本发明涉及采用负压来促进玻璃液或类似物质的澄清。更具体地说，本发明涉及该澄清技术中控制泡沫量的实际方案。

在玻璃的熔化过程中，由于配合料的分解而产生相当大量的气体。其它气是由配合料本身带入的或由燃烧热源引入到熔化的玻璃液中的。大多数气体在熔融初级阶段逃逸，但是有些成为熔体的入物。有些捕集的气体溶解于玻璃中，而另外一部分则形成所谓气泡或“灰泡”的离散气体包含物，如果这种气泡以过高浓度存在于产品玻璃中，它将是有害的。如果在所谓“精炼”或“澄清”的玻璃生产操作工序中给予足够的时间，这种气体包含物将上升到表面从熔融玻璃中排除。通常在澄清区提供高温通过降低熔体粘度和增大气泡直径来促进气体包含物的上升和排除。在澄清阶段所采用的高温所需的能量和为气体包含物从熔体中排除提供足够的时间所需的大熔化室是玻璃制造过程中的主要花费。因此，人们所希望的是改进澄清方法以降低这些花费。

众所周知减压会有助于澄清过程的进行，方法是通过降低所包含的气体物质分压从而增大熔体内气泡的体积以加速它们上升到表面。提供常规澄清室规模的密封容器以使在其中抽真空是不实用的， 使真空澄清的使用只限于相当小规模多次操作，如1，564，235;2，781，411;2，877，280;3，338，694和3，442，622号美国专利中所公开的那样。

已有人提出连续真空澄清方法，但是由于各种缺点，没有被玻璃的大规模连续生产所接受。在805，139;1，598，308和3，519，422号美国专利中所示的连续真空澄清方案中，一个主要的缺点是由于压力的不同必需具有进出真空区的相当窄的垂直通道。这些通道使这些容器，特别是要求密封墙的容器的结构复杂化，增加了物质通过量与杂质耐火材料的接触面积，以及显著增加了对物料流的粘滞阻力。人们可以注意到即使在适度的真空度下，需要使玻璃的实际高度平衡。改变这一系统生产量也是个问题，特别对粘滞阻力因素。由于改变要生产的产品和影响所要求的生产率的经济因素，易变性在连续工业生产中是重要的。在上述三个专利的每个中，为提高通过真空区通道的流速的驱动力只能通过增加真空区上流的熔体对真空区下流熔体的相对深度来提供。在这些系统中，由于固有的粘带阻力性质，从而增大了这种水平差的值。因为在熔体表面高度发生侧墙的加速侵蚀，所以显著改变熔体的液面高度会加重侵蚀，而这种侵蚀还会降低产品玻璃的质量。

在3，429，684号美国专利中示出了一个比较简单的结构，其中配合料通过一真空阀喂入，并在垂直的细长真空室的顶部熔化。在那种方案中改变生产量似乎需要改变真空室中所采用的真空度，这样将不利地改变所获得的澄清程度。在真空室内熔化原料是那种方案的另一缺点，有如下三种原因：第一，在真空条件下进行原料的最初分解将会产生大体积的泡沫，这就需要一个足以容纳这种泡沫的大容器。第二，存在原料可能沿一个短循环路线进入输出流的危险，因此来不及充分熔化或澄清。第三，在真空容器中进行初始阶段的熔化和加热熔融体至澄清温度需要向该容器中的熔体提供大量的热量。这样大的热量输入到这种容器中自然会导致熔体的对流，从而加剧炉墙的侵蚀，而这种侵蚀又会导致澄清产物流的污染。

4，195，982号美国专利公开了，开始使玻璃在高压下熔化，然后在一个分立的室内于较低压力下使该玻璃澄清。两个室都加热。

4，110，098号美国专利公开了，一种人为地使玻璃发泡以有助于澄清的方法。这种发泡是在大气压下通过强热或化学发泡剂来引发的。

任何规模的连续或分批的真空澄清中所遇到的一个问题是往往产生大量的泡沫，特别是在较低的压力下。所以必须在液体容器的上部提供一个大空间以容纳这种泡沫。由于这个顶部空间还必须保持气密，所以它的建造可能是一个突出的经济缺点，特别是在大规模生产过程中。因此，这种泡沫就成了可以利用的真空度的一个限制因素。理想的是消除真空澄清过程中的这种限制，并且不会产生大的资本花费。

