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CN101823840A - 用于锂铝硅酸盐(las)玻璃陶瓷的可结晶玻璃的玻璃熔体的环境友好的熔化和精炼方法 - Google Patents

用于锂铝硅酸盐(las)玻璃陶瓷的可结晶玻璃的玻璃熔体的环境友好的熔化和精炼方法 Download PDF

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CN101823840A
CN101823840A CN201010130349A CN201010130349A CN101823840A CN 101823840 A CN101823840 A CN 101823840A CN 201010130349 A CN201010130349 A CN 201010130349A CN 201010130349 A CN201010130349 A CN 201010130349A CN 101823840 A CN101823840 A CN 101823840A
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Abstract

用于锂铝硅酸盐(LAS)玻璃陶瓷的可结晶玻璃的玻璃熔体的环境友好的熔化和精炼方法,包括下列步骤:在锂铝硅酸盐玻璃系统的基础上,提供添加了氧化锡作为精炼剂的玻璃配合料,同时免去了氧化砷和/或氧化锑作为精炼剂,为玻璃配合料设计原材料混合物,以便限制通常用于导入玻璃成分SiO2的原材料石英砂的比例,在至少1600℃的温度下精炼玻璃熔体。

Description

用于锂铝硅酸盐(LAS)玻璃陶瓷的可结晶玻璃的玻璃熔体的环境友好的熔化和精炼方法
技术领域
本发明涉及用于锂铝硅酸盐(LAS)玻璃陶瓷的可结晶玻璃的玻璃熔体的环境友好的熔化和精炼方法。
背景技术
当玻璃被熔化时,作为配合料的起始原材料的化学转化的结果,产生了相当量的气体。在常规的成本有效的配合料混合物的情况下,生产大约1kg玻璃需要大约1.3kg配合料原材料。这意味着配合料中包含的相当量的气体,例如H2O、O2、CO2、SO2、NOx、N2和空气,在熔化过程中被释放出去。用于从玻璃熔体移除气泡的方法步骤被称为精炼。
在将配合料导入熔化罐时,在玻璃熔体上形成了配合料堆,它以不同的程度伸展到熔化罐中,成为所谓的配合料毯。
当配合料被加热时,发生了广泛的各种不同反应,导致了玻璃形成。这些反应的描述可见于《玻璃的通用技术,熔化和成型原理》一书中(″Allgemeine Technologie des Glases,Grundlagen des Schmelzensund der Formgebung″[″General Technology of Glass,Principles ofMelting and Shaping″],Prof.Dr.H.A.Schaeffer,Erlangen September1985)。
一般来说,随着温度的增加,这些反应可以细分成:
-脱水
-在晶粒接触区域中的固相反应(例如硅酸盐形成)
-包围石英晶粒的碳酸盐熔体的形成
-产生气泡(CO2,NOx,O2,SO3)的分解反应
-硅酸盐熔体的形成。
然后,配合料的剩余成分溶解在硅酸盐熔体中。
在配合料熔化的温度条件下,这些提到的反应或多或少彼此并行进行。主要量的气体在配合料反应和未精炼熔体形成过程中,通过配合料的覆盖层逸出。
在用于锂铝硅酸盐(LAS)玻璃陶瓷的可结晶玻璃的配合料的常规原材料混合物的情况下,也发生这些反应步骤。一般来说,这里的主要成分是作为SiO2玻璃成分的来源的石英砂,作为Al2O3成分的来源的氧化铝或三氢氧化铝,以及作为Li2O成分的来源的碳酸锂。此外,一般来说,配合料含有硝酸盐,以便调整氧化状态。当配合料的温度升高时,这首先导致水的释放,然后导致硝酸盐分解,然后导致液相形成。对于熔化来说,重要的是在大约1030℃下从主要成分Li2O和SiO2形成共熔物。在该第一种富含锂的硅酸盐液体相中,其余的晶体原材料例如氧化铝、石英砂、锆、精炼剂,以及还有一些剩余的气体例如O2、CO2、NOx、N2和SO2,开始溶解。当剩余的晶体原材料越来越多地溶解在液体相中时,液体相的气体溶解度降低,出现气泡形成。在这种情况下,如果气泡内部压力低于或高于溶解气体的平衡压力,气泡将生长或缩小。因此,在精炼过程中,溶解的气体必须被抽出或降低到不再扰乱的水平。
最终产物中溶解气体残留量对于再沸腾是关键的,因此应该尽可能少。
石英砂和硅酸锆和/或氧化锆,是最后溶解在玻璃熔体中的配合料原材料。它们是决定熔化时间的原材料,并且在罐通量极高的情况下,存在着配合料残留的风险。在LAS玻璃的情况下,溶解速度低,黏性的气泡携带着晶体相到达玻璃熔体的表面。由残留的石英和/或在高温下由后者形成的方石英(SiO2)和斜锆石(ZrO2)构成的表面层的形成,在铝硅酸盐玻璃的情况下是特别明显的。
