用于熔融和澄清钠钙玻璃的方法与流程

技术领域

本发明涉及一种用于熔融和澄清钠钙玻璃的方法，特别涉及采用硅酸钠玻璃作为中间产物的这种方法。

背景技术：

钠钙玻璃，也叫钠钙硅玻璃，广泛用于生产玻璃容器和其它玻璃制品。粗玻璃熔体的形成一般包括在升高的温度下混合多种由玻璃形成的化合物。玻璃一般具有在炉中约二十四个小时的停留时间，通过去除气体并熔化固体来澄清玻璃。气体必须最终去除以生产不含气泡的固化玻璃制品；在熔化的玻璃中去除气泡的方法被称为“澄清”。除了不期望地缓慢，这种炉中过程还涉及大量空间和高能量输入。

技术实现要素：

本公开的总体目标是提供一种用于制造钠钙玻璃的方法，其比常规方法更快和具有更少的能量输入。

本发明公开包含可以彼此分开或者组合实施的多个方面。

根据本公开的一个方面，一种用于制造钠钙玻璃的方法，包括(a)在无水状态下以液相形成硅酸钠玻璃，同时释放气态反应产物，和(b)将步骤(a)中的硅酸钠玻璃反应产物和其它材料混合形成钠钙玻璃熔体。熔融的硅酸钠玻璃的低粘度(相对或比较于相同温度下的钠钙玻璃)允许并促进释放气态反应产物比如二氧化碳。

根据本公开的另一个方面，一种用于制造钠钙玻璃的方法，包括在升高的温度下煅烧固相碳酸钙以形成氧化钙并释放气体比如二氧化碳。硅酸钠玻璃单独以液相成形，同时释放气态反应产物。将煅烧过的碳酸钙和硅酸钠玻璃中间产物混合以形成钠钙玻璃熔体。硅酸钠玻璃作为中间产物在与氧化钙混合之前形成，具有促进释放硅酸钠玻璃中的气态反应产物的优点，这至少部分归因于硅酸钠玻璃的低粘度(相对或比较于相同温度下的钠钙玻璃)。因此在混合步骤前，氧化钙中间产物和/或硅酸钠玻璃中间产物至少部分(如果不是全部)澄清，而且至少部分(如果不是全部)无气体和气泡。这极大减少了生产钠钙玻璃熔体的最后混合步骤所需要的时间和能量。煅烧步骤和/或硅酸钠玻璃形成步骤和/或最后混合步骤可在减压下进行以进一步释放气体和减少气泡形成。

在一个实施方案中，硅酸钠玻璃是通过在二氧化硅存在下熔融纯碱形成，释放二氧化碳气体。在另一个实施方案中，硅酸钠玻璃是通过在二氧化硅和水蒸汽存在下熔融氯化钠而形成，以形成硅酸钠并且释放氯化氢气体。

本发明包括下面方面：

第1方面.一种用于制造钠钙玻璃的方法，其包括以下步骤：

(a)在水不存在下形成液相硅酸钠玻璃(Na₂SiO₃)，同时释放气态反应产物，且；

(b)将步骤(a)中的硅酸钠玻璃产物与其它材料混合以形成钠钙玻璃熔体。

2.第1方面中所述的方法，其中在减压条件下进行所述步骤(a)和/或所述步骤(b)以促进释放气体。

3.第1方面中所述的方法，其中所述步骤(a)包括在二氧化硅(SiO₂)存在下将纯碱(Na₂CO₃)熔融来形成所述硅酸钠玻璃并释放二氧化碳(CO₂)气体。

4.第3方面所述的方法，其中所述纯碱和所述二氧化硅的摩尔比为约1∶1-约1∶5。

5.第3方面所述的方法，其中在约900℃-约1700℃的温度范围内进行所述步骤(b)。

6.第1方面所述的方法，其中所述步骤(a)包括在二氧化硅(SiO₂)和水蒸汽(H₂O)存在下将氯化钠(NaCl)熔融以形成所述硅酸钠玻璃并释放氯化氢(HCl)气体。

