在熔炼设备中改变玻璃组成的方法及相应的熔炼设备

摘要

本发明涉及在连续操作的熔炼设备中改变玻璃组成的方法，该方法具有明显缩短的熔体置换时间，因而降低了成本，而且对玻璃质量没有不利的影响。

说明书

本发明涉及在连续操作的熔炼设备中改变玻璃组成的方法，尤其用于侵蚀性、高纯度和/或高熔点玻璃，和涉及为适用于此方法而改进的熔炼设备。

迄今为止，一直试图尽可能在单独的熔炼设备中使要生产的每种(特殊)玻璃熔化。为获得大量不同类型的玻璃和使宽范围的不同量的玻璃熔化，结果需要大量熔炼设备，每种都需要相应的“基本设施”。此类熔炼设备通常不是满负荷的。

针对不同类型的玻璃仅操作单一熔炼设备自然费用较低。此熔炼设备的负荷明显改善。

在熔炼设备中改变玻璃的传统方法(一般熔体转换(changeover)操作)存在问题，因为玻璃的组成和物理性质有相当大的差别。在两种玻璃之间进行熔体转换的一个特殊问题在于起始玻璃A和目标玻璃B之间的密度差。此密度差延迟熔体转换操作。从文献中已知起始玻璃A和目标玻璃B之间相当大的密度差导致在熔炼罐中分离。在此方面，从较重玻璃至较轻玻璃的熔体转换特别关键，因为存在新玻璃只漂浮在旧玻璃之上的危险。结果熔体转换操作的时间极长，因为不能足够快地从熔炉中排放出旧玻璃A。

如果起始玻璃A和目标玻璃B有很不同的化学组成或属于不同“玻璃族”，则在熔体转换中带来另一问题。在此情况下，可存在分离和/或晶析(结晶)现象，最严重的情况下，不仅可能延迟熔体转换，而且使之不可能。

避免或减轻上述熔体转换问题的一种可能方法涉及简单地使罐排空，再填充和使目标玻璃熔化。然而，从罐中排出热的熔融玻璃涉及为健康和安全起见应避免的危险。其次，特别是在高纯玻璃的情况下，纯度要求很高，甚至在目标玻璃B中稍微残留来自起始玻璃A的玻璃残渣也不能容忍。

需要高纯度的侵蚀性玻璃传统上在包括熔化(melting-down)罐、精炼罐和均化装置的铂罐中连续地熔炼。此熔炼技术的缺点在于所述贵金属的成本高，此类铂装置的使用期限短，和灵活性不足。除铂熔化装置之外，前言中所提及的单独熔炼设备还使用所谓凝壳炉(skullcrucible)，由围绕所述熔炉的彼此以一定间距排列的水冷金属管构成，其中利用感应线圈加热所述熔融物料，向其中辐射高频能量。此类熔化装置的优点在于：在该炉的边缘区，由于水冷却而不可避免地形成玻璃壳作为由同类材料组成的保护层，以“相同类型的”熔炉形式包围所述熔融物料，从而不受杂质污染。

文献中未提及使用此类凝壳炉的玻璃变换或在玻璃之间的熔体转换。如果在凝壳炉中实施传统的熔体转换法，则必须记住所述熔炉的玻璃壳(至少部分地)需被目标玻璃替换，使熔体转换操作明显延长。

实践中连续地监视和调节目标玻璃的组成以保持所要玻璃规格。特别是在特殊玻璃的情况下，此调节过程可能需要很长时间，例如四天的熔体转换时间，由于中间玻璃损耗而需要相当大的成本。

因此，本发明的目的是提供一种在熔炼过程中改变玻璃组成的方法，可有明显缩短的熔体转换时间，因而成本较低，但对玻璃质量无不利影响。

以权利要求1和5中所述特征为基础实现此目的，并通过从属权利要求中所给特征进一步具体成形和发展。

本发明所用熔炼设备通常包括一个熔炼平台，该平台包括所有介质供应和排放装置、熔化装置、精炼装置及均化和调整装置。可从熔炼设备中拆去现行的熔化装置(凝壳炉)。用基本上充满冷的目标玻璃B的另一熔化装置替换容纳起始玻璃A的熔化装置。

