專利名稱：玻璃及/或玻璃陶瓷的均勻加熱裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于玻璃或玻璃陶瓷的均勻加熱裝置以及一種使用該裝置進行加熱的方法。
為了調整某些材料特性，例如陶瓷化，半透明或透明的玻璃及/或玻璃陶瓷通常被加熱至一定溫度，該溫度優(yōu)選高于低的冷卻點(粘度η＝1014.5dPas)。在成型過程中，特別是二次熱處理時，半透明或透明玻璃及/或玻璃陶瓷被加熱至加工點(粘度η＝104dPas)或超過該溫度。典型的低冷卻點根據玻璃種類可在282℃和790℃之間，一般的加工點可達1705℃。
目前加熱玻璃及/或玻璃陶瓷主要通過使用功率強的表面加熱器，如燃氣爐。
這樣的加熱器一般被認為是表面加熱器，熱源的總熱量的至少50％被帶入加熱物體的表面或表面的鄰近層。
如果輻射源呈黑或灰，并且具有色溫1500K，則總輻射量的51％的輻射源在大于2.7m的波長范圍內輻射。如果色溫低于1500K，如在多數電阻加熱器內，則大大超過總輻射量的51％在大于2.7m輻射。
由于多數玻璃在此波長范圍具有一個吸收端，所以輻射量的50％或更多被表面或表面的鄰近層所吸收。由此可說明是表面加熱。
一種特殊形式的表面加熱器是用氣焰加熱，典型的火焰溫度為1000℃。借助于煤氣爐的加熱，大部分是通過熱氣體的熱能傳播給玻璃或玻璃陶瓷的表面，這里可以產生一個溫度梯度，由于粘度梯度而對成型造成不良影響，特別是對于厚度≥5mm的玻璃。
一般在表面加熱時，對著熱源的玻璃或玻璃陶瓷表面或表面的鄰近層被加熱，其余的玻璃或玻璃陶瓷部分必須通過玻璃或玻璃陶瓷內部的導熱而被加熱。
由于玻璃或玻璃陶瓷在1W/(mK)范圍內一般具有微小的導熱性，所以為了保持玻璃或玻璃陶瓷內小的壓力，隨著材料厚度的增加，對玻璃或玻璃陶瓷的加熱越來越慢。
為了借助導熱達到對玻璃的快速均勻加熱，要求煤氣爐具有高的功率產生。這種形式的加熱局限于小的表面上，因為借助于煤氣爐全面注入所要求的功率密度是不可能的。
如果玻璃或玻璃陶瓷的均勻加熱不成功或不充分，則必然導致生產過程或產品質量中的不均勻性。例如在玻璃陶瓷的陶瓷化過程中的不按規(guī)則性會引起玻璃陶瓷的彎曲或炸裂。
加熱和/或成型的另一種可能性是，對玻璃及/或玻璃陶瓷或者玻璃及/或玻璃陶瓷的坯件使用IR-輻射加熱，主要是短波IR-輻射。
從DE 4202944 C2已知使用一種，包含IR-輻射器的裝置和方法來快速加熱材料，該材料在其2500nm上面具有高的吸收。為使IR-輻射器的熱量能快速進入材料，DE 4202944 C2建議使用一個輻射變換器，由它放射出二次射線，它具有與初次射線不同的長波范圍。
UA-A-3620706描述了使用短波IR-輻射器對透明玻璃的深度均勻加熱。依照UA-A-3620706的方法基于所使用的射線的吸收長度比要加熱的玻璃物的尺寸大很多，這就使照射的射線的大部分穿過玻璃，并且玻璃體體積內每個點的吸收能量都幾乎相同。但是這種方法的缺點是玻璃體內的均勻輻射在表面上沒有得到保證，使得IR-輻射源的強度分布影響加熱玻璃。而且這種方法中只使用電能的一少部分用于玻璃的加熱。
使用短波IR-輻射器對玻璃或玻璃陶瓷的加熱，一部分是通過在玻璃或玻璃陶瓷繼續(xù)呈透明的波長范圍的射線進行的，對于多數玻璃是在小于2.7m范圍。例如使用色溫在3000K的輻射器，86％的入射射線落于這一范圍。這種射線的短波部分被玻璃微弱吸收，所以只要加熱的玻璃尺寸明顯小于玻璃內所用射線的吸收長度，投入能量就會在深部繼續(xù)形成均化。為避免所用射線的大部分在經過一次輻射后未被利用就離開玻璃，可以在IR-輻射器的空間內放置良好的反射或反散射的屏蔽面，由此克服UA-A-3620706所述方法的缺點。
