專利名稱:用于真空澄清玻璃料的泡沫控制方法
本發明涉及利用負壓加快澄清熔融玻璃或類似物，更具體地說本發明涉及在該澄清技術中控制發泡量的一種實際方案。
在玻璃熔化過程中，由于配合料的分解會產生大量的氣體。還有一些氣體，它們是通過配合料自然攜帶或由燃燒熱源引入熔融玻璃的。多數氣體在最初的熔融相中就已經逸出，但也有一些被裹在熔體里。有些被裹氣體溶入玻璃，而另一部分形成分散的氣體摻雜物，就是所謂的氣泡或“灰泡”，如果在所制玻璃中殘留過高濃度的“灰泡”那將十分有害。如果在熔融操作階段就是所謂“澄清”或“精煉”階段給予足夠的時間，這些氣體摻雜物就會升到表面并從熔體中逸出。通常的做法是在澄清后利用高溫來降低熔體的粘度和增大氣泡直徑以加速氣體摻雜物的上升與逸出。在澄清段為維持高溫需要提供所需的能量以及為保持足夠的停留時間以便氣體摻雜物從熔體逸出所需的大型熔制器是玻璃制造過程中的主要消費。因此，人們希望能改進澄清工藝以降低成本。
眾所周知減壓有助于澄清過程，通過降低被裹氣體的分壓和增加熔體中氣泡的體積以加速它們向表面上升。但是為了抽真空而在傳統規模的澄清室上接一個氣密容器是極不現實的。它使真空澄清技術的使用被限制在很小規模的批量操作上，正如美國專利第1564 235;2，781，411;2877，280;3338，694和3442，622號中所揭示的那樣。
雖然有人建議采用連續化真空澄清工藝，但是由于其各種缺點的存在至今未被大規模，連續化玻璃制造所采用。美國專利號805，139;1598，308;和3519，412所述的連續化真空澄清方案存在的主要缺點是需要較窄的立式通道根據壓力不同導入或導出真空區。這些通道使容器的結構復雜化，特別是由于需要氣密墻，使通過的物料與污染的耐火材料接觸的機會增加，而且明顯增大了物料流動的粘滯阻力。引起注意的是為了平衡二分之一大氣壓的真空還需要約4.5米高的玻璃柱。改變這種系統的輸出也是個問題，特別是由于受粘滯阻力因素的影響。可變性在連續化商業生產中十分重要，因為所制產品和經濟因素的改變將影響所要求的產率。上面提到的三份專利，都僅僅是靠增大真空段熔體上流的高度(相對熔體從真空段下流的高度)的辦法來提供增加通過真空段通道流速的驅動力。而這種系統中固有的粘滯阻力進一步加大了該液面差的數值。由于熔體表面上升加速了對邊墻的侵蝕，液面明顯變化將加重侵蝕，最終使玻璃產品的質量下降。
美國專利3429，684號給出了一種簡單結構，其中配合料通過真空閥喂入并在一個立式長形真空室的頂部熔化。在這種方案中如果要改變物料流過量似乎就必須改變室內的真空度，這將使已達到的澄清度發生不利的變化。在真空室中熔化原料是這種方案的另一缺點，其理由有三第一，在真空條件下進行原料的初分解會產生大量的氣泡，所以需要一個大得足以容納這些氣泡的容器。第二，存在這樣一個危險就是原料可能從一個短循環路徑進入輸出流，而沒經過充分的熔化和澄清。第三，在真空器中進行初始階段的熔化和把熔體加熱到澄清溫度需要向容器內的熔體提供大量的熱量，大量熱量的輸入會自動導致熔體對流，從而增加了對墻壁的侵觸，至使澄清產物料流受到污染。
美國專利4195，982號揭露了首先在升壓下熔化玻璃，然后在一個獨立的室中于較低壓力下澄清玻璃，兩個室都加熱。