7.第1方面所述的方法，其中所述步骤(b)包括添加碎玻璃和/或二氧化硅(SiO₂)和/或氧化钙(CaO)和/或其它少量成分。

8.第1方面所述的方法，其中所述步骤(b)包括混合以促进所述混合物的溶解和均质化。

9.第8方面所述的方法，其中所述步骤(b)在高于约900℃的温度下进行。

10.一种用于制造钠钙玻璃的方法，其包括以下步骤：

(a)在升高的温度下煅烧固相碳酸钙(CaCO₃)以形成氧化钙(CaO)并释放气体；

(b)在释放气态反应产物的同时形成液相硅酸钠玻璃(Na₂SiO₃)，和

(c)将步骤(a)的所述氧化钙产物与步骤(b)的所述液相硅酸钠产物混合，形成钠钙玻璃熔体。

11.第10方面所述的方法，其中在减压条件下进行所述步骤(a)和/或所述步骤(b)和/或所述步骤(c)以促进气体释放。

12.第10方面所述的方法，其中所述步骤(b)包括在二氧化硅(SiO₂)存在下将纯碱(Na₂CO₃)熔融以形成所述硅酸钠玻璃并释放二氧化碳(CO₂)气体。

13.第12方面所述的方法，其中所述纯碱和所述二氧化硅的摩尔比为约1∶1-约1∶5。

14.第12方面所述的方法，其中在约900℃-约1700℃的温度范围内进行所述步骤(b)。

15.第10方面所述的方法，其中所述步骤(b)包括在二氧化硅(SiO₂)和水蒸汽(H₂O)存在下将氯化钠(NaCl)熔融以形成所述硅酸钠玻璃并释放氯化氢(HCl)气体。

16.第10方面所述的方法，其中所述步骤(a)包括在二氧化硅(SiO₂)存在下将碳酸钙煅烧以释放二氧化碳(CO₂)气体。

17.第10方面所述的方法，其中在约800℃-约1300℃的温度范围内进行所述步骤(a)。

18.第10方面所述的方法，其中所述步骤(c)包括二氧化硅(SiO₂)的添加。

19.第10方面所述的方法，其中所述步骤(c)包括添加碎玻璃和/或氧化钙(CaO)和/或其它少量成分。

20.第10方面所述的方法，其中所述步骤(c)包括混合以促进所述混合物的溶解和均质化。

21.第10方面所述的方法，其中在高于约900℃的温度下进行所述步骤(c)。

22.第10方面所述的方法，其中所述步骤(b)在无水条件下进行。

除此以外，本发明还包括下面方面：

1.一种用于制造钠钙玻璃的方法，包括以下步骤：

(a)在高温下充分煅烧碳酸钙(CaCO₃)以释放二氧化碳(CO₂)气体并形成固相氧化钙(CaO)；

(b)在释放气态反应产物的同时形成液相硅酸钠(Na₂SiO₃)玻璃，且

(c)将步骤(a)的固相氧化钙产物与步骤(b)的液相硅酸钠产物混合以形成液相钠钙玻璃熔体。

2.第1方面所述的方法，其特征在于所述步骤(a)在减压条件下进行以促进二氧化碳(CO₂)气体的释放。

3.第1方面所述的方法，其特征在于在从约800℃到约1300℃温度范围内进行所述步骤(a)。

4.第1方面所述的方法，其特征在于所述步骤(c)包括二氧化硅(SiO₂)的添加。

5.第1方面所述的方法，其特征在于所述步骤(c)包括碎玻璃和/或氧化钙(CaO)的添加。

6.第1方面所述的方法，其特征在于所述步骤(c)包括混合以促进混合物的溶解和均质化。

7.第1方面所述的方法，其特征在于所述步骤(c)在高于约900℃的温度下进行。

8.第1方面所述的方法，其特征在于所述步骤(c)将所述步骤(a)的固相氧化钙产物与所述步骤(b)的液相硅酸钠混合3至4小时，以形成所述液相钠钙玻璃熔体。

9.第1方面所述的方法，其特征在于所述步骤(b)包括将纯碱(Na₂CO₃)与二氧化硅(SiO₂)一起熔融以形成所述的硅酸钠玻璃并释放二氧化碳(CO₂)气体。

10.第1方面所述的方法，其特征在于所述步骤(b)包括氯化钠(NaCl)与二氧化硅(SiO₂)和水蒸汽(H₂O)一起熔融以形成所述硅酸钠玻璃并释放氯化氢(HCl)气体。

11.第1方面所述的方法，其特征在于在所述步骤(c)中当所述步骤(b)的液相硅酸钠(Na₂SiO₃)玻璃与所述步骤(a)的所述固相氧化钙产物混合时，所述步骤(b)的液相硅酸钠(Na₂SiO₃)玻璃具有低于1500℃的温度。

