、湿度、温度、气体流速)的系统和方法。
背景技术：
平板显示器如液晶显示器(IXD)使用平板玻璃。制造这种玻璃板的优选技术是熔化法。在熔化法中，使用含有耐火材料/贵金属如钼或钼合金的容器制造这种玻璃板。一般认为贵金属相对于大多数玻璃是惰性的，因此不会在玻璃板中产生任何夹杂物。然而，这并不是一定正确。在容器内的金属/玻璃界面上发生多种氧化反应，导致在玻璃熔体以及制成的玻璃板中产生气态夹杂物。发生在金属/玻璃界面处的更常见的ー种氧化反应是带负电荷的氧离子转化为分子氧，是由水和玻璃熔体中的含羟基物质热裂解造成的。发生这种现象的原因是玻璃熔化和传送时的高温、玻璃熔体中存在低的氢分压。而且当氢与装有玻璃熔体的耐火材料/贵金属容器接触时，氢迅速从容器渗出，使金属/玻璃界面处的氢耗尽。根据化学平衡，每I摩尔氢离开容器，就有1/2摩尔的氧留在玻璃/金属界面。因此，当氢离开容器时，在金属/玻璃界面的氧的水平或分压升高，会导致玻璃熔体内产生气泡或产生气态夹杂物。此外，其它反应涉及玻璃熔体内其它物质如卤素(Cl，F，Br)的催化或氧化反应，可能导致产生气态夹杂物。此外，发生氧化反应的原因可能是金属/玻璃界面上的电化学反应。这些电化学反应可与热电池、原电池、高AC或DC电流应用和接地位置相关。当今，可采用几种已知的方法来解决这些导致在玻璃板中形成气态夹杂物的有问题的氧化反应。ー种已知的有助于最大程度地減少玻璃板中气态夹杂物的方法涉及使用神作为在熔化过程中的澄清剂。神是已知最高温度的澄清剂，将砷加入熔融玻璃浴时，能够在高熔化温度(如高于1450°C )使O2从玻璃熔体释放。这种高温O2释放有助于在生产玻璃期间的熔化和澄清阶段除去O2气泡，使玻璃板基本上不含气态夹杂物。而且，任何残留的氧气泡因为在冷却时从还原态转变为氧化态而被澄清剂再吸收。然而，从环境角度考虑，认为砷是ー种有害物质而不希望使用神。其它ー些已知的方法不需要神澄清剂来减轻导致在玻璃板中形成气态夹杂物的氧化反应的影响。这样的ー种方法在美国专利第5，785，726号中描述，该专利掲示控制湿度的外壳，该外壳包围了一个或多个含钼容器并用来控制容器外的氢分压，以減少在玻璃板中形成气态夹杂物。这种控制湿度的外壳在下面详细讨论。虽然在上述专利中掲示的方法成功地減少了玻璃板中形成的气态夹杂物，但仍希望能提供另ー种方法来防止在玻璃板中形成气态夹杂物。而本发明的系统和方法满足了这种需求和其它需求。
发明内容
本发明包括控制玻璃制造系统中ー个或多个容器周围环境(如，氧、氢、湿度、温度、气体流速)的系统和方法。在优选的实施方式中，该系统包括闭环控制系统和密封腔，用来控制在ー个或多个容器外部(非玻璃接触面)周围的氢量，以抑制在玻璃板中形成气态夹杂物和表面气泡。此外，可以使用闭环控制系统和S封腔，在将溶融玻璃从玻璃制造系统中的ー个容器传送到另ー个容器时帮助冷却熔融玻璃。而且，闭环控制系统和密封腔可用来保持容器周围气氛具有最小氧含量，以减少容器上的贵金属的氧化。
结合附图參照以下的详细描述，能更完整地理解本发明图I是本发明的玻璃制造系统的部件的框图；图2是气泡产生量(以气泡区域范围測定)与可用于图I所述示例的玻璃制造系统的钼玻璃加工容器外表面的气氛中氢含量的图；图3是用来说明不同操作条件(以氢量(ppm)表示)与已知技术和本发明中可能的温度的图；图4是两种玻璃样品在相同的钼玻璃加工容器内熔化10分钟时的照片，其中ー个样品按照已知技术进行加工，另ー个样品按照本发明进行加工；和图5是本发明制造玻璃板方法的基本步骤的流程图。