由位于一輻射空間內的IR-輻射器發(fā)射的一小部分入射射線……在色溫為3000K時為14％…落于波長范圍大于2.7m，在這一范圍大多數玻璃的吸收很強，因此這里在玻璃表面或表面的鄰近層有能量導入。這限制了加熱過程可達到的溫度均勻性，所以該加熱方法僅限于那些在玻璃中對于避免溫度梯度要求較小的過程，例如允許溫度梯度為30K/cm或更大時。
如果短波IR-輻射器也可在產品質量與溫度均勻性密切相關的加熱過程中被利用，則要提供一種裝置和方法，用它可通過短波IR-射線使玻璃深度加熱，同時在輻射器波譜內存在的不可避免的長波部分(大于2.7m)也不引起玻璃或玻璃陶瓷內部所不允許的溫度梯度。
這一任務依照本發(fā)明是這樣解決的，即加熱裝置包含一過濾器，它主要僅使射線的短波部分穿過，而長波部分至少部分被過濾，例如被吸收或反射，這樣就沒有或很少的長波射線到達要加熱的玻璃或玻璃陶瓷上。
這種過濾器可由一平板或一圍繞IR-輻射器的外殼組成。一種富含OH的玻璃優(yōu)選被用作過濾器的材料，它在短波范圍的吸收比要加熱的玻璃或玻璃陶瓷更弱，由此保證過濾器的吸收端正好位于2.7μm，因此它只吸收最小量的在深部起作用的射線(小于2.7m)，而最大量的吸收不希望的在表面起作用的射線(大于2.7m)。
為避免過濾器的不允許的加熱，可以進行冷卻，例如空氣冷卻。當過濾器具有IR-輻射器的外殼時，則更為有利。此時IR-輻射器的空氣冷卻可同時用于外殼以及過濾器的冷卻。
當過濾器的材料使用人造的富含OH的石英玻璃時，特別有利，使短波吸收最少、長波吸收很好的特性進行結合，其優(yōu)點是高的熱承載力和溫度變化穩(wěn)定性。
過濾器還可選擇石英玻璃或其它玻璃，使通過的射線能被散射，這樣過濾器還可起到散射板的作用，由此避免射線源反映在要加熱的玻璃或玻璃陶瓷體上，從而帶來后者溫度的均勻性的改善。
將IR-輻射器安裝在一個IR-輻射空間，具有特別的優(yōu)點。
US-A-4789711以及EP-A-0 133847展示了IR-輻射空間，它們所公布的內容全都包括在本申請中。由壁、底板或頂板反射和/或散射的紅外線大于到達這些面上的射線的50％，是有利的。
如果由壁、底板或頂板反射和/或散射的紅外線大于90％，特別是大于98％，則更為有益。
使用IR-輻射空間的另一優(yōu)點是，在壁、底板或頂板使用強的反射和/或散射材料時，涉及到一個高質量Q的共振器，它的損失微小，因此保證了高的能量利用。
在使用反散射的壁、頂板或底板材料時，空間內所有體積單元在各個角落都達到特別均勻的射線通過，這就避免了復雜成形的玻璃件或玻璃陶瓷件可能出現的遮蔽效應。
作為反散射或可反射的墻材料例如可使用磨光的石英板，其厚度可選30mm。
其它IR-射線的反散射材料也可作為IR-輻射空間的壁、頂板或底板材料或者涂層材料，如以下一種或多種材料；Al2O3；BaF2；BaTiO3；CaF2；CaTiO3；MgO·3.5Al2O3；MgO，SrF2；SiO2；SrTiO3；TiO2；尖晶石；堇青石；堇青石-燒結玻璃陶瓷。
在發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方案中，IR-輻射器所顯示的色溫大于1500K，特別優(yōu)先大于2000K，更優(yōu)先大于2400K，特別是大于2700K，更特別是大于3000K。
