專利名稱：一種用于玻璃熔化爐的電極夾具以及一種爐的制作方法
技術領域：
本實用 新型涉及一種用于玻璃熔化操作期間的改進的電極夾具(ho I der ),更具體地，本實用新型涉及一種沉積在與玻璃液(molten glass)接觸的電極夾具的前部上的耐熔PJeL^M (refractory barrier layer)。
背景技術：
將金屬以及導電的氧化物和非金屬材料(例如碳)作為電極以抵抗玻璃的熔化是一種已實現的技術。圓柱形或矩形截面的鑰(Mo)、碳或錫氧化物被用作電極材料是非常常見的。采用這些材料(尤其是Mo)的問題在于，如果這些材料在超過500° C到600° C的空氣或任何氧化環境中操作，則它們易于迅速氧化。氧化溫度范圍恰好在玻璃的通常熔化溫度內。通常，在玻璃中的電極部分具有可控制的氧化速度，這是因為在玻璃中氧化水平較低。電極中存在氧化問題的部分是電極穿過熔化爐的壁，并向外進入周圍氣氛的部分。電極穿過熔化爐壁的延伸對于電氣連接是必須的，對電極進行所述電氣連接用于供電。由于電極材料的良好導熱性，電極存在高于500° C并與周圍氣氛接觸的一個部分。該區域易于氧化。為防止該氧化，已經研發出防止電極氧化的若干種方法。防止氧化的最常見方法是使用由不銹鋼材料或超合金制成的電極夾具或者套筒來保護Mo免遭氧化。電極夾具通常是水冷式的，以冷凍電極周圍的玻璃，從而防止氧氣接觸熱的材料，或者將電極冷卻至氧化停止的點。使用水冷卻是一種平衡手段，這是因為太多的來自玻璃熔化單元的熱不應被移除，然而電極夾具材料應該被充分冷卻，以防止其受來自玻璃的氧化或腐蝕沖擊。對于用于熔化商業玻璃(例如堿石灰)的典型的電極設施，電極夾具的溫度足夠低，從而限制對電極夾具材料的腐蝕，由此在罐的整個爐齡期保護電極夾具和電極免遭氧化。對于熔化溫度較高的玻璃，例如用于視覺顯示應用的玻璃，電極夾具的溫度足夠高，從而可能出現明顯的氧化。一旦電極夾具被腐蝕透，則其不再能夠作為阻擋來防止氧氣接觸熱的電極材料，以及阻止其隨后的氧化。如果電極氧化足夠嚴重，則電極收縮并失效，不再能夠導電。
實用新型內容對操作在超過1300° C的溫度下的不銹鋼電極夾具的分析顯示不銹鋼與硼硅酸鋁玻璃的接觸導致玻璃中的一些氧化物還原至它們的元素狀態。在所述元素狀態下，這些材料可與不銹鋼成為合金，導致對金屬的沖擊，并形成了低熔化溫度的合金。從鐵硅相圖中可看出，鐵基合金(例如310不銹鋼)中的硅將形成低熔化溫度相，其可在高操作溫度下明顯地弱化金屬。高操作溫度意味著溫度大于約1000° C，例如大于約1100° C，大于約1200° C，大于約1300° C。在稍大于1200° C的溫度下，形成液相Fe-Si。這些相的形成會完全破壞電極套筒的強度，并使得它不能夠阻止氧氣接觸電極。為了克服該缺陷，耐熔阻擋層被沉積在電極夾具的最暴露至玻璃液材料的那些部分上。在一個實施方案中，公開了一種用于玻璃熔化爐的電極夾具(10),包括:一個外壁(12);—個內壁(14)，限定一個用于接收電極的通道(20);—個通路，用于接收冷卻劑流，該通路定位在所述外壁和所述內壁之間；一個鼻部構件(16)，在所述電極夾具的第一端部處接合所述內壁和所述外壁；以及，一個耐熔阻擋層(46)，沉積在所述鼻部構件的外表面上。所述通路可包括在電極夾具內的空隙或腔，或者例如所述通路是包含在所述空隙或腔內的導管。優選地，所述耐熔阻擋層沿著所述內壁的周緣部分延伸。優選地，所述耐熔阻擋層沿著所述內壁的一部分延伸。在一些實施方案中，所述耐熔阻擋層包括氧化鋯或氧化鋁，盡管可使用其他合適的耐熔材料，例如氧化鋁-二氧化鈦材料。所述耐熔阻擋層的厚度優選地等于或大于100 μ m。