通过搅拌使玻璃熔体均化的方法及设备 技术领域
本发明涉及玻璃熔体的均化，具体地说，涉及用来生产具有低缺陷水平的高质量最终产品的玻璃熔体的均化。本发明的一个特别重要的应用是生产液晶显示器所用玻璃基片，如用于制造AMLCD的基片。
背景技术
玻璃中的化学均匀性和热均匀性是良好的成形操作的关键部分。玻璃熔炉的作用一般是生产具有可接受的气体或固体夹杂物含量的玻璃，但是这种玻璃通常具有不同化学相的条痕(或者称为条纹、铰眼)。母体玻璃的这些非均匀组分是由熔融过程中各种普遍发生的事件(包括耐火材料溶解、熔体分层、玻璃表面挥发和温差)造成的。所产生的条痕在母体玻璃中是可见的，因为颜色和/或折射指数有差异。
改善玻璃的均匀性地方法之一是使玻璃熔体通过位于熔炉后面的垂直取向的搅拌室。该搅拌室配备了具有一个中轴的搅拌器，所述中轴由适合的马达推动旋转。玻璃熔体在从搅拌室的顶部通向底部时，许多从中轴伸出的叶片就起混合玻璃熔体的作用。本发明涉及这种搅拌室的操作，具体地说，在该搅拌室中要达到高的通过量和混合效率，而不将缺陷(特别是在混合过程中搅拌室壁和/或搅拌器表面的腐蚀引起的缺陷)引入所得的玻璃。
描绘在层流条件下搅拌器行为的一种简单的方法，是考虑被具有所需的或母体组成的玻璃包围的偏离组成玻璃块发展为条痕的情况。各根条痕可以被认为在其与母体玻璃之间具有界面。玻璃总体不均匀性的一个衡量是所有条痕的总界面面积。当所有条痕呈一个球块形式时，界面面积最小。随着球块破碎为许多更小的部分并且展开为平板形时，虽然条痕的总体积保持不变，但是界面面积增加。搅拌效率的一种衡量是搅拌后与搅拌前的界面面积的比例。
为了有效地增加均匀性，搅拌系统应当具有以下三种功能：
(1)它应当将玻璃熔体中一个个的非均匀部分拉伸为薄的条纹。该功能需要向玻璃熔体施加剪切应力。
(2)它应当将条纹切割为多个短的片段。该功能可以通过玻璃熔体的流动方向垂直于搅拌器叶片的平面来达到。
(3)它应当使上述短的条纹片段分散，使得不会产生可辨认的图案。该功能可通过选用能垂直于总体流动方向推动玻璃熔体的叶片形状，即能产生玻璃熔体的至少某种程度上径向流动的叶片形状来达到。
使条纹变薄并将其切割成段，就能使这些条纹难以一片片地在微观上看到。将它们进一步分散则消除了可视图案会在宏观上被观察到的可能。
在玻璃的流动是连续的过程中，这三种功能必然是在由搅拌室中玻璃熔体的停留时间所决定的一段时间间隔中进行的。随着玻璃的流量增大，玻璃停留在搅拌室中进行这三种功能的时间将减少。通常，对所需流动的增加的工艺响应是搅拌器速度的增加。这样就增大了对玻璃流体的剪切应力，切割频率，以及可能还增大分散速率。
传统上，玻璃熔体搅拌系统设计成具有可维持合理的搅拌器寿命的最高剪切应力。实际上，这些系统一般设计用来产生高剪切应力，即使它们在低速下操作。目的是由最小的搅拌系统得到最大程度的搅拌，因为制造搅拌系统的贵金属(例如，铂合金)的成本较高。在一般的情况下，剪切应力可通过增加叶片速度和/或减少搅拌器叶片与搅拌室壁之间的间隙来增大。
对许多玻璃产品(例如建筑玻璃)而言，只要求中等程度的均匀性。但是，其它玻璃产品必须满足严格的均匀性要求和其它质量标准。LCD玻璃属于后一种情况。就这种玻璃而言，需要将条痕和夹杂物减至最少和/或消除。
根据本发明，已经发现在制造LCD玻璃的过程中，在LCD玻璃中引入了尺寸小于50微米的贵金属夹杂物(例如，铂合金夹杂物)。这些夹杂物起源于搅拌室，具体地说，起源于由于粘性玻璃熔体中搅拌器运动所产生的粘性剪切应力造成的搅拌器和搅拌室壁的腐蚀。