本发明主要基于以下事实：可在一点利用燃烧器开始附加加热使充满冷的目标玻璃的凝壳炉导电。此熔化点可引入高频电场，这样直接电感加热，从而扩大。这样，可立刻使大量的玻璃熔化。这导致本发明装置和方法使熔体转换特别是高纯度、侵蚀性和高熔点玻璃的熔体转换非常迅速的可能性。

优选在起始玻璃和目标玻璃之间进行快速转换。为此，通过尽可能降低整个熔炼设备中玻璃的液位开始熔体转换。一般可使所述玻璃完全从均化和调整装置中排空。这导致最少量的剩余玻璃留在所述设备的所有剩余部件(精炼装置、均化和调整装置)中。然后关闭加热所述熔化装置的高频发生器。用介质使所述熔化装置(凝壳炉)冷却。所述介质冷却优选这样设计以致所述熔化装置在整个转换操作中不中断所述冷却。这通过在高频能量关闭后立即转换供入熔化装置的冷却介质实现。为此，将用于熔炼操作的冷却介质供应转变成用于熔化装置冷却操作的挠性(flexible)冷却介质供应。在所述挠性冷却介质供应的情况下，所述熔化装置可在所述熔炼设备内移至用于此用途的冷却位置，可使之冷却至室温。同时，可将新的熔化装置引入熔炼设备，与用于熔炼操作的冷却介质供应相连。

象所述冷却介质供应一样，熔化装置中高频线圈和热电偶的电连接也以能迅速拆开的方式配置。

同样可使鼓泡气体供应的连接迅速分离。熔化装置与精炼装置的连接这样配置以致于可使所述连接迅速断开。意外地发现对于介质冷却的凝壳部件与铂装置之间的连接而言，直至达到最大使用温度，利用转移部件的夹持连接将这些部件压在一起足以确保密封熔融玻璃。此密封作用是基于所述凝壳，它在凝壳炉和铂组件之间形成过渡区，包括固化的玻璃或晶体。

将容纳目标玻璃B的熔化装置(凝壳炉)引入已空出的熔化位置。使该熔化装置与冷却介质供应相连，使高频线圈与发生器相连，装配与后一熔化装置的夹持连接，并接上所有需要的热电偶。此工作之后，可开始熔炼所述目标玻璃的操作。利用来自燃烧器的附加加热在所述冷玻璃上产生熔体池。可向此熔体池中引入高频电场，从而加热所述固体玻璃。随着熔融材料的温度升高，也可能从炉内的HF场中吸收不断增加的能量。几小时(取决于玻璃的等级)内，该炉的全部内含物均已熔化。在熔化新目标玻璃的阶段，可使以下运送玻璃(glass-carrying)的部件达到操作温度。一旦所述熔化装置和后续装置内满足操作条件，则开始使用目标玻璃B的过程。所述熔化装置中仅存在很小剩余量的目标玻璃A的事实意味着可在很短的试车阶段之后开始所述目标玻璃的生产。

根据本发明，只有一个熔化装置(凝壳炉)可用于每种待熔炼的玻璃。所述优选实施方案中，收集容纳待生产玻璃的凝壳炉备用。所述熔体置换过程中不损失玻璃。凝壳炉中凝固的玻璃可再用于使用此玻璃组成的下次熔炼过程。

特别是对于配料很贵但批量很小的玻璃而言这是有利的。此方法可以准连续方式生产小量的极高质量的玻璃。结果，使许多情况下第一次生产这些玻璃变得经济可行，因而迄今为止只有连续生产法才经济的新的热成型方法也是可能的。这些尤其是只有连续热成型才使所述热成型机满负荷的方法。

