ES3014949T3 - A system and method for melting glass or ceramic materials - Google Patents

Abstract

Se describe un sistema para la fusión de materiales durante la producción de vidrio o cerámica. También se describe un método para la fusión de materiales durante la producción de vidrio o cerámica. El sistema comprende un tanque de fusión con un interior de ancho y largo, y una matriz de electrodos compuesta por varios electrodos alargados, cada uno de los cuales se extiende al menos parcialmente a lo ancho del interior del tanque en una dirección sustancialmente perpendicular a su longitud. Cada electrodo dentro de la matriz está separado de un electrodo adyacente dentro de la matriz de electrodos entre 5 mm y 100 mm. La matriz de electrodos está configurada de tal manera que, durante el calentamiento, la corriente fluye entre electrodos adyacentes dentro de la matriz, de modo que el calor se irradia desde los electrodos a los materiales ubicados en el interior del tanque de fusión. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Un sistema y método para fusión de vidrio o materiales cerámicos

Esta invención se refiere en general a un sistema y método para fundir materiales durante la producción de un vidrio o material cerámico.

La fusión eléctrica convencional del vidrio (o de manera similar de algunos materiales cerámicos) utiliza el método de resistencia eléctrica directa, donde se colocan electrodos, generalmente de molibdeno, en el vidrio fundido y pasa una corriente entre ellos. La resistividad eléctrica del vidrio es mayor que la del circuito eléctrico, lo que hace que el vidrio se caliente entre los electrodos. Un lote de vidrio compuesto de varios minerales, pero predominantemente arena de sílice, se alimenta sobre el vidrio fundido y se calienta hasta que se derrite, formando vidrio nuevo.

Fundir vidrio de esta manera es limpio y relativamente eficiente en comparación, por ejemplo, con la fusión con gas. Sin embargo, este método todavía es ineficiente debido a las pérdidas de calor. Es decir, la zona calentada entre los electrodos es relativamente delgada/poco profunda y se base en la conducción (y en mucha menor medida de la convección) para calentar el lote de vidrio que se encuentra por encima de ella. El vidrio es un mal conductor del calor y, por lo tanto, fundir vidrio de esta manera requiere un tanque de fusión poco profundo con una gran superficie para obtener la cantidad de vidrio necesaria para un proceso de producción. Debido a esto las pérdidas de calor son grandes.

Los documentos GB1029197, GB2031402 y US4528013 describen tanques de fusión de vidrio con electrodos. Es deseable proporcionar un sistema mejorado para fundir materiales que mitigue los problemas mencionados anteriormente.

La invención se define por las reivindicaciones.

Por consiguiente, un primer aspecto de la invención proporciona un sistema para fundir materiales durante la producción de un vidrio o material cerámico de acuerdo con la reivindicación 1.

De manera apropiada, la pluralidad de electrodos son sustancialmente coplanarios.

De manera apropiada, cada electrodo dentro de la matriz de electrodos está separado de un electrodo adyacente dentro de la matriz de electrodos de aproximadamente 5 mm a 30 mm a lo largo de la longitud del interior del tanque de fusión.

De manera apropiada, cada electrodo dentro de la matriz de electrodos está separado de un electrodo adyacente dentro de la matriz de electrodos aproximadamente de 7 mm a 25 mm a lo largo de la longitud del interior del tanque de fusión.

De manera apropiada, cada electrodo de la pluralidad de electrodos es un electrodo de tira.

De manera apropiada, la superficie superior de cada electrodo está redondeada.

De manera apropiada, cada electrodo se extiende al menos parcialmente a través del ancho del interior del tanque de fusión en una posición próxima a una base del tanque de fusión.

De manera apropiada, la matriz de electrodos comprende un primer conjunto de electrodos y un segundo conjunto de electrodos, en donde durante una operación de calentamiento, la corriente fluye entre los electrodos del primer conjunto de electrodos y los electrodos del segundo conjunto de electrodos.

De manera apropiada, los electrodos del primer conjunto de electrodos están acoplados a un primer lado del tanque de fusión y los electrodos del segundo conjunto de electrodos están acoplados a un segundo lado del tanque de fusión.

De manera apropiada, el primer y el segundo lado son lados opuestos del tanque de fusión.

De manera apropiada, los electrodos del primer conjunto de electrodos alargados están dispuestos de manera alternada con los electrodos del segundo conjunto de electrodos alargados.

De manera apropiada, el sistema comprende un sistema de control para controlar la diferencia de potencial entre el primer conjunto de electrodos y el segundo conjunto de electrodos.

De manera apropiada, el sistema de control está configurado de tal manera que la diferencia de potencial entre cada uno del primer conjunto de electrodos alargados y un electrodo adyacente del segundo conjunto de electrodos alargados es de aproximadamente 10 V a 40 V.

De manera apropiada, el sistema comprende al menos dos matrices de electrodos.

De manera apropiada, cada una de las al menos dos matrices de electrodos está separada de una matriz de electrodos adyacente a lo largo de la longitud del interior del tanque de fusión.

De manera apropiada, cada una de las al menos dos matrices de electrodos está separada de una matriz de electrodos adyacente a lo largo de la longitud del interior del tanque de fusión de aproximadamente 50 mm a 300 mm.

De manera apropiada, el sistema de control está configurado para controlar la diferencia de potencial entre el primer conjunto de electrodos y el segundo conjunto de electrodos de cada matriz de electrodos de forma independiente.