3，350，185号美国专利公开了在大气压下在玻璃熔融过程中破灭泡沫的工艺方法，此法是在工艺过程中突然改变燃烧过程的氧化或还原条件，以使泡沫破灭。

本发明涉及到玻璃真空澄清，或者如美国专利申请系列号815，494（1986年1月2日申请的）所公开那样的工艺改进。该工艺包括将熔融材料通到一个垂直细长的真空室中。一个有利的方面是：通过给予来自真空室的澄清上流所需的全部或大部分热能，因在真空室中进行澄清只需少量的热能或不需热能。供入材料的热含量本身基本上足以维持真空室中所需的温度。然而已经发现，为了加速泡沫破灭，在真空室的顶部空间提供辅助加热是有利的。可以相信，集中在真空室顶部的泡沫层往往引起上部空间与下部熔体热量的隔绝。并且供入物流在上部空间中暂短的停滞时间可能向上部空间提供极少的热量。所以可以相信，上部空间往往是相当冷的，其结果各部分的泡沫往往是冷的，从而使得部分泡沫层的粘度较大，使那部分的破灭延缓。由此推理可知，如在顶部空间加热，由于温度升高，降低泡沫的粘度能加速其破灭。当采用燃烧热源加热顶部空间时，由于各种燃烧气体撞击泡沫的泡膜还能机械地增大泡沫破灭的速率。

本发明的一部分是一新发现，即在真空澄清室降压时燃烧热源可得到控制，其降压速率要足以完成本发明的目的，而不严重地影响真空室内所需负压的维持能力。并且，已经发现，在负压的环境中火焰是容易维持的。

在一操作方案中，通过采用一种热源可以达到附加的有利条件，此种热源不产生在澄清过程中要从熔体中排出气体这样的燃烧物。换句话说，这种 方法对于维持顶部空间（从熔体中澄清出来的任何物质均来到此空间）尽可能低的分压是有利的。对于玻璃来说，排除氮和二氧化碳通常是澄清过程的主要目的。所以，对于燃烧器火焰采用富氧的燃烧（最好基本上是纯氧）来加热真空室的顶部空间是有利的，以减少或消除向真空室中引入氮。另外，如果用氧代替一部分或全部空气以供燃烧，生成的废气体积要大量地减少，因而减少了真空系统的负荷。为了避免碳的氧化物加入到顶部空间的大气中，燃烧器可用含碳低或不含碳的燃料例如氢与氧的燃烧是特别有利的，因为燃烧产物只有水汽。由于水汽在玻璃中溶解度相当高，在玻璃澄清过程中往往不需要排除水。而且，在真空系统中冷凝水汽的能力实际上消除了由于顶部空间燃烧器给与真空泵的任何附加负荷。另一方法是采用等离子喷灯加热顶部空间。等离子喷灯能用相当小体积的载气产生大量的热输出。并且，载气可以从多种气体中选择，如水蒸汽，氢，氧，或惰性气体如氦等。

图1为按本发明的最佳实施例熔融操作的三个阶段的垂直剖面图，其中包括液化阶段，溶解阶段，真空澄清阶段。

图2为具有气相冷凝装置的真空系统的缩小比例的简图。

通过特别适于熔化玻璃和相似的玻璃态材料的方法和设备对本发明进行详细叙述，但必须了解，本发明也适用于其他各种材料加工。

虽然不限于此，本发明与前述的美国专利申请系列号815，494（1986年1月2日提出申请的）公开的真空澄清系统联合使用是有利的。在该系统的最佳实施方案中，熔融材料被加到一个负压下的空间以引起泡沫，它最后破灭。大幅度增加泡沫表面积在减压条件下促使气体从材料中排出。当气压恢复时，溶解在熔体中的气体浓度是低于饱和状态，所以不太可能集结成气泡或灰泡。由于本法中有效的发生泡沫加速了泡沫的破灭，有利于增加产量。

