JP2005022969A - 無機物を溶融する方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 特に、高い製品品質を得ることができ、技術的な出費を減らすことができる、無機物を溶融するための装置および方法を提供するため、本発明は、溶融領域と精錬領域の容積比を柔軟に適応させることができる方法および装置を提供する。
【解決手段】 本方法は、スカル坩堝の供給側の少なくとも１つの第１の領域にバッチを加える工程、坩堝内容物を加熱する工程、スカル坩堝の少なくとも１つの第１の領域内の坩堝内容物を溶融する工程、スカル坩堝の排出側の少なくとも１つの第２の領域に坩堝内容物を入れる工程、スカル坩堝の少なくとも１つの第２の領域内の坩堝内容物を溶融および／または精錬する工程、および、溶融した坩堝内容物を少なくとも１つの取り出し装置により取り出す工程を有し、スカル坩堝の供給側および／または排出側の容積は、可変に設定することができる。
【選択図】 図１
【解決手段】 本方法は、スカル坩堝の供給側の少なくとも１つの第１の領域にバッチを加える工程、坩堝内容物を加熱する工程、スカル坩堝の少なくとも１つの第１の領域内の坩堝内容物を溶融する工程、スカル坩堝の排出側の少なくとも１つの第２の領域に坩堝内容物を入れる工程、スカル坩堝の少なくとも１つの第２の領域内の坩堝内容物を溶融および／または精錬する工程、および、溶融した坩堝内容物を少なくとも１つの取り出し装置により取り出す工程を有し、スカル坩堝の供給側および／または排出側の容積は、可変に設定することができる。
【選択図】 図１
Description
本発明は、請求項１および２５のプリアンブルによる、スカル坩堝内で、一般的に無機物、特にガラスを溶融するための方法および装置に関する。
スカル坩堝は、冷却剤によって冷却される、スロット付き金属管から構成される。高周波エネルギーの導入により、スカル坩堝内で、無機物、特にガラスを加熱し溶融することができる。
高純度レベルを必要とする腐食性ガラスは今日、耐火材からなる冷却タンク炉またはスカルタンクにおいて連続して溶融される。耐火タンク炉の場合、溶融タンクはセラミック材料からなり、通常、精錬／均質化装置は白金からなる。この溶融技術は、貴金属が高コストであること、および耐火タンク炉の耐用寿命の短さを考えると不都合である。
溶融または精錬用のスカル装置は、上記で言及した溶融タンクに比して、腐食性ガラス溶融物が溶融タンクの縁部領域で冷却されると、ガラスバッチと同じタイプの材料からなる保護層を形成するという利点を有する。
一般的に、高周波加熱されるこれらのスカル装置が溶融設備に用いられる。このタイプの溶融設備は、本出願人の名によるドイツ特許出願第１０２ ４４ ８０７．８号に記載されている。耐火タンク炉と同様に、高周波加熱されるスカル装置も通常、白金精錬／均質化装置と直列に接続される。スカル装置の使用により、バッチ反応が起こるとともにかなりの腐食を被る溶融領域のみの耐用寿命がかなり長くなる。しかしながら、このタイプの白金系は全体として、耐火タンク炉のように、コストが高く耐用寿命が短いという欠点がある。
欧州特許第０１７６８９８号は、誘導コイルにより作動する対応する溶融設備を記載している。この誘導コイルは垂直方向に配置され、コールドトップ方法として知られるもの、すなわちバッチを設備の低温表面上に置いて、設備の下方部で溶融してから精錬する方法を用いて動作する。精錬ゾーンは、誘導コイルで取り囲まれない非加熱の静ゾーンに近接している。次にガラスは熱成形のために供給される。
しかしながら、垂直方向の動作モード、および設備の溶融部と精錬部にいかなる分離もないことにより、均質性、および溶融物中に残留物がないことに関して重大な欠点がある。したがって、もっぱら製品品質がよくないか、または収量が低くなる可能性がある。
高度な要求が純度に課せられているガラスを溶融するために、高周波加熱される溶融装置を、同様に高周波加熱されるスカル精錬装置と組み合せることもできる。この場合、透過性が高くなり、気泡や他の包含物の数が少なくなることで、内部品質に関して最適なガラス品質を達成することができる。対応する高周波精錬トラフは、本出願人の名によるドイツ特許第１９９３９７８２．１号、第１９９３９７８４．８号、および第１９９３９７８６．４号に記載されている。高周波精錬容器は、本出願人の名によるドイツ特許第１９９３９７７９．１号および第１９９３９９７７２．４号により得られる。
しかしながら、互いに独立して動作するが、互いに空間的に密接している２つの高周波装置の並列運転は、技術的要因による出費が大きいという欠点を生ずる。ガラスが、さらに続いて処理される中間製品を形成するよう意図されているだけであれば、内部品質に関するパラメータすべてを最適化する必要はない。例えば、光ファイバを製造するのに用いられるガラスロッドの場合、特に少しの気泡は許容可能である。
しかしながら、説明した既知の設備は、製品品質に対して変化する要求に柔軟に適応することはできない。そのため、動作モード全体が非経済的である。
互いに独立して作動する２つの高周波装置の並列運転の必要性から生じる欠点は、ＤＥ１４７１９７０およびＪＰ−５７−９５８３４の両特許に記載されている構成配置にも見られる。
ＤＥ１４７１９７０は、２つの誘導コイルを、一方が他方の後ろにくるように配置した垂直方向配置のゾーン溶融方法として設計された装置を記載している。これらの誘導コイルは、溶融すべき材料の上を底部から上方に向かって移動する。溶融領域を第１のコイルの区域に形成し、精錬領域を第２のコイルの区域に形成することができる。
しかしながら、精錬領域に形成された精錬気泡は、第１の領域からその上方にあるコールドトップ層へ上昇しなければならない。垂直方向の配置は、精錬気泡により覆われねばならない経路を延長させ、精錬に要する時間を長くする。さらに、加熱可能な露出融液面が存在しない。
２番目のＪＰ−５７−９５８３４は、所望に応じて垂直方向または水平方向に配置することができる溶融タンク炉を記載している。溶融領域および精錬領域は、各種実施形態で異なる程度に分離されている。