Por consiguiente, un aspecto de la descripción proporciona un sistema para fundir materiales durante la producción de un vidrio o material cerámico, el sistema que comprende:

un tanque de fusión que tiene un interior con un ancho y una longitud; y

una matriz de electrodos que comprende una pluralidad de electrodos alargados, cada uno de los cuales se extiende al menos parcialmente a través del ancho del interior del tanque de fusión en una dirección sustancialmente perpendicular a la longitud del interior del tanque de fusión;

en donde la densidad de electrodos dentro de la matriz de electrodos es de aproximadamente 2 a 20 electrodos por 200 mm a lo largo de la longitud del interior del tanque de fusión;

en donde la matriz de electrodos está configurada de tal manera que durante una operación de calentamiento, la corriente fluye entre electrodos adyacentes dentro de la matriz de electrodos, de modo que el calor se irradia desde los electrodos a los materiales ubicados dentro del interior del tanque de fusión.

Por consiguiente, otro aspecto de la descripción proporciona un sistema para fundir materiales durante la producción de un vidrio o material cerámico, el sistema que comprende:

un tanque de fusión que tiene un interior con un ancho y una longitud; y

una matriz de electrodos que comprende una pluralidad de electrodos de tira alargada o de barra plana, cada uno de los cuales se extiende al menos parcialmente a través del ancho del interior del tanque de fusión en una dirección sustancialmente perpendicular a la longitud del interior del tanque de fusión;

en donde la matriz de electrodos está configurada de tal manera que durante una operación de calentamiento, la corriente fluye entre electrodos adyacentes dentro de la matriz de electrodos, de modo que el calor se irradia desde los electrodos a los materiales ubicados dentro del interior del tanque de fusión.

De manera apropiada, la superficie superior de cada electrodo está redondeada.

De manera apropiada, el sistema del segundo y tercer aspectos tiene características correspondientes al primer aspecto de la invención.

Por consiguiente, un segundo aspecto de la invención proporciona un uso del sistema del primer aspecto de la invención para fundir materiales durante la producción de un vidrio o material cerámico.

Por consiguiente, un tercer aspecto de la invención proporciona un método para fundir materiales durante la producción de un vidrio o material cerámico de acuerdo con la reivindicación 15.

De manera apropiada, el sistema del tercer aspecto de la invención es el del primer aspecto de la invención.

Ciertos modos de realización de la invención proporcionan la ventaja de que se proporciona un sistema mejorado para fundir materiales durante la producción de un vidrio o material cerámico.

Ciertos modos de realización de la invención proporcionan la ventaja de que el sistema puede fundir materiales, durante la producción de un vidrio o material cerámico, de manera más eficiente que los sistemas conocidos que utilizan una resistencia eléctrica directa. En particular, el sistema tiene pérdidas de calor reducidas en comparación con los sistemas conocidos.

Ciertos modos de realización de la invención proporcionan la ventaja de que el sistema es menos dependiente de la conducción y/o convección de calor en comparación con los sistemas conocidos que utilizan una resistencia eléctrica directa.

Ciertos modos de realización de la invención proporcionan la ventaja de que el sistema puede utilizar un tanque de fusión más pequeño para lograr las cantidades de vidrio fundido o cerámica requeridas para un proceso de producción continuo, en comparación con los sistemas conocidos.

Ciertos modos de realización de la invención proporcionan la ventaja de que se proporciona un método mejorado para fundir materiales durante la producción de un vidrio o material cerámico.

Ciertos modos de realización de la invención proporcionan la ventaja de que el método es más eficiente energéticamente que los métodos conocidos.

Para evitar dudas, cualquiera de las características descritas en el presente documento se aplica igualmente a cualquier aspecto de la invención. Dentro del alcance de esta solicitud se prevé expresamente que los diversos aspectos, modos de realización, ejemplos y alternativas expuestos en los párrafos precedentes, en las reivindicaciones y/o en la siguiente descripción y dibujos, y en particular las características individuales de los mismos, pueden tomarse de forma independiente o en cualquier combinación. Las características descritas en conexión con un aspecto o modo de realización de la invención son aplicables a todos los aspectos o modos de realización, a menos que dichas características sean incompatibles.

A continuación se describirán modos de realización de la invención únicamente a modo de ejemplo con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La figura 1 ilustra una vista en planta seccionada de un sistema que incluye un tanque de fusión;

La figura 2 ilustra una vista lateral seccionada del sistema de la figura 1;

Las figuras 3a, 3b y 3c ilustran secciones transversales de ejemplos de electrodos para su uso en el sistema de la figura 1; y

La figura 4 ilustra una vista en planta seccionada de otro sistema que incluye un tanque de fusión.

Con referencia ahora a las figuras 1 y 2, se ilustra un sistema para fundir material durante la producción de un vidrio o material cerámico. El sistema incluye un tanque 200 de fusión. El tanque 200 de fusión puede ser cualquier tanque de fusión conocido. Por ejemplo, el tanque 200 de fusión puede incluir una estructura de ladrillos refractarios de circón revestidos con bloques de aislamiento de silimonita como se conoce en la técnica.

El tanque de fusión tiene un interior 202. El interior 202 está configurado para recibir los materiales a fundir. Por ejemplo, el interior 202 puede recibir un “ lote” de vidrio (una mezcla de componentes constituyentes de un vidrio) o pélets de vidrio. Los materiales a fundir pueden ser recibidos dentro del interior 202 del tanque 200 de fusión de cualquier manera adecuada. Por ejemplo, el material puede introducirse desde una tolva o similar al interior 202 del tanque 200 de fusión desde arriba del tanque de fusión. Los materiales pueden alimentarse de forma continua o en una o más cantidades discretas dependiendo del uso de producción del tanque 200 de fusión.

El interior 202 tiene un ancho, W, y una longitud, L. En este ejemplo, el tanque 200 de fusión tiene un perfil rectangular y, por lo tanto, el ancho y la longitud son perpendiculares. El tanque 200 de fusión tiene dos lados 206 más largos, que definen la longitud L del interior 202 del tanque y dos lados 208 más cortos que definen el ancho, W, del interior 202 del tanque (el ancho del tanque que es más corto que la longitud del tanque). Una salida 210 normalmente está ubicada en un lado 208, que define el ancho del tanque. En otros ejemplos, la salida puede estar ubicada en cualquier otro lugar (por ejemplo, en un lado 206 que define la longitud del tanque).