任何規模的真空澄清，不論是連續的還是批量的都碰到這樣一個問題，就是有時會產生大量泡沫，尤其是在壓力較低時。為了容納泡沫必需在液體容器上面提供一個大空間。又由于該頂部空間必須保持氣密，所以這種結構存在明顯的經濟缺陷，尤其是在大規模生產中。結果泡沫成為所用真空度的限制因素。人們希望在不改變主要基建投資的條件下減輕對真空澄清工藝的這種限制。
美國專利號3350，185號公開了一種常壓下在玻璃熔制過程中的滅泡技術，燃燒的氧化或還原條件的突然變化被認為能導致泡沫的破滅。
在本發明中，通過向泡沫施加試劑控制聚集在真空澄清室中的泡沫的體積使其達到破壞條件。引起泡沫聚合和/或打斷泡沫薄膜的表面張力至使它們破裂。被認為對玻璃泡沫具有有效作用的一組試劑是堿金屬化合物例如氫氧化鈉或碳酸鈉。發現真空室中的部分泡沫在堿性成分中會略微減少，估計可能是由于減壓環境下堿的相應揮發所引起。因此，相信泡沫的粘度高于熔融玻璃體，這時破滅泡沫非常困難。通過往泡沫上加堿，可以降低其粘度并使泡沫爆裂變得較容易。向泡沫加入粘度改進劑還破壞了泡沫薄膜，引起破裂，另外還包括由于直接碰撞作用引起的某些爆裂。所加入的堿最好能與物料在種類和量上相適應，以便保持預定的產物組成。對于鈉-鈣-硅玻璃，最有效的消耗物質是鈉，因此泡沫破裂劑最好是一種鈉的化合物。堿金屬化合物可以以固體或溶液形式加入，連續地或間斷地直接將其加到真空室的泡沫上。
本發明優選的泡沫破裂劑是水，由于堿的存在，水能夠通過液滴碰撞或粘度調整而破壞氣泡的薄膜。還有一個理論認為往泡沫噴水冷卻了泡沫的頂部，引起泡沫內的對流循環。由于循環而增加了移動，加速了氣泡聚集成大氣泡的過程，而大氣泡極容易爆裂。使用堿溶液甚至將干堿金屬化合物沉積在泡沫上時也會出現這種效果。用水是有效的，因為水很容易溶入熔融玻璃并對所制玻璃的性能影響甚小。另外澄清室中水蒸氣分壓的升高不影響某些不溶性氣體從熔體中去除。另一優點是水極易操作，可以易調節的速率連續或間斷地噴到泡沫上。
可燃性液體如乙醇或燃料油也可用作泡沫破裂劑。在這種情況下，液體的燃燒作為附加效果會給系統增加熱能。
圖1是按照本發明的一個優選例的垂直剖面圖，該剖面經過熔制工藝的三個階段，即液化階段、溶解階段和真空澄清階段。
下面將結合方法以及特別適用于熔制玻璃或類似玻璃的物料的設備進行詳細說明。但是大家應該知道本發明同樣也可適用于其它材料的工藝處理。
盡管應用不受限制，但是將本發明與一種真空澄清系統結合使用會更有益，這種系統在共同未決的、被同一受讓人所有的美國專利申請系列號815，494(于1986.1.2日申請)中已被揭露。在該申請中公開了一個方案，采用這種方案就可以使真空澄清技術用于商業規模、連續化的玻璃熔制過程。此法能夠有效和經濟地克服現有技術的缺點。在大部分用于熔制的熱能都已經供給熔體以后，才允許熔融玻璃進入真空澄清室，這樣對真空室內的熔融材料就可以僅提供少量的熱量或不提供熱能。