所述耐熔阻擋層可通過火焰噴涂或等離子體噴涂沉積在環形的鼻部構件上。在一些實施方案中，超音速氧焰(High Velocity Oxygen Fuel,HV0F)熱噴涂涂覆可被用于沉積阻擋層。優選地，所述阻擋層的熱膨脹系數與環形的鼻部構件的熱膨脹系數之間的差不大于一個數量級(an order of magnitude)。所述電極夾具可配合在一個入口中，該入口用于接收無氧氣體，并在所述電極和所述內壁之間供應該無氧氣體。在另一個實施方案中，公開了一種用于形成玻璃液材料的爐(52)，包括:一個耐熔塊(44)，限定穿過其中的一個通路；一個電極夾具(10)，被定位在所述通路內，所述電極夾具包括:一個外壁(12); —個內壁(14),限定一個用于接收電極(22)的通道(20);—個冷卻劑通路(30、40)，用于接收冷卻劑流，該冷卻劑通路定位在所述外壁和所述內壁之間；一個鼻部構件(16 )，在所述電極夾具的第一端部處接合所述內壁和所述外壁。所述環形鼻部構件包括一個沉積在所述環形鼻部構件的外表面上的耐熔阻擋層(46)。在一些實施方案中，所述冷卻劑通路包括一個導管(30)。然而，冷卻劑可循環經過所述電極夾具內的腔。在爐的操作期間，即當使用電極加熱玻璃液材料時，所述耐熔阻擋層(46)與玻璃液材料(48)接觸。優選地，所述耐熔阻擋層(46)的厚度等于或大于100 μ m。在一些實施方案中，所述電極夾具(10 )定位在所述爐的底部壁(45 )中，而在其他實施方案中，所述電極夾具(10 )定位在所述爐的側壁中。在一些情形中，所述耐熔阻擋層(46)可沉積在所述電極夾具(10)的所述內壁(14)的至少一部分上。優選地，所述阻擋層的熱膨脹系數與所述環形鼻部構件(例如，所述阻擋層沉積在其上的襯底)的熱膨脹系數之間的差不大于一個數量級。在又一個實施方案中，公開了一種形成玻璃液材料的方法，包括:在容器內加熱玻璃液材料，所述加熱包括使電流流經定位于電極夾具(10)內的電極(22)，所述電極夾具包括:一個外壁(12)個內壁(14)，限定一個用于接收所述電極的通道(20)個通路，用于接收冷卻劑流，該通路定位在所述外壁和所述內壁之間；一個鼻部構件(16)，在所述電極夾具的第一端部處接合所述內壁和所述外壁；以及，一個耐熔阻擋層(46)，沉積在環形的鼻部的外表面上。該方法還包括在加熱期間使無氧氣體在所述內壁(14)和所述電極之間流動，所述無氧氣體例如為氮氣或氦氣。在隨后的詳細描述中將陳述本實用新型的其他特征和優勢，從所述描述或者通過實踐如本文(包括隨后的詳細說明、權利要求以及附圖)中描述的本實用新型，在某種程度上本領域普通技術人員應容易明了本實用新型的其他特征和優勢。應理解，前述總體描述和隨后的詳細描述呈現了本實用新型的實施方案，并且意在提供一個概覽或框架，以理解所主張的本實用新型的性質和特點。附圖被包括以提供對本實用新型的進一步的理解，且附圖組成本說明書的一部分。附圖示出了本實用新型的不同實施方案，并連同說明書解釋本實用新型的原理和操作。
圖1是根據本實用新型一個實施方案的電極夾具的縱向橫截面圖；圖2是圖1的電極夾具的縱向橫截面圖，示出定位于玻璃熔化爐的耐熔壁內；圖3是圖2的電極夾具的一部分的特寫縱向橫截面圖，并描繪了沉積在電極夾具鼻部上的耐熔層。圖4是根據本實用新型一個實施方案的電極夾具的一部分的立體圖，示出了沉積在電極夾具的鼻部和內壁上的耐熔絕緣層的位置；圖5是向下看熔化爐時熔化爐的視圖，并示出安裝在爐的側壁和底部(底面)的電極夾具。
具體實施方式