El interior 202 tiene una base 204 (es decir, base interna). Aunque no se muestra en las figuras, la base 204 está inclinada en dirección descendente hacia la salida 210 para ayudar al flujo del producto fundido hacia la salida 210 (es decir, la base está inclinada a lo largo de la longitud del tanque). Sin embargo, en otros ejemplos la base 204 puede extenderse horizontalmente (es decir, sin una inclinación). El interior 202 está encerrado por los lados 206, 208 del tanque.

El sistema incluye una matriz 1001 de electrodos. La matriz 1001 de electrodos incluye una pluralidad de electrodos 102 alargados, cada uno de los cuales se extiende al menos parcialmente a través del ancho, W, del interior del tanque de fusión en una dirección sustancialmente perpendicular a la longitud, L, del interior del tanque 200 de fusión. En este ejemplo, la matriz 1001 de electrodos incluye cuatro electrodos 102, aunque otros ejemplos pueden incluir más o menos electrodos, por ejemplo 3, 5, 6 o más electrodos.

Los electrodos 102 pueden estar hechos de cualquier material adecuado, por ejemplo molibdeno, platino, iridio u otro metal con un punto de fusión relativamente alto.

Tal como se utiliza en el presente documento, el término "alargado" dentro del término "electrodo alargado" indica que una dimensión del electrodo (por ejemplo, la longitud del electrodo) está alargada con respecto a otra dimensión del electrodo (por ejemplo, el ancho o el grosor del electrodo). En los ejemplos descritos, la dimensión alargada es la longitud del electrodo alargado que se extiende a través del ancho del interior del tanque de fusión.

Como se utiliza en el presente documento, el término "sustancialmente perpendicular" en lo que respecta a la extensión de los electrodos con respecto a la longitud, L, del interior del tanque 200 de fusión, generalmente se refiere a la extensión de los electrodos 102 a lo largo del ancho del interior del tanque de fusión en una dirección perpendicular a la longitud, L, del interior del tanque 200 de fusión. Es decir, los electrodos son perpendiculares a las paredes laterales 206 del tanque de fusión. Sin embargo, debería entenderse que las desviaciones menores o triviales de la perpendicular quedan abarcadas por este término.

En este ejemplo, los electrodos 102 de la matriz 1001 de electrodos son paralelos y sustancialmente coplanarios. En otras palabras, el eje alargado (o longitudinal) de cada electrodo 102 dentro de la matriz 1001 de electrodos, está ubicado dentro de un plano común y es paralelo al eje longitudinal de los electrodos adyacentes. En este ejemplo, los electrodos 102 están dispuestos a lo largo de la longitud del interior del tanque de fusión. Es decir, el plano común de los electrodos 102 dentro de la matriz 1001 de electrodos, es sustancialmente horizontal y/o paralelo a la base 204 del tanque 200 de fusión.

En este ejemplo, los electrodos son rectos. En otras palabras, los electrodos se extienden al menos parcialmente a través del ancho del interior del tanque 200 de fusión a lo largo de una trayectoria lineal.

En este ejemplo, la matriz 1001 de electrodos incluye un primer conjunto 1041-2 de electrodos y un segundo conjunto 1061-2 de electrodos. En este ejemplo los electrodos del primer conjunto 1041-2 de electrodos están dispuestos de manera alternada con los electrodos del segundo conjunto 1061-2 de electrodos. En otras palabras, a lo largo de la longitud del interior 202 del tanque 200 de fusión, los electrodos 102 dentro de la matriz 1001 de electrodos, alternan entre ser un electrodo del primer conjunto 1041-2 de electrodos y un electrodo del segundo conjunto 1061-2 de electrodos. En el ejemplo ilustrado, los electrodos del primer conjunto de electrodos están acoplados a (es decir, se extienden desde) un primer lado del tanque de fusión y los electrodos del segundo conjunto de electrodos están acoplados a un segundo lado opuesto del tanque de fusión.

Como se ilustra en la figura 2, en este ejemplo cada electrodo 102 de la matriz 1001 de electrodos, se extiende al menos parcialmente a través del ancho del interior 202 del tanque 200 de fusión en una posición próxima (es decir, cerca o adyacente a) la base 204 del tanque de fusión. Por ejemplo, los electrodos 102 pueden estar ubicados desde sustancialmente 10 mm a 100 mm desde la base del tanque. El vidrio fundido está destinado a fluir hacia abajo a través de la(de las) matriz(ces) de electrodos, con el drenaje estando más bajo que la(las) matriz(ces) de electrodos dentro del tanque 200. Para evitar el sobrecalentamiento en la base 204 del tanque 200 existe generalmente una posición óptima para la ubicación de los electrodos 102. Por ejemplo, la posición óptima puede ser de 50 mm a 70 mm desde la base 204 del tanque 200, de manera más apropiada alrededor de 60 mm desde la base del tanque.

La matriz 1001 de electrodos está configurada de tal manera que durante una operación de calentamiento, la corriente fluye entre electrodos adyacentes 102 dentro de la matriz 1001 de electrodos. En este ejemplo, se hace fluir corriente entre electrodos adyacentes 102 tras la aplicación de una diferencia de potencial entre el primer conjunto de electrodos y el segundo conjunto de electrodos. Tal como se utiliza en el presente documento, los "electrodos adyacentes" son aquellos que están directamente adyacentes dentro de la matriz 1001 de electrodos (en otras palabras, el electrodo siguiente o proximal dentro de la matriz).

