СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕКЛЯННЫХ ПОЛЫХ СФЕР
METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING GLASS HOLLOW SPHERES

Изобретение относится к способу и устройству для изготовления стеклянных полых сфер, в частности, стеклянных полых микросфер, а также к их применению для изготовления последующих изделий.
Изготовление и применение стеклянных полых микросфер, в целом, известны специалистам. Стеклянные полые микросферы применяют, например, в качестве наполнителей для пластмасс, наполнителей легких конструкций в элементах конструкции, подвергаемых механическим нагрузкам, или наполнителей для заполнения швов. Их изготовление осуществляется, в основном, на основе боросиликатного стекла. Высокая химическая устойчивость, жаропрочность, газо- и водонепроницаемость делают возможным широкий спектр вариантов применения.
Стеклянные полые микросферы традиционно изготавливают в ходе многоэтапного технологического процесса. Сначала изготавливают кальциево-натриевое и/или боросиликатное стекло и размалывают его в мельчайший порошок. Затем к порошку добавляют вспенивающий агент. После этого осуществляют формирование стеклянных полых сфер в ходе высокотемпературного процесса переноса теплоты. Этот процесс может проходить, например, в шахтной печи. При этом с повышающейся температурой вязкость частиц стекла снижается таким образом, что поверхностное напряжение образующихся капелек стекла приводит к образованию стеклянных сфер. Высокие температуры вызывают испарение добавленного вспенивающего агента, в результате чего внутри стеклянных сфер создается давления газа. Это давление газа вызывает разрастание маленьких цельных стеклянных сфер в большие по размеру полые стеклянные сферы. Подобный способ описан в WO 2008/087047 А1.
Известен также способ изготовления керамических или стеклянных полых микросфер, описанный в ЕР 1832560 А2. В этом способе в качестве сырьевой базы применяют минеральный вспенивающийся гранулят, который вводят в поток пламени. После того, как гранулят расплавится при высоких температурах выше 1000°C, из-за изменения атмосферы происходит, так называемое, окислительно-восстановительное изменение, при котором вещество переходит из состояния с большей валентностью в состояние с меньшей валентностью. В результате выделения газа во взвешенном потоке зерна гранулята осуществляется раздувание расплавленных зерен гранулята с превращением их в полые микросферы. Введение сырьевого гранулята для расплавления и последующее раздувание - это двухэтапный термический процесс.
Известные способы имеют следующие недостатки. При их использовании невозможно точно установить определенный диапазон размера сфер, на который влияет даже спектр размера зерна частиц стекла в процессе перемалывания, зависящий от многих дополнительных параметров технологического процесса. На экономическую выгодность известного способа, во-первых, негативно влияют примененные термодинамические многоэтапные технологические процессы, при которых сырьевые материалы в виде смеси расплавляют в стекло в ходе предварительного технологического процесса, а затем стекло при помощи дополнительных сырьевых материалов в виде смеси превращают в полые сферы в результате реакционного процесса. Во-вторых, последующие классификационные процессы вызывают дополнительные затраты.
Перед настоящим изобретением ставится задача создания способа и устройства изготовления стеклянных полых сфер, в частности, стеклянных полых микросфер, при помощи которых становится возможным надежное и малозатратное производство.
Данная задача решается за счет того, что, в соответствии с независимым п. 1 формулы изобретения предусмотрен способ изготовления стеклянных полых сфер, включающий изготовление расплава стекла, по меньшей мере, из одного сырьевого материала, осветление расплава, последующее создание жгутообразного потока расплава, отделение от потока частиц расплава и направление их с ускорением в технологическую зону, состоящую из двух участков, с регулируемой температурой, и/или регулируемым давлением, и/или регулируемым составом атмосферы, при этом на первом участке технологической зоны устанавливают температуру ниже температуры осветления расплава, и/или давление выше предельного давления, и/или создают восстановительную атмосферу, а на втором участке технологической зоны устанавливают температуру выше температуры осветления расплава, и/или давление ниже предельного давления, и/или создают окислительную атмосферу, при этом частицы пересекают второй участок технологической зоны в фазе свободного полета после того, как они пересекли первый участок технологической зоны.
Изготовление стеклянных полых сфер в предлагаемом способе основано на целенаправленном использовании, так называемой, реакции образования вторичных пузырей.
Реакция образования вторичных пузырей в достаточной мере известна специалистам. В традиционном производстве стекла в сырьевой материал добавляют осветляющие средства, которые при температурах выше температуры осветления расплава стекла улетучиваются в газообразной форме. За счет возникающей подъемной силы и возникающего частичного давления происходит захватывание маленьких пузырьков большими пузырьками. Традиционные процессы осветления рассчитаны на то, что пузырьки, по возможности, максимально удаляются из расплава, чтобы избежать дефектов материала. Тем не менее, часть газов из сырьевых материалов также растворяется в стекле и остается составляющей частью в составе стекла. В ходе дальнейшей обработки стекла целенаправленно избегают того, чтобы температура еще раз повышалась до значения выше температуры осветления, так как в таком случае еще раз приводится в действие процесс осветления как остаточная реакция, и снова высвобождаются маленькие пузырьки газа. Этот процесс называют реакцией образования вторичных пузырей. Существует широкий спектр известных мероприятий по избеганию этого при традиционном способе изготовления изделий из стекла. Например, регулирование решающих технологических параметров, таких как температура, давление и состав атмосферы, или добавление угольной пыли к расплаву стекла.