因此，本发明的目的之一是将玻璃熔体搅拌过程中产生的贵金属夹杂物减至最少。但是，除此主要目的外还要达到其它目的：(1)保持高的玻璃熔体通过量，(2)保持高的搅拌效率(例如，低的条痕量)。这些其它目的和主要目的背道而驰，即，可以通过降低搅拌器的速度来减小剪切应力和腐蚀，但是降低搅拌器的速度意味着搅拌效率和/或通过量的降低。
如下文中将讨论的，本发明能够通过安排搅拌器速度、搅拌器/搅拌室形状、以及玻璃粘度之间的关系，使剪切应力减小到低于形成不可接受含量夹杂物的水平(即，使作用于搅拌器和搅拌室壁的剪切应力小于3.5×10-3N/m2)，而同时将搅拌效率和通过量保持在只有原先在高剪切搅拌才能达到的水平，从而达到这些看上去矛盾的目的。
发明内容
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种均化玻璃熔体的方法，它包括：
(a)提供一个圆柱形的、基本上垂直取向的搅拌室，所述搅拌室具有内径为D壁的壁；
(b)在搅拌室内部提供一个搅拌器，所述搅拌器具有基本上垂直取向的轴和许多从轴向外伸出朝向搅拌室壁的叶片，所述这些叶片的最大直径为D叶片；
(c)使玻璃熔体流过搅拌室(例如，以至少0.05kg/秒的速率)，所述玻璃熔体的粘度为μ；
(d)向搅拌器的轴施加扭矩T，使搅拌室内的搅拌器随着玻璃熔体流经搅拌室以速度N旋转，所述搅拌室内的搅拌器的旋转形成了一个搅拌扫过容积V；
其中，对N、T、V、D壁、D叶片和μ进行选择以满足以下关系：
(NTV/μ)0.5≥5.0kg/秒，
(2πμND叶片)/(D壁-D叶片)≤3.5×10-3牛顿/m2，
式中，N以弧度/秒表示，T以牛顿-米表示，V以立方米表示，D壁以米表示，D叶片以米表示，μ以kg/米-秒表示。
根据本发明的第二方面，本发明提供了用于实施上述方法的设备。
根据本发明的第三方面，本发明提供了用来均化玻璃熔体的设备，它包括：
(a)一个圆柱形的、基本上垂直取向的搅拌室，所述搅拌室有个壁，
(b)在搅拌室内的搅拌器，所述搅拌器包括基本上垂直取向的轴和许多从轴向外伸出朝向搅拌室壁的叶片，
所述搅拌室有一个侧面出口，使得离开搅拌室的玻璃熔体在流动方向上发生改变，所述搅拌器包括至少一个用来搅拌在流动方向改变区域中的玻璃熔体的部件，所述至少一个部件具有与搅拌器的轴基本平行，但是不共线的纵轴。
较佳地，本发明的第三方面与本发明的第一和/或第二方面一同使用。
本发明的上述三个方面中每一方面的较佳用途是生产液晶显示器玻璃。当用于该用途时，每千克最终产品中尺寸大于10微米的贵金属夹杂物的数目小于20个。
附图说明
图1是本文中讨论的各种搅拌器/搅拌室尺寸的示意图。
图2是本发明使用的一个搅拌器的透视图。
图3是安装在本发明使用的搅拌室中的图2所示搅拌器的侧视图，其部分为剖面。
图4是图3所示搅拌器/搅拌室组合的正视图，其部分为剖面。
图5是玻璃熔体流过图3-4所示搅拌室的程序的示意图。
图6是剪切应力对玻璃熔体流量与搅拌效率乘积的关系图。
图7是最终玻璃中每千克夹杂物对搅拌器和搅拌室壁上计算得到的剪切应力的关系图。
在图6和7中，菱形数据点代表以前的玻璃搅拌系统，正方形数据点表示采用本发明的系统。
前述附图(包括在说明书中并构成说明书的一部分)示出了本发明的各种实施方式，它们与说明书一起用来解释本发明的原理。当然，应该明白，附图和说明书仅仅是解释性的，不构成对本发明的限制。
附图中使用的数字表示如下：
11搅拌室
13搅拌器
15搅拌器叶片
17搅拌器轴
19搅拌器壁
21进口
23出口
25搅拌部件(指状部件)
27可用的槽子
29马达
31排出管
33流动方向指示器，包括流向箭头，流量等高线和流管
具体实施方式