因此,定向选择的配合料原材料的熔化的进展性质、配合料毯的形成以及熔化区域中玻璃的温度,对于随后所有玻璃制造的子步骤直到产品质量,都有重要影响。如果熔化过程中的熔化速度,由于极高的罐通量,不能与在加工结束时的移出相协调,在玻璃中将出现质量问题(配合料残留,气泡)。溶解不足的配合料原材料经过表面层或经过深部流通入熔化罐的后部区域。当它们溶解时,配合料晶粒周围的化学改变的区域中气体的溶解度降低,将发生所述的气泡形成效应。溶解的残余石英晶粒是气泡的连续不断新形成的外来种子(Nolle,Gunther,Technik der Glasherstellung《玻璃制造技术》,[GlassmakingTechnology],Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie Stuttgart 1997,第3版,83页)。显示了在溶解的残余石英颗粒边缘处的这种气泡的显微镜照片,证实了这种机制。这些在熔化过程的后期阶段产生的气泡,事实上不可能从玻璃熔体中移除。
因此,配合料原材料的定向选择具有减小配合料毯的尺寸和形成表面层的可能性。通过减少溶解不足的配合料原材料,降低了配合料残留和后期气泡的风险。正如所知,用于均化的措施也总是有助于精炼,反之亦然。因此,接近于所需玻璃的组成的配合料原材料是有利的。因此,在生产过程中产生的碎玻璃也被添加到配合料中。配合料毯和表面层形成的减少,也通过来自气体燃烧炉的红外辐射和通过来自罐上层结构的顶部的反射,促进了增加玻璃熔体的温度所需的热量输入。
在典型的熔化罐中,在方法步骤中玻璃熔体的精炼的进行,时间上在熔化之后,空间上在分离的区域中。两个区域由所谓的熔化罐的热点(hot spot)分隔开。热点是玻璃熔体处于最高温度的点,也就是说发生玻璃熔体向上定向流动的点。正如所知,在典型的熔化罐设计中使用了各种不同的内部结构:
·溢流壁,用于避免短路流动,并作为低的玻璃液位高度的结果用于获得温度增加
·桥墙,用于主要是在表面中避免短路流动,并用于避免回流
·气体燃烧炉,通常以横向方向安装,通过来自火焰的辐射或通过顶部处的反射将它们的热量发射到玻璃熔体中
·电辅助加热器,用于增加平均玻璃温度和流动稳定性
·起泡器,相对于玻璃流动方向横向和/或纵向安置,通过将冷的底层玻璃运输到热的表面,用于避免短路流动,用于流动稳定性和用于增加平均玻璃温度。
一般来说,罐中的热点是空间上固定的,由能量分布(气体燃烧炉和电辅助加热器的设置)或由其他的结构手段例如溢流壁、起泡器或罐底部处的电辅助加热器所决定。桥墙特别适合于抵消表面层的发展,这在LAS玻璃进入熔化罐的后部精炼和静止区域的情况下是关键的。
玻璃的液位高度应该适应于玻璃熔体的红外传播。一般来说,应该避免过高的玻璃液位高度,以便防止底部中的冷区,这有助于增加平均玻璃温度。
内部结构对熔化罐中流动状况的影响,描述和图示在例如已经引用过的Nolle的书中(87页及以后)。
精炼包括作为由于气泡与玻璃熔体之间的密度差异而产生的气泡静态浮力的结果,帮助气泡尽力在玻璃熔体中上升,然后逃逸到外部。但是,没有支持性的精炼措施,该过程将需要相当长的时间,由于由此产生的长的停止时间和低的罐通量,这将使生产过程昂贵。
对于LAS可结晶玻璃来说,采用已知的方式,已经开发了各种不同的方法作为精炼方法。
具体来说,含量为0.3到1.5wt%的氧化砷和氧化锑,已经被证明作为LAS可结晶玻璃的化学精炼剂是值得的。这些精炼剂甚至在大约1600℃或以下的常规精炼温度下也释放O2气体到玻璃熔体中,该O2气体通过扩散进入到气泡中。这种另外进入气泡的气体量,产生了所需的气泡生长,因此导致了所需的增加的气泡上升速度。上升的气泡促进了玻璃熔体的均匀性并消除了表面层。这些精炼剂与所需的玻璃陶瓷性质相容,产生了良好的熔体气泡质量。
即使这些物质被固定结合在玻璃骨架中,从安全和环境保护的观点来说,它们也仍然是不利的。在原材料获得和制备过程中,以及由于在熔体中的蒸发,必须采取特殊的预防措施。
搜寻从环境观点来说危险性较低的可替代化学精炼剂,导致了氧化锡的使用。由于对于经济的罐通量来说气泡量不足,单独使用氧化锡代替环境有害的氧化砷或氧化锑,并不是容易地可行的。由于氧化锡在LAS可结晶玻璃中的低溶解性,最高含量限于低于0.6wt%或以下的值。否则,由于低的溶解性,在成型过程中将发生失透作用。在失透作用过程中形成的含有Sn的晶体,对于玻璃和由其生产的玻璃陶瓷的强度有不利影响。因此,不可能使用像氧化砷或氧化锑的化学精炼过程中那样的较高的精炼剂浓度。此外,氧化锡只有在相对高的温度下才释放出足够量的精炼所需的氧。这降低了在最高达1700℃的常规熔化温度下使用氧化锡作为精炼剂的效率。由于释放的O2精炼气体量较少,能够消除表面层的形成的使玻璃熔体均化的有利效应,也不太明显。
因此,希望找到利用其他措施增强氧化锡的精炼效果的方法。
为了在例如常规的熔化和精炼温度(最高1700℃)下获得良好的气泡质量,与氧化锡一起使用其他精炼剂。许多文献描述了使用卤化物作为附加的精炼剂。
因此,日本专利申请JP 11 100 229 A和JP 11 100 230 A描述了使用0.1-2wt%的SnO2和0-1wt%的Cl。根据这些文献,通过添加V2O5作为唯一的着色剂来进行着色。
同样地,公开了加入0.05-1wt%的氟(US 2007 0004578 A1)和0.01-1wt%的溴(US 2008 0026927 A1),用于支持使用SnO2的精炼。主要着色剂是V2O5。添加卤化物是不利的,因为它们在熔化温度下以较高程度蒸发,并且在此过程中形成了有毒化合物,例如HF或HCl。此外,这些化合物对熔化罐顶部中的耐火砖产生化学攻击,发生了腐蚀。