В предлагаемом способе реакция образования вторичных пузырей была вызвана целенаправленно для дополнительной обработки.
Сначала из сырьевого материала изготавливают расплав стекла, который подвергают процессу осветления. В качестве сырьевого материала, преимущественно, применяют кальциево-натриевое стекло. В качестве осветляющего средства, предпочтительно, используют сульфат натрия. Таким образом, осуществляется сульфатное осветление, которое, в принципе, известно специалистам. Другие возможные сырьевые материалы и осветляющие средства будут описаны более подробно в другой части описания. Затем создают тонкий жгутообразный поток расплава, от которого отделяют маленькие частицы, которые с ускорением направляют в технологическую зону. Частицы пересекают второй участок технологической зоны в фазе свободного полета после того, как они пересекли первый участок технологической зоны. На первом участке технологической зоны создают условия, которые предотвращают возникновение реакции образования вторичных пузырей. На втором участке технологической зоны создают условия, которые вызывают возникновение реакции образования вторичных пузырей. Для этого регулируют такие технологические параметры, как температура, давление и состав атмосферы с учетом химически окислительных или восстановительных свойств. Регулирование технологических параметров осуществляют таким образом, чтобы они изменялись локально на протяжении технологической зоны, но оставались постоянными во времени. Временная перенастройка условий с условий, предотвращающих образование вторичных пузырей, на условия, способствующие образованию вторичных пузырей, происходит очень быстро, предпочтительно, скачкообразно. Локальные технологические параметры при переходе первого участка технологической зоны во второй участок технологической зоны, предпочтительным образом, установлены таким образом, что обеспечивается скачкообразное изменение условий. Маленькие частицы из потока расплава, ускоренные в направлении технологической зоны и пересекающие первый участок технологической зоны, вследствие присущей им вязкости и поверхностного напряжения, принимают форму маленьких сфер, которые заполнены расплавом. В этой связи в дальнейшем речь пойдет о сплошных сферах.
Понятие «сфера» в рамках настоящего изобретения следует интерпретировать абстрактно, так как, насколько известно специалистам, в технике не могут быть получены идеальные геометрические формы. Следовательно, понятие «сфера» обозначает идею модели, которая в реальности может иметь широкое истолкование, например, яйцеобразные частицы, кубические частицы с обтекаемыми краями и углами или короткие трубкообразные частицы. Эти примеры служат исключительно для разъяснения терминологии в качестве примера и ни в коей мере не исчерпывают значение понятия сферы. Аналогичным образом следует интерпретировать понятие полой сферы, которое включает в себя имеющееся в наличии внутри закрытого снаружи тела полое пространство.
На маленькие частицы, иными словами, маленькие сплошные сферы, на втором участке технологической зоны воздействуют скачкообразно изменяющиеся условия, вследствие установления технологических параметров скачкообразно. Технологические параметры, как описано выше, устанавливают таким образом, чтобы реакция образования вторичных пузырей вступала в действие в то время, когда частицы расплава пересекают второй участок технологической зоны. За счет реакции образования вторичных пузырей внутри заполненных раствором маленьких сфер образуются пузырьки газа, вследствие чего последние вздуваются и превращаются в маленькие стеклянные полые сферы.
Настоящее изобретение обеспечивает большое количество преимуществ. Речь идет об одноэтапном термодинамическом процессе, при этом сырьевой материал в виде смеси расплавляют в стекло и в результате реакционного процесса превращают в полые сферы. В частности, могут быть изготовлены очень маленькие стеклянные полые сферы с точно определенным размером. После настройки технологических параметров процесс производства можно поддерживать непрерывным и надежным образом. Затраты сокращают также за счет уменьшения дефектных изделий, отсутствия расходов на последующую сортировку и повышенной производительности. Кроме того, процесс хорошо поддается автоматизации.
Ниже четко определены некоторые понятия. В дальнейшем будут описаны предпочтительные формы осуществления предлагаемого изобретения, которые описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Понятие жгутообразного потока расплава стекла обозначает поток расплава, который имеет некую протяженность, то есть протяженность вдоль направления потока существенно больше, чем протяженность поперек направления потока. Под предельным давлением понимают давление окружающей частицы расплава атмосферы, имеющее критическое значение, которое идентифицирует границу между условиями, предотвращающими образование вторичных пузырей, и условиями, способствующими образованию вторичных пузырей. Под окислительной или восстановительной атмосферой понимают окружающую атмосферу, химический состав которой способствует окислению или же восстановлению.
В преимущественной форме осуществления настоящего изобретения разница температуры на первом участке технологической зоны и температуры на втором участке технологической зоны составляет от 30 К до 100 К, предпочтительным образом, от 15 К до 200 К, еще более предпочтительным образом, между 30 К и 100 К, еще более предпочтительным образом, между 50 К и 80 К и самым предпочтительным образом, около 50 К. Было установлено, что реакция образования вторичных пузырей протекает при этих условиях особенно хорошо.
В еще одной предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения температура на первом участке технологической зоны ниже 1400°C, а температура на втором участке технологической зоны выше 1400°C, предпочтительным образом, температура на первом участке технологической зоны ниже 1200°C, а температура на втором участке технологической зоны выше 1200°C, самым предпочтительным образом, температура на первом участке технологической зоны ниже 1300°C, а температура на втором участке технологической зоны выше 1300°C. При этих условиях предлагаемый способ при использовании известных сырьевых материалов и осветляющих средств наиболее эффективен.
