JP2523209B2 - 液体材料の処理方法 - Google Patents
液体材料の処理方法Info
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- C03B5/235—Heating the glass
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- C03B37/09—Bushings, e.g. construction, bushing reinforcement means; Spinnerettes; Nozzles; Nozzle plates electrically heated
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- C03B5/16—Special features of the melting process; Auxiliary means specially adapted for glass-melting furnaces
- C03B5/235—Heating the glass
- C03B5/2353—Heating the glass by combustion with pure oxygen or oxygen-enriched air, e.g. using oxy-fuel burners or oxygen lances
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- H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
- H05B7/00—Heating by electric discharge
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- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- H05H1/24—Generating plasma
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- H05H1/32—Plasma torches using an arc
- H05H1/44—Plasma torches using an arc using more than one torch
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- C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は液体材料の処理方法、さらに詳しくは、それ
から繊維および他の製品が製造される溶融ガラスまたは
耐火物あるいは他の材料の処理方法に関する。
から繊維および他の製品が製造される溶融ガラスまたは
耐火物あるいは他の材料の処理方法に関する。
従来技術および課題 ガラスまたは耐火物、あるいは他の材料からの繊維の
製造において、溶融材料は連続流または摂動流（pertur
bated stream）としての液体流の形態で、溶融装置から
繊維形成装置（繊維化装置（fibe−rizer））に注入さ
れ、あるいは流動する。この液体流が溶融装置内の高温
領域を出るとすぐに、低温のオリフィスまたは該装置を
包囲する低温の大気と接触する。それにより、該液体流
の表面は冷却され、低温の液体表皮層（skin）を形成す
る。
製造において、溶融材料は連続流または摂動流（pertur
bated stream）としての液体流の形態で、溶融装置から
繊維形成装置（繊維化装置（fibe−rizer））に注入さ
れ、あるいは流動する。この液体流が溶融装置内の高温
領域を出るとすぐに、低温のオリフィスまたは該装置を
包囲する低温の大気と接触する。それにより、該液体流
の表面は冷却され、低温の液体表皮層（skin）を形成す
る。
第１図は溶融浴から出る溶融耐火性酸化物の流れ中の
典型的な熱勾配を示す。この例では、該流れは、断面が
略円形であり、直径が1.25cmである。中央領域の温度は
約2000℃であり、均一であって、最外の0.125cmの所で
は平均で約1340℃に急激に減少する。したがって、冷却
領域は高温中央域を包囲する完全な環状の形態であり、
特にこの場合、流れ面積の約36％が「低温」であること
が計算できる。
典型的な熱勾配を示す。この例では、該流れは、断面が
略円形であり、直径が1.25cmである。中央領域の温度は
約2000℃であり、均一であって、最外の0.125cmの所で
は平均で約1340℃に急激に減少する。したがって、冷却
領域は高温中央域を包囲する完全な環状の形態であり、