具体实施例方式參见图I，所示为本发明的示例的玻璃制造系统100的示意图，该系统采用熔化法制造玻璃板137。玻璃制造系统100包括熔化容器110，按箭头112所示在该熔化容器中加入批料，然后熔化形成熔融玻璃114。熔化容器110通常由耐火材料制成。玻璃制造系统100还包括通常由钼或含钼金属，如Pt-Rh、Pt-Ir等以及它们的组合制成的部件。含钼部件包括预熔体与澄清剂的连接管(PMFCT) 113、澄清容器115 (如，澄清管115)、混合容器120 (如，搅拌室120)、澄清剂与搅拌室的连接管122、传送容器125 (如，碗体125)、搅拌室与碗体的连接管127、下导管130和进ロ 132。进ロ 132与形成玻璃板137的成形容器135 (如，熔化管135)相连。通常，成形容器135由耐火材料制成。本发明的一个实施方式中，熔化/传送系统141包括多个容器115、120、125和多个管122、127和130，该系统包封或封闭在密封腔140内。在密封腔140的内壁和熔化/传送系统141的部件115、120、122、125、127和130的外壁之间限定出夹套体积142。密封腔140的密封程度优选为能保持夹套体积142内的低氧湿气氛的正压略大于环境条件下的压力。如图所示，密封腔140可以构成ー个包封了熔化/传送系统141整个长度的区，或者，可以使用多个密封腔140作为多个区，其中各密封腔140包封多个容器115、120、125和多个管122、127和130中的ー个或多个。采用多个密封腔140的优点是能够独立控制熔化/传送系统141中的特定区域的气氛。本发明还包括闭环控制系统144，该系统控制了密封腔140内的环境/气氛，并防止在部件115、120、122、125、127和130内部的金属/玻璃界面发生有问题的氧化反应。同样，有问题的氧化反应导致在玻璃板137内形成气态夹杂物。此外，与贵金属容器和管道发生的有问题的氧化反应可能导致部件115、120、122、125、127和130上的钼(或其它贵金属)的故障。特别是，闭环控制系统144控制了密封腔140内的气氛，以通过使氢迁移到玻璃/金属界面，抑制在金属/玻璃界面上的不希望的氧化反应。控制氢滲透到玻璃/金属界面的量，来減少产生不希望的物质如分子氧和卤素，这样又可以防止在熔融玻璃114中形成不希望的气态夹杂物。可以通过在混合/传送系统141的外表面(非玻璃接触面)提供比内部玻璃/金属界面更高的氢分压，实现氢滲透到玻璃/金属界面。为达到这ー结果，在 密封腔140内部宜保持湿的低氧气氛，对钼系统的非玻璃接触表面上的氢量进行控制，在1650°C优选大于12ppm。应注意，密封腔140内的气氛的氢含量为不能被检测的量。然而，当水在与熔融玻璃114相关的高温下裂解时产生氢。用来产生这种气氛的一种气体体系是水蒸汽、氧气和氮气(或另ー种惰性气体如氩或氦)的混合物。下面将描述使用这种气体体系在密封腔140内产生这种气氛的示例的闭环控制系统144。示例的闭环控制系统144包括控制器150，该控制器从密封腔140内部和外部的一个或多个位点获得传感器读数。如图所示，控制器150可以从密封腔供料传感器152、密封腔传感器154和密封腔出料传感器156和156’获得传感器读数。在此实例中，密封腔供料传感器152包括流量传感器152a、露点/湿度传感器152b、温度传感器152c、氧传感器152d和压カ传感器152e。密封腔传感器154包括流量传感器154a、露点/湿度传感器154b、温度传感器154c、氧传感器154d和压カ传感器154e。而密封腔出料传感器156和156’各自包括流量传感器156a和156a’、露点/湿度传感器156b和156b’、温度传感器156c和156c’、氧传感器156d和156d’以及压力传感器156e和156e’。控制器150处理传感器的測量值并控制不同装置，如湿气进料系统158，加热/冷却控制系统160，空气处理器162和02/N2配制系统164。