В еще одной предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения предельное давление составляет 101325 Па, другими словами, предельное давление соответствует нормальному давлению на земле на высоте уровня моря, и разница давления на первом участке технологической зоны и давления на втором участке технологической зоны составляет от 1 Па до 20 Па. В этом диапазоне давления пузыри газа образуются особенно хорошо, вследствие образования вторичных пузырей.
В еще одной предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения осуществляется создание восстановительной или окислительной атмосферы за счет регулирования избытка кислорода. Благодаря этому используется среда с низким уровнем риска, которая может также быть применена для работы другого технического оборудования, например, горелок.
В еще одной предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения частицы расплава в фазе свободного полета через второй участок технологической зоны проделывают путь от 0,5 м до 5 м, предпочтительным образом, от 1 м до 4 м, наиболее предпочтительным образом от 1,5 м до 2,5 м и самым предпочтительным образом, 2 м. Эти значения являются особенно экономически выгодными для протекания технологического процесса.
В еще одной предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения от тонкого жгутообразного потока расплава стекла отделяют частицы с максимальной протяженностью меньше 1 мм, предпочтительным образом, меньше 0,5 мм, наиболее предпочтительным образом, меньше 0,4 мм, еще более предпочтительным образом, меньше 0,2 мм и самым предпочтительным образом, меньше 0,15 мм. Это обеспечивает образование маленьких стеклянных полых сфер округлыми, равномерными и с очень хорошим соотношением объемов массы и полого пространства. Поток расплата стекла, соответственно, имеет диаметр, предпочтительным образом, менее 1 мм.
В еще одной предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения отделенным от потока расплава частицам придают скорость от 5 м/с до 15 м/с, предпочтительным образом, от 7 м/с до 12 м/с и, самым предпочтительным образом, до 9 м/с.Благодаря этому процесс, с одной стороны, является эффективным и, с другой стороны, динамические влияния, такие как трение воздуха, остаются максимально незначительными. Кроме того, преимущественно, образуются точные по форме округлые частицы.
В еще одной преимущественной форме осуществления настоящего изобретения для отделения частиц от тонкого жгутообразного потока расплава используют быстродвижущийся механический отрезной инструмент. Вследствие этого обеспечивается возможность целенаправленного ускорения частиц, и осуществляется отделение с высокой точностью. Соответствующее исполнение геометрии отрезного инструмента, кроме того, может иметь положительное влияние на точность формы частиц. Предпочтительным образом, в качестве механического отрезного инструмента используется отрезной круг, преимущественным образом, с накладкой на зубья. Это обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что посредством большого числа оборотов оказывается влияние на протяженность отделенных частиц, и что может быть оказано влияние на контактное взаимодействие между накладкой на зубьях и расплавом. Чем больше число оборотов отрезного круга, тем меньше отделенные частицы, или тем больше частиц отделяется в одно и то же время при одинаковой скорости жгутообразного потока расплава. Предпочтительным образом, отрезной круг вращают с числом оборотов от 5000 об/мин до 20000 об/мин, более предпочтительным образом, от 10000 об/мин до 17000 об/мин, и самым предпочтительным образом, от 13000 об/мин до 14000 об/мин. В общем, следует констатировать, что реакция образования вторичных пузырей происходит тем быстрее и полноценнее, чем меньше частицы расплава. Меньшие частицы быстрее прогреваются в фазе свободного полета, так что реакция образования вторичных пузырей происходит быстрее. Таким образом, на технологический процесс оказывается положительное влияние за счет числа оборотов отрезного круга. Предпочтительным образом, регулирование числа оборотов отрезного круга является таким, что диапазон колебания протяженности частиц составляет не более +/-0,05 мм.
Отрезной инструмент может быть снабжен различным количеством зубьев. Для размера сфер от 1 мм до 0,5 мм, предпочтительным образом, по периметру отрезного инструмента расположены 1500-1800 зубьев в форме отрезного круга. Для меньших размеров сфер количество зубьев увеличивают до >1800, предпочтительным образом, до 1800-2000.
В еще одной преимущественной форме осуществления настоящего изобретения для создания жгутообразного потока расплава стекла используют механический формовочный инструмент. При этом жгутообразный поток расплава может быть создан, как основа для частиц, уже очень точным по форме. Особенно преимущественным является использование, по меньшей мере, одного клапана, за счет которого можно оказывать влияние на форму и скорость потока.
В еще одной предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения предусмотрено, чтобы частицам расплава во время фазы свободного полета на втором участке технологической зоны сообщают энергию при помощи, по меньшей мере, одной горелки. Особенно предпочтительным образом используют, по меньшей мере, одну кислородную горелку. Это позволяет уже при помощи единственного технического средства создать возможность влияния на температуру, атмосферу и ускорение частицы расплава или стеклянной полой сферы на участке технологической зоны. Так как раздувание в стеклянные полые сферы сокращает скорость стеклянных полых сфер, предпочтительным образом могут быть использованы прочие транспортирующие горелки, которые наряду с термической энергией сообщают стеклянным полым сферам также кинетическую энергию. Кроме того, предпочтительным является использование определенных видов топлива, таких как горючий газ, легкое топливо, углерод, предпочтительным образом, природный газ в стехиометрическом или слегка нестехиометрическом соотношении с воздухом.