在下面的詳細描述中，出于解釋而非限制的目的，對公開了具體細節的示例實施方案進行陳述，以提供對本實用新型的透徹理解。但是，已受益于本公開內容的本領域技術人員將明了，可在背離在此公開的這些具體細節的其他實施方案中實踐本實用新型。此外，可省略對眾所周知的設備、方法和材料的描述，從而不模糊本實用新型。最后，只要適用，相似的參考數字指的是相似的元件。圖1描繪了根據一個實施方案的電極夾具10的縱向橫截面圖。電極夾具10的外部形狀通常是圓柱形，并包括一個外壁12、一個內壁14、一個環形鼻部構件16和一個環形后部構件18。外壁12和內壁14是管狀的。鼻部構件16和后部構件18優選地由耐高溫金屬制成。合適的金屬可以是例如不銹鋼，例如310不銹鋼。鼻部構件16和后部構件18都接合至外壁12和內壁14。內壁14限定一個中空的腔或者通道20，在所述中空的腔或者通道20內安裝有電極22(見圖2)。外壁12、內壁14、鼻部構件16和后部構件18共同構成電極夾具10的頭部24。內壁14可包括間隔構件26，以將電極支撐在通道20內，從而在電極22和內壁14之間提供電絕緣，并使電極22與內壁14的表面接觸最小化，由此使得更容易在通道20內移動電極22。在一些實施方案中，內壁14的一部分可從頭部24向后延伸，并構成電極夾具10的尾部28。頭部24還包括位于外壁12和內壁14之間的導管30，液體冷卻劑(例如水)可流動穿過所述導管30，以冷卻電極夾具10和電極22。導管30可包括例如螺旋繞管。然而應注意，導管30可包括直線部分，彎曲部分，或者直線部分與彎曲部分的組合。優選地，導管30靠近內壁14，從而使電極的冷卻最大化，然而還優選的是導管不是沿著內壁的全部長度剛性地附接至內壁，從而在加熱和冷卻電極夾具期間適應熱膨脹。液體供應管線32和液體排放管線34與導管30連接，并為導管供應來自源(未示出)的冷卻液體。[0022]除了導管30，氣態冷卻劑也可通過氣體供應管線36和氣體排放管線38循環穿過頭部24。例如，空氣可在壓力下經過氣體供應管線36供應至外壁12和內壁14之間的腔40，并經過氣體排放管線38從腔40移除。應注意，其他冷卻配置也是可行的，并在本公開內容的范圍內。例如，在一些實施方案中，可以略去導管30，并在不使用氣態冷卻介質的情況下，使冷卻液體循環經過腔40。在其他實施方案中，包括夾帶有液體的氣體的混合冷卻介質可被注入導管30或腔40內。在另一個實施方案中，氣態冷卻劑或混合冷卻劑可在腔40循環。應注意，根據本實用新型的實施方案，頭部24被冷卻介質所冷卻，冷卻介質是液體、氣體、液體和氣體，或者液體和氣體的混合物。冷卻介質流經頭部24內的通路，例如，在導管30內或腔40內。在其他實施方案中，還原氣體或非氧化氣體被可選地供應至電極和內壁14之間的通道20。例如，在熔化過程的開始階段，或者在穩定狀態階段，氮或惰性氣體(例如氦)可以通過入口 41供應至通道20，如箭頭43指示的。頭部24還可包括定位在外壁12和內壁14之間的一層熱絕緣材料42。熱絕緣材料42可以是例如陶瓷纖維絕緣材料，例如纖維氧化鋁。在一些實施方案中，第二層無機纖維絕緣材料可圍繞外壁12的外表面纏繞。例如，纏繞的絕緣材料可向上延伸至鼻部構件16，但是不會在鼻部構件16之上。如果電極夾具10包括形成從頭部24向后部延伸的尾部28的延伸的內壁14，則尾部28可包括具有環形形狀的后部塊29。在一些實施方案中，電極22可配有軸環31，軸環31通過一個或多個螺釘夾至電極22，且軸環與后部塊29的接合防止電極從電極夾具掉落，尤其是在電極夾具以豎直方向定位在熔化槽的底部時。如圖2和圖3示出的，電 極夾具10被定位在耐熔塊44內，耐熔塊44包括熔化槽的壁。在圖2和3的實施方案中，示出電極夾具定位在耐熔塊44內，耐熔塊44包括爐的耐熔底面或底部壁45。