最好，在真空段不要提供比補償器壁熱損耗所需熱量更多的熱量。在足夠高生產率下，真空室可以完全不加熱。在優選實施方案中，配合料首先進行液化，該液化階段特別適用于該方法的這一工藝步驟，然后將液化料送入第二階段，此階段基本完成固體粒子的溶解并把料溫升高以適以澄清的溫度。繼之，將熔融物料送到真空室。結果在物料受真空作用以前，熔制過程的大部分氣體產物已被趕走。最大的氣體逸出后與澄清區被分隔開，因而進行前面熔制階段的物料不會與進行澄清的熔體部分混合。因為在物料進入真空澄清階段之前已經滿足了熔制所需的大部分或全部熱能，因而基本上避免了澄清段加熱，也避免了熔體過多的對流，結果減小了對容器的侵蝕，減少了熔體非完全澄清部分與較澄清部分相混合的可能性。
優選的真空澄清方案的其它方面還涉及在物料產量控制方面的優點。液化料有計量地由閥門進入真空室的上端，而澄清好的熔體從真空室的較低端流過另一個閥門，真空室中所保持的液體的高度最好至少略高于需要用來平衡真空的高度。那樣就可以通過閥門控制產率，而不必改變室內的真空壓力，也不必改變室內的液面高度。反過來說，調節真空壓力范圍不會改變產率。除閥門以外，該系統對熔融物料流的阻力比較小。
優選的真空澄清室構造內為一個直立長形容器，最簡便的是豎式園柱狀的。這種構造有利于安排進料，裝滿氣體和不斷地起泡，在其頂部壓力最低，氣體迅速上升并從液相逸出。當熔融物料向下流向低部的一個出口時，容器中熔體深度增加并引起壓力增加，從而導致剩余氣體繼續溶解和可能殘留的任何小氣泡體積的減少。當物料通過澄清容器時，降低溫度有助于溶解。
在傳統的玻璃熔化中，硫酸鈉或硫酸鈣或其它硫源物被包括在配合料中以有助于熔化和澄清過程。溶體中硫化物的存在被認為是真空澄清時的一個問題，因為它會導致大量泡沫并且侵蝕真空澄清容器的陶瓷耐火墻。然而迄今為止，不用硫化物很難實現對玻璃的有效熔化和澄清。所建議的真空澄清方案的另一個優越方面，就是可以將玻璃熔化或澄清，達到高質量標準，而不用硫或僅用少量硫，這在本發明中是可行的，這是由于本發明的熔化和澄清工藝是在獨立的階段中進行的，因此每個階段都可以以這樣一個過程進行，該過程所配用的澄清助劑量減至最少或避免使用澄清助劑。
參照附圖，本發明的全部熔制工藝最好包括三個階段液化段10，溶解段11和真空澄清段12。在液化段10可以采用各種方案進行最初的熔化，用于分隔這一階段并經濟地實施該階段的最有效的方案正是美國專利號4381934所描述的，優選的液化階段具體情況可以參照該專利。這種液化容器的基本結構是鋼制的，具有園柱狀側壁部分，一個普通的開口頂，一個除了一個泄料口以外被封死的底部。轉筒15被安裝成能圍繞一根基本鉛直的軸旋轉。例如采用環狀支撐圈16可轉動地安裝在許多支撐輪17上并被許多定位輪18固定。借助于蓋結構20，轉筒15內形成一個基本封閉的空腔，蓋結構20靠外框21固定支撐，例如，蓋20可以用耐火陶瓷材料制造，并且可以采用耐火材料爐技術領域：
中的各種已知式樣。圖中所描繪的方案是一個向上拱起的懸拱結構，該結構由許多耐火材料磚制成。應該知道整塊的或平吊設計也可以用于蓋結構。
液化配合料的熱能可以由一個或多個穿過蓋20的噴嘴22提供，最好是將多個噴嘴環繞蓋周圍布置以便把火焰對向轉筒內大面積的物料。噴嘴最好進行水冷以保護噴嘴免受容器內惡劣環境的影響，排放的氣體可以通過蓋上的開口23由液化器內部排出。十分可取的是排出氣體的余熱可用于預熱段(未示出)配合料的預熱，正如美國專利4519，814所披露的。