為避免IR-輻射器過熱，最好進行冷卻，特別是空氣或水冷卻。
為了使玻璃或玻璃陶瓷借助于所安裝的輻射器以達到所要求的加熱，IR-輻射器應可各自關閉，特別是其電功率是可調節(jié)的。
除了裝置外，本發(fā)明還提供了一種加熱玻璃或玻璃陶瓷件的方法，其中IR-射線被過濾，因此沒有或只有可忽略不計的極少長波IR-射線到達要加熱的玻璃或玻璃陶瓷上。
在本發(fā)明的裝置中，玻璃或玻璃陶瓷的加熱，一部分直接由IR-輻射器的IR-射線進行，另一部分間接地通過從IR-輻射空間的壁、頂板或底板反射或反散射的射線來進行。
如果間接部分，即作用于加熱的玻璃或玻璃陶瓷坯件上的反射或反散射射線，高于總射線功率的50％，是有益的，優(yōu)先高于60％，優(yōu)先高于70％，特別優(yōu)先高于80％，特別優(yōu)先高于90％，更特別優(yōu)先高于98％。
根據下列的附圖和實施方案來說明本發(fā)明。


圖11cm厚玻璃試樣對波長的透射曲線圖2一個可行的IR-輻射器在溫度2400K時的普朗克曲線圖3A具有輻射空間的加熱裝置的基本構造圖3B具有本發(fā)明過濾器的加熱裝置構造圖3C在AlO3，Morgan Matroc，Troisdorf公司的SintoxAL波長上的亮度曲線，在IR-波長范圍在伸展的光譜范圍＞98％時，亮度＞95％。
圖4A具有高通濾波器的本發(fā)明裝置，加熱后在玻璃板上下側的溫度分布圖4B無高通濾波器的裝置，加熱后在玻璃板上下側的溫度分布圖1顯示一種典型玻璃在波長上的透射曲線，該玻璃的厚度為10mm，明顯可看出在2.7m的典型吸收端，通過玻璃或玻璃陶瓷則是不透明的，以致全部輻射到表面或表面鄰近層的射線都被吸收。
圖2顯示一個IR-射線源的強度分布，可按本發(fā)明使用于玻璃或玻璃陶瓷的加熱。所使用的IR-輻射器可以是線形鹵族IR-石英管輻射器，電壓230V時，額定功率2000W，色溫2400K。這種IR-輻射器根據維恩輻射位移定律，在波長1210nm時具有最大輻射值。
根據普朗克效應，IR-輻射源的強度分布在2400K溫度有一黑體，結果是一個額定值強度，即從500到5000nm的波長范圍內，它超過射線最大量的5％被輻射，總輻射量的75％落于大于1210nm的范圍。
在本發(fā)明的第一個實施方案中，只有加熱物質被加熱，而環(huán)境保持冷狀。從加熱物質旁邊過去的射線通過反射器或散射器或反散射器調節(jié)到加熱物上。在功率密度很高及優(yōu)先使用金屬反射器的情況下，反射器用水冷卻，否則反射材料會變色。這種危險特別是對于鋁，而鋁由于它在短波IR-范圍內有良好的反射性，而樂于被人們使用尤其是在較大的輻射功率時。另一種使用的金屬反射器，可漫射反散射的陶瓷散射體或部分反射并部分反散射的玻璃化陶瓷反射器，例如Al2O3。
當加熱后不要求緩慢冷卻時，可使用只加熱加熱物質的結構，這種結構沒有絕緣空間，只有持續(xù)的后加熱并在很大的消耗下具有可接受的溫度均勻性。
這種形式的結構的優(yōu)點是易于被接受，例如這對于一個把手特別是在熱成型時有利。
或者加熱裝置和加熱物或者要加熱的玻璃或玻璃陶瓷可在一個裝有IR-輻射器的IR-輻射空間里，前提是，石英玻璃輻射器本身有足夠的溫度穩(wěn)定性或相應地被冷卻。由加熱螺旋線和通常的石英玻璃管組成的IR-輻射器可以包括一個附加的有冷卻介質流過的外殼，例如一個另外的石英玻璃管。石英玻璃管優(yōu)選是長于加熱螺旋線，并引出加熱范圍，這樣連接件處于冷卻范圍，使電連接件不致于過熱。石英玻璃管可有涂層，也可以沒有。