В еще одной предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что в конце технологической зоны создают поток газа, который захватывает стеклянные полые сферы. Благодаря этому на стеклянные полые сферы не воздействует механическая нагрузка от твердого тела. Кроме того, преимущественным образом, существует возможность оказания на газовый поток такого влияния, чтобы стеклянные полые сферы отклонялись в направлении улавливающего устройства. Еще одно преимущество заключается в том, что при помощи газового потока осуществляется охлаждение стеклянных полых сфер. Кроме того, предпочтительным является использование газового потока в отношении непрерывного производственного процесса. В частности, для захвата стеклянных полых сфер предпочтительным является вытяжное устройство, которое может быть расположено, например, в конце технологической зоны. Вытяжное устройство имеет еще одно преимущество, а именно: дополнительное понижение давления на втором участке технологической зоны, которое делает возможной улучшенную реакцию образования вторичных пузырей и существенно меньший процент брака.
В еще одной предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения в качестве сырьевого материала используют смесь из кварца, карбоната натрия и кальция, а также оксида алюминия. При этом применяется хорошо известный сорт стекла, и процессом можно управлять особенно хорошо. В еще одной предпочтительной форме осуществления предусмотрено, чтобы в качестве осветляющего средства применялся сульфат натрия. Это обеспечивает возможность использования сульфатного осветления, которое является хорошо известным, а также регулируемым процессом. Предпочтительным образом, сульфатное осветление по уровню техники налаживают за счет того, что, например, добавляют 17 кг сульфата натрия на 1000 кг сырьевого материала. Предпочтительным образом, расплав стекла может быть перегружен сульфатной составляющей. За счет этого преимущественным образом можно оказать влияние на объемную плотность изготовленных предлагаемым способом стеклянных полых сфер. Кроме того, предпочтительным образом, может быть добавлено повышенное количество угля и, при необходимости, создана восстановительная атмосфера в зоне процесса осветления, например, за счет обеспечения небольшого переизбытка кислорода. Кроме того, предпочтительным образом, в зоне процесса осветления может быть создано высокое атмосферное давление. Эти меры обеспечивают преимущество, заключающееся в том, что повышается растворимость газов, например, триоксида серы, в расплаве стекла. Таким образом, предпочтительным образом, избегают того, чтобы происходило неполное осветление, и стекло пузырилось, или чтобы при дальнейшей перегрузке сульфат натрия в виде расплава (называемый щелоком) оседал на поверхности ванны со стекломассой. Вылет пузырей из расплава стекла может быть предотвращен, даже если расплав уже насыщен газовыми включениями. В качестве сырьевого материала также может быть использовано боросиликатное стекло, а в качестве осветляющего средства - сульфат натрия. Газовые включения в расплаве стекла, в частности, состоят из триоксида бора и триоксида серы. Исследования показали, что предлагаемый способ также осуществляется, если используются другие сырьевые материалы, например, базальтовое стекло или бесщелочное стекло и соответствующие осветляющие средства. Решающие технологические параметры, которые должны быть при этом рассчитаны, - это температура, вязкость, атмосфера и давление.
В еще одной преимущественной форме осуществления настоящего изобретения в расплав стекла после его создания добавляют стеклянную фритту с другим химическим составом. За счет этого может быть оказано влияние на вязкость расплава. Таким образом, свойства обработки и образования вторичных пузырей могут быть изменены, за счет чего на основе общего расплава стекла становятся возможными самые различные вариации химических применений стекла. Особенно преимущественным оказалось добавление стеклянной фритты к расплаву на пути из места изготовления расплава к месту создания жгутообразного потока расплава стекла, так как примешивание в ходе текущего технологического процесса остается вариативным.
В еще одной преимущественной форме осуществления настоящего изобретения расплав стекла после его создания разделяют, по меньшей мере, на два частичных потока. Это обеспечивает возможность гибкой дополнительной обработки. Например, описанная смесь стеклянной фритты может быть различной для отдельных частичных потоков. Так, преимущественным образом, параллельно могут быть изготовлены различные продукты из стекла. Также возможно изготовление сплошных стеклянных сфер, если условия на первом и на втором участках технологической зоны унифицированы. Предпочтительным образом, при помощи первого частичного потока изготавливают стеклянные полые сферы согласно предлагаемому способу, а при помощи, по меньшей мере, еще одного частичного потока - по меньшей мере, один другой вид продуктов из стекла. Это обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что производство становится более гибким, и временные промежутки простоев могут быть сокращены. Примеры стандартных продуктов из стекла - кристальное стекло, плоское стекло или стекло для сосудов.
Предпочтительным образом для добавления стеклянной фритты иного типа может быть использована известная технология окрашивания в канале питателя, согласно которой к расплаву стекла на пути к обработке может быть добавлена цветная стеклянная фритта с измененными свойствами. При этом часто встречаются проблемы образования пузырьков из-за различных свойств различных видов газа. Этот способ можно преимущественным образом перенести на управление раздуванием частиц с превращением в стеклянные полые сферы в предлагаемом способе.