El flujo de corriente entre electrodos 102 adyacentes dentro de la matriz 1001 de electrodos calentará los materiales dentro del interior 202 del tanque 200 de fusión (por ejemplo, vidrio fundido) mediante calentamiento por resistencia eléctrica directa. A medida que la corriente fluye entre electrodos adyacentes 102 dentro de la matriz 1001 de electrodos, el calor también se irradia desde los electrodos 102 a los materiales ubicados dentro del interior del tanque 200 de fusión. Es decir, a medida que la corriente fluye entre electrodos adyacentes 102, los electrodos se calientan y emiten calor en forma de radiación infrarroja (IR). En otras palabras, la operación de calentamiento incluye el flujo de corriente entre electrodos adyacentes dentro de la matriz de electrodos para por lo tanto irradiar calor desde los electrodos a los materiales ubicados dentro del interior del tanque de fusión.

Tal como se utiliza en el presente documento, IR, incluida la radiación cercana al infrarrojo, se define como radiación electromagnética que tiene una longitud de onda de sustancialmente 700 nm a 1 mm y una frecuencia de sustancialmente 300 GHz a 430 THz. En particular, se considera generalmente que el infrarrojo cercano tiene una longitud de onda de 700 nm a 2500 nm o, de manera más apropiada, de 780 nm a 2500 nm. En el presente documento, "IR" se refiere tanto a frecuencias IR como a frecuencias cercanas al IR.

Cada electrodo 102 dentro de la matriz 1001 de electrodos está dispuesto separado de un electrodo adyacente dentro de la matriz de electrodos aproximadamente de 5 mm a 100 mm. La separación entre electrodos adyacentes dentro de la matriz 1001 de electrodos se encuentra a lo largo del interior del tanque de fusión (en otras palabras, los electrodos están separados sustancialmente de manera horizontal). De manera apropiada, cada electrodo 102 dentro de la matriz 1001 de electrodos está dispuesto separado de un electrodo adyacente dentro del conjunto de electrodos entre aproximadamente 5 mm y 30 mm. Tal como se utiliza en el presente documento, la "separación" entre electrodos adyacentes se refiere a la separación o espacio entre electrodos adyacentes.

En otras palabras, la densidad de electrodos 102 dentro de la matriz 100i de electrodos es de aproximadamente 2 a 20 electrodos por 200 mm (o en otras palabras, 2 electrodos por 20 mm a 2 electrodos por 200 mm) a lo largo de la longitud del interior 202 del tanque 200 de fusión.

Tal como se utiliza en el presente documento, la densidad de electrodos dentro de la matriz de electrodos se calcula entre los ejes alargados/longitudinales (es decir, los puntos centrales) de los electrodos finales dentro de la matriz de electrodos. Por ejemplo, en este ejemplo, la matriz 1001 de electrodos tiene 4 electrodos de 20 mm de ancho, con una separación de 15 mm entre electrodos adyacentes. La distancia entre los ejes alargados de los electrodos de extremo 102 dentro de la matriz es de 105 mm. Por lo tanto, la densidad de electrodos es de 4 electrodos por 105 mm (o 7.6 electrodos por 200 mm).

En otro ejemplo, la matriz 1001 de electrodos puede tener 4 electrodos de 10 mm de ancho, con una separación de 5 mm entre electrodos adyacentes. En este caso, la distancia entre los ejes alargados de los electrodos finales dentro de la matriz es de 45 mm, de modo que la densidad de electrodos es de 4 electrodos por 45 mm (o aproximadamente 18 electrodos por 200 mm).

En otro ejemplo, la matriz 1001 de electrodos puede tener 4 electrodos de 30 mm de ancho, con una separación de 100 mm entre electrodos adyacentes. En este caso, la distancia entre los ejes alargados de los electrodos finales dentro de la matriz es de 390 mm, de modo que la densidad de electrodos es de 4 electrodos por 390 mm (o 2 electrodos por 195 mm).

La próxima separación entre los electrodos 102 en la matriz 1001 de electrodos (es decir, la alta densidad de electrodos dentro de la matriz 1001 de electrodos) aumenta la cantidad de calor irradiado por los electrodos. Es decir, el mayor número de electrodos dentro de un área pequeña proporciona una mayor área superficial de electrodos, lo que resulta en una mayor salida de IR. De esta manera, aunque se utiliza una resistencia eléctrica directa como medios para generar IR, el mecanismo principal para calentar los materiales dentro del tanque de fusión es por radiación en lugar de resistencia eléctrica directa, como en los sistemas conocidos.

El uso de IR como mecanismo de calentamiento primario proporciona beneficios sobre los sistemas de resistencia eléctrica directa. La radiación IR puede pasar fácilmente a través de los materiales en el tanque de fusión (por ejemplo, vidrio fundido cerca de la base del interior del tanque) e impactar directamente contra los materiales no fundidos (por ejemplo, lotes de vidrio o pélets de vidrio) que aún no se han fundido. Por lo tanto, el calentamiento de los materiales dentro del tanque depende menos de la conducción/convección del calor a través de los propios materiales. De esta forma se pueden utilizar tanques con un área superficial más pequeña y por tanto se reducen las pérdidas de calor. En otras palabras, el uso de IR como mecanismo de calentamiento primario permite que el producto se funda rápidamente en un tanque de fusión de una fracción del tamaño del utilizado en el método de resistencia eléctrica directa más convencional. Además, proporcionar electrodos que están separados más próximos entre sí permite utilizar un voltaje más bajo en comparación con los sistemas conocidos, lo que ayuda a reducir el consumo de energía del sistema para un efecto de calentamiento determinado.