特にこの場合、流れ面積の約36％が「低温」であること
が計算できる。
「低温」の表皮層は「ショット（shot）」の形成を招
く。ここで用いる「ショット」なる用語は繊維に伸張し
そこなった球状または涙滴形の材料の粒子を意味する。
く。ここで用いる「ショット」なる用語は繊維に伸張し
そこなった球状または涙滴形の材料の粒子を意味する。
ショットの生成は最終繊維製品を劣化させ、大きい製
造上の損失を招く（最悪の場合、50％以上）。実際に
は、流れの「低温」面積％は生成されるショットの％に
近い。
造上の損失を招く（最悪の場合、50％以上）。実際に
は、流れの「低温」面積％は生成されるショットの％に
近い。
多くの繊維の製造方法では、繊維は急速に紡糸するホ
イールから振り落とされるまたは空気作用により吹き飛
ばされる液滴から形成される。該繊維は溶融小滴から引
っ張られたテール（tail）として形成する。理想的に
は、温度および小滴の初期寸法が最適であると、小滴が
低温になりすぎてさらに繊維を形成できないように、小
滴は完全に消費され消滅する。小滴が低温すぎるか、寸
法が大きすぎると、繊維の価値が非常に減少した粗い繊
維化されないショット粒子が形成される。大部分は、該
ショットが繊維製品中に閉じ込められてその一部となる
が、ある種の条件下では、ショットは繊維流から解放さ
れて特別な分離した粒子として存在する。
イールから振り落とされるまたは空気作用により吹き飛
ばされる液滴から形成される。該繊維は溶融小滴から引
っ張られたテール（tail）として形成する。理想的に
は、温度および小滴の初期寸法が最適であると、小滴が
低温になりすぎてさらに繊維を形成できないように、小
滴は完全に消費され消滅する。小滴が低温すぎるか、寸
法が大きすぎると、繊維の価値が非常に減少した粗い繊
維化されないショット粒子が形成される。大部分は、該
ショットが繊維製品中に閉じ込められてその一部となる
が、ある種の条件下では、ショットは繊維流から解放さ
れて特別な分離した粒子として存在する。
ショット形成は望ましくなく、該ショットの形成が少
ない程、同じ溶融エネルギーおよび供給原料の量に対す
る収量は良くなり、絶縁用のグラスファイバーの製造の
場合、絶縁材の単位重量当たりの絶縁性が良くなる。従
来から存在したショット損失を減少させるための確立さ
れたプラックティスとしては、溶融浴をある程度過熱さ
せること、その出口オリフィスを加熱すること等が挙げ
られる。不運にも、この組合せはショット損失を僅かに
減少させるのみであり、さらに以下のような欠点を有す
る。
ない程、同じ溶融エネルギーおよび供給原料の量に対す
る収量は良くなり、絶縁用のグラスファイバーの製造の
場合、絶縁材の単位重量当たりの絶縁性が良くなる。従
来から存在したショット損失を減少させるための確立さ
れたプラックティスとしては、溶融浴をある程度過熱さ
せること、その出口オリフィスを加熱すること等が挙げ
られる。不運にも、この組合せはショット損失を僅かに
減少させるのみであり、さらに以下のような欠点を有す
る。
（ｉ）溶融浴の耐火ライニングのエロージョンを促進す
るため、装置停止時間および製造損失を伴う頻繁で高価
な再製作を増大させ、 （ii）出口オリフィスに損傷を起こさせる。ガラス溶融
装置では、該出口オリフィスは典型的に貴金属、例え
ば、終生腐食を起こさない白金またはイリジウムから作
製され、そのプロセスは溶融体の任意の温度上昇、およ
び出口流上での「低温」の表皮層の形成の防止のために
オリフィスを加熱することにより悪化する。該オリフィ
スが拡大されるにつれ、それから出てくる流れは径およ
び流速が増大し、品質および繊維製造速度の制御を難し
くする。オリフィスの拡大を補うため、開口部に配置さ
れたテーパー付きニードルの使用が採用されてきた。
るため、装置停止時間および製造損失を伴う頻繁で高価
な再製作を増大させ、 （ii）出口オリフィスに損傷を起こさせる。ガラス溶融
装置では、該出口オリフィスは典型的に貴金属、例え
ば、終生腐食を起こさない白金またはイリジウムから作
製され、そのプロセスは溶融体の任意の温度上昇、およ
び出口流上での「低温」の表皮層の形成の防止のために
オリフィスを加熱することにより悪化する。該オリフィ
スが拡大されるにつれ、それから出てくる流れは径およ
び流速が増大し、品質および繊維製造速度の制御を難し
くする。オリフィスの拡大を補うため、開口部に配置さ
れたテーパー付きニードルの使用が採用されてきた。
課題を解決するための手段 そこで、本発明者らは溶融浴の過熱および出口オリフ
ィスの加熱の必要性を解消したショット形成を減少させ
るための方法を開発した。
ィスの加熱の必要性を解消したショット形成を減少させ
るための方法を開発した。
すなわち、本発明は液体材料の流れの本体温度および