12.第1方面所述的方法，其特征在于所述步骤(a)包括将碳酸钙与二氧化硅(SiO₂)一起煅烧以释放二氧化碳(CO₂)气体。

附图说明

本公开，连同另外的目标、特征、优点和它们的某些方面一起，将由以下的说明、所附权利要求和附图而得到最佳的理解，其中：

图1为按照本公开的一个示例性实施方式熔融和澄清钠钙玻璃的基本方法的框图；以及

图2和图3是对图1方法中相应步骤的修改的功能性框图。

具体实施方式：

图1说明按照本公开一个示例性实施方案制造钠钙玻璃(也叫钠钙硅玻璃)的方法。方法中第一步骤10包括原料的固态(固相)煅烧。在一个实施方案中，碳酸钙(CaCO₃)被投料，比如以石灰石的形式，并被加热到释放出二氧化碳(CO₂)。这一步骤可在温度为约800℃-约1300℃下进行。在图2的第二实施方案10a中，在最后混合步骤中的煅烧产物的可溶性可通过在二氧化硅(SiO₂)存在下的煅烧以形成至少一些更容易在混合阶段溶解的硅酸钙(CaO-SiO₂)而得到提高。该煅烧阶段10或者10a可在减压(真空)下进行以增强二氧化碳的释放。

方法的第二阶段包括熔融、反应和澄清投入材料和液体(熔融)相的硅酸钠玻璃产物。这种硅酸钠玻璃是“干”玻璃，也即是说其不溶于水。在图1的一个实施方案20中，纯碱(Na₂CO₃)在升高的温度下与二氧化硅混合来生产硅酸钠玻璃(Na₂O-SiO₂)并释放出二氧化碳。纯碱与二氧化硅的摩尔比可以为约1∶1-约1∶5。在图3中的备选实施方案20a中，硅酸钠玻璃是通过氯化钠(NaCl)与水蒸汽(H₂O)和二氧化硅(SiO₂)的反应生成硅酸钠玻璃并释放氯化氢(NCl)来形成的。该阶段20或20a优选在升高的温度下发生，比如约900℃-1700℃。这个阶段可在低压(真空)下进行来促进二氧化碳或氯化氢气态产物的释放。硅酸钠玻璃相对低的粘度(即相对或相较于典型的钠钙玻璃在高于硅酸钠玻璃的玻璃相转变温度的相同温度下的粘度，在该温度下，硅酸钠玻璃是液相且无水分)容易促进和允许气态反应物的释放且不形成气泡。

在图1的第三阶段30处，阶段10或10a生成的氧化钙产物与阶段20或20a的液体产物混合。阶段20或20a的硅酸钠玻璃产物相对低的粘度促进在阶段30中的混合、溶解、均质化和任何剩余气体的释放。例如，当更高熔点组分(CaO在2572℃熔融，SiO₂在1600℃至1725℃变为玻璃(熔体))混合并溶解于其中时，已经熔融的硅酸钠玻璃可具有低于1500℃的温度。阶段30可在包括混合，例如通过如搅拌的机械性搅动，来促进混合物的溶解和均质化。阶段30可以在减压(真空)下进行来促进气体释放。这个阶段可在高于约900℃的温度下进行。另外的原料40可在阶段30加入，比如添加二氧化硅以在玻璃熔体中达到期望的二氧化硅水平和/或加入其它添加剂如着色剂和/或氧化钙(CaO)和/或碎(再循环的)玻璃和/或其它少量成分。

尽管阶段10和10a在图1和图2中进行了说明并作为择一备选在前文作讨论，但这些阶段可以按需组合。同样的，阶段20和20a也可以是择一备选或者组合。同样应理解的是，尽管讨论并在附图中展示“阶段”，然而本公开的方法优选是以下连续过程：其中阶段10和20例如同时发生并一起按一定速率进料到阶段30中以提供从阶段30中连续的产出。换句话说，优选原料连续进料到阶段10和20，例如，中间反应产物从阶段10和阶段20连续进料到阶段30，按需在阶段40连续进料另外的原料，和从阶段30连续出料钠钙玻璃到其它玻璃制造阶段。

附图中说明的整个过程可在约三至四小时内进行，相比现有技术一般需要24小时停留时间，而且，该过程理论上预计能量输入为每吨约1.5兆焦耳，对比现有技术典型为预计理论能量为每吨约2.2兆焦耳。

因此公开了一种制造钠钙玻璃的方法，其完全实现了所有之前所阐述的目的和目标。结合目前优选的实施方案而介绍本公开，并讨论了备选方案和修改。鉴于前述说明，其它的备选方案和修改易于向本领域普通技术人员启示它们自身。