Proporcionar una separación por debajo del rango especificado anteriormente puede reducir el voltaje requerido hasta el punto de que la capacidad de control del sistema se vuelve difícil y se requieren cables de transformador refrigerados por agua más gruesos. Proporcionar una separación por encima del rango especificado anteriormente puede reducir la conducción entre los electrodos hasta el punto de que se debe aumentar el voltaje más bajo para compensar, volviendo efectivamente a la fusión por resistencia eléctrica directa más convencional. Se ha descubierto que una separación de entre 7 mm y 25 mm, de manera más apropiada 15 mm, es particularmente ventajosa por las razones expuestas anteriormente.

Se debería observar que con los sistemas de resistencia eléctrica directa conocidos anteriormente, donde el mecanismo principal de calentamiento es el paso de corriente a través del propio producto, el calentamiento del producto dentro del tanque de fusión es más efectivo cuando los electrodos están dispuestos más separados (por ejemplo, de aproximadamente 500 mm a aproximadamente 1 m). Además, los electrodos suelen ser grandes (por ejemplo, de aproximadamente 60 mm de diámetro) y caros, por lo que se utilizan la menor cantidad posible de electrodos.

En este ejemplo, cada electrodo de la pluralidad de electrodos 102 es un electrodo de tira (o en otras palabras, un electrodo de barra o un electrodo de barra plana). Tal como se utiliza en el presente documento, el término "tira" dentro del término "electrodo de tira" se refiere a una geometría en la que el electrodo tiene dos superficies separadas a través del grosor de la tira. Cada superficie tiene dimensiones (por ejemplo, la superficie tiene una longitud, correspondiente a la longitud alargada del electrodo, y un ancho) que son relativamente grandes en comparación con el grosor de la tira. Por ejemplo, el ancho de cada electrodo 102 puede ser al menos un 40% mayor que el grosor de la tira.

Con respecto a las tiras descritas en el presente documento, las "superficies" son superficies de calentamiento, configuradas para irradiar calor desde las mismas. En este ejemplo, los electrodos 102 están dispuestos de tal manera que las superficies de calentamiento son superficies de calentamiento superior e inferior. En otras palabras, los electrodos están orientados de tal manera que una de las superficies de calentamiento mira en dirección ascendente en el tanque (en otras palabras, el grosor de los electrodos está dispuesto sustancialmente perpendicular a la base del tanque de fusión y el ancho de los electrodos está dispuesto sustancialmente horizontalmente y/o paralelo a la base del interior del tanque). De esta manera, el calor irradiado desde la superficie superior se dirige hacia el producto no fundido que se encuentra por encima.

El uso de tiras alargadas como electrodos proporciona una gran área superficial externa con respecto al área de la sección transversal de los electrodos. La cantidad de calor irradiado por un electrodo tras el paso de una corriente a través del mismo (debido al calentamiento Joule) es generalmente proporcional a la resistencia del electrodo. La resistencia de un electrodo es inversamente proporcional a su área de sección transversal (para una longitud de electrodo dada). Para un área superficial de electrodo dada, una tira tiene una sección transversal menor y, por lo tanto, una resistencia mayor que otras formas (por ejemplo, electrodos de varilla de sección transversal circular, que se utilizan en sistemas típicos de resistencia eléctrica directa debido a su resistencia). De esta manera, un electrodo de tira alargada ayuda al electrodo a irradiar calor de manera eficiente (es decir, se requiere una corriente más baja para la misma salida de calor a una diferencia de potencial dada).

Los electrodos 102 de tira pueden tener cualquier sección transversal apropiada, por ejemplo sustancialmente rectangular, sustancialmente semicircular, una combinación de las mismas o similar. La figura 3a ilustra la sección transversal tomada a través del eje alargado de un electrodo 102 de ejemplo. En este ejemplo, la sección transversal del electrodo es sustancialmente rectangular. En otros ejemplos, la superficie superior de cada electrodo 102 es redondeada. Es decir, la superficie superior no es plana (es decir, no es lineal). En otras palabras, la superficie superior atraviesa una trayectoria no lineal entre los lados del electrodo. Las figuras 3b y 3c ilustran una sección transversal tomada a través del eje alargado de un electrodo 102 de ejemplo, donde la superficie superior del electrodo está redondeada.

Redondear la superficie superior aumenta el área superficial de la superficie superior. De este modo, aumenta el área superficial disponible para la emisión/salida de IR hacia arriba hasta el lote o pélets no fundidos. La superficie superior puede redondearse en cualquier cantidad apropiada. Por ejemplo, la superficie superior puede recorrer una trayectoria que sea una ligera desviación de una trayectoria lineal entre los lados del electrodo (como se muestra en los ejemplos de las figuras 3b y 3c). Es decir, la superficie superior redondeada no puede curvarse hasta el punto de ser semicircular (donde el diámetro de la superficie superior semicircular corresponde al ancho del electrodo). Por ejemplo, la superficie redondeada puede tener un radio de curvatura de aproximadamente 40 a 60 mm, de forma apropiada 50 mm. De esta manera, el electrodo se beneficia de una mayor área superficial superior para mayores emisiones de IR, sin aumentar significativamente el área de la sección transversal del electrodo (y, por lo tanto, reduciendo la eficiencia del electrodo).

Para los ejemplos con una superficie superior redondeada, la superficie inferior puede no ser redondeada (es decir, generalmente plana o lineal) de modo que la salida de IR hacia abajo, dentro del producto ya fundido, sea menor que la del lote o los pélets sin fundir que se encuentran por encima.

El ancho de los electrodos puede ser de aproximadamente 10 mm a 30 mm, de forma apropiada el ancho del electrodo es de aproximadamente 20 mm. El grosor del electrodo puede ser de aproximadamente 5 mm a 20 mm, de forma apropiada el grosor del electrodo es de aproximadamente 12 mm.

