СПОСОБ И АППАРАТ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ СТЕКЛЯННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПРИРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ОСОБЕННО МАТЕРИАЛОВ ВУЛКАНИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК C03B5/02 C03C1/00 

Область изобретения

Изобретение касается способа тепловой обработки стекла и природных материалов, особенно материалов вулканического происхождения. Под тепловой обработкой стеклянных материалов следует подразумевать плавление или переплавку стеклянного боя, стеклянной шихты или их смесей или закалку или формование стекла. Материалы вулканического происхождения, такие как базальт, гранит, мрамор, андезит, сиенит и т.д., подвергаются соответственно плавлению или переплавке или закалке и формованию с целью получения полезных товаров, таких как плитки для пола, плитки для стен, стержни, бруски, волокно, изоляционная стекловата, предметы искусства, различные изделия из стекла и т.д. Кроме того, изобретение касается аппарата, предназначенного для выполнения этого способа.

Предпосылки изобретения

В настоящее время плавление стекла или производство стекломассы или маточного стекла, а также плавление природных материалов, особенно вулканического происхождения, таких как базальт, осуществляется почти исключительно в печах для производства стекла или плавильных печах, которые нагреваются с помощью газовых горелок. Такие печи характеризуются большим весом и надежностью. Печь должна нагреваться как единое целое и должна быть обеспечена толстыми слоями изоляции из огнеупорной глины, что значительно влияет на ее подвижность, то есть возможность ее переноса с места на место, например, с целью демонстрации. Более того, сгорание больших количеств газа приводит к образованию значительного количества опасных дымоходных газов, влияющих на окружающую среду, а также к сильному излучению тепла в районе рабочего места, что создает неприятные условия во время работы. Были сделаны попытки заменить такие стеклоплавильные печи на электропечи, т.е. печи, нагреваемые за счет электричества, но вследствие специфических требований к параметрам, таким как температура, выход стекла, потребление энергии, эти попытки привели к ограниченному использованию электропечей, в основном, по экономическим причинам. Потребность в быстром плавлении стекла или природных материалов с помощью классических способов нагревания сталкивается с основной проблемой чрезвычайно низкой теплопроводности таких материалов. Кроме того, определенные виды стекла или материалов, особенно те, которые содержат железо, например, сваренное стекло или базальт, эффективно отражают инфракрасное излучение, так что температурный профиль резко уменьшается с поверхности внутрь материала, в результате чего толщина материала должна быть ограничена.

Попытки использовать микроволновую технологию столкнулись с серьезными трудностями, поскольку большинство видов стекла прозрачны для микроволн, то есть стекло не поглощает микроволны при обычной температуре, и его приходится активировать каким-либо способом, то есть делать стекло способным поглощать микроволны. Также известно, что при определенной температуре - около 500°С и более, положительно заряженные частицы щелочных ионов, совершающие колебательные движения в отрицательно заряженных междоузлиях, начинают вести себя как осциллирующие диполи, что является основным условием для поглощения микроволн. Предварительное нагревание может осуществляться, например, путем электрического нагревания, для чего, конечно, требуется комбинированная печь, то есть печь, в которой предусмотрено электрическое и микроволновое нагревание, конструкция которой является сравнительно дорогой и ограниченной по вместимости. Некоторые авторы использовали для предварительного нагревания прозрачных материалов, таких как асбест и кизельгур, различные добавки, способные поглощать микроволны, например, порошковое железо, трихлорид железа или буру (F.G. Wihsmann, R. Kokoschko, К. Forkel, "Glassmaker and Ceramicmaker" 46, 75 (1996)). Однако эти вещества оказались не подходящими в качестве добавок для стеклянных материалов, поскольку они реагируют со стекломассой и изменяют состав и структуру стекла в нежелательную сторону. Другие авторы использовали для предварительного нагревания шихты поглощающую микроволны пленку или гидратировали материал перед его плавлением (М.Р. Knox, GI.J. Copley, "Glass technology" 38, 91 (1997)). Ни один из этих способов активации не является идеальным, поскольку использование поглощающей микроволны пленки препятствует прониканию микроволн в шихту, и нагревание с помощью излучения распространяется так же, как и в случае классических процессов нагревания. С другой стороны, для большинства типов стекла ни гидратирование, ни увлажнение не дают возможности нагреть шихту до необходимой температуры.

