通過(guò)感應(yīng)加熱快速經(jīng)濟(jì)地制造具有玻璃內(nèi)襯的金屬體的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請(qǐng)要求2013年7月19日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No. 61/856,327的優(yōu)先權(quán)。
[0002] 本發(fā)明涉及制造具有玻璃、陶瓷或塑料內(nèi)襯的金屬體（如反應(yīng)容器、攪拌器和管 道）的裝置和方法，該方法通過(guò)選擇性加熱金屬體使得玻璃或陶瓷燒結(jié)料或者塑料粉末的 涂層熔化。
【背景技術(shù)】
[0003] 玻璃是一種無(wú)定形固體材料。最熟悉的玻璃類型是使用了幾個(gè)世紀(jì)的鈉鈣玻璃， 其通常包含約75%二氧化硅（SiO 2),以及氧化鈉（Na2O)、氧化鈣（CaO)和若干添加劑。用 于某些特殊用途的熔融石英（主要由SiO 2構(gòu)成）具有超過(guò)1200°C的高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。 通常，添加其他物質(zhì)以簡(jiǎn)化加工。其一為降低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的碳酸鈉（Na 2CO3，"蘇打"）。 添加石灰（CaO)、氧化鎂（MgO)和氧化鋁（Al2O 3)來(lái)提供更好的化學(xué)穩(wěn)定性。所得的玻璃含 有約70至74重量％的二氧化硅，稱為鈉鈣玻璃。為了特殊用途添加了許多其他添加劑。 一些常見(jiàn)類型的硅酸鹽玻璃的例子為：（1)熔融石英玻璃，其通常包含熱膨脹性非常低的 二氧化硅（SiO 2)構(gòu)成，非常硬且耐高溫（1000-150(TC)。其同樣最耐風(fēng)化。其用于高溫用 途，如爐管和熔煉。（2)鈉鈣硅玻璃通常包含二氧化硅72% +氧化鈉（Na2O) 14% +氧化鎂 (MgO) 2-3%+石灰（CaO) 10%+氧化鋁（Al2O3)O. 5-1.0%。其為透明的，容易形成且最適合 用于窗玻璃。其具有高熱膨脹性且耐熱性差。（3)硼硅酸鈉玻璃（Pyre，）通常包含二氧 化硅81 % +氧化硼（B2O3) 12% +氧化鈉（Na2O) 4. 5% +氧化鋁（Al2O3) 2. 0%。Pyrex具有比 窗玻璃好得多的熱膨脹性并用于化學(xué)玻璃器皿、烹飪用玻璃和車(chē)前燈。（4)氧化鉛玻璃（水 晶玻璃）通常包含二氧化硅（SiO 2) 59 % +氧化鈉（Na2O) 2. 0 % +氧化鉛（PbO) 25 % +氧化鉀 (K2O) 12% +氧化鋁（Al2O3)O. 4% +氧化鋅（ZnO) L 5% 〇其具有高折射率，使得玻璃器皿的 外觀更明亮。（5)鋁硅酸鹽玻璃通常包含二氧化硅（SiO2) 57% +氧化鋁（Al2O3) 16% +氧化 硼（B2O3) 4.0% +氧化鋇（BaO) 6.0% +氧化鎂（MgO) 7.0% +石灰（CaO) 10%。其廣泛用于 玻璃纖維，用于制造玻璃增強(qiáng)的塑料（例如，船和釣魚(yú)竿）。（6)氧化物玻璃通常包含氧化 鋁（Al 203)90%+氧化鍺（GeO2) 10%，用于極其透明的玻璃，用作通信網(wǎng)絡(luò)中的光纖波導(dǎo)。
[0004] 對(duì)多種鋼組合物涂覆玻璃、陶瓷、玻璃-陶瓷和塑料。例如，碳鋼（一般常用于化 學(xué)工業(yè)中），奧氏體不銹鋼（可在非常低的溫度下使用，低至-120°C )，和雙相不銹鋼（鐵素 體-奧氏體鋼）。由雙相鋼構(gòu)成的、具有玻璃內(nèi)襯的設(shè)備具有不銹的外表面，根據(jù)醫(yī)藥行業(yè) 的需要（為了美觀的理由和滅菌的要求）可以將該表面拋光為鏡面。