В еще одной предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения стеклянные полые сферы снабжены гидрофобным покрытием. Это позволяет избежать коррозии стеклянных полых сфер, которая часто является следствием сырости воздуха или образования щелочного раствора в химической производственной среде. Кроме того, предпочтительным является покрытие поверхности, например, соединениями силана. За счет этого может быть предотвращено склеивание или агломерация в улавливающем и загрузочном устройствах. Предпочтительными являются покрытия поверхности минеральными или органическими веществами (например, органическим кремнезолем или гидрофобизирующими веществами), чтобы адаптировать поверхностные свойства стеклянных полых сфер.
Следующий аспект настоящего изобретения в соответствии с независимым п. 19 формулы изобретения касается устройства для изготовления стеклянных полых сфер, содержащего варочную печь, состоящую из двух участков, причем на первом участке создают расплав стекла, а на втором участке расплав доводят до температуры осветления, а также средства с регулируемой температурой для создания жгутообразного потока расплава, средства для разделения потока расплава на частицы и для их единичного ускорения, при этом устройство снабжено последующей технологической зоной, состоящей из двух участков, с регулируемой температурой, и/или регулируемым давлением, и/или регулируемым составом атмосферы, при этом на первом участке технологической зоны установлена температура ниже температуры осветления, и/или давление выше предельного давления, и/или имеется возможность создания восстановительной атмосферы, а на втором участке технологической зоны установлена температура выше температуры осветления, и/или давление ниже предельного давления, и/или имеется возможность создания окислительной атмосферы.
С помощью предлагаемого устройства возможно осуществление описанного способа.
Первый участок варочной печи, на котором создают расплав стекла, может, представлять собой участок варочного бассейна в варочной печи, который расположен рядом с местом соединения для подачи сырьевого материала и снабжен горелками, предназначенными для нагревания сырьевого материала или первого участок варочной печи до температуры варки. Первый участок определяется положением последней горелки или зоной воздействия тепла, выделяемого горелкой. Второй участок варочной печи, на котором расплав доводят на температуры осветления, определяется аналогичным образом. Средства с регулируемой температурой для создания жгутообразного потока расплава могут иметь отдельный участок печи, который может быть пространственно отделен от первого и второго участков и соединен с ними подводящими линиями для транспортировки расплава. На отдельном участке печи может быть расположена еще одна горелка, предназначенная для нагревания расплава до рабочей температуры. К этому участку может примыкать приемная зона, поперечное сечение которой соответствует объемному расходу расплава, при этом на конце приемной зоны может быть предусмотрено проходное отверстие клапана. Средства для разделения потока расплава на маленькие частицы и для их единичного ускорения могут быть снабжены отрезным инструментом. Последующая технологическая зона может представлять собой канал реакции, который имеет закрытую внешнюю оболочку, при этом на стороне, обращенной к средствам для разделения потока расплава, может быть расположено впускное отверстие, а на стороне, отвернутой от средств для разделения потока расплава, - выпускное отверстие. Технологическая зона снабжена средствами регулирования температуры, давления и состава среды. Средства могут быть снабжены горелкой для регулирования температуры и подводящими или отводящими линиями для газообразных сред для регулирования давления и состава атмосферы. Горелки имеют особое преимущество, заключающееся в том, что в случае использования кислородных горелок возможна одновременная подача газообразных сред. Альтернативный выбор средств находится в рамках компетенции специалиста, ознакомленного с конструктивным исполнением. То же самое относится к интеграции необходимых для регулирования средств измерения. Разделение технологической зоны на первый и второй участки может осуществляться аналогично участкам варочной печи за счет расположения горелок. Также можно предусмотреть перегородки с проходными отверстиями, рассчитанными на траекторию движения частиц расплава, пересекающих технологический канал.
Далее в зависимых пунктах формулы изобретения описаны предпочтительные формы осуществления предлагаемого устройства.
В предпочтительной форме осуществления предлагаемого устройства предусмотрено, что оно снабжено средствами регулирования температуры для установки температуры на первом участке технологической зоны ниже 1300°C, и/или для установки температуры на втором участке технологической зоны выше 1300°C. Это обеспечивает возможность регулирования значений температуры, которые выше или ниже температуры, при которой в предлагаемом способе вступает в действие реакция образования вторичных пузырей.
В предпочтительной форме осуществления предлагаемого устройства предусмотрено, что оно снабжено средствами регулирования давления для установки давления на первом участке технологической зоны в диапазоне от 101325 Па до 101345 Па, и/или для установки давления на втором участке технологической зоны в диапазоне от 101325 Па до 101 305 Па. Это обеспечивает возможность регулирования значений давления, исходя из нормального атмосферного давления над уровнем моря, которые находятся в диапазоне, в котором в предлагаемом способе вступает в действие реакция образования вторичных пузырей.
В еще одной предпочтительной форме осуществления предлагаемого устройства предусмотрено, что оно снабжено средствами регулирования состава атмосферы для создания на первом участке технологической зоны восстановительной атмосферы, а на втором участке технологической зоны - окислительной атмосферы. Это позволяет быстро осуществить переход от атмосферы, в которой не происходит реакция образования вторичных пузырей, к атмосфере, в которой вступает в действие реакция образования вторичных пузырей.
В еще одной предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что последующая технологическая зона имеет длину от 0,5 м до 5 м, предпочтительным образом, от 1 м до 4 м, наиболее предпочтительным образом, от 1,5 м до 2,5 м и, самым предпочтительным образом, -2 м.