В соответствии с ЕР-Ф1-0-349 405 микроволны используются для предварительного нагревания или собственно нагревания материалов, таких как оксиды, стекло и определенные металлы, вызывающие коррозию внутренней облицовки печи, которые подвержены индукционному нагреванию. Для того чтобы обеспечить предварительное нагревание материалов, которые не поглощают микроволны, в шихту добавляют стекло, содержащее оксиды железа, которые благодаря их высокой способности поглощать микроволны способствуют нагреванию материалов, не поглощающих микроволны. Однако такой способ неприемлем для большинства типов стекла или натуральных материалов, поскольку оксид железа существенно влияет на требуемое качество конечных продуктов.

Целью данного изобретения является новый способ тепловой обработки стеклянных материалов и природных материалов, особенно вулканического происхождения, который позволяет плавить, переплавлять или закаливать такие материалы при особых условиях благодаря применению микроволновой технологии с полным диапазоном требуемых температур и применим для всех типов материалов независимо от их состава и структуры.

Другой целью данного изобретения является аппарат для выполнения вышеназванного способа, работающий как в прерывистом, так и в непрерывном режиме.

Краткое изложение изобретения

В соответствии с вышесказанным обрабатываемый материал подвергается воздействию микроволнового излучения с частотой от 915 МГц до 2450 МГц и температуры в интервале от температуры окружающей среды до 1600°С, в режиме прерывистого или непрерывного производства в присутствии инертной добавки, выбранной из группы, состоящей из карбидов, нитридов или боридов в количестве от 1 до 100 г на 1 кг стекла или природного материала.

В отдельных случаях количество инертной добавки варьируют от 5 до 50 г на 1 кг стекла или природного материала.

С целью обеспечения надежного и быстрого нагревания во всем диапазоне температур стекло или природный материал, подлежащий плавлению и/или переплавке, содержит инертную добавку, выбранную из группы, включающей карбиды, нитриды или бориды в количестве от 1 до 100 г, предпочтительно от 5 до 50 г на 1 кг стекла или природного материала.

В частности, инертная добавка выбирается из группы, состоящей из карбида вольфрама - WC, карбида кремния - SiC, карбида бора - В₄С, карбида титана - TiC или нитрида ванадия - VN, нитрида бора - BN, нитрида кремния - Si₃N₄, или борида титана - TiB₂, борида ниобия - NbB₂, борида ванадия - VB₂, борида вольфрама - WB₂, борида циркония - ZrB₂ и борида алюминия - AlB₂ или их смеси.

Стеклянный материал может включать стеклянный бой из обычных отходов стекла любых видов или стеклянную шихту всех типов или смеси стеклянного боя и стеклянной шихты, а природный материал может включать базальт, гранит, мрамор, андезит и другие материалы, поглощающие микроволновое излучение.

Предназначенный для выполнения способа аппарат состоит по существу из микроволновой печи, включающей наружный корпус, снабженный крышкой, и внутренний корпус, и, по крайней мере, одного микроволнового генератора с двойной эмиссией и общей мощностью от 0,1 до 1 кВт на 1 кг обрабатываемого стекла или природного материала, расположенного в промежуточном пространстве между наружным и внутренним корпусом, и резервуара, размещенного внутри внутреннего корпуса.

Внутреннее пространство печи предпочтительно заполнено теплоизоляционным материалом, имеющим жаростойкость до 1750°С, выбранным из группы, состоящей из оксида алюминия - корунда и оксида кремния - кварца, а крышка печи имеет, по крайней мере, один закрытый выключатель и горловину для наполнения, включающую бесконтактный инфракрасный датчик, передающий сигнал на термометр, и контроллер, снабженный микропроцессором для контроля генератора микроволн. Для осуществления непрерывного процесса резервуар имеет сбоку или внизу выпускное отверстие. Мобильность печи обеспечивается за счет колес для транспортировки, смонтированных на наружном корпусе оболочке.