文献US 2007 0129231 A1描述了组合使用0.15到0.3wt%的SnO2与0.7到1.5wt%的CeO2和/或MnO2作为精炼剂。与利用AS2O3的精炼相比,尽管具有相对高含量的CeO2和/或MnO2,但这些精炼剂组合产生了明显较差的气泡质量。这是由于下述事实,即CeO2和MnO2在相对低的温度下裂解精炼所需的氧,并且对于高熔点的LAS可结晶玻璃的精炼来说效率较低。
因为精炼剂氧化锡只在从大约1630℃开始的相对高的温度下释放出相对大量的精炼所需的氧,因此高于1700℃的高温精炼适合用于获得好的气泡质量。
因此,例如DE 199 39 771 B4,公开了利用安装在熔化罐下游的独立的高温精炼装置,使用射频和壳(skull)技术,产生了1700℃到2800℃之间的相对高的温度,以便由此降低熔体的粘度,从而增加了气泡的上升速度。在这种情况下,典型地提供了彼此相连的两个独立的精炼装置。
WO 02/16279 A1(=DE 199 39 787 C2)也描述了尤其是用V2O5与还原剂着色的锂铝硅酸盐(LAS)玻璃陶瓷的生产,其中利用了在1975℃高温精炼1小时,没有使用标准的精炼剂氧化砷或氧化锑,而是使用了可替代的精炼剂例如SnO2、CeO2、硫酸盐或氯化物。这种在顶视图中外观为黑色的玻璃陶瓷,典型地用于生产料理台,并可以商标名CERAN
Figure GSA00000040004700071
商购得到。
这些附加的高温精炼装置需要特制装置的固定投资和不同的能量输入分配。
另一种物理精炼方法是所谓的真空精炼。就此而言可以参考例如EP 0 908 417 A2。在真空精制的情况下,熔体中存在的气泡同样生长。作为这些效应的结果,气泡变大,上升到熔体的表面更快,并可以离开后者进入到熔炉上方的空间中。这种方法需要复杂的结构。
DE 10 2005 039919 A1描述了用于为玻璃陶瓷绿色玻璃精炼玻璃熔体的方法,以及包含的相应的熔化罐。提供了基于锂铝硅酸盐(LAS)玻璃系统的玻璃配合料,只添加了氧化锡作为精炼剂,其含量<0.4wt%,同时免去了使用氧化砷和/或氧化锑作为精炼剂。配合料的熔化和熔体的精炼在<1700℃的温度下进行,同时免除了附加的特制高温精炼装置。取决于罐的结构、精炼剂含量和平均玻璃温度,对于所需的气泡质量来说,产生了待精炼玻璃在罐中的最小停留时间。在这种方法中,在常规精炼温度下使用纯SnO2精炼的缺点也表现为受限的罐产量。文献描述了各种不同的熔化罐设计,它们在本发明中也被考虑。
发明内容
本发明的目的是提供用于锂铝硅酸盐(LAS)玻璃陶瓷的可结晶玻璃的玻璃熔体的环境友好的熔化和精炼的方法,使用中等的精炼剂含量确保了经济的生产,在玻璃中、因此也在陶瓷化产品中具有足够低的气泡含量。
该目的通过权利要求1的方法得以实现。
根据本发明,该目的通过用于锂铝硅酸盐(LAS)玻璃陶瓷的可结晶玻璃的玻璃熔体的环境友好的熔化和精炼方法得以实现,方法包括下列步骤:
-在锂铝硅酸盐(LAS)玻璃系统的基础上,提供添加了0.1-<0.6wt%的氧化锡作为主要精炼剂的玻璃配合料,同时免去了氧化砷和/或氧化锑作为精炼剂,
-为玻璃配合料设计原材料混合物,使得通常用于导入玻璃成分SiO2的石英砂原材料的比例低于40wt%,优选低于15wt%,特别优选低于5wt%,并且
-在至少1600℃、优选至少1650℃的温度下精炼玻璃熔体。
本发明的用于LAS玻璃陶瓷的可结晶玻璃的玻璃熔体的环境友好的熔化和精炼方法,其不同之处在于除了不可避免的痕量之外,免去了化学精炼剂氧化砷和/或氧化锑,并且通过多种措施的组合实现了所需的低气泡数量。
含量为0.1到<0.6wt%的氧化锡被用作主要的精炼剂。由于上述的在相对高的温度下释放精炼所需的氧,为了精炼,需将玻璃熔体加热到至少1600℃、优选至少1650℃的温度。
但是,已经发现,单独的这些措施是不够的。为了增加出于经济原因需要的罐通量,同样需要对玻璃配合料的原材料混合物进行设计,使得通常用于导入玻璃成分SiO2的原材料石英砂的比例最小化。使用较高含量时,当配合料熔化时在玻璃表面上形成了层,该层在熔化罐中延伸得相当远。该表面层富含SiO2配合料残余物(残余的石英)以及Zr原材料。配合料通过黏性气泡保持在玻璃表面处。作为缓慢溶解的结果,气泡在熔化过程的晚期阶段产生,损害了气泡质量。为了最小化作为过程的晚期阶段中气泡形成的来源的石英砂,用于玻璃配合料的原材料混合物中石英砂的比例预期小于40wt%,优选小于15wt%。在计算中没有考虑可能添加的碎玻璃,因为首要的是使在其组成上与LAS玻璃不相符的配合料原材料熔化和均化。在用于玻璃配合料的原材料混合物中石英砂的比例低于5wt%,是特别优选的。使用这些较低的值,在气泡质量、均匀性和有利的熔化行为以及表面中较少的配合料残余方面,获得了特别好的玻璃质量。
所陈述的措施需组合起来,以便获得所需的气泡数量。后者是少于3个气泡/kg玻璃,优选少于1个气泡/kg玻璃。这些值是相对于至少100μm的气泡尺寸。
免除氧化砷和氧化锑作为精炼剂,意味着获得的玻璃在技术上基本上不含这些成分。作为污染物存在的成分As或Sb的含量通常低于0.04wt%。
根据一种优选的方法,使用了精炼剂氧化锡和氧化铁的组合,以便在气泡质量和经济可行性方面获得改进的结果。尽管使用氧化锡作为精炼剂是已知的,但到目前为止,使用氧化铁作为精炼剂在工业上还没有受到特别的关注。这是由于下述事实,首先,与从Fe3+到Fe2+的转变相关的氧的释放,只有在高于大约1600℃的高温下才相对大量地出现,与氧化锡的情况下类似。此外,氧化铁是着色剂,在生产透明玻璃中是不希望的。正如已经发现的,使用两种精炼剂的组合,两种精炼剂的效率都显著增加了。这由两种精炼剂之间的氧化还原相互作用来解释。当玻璃熔体中存在氧化锡时,发现与不含氧化锡但其他成分都相同的熔体的情况下相比,Fe2+的比例较高。该观察支持了这种解释。基于锂铝硅酸盐(LAS)玻璃系统的玻璃配合料,预期含有0.1-<0.6wt%的氧化锡和0.05-0.3wt%的氧化铁的组合作为精炼剂。