空气处理器162可以操作空气和蒸汽。装置158、160、162和164都与管网166相连，如图所示，管网与密封腔140相连。操作时，控制器150控制装置158、160、162和164，在密封腔140内形成ー个环境/气氛，其中，由水蒸汽分解产生氢的速率大于或等于氢渗透通过部件115、120、122、125、127和130的金属壁的速率，氢渗透发生在部件的非玻璃接触表面存在环境气氛的情况中。在较高氢分压时，熔融玻璃114之内不希望的物质如分子氧和卤素減少，防止在熔融玻璃114内形成不希望的气态夹杂物。较高氢分压的另一个优点是含钼部件115、120、122、125、127和130的氧化速率下降或者消除了氧化，原因是密封腔140内的氧含量低。为抑制熔融玻璃114中形成夹杂物，要求含钼部件115、120、122、125、127和130的外表面的氢含量大于或等于部件115、120、122、125、127和130内表面的氢含量。含钼部件115、120、122、125、127和130的外表面的氢含量由水分解反应H2O — H2+l/2 O2的热动平衡決定。根据热力学表，水分解反应的自由能(AG)等于58，900-13. 1T，其中T是开尔文温度，G是单位为卡/摩尔的自由能。在给定温度下，水反应的平衡常数可以采用关系式Keq=e-G/ET计算，其中G和T如前面所示，R是通用气体常数。当k为已知时，可以计算水裂解时涉及的各种气体的分压比，此时，Keq= [(ρΗ2) (ρ02)1/2]/ρΗ20。例如，在1450°C, Keq等于2.47X10—5。因此，如果75° F露点的空气气氛(ρΗ20为O. 030大气压)加热至1450°C时，则计算PH2为1.59X 10_6大气压(1.59ppm)。按照这种平衡，可以方便地了解，通过降低氧分压，同时保持恒定露点(PH2O),就能明显提高气氛中的氢含量。应注意，在优选的气体混合物中存在的氮气(或其它惰性气体)并不直接參与水分解反应。而是，根据理想气体定律，惰性气体的分压影响了氧分压。而且，因为水分解，正是氧分压的变化影响了所形成气体的平衡。表I不出在传统外壳和密封腔140的封闭环境中，在不同温度下水和氧含量对氢含量的影响。
复权利要求
1.一种制造玻璃产品的方法，该方法包括以下步骤 在熔化、澄清、传送和成形容器的至少ー个内形成和/或加工熔融的玻璃； 提供密封腔来包封至少ー个容器；和 在密封腔内壁之间以及所述至少ー个容器的非玻璃接触表面周围提供ー气氛，其中，所述提供一气氛的步骤还包括 控制所述气氛的气体混合物的氢含量，在所述至少ー个容器的非玻璃接触表面周围保持分压大于或等于由平衡关系确定的水平 PH2 (ppm) =78, OOOx e'[(-58'900+131T)/(1987*TC κ))], 以抑制在熔融玻璃内形成不希望的气态夹杂物，式中，T是所述至少ー个容器的非玻璃接触表面的开尔文温度； 其中，所方法还包括至少ー个容器的非玻璃接触表面周围放置收缩板，该收缩板减小流过容器的气体混合物流量,并在所述密封腔内产生气体混合物的层流。
2.一种制造玻璃产品的方法，该方法包括以下步骤 在熔化、澄清、传送和成形容器的至少ー个内形成和/或加工熔融的玻璃； 提供密封腔来包封至少ー个容器；和 在密封腔内壁之间以及所述至少ー个容器的非玻璃接触表面周围提供ー气氛，其中，所述提供一气氛的步骤还包括 控制所述气氛的气体混合物的氢含量，在所述至少ー个容器的非玻璃接触表面周围保持分压大于或等于由平衡关系确定的水平 PH2 (ppm) =78, OOOx e'[(-58'900+13· 1T)/(1987*Tr κ))], 以抑制在熔融玻璃内形成不希望的气态夹杂物，式中，T是所述至少ー个容器的非玻璃接触表面的开尔文温度； 其中，所述控制气氛中氢含量的步骤包括使用闭环控制系统来监测和控制所述气氛的组成。