[0005] 玻璃、陶瓷和玻璃-陶瓷用于烹飪和餐具的用途。在某些情況下，基材以其一般狀 態(tài)用于這些應(yīng)用，即沒(méi)有外部裝飾。然而，大部分消費(fèi)者期望這些物品具有裝飾性的外觀或 拋光，這通過(guò)釉料和搪瓷完成。從實(shí)際情況來(lái)說(shuō)，釉料是透明的玻璃，而搪瓷是添加了顏料 以對(duì)其提供顏色的釉料。二者均以非常細(xì)碎的形態(tài)（"玻璃料"）施加至待涂覆的器皿表 面，然后焙燒以在該器皿上形成強(qiáng)粘附的連續(xù)的膜。
[0006] 玻璃內(nèi)襯容器和其它化學(xué)處理設(shè)備已在許多工業(yè)中廣泛使用，尤其是在那些需要 進(jìn)行化學(xué)品或醫(yī)藥品的儲(chǔ)存或反應(yīng)的工業(yè)。這些設(shè)備用于（例如）反應(yīng)、萃取、懸浮和蒸餾 處理中。該內(nèi)襯使這些設(shè)備能在各種不利溫度和腐蝕性條件下使用。玻璃內(nèi)襯鋼設(shè)備用 于包含刺激性化學(xué)品的化學(xué)處理的很寬的范圍內(nèi)，包括醫(yī)藥品、特殊化學(xué)品、農(nóng)產(chǎn)品和聚合 物的制造。吸引人們使用玻璃內(nèi)襯設(shè)備的原因之一是玻璃對(duì)大多數(shù)化學(xué)品和腐蝕性物質(zhì)的 混合物的耐受性。另外，其具有光滑、抗粘的表面，易于清潔，并且不會(huì)向加工物質(zhì)中引入雜 質(zhì)。
[0007] 通常施以玻璃內(nèi)襯的設(shè)備包括反應(yīng)器、儲(chǔ)存罐、柱子、干燥器和過(guò)濾器，以及管道、 閥門(mén)和配件。容器的內(nèi)部組件，例如攪拌器、柵欄和浸漬管，也施以玻璃涂層。一般，玻璃內(nèi) 襯容器是設(shè)計(jì)用來(lái)在高達(dá)~250Γ的溫度和9-llkg/cm 2的壓力下操作的，雖然它們可以制 造成經(jīng)得住更高的溫度和壓力。
[0008] 用于涂覆金屬反應(yīng)容器的玻璃是復(fù)雜組合物的高質(zhì)量玻璃。它們可以化學(xué)地定義 為堿性硼硅酸鹽，并且通過(guò)在高溫下（通常為600°C以上）對(duì)原料進(jìn)行熔融過(guò)程來(lái)生產(chǎn)。其 主要特征是相對(duì)于幾乎全部有機(jī)或無(wú)機(jī)物質(zhì)的極高的化學(xué)惰性。該性質(zhì)維持在非常寬的溫 度范圍內(nèi)、與氧化性和還原性化合物接觸、氯化與否、均沒(méi)有區(qū)別，唯一例外是氫氟酸（HF) 和高溫下的濃堿溶液。
[0009] 由于所述玻璃或涂層具有無(wú)定形結(jié)構(gòu)并且是電介質(zhì)，其既不會(huì)發(fā)生老化，也不會(huì) 發(fā)生電化學(xué)或局部腐蝕。這種非常硬、光滑、無(wú)孔的表面進(jìn)一步增加了玻璃內(nèi)襯設(shè)備有價(jià) 值和有利的性質(zhì)，例如耐磨性、不粘性、預(yù)防微生物群落的形成、清潔簡(jiǎn)便、殺菌以及不透氣 性。由于它們是產(chǎn)品純度和其顏色、氣味、味道等這些性質(zhì)的耐久性和不變性的先決條件， 因此后面這些特征在藥物和食品工業(yè)有特殊的價(jià)值。