由于凝壳炉通常由不锈钢、铜或铝构成，其原料成本明显低于传统铂熔炉。因而，从经济上适合构造多个用于专用玻璃的熔化装置，使容纳专用玻璃的这些装置备用从而可用于使用所述玻璃的进一步熔炼过程。

其中通用凝壳炉用于可容易相互转换的类似玻璃族的组合方法也是可行的。

如果为达到一定玻璃规格所述起点是已经存在此规格玻璃的凝壳炉，则不需要通过改变所供应玻璃配料的组成由预先生产的起始规格达到所要规格的过程。保留一定量的熔炉，每个熔炉都有限定的玻璃组成，由于凝壳炉的生产费用低而且所述熔融玻璃不易被炉壁污染，所以使用凝壳炉是有利的。用外源加热一定时间之后，将高频电场引入炉内已产生的熔融材料中，以驱动所述熔炼操作向前进行。就玻璃组成而言，这种加热玻璃熔体的方式是中性的，尤其在侵蚀性玻璃的情况下是理想的。所述凝壳炉可有较小的熔融体积，例如50或60升，用此类熔炉可达到较高的生产量，例如1吨/天。

下面结合附图描述本发明，其中：

图1示出熔炼设备的侧视图，

图2示出本发明熔化装置的俯视图，

图3示出所述熔化装置的侧视图，

图4示出熔炼设备中的组件连接，和

图5示出所述熔炼设备一细节的俯视图。

图1示出玻璃熔炼设备的主要组成部分，即熔化装置2、其上游连接的加料器1、所述熔化装置下游连接的精炼装置3、与所述精炼装置相连的均化装置4、和调整装置5。所述熔炼设备具有固定部件，称之为框架6，其中设有分别用于进料7和返回8的中央冷却剂循环回路。所述框架形成用于熔化装置2和精炼装置3的两个相同的接收位置9和10。接收位置9和10均有用于冷却剂进料的固定连接位置11和用于冷却剂返回的固定连接位置12。本文中术语“固定”应理解为相对的，因为可能调节移动以适合所述熔化装置2的冷却剂连接件21、22的相应接头。

图2和3示出熔化装置的俯视和侧视示意图。冷却剂连接件21和22位于下部或连接支座23中，冷却剂进料的分布通道27和冷却剂返回的分布通道28在其中延伸。所述冷却剂进料27还有用于挠性冷却剂进料管线的另一连接件25，所述冷却剂回路28也有用于挠性冷却剂返回管线的另一连接件26。可设置用于鼓入气体的连接件24作为另一管线连接件。连接件21、22、24、25、26配有截止阀，如图3中29所示，而且相连的固定连接件也是相同的，其连接件11和12示于图1中。交换熔化装置时需要所述截止阀，如后面所解释的。

作为其主要组成部分，所述熔化装置2具有凝壳炉30，其主要包括流动冷却剂的在凝壳炉的侧面外壳31和底座32中延伸的复绕管线。所述冷却软管通过支线33和34与冷却剂进料27相连，通过支线35、36与冷却剂回路28相连。在侧面外壳31上有类似通道的溢流管37，与精炼装置3或均化装置4(如果存在的话)相连。所述凝壳炉30用耐火材料制成的炉盖38关闭，盖中有开口39用于加料和用于加热。

凝壳炉30具有连接的高频线圈40，它围绕所述圆柱形外壳31并有用于高频电流的连接件。所述连接件41有适用于高频的插塞式连接器，可与位于以固定位置布置的供电电缆上的相应插塞式连接器偶联。

熔化装置2还有许多热电偶，用于监视操作，其位置未详细示出。有用于这些热电偶的连接接头，可使热电偶与固定监视装置相连，而且在相应的熔化装置2从操作中取出时断开此连接。