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述闭环控制系统包括 控制器； 多个传感器； 湿气进料系统； 加热/冷却控制系统； 空气处理器；和 02/Ν2配制系统。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述湿气进料系统、加热/冷却控制系统、空气处理器和02/Ν2配制系统与管网相连，所述管网与密封腔相连。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述管网包括与密封腔一末端相连的主管，所述管网还包括与密封腔另一端相连的出ロ管。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述管网还包括另ー个管，该管一端与主管相连，另一端连接到用于连接一对所述至少ー个容器的管的进ロ，所述气体混合物沿所述用于连接ー对容器的管流动，该管也具有气体混合物由此返回到密封腔中气氛的出口。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述控制器由多个传感器来进行传感器策略，并控制湿气进料系统、加热/冷却控制系统、空气处理器和02/n2配制系统。
8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述控制器由多个传感器获得传感器读数，所述传感器包括密封腔供料传感器、密封腔传感器和密封腔出料传感器。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述密封腔供料传感器包括流量传感器、露点/湿度传感器、温度传感器、氧传感器和压力传感器。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述密封腔传感器包括流量传感器、露点/湿度传感器、温度传感器、氧传感器和压力传感器。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述密封腔出料传感器包括流量传感器、露点/湿度传感器、温度传感器、氧传感器和压力传感器。
12.一种制造玻璃产品的方法，该方法包括以下步骤 在熔化、澄清、传送和成形容器的至少一个内形成和/或加工熔融的玻璃； 提供密封腔来包封至少一个容器；和 在密封腔内壁之间以及所述至少一个容器的非玻璃接触表面周围提供一气氛，其中，所述提供一气氛的步骤还包括 控制所述气氛的气体混合物的氢含量，在所述至少一个容器的非玻璃接触表面周围保持分压大于或等于由平衡关系确定的水平 PH2 (ppm) =78, OOOx e '[(-58'900+131T)/(1987*TC κ))], 以抑制在熔融玻璃内形成不希望的气态夹杂物，式中，T是所述至少一个容器的非玻璃接触表面的开尔文温度； 其中，所述提供一气氛的步骤还包括对熔融玻璃从所述至少一个容器中的一个容器传送到另一个容器时该熔融玻璃的冷却进行控制； 其中，所述对熔融玻璃的冷却进行控制的步骤还包括在熔融玻璃从所述至少一个容器中的一个容器传送到另一个容器时使用强制对流来冷却所述熔融玻璃。
