專利名稱：用于控制熔管下垂的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及平板玻璃生產(chǎn)中使用的熔管，更具體地說(shuō)，涉及用于控制該種管子在使用期間出現(xiàn)下垂的技術(shù)。
熔化過(guò)程，更具體地說(shuō)，溢出式下拉熔化過(guò)程(overflow downdraw fusionprocess)是授予Stuart M.Dockerty的普通轉(zhuǎn)讓型美國(guó)專利No.3,338,696和3,682,609的主題，本文將援引這些專利的內(nèi)容作為參考。

圖1示出了這些專利的過(guò)程的示意圖。如其中所示，系統(tǒng)包括一供應(yīng)管9，該供應(yīng)管將熔化的玻璃提供給形成在耐火體13中的一收集凹槽11，該耐火體被稱作溢出式下拉熔管，或更簡(jiǎn)單地稱作“熔管”。
一旦實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，熔化的玻璃從供應(yīng)管通過(guò)凹槽，然后自兩側(cè)溢出凹槽頂部，因而形成兩塊向下流動(dòng)、然后沿熔管的外表面向內(nèi)流動(dòng)的玻璃。兩塊片材在管子的底部或根部15相遇，并在該處共同熔合成單塊玻璃。然后將單塊玻璃進(jìn)給到拉制設(shè)備(由箭頭17示意性地表示)，該拉制設(shè)備通過(guò)從根部拉離片材的速率來(lái)控制片材的厚度。拉制設(shè)備最好位于根部下游，以使單塊片材在與設(shè)備相接觸之前冷卻并變硬。
從圖1中可以看到，在該過(guò)程的任何階段中，最終的平板玻璃的外表面不會(huì)接觸熔管的外部表面的任何部分。相反地，這些表面只遇到周?chē)髿?。形成最終片材的兩個(gè)半塊片材的內(nèi)表面確實(shí)與管子接觸，但這些內(nèi)表面在管子的根部處熔合在一起，并因而埋在最終的片材本體中。以該種方式，可以獲得具有較高性能的最終片材的外表面。
從上述可明顯看出，熔管13對(duì)于熔化過(guò)程的成功來(lái)說(shuō)是十分關(guān)鍵的。更具體地說(shuō)，由于管子的幾何形狀的變化會(huì)影響過(guò)程的總體成功，因此熔管的尺寸穩(wěn)定性十分重要。不幸的是，使用熔管的條件易受到尺寸變化的影響。
因而，熔管必須在升高到大約1000℃以上的溫度下運(yùn)行。此外，在溢出式下拉熔化過(guò)程的情況下，管子必須在升高的溫度下運(yùn)行，并同時(shí)支承其自重以及溢出其諸側(cè)的和凹槽11中的熔化玻璃的重量，并且在其被拉伸時(shí)支承至少一些通過(guò)熔融的玻璃傳回管子的張力。根據(jù)待生產(chǎn)的平板玻璃的寬度，管子可以具有1.5米或更長(zhǎng)的未支承長(zhǎng)度。
為滿足這些要求的條件，熔管13由多種高性能耐火材料制成。例如，熔管由均衡加壓的耐火材料塊制成，因而有時(shí)被稱作“均勻管(iso-pipe)”。更具體地說(shuō)，已經(jīng)使用均衡加壓的鋯石耐火材料來(lái)形成用于熔化過(guò)程的均勻管。
即使具有這種高性能的材料，實(shí)際上，熔管也會(huì)出現(xiàn)限制其使用壽命的尺寸變化。更具體地說(shuō)，這種管子出現(xiàn)下垂，以使管子的未支承長(zhǎng)度的中央相對(duì)于其外部支承端下降。本發(fā)明與控制這種下垂有關(guān)?，F(xiàn)有技術(shù)的說(shuō)明Overman在美國(guó)專利No.3,437,470中揭示了一種具有縱向延伸孔的熔管，該孔形成在管體中，用以接納一支承桿。支承桿用作一杠桿，其一端受到一個(gè)向上的力，而另一端作為一樞軸。支承桿圍繞熔管的中央接觸孔的上壁，并通過(guò)該種接觸將一個(gè)向上的力施加于管子。
日本專利公報(bào)No.11-246230示出了Overman專利的變型，該變型又在熔管的本體中形成一個(gè)縱向延伸孔，用以接納一支承桿。在該情況下，支承桿并不樞轉(zhuǎn)，而是配合，并將一個(gè)向上的力基本沿其整個(gè)長(zhǎng)度施加于孔的上壁。根據(jù)該專利公報(bào)，支承桿必須由這樣一種材料制成，其楊氏模量和抗彎強(qiáng)度大于生產(chǎn)熔管所用材料的楊氏模量和抗彎強(qiáng)度。