因为精炼过程与均化紧密相关,因此如果使用已经含有LAS玻璃的主要成分SiO2、Al2O3和Li2O并接近最终玻璃组成的配合料原材料,将是有利的。这通过使用Li2O-Al2O3-SiO2化合物作为主要配合料原材料来实现,其中含有至少45wt%的原材料混合物。优选情况下,Li2O-Al2O3-SiO2化合物的比例预期超过70wt%。在计算中没有考虑可能添加的碎玻璃。优选情况下,透锂长石和/或锂辉石被用作主要配合料原材料。其使用允许三种主要成分以接近LAS玻璃的组成的比例均匀地导入。对于这种原材料来说,配合料中石英砂的比例被最小化。
通过这种措施,当配合料熔化时产生的配合料毯也被最小化。漂浮的配合料毯的最小化,支持了通过气体燃烧炉来自火焰和通过来自罐顶的反射的热量输入进入到玻璃熔体中。这是有利的,因为这促进了高的玻璃温度,这对于使用氧化锡和氧化铁的精炼来说是积极的。此外,出于经济的原因这也是有利的,因为较高的罐产量是可能的,并导致较少的能量损失。
根据一种优选方法,提供了用于LAS玻璃系统的玻璃配合料,使得在精炼过程中释放的O2精炼气体(以mol计)的最大量,与配合料分解过程中释放的不溶性外来气体的量的比例,成特殊的关系。表述不溶性外来气体是指分解过程中释放的在LAS玻璃中仅具有非常低的溶解性的气体,例如CO2、SO2、NOx、N2。相反,正如已知的,具有良好溶解性的H2O,不被计入所述不溶性外来气体中。在精炼过程中产生特别好的结果的、以摩尔计的气体量基础上的关系,可以写做:
O2[mol]/外来气体[mol]>0.02
释放的O2精炼气体的量预期为释放的不溶性外来气体的量的至少2%。由此实现的是,足够量的O2精炼气体可用于精炼,该气体可以扩散到不溶性外来气体的气泡中。作为气泡尺寸增长和加速上升的结果,后者在精炼过程中从玻璃熔体移除。
为了玻璃熔体的均化以及为了改进熔化方法,向玻璃配合料添加20到60wt%的碎玻璃是有利的。配合料毯和表面层的形成在熔化过程中被进一步降低。掺入的碎玻璃基本上与LAS玻璃的组成相符合,它从例如熔化罐的底部出口产生,或作为从产生的玻璃带切割方块形式时的切割剩余废料,或通常来自于生产的次品。为了产生这种有利的均化效果,添加的碎玻璃的最小量是20wt%。出于经济的原因,该量不打算超过60wt%,因为所述碎玻璃的熔化使用能量,并且尽力保持次品率低。
正如已经解释的,增加玻璃熔体的温度以减少配合料毯和表面层的形成是有利的。源自于气体燃烧炉的火焰的热辐射本身,以及作为从罐顶反射的结果,没有被阻碍地进入玻璃熔体并被吸收。取决于玻璃液位的高度,熔化罐的底部也进行或多或少的加热。应该避免过份冷的罐底,因为由此降低了玻璃熔体的温度。出于技术原因,对熔化罐中玻璃液位的变化强加了限制,以最适化底部温度。如果玻璃液位必须被选择得非常低,在预定的罐尺寸的情况下,这意味着对于熔化体积来说,不够经济的大的罐底面积。过高的玻璃液位需要承担由于大的上升高度,深处的气泡不能从熔体中移除的风险。因此,如果将玻璃熔体的红外吸收设定到使得对于大约50到100cm的平均玻璃液位高度来说,可以实现来自罐的上部结构的热辐射的良好的吸收状态,将是有利的。这产生了良好的热输入,用于增加玻璃熔体的温度。玻璃熔体的红外吸收必须不能太高,以便罐的底部不会变得太冷,深处的玻璃熔体热炼得足够均匀。另一方面,必须防止罐的带有耐火砖的底部变得过热。如果耐火砖被过份加热,作为与玻璃熔体反应的结果,它们可能变成第二次气泡的来源。如果在室温下、给定厚度为4mm、在1600nm处测量时,玻璃的红外吸收对应于40到80%的值,那么两种必要条件彼此协调得好。因为玻璃成分和任选用于着色的V2O5在红外区几乎不表现出吸收,因此用于调整玻璃熔体的红外吸收的关键角色给予了精炼剂氧化铁,在这里特别是Fe2+部分。根据本发明,这通过0.05到0.3wt%的含量来实现。
本发明的用于精炼的所述措施的组合,使得以经济的方式,在低于1700℃的玻璃熔体温度下,使用中等含量的精炼剂进行精炼,成为可能。在这些精炼温度下,精炼仍然可以在常规的熔化罐中进行,不需要附加的装置例如特制的高温或真空精炼装置,而获得所需的气泡质量。经济优点是节省了用于附加装置的资金投入。
在常规构造的熔化炉中精炼的过程中,在热点处达到该温度。作为在热点处向上定向流动的结果,气泡到达表面的附近。这意味着气泡直到从玻璃熔体中被移除之前所必须覆盖的距离也是最小的。如果这里的玻璃温度高,这意味着玻璃的低的粘度,因此意味着气泡上升的高速度,它们被高的温度进一步扩大了。为了在熔化罐中实现这种局部温度设置,优选选择其中加热通过电极以电的方式和通过气体燃烧炉二者实现的罐设计。
在可选方法中,在高于1700℃、优选高于1750℃的温度下进行玻璃熔体的精炼,可能是有利的。在对气泡质量要求高和/或对于预定尺寸的熔化罐来说需要更高的罐产量的情况下,尤其是这样。带有高温精炼装置的熔化罐,在被熔化的玻璃的组成方面也更加灵活。如果出于技术原因,例如由于对玻璃陶瓷产品的特殊需要,要求具有较高熔化粘度的玻璃组合物,那么通过使用高温精炼,后者同样可以以令人满意的气泡质量被精炼,而没有技术问题。