在其他實施方案中，電極夾具可被定位在構成爐的側壁的耐熔塊內。由于鼻部構件16的外表面的一些部分可暴露至溫度等于或大于500° C的熔化材料，因此耐熔材料作為耐熔阻擋層46沉積在鼻部構件16外表面的最可能接觸玻璃液的那些部分。沉積可以是火焰沉積或等離子體沉積。例如，在等離子體噴涂過程中，待被沉積的材料被供給至等離子體流中，材料在等離子體流處熔化，并加速朝向待被涂覆的物體。等離子體流的溫度可以高達10000K。待被沉積的材料沖擊物體，并形成被稱作薄片(lamellae)的小的扁平的沉積物。薄片聚積并形成預期厚度的涂層。通過調整下列參數，例如等離子體成分、等離子體流速、產生等離子體流的等離子體焰炬(plasma torch)與目標物體的偏置距離，可改變涂層的特性，以實現預期的多孔性、導熱性、導電性、耐應變性等。用于沉積涂層的另一種方法是超音速氧焰(HVOF)熱噴涂涂覆，與等離子體噴涂相比，該方法提供了更密集的涂層。由于薄片的建立通常導致空隙、裂縫和不完整的粘合，熱噴涂涂層通常具有低的導熱性，由此提高了它們的絕緣能力。沉積在鼻部構件16的外表面上的耐熔阻擋層46的厚度應等于或大于100 μ m，等于或大于200 μ m，等于或大于300 μ m，等于或大于400 μ m。可用于形成耐熔阻擋層46的合適的材料包括但不限于,氧化招(alumina)、氧化錯(zirconia)和氧化鋁-二氧化鈦。優選地，耐熔阻擋層的熱膨脹系數接近或等于下層襯底——即鼻部構件16—的熱膨脹系數，以避免阻擋層裂開。例如，在一些實施方案中，鼻部構件16由310不銹鋼制成，所述310不銹鋼在1000° C時具有約1.9X 10_6/° C的線性熱膨脹系數(CTE)，氧化鋁在1000° C時具有約8.2X 10_6/° C的CTE。優選地，阻擋層的CTE在下層襯底的CTE的數量級內。即，優選地，阻擋層的CTE不大于約10倍的鼻部構件的CTE，或者不小于約1/10的鼻部構件的CTE。除了鼻部構件16的前端外表面，耐熔阻擋層46還可沉積在其他表面上。因此，耐熔阻擋層46可包括沉積在鼻部構件16的前端表面上的一部分46a、外部周緣部分46b和沉積在內壁14上方的一部分46c,如圖4不出的。圖5是用于熔化批料以制成玻璃的爐52的俯視圖，該爐具有安裝在爐的底部壁45和側壁54 二者中的電極夾具。其他實施方案可具有僅安裝在熔化爐的側壁或僅安裝在熔化爐的底面的電極夾具。在熔化過程的早期階段，減少對電極夾具的冷卻，或者斷開對電極夾具的冷卻，以允許相對低粘度的玻璃液材料48流進耐熔塊44和電極夾具10之間(以及在耐熔塊44和電極22之間)的空間50，如圖3中最佳示出的。玻璃液材料還可流進通道20，當電極被安裝在通道內時，通道20為環形形狀。當玻璃液材料已經流進所述間隙區域例如空間50和通道20時，又開始冷卻電 極夾具，位于電極夾具和耐熔塊之間，以及電極夾具內壁和電極之間的間隙空間中的玻璃液材料的粘度增加，冷凍電極夾具周圍的玻璃材料，并在電極夾具和耐熔塊之間、以及電極夾具和電極之間形成密封。在某些情況中，可能有必要將電極延伸至更遠，以進入玻璃液材料，此時減少冷卻或切斷冷卻，從而允許之前在上文描述的通道20和空間50中冷凍的玻璃材料再次熔化。電極隨之被推向前，推向更遠進入玻璃液材料。粘性阻力從間隙區域拉動玻璃液材料，所以典型地，電極被推向比所要求的更遠，然后被撤回以拉動玻璃液材料回到通道20和空間50中。一旦電極如期望地被定位，冷卻恢復，玻璃又在間隙區域中冷凍，以形成玻璃密封，該玻璃密封防止玻璃液中含有的氧氣接觸電極和/或電極夾具。