這些方法具有以下基本問(wèn)題，即熔管中的孔減弱了管子的強(qiáng)度，使其更加傾向于下垂，并且會(huì)在使用熔管的要求的環(huán)境條件下導(dǎo)致其它問(wèn)題，例如裂紋形成。如同下面將詳細(xì)討論的那樣，本發(fā)明通過(guò)施加外力來(lái)實(shí)現(xiàn)下垂控制，并因而不需要犧牲管子的完整性。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于先前所述，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供用于控制熔管下垂的方法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明提供了用于減少熔管下垂率的方法，尤其是管子的中心區(qū)域中的下垂率(通常在該處可以觀察到最大的下垂量)。
為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供了一種用于減少熔管(13)的下垂率的方法，該方法包括將相同且相反的軸向力(F)施加于管子的端部區(qū)域(23)的諸部分，以使軸向力在管子的中間區(qū)域中產(chǎn)生一彎曲力矩，該力矩的指向與該區(qū)域的重力下垂相反。
較佳的是，通過(guò)識(shí)別用于管子的一中性軸線或平面(例如，通過(guò)管子結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模擬)，并將諸部分定位在該軸線或平面下方，以便選擇施加軸向力的端部區(qū)域的諸部分。
在本發(fā)明的特定較佳實(shí)施例中，施加于管子的一端的軸向力是主動(dòng)力(例如，來(lái)自一氣缸、一個(gè)或多個(gè)彈簧或類(lèi)似裝置或諸裝置的結(jié)合)，而施加于另一端的軸向力是反作用力(例如，由固定該端所產(chǎn)生的力)。
實(shí)際上，與不使用本發(fā)明的管子相比，本發(fā)明可以使熔管的下垂率至少減少25％。作為減少下垂的結(jié)果，可使管子的使用壽命至少增加三分之一(33％)。
本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點(diǎn)將在下面的詳細(xì)敘述中闡明，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將從該說(shuō)明中容易地明白或通過(guò)如本文所述的本發(fā)明的實(shí)際中認(rèn)識(shí)到其中的一部分。應(yīng)當(dāng)理解的是，前面的概述和隨后的詳細(xì)敘述都僅作為本發(fā)明的示范，并試圖提供一個(gè)概貌或框架用以理解本發(fā)明所要求的本質(zhì)和特征。
所包括的附圖便于更深入地理解本發(fā)明，結(jié)合在本說(shuō)明書(shū)中并構(gòu)成該說(shuō)明書(shū)的一部分。附示了本發(fā)明的多個(gè)方面，并與說(shuō)明書(shū)一起用于解釋本發(fā)明的原理和操作。
圖2是圖示本發(fā)明的用于控制下垂的偏心軸向力的示意圖。
由于過(guò)程運(yùn)行時(shí)的高溫，管子的材料易于蠕變。因而，管子在重力作用下不斷地下垂。最后，下垂達(dá)到精加工玻璃的質(zhì)量和/或尺寸不在規(guī)格范圍內(nèi)的一位置，需要停止使用管子并進(jìn)行更換。因此，最好減少管子的下垂率，并藉此延長(zhǎng)其使用壽命。
本發(fā)明通過(guò)使用軸向力來(lái)實(shí)現(xiàn)下垂的減少，該軸向力在管子的端部施加有利的力矩，該力矩可以減少由于重力而產(chǎn)生的管子下垂。圖2是所施加的軸向力和相應(yīng)管子的幾何形狀的示意圖。在該圖中，管子13在其端部由支承件21支承，并且具有一中性軸線19。中性軸線是在管子13基于其質(zhì)量分布、其溫度分布及其材料隨溫度變化的性質(zhì)經(jīng)受彎曲時(shí)不會(huì)伸長(zhǎng)或壓縮的軸線。換句話說(shuō)，如果管子13在沒(méi)有圖2的軸向力、但所有其它條件相同的情況下經(jīng)受彎曲的話，中性軸線是不會(huì)伸長(zhǎng)或壓縮的軸線。
中性軸線實(shí)際上是一中性面。例如，參見(jiàn)Snyder等人所著《工程力學(xué)靜力學(xué)和材料強(qiáng)度》(McGraw-Hill，紐約，1973年)第349-350頁(yè)。然而，由于熔管13通常且最好相對(duì)于一通過(guò)根部15的縱向垂直平面(在下文中稱為“前平面”對(duì)稱，并且由于本發(fā)明的控制下垂的軸向力最好也相對(duì)于該平面對(duì)稱，因此為便于說(shuō)明，在此根據(jù)位于前平面中的中性軸線來(lái)討論本發(fā)明。當(dāng)然，應(yīng)予理解的是，這些術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)中不打算也不應(yīng)當(dāng)被解釋為以任何方式限制本發(fā)明。