所述熔炼设备还有起动燃烧器45，用于通过开口39在凝壳炉30内部引入气体火焰，以产生熔融点形成足够传导性的区域46。

图4示出所述凝壳炉30与其它处理系统(例如可包括图1中所示精炼装置3)的连接。组件连接50包括有前进通道52的法兰51，由铂或等效材料构成。在凝壳炉的出口通道37上有配合法兰53，与通道52的法兰51相对。用金属螺杆55将不锈钢等制成的垫板54压在凝壳炉的配合法兰53上，法兰51位于其间。由于凝壳炉侧面外壳的冷却，当凝壳炉30中存在玻璃熔体57时形成玻璃壳56。此壳密封了法兰51和53之间可能存在的任何间隙。

当熔体57从凝壳炉中排出时，壳56留在原位；但足够易碎，以至在松开金属螺杆55和闭锁法兰53之后，可从熔炼设备中取出所述凝壳炉30。

图5示出此变换操作的示意图。有置换装置60，熔化装置2的支座23置于其上。关闭高频加热之后，可中断连接至中央冷却剂循环回路7、8的冷却，产生与挠性冷却剂回路连接件25、26的连接。此外，使连接件24、41、42的其它接头分开，以准备好所述熔化装置2用于转移。然后可将所述熔化装置置换至冷却位置61。熔炼设备中已空出的位置9可填充有新目标玻璃的新熔化装置2。

作为置换装置的备选方案，也可用圆盘传送带(carousel)或旋转式装置置换所述熔化装置。任何情况下，都可设置与所述冷却位置61邻接的准备位置62，以进行使用新目标玻璃的任何准备工作，例如用起动燃烧器45将此玻璃加热至操作温度。此类设备构造可进一步加快熔体转换时间。

所述设备如下操作：在起始玻璃A基本上从设备中排空而且容纳起始玻璃的凝壳炉已移至冷却位置61之后，将容纳目标玻璃B的凝壳炉引入设备中。如果所述目标玻璃尚未熔融，则起点是已充满所要组成的碎玻璃和批料的凝壳炉。然后形成所要求的用于冷却剂、电源和监视传感器的连接。如果尚未发生，则通过气体燃烧器45使所述熔化装置局部预热以产生熔体池形成足以在此区域引入电能的玻璃传导区域46。用高频线圈40引入电加热能量。所提供的能量逐渐使所述凝壳炉30的除边缘区域之外的全部内含物熔融，所述边缘区域因冷却作用而在一定程度上保持原位作为炉壁。用加料器1加入新的批料，在所述凝壳炉中使之熔化。结果，熔体液位上升，熔融物料流过出口通道37进入所述深加工系统。

所述深加工系统可包括例如精炼装置3、均化装置4和调整装置5。但整个熔炼设备以相当大的自由度构造，即可改变在连接位置9和10处串联连接的装置。例如在对内在质量特别是气泡质量的要求较低(例如焊接玻璃)的情况下用于使玻璃熔化的熔化装置也可在没有精炼装置3的情况下操作。在此情况下，熔化装置安装在位置10处，直接与调整装置5相连。加料器放在横跨位置9的板上。

也可在位置9和10处设备两个熔化装置；在此情况下，所述凝壳炉有另一入口，在图2和3中未示出，通常是关闭的，仅在所述设备在位置10操作期间打开。

除所述铂罐之外，也可用基于凝壳技术的精炼室作为精炼装置。在此情况下，提供针对工作位置9描述的所有连接。

可相互组合的组成部分有相同几何形状的底层结构或支座。所述冷却介质供给适合所有组成部分，可灵活使用。

应用实施例

用于有色玻璃时，通过变换熔化炉转换熔体特别有价值。在有色玻璃的情况下，因以下事实使熔体转换操作变得复杂：一方面，从熔化装置中排出原始玻璃的残余需要很长时间，特别是从深色玻璃变换成浅色玻璃时。另一方面，在用传统燃烧器加热的情况下，存在不同颜色玻璃的辐射吸收不同的问题。在利用所述HF技术进行有色玻璃的熔体转换的情况下，如果所述玻璃的传导性足够，预计即使玻璃的颜色很不同，熔化性能也将没有明显差别。变换熔化装置意味着只需交换很小的体积。因此，所述熔体转换时间明显缩短。