优选情况下,在本发明的方法中,提供了用于LAS玻璃系统的玻璃配合料,它可以产生以β-石英固体溶液作为优势晶体相的有色玻璃陶瓷,该玻璃配合料的组成以氧化物的重量%计基本上由以下成分组成:
Li2O             3.0-4.2
∑Na2O+K2O       0.2-1.5
MgO              0-1.5
∑CaO+SrO+BaO    0-4
ZnO              0-2
B2O3                        0-2
Al2O3                       19-23
SiO2                        60-69
TiO2                        2.5-4
ZrO2                        0.5-2
P2O5                        0-3
SnO2                        0.1-<0.6
∑TiO2+ZrO2+SnO2            3.8-6
V2O5                        0.01-0.06
Fe2O3                       0.05-0.3
表述“基本上由以下成分组成”意味着预期提出的成分合计达到总组合物的重量的至少96%,一般为98%。大量的元素例如F、Cl或碱金属Rb、Cs,在工业规模使用的配合料原材料的情况下是常见的杂质。其他的化合物例如元素Ge、稀土元素Bi、W、Nb、Ta、Y的化合物,可以少量添加。
一些多价化合物例如精炼剂SnO2和Fe2O3以及还有V2O5,正如往常以它们的较高氧化状态出现。正如已知的,一定量的这些化合物在熔化的玻璃中将以较低价的状态存在,这是由于氧的释放随着熔化温度而增加。
除了含量为0.01到0.06wt%的有色氧化物V2O5之外,其他的着色成分例如铬、锰、钴、镍、铜、硒、稀土、钼化合物,也可以用于支持着色。它们的含量限于至多1wt%,因为这些化合物通常降低红外区的透射。
用于生产本发明的玻璃陶瓷的可结晶玻璃的水含量,取决于配合料原材料的选择和熔体中的加工条件,通常在0.015到0.06mol/l之间。对于可结晶玻璃来说,这对应于0.16到0.64mm-1的β-OH值。
为了提高气泡质量,除了使用的主要精炼剂氧化锡和氧化铁之外,可以附加地使用其他的精炼添加剂,例如CeO2、硫酸盐、硫化物和卤化物。它们的含量通常限于总计最高达1wt%。
在标出的优选限度内的氧化物Li2O、Al2O3和SiO2是β-石英固体溶液的的必需组分。以0.2到1.5wt%的含量添加碱金属Na2O和K2O,改进了可熔性和玻璃成型过程中的失透稳定性。
此外,需要以标出的量添加TiO2和ZrO2作为玻璃陶瓷生产过程中的结晶成核剂。具有成核效应的成分TiO2、ZrO2和SnO2的量,预期合计为3.8到6wt%,以便确保玻璃陶瓷结晶过程中的成核作用,而不会发生失透作用的问题。为了在可见光范围内对玻璃陶瓷着色,使用了0.01到0.06wt%的有色氧化物V2O5。与Fe2O3一起,这两种着色剂的组合,使得设置例如用作料理台的玻璃陶瓷所需的透射分布情况成为可能。除了提出的在给定厚度为4mm时,在1600nm处的红外透射为大约40-80%之外,它们主要是透光率(亮度Y)为0.8到2.5%,以及在发射红光的二极管的发射波长630nm处的透光率合计为3到9%。标出的组成优选针对给出暗色的玻璃陶瓷的生产。作为进一步任选的成分,可以将MgO、ZnO和P2O5掺入到β-石英固体溶液中。碱土金属氧化物CaO、SrO、BaO和B2O3改进了可熔性和玻璃成型过程中的失透稳定性。
对于生产工艺和应用部分提出的要求与标出的组成范围是一致的。LAS玻璃的熔化、精炼和陶瓷化,在技术上、经济上并以环境友好的方式得到确保。玻璃陶瓷产品作为料理台的应用所提出的要求,特别是例如热负荷容量、化学抗性和透光性,得到了有利的满足。
为了经济的生产,预期可结晶LAS玻璃可以容易地熔化和精炼,并具有高的失透抗性。玻璃熔体的粘度曲线对于评估这些性质来说是重要的。需要在至多1320℃、优选至多1310℃的温度下,达到值为104dPas的粘度。需要在至多1750℃的温度下达到值为102dPas的粘度。为了降低玻璃熔体的粘度,已证实需减少SiO2、Al2O3、ZrO2的含量,同时碱金属Na2O和K2O,碱土金属CaO、SrO和BaO的含量选择较高的值。为了减少具有缓慢溶解的Zr原材料的配合料残留的表面层的形成,将ZrO2含量降低到至多1.6wt%,也是有利的。为了增加失透抗性,降低Li2O、Al2O3、SiO2、ZrO2和SnO2的含量是有利的,因为这些成分可以形成失透的临界晶体相。为了实现上述的优点,根据一种优选方法,提供了用于LAS玻璃系统的玻璃配合料,它可以产生以β-石英固体溶液作为优势晶体相的有色玻璃陶瓷,该玻璃配合料的组成以氧化物的重量%计基本上由以下成分组成:
Li2O                3.2-4.0
Na2O                0.2-1
K2O                 0.1-1
∑Na2O+K2O          0.4-1.2
MgO                 0.1-1.2