如圖2所示，在中性軸線19下方相距H處將軸向力F施加于熔管13。因此，軸向力在管子的端部產(chǎn)生大小為FH的端部力矩。這些力矩的指向使其減少管子在重力作用下的下垂趨勢(shì)。由軸向力產(chǎn)生的力矩不能消除所有的管子變形，但如同以下對(duì)比示例所述，適當(dāng)?shù)剡x擇F和H將顯著延長(zhǎng)管子的使用壽命。
用于F和H的特定值將取決于熔管的特定幾何形狀、管子的熱分布、管子材料隨溫度變化的特性、由管子承載的玻璃載荷、通過(guò)平板玻璃的拉伸傳回到管子的力以及支承管子的位置21和端部區(qū)域23施加軸向力的部分。實(shí)際上，在受到這些力和管子在使用期間會(huì)經(jīng)受的溫度時(shí)，最好進(jìn)行熔管的有限元計(jì)算機(jī)模擬以尋找出F和H的候選值。例如，使用可購(gòu)得的由ANSYS公司(技術(shù)路275號(hào)，Canonsburg，賓夕法尼亞州15317，美國(guó))出售的ANSYS軟件來(lái)進(jìn)行所述模擬。(ANSYS軟件也可用來(lái)確定用于復(fù)雜熔管形狀的中性軸線的位置。)在進(jìn)行該模擬的過(guò)程中，最好通過(guò)以下形式的冪定律公式來(lái)表示組成熔管的材料的蠕變率(即，ϵ.=dϵ/dt,]]>式中 是應(yīng)變，t是時(shí)間)ϵ.=Aσnexp(Q/T),]]>式中，T是溫度，σ是施加的應(yīng)變，而A、n和Q是材料的相關(guān)常數(shù)。參見(jiàn)Kingery等人所著《陶瓷入門(mén)(第二版)》(John Wiley & Sons，紐約，1976年)第704-767頁(yè)的“塑性變形、粘性流和蠕變”，尤其是等式14.9。
除了對(duì)熔管的下垂模擬以外，同樣重要的是，模擬由于施加控制下垂的軸向力所引起的材料蠕變而導(dǎo)致的管子軸向壓縮。該軸向壓縮還表示熔管幾何形狀的變化，并因而對(duì)精加工玻璃的質(zhì)量和/或尺寸產(chǎn)生不利影響。實(shí)際上，需要選擇控制下垂的軸向力，以便在減少下垂與不導(dǎo)致過(guò)度軸向壓縮之間取得平衡。
一旦完成模擬過(guò)程，就可以在使用條件下在實(shí)際熔管上測(cè)試F和H候選值，并根據(jù)觀察到的管子性能適當(dāng)?shù)刈髡{(diào)整。可以使用多種產(chǎn)生力的技術(shù)來(lái)施加軸向力，一種較佳的技術(shù)是在管子一端使用氣缸，而另一端保持固定。一個(gè)或多個(gè)彈簧(單獨(dú)或與氣缸相結(jié)合)也可用于該目的。
盡管在實(shí)施本發(fā)明之前用計(jì)算機(jī)模擬是較佳的，但如果希望的話，可以完全憑借實(shí)驗(yàn)來(lái)確定適于在不過(guò)度產(chǎn)生軸向壓縮的情況下減少下垂的軸向力的數(shù)量和位置。
在不以任何方式對(duì)其進(jìn)行限制的情況下，通過(guò)以下示例將更完整地?cái)⑹霰景l(fā)明。
對(duì)比示例在施加和未施加控制下垂的軸向力的情況下，在使用條件下測(cè)試由均衡加壓的鋯石構(gòu)成的溢出式下拉熔管。
在這些試驗(yàn)中，熔管相對(duì)于前平面對(duì)稱，控制下垂的力也相對(duì)于該平面對(duì)稱。特別地，控制下垂的力在管子的端部處大致均勻地施加于相應(yīng)區(qū)域，其中心位于前平面。
使用氣缸將力施加于管子的一端，另一端保持固定。由氣缸產(chǎn)生的力的數(shù)量大約為33000牛頓，并且以中性軸線下方約12厘米的一點(diǎn)作為中心。管子的相對(duì)端的固定中心位于中性軸線下方的相同距離處。施加于管子端部的力矩因而各為約4000牛頓·米。使用一測(cè)力儀來(lái)監(jiān)控施加于管子的力的數(shù)量?；蛘撸梢酝ㄟ^(guò)在施力序列中插入一已知彈簧常數(shù)的彈簧并使用一LVDT(線性可變差動(dòng)變壓器)來(lái)確定彈簧的長(zhǎng)度和施加于管子的力，從而對(duì)該力進(jìn)行監(jiān)控。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用控制下垂的力會(huì)導(dǎo)致管子中心處的下垂率減少約80％。由于施加了軸向力，可以觀察到管子的某些軸向壓縮，但該壓縮不會(huì)明顯影響管子的使用壽命。相反地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用控制下垂的力可使使用壽命增加約400％。