しかしながら、溶融領域の精錬領域に対する容積比はすべての実施形態において好適というわけではない。溶融領域と精錬領域の容積の分離に関係なく、少なくとも２つの誘導コイルおよびそれに関連した高周波発生器が常に必要となる。したがって、この溶融設備は、上記高周波精錬トラフおよび上記高周波精錬ポットに類似している。このタイプの溶融設備の運転は、それに対応して複雑でありコストが高い。
溶融設備の溶融領域および精錬領域の構成配置のほかに、溶融物を取り出す方法も、製品品質、および設備全体の経済的な運転に関して重要な役割を果たす。
高周波溶融設備を連続運転する際、溶融物は通常、高周波コイルの真上にある冷却スカルオーバーフロー部を介して取り出される。スカルオーバーフロー部は、角度のない（angled-off）管を含み、誘導コイルを超えて突出している。
溶融物の準連続的な取り出しは、例えばYu. B. Petrov等の論文「Continuous casting glass melting in a cold crucible induction furnace」（Proceedings Vol. 3a, IV. International Congress on Glass, 1989, pp. 72-77）に記載されている。
他の構成配置は、本出願人の名によるドイツ特許第１０１４８７５４．１号に記載されている。この構成配置は、先に挙げた、溶融物の準連続的な取り出しに比して、スカル坩堝と高周波コイルの間に自由に溶融物を落下させることで発展したものとなっている。
それにもかかわらず、その方法にはなおも深刻な欠点がある。例えば、オーバーフロー領域および取り出し側の取り出し領域全体にわたる高周波エネルギーの導入により、溶融物はもはや加熱されることができない。その理由は、その領域における溶融容積が小さすぎ、さらに高周波コイルから上方に位置しすぎるからである。さらに、取り出しの際に溶融物に近接するスカル壁の冷却エリアが比較的大きいため、それに対応して溶融物から熱が多大に取り除かれることになる。したがって、特に溶融物のオーバーフロー領域のガラスに熱コードが形成される危険性が非常に高い。さらに、温度管理が制御されないことは、ガラスが融液流が凍結する程度にさえ容易に結晶化する可能性があることを意味する。
これを回避するため、通常、さらなる炉頂熱（top heat）を発生させるバーナーを用いることができる。しかしながら、この解決策はさらなる欠点を伴う。バーナーは、高揮発性ガラス成分の蒸発を高める原因となる。このため、溶融装置から出る時点のガラスの組成が変わる。
さらに、バーナーの使用は、強度の表面加熱と同時にオーバーフローガラス流の下側の冷却を併用する結果、極度の温度勾配を生じさせる。これはさらに、広範にわたる熱コードの形成につながる。さらに、スカル坩堝の管とオーバーフローガラスストランドの間に電気火花が生じる危険性がある。
したがって、上述の事情が、高い製品品質を得ることを可能にする、一般的に無機物、特にガラスを溶融するための装置および方法を提供する本発明の目的の所以である。特に、本発明の目的は、残留物ができるだけ最少である溶融物を生成することができるようにすることである。本発明の他の目的は、ガラス組成の信頼性を高く恒久的な設定を達成することができるようにし、かつ熱コードをなくすことができるようにすることである。
さらに、本発明の目的は、従来技術に比して、溶融の際に伴う技術的要因による出費を減らすことである。特に、溶融領域と精錬領域の容積比を柔軟に適応させることができるようにすることを意図している。本発明の他の目的は、危険な原因をなくすことである。特に取り出しの際の電気火花、および特に取り出しの際の融液流の凍結を回避する。
さらに、本発明の目的は、技術的要因による出費を最小に抑えることによって、特に、関連する高周波発生器を伴うコイルの数を減らすことによって安価な解決策を提供することにある。
これらの目的は、単に請求項１の要件のみにより驚くほど単純な方法で達成される。さらに、請求項２５は、この方法を用いることができる装置を提供する。本発明の有利な精錬は、関連の従属請求項に見られる。
したがって、本発明は、供給側および排出側を有するスカル坩堝内で、無機物、特にガラスを溶融する方法であって、スカル坩堝の供給側の少なくとも１つの第１の領域にバッチを加える工程と、坩堝内容物を加熱する工程と、スカル坩堝の少なくとも１つの第１の領域内の坩堝内容物を溶融する工程と、スカル坩堝の排出側の少なくとも１つの第２の領域に坩堝内容物を入れる工程と、スカル坩堝の少なくとも１つの第２の領域内の坩堝内容物を溶融および／または精錬する工程と、溶融した坩堝内容物を少なくとも１つの取り出し装置により取り出す工程とを含み、スカル坩堝の供給側および／または排出側の容積を可変に設定することができる、無機物、特にガラスを溶融する方法を提供する。
スカル坩堝の供給側および／または排出側の容積を可変に設定することにより、本発明の解決策に対して、この２つの側の容積比を柔軟に適合させることを可能にすることによって技術的要因による出費を著しく減らすという主要な利点を提供することができる。このことは、特に、溶融物中に残留物が何も残らないことを確実にすることができるため、無機物、特にガラスの非常に広範な組成に対し高い製品品質を実現することを可能にする。
スカル坩堝の供給側は、バッチが加えられる領域、および従来方法に関しては溶融タンクを形成する第１の領域を有する。スカル坩堝の排出側は、既知の方法に関しては精錬タンクを表す第２の領域、および取り出し領域を有する。
供給側および／または排出側の容積の変更は、これらの２つの側の空間比を変えることによって、および／または一方の側に可変に位置決め可能な内部取付具（fitting）を用いることによって達成することができる。
本発明は特に、少なくとも１つのブリッジを可変に位置決めすることによって供給側および／または排出側の容積が設定されることを提供する。精錬すべき溶融物は、供給側の第１の領域からブリッジの下側を通って流れ、流れ出るバッチ残留物が第１の領域内に確実にないようにすることができる。溶融物がブリッジの下側を流れた後、精錬すべき溶融物が排出側の第２の領域に入り、そこで精錬することができる。したがって、収量、および製品品質に課せられる要求に応じて、実際上、気泡も残留物もない溶融物を生成することができ、次にこれらの溶融物を次の処理のために供給することができる。