配合料最好是粉末狀的，它通過斜槽24喂入液化室空腔，按具體例所示，該斜槽穿過排氣口23伸入。喂料槽的詳細方案可以參見美國專利4529，428。配合料被沉積在轉筒的內側側壁處，依靠轉筒的轉動配合料25保持在轉筒的內壁上，作為一層絕熱襯。當襯25表面上的配合料在腔室內受熱作用時，就形成液化層26，并從傾斜的襯向下流到容器底部的中心泄料出口。出口與一個陶瓷襯套相配合。已液化的物料流28從液化容器自由降落通過開口29導入第二階段11。
第二階段可以稱為溶解容器，因為其功能之一就是完全溶解離開液化容器10的液化流28中所殘留的任何未熔的配合料顆粒。在該區域內液化料一般僅被部分熔化，包括未熔化的砂粒和一個基本氣相。
溶解容器11作用在于使來自第一階段液化料中未溶顆粒完全溶化。它是通過在下游的澄清階段分開的某一位置使料流保留一段時間來完成的。典型地，鈉-鈣-硅玻璃配合料一般約在2100°F(1150℃)到2200°F(1200℃)液化，進入溶解器11的溫度約為2100°F(1150℃)到2400°F(1320℃)，在這樣的溫度下只要提供足夠的停留時間，剩余的未熔顆粒一般都會熔解掉。所示的溶解器11的式樣是一個水平長形耐火池30且帶有一個耐火蓋頂31，在相對兩端各有入口和出口以便保證充分的停留時間。溶解器中的熔融物料深度可以較淺以便阻止料流回流。
雖然完成溶解步驟不需要加入很多的熱能，但是加熱可以加快工藝過程并且減小溶解器11的尺寸。更有意義的是，最好在溶解階段加熱物料以便升高溫度為接下來的澄清段做準備。使澄清溫度達到最大有利于降低玻璃粘度和增加被包裹氣體的蒸氣壓。一般希望澄清鈉-鈣-硅玻璃的溫度約為2800°F(1520℃)，但是當采用真空幫助澄清時，可以選用較低的峰值澄清溫度不會損害產品質量。可能降低的溫度范圍取決于真空度，因此在按照本發明進行真空澄清時，例如，玻璃溫度澄清前無需升到高于2700°F(1480℃)，優選不高于2600°F(1430℃)，最好不高于2500°F(1370℃)。峰值溫度降低到這種程度使得耐火容器壽命明顯延長并且節約了能量。所以進入溶解器的液化料僅僅需要適當加熱從而為澄清過程制備熔融物料。燃燒熱源可用于溶解段11，但是我們發現在該階段用電加熱更適宜，因此正如圖中所示，許多電極32水平伸入側壁，在該技術中，電極間電流傳導，熔體本身的電阻產生熱，這項技術一般用于電熔玻璃。電極32可以是碳或鉬的，這對于本領域普通技術人員都是已知的。
用一個閥門控制物料從溶解段11向澄清段12流動，該閥門由一個與泄料管36軸向對準的沖頭35構成。沖頭的軸37伸出溶解器蓋頂以便控制沖頭35和管36之間的間隙，從而調節物料進入澄清段的流量。閥門管36可以用難熔金屬制造，例如鉑。閥門管36被封裝在澄清器上端的孔44中。
澄清段12最好包括一個直立的垂直容器，一般為園筒形，筒內具有陶瓷耐火材料襯里40并且被罩在一個氣密水冷套內。該套包括一個雙層壁的、園筒形側壁件41，側壁件夾縫里有循環水通路和循環端冷卻器42和43。任何適宜的冷卻措施都可以使用。用襯里40和夾套41之間還可以提供一隔熱層(未示出)。