En este ejemplo, los electrodos 102, dentro de la matriz 1001 de electrodos, solo se extienden parcialmente a través del ancho del interior 202 del tanque 200 de fusión. Un extremo de cada uno de los electrodos del primer y segundo conjunto de electrodos alargados está separado de una pared del tanque de fusión por una distancia de aproximadamente 5 mm a 30 mm. Proporcionar un espacio entre un extremo de cada electrodo y la pared del tanque de fusión, hacia la que se extiende, ayuda a evitar que el electrodo tire o empuje de la pared lateral durante el arranque y apagado del sistema. Esto es particularmente importante en situaciones en las que el sistema se detiene y se reinicia periódicamente.

En otros ejemplos, los electrodos 102 pueden extenderse a través de todo el ancho del interior del tanque de fusión. Por ejemplo, el primer y el segundo conjunto de electrodos pueden extenderse desde lados opuestos del tanque de fusión como se describió anteriormente, pero pueden extenderse hasta el lado opuesto del interior del tanque de fusión. El extremo de cada electrodo puede apoyarse en la pared correspondiente del interior del tanque de fusión. Por ejemplo, el extremo de cada electrodo puede ser recibido dentro de la pared correspondiente del interior del tanque de fusión, por ejemplo en una ranura, orificio, resalte o soporte montado. Al apoyar el extremo de cada electrodo, los electrodos pueden ser menos propensos a combarse, de modo que se reduce la deformación a altas temperaturas y se extiende la vida útil.

En este ejemplo, el sistema incluye al menos dos matrices de electrodos del tipo descrito anteriormente. De forma específica, el sistema incluye tres matrices 1001, 1002 y 1003 de electrodos. Se entenderá que el sistema puede tener cualquier número de matrices de electrodos de acuerdo con una serie de factores (por ejemplo, el tamaño del interior del tanque y/o la salida de calor requerida, que puede depender de los materiales a fundir, la salida requerida de producto fundido, por ejemplo).

En el ejemplo ilustrado, las matrices 1001-3 de electrodos son coplanarias. Es decir, los planos de cada matriz 1001-3 de electrodos son coincidentes. Sin embargo, en modos de realización alternativos como el que se muestra en la figura 4, las matrices 1001-3 de electrodos pueden disponerse de otras maneras. Por ejemplo, al menos una de las matrices de electrodos puede estar situada en un plano desplazado respecto de las otras matrices de electrodos (por ejemplo, puede haber tres matrices de electrodos, una paralela a las otras dos pero desplazada verticalmente respecto de las otras dos). Al desplazar verticalmente las matrices de electrodos adyacentes, se puede reducir la separación lateral entre las matrices de electrodos sin interferencias entre las matrices adyacentes.

En este ejemplo, cada una de las matrices 1001-3 de electrodos está separada de una matriz de electrodos adyacente. En particular, las matrices 1001-3 de electrodos están separadas a lo largo de la longitud del interior del tanque de fusión. La separación de las matrices 1001-3 de electrodos permite que las matrices de electrodos se controlen de forma independiente con mayor facilidad (como se describe a continuación). En otras palabras, la separación de las matrices de electrodos evita el paso de corrientes de interferencia entre electrodos de matrices adyacentes, de modo que se pueden controlar de forma independiente más fácilmente. Además, la separación de las matrices de electrodos ayuda a evitar "puntos calientes" en el interior del tanque de fusión durante una operación de calentamiento. Como se describe en el presente documento, un "punto caliente" es una región en la que el vidrio está significativamente más caliente que el material circundante. Esto hace que la conductividad en esta área aumente, lo que da como resultado mayores flujos de corriente a través de la misma en comparación con las regiones circundantes. Los flujos de corriente más elevados calientan aún más el vidrio, de modo que el aumento local de temperatura puede autopropagarse.

Las matrices de electrodos pueden estar separadas con respecto a una matriz de electrodos adyacente aproximadamente de 50 mm a 300 mm, de manera más apropiada de aproximadamente 60 mm a 150 mm, de manera más apropiada 75 mm.

Como se mencionó previamente, las configuraciones descritas anteriormente permiten utilizar un tanque con un área superficial reducida en comparación con los sistemas conocidos para proporcionar producto fundido dentro de un proceso de producción continuo. Por ejemplo, el interior del tanque de fusión puede tener un ancho de 400 mm a 600 mm. El interior del tanque de fusión puede tener una longitud de 700 mm o más. Es decir, el concepto descrito anteriormente se puede ampliar aumentando la longitud del tanque de fusión a cualquier valor requerido.

En este ejemplo, el sistema incluye un sistema de control para controlar el flujo de corriente dentro de cada matriz 1001-3 de electrodos. En este ejemplo, el sistema de control controla la diferencia de potencial entre el primer conjunto de electrodos y el segundo conjunto de electrodos para afectar el flujo de corriente.

Las matrices 1001-3 de electrodos pueden conectarse al sistema de control de cualquier manera apropiada. Por ejemplo, un cable puede conectar cada uno del primer y segundo conjuntos de la matriz de electrodos (o cada electrodo en el mismo) al sistema de control. El cable podrá atornillarse al conjunto o electrodo correspondiente. El cable puede refrigerarse por agua.

En este ejemplo, el primer y segundo conjuntos de electrodos de cada matriz 1001-3 de electrodos están conectados eléctricamente dentro de circuitos controlados de forma separada. Es decir, cada matriz 1001-3 de electrodos incluye un primer conjunto 1041-2 de electrodos y un segundo conjunto 1061-2 de electrodos, conectado a un circuito. En el ejemplo ilustrado, cada conjunto de electrodos está conectado eléctricamente a una barra 220, 230 conductora correspondiente. En este ejemplo, se utiliza una barra 220 conductora común como la primera barra conductora del primer conjunto de electrodos de cada matriz 1001-3 de electrodos. Sin embargo, se utiliza una barra 230 conductora separada como la segunda barra conductora del segundo conjunto de electrodos de cada matriz 1001-3 de electrodos para garantizar que cada matriz 1001-3 de electrodos está presente en un circuito separado y, por lo tanto, puede controlarse de forma independiente. Cada circuito incluye un transformador, configurado para transformar el voltaje suministrado desde una fuente de energía (o fuentes de energía separadas para cada matriz) al nivel requerido de acuerdo con lo determinado por el sistema de control. La fuente de alimentación, por ejemplo, puede ser una fuente de alimentación de 415 V.