該流れの外表面温度の両方を上げるため、該液体材料の
流れを、少なくとも２つのプラズマアークが液体流の表
面にカップリングされた領域に通し、それにより、該流
れの熱および／または化学処理を行う液体材料の連続流
または摂動流の処理方法を提供するものである。
該流れの外表面温度の両方を上げるため、該液体材料の
流れを、少なくとも２つのプラズマアークが液体流の表
面にカップリングされた領域に通し、それにより、該流
れの熱および／または化学処理を行う液体材料の連続流
または摂動流の処理方法を提供するものである。
プラズマアークは少なくとも２つのプラズマ電極から
なるシステムにより発生し、その少なくとも１つの電極
がカソードとして作用し、少なくとも１つの電極がアノ
ードとして作用する。このように、液体流は、温度を上
昇させるのに十分な非常に大きいエネルギーからなる領
域を通過することにより熱的および／または化学的に調
整され、熱的不均一性、特に「低温」の表皮層の形成を
伴う問題が改善される。
なるシステムにより発生し、その少なくとも１つの電極
がカソードとして作用し、少なくとも１つの電極がアノ
ードとして作用する。このように、液体流は、温度を上
昇させるのに十分な非常に大きいエネルギーからなる領
域を通過することにより熱的および／または化学的に調
整され、熱的不均一性、特に「低温」の表皮層の形成を
伴う問題が改善される。
本発明の方法により処理される材料としては、それか
ら繊維が製造されるガラス組成物、ウォラストナイト組
成物、ミネラルウール組成物、他のシリケート組成物お
よび耐火性酸化物が挙げられる。
ら繊維が製造されるガラス組成物、ウォラストナイト組
成物、ミネラルウール組成物、他のシリケート組成物お
よび耐火性酸化物が挙げられる。
好ましくは、プラズマ電極は互いにある角度で傾斜
し、好ましくは溶融材料の流れに対して対称位置であ
る。該電極角度の広い範囲は、どちらかの方向の流れに
平行であるところから、その間のすべての角度までが可
能である。該流れによる最適温度上昇（pich up）およ
び流れ安定性のためには、電極間の角度が100〜140°の
範囲で下流に向いている電極を有すること、すなわち該
電極が垂直に対して50〜70°の角度であることが好まし
い。
し、好ましくは溶融材料の流れに対して対称位置であ
る。該電極角度の広い範囲は、どちらかの方向の流れに
平行であるところから、その間のすべての角度までが可
能である。該流れによる最適温度上昇（pich up）およ
び流れ安定性のためには、電極間の角度が100〜140°の
範囲で下流に向いている電極を有すること、すなわち該
電極が垂直に対して50〜70°の角度であることが好まし
い。
電極先端間の間隔は熱カップリングの効率、またはト
ランス熱を含むプラズマ入力中の熱量に対する液体流に
より吸収された熱比率に影響を及ぼす。電極の大きさお
よび入力により、該電極先端は溶融体流に極めて隣接し
てもよく、広く間隔を設けてもよい。1KW以下の低い電
力負荷で操作する0.6cm径の小さい電極では、該電極は
溶融体流とほとんど接触する。数メガワットの電力負荷
を有する大きい電極では、該電極は、２つ以上のプラズ
マアークが互いにかつ液体流に電気的にカップリング
（coupling）しさえすれば、広く間隔を設けることがで
きる。一般に、電極について最も効果的なカップリング
は液体流にできるだけ近いことである。電極先端が該流
れから遠ざかるにつれて、プラズマ気体からの対流およ
び輻射損失が増大する。最適間隔は、該流れが電極に接
触することなしに流浪する（wander）ための余分な間隔
を提供するのに必要な因子に依存する。
ランス熱を含むプラズマ入力中の熱量に対する液体流に
より吸収された熱比率に影響を及ぼす。電極の大きさお
よび入力により、該電極先端は溶融体流に極めて隣接し
てもよく、広く間隔を設けてもよい。1KW以下の低い電
力負荷で操作する0.6cm径の小さい電極では、該電極は
溶融体流とほとんど接触する。数メガワットの電力負荷
を有する大きい電極では、該電極は、２つ以上のプラズ
マアークが互いにかつ液体流に電気的にカップリング
（coupling）しさえすれば、広く間隔を設けることがで
きる。一般に、電極について最も効果的なカップリング
は液体流にできるだけ近いことである。電極先端が該流
れから遠ざかるにつれて、プラズマ気体からの対流およ
び輻射損失が増大する。最適間隔は、該流れが電極に接
触することなしに流浪する（wander）ための余分な間隔
を提供するのに必要な因子に依存する。
すべての気体はイオン化されてプラズマを形成する
が、用いるのに好ましい気体はHe、Ne、Ar、O2、N2およ
びNH3、あるいはその混合物、あるいはその組合せであ
るが、アルゴンおよび窒素が最も好ましい。