ブリッジの位置は、本発明に従って都合よく変えることができる。例えば、ブリッジの水平方向移動により、溶融領域の容積の精錬領域の容積に対する比を、溶融すべきガラスのタイプ、達成すべき収量、およびガラス品質に課せられる要求に応じて設定することができる。ブリッジの垂直方向の調整により、供給側の第１の領域と排出側の第２の領域の接続部の幾何学形状を設定することができる。これにより、還流を許容または抑制することができ、また、意図的に流路を開閉または部分的に開閉することができる。
少なくとも１つのブリッジを可変に位置決めする結果、本発明は、坩堝内容物の流量を設定することができるという利点を提供する。これに関して、第１の領域内の坩堝内容物の流量、および／または第１の領域から第２の領域への坩堝内容物の流量、および／または第２の領域内の坩堝内容物の流量、および／または第２の領域から取り出し装置への坩堝内容物の流量を設定することができる。このため、ブリッジは水平方向におよび／または垂直方向に設けられる。
最も単純な場合、少なくとも１つのブリッジの位置は、溶融設備が運転を開始する際に設定することができる。このため、ブリッジの位置は、方法に課せられる要求、特に収量および達し得る溶融物の温度に応じて、かつ所望の製品品質に応じて決定される。このようにして、本発明は、非常に単純な原理を用いて各種運転手順および製品に対し柔軟に調整できるという利点を提供する。
さらに、運転中に、方法中に変わるパラメータ、特に溶融物の温度、したがってその粘度に溶融設備を適応させるために、本発明は、方法が行われている間、少なくとも１つのブリッジの位置を変更するというオプションも提供する。
材料パラメータの変更に対し特に正確な調整を可能にし、かつ適切な場合は操作パラメータを変更する際に方法を最適化することを可能にするため、さらに、本発明は、方法が行われている間に、少なくとも１つのブリッジの位置を制御することができる。
パラメータの変更に手順を適応させる著しい改善が、驚くほど単純な方法で、単に坩堝内容物の粘度に応じて少なくとも１つのブリッジの位置を設定することにより達成される。坩堝内容物の粘度はその流れの特性を決める決定因子である。したがって、ブリッジにより分断されたスカル坩堝内の流れは坩堝内容物の粘度によって影響を受ける。粘度は特に温度よって決まる。
特に、溶融設備が運転を開始しているか、または揺動、例えばバッチが加えられているときの揺動の際、温度、したがって坩堝内容物の粘度が変わる可能性があり、そのためブリッジにより分断されたスカル坩堝内の流れが変わる。このことは一方で、効率的に行うべき方法にとって最も好適な流れの形態から逸脱させる可能性があり、他方で、望ましくないデッドゾーンを形成する可能性がある。
本発明による応答制御は、ブリッジの位置を変更状態に適応させるという主要な利点を提供するため、上述したパラメータの値を変更する際にも一貫した流れの管理が保証される。
ブリッジ上の溶融物の熱的攻撃に抗するために、本発明は、冷却される少なくとも１つのブリッジを設けることが好ましい。
驚くべきことに、供給側への低温のバッチの導入、および排出側の第２の領域内への既に高温となっている溶融物のオーバーフローは、供給側の第１の領域と未精錬溶融物を精錬するのに用いることができる排出側の第２の領域に温度差を生じさせることが判明した。
少なくとも１つのブリッジの位置の適切な選択により、収量に応じてこの効果を強めるか、または弱めるようにすることができる。このようにして、本発明は、供給側の第１の領域と排出側の第２の領域の温度差について比較的広い範囲を達成することを可能にする。したがって、本発明は、供給側の第１の領域の内容物と排出側の第２の領域の内容物の温度差を、少なくとも１つのブリッジを可変に位置決めすることにより設定することを提供する。
上述のように少なくとも１つのブリッジを可変に位置決めすることのほかに、本発明はさらに、少なくとも１つの取り出し装置を可変に位置決めすることによってスカル坩堝の排出側の容積を可変に設定するというさらなるオプションを提供する。
この取り出し装置は、例えば管であってもよく、その外径、食い込み深さ、および排出側の第２の領域での配置がその容積に影響する。少なくとも１つの取り出し装置を可変位置決めすることにより、有利には、本発明が供給側と排出側の容積比を非常に広い範囲の要求に合わせることができるようにする。
さらに、この方法を、極めて少ない技術的な出費で、特に均質化および／または成形という下流の方法の工程の操作に適応させる可能性は、単に、次の装置への経路を最適に覆うことができるように取り出し位置を選択するという驚くほど単純な方法で広がる。
本発明の方法による溶融物の取り出しは、上記スカル坩堝の垂直方向のあらゆる所望の位置にて、高周波コイル内またはその下側で、または坩堝の底部においても行うことができる。高周波コイルを適合させ、取り出し装置を正確に配置することにより、驚くほど単純な方法で、スカル坩堝と取り出すべき溶融物の間に電気火花が生じる可能性を事実上なくすことができる。
さらに、本発明は、溶融および／または精錬した坩堝内容物を加熱する第２の工程を行うこと提供し、この工程は取り出しの際に行われる。したがって、スカル坩堝自体を加熱する高周波エネルギーの導入とは関係なく、溶融物を取り出しの際に所望温度に保つことができる。これにより、導入から後処理までの全てにおいて、溶融設備内での正確な温度制御を保証できる。
第２の加熱工程では、本発明は有利には、直接電気加熱を行うという単純なオプションを提供する。この加熱により、取り出しの際に溶融物を過度に冷却することが防止され、そのため熱コードが形成されるという危険性を好適に低減することができる。
また、取り出しの際に溶融物を過度に加熱するという危険性を減らすために、本発明は、溶融かつ／精錬した坩堝内容物を冷却する工程を提供し、この工程は取り出しの際に行われる。