В еще одной предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что первый и второй участки технологической зоны снабжены, по меньшей мере, одной горелкой каждый. Таким образом, участки технологической зоны могут быть ограничены, и на них могут быть установлены индивидуальные технологические параметры. В частности, предпочтительно, чтобы горелки представляли собой кислородные горелки, так как на давление и состав атмосферы в таком случае можно оказать благоприятное влияние.
В еще одной предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что средства для разделения потока расплава на маленькие частицы и для их единичного ускорения могут быть снабжены, по меньшей мере, одним механическим отрезным инструментом. Это обеспечивает возможность осуществлять целенаправленное ускорение частиц и их отделение с высокой точностью. Кроме того, соответствующее исполнение геометрии отрезного инструмента может иметь положительное влияние на точность формы частиц. Механический отрезной инструмент может представлять собой отрезной круг, преимущественным образом, с накладкой на зубьях.
Это позволяет при определенном числе оборотов оказывать влияние на распределение отделенных частиц расплава и на контактное взаимодействие между накладкой на зубьях и расплавом. Чем больше число оборотов отрезного круга, тем меньше отделенные частицы, или тем большее количество частиц отделяется в одно и то же время при одинаковой скорости жгутообразного потока расплава. Предпочтительным образом, отрезной круг имеет возможность приведения во вращение с числом оборотов от 5000 об/мин до 20000 об/мин, предпочтительным образом, от 10000 об/мин до 17000 об/мин, и самым предпочтительным образом, от 13000 об/мин до 14000 об/мин. Кроме того, отрезной круг может обеспечивать точность числа оборотов не хуже, чем +/-100 об/мин.
В еще одной предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что средства для создания жгутообразного потока расплава с регулируемой температурой снабжены, по меньшей мере, одной горелкой и, по меньшей мере, одним механическим формовочным инструментом. В частности, формовочный инструмент может быть выполнен в форме форсунки. Это обеспечивает возможность регулирования температуры и объемного расхода.
При небольшом диаметре протекающего расплава стекла <1 мм, особенно <0,5 мм, существует опасность того, что за счет скорости вращения отрезного инструмента, в частности, отрезного круга, создается движение окружающего воздуха. За счет этого струя расплава начинает колебаться, возникают тонкие нити, и четкость разделения частиц уменьшается. За счет удлинения формовочного инструмента, выполненного в форме воронки или трубки, за пределы отрезного инструмента можно сократить путь прохождения струи расплава и уменьшить влияние колебаний воздуха.
В еще одной предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что на конце второго участка технологической зоны расположено, по меньшей мере, одно средство для создания газового потока. В частности, средство для создания газового потока может быть выполнено в виде вытяжного устройства, расположенного у выходного отверстия технологического канала. Это позволяет устранить воздействие механической нагрузки от твердого тела на стеклянные полые сферы. Кроме того, существует возможность оказания на газовый поток такого влияния, чтобы стеклянные полые сферы отклонялись в направлении улавливающего устройства. Еще одно преимущество заключается в том, что газовый поток обеспечивает возможность охлаждения стеклянных полых сфер. В частности, для захвата стеклянных полых сфер предусмотрено вытяжное устройство, которое может быть расположено, например, в конце технологической зоны. Вытяжное устройство имеет еще одно преимущество, а именно: дополнительное понижение давления на втором участке технологической зоны, позволяет улучшить реакцию образования вторичных пузырей и гарантирует существенно меньший процент брака.
В еще одной предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что устройство снабжено, по меньшей мере, одним средством для создания, по меньшей мере, двух независимых частичных потоков из расплава стекла. Это позволяет отдельным участкам устройства питаться от общего расплава стекла.
В еще одной предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что устройство снабжено, по меньшей мере, двумя независимыми приспособлениями для накопления и дозирования сырьевого материала. За счет этого имеется возможность изготовления различных химических смесей веществ, а также снабжения независимых потоков расплава различными химическими смесями веществ.
В еще одной предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что устройство функционально связано с последующими средствами для изготовления, по меньшей мере, одного другого вида продукта из стекла, в частности, с дополнительным устройством для изготовления плоского стекла. Таким образом, можно лучше управлять загрузкой мощностей и сделать производство более гибким.
В еще одной предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что устройство оборудовано для изготовления стеклянных полых сфер предлагаемым способом. Производство стеклянных полых сфер, таким образом, может осуществляться более экологичным и технологически надежным образом.
3
3
3
3
3
Изготовленные предлагаемым способом стеклянные полые сферы, предпочтительным образом, имеют определенные свойства. Диаметр сферы, предпочтительным образом, составляет от 0,05 мм до 1 мм, особенно предпочтительным образом, от 0,05 мм до 0,5 мм. Изостатическая прочность стеклянных полых сфер на сжатие составляет, предпочтительным образом, от 100 бар до 500 бар. Процент всплывания составляет, предпочтительным образом, по меньшей мере, 90%. Это означает, что количество стеклянных полых сфер, имеющих плотность менее 1 г/см, то есть плавающих в воде, составляет, по меньшей мере, 90%. Насыпная плотность, другими словами, плотность измерительного объема, составляет, предпочтительным образом, от 0,04 г/см и 0,5 г/см, особо предпочтительным образом, от 0,05 г/см до 0,1 г/см.
Прочие предпочтительные конструктивные исполнения и усовершенствованные варианты настоящего изобретения являются следствием комбинации всех описанных признаков, включая примеры конструктивных исполнений. Их перенос на другие способы изготовления стекла и продукты из стекла возможен, если они не ограничиваются однозначно стеклянными полыми сферами.