在一些實施方案中，通過使無氧氣體(例如氮氣)或惰性氣體(例如氦氣、氪氣、氬氣或氙氣)流動穿過入口 41，可在內壁14和電極22之間的通道20內形成非氧化性氣氛。進入通道20的氣體可經通道20的前端離開(進入玻璃液)或經通道20的后端離開(進入周圍氣氛)。從前述內容以及圖2和圖3，可清楚地看到至少在熔化過程的初始階段，鼻部構件16與玻璃液直接接觸，并通常周期性地在整個生產活動期間與玻璃液直接接觸。玻璃液材料可以等于或大于1000° C，等于或大于1100° C，等于或大于1200° C，等于或大于1300° C，等于或大于1400° C，等于或大于1520° C，等于或大于1540° C，等于或大于1550° C或等于或大于1560° C。耐熔阻擋層46通過在電極夾具暴露至玻璃液時防止電極夾具腐蝕，允許電極夾具在熔化操作期間在較高的溫度下操作。耐熔阻擋層46可延長電極壽命，并允許電極夾具在較高的溫度下操作是可行的，而不會明顯地減少壽命。電極夾具的操作溫度越高，從玻璃中移走的能量越少，操作成本越低。與使用更特殊和昂貴的材料構造電極夾具相比，使用耐熔阻擋層是延長電極壽命的一種有成本效益的手段。相應地,示例性非限制的實施方案包括:Cl.一種用于玻璃熔化爐的電極夾具(10),包括:一個外壁(12); —個內壁(14),限定一個用于接收電極的通道(20);—個通路，用于接收冷卻劑流，該通路定位在所述外壁和所述內壁之間；一個鼻部構件(16)，在所述電極夾具的第一端部處接合所述內壁和所述外壁；以及，一個耐熔阻擋層(46 )，沉積在所述鼻部的外表面。[0035]C2.根據Cl所述的電極夾具，其中所述通路包括導管(30)。C3.根據Cl或C2所述的電極夾具，其中所述耐熔阻擋層(46)沿著所述內壁的周緣部分延伸。C4.根據Cl到C3中任一項所述的電極夾具，其中所述耐熔阻擋層沿著所述內壁的一部分延伸。C5.根據Cl到C4中任一項所述的電極夾具，其中所述耐熔阻擋層包括氧化鋯或氧化招。C6.根據Cl到C5中任一項所述的電極夾具，其中所述耐熔阻擋層的厚度等于或大于 100 μ m。C7.根據Cl到C6中任一項所述的電極夾具，其中所述耐熔阻擋層是火焰噴涂層或等離子體噴涂層。CS.根據Cl到C7中任一項所述的電極夾具，其中所述阻擋層的熱膨脹系數與環形的鼻部構件的熱膨脹系數之間的差不大于一個數量級。C9.根據Cl到C8中任一項所述的電極夾具，還包括一個入口，該入口用于接收無氧氣體，并在所述電極和所述內壁之間供應所述無氧氣體。C10.一種爐(52),包括:一個耐熔塊(44),限定穿過其中的一個通路；一個電極夾具(10)，被定位在所述通路內，所述電極夾具包括:一個外壁(12); —個內壁(14)，限定一個用于接收電極(22)的通道(20)個冷卻劑通路(30、40)，用于接收冷卻劑流，該冷卻劑通路(30、40)定位在所述外壁和所述內壁之間；一個鼻部構件(16)，其在所述電極夾具的第一端部處接合所述內壁和所述外壁；以及，其中環形的鼻部構件包括一個沉積在所述環形鼻部構件的外表面上的耐熔阻擋層(46)。Cll.根據ClO所述的爐，其中所述冷卻劑通路包括一個導管(30)。C12.根據ClO或Cll所述的爐，其中所述耐熔阻擋層(46)與玻璃液材料(48)接觸。C13.根據ClO到C12中任一項所述的爐，其中所述耐熔阻擋層(46)的厚度等于或大于100 μ m。C14.根據ClO到C13中任一項所述的爐，其中所述電極夾具(10)定位在所述爐的底部壁(45)中。C15.根據ClO到C14中任一項所述的爐，其中所述電極夾具(10)定位在所述爐的側壁(52)中。C16.