圖3A顯示一個具有IR-輻射空間的可成型法的加熱裝置的第一個實施方式。
圖3A顯示的加熱裝置包括多個IR-輻射器1，它們排列在由強反射材料或強反散射材料構成的反射器3下方，通過反射器3可實現由IR-輻射器向其它方向導向玻璃給予射線。由IR-輻射器給予的IR-射線部分穿透到在此波長范圍呈半透明的玻璃5上，并撞擊到由強反射材料或強反散射材料制成的載板7上。石英在此處特別適合，因它在紅外區(qū)反射約90％的撞擊射線。也可選擇使用AlO3，它的反射度或亮度約為98％。Al2O3材料在波長上的亮度曲線在圖2中顯示。玻璃5借助于石英或Al2O3棒9而安置在載板7上，下面溫度可通過載板上的孔11使用高溫計來進行測量。
壁10可與作為頂板的反射器3及作為底板的載板7一起，以相應的使用反射或反散射材料如石英或Al2O3，而形成高質量的IR-輻射空間。
圖3B顯示具有本發(fā)明的高通濾波器的玻璃或玻璃陶瓷的加熱裝置。
圖3B中顯示裝置的壁10及底板或載板7由石英構成。
圖3B顯示的石英爐16基本上是一個圓柱體，內徑D1＝120mm，外徑Da＝170mm，高H＝160mm。石英爐包括一個底板，由厚度為d＝6.3mm、富含OH的人造石英玻璃構成的板12覆蓋，該板12作為由IR-輻射器1射出的長波射線的過濾器，通過作為高通濾波器的過濾板12，由IR-輻射器1射出的射線被過濾，從而使長波IR-射線不能或極少接觸到要加熱的玻璃14上。玻璃14是在石英爐內距底板60mm高度而設置的厚度為4mm的鋁硅酸鋰玻璃，它的周邊范圍通過氧化鎂小棒固定。加熱通過高于底板200mm的IR-表面加熱模型而實現，該模型由6個排放在鍍金反射器3中的IR-輻射器1組成，IR-輻射器包含一個加熱螺旋18和一個石英玻璃管20，它們在本實施方案中具有色溫3000K，功率密度最大為600KW/m2。所述結構為避免能量損失而位于一附加的石英輻射空間內，該空間由壁10和底板7組成，使用Eurotherm-PC 3000-系統(tǒng)調節(jié)，通過在底板上的孔11以5μ-高溫計測量溫度。
選擇有過濾板12的裝置也是可能的，加熱裝置包括有外殼的IR-輻射器，其中外殼由起高通濾波器作用的材料構成，例如按圖3A的實施方案是石英玻璃管，它包圍加熱螺旋，本身由富含OH的人造石英玻璃構成，或由另外的類似石英玻璃管包圍。這種形式的裝置的優(yōu)點在于由于IR-輻射器的冷卻介質，可以同樣用于過濾器介質的冷卻，該介質因吸收長波射線而被加熱。
加熱方法或熱處理可由以下說明玻璃或玻璃陶瓷的加熱首先在按圖3A所示的由石英(Quartzal)構成的IR-輻射空間內進行，它的頂板由鋁反射器組成，其下方有IR-輻射器，或者如圖3B所示的裝置。試樣由適當的工藝或方法放置。
玻璃或玻璃陶瓷在IR-輻射空間內由多個鹵族IR-輻射器直接輻射。
此時玻璃或玻璃陶瓷的加熱借助于可控硅調節(jié)器控制IR-輻射器的輻射，以吸收、反射或散射過程為基礎而進行，現敘述如下由于使用的短波IR-射線在玻璃中的吸收長度遠大于要加熱的物體的尺寸，所以大部分撞擊射線通過試樣。另一方面由于每單位體積吸收的能量在玻璃的每個點上幾乎相同，因而可以實現在整個總體積內的均勻加熱。IR-輻射器和要加熱的玻璃或玻璃陶瓷位于一個輻射空間內，它的壁、底板或頂板由表面高反射的材料構成，其中至少部分壁、底板或頂板將絕大多數的撞擊射線反散射回去，由此可使大部分從玻璃或玻璃陶瓷穿過的射線在反射或散射到壁、底板或頂板后，重新撞擊加熱物體，并被重新部分吸收。這方法也在第二次通過玻璃或玻璃陶瓷而繼續(xù)透過射線。使用這種方法，不僅達到深度的均勻加熱，而且投入的能量也比簡單的通過玻璃或玻璃陶瓷的方法使用得明顯更好。