如上文中所述，在本发明之前，搅拌器/搅拌室设计的基本原理是要产生高的剪切应力用以达到高的搅拌效率。剪切应力通过搅拌器叶片15与壁19之间的很小间隙以及叶片速度，在接近搅拌室11的壁19的位置产生。通常，作用于搅拌器表面和搅拌室壁内表面上的剪切应力τ可以表示为：
|τ|＝μdv/dx (1)
式中，μ是玻璃熔体的粘度，v是流速，x是朝着垂直于经受剪切应力的表面的方向。
对具有一个或多个具有共同直径D叶片的叶片的圆柱形搅拌室和圆对称搅拌器，应用方程式(1)，得到：
|τ|＝μπND叶片/C (2)
式中，N是以弧度/秒表示的搅拌器速度，C是叶片尖端与搅拌室壁之间的距离(即，在图1中，C＝(D壁-D叶片)/2)。μ以kg/米-秒表示、N以弧度/秒表示、D叶片和C以米表示，τ以牛顿/平方米(N/m2)表示。
如上文中所讨论并将通过下文中的实施例更充分说明的，根据本发明，发现需要将|τ|保持在3.5×10-3N/m2以下，更好是1.5×10-3N/m2以下，以避免搅拌器和搅拌器壁的腐蚀产生不可接受的高含量(例如，每千克最终玻璃中夹杂物的含量大于20个)的夹杂物(例如夹杂物的尺寸大于10微米)。
由方程式(2)可以看到，剪切应力可以通过减小N和/或减小D叶片和/或增加C来减小。但是，单纯减小剪切应力在商业上是不可接受的，因为最终，搅拌必须能以实用的流量产生适度均化的玻璃熔体。因此，对于实用系统而言，剪切应力的减小不应以搅拌效率或流量作为代价。
使用各种搅拌系统的物理模型，特别是油模型，研究出以下方程式计算搅拌效率E(无因次量)：
E≈(kBD叶片2NV|τ|/Q2μ)0.5 (3)
式中，k是常数，根据搅拌器/搅拌室的形状来确定，Q是流量，B是叶片尖端的数目，V是搅拌器的搅拌扫过容积。具体地说，使用各种装有非流动性粘性油(选择其粘度，与要研究其搅拌行为的玻璃熔体的粘度相同)的全尺寸搅拌系统进行了实验室实验。使用各种具有不同粘度的粘性油表示不同的玻璃熔体或在不同温度下搅拌的相同的玻璃熔体。这样得到的量E可被认为是进入搅拌过程的条痕含量与退出该过程的条痕含量的比例，即E的值越高，表明在搅拌过程结束后的条痕越少。
如图1中所示，方程式(3)中的V可用V＝π(D叶片/2)2L来计算，式中L是从搅拌器的最上端叶片的顶部到最下端叶片的底部的总长度。如图1中所示，L不包括任何部件25的长度，这些部件可以延伸至最下端的叶片下面，用来减少由出口23(见下文)的区域中玻璃熔体方向的改变而造成的最终玻璃中的条痕。搅拌扫过容积V一般小于图1中所示的从进口21延伸至出口23的搅拌室的总体积。还如该图中所示，搅拌扫过容积可以与出口的一部分重叠。类似地，虽然图1中未示出，但是搅拌扫过容积也可以与进口的一部分重叠。当产生这些重叠时，搅拌器的叶片将通过在重叠区域中的仅有的各次旋转与搅拌室偶连。
由方程式(3)可以看到，为了减小|τ|，同时保持E基本相同(或者增加)，可以(1)减小粘度，(2)增大搅拌扫过容积，和/或(3)使用更大的搅拌器。在该方程式中，可以增加V和D来补偿N和|τ|的减小。当粘度和速度减小时，|τ|减小。当直径增大时，V也增加，所以增大搅拌器直径的最大好处是补偿了剪切应力的减小。
以另一种方式看，对于一给定的流量(Q)，保持搅拌效率不变和减小剪切应力通常将需要搅拌器直径(D)和搅拌体积(V)的增大。这两个变量是相关的，因为L是常数时，D的增大导致V的增大。因此，根据本发明，就可将使用高剪切应力的小的搅拌系统的原理转变为使用能保持搅拌效率的较大的系统而剪切应力减小的原理。实际上，这意味着增加停留时间，从而有时间对玻璃熔体去做能产生良好均匀性所需的工作，即使搅拌器转动地较慢。要在较小的系统中使剪切应力减小是无法实现的，因为当N减小时E也减小。