當熔融物料通過管36，遇到澄清器中的減壓時，熔體中包含的氣體體積膨脹形成泡沫層50停留在液體51上。一但泡沫破裂就將結合進入液體51。通過真空導管52可以在澄清器中建立負壓，該真空導管從容器頂部伸入。最好能提供一個燃燒器對容器內的上部進行加熱。
澄清后的熔融物料通過泄料管55從澄清器12的底部泄出，該泄料管是難熔金屬的，例如鉑的。泄料管55最好伸出耐火底層56的表面，這樣安置可以防止任何碎片進入輸出料流。鄰近管55處的地方，底層56可以薄些以便減小管子隔熱效應，從而使管子的溫度升高防止物料在管子中凝固。在底層56下面用水冷器阻止管周圍的泄漏。通過泄料管的熔融物料流量由裝在柄59端上的一個圓錐節流件58控制，柄59與機械裝置(未示出)相聯，以調節圓錐節流件的高度，從而調整節流件和管55之間的間隙控制流量。經過澄清的熔融物料流60從澄清器的底部自由下落，被送到成型工序(未示出)，在那兒將其成形為所需的產品。例如，澄清后的玻璃可以送入浮法玻璃成形室，在該成形室中熔融玻璃浮在一個熔融金屬池上形成平板玻璃。
盡管澄清器可以采用各種形狀，但最好是園筒形的，園筒形對于建造氣密容器是有益的。內表面接觸面積與體積之比由于圓形截面而最小。與傳統的平爐循環澄清器相比，本發明的圓筒形真空澄清器的耐火接觸面積僅由一小部分來承擔。
保持在澄清室12中的熔融物料51高度由室內施加的真空度決定。由液體高度引起的壓頭必須足以在出口處建立一個等于或高于大氣壓的壓力，以便于物料從容器自由流出，這個高度取決于熔融物料的比重，對于鈉-鈣-硅玻璃在有關溫度下比重為2.3。一般希望高度超過平衡真空所需的最低高度以適應大氣壓的波動，滿足真空的改變，確保物料穩定地流過出口。在本發明優選的實施方案中，提供一個基本超出高度，使出口流速不受真空壓力的限定，而僅受機械閥的限定。這種措施可以允許流量和真空壓力各自獨立地變化。另一個辦法是假如在出口處裝上泵克服壓差，出口處的壓力也可以低于大氣壓。有關用于熔融玻璃的泵的例子在美國專利4083，711中，有所披露。
在澄清工藝中真空的收益靠真空度獲得，壓力越低，收益越大。在大氣壓以下，壓力減小一點就能產生相當的改善，而且經濟上也證明真空室降低壓力是十分可取的。因此，對于鈉-鈣-硅平板玻璃，要想明顯地改善澄清過程，壓力最好不大于二分之一大氣壓，三分之一大氣壓或更低可以獲得更好的結果。最好絕對壓力低于100乇(例如20-50乇)以保證產品達到商業浮法玻璃質量，即約每1000-10000立方厘米一個灰泡。一般認為灰泡直徑小于0.01毫米難以覺察，不作灰泡計算。
本發明的泡沫破裂劑靠管54投入澄清器，該插管從真空空間的頂部伸入，例如穿過頂部冷卻器42，如圖所示。該插管可以裝上一個水冷套(未示出)以延長壽命。液體如水可以通過插管54連續地或間斷地噴入容器。一個具體例子，在四分之一大氣壓下澄清鈉-鈣-硅玻璃，按每噸玻璃約3加侖的比例噴射水能夠使人滿意地控制泡沫水平面。當壓力為40乇時，每噸玻璃二分之一加侖的比例就能獲得滿意的效果。為了把固體泡沫破滅物質引入澄清器的空間，穿過上部冷卻器42安裝一個帶有氣閘的直水冷管。滅泡物質的用量取決于許多因素以及具體情況。泡沫產生的速度和可供容納泡沫的空間體積明顯是考慮的因素。泡沫產生速度又取決于料流速度、真空程度、溫度和熔體中的氣體組分，以及熔體中會產生氣體的澄清助劑的量。不需要把泡沫全部撲滅，而最好是用最小量的泡沫破滅劑防止不能令接受的大體積泡沫的聚集。我們希望不必要使用大量泡沫破滅物質，因為它們會引起熔體冷卻。按照上述例子所給出的數量，被噴入的水被認為對系統的能量效率不起顯著影響。一個不理想的大體積氣泡的例子就是所產生的泡沫會進入如圖所示實施方案中的真空導管52。