В соответствии с изобретением способ и аппарат основаны на применении энергии микроволн для избирательного нагревания стекла, стеклянных материалов, природных материалов, особенно вулканического происхождения, таких как базальт, гранит, мрамор и т. д. Применяемая технология гарантирует, что только материал, подлежащий нагреванию, будет одинаково нагреваться во всем своем объеме, тогда как окружающее пространство останется не подверженным нагреванию. В этом случае поступающая энергия используется исключительно для плавления, переплавки или закалки требуемого материала, и нет необходимости нагревать всю печь.

Другое преимущество изобретения вытекает из применения инертных материалов (например, карбида кремния) в качестве добавок к стекломассе или шихте. Такие инертные материалы являются сильными поглотителями микроволн даже при температуре окружающей среды, в то время как свойства стекла или природных материалов остаются неизменными. В этом случае любой вид стекла может быть расплавлен независимо от степени поглощения стеклом микроволн, а также от состава и размера частиц, содержащихся в любой стеклянной шихте или природных материалах, особенно вулканического происхождения, содержащих, например, металл. Процесс плавления чрезвычайно ускоряется и определяется только жаростойкостью керамического тигля. Металлический или графитовый тигли не могут использоваться из-за их неблагоприятного взаимодействия с микроволнами.

Любые нежелательные явления, такие как потеря материала или его окисление кислородом воздуха, полностью устраняются в процессе микроволнового плавления. Требуемые свойства обрабатываемого материала полностью сохраняются и даже могут изменяться путем контролируемого изменения режима плавления. Например, благодаря соответствующему применению энергии микроволн в процессе плавления стеклянной шихты может быть получено стекло с различными свойствами, которое не может быть получено в классических стеклоплавильных печах (например, что касается его морфологии, микроструктуры или механической прочности и т. п.).

Преимущества данного изобретения, основанные на применении технологии микроволнового нагревания, включающей модифицированную микроволновую печь, могут быть кратко сформулированы следующим образом:

быстрое и объемное нагревание - объемное нагревание означает почти равномерное нагревание микроволнами материалов от центра массы до ее внешней границы в отличие от классического нагревания;

избирательное нагревание - избирательное нагревание означает, что нагревается только материал, требующий нагревания, в то время как окружающие его материалы остаются холодными;

печь не нуждается в постоянной подаче энергии - печь может быть включена или выключена в любое время, то есть нет необходимости в ее непрерывной работе;

низкое потребление электроэнергии приводит к существенно более низкой стоимости производства, что обусловлено вышеуказанными особенностями;

безвредные условия работы - не образуются опасные газообразные продукты сгорания, не повышается температура на рабочем месте.

К тому же, кроме простого плавления печь может использоваться для переплавки. закалки или формования различных стеклянных материалов, плавления нескольких образцов стекла, например, служащих цели цветного декорирования или обработки расплавленных природных материалов для производства полезных товаров, таких как плитки для пола, плитки для стен, стержни, бруски, волокно, изоляционная стекловата, предметы искусства и т.д.

Приложенный чертеж показывает схематичный вертикальный разрез одной возможной реализации аппарата в соответствии с данным изобретением.

Описание предпочтительной реализации

Пример 1

5 кг раздробленного прозрачного стеклянного боя с размером частиц от 2 до 6 мм и 100 г уплотненного карбида вольфрама (WC) загружали в керамический тигель вместимостью 4 литра (л), после чего этот тигель помещали в микроволновую печь. После закрытия крышки печи содержимое тигля нагревали посредством микроволнового излучения с частотой 2450 МГц и мощностью 4 кВт до расплавления шихты. Стеклянный расплав поддерживали при температуре 1200±50°С и осуществляли формовку различных полезных предметов.