由輻射器輻射的射線的一小部分，當色溫為3000K時為14％，落入波長范圍大于2.7m，在此范圍大多數玻璃吸收很強，因此這里進入的能量產生在玻璃表面或表面鄰近層，這就限制了加熱時可實現的溫度均勻性。
由于透明或半透明的玻璃或玻璃陶瓷的加熱，借助于短波IR-輻射器，大部分可通過在波長范圍內的射線來完成，在此范圍玻璃還是透明的，這對大多數玻璃來說是在小于2.7μm，所以依照本發(fā)明，長波IR-射線通過高通濾波器過濾掉，在使用色溫為3000K的輻射器時，86％的射線的波長小于2.7μm。
如果使短波IR-輻射器的加熱也使用于過程中，在這些過程中產品質量與溫度均勻性密切相關，則必須使短波IR-射線實現對玻璃的深部加熱作用，同時在輻射器的光譜中所包含的不可避免的長波(大于2.7μm)部分不引起玻璃內部的不允許的溫度梯度。這一溫度梯度是可以避免的，如果按圖3B所示的裝置，在IR-輻射器1和要加熱的玻璃件之間安裝一過濾器12，它只使射線的短波(小于2.7μm)部分通過，而長波部分吸收或反射，從而使長波射線不能或可忽略不計的小部分到達熱的玻璃件上。
圖4A顯示鋁硅酸鋰(LAS)玻璃由室溫開始加熱20秒后上下面的溫度分布?？梢钥闯觯ㄟ^使用富含OH石英玻璃作為高通濾波器，LAS玻璃板上的上下面溫差平均只有約2K。加熱裝置的結構和圖3B所示的一樣。
圖4B顯示溫度分布對比，與圖3B裝置的試驗條件相同，但未使用過濾板，上下面的最大溫差此時為15K。
本發(fā)明第一次提出一種用于玻璃或玻璃陶瓷的加熱或輔助的或專門的加熱的裝置和方法，它可以在不產生溫度梯度下均勻加熱，能量利用率高，以及避免了輻射源在所加熱物質上的反映。該裝置可用于玻璃加工的很多領域，以下使用范例僅用于列舉而不是限制。
-在陶瓷化時玻璃坯件的均勻加熱-玻璃坯件隨后的熱成型的快速再加熱-纖維束在拉伸溫度時的均勻加熱-成型時，特別是在拉伸、軋制、澆鑄、離心、模壓、吹-吹法時的吹制、吹-壓法時的吹制、Ribbon法時的吹制、平板玻璃的生產以及浮法制造時的輔助或專門加熱-冷卻、熔化、熱固化、在用于調節(jié)所要求的虛擬溫度、所要求的折射值以及在隨后溫度處理時所要求的壓制的穩(wěn)定或微冷、溫度計玻璃的陳化、離析、變色玻璃的著色、控制結晶、擴散處理、特別是化學固化、變形、特別是下垂、彎曲、扭轉、吹煉、切斷、特別是熔斷、折斷、折疊、爆炸、切割、接合、涂層時的輔助或專門加熱。
權利要求
1.玻璃或玻璃陶瓷的加熱裝置包括1.1一個或多個IR-輻射器，其特征是，1.2裝置包括至少一個過濾器結構部分，它至少過濾部分IR-輻射器的長波IR-射線，使得沒有或很少的長波IR-射線到達要加熱的玻璃件或玻璃陶瓷件上。
2.依照權利要求1的裝置，其特征是，裝置包括一個由反射或反散射IR-射線的壁、底板和/或頂板構成的IR-輻射空間。
3.依照權利要求1或2的裝置，其特征是，過濾器過濾掉IR-輻射器輻射的波長≥2.7μm的射線的至少50％，優(yōu)先大于80％，特別優(yōu)先大于90％，特別優(yōu)先高于95％，更特別優(yōu)先大于98％。
4.依照權利要求1至3的裝置，其特征是，過濾器吸收長波IR-射線。
5.依照權利要求1至3的裝置，其特征是，過濾器反射長波IR-射線。
6.依照權利要求1至5的裝置，其特征是，過濾器是安置在IR-輻射器和要加熱的玻璃件或玻璃陶瓷件之間的平板。