CaO                 0.2-1
SrO                 0-1
BaO                 0-3
∑CaO+SrO+BaO       0.2-4
ZnO                 0-1.8
B2O3                0-1
Al2O3               19-22
SiO2                62-67
TiO2                2.8-4
ZrO2                0.5-1.6
P2O5                0-1.5
SnO2                0.1-0.5
∑TiO2+ZrO2+SnO2    4.2-6
V2O5          0.01-0.05
Fe2O3         0.08-0.15
铁含量Fe2O3被设置为0.08到0.15wt%,以便最适化玻璃陶瓷在红外和可见区的透射分布情况。
根据一种优选方法,提供了用于LAS玻璃系统的玻璃配合料,其中精炼剂氧化锡的含量被设置为<0.35、优选<0.3wt%的值。为了在成型过程中增加失透抗性,减少SnO2是有利的。此外,熔化罐中贵重金属内部结构上腐蚀的倾向降低了。具体来说,氧化锡与含有Pt的内部结构例如搅拌器、电极或拉晶喷嘴(pulling nozzle)反应,可能缩短它们的使用期限。
优选情况下,用于LAS玻璃的玻璃配合料具有低于0.04%、优选低于0.03wt%的V2O5含量。因为氧化钒是高价的原材料,最小化V2O5的含量在经济上是有利的。此外,氧化钒被分类为危险物质,因此从环境观点来说是不安全的。本发明的组合物使得在使用这样的低的V2O5含量时,即使在从450nm开始的可见光范围内,也能够将透光率调整到>0.2%,这对于带有发射蓝、绿、黄、橙或白色光的二极管的料理台的指示能力来说,是有利的。使用验证的发射红光的二极管的常规指示能力,没有任何变化地得到了确保。
优选情况下,按照本发明的方法熔化和精炼的LAS可结晶玻璃,在转变成具有β-石英固体溶液作为优势晶体相的玻璃陶瓷后,被用作料理台。用于所需的板形构型的适合的成型方法是辗压和漂浮。
厚度为2.5到6mm的玻璃陶瓷板通常用于料理台。
由于与本发明的组合物有关的有利的透射分布情况,料理台对于发射蓝、绿、黄、橙或白色光的二极管具有改进的颜色指示能力。所有形式的指示器,点状的以及面状的,都是可能的。由于在可见区中均匀的透射光谱分布情况,也第一次使呈现彩色显示或屏幕成为可能。
通过碾压成型,可以给料理台底面提供定制的按钮或造得光滑。可以碾压出厚度较小的区域用于显示指示器。
辐射加热元件、卤素加热元件、感应加热或气体可用于料理台的加热。在这种情况下,料理台不仅可以成型为平板,而且可以成型为三维的。可以使用倾斜的、有角的或有曲线的板。料理台在技术上不含氧化砷和/或氧化锑。在至少1600℃的温度下使用氧化锡和氧化铁的组合精炼,以及使用根据本发明建立的用于玻璃配合料的原材料混合物,可以在料理台中产生<3、优选<1个气泡/kg的良好的气泡质量。
附图说明
图1:实施例3熔体表面的平面图,图1左图为钻孔芯的边缘,图1右图为钻孔芯的中心。
图2:比较例5熔体表面的平面图,图2左图为钻孔芯的边缘,图2右图为钻孔芯的中心。
图3:比较例6熔体表面的平面图,图3左图为钻孔芯的边缘,图3右图为钻孔芯的中心。
具体实施方式
借助于下面的实施例,对本发明进行了进一步说明。
表1显示了本发明的用于锂铝硅酸盐玻璃陶瓷的可结晶玻璃的组成,以氧化物的重量%计,以及用作成分的配合料原材料的各种不同化合物。在计算原材料混合物时,应该考虑到取决于质量,某些原材料也包含一定量的杂质。因此,例如锂辉石,取决于商品质量,含有不同的Li2O含量,并且也含有一定量的钾、钠和钙长石,以及Fe2O3。这在计算配合料配方时必须考虑进去,以获得所需的LAS玻璃的组成。
2号玻璃是用于比较的玻璃,它使用氧化砷代替氧化锡进行精炼,除此之外具有同样的组成。用作配合料原材料的AS2O3,在熔化过程中被来自罐的大气或硝酸盐分解的氧转化,形成As2O5
表1:本发明的1号LAS玻璃和2号比较玻璃的组成(以wt%计)以及使用的原材料化合物。
  1号玻璃   2号玻璃   原材料化合物
Li2O 3.84 3.81   取决于实施例:锂辉石,透锂长石,碳酸锂
  Na2O   0.59   0.59   钠长石,硝酸钠
  K2O   0.28   0.28   钾长石,硝酸钾
  MgO   0.31   0.31   菱镁矿,白云石
  1号玻璃   2号玻璃   原材料化合物
  CaO   0.42   0.42   白云石,钙长石
  BaO   2.29   2.27   碳酸钡
  ZnO   1.50   1.49   氧化锌
Al2O3 20.60 20.44   三氢氧化铝,以及也取决于实施例:锂辉石,透锂长石
SiO2 65.33 64.84   石英砂,以及也取决于实施例:锂辉石,透锂长石
  TiO2   3.12   3.10   二氧化钛
  ZrO2   1.36   1.35   硅酸锆
  SnO2   0.24   -   氧化锡
  V2O5   0.024   0.024   氧化钒
  Fe2O3   0.095   0.094   氧化铁
  As2O3   -   0.99   氧化砷
  合计   100.00   100.00