Пример 2

2 кг смеси, содержащей свинцовую кристаллическую шихту и 50 г уплотненного карбида вольфрама (WC), загружали в керамический тигель вместимостью 4 литра, затем тигель помещали в микроволновую печь. После закрытия крышки печи содержимое тигля нагревали посредством микроволнового излучения с частотой 2450 МГц и мощностью 2 кВт до расплавления стекла, после чего этот стеклянный расплав переплавляли при температуре 1450°С, а затем при температуре 1200±20°С. В дальнейшем стеклянный расплав поддерживали при этой температуре и использовали для производства различных полезных предметов.

Пример 3

Процесс производства стекла в соответствии с примером 2 повторяли по существу при тех же условиях за исключением того, что в качестве добавок использовали один за другим следующие вещества: карбид вольфрама - WC, карбид кремния - SiC, карбид бора - В₄С, карбид титана - TiC или нитрид ванадия - VN, нитрид бора - BN, нитрид кремния - Si₃N₄, или борид титана - TiB₂, борид ниобия - NbB₂, борид ванадия - VB₂, борид вольфрама - WB₂, борид циркония - ZrB₂ и борид алюминия - AlB₂.

Пример 4

10 кг стеклянного боя, полученного из отходов стеклянной упаковки, такой как бутылки, банки и т. д., и 200 г уплотненного карбида вольфрама (WC) помещали внутрь керамического резервуара объемом 10 литров, снабженного боковым или располагающимся на дне резервуара выпускным отверстием. Резервуар помещали в микроволновую печь, которую закрывали и включали с наибольшей мощностью. Стеклянный бой расплавлялся и переплавлялся под действием микроволнового излучения, и расплав стекла извлекали через располагающееся на дне или сбоку выпускное отверстие для дальнейшей обработки. Печь снабжали вводным и выводным приспособлениями таким образом, что весь процесс мог осуществляться в непрерывном режиме.

Пример 5

5 кг размельченного базальтового стекла с размером частиц от 0,2 до 60 мм помещали в керамический тигель вместимостью 4 литра, и этот тигель помещали в микроволновую печь. После того как печь закрывали, шихту в тигле нагревали с помощью микроволнового излучения с частотой 2450 МГц и мощностью 4 кВт до полного расплавления шихты при температуре 1600°С и затем температуру снижали до 1200°С. Расплавленный базальт затем поддерживали при температуре 1200±20°С и в дальнейшем использовали для производства различных полезных предметов.

Пример 6

8 кг размельченного базальта с размером частиц от 0,2 до 60 мм помещали в керамический тигель, имеющий вместимость 10 литров, и этот тигель помещали в микроволновую печь. После того как печь закрывали, шихту в тигле нагревали с помощью микроволнового излучения с частотой 915 МГц до полного расплавления шихты при температуре 1400°С и затем температуру снижали до 1200°С. Расплавленный базальт поддерживали при температуре 1200°С и в дальнейшем из него путем протягивания формировали волокно или путем продувания - изоляционную стекловату.

Пример 7

30 кг природного материала, выбранного из группы, состоящей из базальта, гранита, мрамора, необязательно в смеси с добавками, выбранными из группы карбидов, нитридов и боридов в количестве от 1 до 10% от веса с целью ускорения плавления, помещали в керамический резервуар вместимостью 20 литров. Материал плавили, воздействуя на него микроволновой энергией, и сохраняли расплавленным при температуре от 1400 до 1450°С, а затем извлекали через выпускное отверстие, находящееся на дне. Одновременно количество извлеченного расплавленного материала компенсировали по существу непрерывной подачей сырья, причем скорость поступления нового материала контролировали с целью сохранить по существу постоянным объем расплавленного материала в резервуаре.