13.—种制造玻璃产品的方法，该方法包括以下步骤 在熔化、澄清、传送和成形容器的至少一个内形成和/或加工熔融的玻璃； 提供密封腔来包封至少一个容器；和 在密封腔内壁之间以及所述至少一个容器的非玻璃接触表面周围提供一气氛，其中，所述提供一气氛的步骤还包括 控制所述气氛的气体混合物的氢含量，在所述至少一个容器的非玻璃接触表面周围保持分压大于或等于由平衡关系确定的水平 PH2 (ppm) =78, OOOx e '[(-58'900+131T)/(1987*TC κ))], 以抑制在熔融玻璃内形成不希望的气态夹杂物，式中，T是所述至少一个容器的非玻璃接触表面的开尔文温度； 其中，由密封腔包装的容器在其操作温度下可渗透氢气。
14.一种制造玻璃产品的方法，该方法包括以下步骤 在熔化、澄清、传送和成形容器的至少一个内形成和/或加工熔融的玻璃； 提供密封腔来包封至少一个容器；和 在密封腔内壁之间以及所述至少一个容器的非玻璃接触表面周围提供一气氛，其中，所述提供一气氛的步骤还包括控制所述气氛的气体混合物的氢含量，在所述至少一个容器的非玻璃接触表面周围保持分压大于或等于由平衡关系确定的水平 PH2 (ppm) =78, OOOx e '[(-58'900+131T)/(1987*TC κ))], 以抑制在熔融玻璃内形成不希望的气态夹杂物，式中，T是所述至少一个容器的非玻璃接触表面的开尔文温度； 其中，所述提供一气氛的步骤包括将气氛中氧的分压控制在O. 21大气压下。
15.一种制造玻璃产品的方法，该方法包括以下步骤 在熔化、澄清、传送和成形容器的至少一个内形成和/或加工熔融的玻璃； 提供密封腔来包封至少一个容器；和 在密封腔内壁之间以及所述至少一个容器的非玻璃接触表面周围提供一气氛，其中，所述提供一气氛的步骤还包括 控制所述气氛的气体混合物的氢含量，在所述至少一个容器的非玻璃接触表面周围保持分压大于或等于由平衡关系确定的水平 PH2 (ppm) =78, OOOx e '[(-58'900+131T)/(1987*TC κ))], 以抑制在熔融玻璃内形成不希望的气态夹杂物，式中，T是所述至少一个容器的非玻璃接触表面的开尔文温度； 其中，所述提供一气氛的步骤包括提供在操作容器过程中具有基本恒定组成和温度分布的气氛。
16.一种制造玻璃产品的方法，该方法包括以下步骤 在熔化、澄清、传送和成形容器的至少一个内形成和/或加工熔融的玻璃； 提供密封腔来包封至少一个容器；和 在密封腔内壁之间以及所述至少一个容器的非玻璃接触表面周围提供一气氛，其中，所述提供一气氛的步骤还包括 控制所述气氛的气体混合物的氢含量，在所述至少一个容器的非玻璃接触表面周围保持分压大于或等于由平衡关系确定的水平 PH2 (ppm) =78, OOOx e '[(-58'900+131T)/(1987*TC κ))], 以抑制在熔融玻璃内形成不希望的气态夹杂物，式中，T是所述至少一个容器的非玻璃接触表面的开尔文温度； 其中，所述密封腔以及由密封腔包封的容器非玻璃接触表面形成在密封腔普通操作过程中不需要湿气进入的空间。
全文摘要
在此描述一种对玻璃制造系统中的一个或多个容器周围的环境(如，氧、氢、湿度、温度、气体流速、压力)进行控制的系统和方法。在优选的实施方式中，该系统包括闭环控制系统和密封腔，用来控制容器的外部(非玻璃接触表面)周围的氢含量，抑制在玻璃板中形成气态夹杂物和表面气泡。此外，使用闭环控制系统和密封腔有助于对从玻璃制造系统的一个容器传送到另一个容器时的熔融玻璃进行冷却。此外，使用闭环控制系统和密封腔来保持容器周围气氛中的最小氧含量，以减少贵金属在容器上的氧化。
文档编号C03B5/16GK102838266SQ201210336960
公开日2012年12月26日 申请日期2006年4月19日 优先权日2005年4月27日
发明者G·迪格利斯, R·E·弗雷利, J·D·戈顿, D·M·莱恩曼, R·A·穆奈恩, R·R·托马斯 申请人:康宁股份有限公司