取り出しの際の溶融物の最適な温度制御により、取り出しの際に溶融物内の極度の温度勾配が防止されるため、事実上、熱コードの形成が全くなくなる。したがって、本発明は、高い製品品質を達成することに関し主要な利点を提供する。
要求および運転条件に関して柔軟な解決策を提供するために、本発明はさらに、ガス冷却、特に空気冷却および／またはエーロゾル冷却（エーロゾルは、特に水と空気の混合物を含む）、および／または液体冷却、特に水冷を取り出しの際に溶融および／または精錬した坩堝内容物を冷却するために用いることを提供する。所望の温度曲線に応じて、取り出す際に溶融物に対し並流または向流で冷却を行うことができる。
少なくとも１つのブリッジの可変位置決めと、少なくとも１つの取り出し装置の可変位置決めとを組み合わせることにより、２つの独立した位置決め操作を用いて非常に柔軟性があるが単純な方法で、本発明がスカル坩堝の供給側と排出側の容積比を互いに一致させるという主要な利点を提供することが可能となる。
坩堝内容物を加熱する工程では、本発明は高周波加熱を提供する。熱的攻撃からスカル坩堝を保護するために、坩堝は本発明に従って冷却される。溶融能力および／または精錬作用を増大させるために、坩堝内容物の温度を実際上いずれの所望程度にも上げることができる。その理由は、本発明によれば、制限変数をなす、スカル坩堝の壁に接触する材料がないからである。
溶融能力を単純な方法で増大させるために、本発明は、供給側および／または排出側の坩堝内容物の流れに対し、強制対流を与えるというオプションを提供する。この対流は、攪拌または泡立てによる単純な方法で発生させることができる。
特にスカル坩堝の排出側の泡立てはさらに、精錬気泡の上方への移動に役立ち、溶融物を取り出す前であっても溶融物を冷却することができる。これにより、取り出し側の冷却能力を低下させることができ、それに対応して運転コストを節約できる。
さらに、本発明は坩堝内容物を加熱する第３の工程を提供する。これは、スカル坩堝の上述した加熱とは独立して、特に高周波エネルギーによる坩堝内容物への熱の導入を一時的および／または局所的に増大させるというオプションをもたらす。
坩堝内容物を加熱する第３の工程は、本発明によれば、特に供給側および／または排出側で行われる表面加熱を含む。この種の加熱により、例えば、溶融設備の運転を開始する方法に有利に役立つことが可能になる。さらに、溶融設備の運転中、この種の加熱を単純かつ様々な方法で用いて、溶融能力を増大させ、および／または温度を制御することができる。
上述した本発明の方法は、製造ラインの一部であることが有利である場合もある。このため、本発明は、溶融した坩堝内容物を成形を行うために供給するさらなる工程を行うことを提供する。
高い製品品質を少ない技術的な出費および好適なコストで達成することができるようにするために、本発明は、本方法のほかに、無機物、特にガラスを溶融する装置であって、少なくとも１つの第１の領域を有する供給側、および少なくとも１つの第２の領域を有する排出側を有するスカル坩堝を有する装置にも関する。本発明による装置のスカル坩堝はまた、スカル坩堝の少なくとも１つの第１の領域にバッチを加える機構と、坩堝内容物を加熱する機構と、取り出し装置とを有し、本発明による装置は、スカル坩堝の供給側および／または排出側の容積を可変に設定する少なくとも１つの機構を有する。
スカル坩堝の供給側および／または排出側の容積を可変に設定する少なくとも１つの機構が可変に位置決め可能なブリッジとして設計される場合、本発明は、特に単純かつ柔軟性のある構成を有するという利点を提供する。
本発明によれば、スカル坩堝および／または少なくとも１つの可変に位置決め可能なブリッジの任意の所望の柔軟な成形は、スカル坩堝および／またはブリッジが金属、特に特殊鋼および／または白金および／または銅および／またはアルミニウムおよび／またはそれらの合金からなることによって有利に達成される。
さらに、本発明は、スロット付きブリッジを提供する。これにより、坩堝内容物を加熱するために導入される高周波エネルギーが受ける影響を最小限の程度にすることが保証される。したがって、本発明は、ブリッジの形態の障害物が付加されているにもかかわらず、坩堝内容物にほぼ均質な分布のエネルギーを導入することを保証するという利点を提供する。
本装置の構成要素を腐食から保護するために、本発明は、スカル坩堝および／または少なくとも１つの可変に位置決め可能なブリッジが特にプラスチックの被覆材を有するという意外なほど単純なオプションを提供する。
本発明による可変に位置決め可能なブリッジをいかなる所望の方法でも配置することができるようにするために、本発明による装置は、少なくとも１つのブリッジを水平方向および／または垂直方向に位置決めする機構を有する。さらに、本装置は、方法が行われている間に少なくとも１つのブリッジの位置を変える機構を備えていてもよい。さらに、本発明は、方法が行われている間に少なくとも１つのブリッジの位置を制御する機構を有する装置を提供する。
ブリッジを熱的攻撃から保護ことができるようにするため、本発明による装置は、有利には、少なくとも１つのブリッジを冷却する機構を備える。
スカル坩堝の排出側の容積を可変に設定する機構を提供することによる、上記目的の本発明の解決策はまた、ブリッジ以外の機構によって同様に驚くほど単純な方法で実現することができる。これに関して、本発明は、有利には、排出側の容積を設定する少なくとも１つの可変に位置決め可能な取り出し装置を本装置が有するというオプションを提供する。例として、材料を選択することにより、可変に位置決め可能な取り出し装置を、特に強度および熱的安定性ならびに用いられる製造方法にも関して非常に広範囲の要求に対応させることができる。このため、金属および／またはセラミックおよび／またはガラスからなる少なくとも１つの可変に位置決め可能な取り出し装置が提供される。
さらに、本発明による装置は、少なくとも１つの可変に位置決め可能な取り出し装置を加熱する機構を有する。その結果、本発明による装置は、単純な方法で、加熱されたスカル坩堝から取り出す際に、溶融物の温度に影響を与えるというオプションを提供する。そのため、取り出しの際の溶融物の温度は、スカル坩堝自体の加熱とは独立して設定することができる。