[0010] 玻璃內(nèi)襯鋼部件，例如玻璃內(nèi)襯容器，是由玻璃涂層牢固地粘附在基底或金屬 (例如鋼）支持體上構(gòu)成的復(fù)合材料。為了形成強(qiáng)力的鍵合，熔融玻璃必須能潤(rùn)濕該金屬。 該玻璃和金屬的熱膨脹也必須緊密匹配。通過(guò)用特定玻璃、"底涂層"或底漆的第一內(nèi)襯涂 布鋼表面來(lái)獲得金屬與玻璃之間的鍵合，唯一的基本功能是在玻璃層和金屬支持體之間形 成良好的聯(lián)合。鎳能以金屬或鎳（II)氧化物層的形式與玻璃鍵合。在該玻璃中鈷的存在 導(dǎo)致金屬鐵與鈷氧化物之間的化學(xué)反應(yīng)。304號(hào)不銹鋼與玻璃鍵合。在約900°C的溫度下 的焙燒過(guò)程中確立了鋼與玻璃之間的強(qiáng)力鍵合，其為由粘合氧化物（類似CoO和NiO)的作 用引起的一系列復(fù)雜電化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。該鍵合的強(qiáng)度甚至高于該玻璃本身內(nèi)部存在的鍵 合強(qiáng)度。在該初始階段后，所述玻璃內(nèi)襯循環(huán)提供了額外的玻璃表面層（通常為3或4層） 的施加和焙燒，以提供給該內(nèi)襯或涂層它們的特殊的和公知的性質(zhì)和特性。
[0011] 玻璃內(nèi)襯容器用玻璃由若干氧化物和硅酸鹽構(gòu)成。其被混合并加熱至熔點(diǎn)，通過(guò) 滑槽排空，快速冷卻并固化為稱作玻璃料的顆粒。施加至所述鋼的第一涂層為底涂層；其具 有有限的耐腐蝕性并且被單獨(dú)用來(lái)表現(xiàn)與基底金屬的化學(xué)鍵合。施加底涂層之后，施加耐 化學(xué)腐蝕的玻璃。重復(fù)該工序直到達(dá)到所需的玻璃厚度，通常為200-5, 000微米。
[0012] 玻璃內(nèi)襯物品在其使用中可能受到損傷。主要原因是玻璃內(nèi)襯設(shè)備操作時(shí)碰撞導(dǎo) 致的物理?yè)p傷和過(guò)快地加熱或冷卻容器導(dǎo)致的熱沖擊。這些損傷需要修復(fù)。將玻璃內(nèi)襯鋼 罐中待修復(fù)的區(qū)域加熱至~800°C以進(jìn)行裂紋和碎肩的修復(fù)。玻璃料必須再次流動(dòng)并填充 受損的區(qū)域。由于玻璃的流動(dòng)性，溫度控制是至關(guān)重要的。如果加熱和冷卻過(guò)快或過(guò)慢會(huì) 導(dǎo)致龜裂和開(kāi)裂。
[0013] 用~1，000微米以上的厚玻璃質(zhì)涂層對(duì)容器等進(jìn)行內(nèi)襯的常規(guī)方法通常包括多 個(gè)制造步驟，始于向容器施加最初的底涂層并干燥、隨后進(jìn)行焙燒。在某些情況下，施加第 二底涂層并且其同樣必須經(jīng)過(guò)干燥然后分別焙燒。多重的表面涂層（通常為五層以上）被 施加在底涂層上，各自需要獨(dú)立的干燥和焙燒步驟。通過(guò)噴霧、或噴霧然后施加粉末、或僅 施加粉末來(lái)施加這些涂層。
[0014] 在上述制造厚玻璃質(zhì)內(nèi)襯（~1，000微米）的方法中，需要多個(gè)中間焙燒步驟，導(dǎo) 致不經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)效率低的制造。因而，需要發(fā)展替代方法，其中可在較少的步驟中（優(yōu)選在 一個(gè)步驟中）施加厚的表面涂層。同樣需要一種改良的更經(jīng)濟(jì)的制造耐腐蝕、厚的、無(wú)缺陷 的玻璃質(zhì)內(nèi)襯的方法，并且可以無(wú)需多個(gè)中間加熱步驟制造該內(nèi)襯。
[0015] 玻璃內(nèi)襯是搪瓷的一種形式，很像多年來(lái)涂布在浴缸和水槽上的材料。其為在高 溫（通常超過(guò)700°C)下向金屬基材施加玻璃、水和粘土的組合。所述玻璃是不同種類的硼 硅酸鹽玻璃的組合，其在球磨中研磨成細(xì)粉，通過(guò)200目篩進(jìn)行篩選，約為面粉或糖粉的程 度。隨后將其與水和少量作為粘合劑的粘土混合。添加非常少量的其它無(wú)機(jī)材料以控制該 玻璃配方的粘度和流動(dòng)性。水僅是用于將該玻璃材料傳輸至管或配件的表面上的媒介，所 述管或配件已適當(dāng)?shù)亟?jīng)過(guò)噴砂處理準(zhǔn)備。用特殊的噴槍將該玻璃混合物（通常稱為粉漿） 噴在管或配件的內(nèi)表面上。隨后將管或配件置于約50-60°C溫度下的干燥箱中除去濕氣。 干燥后，就將管或配件置于特別設(shè)計(jì)的爐子中并于約750°C "焙燒"。焙燒時(shí)間將根據(jù)鐵的 尺寸和厚度以及是否涂布了底漆或表面涂層略有變化。對(duì)于各涂層，焙燒時(shí)間通常在1-2 小時(shí)左右。