El sistema de control puede incluir una interfaz de usuario, que permite al usuario proporcionar instrucciones al sistema de control antes de/durante el funcionamiento. En otros ejemplos (o además), el sistema de control puede funcionar de acuerdo con instrucciones programadas previamente.

Por ejemplo, el sistema inicialmente puede ser controlado de forma manual. El control manual puede continuar hasta que los parámetros monitoreados se vuelvan relativamente constantes, momento en el cual el control del sistema de control puede pasarse a un ordenador, que funciona de acuerdo con instrucciones programadas previamente.

En algunos ejemplos, las matrices de electrodos se controlan de forma independiente. Es decir, el flujo de corriente entre el primer y el segundo conjunto de electrodos de cada matriz se puede controlar y variar de forma independiente (en otras palabras, el sistema de control puede controlar la diferencia de potencial entre el primer conjunto de electrodos y el segundo conjunto de electrodos de cada matriz de electrodos de forma independiente). El control independiente se puede lograr a través de un único sistema de control, que puede hacer funcionar cada matriz de electrodos de forma independiente, o un sistema de control independiente para cada matriz de electrodos. El control independiente de las matrices de electrodos permite variar la salida de calor (es decir, la radiación IR emitida) en las diferentes ubicaciones dentro del tanque. Por ejemplo, el flujo de corriente a través de cada matriz de electrodos y, por lo tanto, la salida de calor de cada matriz de electrodos puede corresponder a su distancia relativa desde la salida del tanque de fusión. Por ejemplo, la matriz de electrodos más alejada de la salida puede tener una mayor salida de calor con respecto a las que están más cerca de la salida, según sea necesario. Esto permite un mayor control sobre el gradiente de temperatura del producto fundido dentro del tanque de fusión.

Para una disposición de tanque de fusión y matriz de electrodos como la descrita anteriormente, la diferencia de potencial aplicada entre los extremos de las matrices de electrodos controladas individualmente es de sustancialmente 10 V a 40 V. Las diferencias de potencial dentro de este rango son generalmente suficientes para conducir una corriente a través del pequeño espacio entre electrodos adyacentes dentro de la matriz de electrodos, a través del material en el interior del tanque de fusión. El consumo de energía resultante para un tanque como el descrito anteriormente (con tres matrices de electrodos) es normalmente de 40 kW a 100 kW para producir un flujo continuo de vidrio fundido de 1-4 kg/minuto.

Al igual que con los sistemas conocidos que funcionan con una resistencia eléctrica directa, puede ser necesario que los electrodos estén al menos parcialmente sumergidos en el producto fundido durante el arranque del sistema. Por ejemplo, cuando el sistema se utiliza para producir un material de vidrio, puede ser necesario proporcionar una capa de vidrio fundido (en algunos ejemplos, incluido bórax), que rodee los electrodos para permitir que comience una operación de calentamiento (es decir, para permitir el flujo de corriente entre electrodos adyacentes debido a la conductividad eléctrica mejorada del vidrio cuando está fundido). Se puede proporcionar vidrio fundido suficiente para sumergir los electrodos utilizando un calentador de gas.

Son posibles diversas modificaciones a las disposiciones detalladas descritas anteriormente. Por ejemplo, se podría apreciar que aunque los ejemplos descritos se refieren únicamente a la fusión de un material para producir un vidrio fundido, el aparato anterior también puede usarse en la fusión de materiales en la producción de un material cerámico.

Los electrodos dentro de cada matriz pueden configurarse de cualquier manera adecuada. Por ejemplo, se pueden utilizar electrodos de diferentes dimensiones y/o diferentes secciones transversales y/o diferentes separaciones dentro de una única matriz de electrodos. El primer y el segundo conjunto de electrodos dentro de al menos una matriz pueden extenderse todos desde el mismo lado del interior del tanque de fusión.

Cada matriz de electrodos puede configurarse de cualquier manera adecuada. Por ejemplo, la disposición (por ejemplo, las dimensiones y/o la sección transversal y/o las separaciones) de los electrodos y/o el número de número de electrodos en matrices de electrodos adyacentes pueden diferir de acuerdo con la salida de calor requerida en un área particular del tanque.

En el ejemplo ilustrado, el sistema incluye un único electrodo opcional 300 próximo a la salida 210 del tanque de fusión. Este electrodo ayuda a proporcionar calentamiento a través de todo el tanque de fusión durante el arranque y, además, permite un control preciso de la temperatura durante el funcionamiento (cuando sea necesario). El electrodo 300 puede configurarse de tal manera que durante una operación de calentamiento fluya corriente entre el electrodo 300 y un electrodo de la matriz (1003) de electrodos más cercana o la propia salida 210. En otros ejemplos, este electrodo 300 puede no estar presente y en su lugar la matriz 1003 de electrodos puede extenderse hasta una posición próxima a la salida 210.

En algunos ejemplos, el tanque de fusión puede incluir una cámara adicional situada entre los electrodos 100-1,2,3 (y de forma opcional el electrodo 300) y la salida 210. En dichos ejemplos, la cámara adicional está definida por un aliviadero, que separa el volumen principal del tanque de fusión de la cámara adicional. El aliviadero ayuda a evitar que el vidrio semifundido (por ejemplo, partículas no fundidas o parcialmente fundidas) se desplace a lo largo del fondo del tanque y salga por la salida 210. Se pueden ubicar electrodos adicionales hacia el extremo superior del aliviadero para proporcionar calentamiento adicional al vidrio que pasa sobre el mismo, ayudando a liberar las burbujas formadas y garantizando que permanezca fundido mientras fluye hacia la salida. Por ejemplo, se puede colocar un par de electrodos (que pueden incluir el electrodo 300) a cada lado del extremo superior del aliviadero.