Пример 8

Работающая в прерывистом или, наоборот, в непрерывном режиме печь по производству стекла включает наружный корпус 8.2 и внутренний корпус 8.1. Внутренний корпус обозначает теплоизоляционное внутреннее пространство, которое заполняется изоляционным огнеупорным материалом 3 - оксидом алюминия (корундом). Этот материал прозрачен для микроволн даже при высоких температурах. Генераторы микроволн, называемые магнетронами 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, смонтированы на внутреннем корпусе 8.1 и располагаются в промежуточном пространстве между внутренним корпусом 8.1 и наружным корпусом 8.2. В этом промежуточном пространстве расположены вентиляторы 4 для охлаждения магнетронов 1.1-1.4. Верхняя часть печи имеет крышку 10 с выступающей вверх горловиной наполнения 7. Эта горловина наполнения 7 соединена через трубопровод 12 с резервуаром 11, предназначенным для накопления материала шихты. Крышка 10, кроме того, имеет два закрытых выключателя 9.1, 9.2. Горловина наполнения 7 соединена с инфракрасным датчиком 5, который соединен с термометром и контроллером температуры 6, оборудованным микропроцессором для контроля за работой печи. Дно наружной оболочки 8.2 оборудовано колесами 14, предназначенными для транспортировки. Резервуар 2, предназначенный для приема шихты, находится в изоляционном пространстве, причем его верхняя часть соединена с горловиной наполнения 7, тогда как его дно соединено с выпускным отверстием 13.

По крайней мере четыре генератора микроволн - магнетроны 1.1-1.4 - установлены для генерирования микроволновой энергии с частотой 2450 МГц с одиночной или двойной эмиссией, для того чтобы обеспечить, насколько это возможно, однородность электромагнитного поля. Общую мощность микроволн можно установить в зависимости от количества материала шихты в пределах от 2 до 6 кВт, предпочтительно 4 кВт на 10-15 кг шихты. Температуру расплавленного материала измеряют с помощью бесконтактного инфракрасного датчика 5 и регулируют с помощью термометра, связанного с контроллером 6, оборудованным микропроцессором, контролирующим работу печи. Механические закрытые выключатели 9.1 и 9.2, предусмотренные на крышке 10, предотвращают микроволновое излучение в окружающее печь пространство, когда печь открывается, при этом они прекращают поступление энергии к магнетронам 1.1-1.4.

При работе печи материал шихты поступает непрерывно или прерывисто из резервуара 11, предназначенного для накопления материала шихты, через трубопровод 12 в резервуар 2, где материал шихты плавится и переплавляется и потом извлекается непрерывно или прерывисто через выпускное отверстие 13.

Промышленное применение

Данное изобретение может использоваться для плавления и производства всех типов стекла и природных материалов, особенно вулканического происхождения, независимо от степени, с которой эти материалы способны поглощать микроволны. Описанный в изобретении способ в сочетании с микроволновой печью может использоваться на стекольных заводах для лабораторных целей (например, для приготовления обычных, модифицированных или новых типов стекла), для художественных целей (создания предметов искусства, копий и т. д.), для декоративных целей (декорирование исходных образцов различными видами цветного стекла).

В кратком изложении изобретение может использоваться на стекольных заводах, в лабораториях, студиях, художественных студиях, домашних стекольных мастерских и подобных производствах и в похожих приспособлениях для плавления и обработки базальта и сходных материалов для получения изоляционной стекловаты, волокон или полезных предметов, таких как напольные или настенные плитки, включая, без всяких ограничений, вазы, чаши и статуи. Благодаря мобильности микроволновой печи описанные в изобретении способ и печь могут использоваться на выставках и ярмарках для демонстрации производства стеклянных изделий и других товаров из природных материалов, как часть в продвижении на рынок продукции изготовителя, а также для целей обучения и тренировки в профессиональных школах прикладного и декоративного искусства.