少なくとも１つの可変に位置決め可能な取り出し装置を加熱することは、有利には、特に、成分の蒸発により生じる組成変化を回避することによって、ガラス組成を信頼性高くかつ恒久的に設定する確実性を本発明が提供することを可能にする。
加熱のほかに、温度管理の対象を定めた設定も、取り出し装置を冷却することによって行うことができるため、熱コードの形成につながる状況を回避することができる。本発明により実現される温度管理はさらに、有利には、取り出しの際に溶融物の流れが凍結することを防止する。
例として、はんだガラスの場合、内部品質、すなわち透過性および気泡またはコードのレベルに課せられる要求は特に高くはない。この場合、適した直径を有する単純な単一壁式の加熱可能な白金管を取り出しに用いることができる。このタイプの管は、取り出し口からスカル坩堝内に導入することができる。取り出し口はスカル坩堝の側壁に配置されてもよい。さらに、坩堝の内部に突出した単一壁式の加熱可能な白金管を用いて、タンクの底部に配置されたスカル開口部から取り出すことも可能である。
高品質の光学ガラスの場合、著しく高い要求が内部品質に課せられる。スカル坩堝自体を加熱する機構に近接して配置される加熱可能な取り出し装置の領域が過熱するという危険性を回避するために、可変に位置決め可能な取り出し装置が二重壁式構造を有することが可能である。
したがって、本発明は、スカル坩堝加熱の高周波放射が外管にて遮蔽されることができるという主要な利点を提供する。内管は、二重壁式取り出し装置の外管との間に、例えば空気またはセラミックの層によって外管から隔てられ、または熱的に切り離されている。例えば、内管は、スカル坩堝の内容物を加熱するための高周波の導入とは独立して、電流により直接電気加熱されることができ、個々の所望の温度に保持されている。
光ファイバガラス、特に高いＵＶ透過性を有するガラスの透過特性には非常に高い要求が課せられる。この場合、特に、溶融物への貴金属の導入を可能な限り最小に抑えることが必要である。これにより、特に短波（紫外線および青）スペクトル領域における伝導特性の劣化およびガラスの黄変につながる可能性があるガラス中の貴金属イオンおよび／または貴金属粒子のレベルを減少させることが可能になる。
本発明によれば、これらの問題は、加熱可能であるだけでなく冷却可能であるようにも構成された、可変に位置決め可能な取り出し装置によって特に単純な方法で対処することができる。このようにして、溶融物および貴金属間の接触領域の温度を金属の取り出しのために臨界温度値未満に下げることができる。
したがって、本発明による装置は、少なくとも１つの可変に位置決め可能な取り出し装置を冷却する機構を有する。この冷却機構は、１つまたは複数の冷却ゾーンを有してもよい。
取り出し装置とスカル坩堝の間の電気火花を防止するために、ひいては装置の損傷を回避するために、本発明による装置は有利には、取り出し装置をスカル坩堝と短絡させる機構を有する。
無機物、特にガラスを溶融する本発明の装置を、少なくとも２つの独立した機構により供給側と排出側の容積比を設定するというオプションを提供することによって柔軟に構成することができるようにするために、本発明はさらに、柔軟に位置決め可能なブリッジのほかに、可変に位置決め可能な取り出し装置も有する装置を提供する。
さらに、本装置の発明的な構成は、坩堝内容物を加熱する機構が、スカル坩堝を垂直方向に少なくとも部分的に取り囲む高周波コイルを有するというオプションを提供する。したがって、本発明によれば、坩堝内容物全体を単一コイルのみで加熱することができる。
高周波コイルにより発生するエネルギーを可能な限り効率的に坩堝内容物中に導入することができるようにするために、本発明による装置はスロット付きスカル坩堝を有する。
スカル坩堝にておよび／またはブリッジとスカル坩堝または取り出し可能な装置とスカル坩堝の間で電気火花を有利に防止するために、本発明は、本装置がスカル坩堝を形成する管を短絡させる機構を有するというオプションを提供する。したがって、ブリッジをスカル坩堝と短絡させる機構、および取り出し装置をスカル坩堝と短絡させる機構を設けることができる。
スカル坩堝の熱的攻撃を防止するために、本発明による装置は、特に冷却フィンガ、特に折返し冷却フィンガを含む、スカル坩堝を冷却する機構を有する。
スカル坩堝は、冷却媒体が流れる個々の管を有する。冷却剤は特に蛇行経路を通ることができる。この場合、スカル坩堝のサイズに応じて、個々のセグメントに坩堝を分割する必要がある場合があり、適切であれば各場合に複数の冷却剤回路を有する。
通常、最大約２００リットルの容積を有する比較的小さい坩堝の場合、スカル坩堝の底部領域では管はスロット付きのままであり、互いに電気接続されていない。この場合に電気火花を防止するには、例えば雲母小板が管間に配置される。
対照的に、非常に大きな溶融容積を有するタンクの場合、管の電気的短絡がスカル坩堝の底部領域に設けられることも好都合である場合がある。管の上端では、管のすべてが互いに電気的に短絡することができる。冷却剤が冷却した管は、溶融物用の出口通路の周りにリング状で互いに短絡し、電位補償のために取り出し装置と電気接続する。
比較的小さなタンクの場合、スカル坩堝の底部領域はスカル坩堝の側壁から電気的に絶縁される。この絶縁は、特にセラミック絶縁層（好ましくは雲母）を設けることによって達成することができる。導電性でない他の材料を対応する方法で用いることもできる。
スカル側壁の底部で短絡した比較的大きなスカル坩堝の場合、底板は壁と電気的に接触し得る。底板自体は例えば蛇行管を含むか、あるいはケーキのスライス状に配置されたセグメントを有する。
有利に溶融能力を増大することができるようにするために、本発明による装置は、坩堝内容物を撹拌してスカル坩堝の供給側および／または排出側に強制対流を与えるという特に単純なオプションを提供する。これはさらに、供給側および／または排出側の坩堝内容物に気泡を導入する（泡立てる）機構によって達成してもよい。
特に高粘度溶融物の場合、泡立てまたは撹拌機によって生じる撹拌動作は、溶融能力に有益な作用を与える。取り出し管の直前の精錬領域での泡立ては、精錬気泡の上方への移動を促し、溶融物が取り出される前であっても溶融物を冷却する。この種の泡立ては、上方から導入される泡立て管または底部に配置されたノズルによってスカル坩堝内で行うことができる。