在最佳的实施方案中，配合料首先在该过程特定采用的阶段被液化，液化料被转移到第二阶段，在此处固体颗粒基本完全溶解并且材料的温度可以升高到适于澄清的温度。然后，将熔融的材料通到真空室。其结果熔融产生的大部气体副产品在材料到真空之前被排除掉，而且将最大气体释放区域与澄清区分开，因此，经历早期熔融阶段的材料不可能与经历澄清的熔体部分相混合。因为熔化所需大部或全部热量在材料进入真空澄清阶段之前已得到了满足，并且因为澄清阶段的加热因之基本上能避免，在澄清区域中熔体的过度对流也可以避免。因此，容器腐蚀减少，并且熔体的未完全澄清部分与较好澄清部分混合的可能性也减少。在最佳的实施方案中，澄清阶段的进料是在适于澄清的温度下进行，而因之并不需要或极少地向澄清容器供热。然而，在本发明中，真空室顶部空间加热手段可用于补偿通过容器墙壁的特别是较高的部位的热损失，以便基本上维持至少在澄清阶段进口部位物料的温度。

在优选的真空澄清装置中，液化料通过阀门设备计量地供入真空室的上端，而且澄清熔体借助另一个阀门装置通过真空室的较低端。真空室中维持的液体高度最好至少稍稍大于使真空均衡所需的液体高度。因此，产率可以借助阀门来控制，不必改变真空室中的压力，也不必改变真空室中液面高度。相反地，可以采用一定范围内的真空压力而不会改变产率。除阀门之外，此系统对流经于它的熔融材料的流动产生相当低的阻力。

真空澄清室的最佳造型是垂直细长的容器，最方便的是竖式圆筒形。将液化料引入到保持在容器的熔融材料之上的顶部空间。当它遇到顶部空间减压时，由于溶解在材料中的气体释放以及材料中气泡和灰泡的变大，至少有相当大的部分材料发泡。产生的泡沫暴露在减压条件下的表面积大大增加，因而有助于气体物质从液相中排除。在保持容器中的熔池之上产生泡沫而不是从熔池中产生泡沫，这有利于泡沫破灭并有助于气体逃逸。还发现，将新产生的泡沫沉积在泡沫层之上促进泡沫的破灭。垂直细长的几何形状的另一优点是在顶部产生泡沫和从底上排出产物，所有物质的输送都远离泡沫区，因而不大可能使任何泡沫包入产物流中。在减压条件下，从熔体中放出的气体使溶解在熔体中气体的浓度减少到低于大气压下的饱和点。当熔融的材料继续下流至底上的出口时，由于容器中熔体的深度造成的增压，使得剩余的气体继续溶解，并且将可能残留的任何细小的灰泡的体积减小。当材料继续向出口运动时，由于允许温度降低也可能有助于气体的溶解。

在玻璃的常规熔融过程中，包括在配合料中的硫酸钠或硫酸钙或其他硫的来源均有助于熔融和澄清过程。当用真空法澄清时，已经发现在熔体中硫化合物的存在是一个问题，这是由于它会引发大量体积的泡沫并且由于能腐蚀真空澄清容器的陶瓷耐火墙壁。然而，玻璃的有效熔融和澄清如不用硫的化合物，迄今为止仍很困难。最佳的真空澄清方案还有另一个优越方面，即可以少用或不用硫的情况下熔化并澄清为高质量的玻璃。在本发明中这是很容易作到的，因为熔化和澄清步骤可以独立分阶段进行，因之每个阶段均可采用最低量的硫或不用硫来实现。

参见图1，本发明的全部熔化过程最好由下列三个熔化阶段组成：液化阶段10、溶解阶段11和真空澄清阶段12。各种不同的设备均可用在液化阶段10的初始熔化，但是，一种过程的独立阶段并能经济地进行操作的高效设备在4，381，943号美国专利中已经公开，将其内容结合在此作为优选液化阶段实施方案的细节的参考。这种液化容器的基本结构为转筒15，它可以是钢制的，一般具有圆筒状侧壁部分、开顶、底部除排出口外是封闭的。将转筒15安装在可旋转的垂直轴上，例如，通过装在许多支撑辊17，并用许多定位辊18固定的可转动的环形支承轴承16来实现。通过上盖结构20在转筒15中形成基本封闭的空腔，例如该上盖结构借助环形框架21成为固定支承。这种上盖20可以用耐火材料制造，并可以采用耐火材料窑炉结构技术中可能熟知的各种形式。在附图中画出的结构为向上的圆顶起拱结构，这种起拱结构是由许多耐火砖构成的。应该明白这种盖可以采用整体的或平吊式设计。

用来液化配合料的热量可以用通过上盖20的一个或多个喷嘴22提供，最好是环绕上盖周围安装若干个喷嘴以使它们的火焰直接指向转筒内大面积物料。最好用水冷却这些喷嘴以保护它们免受容器内苛刻环境的影响。废气可以通过盖上的开口23从液化容器内部排出。最好如在4，519，814号美国专利中公开的那样，可以利用废气中的废热来预热阶段（未示出）中的配合料。

可以通过滑槽24将配合料（最好是粉末状的）喂入液化容器的空腔中，在实施方案中所画的滑槽穿过排气口23。进料滑槽设备的详细内容可参见4，529，428号美国专利。喂料滑槽24紧密地端接到转筒10的侧墙附近，由此，使配合料沉积到转筒的内部侧墙上。借助于转筒的转动使配合料层25保持在转筒10的内墙上，并且该层起到绝热衬里的作用。当衬里25表面上的配合料受到空腔内热量的作用时，它形成液化层26，该液化层沿倾斜衬里流下至容器底部的中心排出口。在该出口处可以装上陶质耐火材料衬套27。液化物料流28自由地从液化容器通过开口29流到第二阶段11。

可以称第二阶段为溶解容器，因为它的功能之一就是将离开液化容器10的液化流28中残留的未熔化的配合料颗粒完全溶解。在那一部位液化物料一般仅仅是部分熔化，其中包括未熔化的砂粒和大量的气相。在使用碳酸盐配合料和硫酸盐作澄清剂的典型Na2O-CaO-SiO2玻璃的熔化过程中，气相主要包括碳的氧化物和硫的氧化物。在捕集的空气中也可有氮气。

液解容器11起着完成来自第一阶段的液化物料中的未熔化颗粒的溶解作用，该作用是通过在与下流澄清阶段的独立区域上提供滞留时间来实现的。Na2O-CaO-SiO2玻璃配合料一般在约2100°F（1150℃）到2200°F（1200℃）液化，并且它进入溶解容器11时温度约为2100°F（1150℃）到2400°F（1320℃），当提供足够的滞留时间时，在此温度下残留的未熔化颗粒通常被溶解。所示的溶解容器11为具有耐火材料顶部31，以及一端是进料口和另一端为出料口的水平细长的耐火材料溶池30以便保证有足够的滞留时间。该溶解容器的熔融物料的深度可以相当浅，以便阻止物料的循环。

尽管大量热能的加入对于完成溶解步骤是不必要的，但是，加热可以促进该过程的进行，从而可以缩小溶解容器11的尺寸。而更重要地，最好在溶解阶段加热物料，以便升高其温度为下一步的澄清阶段作准备。使澄清温度最大化有利于降低玻璃的粘度和增加所含气体的蒸汽压。一般认为对于澄清Na2O-CaO-SiO2玻璃约2800°F（1520℃）的温度为宜，但是，当采用真空手段促进澄清时，可以使用较低峰值澄清温度，而不会降低产品质量。可以降低的温度值取决于所采用的真空底。因此，按本发明在真空条件下进行澄清时，不必将玻 璃的温度提高到2700°F（1480℃）以上，例如，最好不超过2600°F（1430℃），最好澄清以前温度不高于2500°F（1370℃）。峰值温度降低到这一水平导致耐火材料容器的寿命显著延长，同时也节省了能量。进入到溶解容器的液化物料只需要适当地加热制备用于澄清的熔融物料。在溶解阶段11中可以使用燃烧热源，但是，已经发现这阶段特别适合于电加热，因此，如图所示可以通过侧墙在水平延长方向提供若干个电极32。在常规采用电熔化玻璃的技术中，借助玻璃液本身对通过两电极之间的电流阻力而产生热量。电极32可以是本领域技术人员熟知的碳或钼电极。在溶解器中可以设置档渣墙33以防止任何漂浮物料接近出口端。

控制从溶解阶段11到澄清阶段12的物料流的阀门是由一个与排出管36轴向对准的柱塞35组成。柱塞杆37穿过溶解容器的上顶31，以便能够控制柱塞35与管36之间的缝隙，由此来调节进入澄清阶段的物料流速，阀门管36可用耐高温金属，如白金，制造，并严密封接在澄清容器上端孔44内。虽然阀门装置是优选的，但是也可以采用该领域熟知的其它设备来控制熔融物料进入澄清阶段的流速。一个例子是可以使用与排出管相联结的加热和/或冷却装置以便调节在管中通过的熔融物料的粘度，以及由此来调节熔融物料通过排出管的流速。

澄清阶段12最好是由一个垂直向上的容器组成，它一般具有内部陶质耐火材料衬里40，并装有气密水冷壳的圆形容器。耐火材料可以是该技术领域所熟知的氧化铝-氧化锆-氧化硅型。其中的壳可能包括一双层墙，即具有环形水通道的圆筒形侧墙41和循环端冷却装置42和43。可用任何适当冷却设备，衬里40和套管41之间可以提供一绝热层（未示出）。

当熔融物料通过管36遇到澄清容器内的减压条件时，熔体中所包含的气体体积发生膨胀，产生泡沫层50并保持在液体51上。当泡沫破灭时，它就被并入液体51中。通过贯穿该容器上部的真空导管52可以在该澄清容器内建立起负压。

导管54伸入澄清容器的顶部，当需要加入灭泡剂时，可通过它把灭泡剂导入容器中。最佳的灭泡剂是水，可以连续地或间歇地将它喷淋在泡沫上。

将澄清了的熔融物料从澄清容器12的底部通过耐高温金属（如铂）排出管55排出。排出管55最好高出按装它的耐火材料底56的上表面以防止任何杂质进入输出流。底56可以制成邻近管55处，其厚度较小，以便降低对管的绝热作用，由此，能够提高管的温度来防止管内物料的凝固。用底56下面的水冷装置57来防止管周围的渗漏。熔融物料从排出管55的流出速度是通过装在杆59的一端的圆锥形节流阀58来控制。杆59是与机械装置（未示出）相连以调节节流阀58的标高，从而调节节流阀与管55之间缝隙来控制其流速。澄清的物料的熔体流60从澄清容器的底部自由地流下，它也可以通过成型位置（未示出），在此可将其成型为所需的产品。例如，可以使澄清了的玻璃通过浮法玻璃成型室，在该成型室中，熔融玻璃在一个熔融金属池上浮过来形成平板玻璃。

虽然可以采用各种形状的澄清容器，但是，澄清容器最好为圆筒形。圆筒形有利于构成气密容器。它的环形横截面也使得内表面的接触玻璃面对体积的比例最小。与常规的平炉型循环澄清部相比，本发明的圆筒形真空澄清容器的耐火材料接触面仅是前者的一小部分。

在澄清室12中保持的熔融物料51的高度决定于在该室中所用的真空度。由液体高度所产生的压头必需足以在排出口处建立一个等于或大于大气压的压力以便使物料从该室中自动流出。这个高度取决于熔融物料的比重，在澄清温度下Na2O-CaO-SiO2玻璃的比重约为2.3。要求超过补偿真空所需的最小高度，希望考虑大气压的波动，允许真空度的改变，以及保证物流稳定地流出出口。在本发明的优选实施方案中，提供了大大超限的高度，以便出口流速不决定于真空压力，而由机械阀门装置，这样安排可使流速和真空压力能够相互独立地改变。另一方面，如果在出口处安装用来克服压力差的泵装置，出口处的压力可以低于大气压。用于熔融玻璃的泵的例子公开于4，083，711号美国专利中，将其公开内容结合在此以供参考。

真空对澄清过程的有利作用是逐渐地达到的;压力越低，有利作用越大。将压力降到稍低于大气压就可以产生可测量的改进，但是，从经济角度评价真空室，最好采用充分降压的方法，因此，为了 对Na2O-CaO-SiO2平板玻璃的澄清有明显改进，优选采用不大于一半大气压的压力，用1/3或更低的大气压得到更好结果。将标准透明的Na2O-CaO-SiO2平板玻璃组合物在绝对压力为100乇下澄清，生产出的产品中每100立方厘米含有一个灰泡，这已达到许多玻璃产品可接受的质量水平。要生产1000-10000立方厘米中约含一个灰泡这样质量的商业浮法玻璃其澄清压力最好低于100乇，例如20-50乇°一般认为直径小于0.01毫米的灰泡是看不见的。因此不包括在灰泡数量中。