在表征商用玻璃熔体搅拌系统的特征时，比E更有用的是流量与搅拌效率的乘积(Q·E)，由方程式(3)可得其表达式如下：
Q·E≈(kBD叶片2NV|τ|/μ)0.5 (4)
除了上述搅拌效率的表达式外，物理模型(油模型)也揭示了在搅拌过程中需要施加在搅拌器轴上使其以速度N旋转的扭矩T的表达式：
T＝P/N≈πμkNBD叶片3/C (5)
式中，P是施加在搅拌器上的动力。
该方程式允许常数k(依赖于搅拌器/搅拌室的形状)从方程式(3)和(4)中除去：
E≈(CTV|τ|/(πQ2μ2D叶片))0.5 (6)
Q·E≈(CTV|τ|/(πμ2D叶片))0.5 (7)
代入方程式(1)进一步可将这些方程式简化为：
E≈(NTV/Q2μ)0.5 (8)
Q·E≈(NTV/μ)0.5 (9)
这些方程式具有的优点是E和Q·E仅仅是扭矩、系统尺寸、搅拌器速度、流量和粘度的函数，所有这些参数易于使用常规技术来测定。具体地说，扭矩可以使用具有嵌入式扭矩测量系统的标准化直接驱动电动马达，或者连接在例如搅拌器轴17与搅拌系统驱动马达29之间的耦合器上的扭矩转换器(例如应变计)来测定。该扭矩测定可以在实际的玻璃制造过程中或者该过程的物理模型(例如油模型)中进行。更重要的是，方程式(8)和(9)不依赖于使用的搅拌器的具体形状，因此这两个方程式通常适用于具有各种形状的搅拌器系统中。
在实践中，E较好是大于80，更好是大于100，最好是大于120，而Q·E乘积较好是大于5.0kg/秒，更好是大于7.5kg/秒，最好是大于10.0kg/秒。要达到上述这些值，T需要保持足够低，以免由于在使用的操作温度(例如约为1350-1500℃)下的扭应力，搅拌器的轴产生显著的蠕变。对于直径为D轴的实心轴，扭应力σ由以下方程式给出：
σ＝16T/πD轴3 (10)
而对于内径为Di、外径为Do的空心轴，则由以下方程式给出：
σ＝16TDo/(π(Do4-Di4)) (11)
在这两种情况下，σ以帕斯卡表示，T以牛顿-米表示，D轴、Do和Di各自以米表示。对由铂或铂合金制得的搅拌器，T较好是小于75牛顿-米。
上述表示|τ|、E、Q·E和T的方程式都假定搅拌是在层流条件下进行。当混合雷诺数(ReN)小于10时，这样的层流条件就存在，ReN由以下方程式给出：
ReN＝D叶片2Nρ/μ (12)
P是玻璃熔体的密度(kg/m3)。根据粗略的估算，当玻璃熔体粘度大于500泊时可假定为层流。
图2-5示出了本发明使用的搅拌器系统的一个例子。如图2中所示，搅拌器可以是公开在共同转让给C.F.De Voe的美国专利2,569,459中的普通类型的搅拌器，该专利的内容在本文中引用作为参考。当然，其它结构的搅拌器也可以用在本发明中。较佳地，搅拌器显著产生在搅拌室泵送玻璃熔体的作用，因为要产生这种泵送效果通常需要太高的剪切应力。较佳地，搅拌器和搅拌室壁由铂、铂合金、或者弥散增强的铂或铂合金(例如氧化锆增强的铂合金)组成。
如这些图中所示，较佳地，搅拌器13配备有具有与搅拌器的轴17基本平行，但是不共线的纵轴(长尺寸)的部件(指状部件)25。使用的指状部件25的数目可以在例如1-7之间变化，根据具体的系统而定，它们的长度可以是例如1-4英寸。在实践中已经发现，在6英寸出口的情况下，各自具有约2.2英寸工作长度的三个指状部件使用效果很好。作为比较，搅拌叶片15的高度可以是2.5英寸。
较佳地，这些部件延伸至轴17的底部以下，并且由与搅拌器的叶片和轴所用的材料相同的材料组成。较佳地，所有的部件具有相同的高度，但是如果需要，具有不同高度的部件也是可以使用的。部件的周宽可以根据其相对于搅拌器轴17的位置来改变，例如对于图2所示的搅拌器，最接近轴的部件的宽度可以是2.0英寸，而在搅拌器外周的部件的宽度为1.5英寸。