Настоящее изобретение, кроме того, относится к конструктивному узлу, который включает в себя, по меньшей мере, одну стеклянную полую сферу, изготовленную предлагаемым способом. Конструктивные узлы могут иметь многообразные формы, так что здесь только в качестве примера могут быть названы структурные компоненты машин, детали в автомобилестроении или в авиации. Особое преимущество этих конструктивных узлов заключается в существенном уменьшении веса при одновременно высокой выдерживаемой ими нагрузке, благодаря тому, что стеклянные полые сферы, в частности, если имеется несколько стеклянных полых сфер, могут, подобно принципу каркасной конструкции, рассредоточивать и отклонять разрушающие силы.
Кроме того, настоящее изобретение относится к материалу для сигнальной краски, который включает в себя, по меньшей мере, одну стеклянную полую сферу, изготовленную предлагаемым способом. Стеклянные полые микросферы смешивают с цветными упрочняющими связующими средствами и наносят на поверхности, подающие сигналы, в форме лакокрасочного покрытия или слоя. Сигнальный эффект возникает за счет падения света на соответствующую поверхность. За счет преломления и/или рассеивания света в стеклянных полых сферах и за счет отражения от них света поверхность особенно хорошо оптически выделяется. Области применения - например, дорожная разметка и дорожные знаки.
Изобретение далее будет разъяснено более подробно на основании примеров исполнения и относящихся к ним чертежей. На чертежах показано:
- на Фиг. 1 - блок-схема предлагаемого способа в предпочтительном варианте исполнения;
- на Фиг. 2 - схематическое изображение устройства для осуществления предлагаемого способа в предпочтительном варианте исполнения;
- на Фиг. 3 - схематическое изображение устройства для осуществления предлагаемого способа с несколькими независимыми частичными технологическими линиями.
На фиг. 1 показана блок-схема предлагаемого способа в предпочтительном варианте исполнения. На этапе 1 способа сначала изготавливают расплав стекла из кальциево-натриевого стекла. При этом в стеклянный сырьевой материал добавляют одну часть сульфата натрия. Соотношение компонентов смеси веществ составляет 17 кг сульфата натрия на 1000 кг сырьевого материала на основе кварца, натрия и карбоната кальция. На этапе 2 изготовленный расплав стекла подвергают процессу осветления. Для этого температуру в варочной печи, используемой для создания расплава стекла и его осветления доводят до величины более 1300°C. После завершения процесса осветления на этапе 3 расплав стекла разделяют на два частичных потока и через соответствующие каналы выводят из печи, при этом устанавливают температуру менее 1300°C. К частичным потокам по пути их течения к месту дальнейшей обработки на этапе 4 добавляют стеклянную фритту с различным химическим составом. Для этого используют, так называемые, питатели, которые работают как дозирующие устройства. Специальные перемешивающие устройства внутри потока расплава стекла обеспечивают равномерное перемешивание. Расплав стекла одного частичного потока используют на этапе 6 для изготовления традиционного цветного плоского стекла. Расплав стекла другого частичного потока на этапе 5 параллельно этапу 6 подвергают дополнительной обработке для создания тонкого жгутообразного потока расплава. Для этого поток расплава сначала проводят по каналу и в его конце выводят через сопловое отверстие. Таким образом, жгутообразный поток расплава имеет диаметр менее 0,4 мм. На этапе 7 от жгутообразного потока расплава отделяют маленькие частицы, для чего поток расплава подают на быстро вращающийся отрезной диск. Отрезной диск вращается с числом оборотов более 10000 об/мин. Скорость течения жгутообразного потока расплава и число оборотов отрезного диска согласованы друг с другом и отрегулированы таким образом, что от жгутообразного потока расплава отделяются частицы с максимальной протяженностью 0,4 мм. Колебание протяженности отделившихся частиц ограничивается +/-0,05 мм. В результате вращения отрезного диска отделяют частицы и одновременно придают им ускорение. Ускорение осуществляют в направлении технологического канала, который служит в качестве технологической зоны. Этап 8 осуществляется параллельно этапам 9-12. Этап 8 предусматривает, что на первом участке технологического канала или на первом участке технологической зоны по всей его длине, составляющей 1 м, устанавливают температуру, которая на 40 К ниже 1300°C, и что давление на первом участке технологической зоны повышают на 10 Па по отношению к нормальному атмосферному давлению. Кроме того, за счет подачи подходящих газовых сред создают восстановительную атмосферу. Этап 9 относится ко второму участку технологического канала или же ко второму участку технологической зоны по всей его длине, также составляющей 1 м. Температуру устанавливают на 40 К выше 1300°C, а давление уменьшают на 10 Па относительного нормального атмосферного давления. Кроме того, за счет подачи подходящих газовых сред на втором участке технологической зоны создают окислительную атмосферу. Влияние на эти параметры осуществляется во всей технологической зоне за счет горелки с подачей газа. На этапе 10 частицы в свободном полете сначала пересекают первый участок технологического канала. При этом их поддерживают транспортирующие горелки. За счет своей температуры и вязкости частицы превращаются в маленькие сплошные или заполненные стеклянным расплавом сферы. На этапе 11 сплошные сферы пересекают второй участок технологического канала. За счет скачкообразного изменения технологических условий при переходе из первого участка технологического канала ко второму участку технологического канала вступает в действие реакция образования вторичных пузырей. Последняя приводит к раздуванию сплошных сфер в стеклянные полые сферы. Образовавшиеся полые стеклянные сферы в конце второго участка технологического канала на этапе 12 отделяют потоком газа вытяжного устройства и направляют в приемный резервуар. На этапе 13 полые стеклянные сферы дополнительно получают гидрофобное покрытие. На этапе 14 наносят дополнительные покрытия поверхности, чтобы предотвратить склеивание маленьких стеклянных полых сфер.