Los dibujos esquemáticos no están necesariamente a escala y se presentan con fines de ilustración y no de limitación. Los dibujos representan uno o más aspectos descritos en esta descripción.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema para fundir materiales durante la producción de un vidrio o material cerámico, el sistema que comprende:

un tanque (200) de fusión que tiene un interior (202) con un ancho y una longitud; y

una matriz (100i) de electrodos que comprende una pluralidad de electrodos (102) alargados cada uno de los cuales se extiende al menos parcialmente a través del ancho del interior (202) del tanque de fusión en una dirección sustancialmente perpendicular a la longitud del interior (202) del tanque (200) de fusión;

en donde cada electrodo dentro de la matriz (100i) de electrodos está dispuesto separado de un electrodo adyacente dentro de la matriz (100i) de electrodos de aproximadamente 5 mm a 100 mm;

en donde la matriz (1001) de electrodos está configurada de tal manera que durante una operación de calentamiento, la corriente fluye entre electrodos adyacentes dentro de la matriz (1001) de electrodos, de manera que el calor se irradia desde los electrodos (102) a los materiales ubicados dentro del interior (202) del tanque (200) de fusión.

2. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la pluralidad de electrodos (102) son sustancialmente coplanarios.

3. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde cada electrodo dentro de la matriz (1001) de electrodos está separado de un electrodo adyacente dentro de la matriz (1001) de electrodos de aproximadamente 5 mm a 30 mm a lo largo de la longitud del interior (202) del tanque (200) de fusión.

4. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde cada electrodo dentro de la matriz (1001) de electrodos está separado de un electrodo adyacente dentro de la matriz (1001) de electrodos de aproximadamente 7 mm a 25 mm a lo largo de la longitud del interior (202) del tanque de fusión.

5. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde cada electrodo de la pluralidad de electrodos (102) es un electrodo de tira; y de forma opcional en donde una superficie superior de cada electrodo (102) es redondeada.

6. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde cada electrodo (102) se extiende al menos parcialmente a través del ancho del interior (202) del tanque (200) de fusión en una posición de 10 mm a 100 mm desde una base del tanque (200) de fusión.

7. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la matriz (1001) de electrodos comprende un primer conjunto (1041-2) de electrodos y un segundo conjunto (1061-2) de electrodos, en donde durante una operación de calentamiento, la corriente fluye entre los electrodos del primer conjunto (1041-2) de electrodos y los electrodos del segundo conjunto (1061-2) de electrodos; y de forma opcional en donde los electrodos del primer conjunto (1041-2) de electrodos están acoplados a un primer lado del tanque (200) de fusión y los electrodos del segundo conjunto (1061-2) de electrodos están acoplados a un segundo lado del tanque (200) de fusión; y de forma opcional en donde el primer y el segundo lado son lados opuestos del tanque (200) de fusión.

8. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 7, en donde los electrodos del primer conjunto (1041-2) de electrodos alargados están dispuestos de manera alternada con los electrodos del segundo conjunto (1061-2) de electrodos alargados.

9. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 7 o la reivindicación 8, en donde el sistema comprende un sistema de control para controlar la diferencia de potencial entre el primer conjunto (1041-2) de electrodos y el segundo conjunto (1061-2) de electrodos; y de forma opcional, en donde el sistema de control está configurado de tal manera que la diferencia de potencial entre cada uno del primer conjunto (1041-2) de electrodos alargados y un electrodo adyacente del segundo conjunto (1061-2) de electrodos alargados es de aproximadamente 1O V a 40 V.

10. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el sistema comprende al menos dos matrices (1001, 1002, 1003) de electrodos.

11. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 10, en donde cada una de las al menos dos matrices (1001, 1002, 1003) de electrodos está separada de una matriz de electrodos adyacente a lo largo de la longitud del interior (202) del tanque (200) de fusión.

12. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 10 u 11, en donde cada una de las al menos dos matrices (1001, 1002, 1003) de electrodos está separada de una matriz de electrodos adyacente a lo largo de la longitud del interior del tanque (200) de fusión de aproximadamente 50 mm a 300 mm.

13. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12 cuando dependen de la reivindicación 7, en donde el sistema de control está configurado para controlar la diferencia de potencial entre el primer conjunto (1041-2) de electrodos y el segundo conjunto (1061-2) de electrodos de cada matriz (1001, 1002, 1003) de electrodos de forma independiente.

14. Uso del sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 para fundir materiales durante la producción de un vidrio o material cerámico.

15. Un método para fundir materiales durante la producción de un vidrio o material cerámico, el método que comprende:

proporcionar un sistema que comprende;

un tanque (200) de fusión que tiene un interior (202) con un ancho y una longitud; y una matriz (1001) de electrodos que comprende una pluralidad de electrodos (102) alargados cada uno de los cuales se extiende al menos parcialmente a través del ancho del interior (202) del tanque (200) de fusión en una dirección sustancialmente perpendicular a la longitud del interior (202) del tanque (200) de fusión;

en donde cada electrodo dentro de la matriz (1001) de electrodos está dispuesto separado de un electrodo adyacente dentro de la matriz (1001) de electrodos de aproximadamente 5 mm a 100 mm;

realizar una operación de calentamiento que comprende hacer fluir una corriente entre electrodos adyacentes dentro de la matriz (1001) de electrodos para irradiar de este modo calor desde los electrodos (102) a los materiales ubicados dentro del interior (202) del tanque (200) de fusión.