[0016] 美國(guó)專利No. 4, 224, 074公開(kāi)了對(duì)用于玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷餐飲器皿的裝飾釉 和搪瓷有用的玻璃料的制備，其表現(xiàn)出約50-110X 10 7/°C的熱膨脹系數(shù)（20°C _300°C )、適 于在約650°C -775Γ下煅燒的粘度、良好的玻璃穩(wěn)定性、高光澤和優(yōu)異的耐酸堿性（尤其是 諸如用于商用洗碗機(jī)的洗滌劑）。該玻璃料通常由Si0 2:29-55重量％、B 203:7-31重量％、 Al203:2-8 重量％、Zr02:5-16 重量％、Na 204:20 重量％、Li 20 :0-7 重量％、Na2OLi2O :6-24 重量％和F 75-4重量％構(gòu)成。
[0017] 通常已知可通過(guò)在玻璃配料中加入氧化鋯（ZrO2)使得玻璃具有耐堿性，并且通過(guò) 提高ZrO 2在玻璃配料中的含量，所得玻璃的耐堿性提高。例如，日本專利申請(qǐng)No. 40126/74 公開(kāi)了一種用于制造耐堿性玻璃纖維的玻璃組合物，其包含62至72摩爾％的Si02、7至11 摩爾％的Zr0 2、13至23摩爾％的R20、1至10摩爾％的R' 0、0至4摩爾％的A1203、0至6摩 爾％的B20 3、0至5摩爾％的Fe203、0至2摩爾％的CaFjP 0至4摩爾％的TiO 2，其中RqO代 表最多2摩爾％被氧化鋰取代的氧化鈉，R'O代表選自氧化鈣（CaO)、氧化鋅（ZnO)和氧化 錳（MnO)的堿土金屬氧化物。美國(guó)專利申請(qǐng)No. 4, 243, 421公開(kāi)了另外一種耐堿玻璃組合 物，其主要包含占該玻璃組合物重量5至15%的CaO和BaO,并且Ba(V(Ca0+Ba0)的摩爾比 為 0.2 至 0.8%。
[0018] 無(wú)鉛硼硅酸鋅玻璃組合物是已知的并且已用作與金屬和陶瓷基底相結(jié)合的彩 色玻璃料。美國(guó)專利申請(qǐng)No. 4, 359, 536公開(kāi)了 一種無(wú)鉛玻璃料玻璃，其表現(xiàn)出透明 和光澤，并且0_300°C之間的平均熱膨脹系數(shù)在75-90X 10 V°C范圍內(nèi)，除了附帶的雜 質(zhì)和精煉劑之外，主要由 25-31Zn0、12-20Si02、19-35B203、l-4Al 203、5-10Na20、7-9Ca0、 2-6Ba0、0. 5-4Zr02、1-2F和0-6K20構(gòu)成（以氧化物為基準(zhǔn)的重量百分比）。美國(guó)專利申請(qǐng) No. 3, 005, 722公開(kāi)了一種用于陶瓷類電致發(fā)光器件的玻璃組合物，其中當(dāng)其融合至瓷化鐵 板時(shí)，無(wú)色玻璃料充當(dāng)熒光粉顆粒的粘合劑。美國(guó)專利No. 3, 527, 649中也公開(kāi)了使用所 述種類的玻璃組合物的有色搪瓷在，在燒瓷時(shí)其能夠采用各種無(wú)機(jī)顏料（例如鎘、硒、鐵、 銅、鈷和其他金屬化合物）來(lái)生產(chǎn)有色釉。用于粘附至白熾燈的鈉鈣玻璃燈泡表面的已知 的硼硅酸鋅玻璃料玻璃具有如下經(jīng)典的重量百分比組成：Zn〇-28. 3、Si02-19. 4、B203-21. 7、 Α1203-