部件25的作用是尽量减小条痕含量的增加，已经发现这些条痕是由以下原因造成的：(1)本发明的搅拌系统中使用的旋转速度较慢(即，旋转速度为3-15rpm)，(2)随着玻璃熔体从搅拌室主体进入出口23而产生的流动方向的改变(例如，方向改变90°)。部件25与搅拌器叶片15的区别在于，所述部件在玻璃熔体通过搅拌室时不会显著产生径向流动，而叶片则产生这样的径向流动。
如图3-5中所示，搅拌室11可以有根排出管，用来在例如系统停止运行后从搅拌室中除去玻璃熔体。另外，搅拌室或可有个图1中虚线所示的槽子。
在实践中，已经发现较佳的是部件25应该延伸至出口23顶部的下面，而不是一直伸到搅拌室的底部。具体地说，较佳的是，部件25的底端与搅拌室的底部(在使用槽子的情况下是槽子的顶部，即，搅拌室的底部与槽子的顶部功能相同)之间的距离d与h的关系为：
0.2h≤d≤0.7h(例如，d≈0.4h) (13)
式中，h是出口的高度(见图1)。当d在上述范围内时，部件25能有效地切断搅拌室出口区域中玻璃熔体的流型(见图3-4中的流量等高线)。通过该种切割作用，最终玻璃中的条痕含量下降，而不会增加玻璃中夹杂物的含量。
下面将通过一些实施例对本发明作更充分的描述，但是本发明不受其限制。
实施例1
作为应用上文中讨论的原理的一个例子，表1中比较了两种搅拌系统，第一种是早先使用的搅拌系统的代表，例如搅拌系统的叶片直径为6英寸，玻璃熔体粘度为3000泊，搅拌器的旋转速度为30rpm，第二种是根据本发明设计的搅拌系统的代表，例如搅拌系统的直径为10英寸，玻璃熔体粘度为1000泊(通过将玻璃熔体的温度增加至例如约80℃来达到)，搅拌器的旋转速度为6.3rpm。
从该表中可以看出，通过将搅拌器的直径从6″增加至10″，并且将搅拌的玻璃熔体粘度从3000泊减小至1000泊，可以将搅拌器上的剪切应力减小几乎一个数量级。这些改变得以使搅拌器的速度减小四分之一。一个有用的效果是轴上的扭应力也减小了大约25％，有助于延长搅拌器的寿命。
实施例2
图6-7示出了先前技术的搅拌(菱形数据点)与本发明进行的搅拌(正方形数据点)之间的比较。这些数据是使用实际生产设备得到的。在这两种情况下，都使用基本上垂直取向的搅拌室和具有基本上垂直取向的轴的非泵送作用的搅拌器来进行搅拌。
图6中由先前技术数据拟合的直线表明，在本发明之前，高Q·E效果只能通过使用高的剪切应力来得到。相反地，使用低的剪切应力只能得到低Q·E的效果。相比之下，根据本发明原理进行的搅拌能同时得到低剪切应力和高Q·E的效果。
图7示出了低剪切应力在LCD玻璃的制造过程中的重要性。如本文中所述，根据本发明，夹杂物(具体而言，尺寸大于10微米的贵金属夹杂物)的含量是剪切应力的线性函数，其中剪切应力由方程式(2)计算得到。如图7中的拟合直线所示，当剪切应力小于1.1×10-3N/m2时，夹杂物数/kg的值为0。图7中的数据是通过使用其分辨率被限制到尺寸大于10微米的夹杂物的设备得到的。相信本发明也减小了尺寸小于10微米的夹杂物的含量。
虽然对本发明的一些具体实施方式进行了描述和说明，但是应该明白，在不偏离本发明的精神以及以下权利要求书中限定的范围的前提下，可以对本发明进行修改。
表1 搅拌器 6″ 10″ 直径(D-英寸) 6 10 叶片数目(B) 24 24 玻璃熔体的粘度(μ-泊) 3000 1000 搅拌器的旋转速度(N-rpm) 30 6.3 搅拌效率(E) 125 125 剪切应力(τ-磅/平方英寸) 1.148 0.142