7.依照權利要求1至5的裝置，其特征是，IR-輻射器的加熱螺旋被至少一個外殼包圍，其中至少一個外殼可作為過濾器，過濾至少部分長波射線。
8.依照權利要求1至7的裝置，其特征是，過濾器包括富含OH的玻璃，在短波范圍的吸收優(yōu)選比要加熱的玻璃更弱。
9.依照權利要求1至8的裝置，其特征是，過濾器包括人造的富含OH的石英玻璃。
10.依照權利要求1至9的裝置，其特征是，過濾器的安置使穿過的射線被漫散射。
11.依照權利要求1至10的裝置，其特征是，過濾器被冷卻。
12.依照權利要求2至11的裝置，其特征是，壁及/或頂板及/或底板的反射力或反散射力大于輻射射線的50％。
13.依照權利要求2至12的裝置，其特征是，壁及/或頂板及/或底板的反射力或反散射力大于輻射射線的90％或95％，特別是大于98％。
14.依照權利要求2至13的裝置，其特征是，壁及/或頂板及/或底板的材料是漫散射的。
15.依照權利要求2至14的裝置，其特征是，反射或反散射的壁及/或頂板及/或底板材料包括以下的一種或多種Al2O3；BaF2；BaTiO3；CaF2；CaTiO3；MgO·3.5Al2O3；MgO·SrF2；SiO2；SrTiO3；TiO2；尖晶石；堇青石；堇青石-燒結玻璃陶瓷。
16.依照權利要求1至15的裝置，其特征是，IR-輻射器的色溫大于1500K，優(yōu)先大于2000K，特別優(yōu)先大于2400K，特別優(yōu)先大于2700K，更加特別優(yōu)先大于3000K。
17.依照權利要求1至16的裝置，其特征是，IR-輻射器被冷卻，特別是以空氣或水冷卻。
18.依照權利要求1至17的裝置，其特征是，IR-輻射器可單獨控制，其電功率可以調節(jié)。
19.依照權利要求1至18的裝置，其特征是，利用IR-射線進行加熱，其中IR-射線借助于過濾器以過濾長波IR-射線，以致沒有或很少的長波IR-射線到達要加熱的玻璃件或玻璃陶瓷件上。
20.依照權利要求1至18的裝置的使用，對玻璃陶瓷坯件在陶瓷化時進行溫度均勻的加熱。
21.依照權利要求1至18的裝置的使用，對玻璃坯件隨后的熱成型進行快速再加熱。
22.依照權利要求1至18的裝置的使用，對纖維束在拉伸溫度時進行均勻加熱。
23.依照權利要求1至18的裝置的使用，在成型時，特別是拉伸、軋制、澆鑄、離心、模壓、吹-吹法時的吹制、吹-壓法時的吹制、Ribbon法時的吹制、平板玻璃的生產以及浮法時進行輔助或專門加熱。
24.依照權利要求1至18的裝置的使用，在冷卻、熔化、熱固化；用于調節(jié)所要求的虛擬溫度、所要求的折射值以及在隨后溫度處理時所要求的壓制的穩(wěn)定或精確冷卻；溫度計玻璃的陳化、離析、變色玻璃的著色、控制結晶、擴散處理、特別是化學固化、變形、特別是下垂、彎曲、扭轉、吹煉、切斷、特別是熔斷、折斷、折疊、爆炸、切割、接合、涂層時進行輔助或專門加熱。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于加熱玻璃和/或玻璃陶瓷的裝置，它包括一個或多個紅外輻射器，本發(fā)明的特征在于，裝置具有至少一個過濾器元件，該過濾器至少過濾掉紅外輻射器輻射的部分長波射線，以致沒有或極少的長波輻射可到達要加熱的玻璃陶瓷件或玻璃件上。
文檔編號C03B23/00GK1452601SQ01811556
公開日2003年10月29日 申請日期2001年6月15日 優(yōu)先權日2000年6月21日
發(fā)明者烏爾里克·福瑟林哈姆, 伯恩德·霍庇, 豪克·埃斯曼, 邁克爾·克盧格 申請人:艙壁玻璃公司