熔化和澄清助劑如硫或氟化合物通常包含在玻璃配合料中，但這樣會在來自熔爐的廢氣中產生大量不良排氣。避免采用這些助劑是值得考慮的，但為了達到最高質量水平，特別是對于平板玻璃標準，使用這些助劑也是不可避免的。此外，硫源(即硫酸鈉、硫酸鈣)被認為會在真空下引起過度起泡，一般平板玻璃配合料每1000份重量氧化硅原料(砂子)硫酸鈉量約為5-15份重量，約有10份重量就可以確保充分澄清。然而按照本發明實施時，一般認為最好將硫酸鈉限在2份重量以便保持成泡過程易于控制，而且還發現它們對澄清不起不利影響。最好每1000份砂子用硫酸鈉不多于1份，二份之一份就是一個特別優異的實例。這些重量比都按硫酸鈉給出，但是應該知道用分子重量比表示其它硫源也是正常的，不添加任何澄清助劑也是可行的，但是某些礦物配合料中痕量的硫有時會導致少量硫的存在。
其它變化對于本領域專業熟練人員是已知的，并包括在下述權利要求
所確定的發明范圍內。
權利要求
1.一種澄清玻璃料或類似物的方法，其中將一定量的熔融態物料盛儲在容器中，并在容器中熔體的上部保持負壓以促進物料的澄清，從而使容器中的物料上的出現泡沫，其特征在于往泡沫上施加一種加速泡沫破滅的物質。
2.按照權利要求
1的方法，其中的泡沫破滅物質選自水、堿金屬化合物及其溶液。
3.按照權利要求
2的方法，其中的堿金屬化合物是鈉的化合物。
4.按照權利要求
3的方法，其中的泡沫破滅物質選自氫氧化鈉和和碳酸鈉。
5.按照權利要求
1的方法，其中容器的壓力不大于二分之一個大氣壓。
6.按照權利要求
1的方法，其中的壓力不大于100乇。
7.按照權利要求
1的方法，其中所澄清的物料是鈉-鈣-硅玻璃，并且最初用硫源作為澄清助劑，其用量不大于2份重量硫酸鈉/1000份重量硅源物料。
8.按照權利要求
1的方法，其中泡沫破滅物質被連續地施向泡沫。
9.按照權利要求
1的方法，其中泡沫破滅物質被間斷地施向泡沫。
10.按照權利要求
1的方法，其中的物料在進入容器前經過液化。
11.按照權利要求
7的方法，其中的物料沒有預先摻入含硫澄清助劑。
12.按照權利要求
1的方法，其中采用向泡沫噴水的方法加速泡沫破滅。
13.按照權利要求
1的方法，其中的泡沫破滅物質是液體。
14.按照權利要求
13的方法，其中的液體是可燃的。
專利摘要
在真空澄清熔融玻璃或類似物工藝中，采用在泡沫上施加泡沫破裂物質的方法來加速泡沫的破滅。該泡沫破裂物質包括水、堿金屬化合物如氫氧化鈉或碳酸鈉以及這些化合物的溶液。
文檔編號C03B3/02GK87105721SQ87105721
公開日1988年6月1日 申請日期1987年7月6日
發明者萊特·M·維爾頓 申請人:Ppg工業公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan