用于监测和控制锡槽的方法
阅读说明：本技术 用于监测和控制锡槽的方法 (Method for monitoring and controlling a tin bath ) 是由 R·J·亨德肖特 何亮 M·J·加拉赫尔 R·高希 于 2020-03-20 设计创作，主要内容包括：一种控制锡槽炉中生产的玻璃制品中的缺陷的方法,包含测量与锡槽炉相关联的气氛的至少一个参数,其中参数选自由露点和密度组成的群组；将测量的参数与玻璃制品中的缺陷相关联；以及通过控制工艺气体相对于炉的流速,在对应于玻璃制品中的缺陷减少的方向上控制测量的参数,其中工艺气体包含氢气和氮气中的一种或多种。(A method of controlling defects in glass articles produced in a tin bath furnace, comprising measuring at least one parameter of an atmosphere associated with the tin bath furnace, wherein the parameter is selected from the group consisting of dew point and density; correlating the measured parameter with a defect in the glass article; and controlling the measured parameter in a direction corresponding to a reduction in defects in the glass article by controlling a flow rate of a process gas relative to the furnace, wherein the process gas comprises one or more of hydrogen and nitrogen.)
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年3月20日提交的美国临时专利申请第62/821,363号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
过去已在锡槽气氛中使用了测量。例如，西门子的一个商业系统测量了O2、H2和露点，CN106977080A讨论了使用H2和O2传感器控制气氛。此外，与在锡槽气氛中使用H2/N2相关的专利至少可以追溯到1967年(参见，例如，US 3,337,322)。另参见Glass Technol.:Eur.J.Glass Sci.Technol.A,2012年12月,53(6),261-272,《浮法玻璃生产中所用锡槽中氧气的行为(Behavior of oxygen in the tin bath used in float glassproduction)》。
然而，尽管使用H2和N2的历史悠久，测量系统和方法的营销也很成功，但在控制气氛从而最大限度地减少玻璃缺陷的发生方面仍然存在挑战。这些挑战源于购买在线分析设备的成本以及将测量结果与所发生的缺陷相关联的挑战。本发明力图克服这些挑战。
发明内容
方面1.一种控制锡槽炉气氛的方法，包括：测量与所述炉相关联的气氛的密度；测量与所述炉相关联的所述气氛的第二参数，其中所述第二参数选自：氧气浓度和露点；将所述测量的密度和所述测量的第二参数与所述玻璃成品中的缺陷相关联；以及控制工艺气体相对于所述炉的流速，其中所述工艺气体包含氢气和氮气中的一种或多种。
方面2.根据方面1所述的方法，其中所述受控流速选自：进入所述炉的工艺气体的流速和从所述炉排出的气体的流速。
方面3.根据方面1所述的方法，其中所述气氛在所述炉内。
方面4.根据方面1所述的方法，其中所述气氛是来自所述炉的排气流。
方面5.根据方面1所述的方法，其中所述气氛是从所述炉排出并且再循环回到所述炉中的循环气。
方面6.根据方面1所述的方法，其中所述气氛是进入所述炉的气流。
方面7.根据方面1所述的方法，进一步包括：通过考虑进气、炉气和排气的一种或多种条件之间的差异来优化炉气使用。
方面8.根据方面7所述的方法，进一步包括：确定所述炉气和所述排气之间的组分浓度差异；以及当所述差异较大时，增加进气流量。
方面9.根据方面7所述的方法，进一步包括：从所述炉中提取未净化的循环气；清洁所述未净化的循环气以产生净化的循环气；将所述净化的循环气与进气混合；使所述进气和所述净化的循环气的所述混合物流入所述炉内；确定所述未净化的循环气和所述净化的循环气之间的组分浓度差异；以及当所述差异较大时，增加进气流量。
方面10.根据方面4所述的方法，进一步包括：测量所述排气流中的压差和温差；以及根据所述测量的压差和所述测量的温差，确定排气流向和排气流速。
方面11.根据方面3所述的方法，进一步包括：测量所述炉中的压差；以及根据所述测量的压差，确定炉流方向。
方面12.一种控制锡槽炉气氛的方法，包括：测量锡槽内熔融锡的氧化还原状态；测量与所述炉相关联的气氛的密度；将所述氧化还原状态和所述测量的密度与所述玻璃成品中的缺陷相关联；以及控制工艺气体相对于所述炉的流速，其中所述工艺气体包含氢气和氮气中的一种或多种。
方面13.一种控制锡槽炉气氛的方法，包括：测量锡槽的入口熔融玻璃温度；测量与所述炉相关联的气氛的第二参数，其中所述第二参数选自：氧气浓度和露点；将所述锡槽的所述入口熔融玻璃温度和所述测量的第二参数与所述玻璃成品中的缺陷相关联；以及控制所述锡槽中的局部温度和/或所述玻璃熔炉中的上游玻璃温度。
方面14.一种控制锡槽炉气氛的方法，包括：测量与所述炉相关联的气氛的密度；测量所述气氛中的硫化氢浓度；将所述测量的密度和硫化氢浓度与所述玻璃成品中的缺陷相关联；以及控制来自所述炉的排气流，以最大限度地减少来自所述气氛中蒸发的硫物质。
方面15.一种控制在锡槽炉中生产的玻璃制品中的缺陷的方法，包括：测量与所述锡槽炉相关联的气氛的露点；将所述测量的露点与所述玻璃制品中的缺陷相关联；以及通过控制工艺气体相对于所述炉的流速，在对应于所述玻璃制品中缺陷减少的方向上控制所述露点，其中所述露点对应于所述气氛中的水蒸气浓度，并且其中所述工艺气体包含氢气和氮气中的一种或多种。
方面16.根据方面15所述的方法，进一步包括：测量与所述炉相关联的所述气氛的密度，其中所述测量的密度对应于所述气氛中的氢气浓度；以及除了控制所述露点外，还通过控制所述工艺气体相对于所述炉的流速，在对应于所述玻璃制品中缺陷减少的方向上控制所述气氛中氢气与水蒸气浓度的比率。
方面17.根据方面15或方面16所述的方法，其中控制所述工艺气体的所述流速导致所述气氛的所述露点降低。
方面18.根据方面17所述的方法，其中控制所述工艺气体的所述流速导致所述气氛中的所述氢气浓度降低。
方面19.根据方面15至18中任一项所述的方法，进一步包括：将玻璃生产的线速度与所述玻璃制品中的缺陷相关联；以及在对应于所述玻璃制品中缺陷减少的方向上控制所述工艺气体的所述流速。
方面20.根据方面15至19中任一项所述的方法，进一步包括：周期性地改变所述锡槽炉中正在生产的所述玻璃制品的带宽。
方面21.根据方面20所述的方法，其中通过减小所述带宽来完成所述带宽的改变。
方面22.一种控制在锡槽炉中生产的玻璃制品中的缺陷的方法，包括：测量与所述锡槽炉相关联的气氛的至少一个参数，其中所述参数选自由露点和密度组成的群组；将所述测量的参数与所述玻璃制品中的缺陷相关联；以及通过控制工艺气体相对于所述炉的流速，在对应于所述玻璃制品中缺陷减少的方向上控制所述测量的参数，其中所述工艺气体包含氢气和氮气中的一种或多种。
方面23.根据方面22所述的方法，其中所述一个参数是露点，并且其中所述露点对应于所述气氛中的水蒸气浓度。
方面24.根据方面22所述的方法，其中所述一个参数是密度，并且其中所述密度对应于所述气氛中的氢气浓度。
方面25.根据方面22所述的方法，其中所述一个参数是密度，并且其中所述密度对应于所述气氛中指示氧气泄漏到所述炉中的气体成分。
方面26.根据方面23所述的方法，进一步包括：测量与所述炉相关联的所述气氛的密度，其中所述测量的密度对应于所述气氛中的氢气浓度；除了控制所述露点外，通过控制所述工艺气体相对于所述炉的所述流速，在对应于所述玻璃制品中缺陷减少的方向上，控制所述气氛中氢气与水蒸气浓度的比率。
方面27.根据方面23所述的方法，进一步包括：测量与所述炉相关联的所述气氛的密度，其中所述测量的密度对应于所述气氛中指示氧气泄漏到所述炉中的气体成分；以及除了控制所述露点外，还通过控制所述工艺气体相对于所述炉的所述流速，在对应于所述玻璃制品中缺陷减少的方向上，控制所述气氛中的气体成分。
方面28.根据方面22、23、26和27中任一项所述的方法，其中控制所述工艺气体的所述流速导致所述气氛的所述露点降低。
方面29.根据方面22、24和26中任一项所述的方法，其中控制所述工艺气体的所述流速导致所述气氛中的所述氢气浓度增加。
方面30.根据方面22、25和27中任一项所述的方法，其中控制所述工艺气体的所述流速导致所述气氛中的所述氧气浓度降低。
方面31.根据方面22至30中任一项所述的方法，进一步包括：将玻璃生产的线速度与所述玻璃制品中的缺陷相关联；以及在对应于所述玻璃制品中缺陷水平降低的方向上，控制所述工艺气体线速度的所述流速低于对应于可接受的值。
方面32.根据方面22至31中任一项所述的方法，其中所述受控流速选自：进入所述炉的工艺气体的流速和从所述炉排出的气体的流速。
方面33.根据权利要求22至32中任一项所述的方法，其中所述气氛在所述炉内。
方面34.根据方面22至33中任一项所述的方法，其中所述气氛是来自所述炉的排气流。
方面35.根据方面2至34中任一项所述的方法，其中所述气氛是从所述炉排出并且再循环回到所述炉中的循环气。
方面36.根据方面22至35中任一项所述的方法，其中所述气氛是进入所述炉的气流。
方面37.根据方面22至36中任一项所述的方法，进一步包括：通过考虑进气、炉气和排气的一种或多种条件之间的差异来优化炉气使用。
方面38.根据方面37所述的方法，进一步包括：确定所述炉气和所述排气之间的组分浓度差异；以及当所述差异较大时，增加进气流量。
方面39.根据方面37所述的方法，进一步包括：从所述炉中提取未净化的循环气；清洁所述未净化的循环气以产生净化的循环气；将所述净化的循环气与进气混合；使所述进气和所述净化的循环气的所述混合物流入所述炉内；确定所述未净化的循环气和所述净化的循环气之间的组分浓度差异；以及当所述差异较大时，增加进气流量。
方面40.根据方面33所述的方法，进一步包括：测量所述炉中的压差；以及根据所述测量的压差，确定炉流方向。
方面41.根据方面34所述的方法，进一步包括：测量所述排气流中的压差和温差；以及根据所述测量的压差和所述测量的温差，确定排气流向和排气流速。
附图说明
下面将结合附图描述本发明，其中相似的数字表示相似的元件：
图1是锡槽的示意图，示出了如本文所述的用于监测和控制锡槽的系统和方法的实施例。
图2是锡槽的示意图，示出了如本文所述的用于监测和控制锡槽的系统和方法的实施例。
图3是锡槽的示意图，示出了如本文所述的用于监测和控制锡槽的系统和方法的实施例。
图4是锡槽的示意图，示出了如本文所述的用于监测和控制锡槽的系统和方法的实施例。
图5示出了熔融锡槽中的O2电势(以ppm O2测量)与玻璃上方的气氛露点之间的相关性，以及与玻璃槽上方的气氛O2测量缺乏相关性的图。带有小三角形符号的图中的顶线是锡槽中指示的O2浓度，带有开口圆符号的图中的中间线是玻璃槽上方位置的露点，并且带有小方块符号的图中的底线是锡槽上方气氛中的O2浓度。
图6示出了玻璃上方露点与玻璃中缺陷之间关系，并且示出了保持一致低露点的益处的图。
图7示出了线速度(玻璃制品的生产速率)和玻璃缺陷之间的关系，并且示出了线速度变化是影响缺陷(暂时的)的一个因素，并且线速度和缺陷之间存在正相关关系的图。
图8示出了带宽、露点、锡中的O2与玻璃中的缺陷之间的关系，并且示出了在带宽减小之后，锡中的O2和露点立即减少，缺陷也同样减少的图。
图9示出了玻璃表面附近的H2/H2O比率(上图)与玻璃中的缺陷(下图)之间的相关性的一对图，并且示出了当H2/H2O比率较低时，缺陷的发生率较大。
图10示出了用于制造玻璃的锡槽工艺的重要方面的现有技术图。
具体实施方式
参考图10，在浮法玻璃行业，众所周知，锡槽炉中的氧气会对玻璃质量产生负面影响。锡槽炉中的氧气源通常是由于炉泄漏或来自玻璃本身的氧气。
锡槽上方气氛中的氢气(H2)可有助于防止由于炉泄漏导致的氧气氧化锡槽，并且由于氢气的存在与氧气反应，在锡槽上方气氛中产生水蒸气(H2O)。
玻璃中的氧气可与(a)玻璃带顶面(锡槽上)气氛中的氢气反应，在气氛中生成H2O(即，2H2+O2->2H2O)；或与(b)玻璃带底面的锡反应，生成SnO2(固体)或SnO(气体)。
SnO2(固体二氧化锡)通常漂浮在锡表面上并移动到锡罐的近出口处，造成玻璃底面划伤或附着在玻璃底面上。
SnO(气态氧化锡)来自锡槽并进入气氛中。一旦上升到炉空间的顶部(远离锡槽的温度相对较低)近炉顶区域，就会发生2SnO->Sn+SnO2反应，生成物Sn和SnO2落向锡槽。SnO2也会被气氛中的氢气还原生成Sn，这也会生成Sn落向锡槽。
鉴于前述，在平面/浮法玻璃场所中的锡槽多次使用氮气(N2)和氢气(H2)的气氛来减少锡的氧化，从而减少成品玻璃上的缺陷。在本文实施气氛监测系统以与锡槽一起使用。通过从各种安装的传感器连续采集数据，该系统可监测和控制进入炉内的H2/N2混合物、炉内多处当前气氛成分、锡槽炉内的气氛流动方向以及排出炉的吹扫气体。
可通过使用各种方法来测量和控制H2/N2混合物成分，包含热导率或分子量(由标准方法诸如气相色谱计算或通过测量密度、压力和温度，然后使用公认的气体状态方程计算)。
可使用类似的方法测量锡槽气氛气体成分，并且附加参数可用于测量诸如露点或水浓度、O2浓度、H2S或其他硫化合物、锡槽金属和/或玻璃熔化温度、锡氧化还原状态和/或其他参数。温度和压力传感器安装在不同位置，以获得更好的锡槽炉气氛流动模式，主要通过从热端去除氧气，有助于进一步降低锡槽炉内的氧气水平。所有这些参数都可用于验证锡槽气氛是否运行在最佳条件下，并通过将气氛条件与成品玻璃的缺陷率相关联来确定锡槽气氛控制系统的最佳运行。
在排气位置，除了使用方法来验证气体的向外流动以减少空气通过任何排气口进入的可能性之外，还可进行与锡槽气氛类似的测量。气体的流动可通过使用标准公认的流向方法或压差或温差来验证，其中较高的上游压力或温度表明气体从锡槽气氛向外流动。
由于可用的气体采样口的数量和/或可能发生氧气泄漏的各个点的限制，仅通过锡槽气氛测量可能无法检测或预防氧气泄漏，因此无法检测或预防锡金属氧化。对此的一种补救措施是使用可调谐二极管激光器(TDL)，其跨越锡槽气氛的长度和/或宽度，并提供沿光束路径的浓度的线平均值。使用多个激光器可实现气氛条件的空间分辨率，因此可对气流进行空间控制。此外，有利的是包含锡氧化还原传感器，以在操作期间监测锡金属槽中的溶解氧含量并调节锡槽气氛流、成分和/或所需的排气，从而最大限度地减少锡金属氧化。
进入锡槽的玻璃的温度也可以是可用于优化锡槽排气或锡槽气体进气流的参数。例如，玻璃温度与锡槽气氛组分和/或玻璃熔体本身中溶解的气体成分(诸如氧气、水蒸气和/或硫物质)的溶解度相关，因此该温度也会影响锡槽操作和玻璃缺陷率。进入锡槽的玻璃温度不能在锡槽自身内控制，必须在上游玻璃熔炉和/或精炼区控制。因此，在整个玻璃熔化过程中，锡槽操作的最佳条件可能是与上游工艺相结合。
各种配置如图1至图4所示。为了清楚起见，并未示出所有可能的配置或测量位置，但是通过组合所示的选项，作为本发明一部分的不同配置可放在一起。例如，压差(dP)和温差(dT)测量仅在一个排气流处显示，但其中一项或两项可放在所有排气流处以收集所需信息。此外，如果图中示出了“测量”，其可以是对前面提到的选项中的所有选项的某些选项的测量。也可根据操作需要使用其他测量点。
图1示出了结合了几个特征的实施例，这些特征可单独或一起应用。锡槽炉具有玻璃流的方向。炉上的一个或多个测量位置可用于确定密度、一种或多种气体浓度、露点或其他相关参数。至少一个气流入口提供进入炉的氢气和氮气混合物流。每个进气流可包含测量位置以确定密度、一种或多种气体浓度、露点或其他相关参数。至少一个排气流允许废气排出炉。每个排气流可包含测量位置以确定密度、一种或多种气体浓度、露点或其他相关参数。
压差和/或温差测量可在各个点进行。对排气流的此类测量可指示流动方向和流速。炉和排气流之间或两个炉位置之间的此类测量可类似地指示流动方向和/或流速。
图2示出了还结合了几个特征的实施例，这些特征可单独或一起应用。图2与图1的不同之处在于公共集管供给进气流，从而减少了必要测量点的数量。
图3示出了还结合了几个特征的实施例，这些特征可单独或一起应用。图3与图2的不同之处在于增加了循环流。未净化的循环流从炉中提取，进行清洁转化为净化的循环流，然后循环回进气集管。未净化的循环气和净化的循环气中的测量位置可用于评估是否应该增加或减少进气流量。
图4示出了还结合了几个特征的实施例，这些特征可单独或一起应用。图4与图3的不同之处在于增加了对进气流中的至少一种进气流的流量控制。可根据前述测量的任何测量控制进气流量。
将收集到的信息与缺陷数据相结合，需要考虑气氛条件(包含输入、排气和循环条件)与缺陷步骤和缺陷观察之间的时间滞后。这可以使用标准的公认分析方法来完成。