盡管已經(jīng)敘述和圖示了本發(fā)明的特定實(shí)施例，應(yīng)予理解的是，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以作出修改。例如，盡管熔管最好不包括一用于內(nèi)部支承桿的孔(參見(jiàn)上面討論的美國(guó)專利No.3,437,470和日本專利公報(bào)No.11-246230)，但具有這種孔的熔管也將從控制下垂的軸向力中獲益，因而，如果希望的話，本發(fā)明可以與這種管子一起使用。
類(lèi)似地，盡管已經(jīng)根據(jù)具有圖1和圖2所示的通用型構(gòu)造的單根熔管討論并圖示了本發(fā)明，但本發(fā)明也可以與具有多種其它構(gòu)造和/或由不止一種成分構(gòu)成的熔管一起使用。沿著這些相同的線索，盡管主要根據(jù)相對(duì)于前平面對(duì)稱的熔管和控制下垂的力來(lái)討論本發(fā)明，但使用本文所討論的原理，可以用缺乏對(duì)稱性的管子和/或控制下垂的力來(lái)實(shí)施本發(fā)明。
本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員從本文的揭示中可以清楚不背離本發(fā)明的范圍和精神的多種其它修改。以下的權(quán)利要求書(shū)將覆蓋本文陳述的特定實(shí)施例以及該些修改、變化和等價(jià)物。
權(quán)利要求
1.一種用于減少熔管的下垂率的方法，所述管子具有一縱向軸線、一中間區(qū)域和端部區(qū)域，所述方法包括在管子的端部區(qū)域處支承該管子；以及將相同且相反的軸向力施加于端部區(qū)域的諸部分，選擇所述諸部分，以使軸向力在管子的中間區(qū)域中產(chǎn)生一彎曲力矩，該力矩的指向與該區(qū)域的重力下垂相反。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過(guò)識(shí)別用于管子的一中性軸線或平面并將諸部分定位在該軸線或平面下方，以便選擇端部區(qū)域的諸部分。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，通過(guò)管子的計(jì)算機(jī)模擬來(lái)識(shí)別中性軸線或平面。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)識(shí)別用于端部區(qū)域的諸部分的候選軸向力和候選位置。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，計(jì)算機(jī)模擬是有限元計(jì)算機(jī)模擬。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，施加于一個(gè)端部區(qū)域的部分的軸向力是主動(dòng)力，而施加于另一個(gè)端部區(qū)域的部分的軸向力是反作用力。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，主動(dòng)力由氣缸和/或一根或多根彈簧產(chǎn)生。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，監(jiān)控施加于管子的相同且相反的軸向力的數(shù)值。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，施加軸向力使管子的下垂率減少至少25％。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，施加軸向力使管子的使用壽命增加至少三分之一。
全文摘要
通過(guò)將軸向力(F)施加于管子的端部區(qū)域(23)來(lái)減少熔管(例如，使用在溢出式下拉熔化過(guò)程中的均勻管(13))的下垂率。將軸向力施加于管子的中性軸線(19)下方的端部區(qū)域，因而產(chǎn)生對(duì)付管子中間的重力下垂的彎曲力矩。使用這種控制下垂的軸向力可以增加管子的使用壽命，例如至少增加三分之一。
文檔編號(hào)C03B17/06GK1454857SQ03110409
公開(kāi)日2003年11月12日 申請(qǐng)日期2003年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月12日
發(fā)明者G·梅達(dá), W·R·鮑威爾, R·L·羅茲 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司