  性质
  Tg[℃]   670
  VA[℃]   1305
  T(η=102dPas)[℃]   1734
  密度g/cm3   2.479
  1号玻璃   2号玻璃   原材料化合物
  热膨胀α20/300·[10-6/K]   4.3
  UDEV[℃]   1235
  IR透射率1600nm[%]   76.3
表1还显示了在玻璃上测量的一些性质,例如密度,转变温度Tg,加工温度VA,粘度为102dPas的温度,20到300℃之间的热膨胀,以及失透温度上限UDEV。使用4mm的厚度测定在1600nm处的红外透射率。
在改变用于LAS玻璃的玻璃配合料的原材料混合物的实验室实验过程中,将大约2kg预先混合好的玻璃配合料导入到铂坩埚中。坩埚的高度为大约250mm,直径为大约70mm。将坩埚放置在具有均匀温度的熔炉中,将玻璃配合料熔化。用于评估熔化行为的实验在1600℃下进行1小时(表2)。
Figure GSA00000040004700221
在规定时间后,取出带有熔化的配合料的铂坩埚,在冷却炉中,从680℃开始,通过无应力的方式,以20K/min的冷却速度,将位于坩埚中的玻璃冷却到室温。使用金刚石空心钻头,将带有熔体表面的冷却的玻璃从坩埚中钻出,使用获得的钻孔芯对质量进行评估。钻孔芯的直径为55mm。因为实验是均一地进行的,因此它们允许对各种不同原材料的熔化行为进行相对比较,特别是对于所关注的含有配合料残余的表面层的形成。在1600℃、1小时的实验条件下检测各种不同原材料混合物的熔化行为。
表2中的实施例1到4是本发明的具有不同的Li2O、Al2O3和SiO2化合物作为主要配合料原材料的实施例。实施例2和3使用了具有不同质量、也就是说不同Li2O含量的可商购锂辉石原材料进行熔化。实施例4另外包含了30wt%的与获得的玻璃具有同样组成的碎玻璃。实施例5是比较例,使用了碳酸锂和氧化锡与氧化铁的组合精炼,产生了具有同样组成的玻璃。实施例1到5产生的玻璃与表1的1号玻璃具有相同的组成。比较例6对应于表1的2号玻璃,使用氧化砷精炼代替组合精炼。表2显示了Li2O、Al2O3和SiO2化合物以及石英砂相对于1kg玻璃配合料原材料混合物的比例。在计算中没有考虑添加的碎玻璃,但是它们在熔化行为和气泡质量方面产生了附加的改进。这些配合料的主要部分由可商购级别的原材料质量构成。此外,确定了从根据表1使用的原材料释放出的不溶性外来气体,以及释放的最大O2精炼气体量和它们的比率。在硝酸盐分解过程中释放的气体被计算为NOx外来气体,可能的O2裂解没有考虑在内,因为该反应发生的温度对于精炼效应来说太低了。
首先目测评估带有配合料残余的表面层的形成。由于玻璃颜色比较深,表面上白色的配合料残余可以清楚地分辨。在目测评估中,形成程度非常高被评估为5,平均的形成为3,没有可见的配合料残余的情况下被指定为0。此外,对表面进行了照相,通过计算机辅助图像处理,对白色的未溶解的配合料残余物的面积比例进行了定量。对于计算来说,滤除了表面气泡。因为取决于原材料,配合料残余物通常积累在铂坩埚的边缘,因此也在钻孔芯的边缘,因此测定了钻孔芯的边缘和中心的值。
将获得的钻孔芯沿纵向分成两半进行评估。产生了横向微切片,将大约4mm厚的方块磨光。配合料残余物的形成是影响目测评估的因素。
图1到3显示了照片的黑白拷贝,各为来自钻孔芯的边缘和中心的熔体表面的平面图。图1对应于实施例3,使用锂辉石并使用了氧化铁和氧化锡的组合精炼。图2对应于比较例5,使用了碳酸锂和组合精炼。图3对应于比较例6,使用了碳酸锂和砷精炼,对应于表1的2号比较玻璃。已经插入了1500μm的标尺。
从钻孔芯切下大约30°的圆扇面,将玻璃熔体的表面切掉2mm的厚度。这对应于仍然可以发现配合料残余物的深度。将获得的材料磨碎,通过X-射线衍射分析它们的晶体相和它们以vol.%计的比例。发现从石英砂形成的方石英是唯一的晶体相。
在通过光学显微术检测后,通常在配合料颗粒上发现附着的气泡。
结果表明,玻璃的质量极大地取决于用于玻璃配合料的原材料混合物中石英砂的比例。在使用砷精炼的比较例6中良好的质量,即均匀性和小的或没有表面层,归功于释放的O2精炼气泡的均化效应。因为氧化砷即使在相对低的温度下也相对大量地释放出精炼氧气,因此实现了一种微搅拌器效应,因而获得了良好的均化和良好的熔化而没有表面层。本发明的实施例相对于使用碳酸锂的比较例5的优越的质量,显示出在使用氧化锡和氧化铁的组合精炼的情况下,使用的用于Li2O-Al2O3-SiO2化合物的配合料原材料具有极大的影响。
在附加的实施例7中,以工业规模熔化了符合表1的1号玻璃的组合物,其具有对应于表2的实施例4的用于玻璃配合料的原材料混合物。熔化罐装备有桥墙。加热通过气体燃烧炉和使用浸没在玻璃熔体中的电极的电辅助加热进行。通过这种加热,在精炼过程中,将热点区域中的玻璃温度设定到1660℃。免除了在>1700℃的温度下进行高温精炼。获得的LAS玻璃的气泡质量低于0.5个气泡/kg玻璃。在成型过程中,产生了厚度为4mm的表面粗糙的玻璃带,并在冷却炉中冷却以避免应力。从该玻璃带切下尺寸为500x500x4mm的料理台,在工业辗压炉中陶瓷化。在陶瓷化过程中,将板在700到800℃的温度范围内成核25分钟,并在910℃的最高温度下结晶10分钟。获得的玻璃陶瓷,在给定的4mm厚度下,在从450nm开始的可见光范围内,具有大于0.2%的所需透射值。在470nm处测量的透射值为0.4%。20到700℃之间的热膨胀为0.2·10-6/K。有利地满足了用作料理台所需的要求,例如热负荷能力、化学抗性和透射性。