溶融能力のさらなる増大は、特にバッチが加えられる領域に追加の炉頂熱を用いることによって達成することができる。したがって、本発明による装置は、特に供給側および／または排出側に配置されるとともに、特に少なくとも１つのバーナーを有する、坩堝内容物を加熱する少なくとも１つの第３の機構を提供する。バーナーの代わりに、直接的または間接的な電気加熱を提供することも可能である。
バーナーを用いて炉頂熱を発生させる場合、炉の上部空間の低温構成要素上でバーナーから排出されるガスが凝縮するのを防止するために、スカル坩堝をマッシュルーム型スカルとして既知のもののように設計することが有用である場合もある。このタイプのマッシュルーム型スカルは、ドイツ特許第１９９３９７７２．４号に記載されており、この開示の全体の内容を本願中の参照としてここに組み入れる。
本発明による装置が製造ラインに有利に連結することができるようにするために、本装置は、坩堝内容物を後続処理するための機構を有する。例えば、本装置は、特にスカル坩堝の下流と接続することができる、溶融した坩堝内容物を均質化する機構を有することができる。さらに、本装置は、溶融した坩堝内容物を移す機構を有してもよい。
本発明を以下に、例示的な実施形態に基いて添付の図面の参照とともに説明する。同一の構成要素は図中の同一の参照符号で示される。
最初に図１を参照すると、スカル坩堝１を有する本発明の装置が示されており、このスカル坩堝１内に開口部１５からバッチが加えられる。スカル坩堝１は供給領域１０を備え、供給領域１０はバッチを加える開口部１５のほかにスカル坩堝の第１の領域１２を有する。供給領域１０は、可変に位置決め可能なブリッジ２によって排出領域２０から分離される。排出領域２０は、第２の領域２２および取り出し装置２５を有する。コイル１４がスカル坩堝の内容物３０を加熱する機構として図１に示されている。坩堝内容物３０の加熱により、加えられたバッチを溶融し、取り出し装置２５を介して排出することができる。
ブリッジ２の位置は様々である。例えば、第１の領域１２の第２の領域２２に対する容積比はブリッジの水平方向への移動により、溶融すべきガラスのタイプ、達成すべき収量、およびガラス品質の関数として設定することができる。この場合、加えられたバッチの溶融は概ね第１の領域１２において行われ、既に溶融したバッチの精錬は第２の領域２２において行われる。
内部均質性および気泡がないことに対する要求が低いガラスの場合、精錬容積を溶融容積に対して減少させることができる。この種の状態を図２ａに示す。可変ブリッジ２は、スカル坩堝の寸法によって事前に決まっている同じ全容積を保持しつつ、第１の領域１２の容積が第２の領域２２の容積よりも相当大きくなるように位置決めされる。このようにして、設備の最大溶融能力を達成することができる。
さらに、図２ａは、取り出し装置２５の第１の考えられ得る実施形態を示す。溶融し精錬した坩堝内容物３０は、高周波コイル１４の上方に配置された出口管２５を介してバッファ容器に入ってから垂直管を介して後続処理のために供給される。
この場合、取り外し可能な装置２５の配置は可変であり、例えば図１では、取り外し可能な装置２５は高周波コイル１４の下に配置される。設備をよりコンパクトにするため、取り外し装置２５の水平方向管がスカル坩堝１にシフトすることが可能である。これはまた、第２の領域２２の容積を低減する。さらに、スカル坩堝１に突出した取り外し装置２５の水平方向管は、縁部に形成されるスカル層により影響を受けない設備容積の領域から溶融物を有利に取り出すことができるようになっている。内部均質化に対する要求が高く、透過性に対する要求が非常に高いが、気泡がないことに対する要求が低いガラスの場合、溶融容積を比較的大きいままであるようにすることもできる。しかしながら、さらに精錬容積は、図２ａに示した場合よりも著しく大きくなるように選択される必要がある。この種の状態は図２ｂに示される。可変に位置決め可能なブリッジ２は、図２ａに示した配置に比して溶融容積がより小さく、精錬容積がより大きいようにスカル坩堝１内に配置される。取り出し装置２５の一実施形態のさらなる例を示すため、図２ｂは、単純なベントオフ管を示す。このベントオフ管は高周波コイル１４の巻かれている内側に配置される。
光学ガラスの例では、ガラスの内部均質性および透過性に高い要求が課せられるが、気泡がないことにも高い要求が課せられる。この場合、精錬容積は、気泡がないことおよび高度の均質性を保証するよう、できるだけ高い精錬容積を選択する必要がある。
これらの要件に対する解決策は、図２ｃに示した配置に示される。可変に位置決め可能なブリッジ２は、ここでは第１の領域１２すなわち溶融領域の容積が、第２の領域２２すなわち精錬領域の容積に対して減少するように配置される。この場合、取り出し装置２５は、後続処理の前にガラスのさらなる均質化のために撹拌坩堝を有する。
図２ａ〜図２ｃとともに与えられた説明に基づいて示されるように、ブリッジ２と取り外し装置２５の可変位置決めを、スカル坩堝１の第１の領域１２と第２の領域２２の容積を、製品品質および収量に課せられた特定の要求に対応させるようにすることができる。
さらに、本発明は、他の機構を用いて様々な方法で一時的かつ局所的に、坩堝内容物３０の温度したがって粘度および流量に柔軟に影響を与えるというオプションを提供する。このタイプの機構を図３に示す。
特に、本発明による装置は、撹拌機５２、好ましくは水冷式撹拌機を備えることができる。特に第１の領域１２すなわち溶融領域において、撹拌機５２を用いて坩堝内容物３０に加えられたバッチを均一に分布させることができる。特に、上方から加えられたバッチを、撹拌機５２を用いて坩堝内容物３０の表面の下方に急速に引き込むことによって、高周波コイル１４により導入されるエネルギーによって加熱される領域にバッチが迅速に送り込まれる。このように、撹拌機５２の使用は溶融能力に有益な影響を与える。