На фиг. 2 схематично показано устройство для осуществления предлагаемого способа изготовления стеклянных полых сфер в предпочтительном варианте исполнения. Устройство содержит варочную печь 10, состоящую из двух участков 20, 80. Первый участок 20 имеет варочный бассейн 70 для создания расплава 30 стекла. Для подачи сырьевого материала предусмотрен шлюз 40. Для создания температуры 60 варки для плавления сырьевого материала предусмотрены горелки 50. Второй участок 80 варочной печи 10 предназначен для осуществления процесса осветления. Для этого предусмотрены горелки 90, которые могут создавать температуру 100 осветления выше 1300°C. В частности, использованы горелки 50, 90 с подачей газа, которые оказывают влияние на давление 110 и атмосферу 120 в варочной печи 10. К варочной печи 10 примыкает выработочный бассейн 130, в котором осуществляется промежуточное хранение расплава стекла при температуре 140 выработки. Предусмотрены соответствующие горелки 150. Подводящее устройство 160 подает расплав из выработочного бассейна 130 к стоку 170 расплава стекла. Сток 170, в частности, снабжен сопловым отверстием для создания тонкого жгутообразного потока 180 расплава. В подводящем устройстве 160 предусмотрена горелка 190 для создания температуры 200 подачи. Под стоком 170 расплава расположен отрезной круг 210, который имеет возможность приведения во вращение с числом оборотов до 17000 об/мин. Отрезной круг 210 предназначен для отделения от тонкого жгутообразного потока расплава маленьких частиц 220 и сообщения им ускорения. Отрезной круг 210 расположен за технологическим каналом 230, имеющим первый участок 240 и второй участок 250. У входного отверстия 260 расположены транспортирующие горелки 270, которые предназначены для ускорения частиц 220 или сплошных стеклянных сфер 330. На первом участке 240 расположены горелки 280 с подачей газа. Горелки 280 с подачей газа предназначены для создания температуры 290 ниже 1300°C и давления 300, которое на величину до 20 Па выше нормального атмосферного давления, а также восстановительной атмосферы 310. При переходе 320 ко второму участку 250 и на участке 250 расположены горелки 340 с подачей газа. Горелки 340 с подачей газа предназначены для создания температуры 350 выше 1300°C и давления 360, которое на величину до 20 Па ниже нормального атмосферного давления, а также окислительной атмосферы 370. В выходном отверстии 380 технологического канала 230 предусмотрено вытяжное устройство 390 для подачи стеклянных полых сфер 400 в приемный резервуар 410.
На фиг. 3 схематично показано устройство для осуществления предлагаемого способа с несколькими независимыми частичными технологическими линиями в предпочтительным варианте исполнения. Показана варочная печь 10 со шлюзом 40 для подачи сырьевого материала. В продолжение к выработочному бассейну 130 и подводящему устройству 160 присоединено ответвление 420 к подающей линии 160. Таким образом, сконструировано устройство для подачи расплава 30 стекла по трем независимым каналам 430, 440, 450. Канал 430 предназначен для подачи части расплава 30 стекла в традиционную технологическую линию 460. Канал 450 предназначен для подачи части расплава 30 стекла в технологическую линию 470 для осуществления предлагаемого способа изготовления стеклянных полых сфер. Канал 440 предназначен для подачи части расплава 30 стекла в дополнительную технологическую линию 480. В канале 440 предусмотрено смесительно-питающее устройство 490, которое снабжено накопительным и дозирующим устройствами 500 и смесительным устройством 510 для подачи по каналу 440 в расплав 30 стекла стеклянной фритты с различным химическим составом.
Ссылочные позиции
10 варочная печь
20 первый участок варочной печи
30 расплав стекла
40 шлюз
50 горелка
60 температура варки
70 варочный бассейн
80 второй участок варочной печи
90 горелка
100 температура осветления
110 давление
120 атмосфера
130 выработочный бассейн
140 температура выработки
150 горелка
160 подводящее устройство
170 сток расплава стекла
180 поток расплава стекла
190 горелка
200 температура подачи
210 отрезной диск
220 частицы расплава стекла
230 технологический канал (технологическая зона)
240 первый участок технологической зоны
250 второй участок технологической зоны
260 входное отверстие
270 транспортирующая горелка
280 горелка с подачей газа
290 температура
300 давление
310 атмосфера
320 переход
330 сплошные стеклянные сферы
340 горелка с подачей газа
350 температура
360 давление
370 атмосфера
380 выходное отверстие
390 вытяжное устройство
400 стеклянные полые сферы.
410 приемный резервуар
420 ответвление
430 канал для расплава стекла
440 канал для расплава стекла
450 канал для расплава стекла
460 традиционная производственная линия
470 технологическая линия для изготовления стеклянных полых сфер
480 дополнительная технологическая линия
490 смесительно-питающее устройство
500 накопительное и дозирующее устройства
510 смесительное устройство