Claims (15)

1.用于环境友好地熔化和精炼如下玻璃熔体的方法,所述玻璃熔体是用于锂铝硅酸盐(LAS)玻璃陶瓷的可结晶玻璃的玻璃熔体,其特征在于下列步骤:
-在锂铝硅酸盐(LAS)玻璃系统的基础上,提供添加了0.1-<0.6wt%的氧化锡作为主要精炼剂的玻璃配合料,同时免去了氧化砷和/或氧化锑作为精炼剂,
-为所述玻璃配合料设计原材料混合物,使得通常用于导入玻璃成分SiO2的石英砂原材料的比例低于40wt%,优选低于15wt%,特别优选低于5wt%,并且
-在至少1600℃、优选至少1650℃的温度下精炼所述玻璃熔体。
2.权利要求1的方法,其特征在于
提供了添加有0.1-<0.6wt%的氧化锡和0.05-0.3wt%的氧化铁的玻璃配合料用于组合精炼。
3.权利要求1和2的方法,其特征在于
使用Li2O-Al2O3-SiO2化合物作为主要配合料原材料,所述化合物含有至少45wt%、优选至少70wt%的所述原材料混合物。
4.权利要求3的方法,其特征在于
使用了透锂长石和/或锂辉石作为主要配合料原材料。
5.权利要求1到4任何一项的方法,其特征在于
提供了用于LAS玻璃系统的玻璃配合料,其中在精炼过程中释放的O2精炼气体的最大量(以mol计)与配合料分解过程中释放的不溶性外来气体的量(以mol计)的比率,满足条件:
O2[mol]/杂质气体[mol]>0.02。
6.权利要求1到5任何一项的方法,其特征在于
另外向所述玻璃配合料中添加20到60wt%的碎玻璃。
7.权利要求1到6任何一项的方法,其特征在于
所述玻璃熔体的红外吸收被设定为对应于在室温下和给定厚度为4mm时,1600nm处的IR透射率为40-80%的值。
8.权利要求1到7任何一项的方法,其特征在于
所述精炼在低于1700℃的玻璃熔体温度下进行,同时免去了附加的特定高温精炼装置。
9.权利要求1到7任何一项的方法,其特征在于
所述精炼在高于1700℃、优选高于1750℃的玻璃熔体温度下进行。
10.权利要求1到9任何一项的方法,其特征在于
选择熔化装置的产量或玻璃的平均停留时间,使得获得低于3个气泡/kg玻璃、优选低于1个气泡/kg玻璃的气泡数。
11.权利要求1到10任何一项的方法,其特征在于
提供了用于LAS玻璃系统的玻璃配合料,它可以产生以β-石英固体溶液作为优势晶体相的有色玻璃陶瓷,该玻璃配合料的组成以氧化物的重量%计基本上包含:
Li2O            3.0-4.2
∑Na2O+K2O      0.2-1.5
MgO             0-1.5
∑CaO+SrO+BaO   0-4
ZnO             0-2
B2O3            0-2
Al2O3           19-23
SiO2            60-69
TiO2                2.5-4
ZrO2                0.5-2
P2O5                0-3
SnO2                0.1-<0.6
∑TiO2+ZrO2+SnO2    3.8-6
V2O5                0.01-0.06
Fe2O3               0.05-0.3
12.权利要求1到11任何一项的方法,其特征在于
提供了用于LAS玻璃系统的玻璃配合料,它可以产生以β-石英固体溶液作为优势晶体相的有色玻璃陶瓷,该玻璃配合料的组成以氧化物的重量%计基本上包含:
Li2O            3.2-4.0
Na2O            0.2-1
K2O             0.1-1
∑Na2O+K2O      0.4-1.2
MgO             0.1-1.2
CaO             0.2-1
SrO             0-1
BaO             0-3
∑CaO+SrO+BaO   0.2-4
ZnO             0-1.8
B2O3            0-1
Al2O3           19-22
SiO2            62-67
TiO2            2.8-4
ZrO2            0.5-1.6
P2O5            0-1.5
SnO2            0.1-0.5
∑TiO2+ZrO2+SnO2     4.2-6
V2O5                 0.01-0.05
Fe2O3                0.08-0.15
13.权利要求1到12任何一项的方法,其特征在于
提供了用于LAS玻璃系统的玻璃配合料,其具有的精炼剂氧化锡的含量<0.35wt%,优选<0.3wt%。
14.权利要求1到13任何一项的方法,其特征在于
提供了用于LAS玻璃系统的玻璃配合料,其具有的V2O5含量低于0.04wt%,优选低于0.03wt%。
15.按照前述权利要求1到14至少一项的方法生产的玻璃陶瓷作为料理台的应用,所述方法提供了用于LAS玻璃系统的玻璃配合料,可以产生以β-石英固体溶液作为优势晶体相的有色玻璃陶瓷。
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