根據ClO到C15中任一項所述的爐，其中所述耐熔阻擋層(46)沉積在所述電極夾具(10)的所述內壁(14)的至少一部分上。C17.根據ClO到C16中任一項所述的爐，其中所述阻擋層的熱膨脹系數與所述環形鼻部構件的熱膨脹系數之間的差不大于一個數量級。C18.一種形成玻璃液材料的方法，包括:在容器內加熱玻璃液材料，所述加熱包括使電流流經位于電極夾具(10)內的電極(22),所述電極夾具包括:一個外壁(12);—個內壁(14)，限定一個用于接收所述電極的通道(20)個通路，用于接收冷卻劑流，該通路定位在所述外壁和所述內壁之間；一個鼻部構件(16)，在所述電極夾具的第一端部處接合所述外壁和所述內壁；以及，其中一個耐熔阻擋層(46)，沉積在所述環形鼻部的外表面上。[0052]C19.根據C18所述的方法，還包括在加熱期間使無氧氣體在所述內壁(14)和所述電極之間流動。C20.根據C18或C19所述的方法，其中所述無氧氣體是氮氣。本領域技術人員應明了，在不偏離本實用新型的精神和范圍的前提下，可對本實用新型做出多種改型和變體。因而，意在本實用新型覆蓋如下所述本實用新型的改型和變體，假設這些本實用新型的改型和變體落入隨附的權利要求和它們的等同物所限定的范圍內。
權利要求1.一種用于玻璃熔化爐的電極夾具(10)，其特征在于，包括: 一個外壁(12)； 一個內壁(14)，限定一個用于接收電極的通道(20); 一個通路，用于接收冷卻劑流，該通路定位在所述外壁和所述內壁之間； 一個鼻部構件(16 )，在所述電極夾具的第一端部處接合所述內壁和所述外壁；以及 一個耐熔阻擋層(46)，沉積在所述鼻部構件的外表面上。
2.根據權利要求1所述的電極夾具，其特征在于，所述耐熔阻擋層沿著所述內壁的一部分延伸。
3.根據權利要求1所述的電極夾具，其特征在于，所述耐熔阻擋層的厚度等于或大于100 μ m。
4.根據權利要求1到3中任一項所述的電極夾具，其特征在于，所述阻擋層的熱膨脹系數與環形的鼻部構件的熱膨脹系數之間的差不大于一個數量級。
5.一種爐(52)，其特征在于，包括: 一個耐熔塊(44)，限定穿過該耐熔塊的一個通路； 一個電極夾具(10 )，被定位在所述通路內，所述電極夾具包括: 一個外壁(12)； 一個內壁(14)，限定一個用于接收電極(22)的通道(20)； 一個冷卻劑通路(30、40)，用于接收冷卻劑流，該冷卻劑通路定位在所述外壁和所述內壁之間； 一個鼻部構件(16 )，在所述電極夾具的第一端部處接合所述內壁和所述外壁；以及 其中環形的鼻部構件包括一個沉積在環形的鼻部構件的外表面上的耐熔阻擋層(46)。
6.根據權利要求5所述的爐，其特征在于，所述耐熔阻擋層(46)與玻璃液材料(48)接觸。
7.根據權利要求5所述的爐，其特征在于，所述耐熔阻擋層(46)的厚度等于或大于100 μ m。
8.根據權利要求5到7任一項所述的爐，其特征在于，所述耐熔阻擋層(46)沉積在所述電極夾具(10)的所述內壁(14)的至少一部分上。
專利摘要一種用于玻璃熔化爐的電極夾具以及一種爐，其中電極夾具，包括一個外壁(12)；一個內壁(14)，限定一個用于接收電極的通道(20)；一個通路，用于接收冷卻劑流，該通路定位在所述外壁和所述內壁之間；一個鼻部構件(16)，在所述電極夾具的第一端部處接合所述內壁和所述外壁；以及一個耐熔阻擋層(46)，沉積在所述鼻部構件的外表面上。
文檔編號C03B5/033GK202912819SQ20122017730
公開日2013年5月1日 申請日期2012年4月24日 優先權日2011年4月26日
發明者G·德安杰利斯, D·M·萊恩曼 申請人:康寧股份有限公司