一旦更好地理解了测量条件和缺陷之间的相关性，这些可用于控制目的，认识到最佳条件可以是以下项目的函数：玻璃成分、锡槽的条件和纯度、由于老化和其他条件引起的炉热损失、包含温度、压力和湿度在内的环境大气条件、N2和H2的纯度、气体注入温度、以及加热元件的条件和锡槽气氛中的温差。
进行实验，测量运行中的锡槽炉上的各种参数以更好地理解这些参数与玻璃中的缺陷之间的相关性，并确定可以控制哪些参数以便潜在地减少此类缺陷的发生。
图5示出了在操作期间对锡槽中的氧势(以ppm表示氧气浓度)、锡槽上方一致位置处的气氛露点以及同一位置锡槽上方气氛中的氧气浓度的测量。需注意的是，锡槽中的氧势难以测量，并且在测量时，传感器不会持续很长时间，因此需要找到另一个更易于测量的参数来表示该氧势。在这种情况下，可以看出锡槽上方气氛的露点与锡槽中的氧势有相当好的相关性，并且更容易在很长一段时间内一致地测量。因此，露点可单独使用或与一个或多个其他参数一起使用(见下文讨论)来控制玻璃中的缺陷。相比之下，锡槽上方气氛中的氧气浓度似乎与锡槽中的氧势没有特别好的相关性。
图6示出了在锡上方的气氛中测得的露点与玻璃中的缺陷之间的直接正相关关系。特别地，当露点降低时，缺陷也会减少，当露点升高时，缺陷也会增加。此外，当露点稳定时，缺陷也保持稳定。控制露点以产生低水平缺陷的一种方法是增加吹扫气体的流速以降低露点。
图7示出了线速度(即，通过系统的浮法玻璃生产的线性速率)和缺陷之间也存在直接的正相关关系。具体地，较快的线速度似乎会引起更多的缺陷，而线速度的增加会导致缺陷的增加。因此，保持恒定并且可能相对较低的线速度可能会引起较低的缺陷水平。需注意的是，线速度也可能与带宽成反比(下文讨论)。
图8示出了带宽(以及锡槽上方的气氛中的露点和锡槽中的氧气浓度)与玻璃缺陷之间存在直接正相关关系。更具体地，观察到玻璃缺陷随着带宽的变化而显著减少。在图的中心，随着锡槽中露点和氧气浓度降低，带宽减小，缺陷也急剧减少。但即使带宽增加(随着露点和锡槽中氧气浓度增加)，缺陷仍然很低。因此认为带宽的周期性变化可能有益于减少玻璃缺陷。这可能是由于锡槽的玻璃覆盖率会周期性降低，从而允许锡槽氧气水平再生。
图9示出了锡槽上方气氛中氢气与露点(水蒸气含量)的比率(即H2/H2O比率)的降低导致更高的缺陷，反之亦然。因此，保持相对较高的H2/H2O比率有助于将缺陷保持在较低水平。此外，控制H2/H2O比率，结合控制露点，可以成为控制玻璃缺陷的有效方法。
在锡槽附近和热端玻璃表面附近，H2/H2O比率控制氧气转化为水蒸气(即2H2+O2->2H2O)的反应速率，这有助于将氧气从锡槽和热端玻璃中带出。在炉顶附近，H2/H2O比率控制锡还原的反应速率(即SnO2+H2->锡+H2O)，这将固相SnO2还原为液态Sn，增加了玻璃制品顶面缺陷的可能性。在以减少玻璃缺陷为目标的浮法玻璃生产中，需要在锡槽附近的下部区域和热端玻璃表面附近将氧气转化为水蒸气，但在炉顶附近的上部区域不需要还原锡。因此，在这两个区域中，可能需要通过分别和精确地调节每个区域的工艺气体流入和/或流出炉(其中工艺气体流包含氮气和氢气中的一种或两种)来保持不同的H2/H2O比率。
此外，应当理解，当测量锡槽炉中的气氛密度时，该密度对应于气体成分，该气体成分可能不仅仅考虑氢气和氮气的浓度。特别地，测量的气体密度的增加可指示氧气泄漏到炉中。在此种情况下，可通过响应于流入或流出炉的工艺气体的改变增加密度，减少玻璃中的缺陷。特别地，增加炉中氢气的浓度，例如，通过去除一些由于指示泄漏而导致的过量氧气来增加进入炉内的氢气流量，从而减少玻璃缺陷。
虽然上面已经结合优选实施例描述了本发明的原理，但是应当清楚地理解，该描述仅作为示例而不作为对本发明范围的限制。