Тепловую обработку стеклянных материалов и природных материалов, особенно вулканического происхождения, осуществляют действием микроволнового облучения с частотой в интервале от 915 МГц до 2450 МГц, и температуры, варьирующейся от температуры окружающей среды до 1600°С, в режиме прерывистого или непрерывного производства, в присутствии инертной добавки, выбранной из группы, включающей карбиды, нитриды или бориды в количестве от 1 до 100 г на 1 кг стекла или природного материала. Соответствующий аппарат состоит из микроволновой печи, включающей наружный корпус, снабженный крышкой, и внутренний корпус, и по крайней мере одного микроволнового генератора с двойной эмиссией и общей мощностью от 0,1 до 1 кВт на 1 кг обрабатываемого стекла или природного материала, помещенного в промежуточное пространство между наружным корпусом и внутренним корпусом, и резервуара, расположенного внутри внутреннего корпуса. Техническая задача изобретения - обеспечение надежного и быстрого нагревания материала во всем диапазоне температур. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ обработки стеклянных материалов и природных материалов, особенно вулканического происхождения, отличающийся тем, что обрабатываемый материал подвергают воздействию микроволнового излучения с частотой в интервале 915 - 2450 МГц, и температуры в интервале от температуры окружающей среды до 1600°С в режиме прерывистого или непрерывного процесса производства и в присутствии инертной добавки, выбранной из группы, включающей карбиды, нитриды или бориды в количестве от 1 до 100 г на 1 кг стекла или природного материала.2. Способ тепловой обработки стекла и природных материалов по п.1, отличающийся тем, что частота микроволнового излучения составляет 915 МГц или 2450 МГц, а количество инертной добавки составляет от 5 до 50 г на 1 кг стекла или природного материала.3. Способ тепловой обработки стекла и природных материалов по п.2, отличающийся тем, что инертная добавка выбирается из группы, включающей карбид вольфрама WC, карбид кремния SiC, карбид бора B₄C, карбид титана TiC или нитрид ванадия VN, нитрид бора BN, нитрид кремния Si₃N₄ или борид титана TiB₂, борид ниобия NbB₂, борид ванадия VB₂, борид вольфрама WB₂, борид циркония ZrB₂ и борид алюминия AlB₂ или их смесь.4. Способ тепловой обработки стекла и природных материалов по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что стеклянный материал включает бой обычных отходов стекла любых видов, или стеклянную шихту всех типов, или смесь стеклянного боя и стеклянной шихты, а природный материал включает базальт, гранит, мрамор, андезит, сиенит и другие материалы, поглощающие микроволновое излучение.5. Аппарат для выполнения способа по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что он состоит в основном из микроволновой печи, включающей наружный корпус (8.2), имеющий крышку (10), и внутренний корпус (8.1) и, по крайней мере, один генератор микроволн (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) с двойной эмиссией и общей мощностью от 0,1 до 1 кВт на 1 кг обрабатываемого стекла или природного материала, расположенный в промежуточном пространстве между наружным корпусом (8.2) и внутренним корпусом (8.1), и резервуар (2), расположенный внутри внутреннего корпуса (8.1), причем внутреннее пространство печи заполняют теплоизоляционным материалом с жаростойкостью до 1750°С, выбранным из группы, состоящей из оксида аллюминия - корунда или оксида кремния - кварца.6. Аппарат по п.5, отличающийся тем, что крышка печи (10) имеет, по крайней мере, один закрытый выключатель (9.1 и 9.2) и горловину для наполнения (7), включающую бесконтактный инфракрасный датчик (5), передающий сигнал на термометр и контроллер (6), снабженный микропроцессором для контроля генератора микроволн.7. Аппарат по п.5 или 6, отличающийся тем, что резервуар (2) имеет выходное отверстие (13), располагающееся на боковой стенке или на дне этого резервуара.8. Аппарат по любому из пп.5-7, отличающийся тем, что наружный корпус (8.2) снабжен колесами, предназначенными для транспортировки.

Приоритет по пп.1, 3, 5, 6, 8 - 17.06.1999, № PV 1999-2185.

Приоритет по пп.2, 7 - 17.03.2000, № PV 2000-968.

Приоритет по пп.4 - 25.05.2000, № PV 2000-1935.