また、スカル坩堝１の第１の領域１２および／または第２の領域２２において坩堝内容物３０の完全な混合を確実にする強制対流を、ガス気泡の導入（泡立て）により達成することができる。この種の泡立てを行うことをできるようにするため、例えば、上方から挿入される泡立て管、または図３に示すように、例えば底部に配置されたノズル３２、３５を用いることができる。精錬方法は、坩堝内容物３０に導入されるガス気泡によっても高められる。
特に、設備が運転開始している場合、高周波コイル１４を介して導入されるエネルギーに加えて、またはそれとは独立して、バッチを加熱することができることが有用である場合がある。これは、例えばバーナー４２、４５を用いて、供給領域１０および／または排出領域２０において実現することができる。バーナー４２、４５は、例えば溶融能力を増大させるか、または温度制御の助けとなるよう、進行中の運転の際に電源をオンにすることができる。
図４は、図１に示した装置のＸＸで示した抜粋の拡大図を示す。この例では、可変に位置決め可能な取り出し装置２５は、高周波コイル１４の下側に配置される。取り出し装置２５は、スカル坩堝１の壁の開口部から導かれる。この開口部に位置するスカル坩堝１の管の間に、電気火花を防止する短絡リング２３がある。取り出し装置２５は、スカル坩堝１の取り出し装置２５と管の間の電気火花を防止するよう、導電接続部１８を介して短絡リング２３に接続される。
ガラスのタイプおよびスカルの外壁１１の厚みに応じて、取り出し装置２５はスカル坩堝１の内部に突出する。したがって、取り出し装置２５はまた、坩堝内容物３０の周囲の溶融物によって間接的にさらに加熱される。
例に示すように、取り出し装置２５は二重壁式構造を有し、例として液体冷却が取り出し装置２５の内部において実現されることができる。冷却剤は、供給接続部２１を介して二重壁式取り出し装置２５に供給され、排出接続部２７を介して再び取り出される。
供給接続部２１および排出接続部２７は、図４において互いに対向側に示されている。この配置は絶対的なものではなく、例えば、取り出し装置２５の、供給接続部から離れた側に排出接続部を配置してもよい。このように、取り出し装置を冷却する制御された向流を実現することもできる。
（溶融例）
本例では、以下の範囲の組成、
４３〜４６重量％の濃度のＳｉＯ２、
３３〜３８重量％の濃度のＺｎＯ、
１２〜２０重量％の濃度のＲ２Ｏ（ここで、Ｒ２Ｏはアルカリ酸化金属を示す）、および
０〜４重量％の濃度のＰｂＯ
を有する光ファイバ亜鉛シリケートガラスを検討する。
本例では、以下の範囲の組成、
４３〜４６重量％の濃度のＳｉＯ２、
３３〜３８重量％の濃度のＺｎＯ、
１２〜２０重量％の濃度のＲ２Ｏ（ここで、Ｒ２Ｏはアルカリ酸化金属を示す）、および
０〜４重量％の濃度のＰｂＯ
を有する光ファイバ亜鉛シリケートガラスを検討する。
これらの光ファイバ亜鉛シリケートガラスには、純度および光伝送に関して非常に高い要求が課せられている。これに関して、白金がないことおよび着色作用を有する多価イオンの最小化が特に重要である。
光ファイバ亜鉛シリケートガラスを、無機物を溶融する本発明による装置内で溶融した。スカル坩堝の容積は６５リットルであった。取り出し装置２５は側方に配置した。この場合、放出口は高周波コイル１４の上方に配置し、設計上、二重壁式であり冷却可能であった。
用いた冷却媒体は空気および水湿潤空気である。ガラスは、４０９〜４１５ｋＨｚの周波数および１２０〜２２５ｋＷの発電力で溶融した。バーナー４２、４５を時々用いて、溶融能力および精錬領域２２の上部にて気泡が生じる割合を高めた。
酸素による泡立てを用いて溶融領域１２における混合を高めた。装置の溶融能力は、一日あたり０．６〜０．７トンのガラスであった。可変に位置決め可能なブリッジ２を各種位置で用いたところ、温度と流量の特性にかなりの影響があることが分かった。表１に試験の結果の概要を示す。
ブリッジ位置に応じた溶融領域と精錬領域の間の温度勾配ΔＴ
領域１２の溶融容積の領域２２の精錬容積に対する比が一定である場合、スルーフロー高さの高さ全体に対する比を変えることにより、すなわちブリッジ２の垂直方向位置を変更することにより、溶融に用いられる領域１２の温度と精錬に用いられる領域２２のかなりの温度の差ΔＴを生じさせることができる。
上述の側方出口の代わりに底部出口を用いた場合でも、例Ｅにおけるように１２０Ｋの温度差ΔＴを達成することができる。他のパラメータも同様に上述の所与の値をとる。底部出口はこの場合、スカル坩堝内に１５０ｍｍ突出して、空冷および水冷された。
Claims (48)
- 供給側および排出側を有するスカル坩堝内で、無機物、特にガラスを溶融する方法であって、
前記スカル坩堝の前記供給側の少なくとも１つの第１の領域にバッチを加える工程、
前記坩堝内容物を加熱する工程、
前記スカル坩堝の前記少なくとも１つの第１の領域内の前記坩堝内容物を溶融する工程、
前記スカル坩堝の前記排出側の少なくとも１つの第２の領域に前記坩堝内容物を入れる工程、
前記スカル坩堝の前記少なくとも１つの第２の領域内の前記坩堝内容物を溶融および／または精錬する工程、および
前記溶融した坩堝内容物を少なくとも１つの取り出し装置により取り出す工程を有し、
前記スカル坩堝の前記供給側および／または前記排出側の容積を可変に設定することができることを特徴とする方法。 - 前記供給側および／または前記排出側の容積は、少なくとも１つのブリッジを可変に位置決めすることによって設定される請求項１記載の方法。
- 前記少なくとも１つのブリッジを可変に位置決めすることにより前記坩堝内容物の流量を設定する請求項２記載の方法。
- 前記第１の領域内の、および／または該第１の領域から前記第２の領域への、および／または前記第２の領域内の、および／または前記第２の領域から前記取り出し装置への前記坩堝内容物の流量は、前記少なくとも１つのブリッジを可変に位置決めすることによって設定される請求項２または３記載の方法。
- 前記少なくとも１つのブリッジは、水平方向におよび／または垂直方向に位置決めされる請求項２〜４のいずれかに記載の方法。
- 前記少なくとも１つのブリッジの位置は、運転開始操作の一部として設定される請求項５記載の方法。
- 前記少なくとも１つのブリッジの位置は、方法が行われている間に変更される請求項５または６記載の方法。