如图1所示，本发明的顶部空间加热设备可以采用燃烧器53的形式，燃烧器53是通过顶部冷却器42插入澄清容器12中。燃烧器最好具有水冷却套以延长其使用寿命。虽然泡沫破灭的准确机理尚不完全了解，但从理论上讲，来自燃烧器的热量降低了泡沫的粘度并增大了气泡的体积，此二原因均能导致泡沫的气泡破灭。当在足够高的火焰速度下操作时，火焰撞击在气泡上可能造成泡沫气泡的破灭。当排出管36是用白金制造时，最好采用气化性火焰以免损坏白金。如果在真空容器的顶部空间并无白金器件时最好采用还原性火焰，因为它有更大地使泡沫破灭的趋向性。

为避免从燃烧的空气中向系统中引入氮气，最好燃烧器53用氧化燃烧。可能带入到玻璃中的氮由于它在熔融玻璃中溶解度相当低，因而具有相当高的有害潜力。如果也希望避免玻璃中另一种气泡来源-二氧化碳的话，那么可以采用氢作为燃料。水是氢和氧燃烧的产物，它在熔融的玻璃中有相当高的溶解度。也需避免二氧化碳，因为在熔体中降低二氧化碳的浓度是澄清步骤的一般课题，所以希望在澄清器顶部空间内维持的二氧化碳分压越低越好。另一方面，从熔体中排除水一般地说是无关紧要的。而且，当以等离子喷灯代替燃烧器53时，所用的载气应该是相当可溶于玻璃中的气体，诸如：水蒸汽或氦气，氧和/或氢也可用作等离子的载气。等离子喷灯是广为人知的技术，4，545，798号美国专利中有举例，本文将其披露的例子引来作为参考。

燃烧器53燃烧的可冷凝产物可从真空室气流中通过导管52排除，以便减小真空泵必须抽取的气体体积，又易获得较低的压力。当废气大部分是水蒸汽时，如燃烧器53用氢和氧时，水泡的凝结是非常有用的，因为凝结之后所残留的气体体积是非常小的。可以采用一般的冷阱装置，其中的一例图示于图2中，图中，废气导管52具有水套67以保护用来导热气的气体导管61。可采用一般具有外壳和导管的热交换器62以冷却废气。在所叙述的装置中，冷却水通过外壳以冷却通过导管的气体。气体在真空系统中存在的压力下被冷却到水的露点，因而水蒸汽从气体中冷凝出来。冷凝的水和任何残存的气体流入捕集室63，而气体由该室流向真空泵64，同时，水排泻到垂直延伸到收集容器66中的等压柱65中或排除掉。如果在热交换器表面发生有足够数量的固体沉积时，使气体向上流过热交换器是有利的，以便冷凝水向下流将来自热交换器入口端的沉积物进行冲洗。

象硫化物或氟化物之类的助熔和澄清剂通常包括于玻璃配合料中而产生大部分的不合乎理想的辐射物，它来自玻璃熔炉的废气中。希望消除它们而达到最高质量水平，特别对于平板玻璃标准品来说，认为这些助剂的使用是必要的。另外，发现含硫的原料（如，硫酸钠、硫酸钙）在真空下会产生过量的泡沫。一般，在平板玻璃配合料中每1000重量份二氧化硅原料（砂子）加5-15重量份左右的硫酸钠。为保证充分澄清认为加10重量份左右是合乎需要的。但是，当按本发明操作时，发现，最好将硫酸钠的数量限制到两重量份以保证泡沫量易于控制，还发现澄清没有受到不利影响，最可取的是每1000重量份砂子用不多于一重量份的硫酸钠，使用半个重量份的硫酸钠是一个特别有利的例子。这些重量比都是对硫酸钠而言的，但很明显可以通过分子量比将它们转换成其它硫原料的比例。由于微量的硫化物常常存在于典型的矿物源配合料中，而通常引起一些硫被引入熔体中，所以不为加入任何硫源物质也是可行的。

对工艺中的那些技巧的已知的各种改变均包括到如下所述的权利要求限定的发明范围内。