- 前記少なくとも１つのブリッジの位置は、方法が行われている間に制御される請求項５〜７のいずれかに記載の方法。
- 前記少なくとも１つのブリッジの位置は、前記坩堝内容物の粘度に応じて設定される請求項５〜８のいずれかに記載の方法。
- 前記少なくとも１つのブリッジが冷却される請求項２〜９のいずれかに記載の方法。
- 前記供給側の前記第１の領域の内容物と前記排出側の前記第２の領域の内容物の温度差は、前記少なくとも１つのブリッジを可変に位置決めすることによって設定される請求項２〜１０のいずれかに記載の方法。
- 前記排出側の容積は、前記少なくとも１つの取り出し装置を可変に位置決めすることによって設定される方法。
- 前記溶融および／または精錬した坩堝内容物を加熱する第２の工程を有し、該第２の工程は前記取り出しの際に行われる請求項１２記載の方法。
- 前記第２の加熱工程では直接電気加熱が行われる請求項１３記載の方法。
- 前記溶融および／または精錬した坩堝内容物を冷却する工程を有し、該冷却する工程は前記取り出しの際に行われる請求項１〜１４のいずれかに記載の方法。
- ガス冷却、特に空気冷却、および／または特に水／空気混合物を含むエーロゾル冷却、および／または液体冷却、特に水冷、が冷却に用いられる請求項１５記載の方法。
- 請求項２〜１１のいずれか１項および請求項１２〜１６のいずれか1項に記載の方法。
- 前記坩堝内容物を加熱する工程では高周波加熱が行われる請求項１〜１７のいずれかに記載の方法。
- 前記スカル坩堝を冷却する請求項１〜１８のいずれかに記載の方法。
- 前記供給側および／または前記排出側の前記坩堝内容物の流れに強制対流を与える請求項１〜１９のいずれかに記載の方法。
- 前記強制対流を撹拌および／または泡立てにより生じさせる請求項２０記載の方法。
- 前記坩堝内容物を加熱する第３の工程を有する請求項１〜２１のいずれかに記載の方法。
- 前記坩堝内容物を加熱する第３の工程では、特に前記供給側および／または前記排出側の前記坩堝内容物の表面加熱が行われる請求項２２記載の方法。
- 前記溶融した坩堝内容物を成形のために供給する工程をさらに有する請求項１〜２３のいずれかに記載の方法。
- 無機物、特にガラスを溶融する装置であって、
少なくとも１つの第１の領域を有する供給側、および少なくとも１つの第２の領域を有する排出側を有するスカル坩堝を有し、該スカル坩堝が、
該スカル坩堝の前記少なくとも１つの第１の領域にバッチを加える機構、
前記坩堝内容物を加熱する機構、および
取り出し装置を有し、さらに、
該スカル坩堝の前記供給側および／または前記排出側の容積を可変に設定する少なくとも１つの機構を有することを特徴とする装置。 - 前記供給側および／または前記排出側の容積を設定する少なくとも１つの可変に位置決め可能なブリッジを有する請求項２５記載の装置。
- 前記スカル坩堝および／または前記少なくとも１つの可変に位置決め可能なブリッジは、金属、特に特殊鋼および／または白金および／または銅および／またはアルミニウムおよび／またはそれらの合金からなる請求項２５または２６に記載の装置。
- 前記ブリッジがスロット付きである請求項２６または２７記載の装置。
- 前記スカル坩堝および／または前記少なくとも１つの可変に位置決め可能なブリッジは、特にプラスチックの被覆材を有する請求項２６〜２８のいずれかに記載の装置。
- 前記少なくとも１つのブリッジを水平方向におよび／または垂直方向に位置決めする機構を有する請求項２６〜２９のいずれかに記載の装置。
- 前記方法が行われている間に前記少なくとも１つのブリッジの位置を変える機構を有する請求項２６〜３０のいずれかに記載の装置。
- 前記方法が行われている間に前記少なくとも１つのブリッジの位置を制御する機構を有する請求項２６〜３１のいずれかに記載の装置。
- 前記少なくとも１つのブリッジを冷却する機構を有する請求項２６〜３２のいずれかに記載の装置。
- 前記坩堝内に突出した、前記排出側に前記少なくとも１つの位置決め可能な取り出し装置を有する請求項２５記載の装置。
- 前記少なくとも１つの可変に位置決め可能な取り出し装置は、金属および／またはセラミックおよび／またはガラスからなる請求項３４記載の装置。
- 前記少なくとも１つの位置決め可能な取り出し装置を加熱する機構を有する請求項３４または３５記載の装置。
- 前記少なくとも１つの位置決め可能な取り出し装置を冷却する機構を有する請求項３４〜３６のいずれかに記載の装置。
- 前記取り出し装置を前記スカル坩堝と短絡させる機構を有する請求項３４〜３６のいずれかに記載の装置。
- 請求項２５〜３３のいずれか１項および請求項３４〜３８のいずれか１項に記載の装置。
- 前記坩堝内容物を加熱する前記機構は、前記スカル坩堝を垂直方向に少なくとも部分的に取り囲む高周波コイルを有する請求項２５〜３９のいずれかに記載の装置。
- 前記スカル坩堝がスロット付きである請求項２５〜４０のいずれかに記載の装置。
- 前記スカル坩堝を形成する管を短絡させる機構を有する請求項２５〜４１のいずれかに記載の装置。
- 冷却フィンガ、特に折返し冷却フィンガを有する前記スカル坩堝を冷却する機構を有する請求項２５〜４２のいずれかに記載の装置。
- 前記供給側および／または前記排出側の前記坩堝内容物を撹拌する少なくとも１つの機構を有する請求項２５〜４３のいずれかに記載の装置。
- 前記供給側および／または前記排出側の前記坩堝内容物内に気泡を導入する（泡立てる）少なくとも１つの機構を有する請求項２５〜４４のいずれかに記載の装置。
- 特に前記供給側および／または前記排出側に配置され、少なくとも１つのバーナーを特に有する、前記坩堝内容物を加熱する少なくとも１つの第３の機構を有する請求項２５〜４５のいずれかに記載の装置。
- 特に前記スカル坩堝の下流に接続できる、前記溶融した坩堝内容物を均質化する機構を有する請求項２５〜４６のいずれかに記載の装置。
- 前記溶融した坩堝内容物を移す機構を有する請求項２５〜４７のいずれかに記載の装置。
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