が、用いるのに好ましい気体はHe、Ne、Ar、O2、N2およ
びNH3、あるいはその混合物、あるいはその組合せであ
るが、アルゴンおよび窒素が最も好ましい。
前述のプラズマ電極の装置を用いると、導電路が、包
囲する気体状媒体（大部分の場合は空気である）中のプ
ラズマ気体を介しかつ調整された材料に依存し、溶融体
流自体が導電されるため、戻りの電気接続の必要がない
ことは明らかである。したがって、本発明の方法を用い
ると汚染の問題がない。
囲する気体状媒体（大部分の場合は空気である）中のプ
ラズマ気体を介しかつ調整された材料に依存し、溶融体
流自体が導電されるため、戻りの電気接続の必要がない
ことは明らかである。したがって、本発明の方法を用い
ると汚染の問題がない。
溶融材料の流れを調整するプラズマ電極の装置は現存
の製造システムに容易に組み込まれ、溶融体の出口オリ
フィスは加熱する必要がない。実際には、出口オリフィ
スで冷却の部品を導入するのが好ましく、それにより、
オリフィス寿命を保ち、出口流を調整するための制御お
よびオリフィス・クリーニングの必要性を除去する。
の製造システムに容易に組み込まれ、溶融体の出口オリ
フィスは加熱する必要がない。実際には、出口オリフィ
スで冷却の部品を導入するのが好ましく、それにより、
オリフィス寿命を保ち、出口流を調整するための制御お
よびオリフィス・クリーニングの必要性を除去する。
その他に、例えば、本願出願人の同時係属特許出願第
300656/1989号に記載のプラズマアーク炉のようなプラ
ズマアーク炉内で材料を溶融してもよい。この装置で
は、炉内に２つのプラズマ電極が用いられており、１つ
の電極はアノードとして、他の電極はカソードして作用
する。材料を溶融するプラズマ炉の使用は、容易に高温
に達し、それを炉内で維持するという利点がある。所望
により、例えば、空気または水ジャケットを用いて炉の
出口を冷却してもよい。
300656/1989号に記載のプラズマアーク炉のようなプラ
ズマアーク炉内で材料を溶融してもよい。この装置で
は、炉内に２つのプラズマ電極が用いられており、１つ
の電極はアノードとして、他の電極はカソードして作用
する。材料を溶融するプラズマ炉の使用は、容易に高温
に達し、それを炉内で維持するという利点がある。所望
により、例えば、空気または水ジャケットを用いて炉の
出口を冷却してもよい。
以下、添付図面を用いて本発明をさらに具体的に説明
する。
する。
第１図は、溶融浴から出る溶湯耐火性酸化物の流れ中
の典型的な熱勾配を示すグラフである。
の典型的な熱勾配を示すグラフである。
第２図は、発生したプラズマアークが溶融体流の表面
でカップリングするように配置された２つのプラズマア
ーク電極を示す図である。
でカップリングするように配置された２つのプラズマア
ーク電極を示す図である。
第３図は、第２図の部分拡大図である。
第４図は、本発明のプラズマアーク調整と材料の溶融
装置を示す図である。
装置を示す図である。
第５図は、プラズマ出力およびプラズマ気体と、溶融
体流の温度上昇の関係を示すグラフである。
体流の温度上昇の関係を示すグラフである。
第１図についてはすでに述べたので、さらに説明する
必要はない。
必要はない。
第２図は、溶融装置（図示せず）から出るガラスのよ
うな溶融材料の流れを示している。該流れ１は領域２を
通過し、該領域では、２つのプラズマアーク３、４が溶
融ガラス流の表面でカップリングする。プラズマアーク
３、４は、各々プラズマ電極５、６により発生し、電極
５はアノードとして作用し、電極６はカソードとして作
用する。イオン化気体としてアルゴンを用い、電極５、
６によりプラズマアークが発生する。電極中のアルゴン
の流速は種々の因子により変化する。一般に、アルゴン
の適当な流速は１〜500l/分であり、電極寸法に依存す
る。アノードおよびカソード中のアルゴンの流速は同じ
でなくてもよい。
うな溶融材料の流れを示している。該流れ１は領域２を
通過し、該領域では、２つのプラズマアーク３、４が溶
融ガラス流の表面でカップリングする。プラズマアーク
３、４は、各々プラズマ電極５、６により発生し、電極
５はアノードとして作用し、電極６はカソードとして作
用する。イオン化気体としてアルゴンを用い、電極５、
６によりプラズマアークが発生する。電極中のアルゴン
の流速は種々の因子により変化する。一般に、アルゴン
の適当な流速は１〜500l/分であり、電極寸法に依存す
る。アノードおよびカソード中のアルゴンの流速は同じ
でなくてもよい。
第３図は各プラズマアークがカップリングする第２図
の領域の拡大図である。同じ部品は同じ符号で示してい
る。この図から容易に理解できるように、プラズマ電極
５、６は互いにある角度、好ましくは100〜140°の下流
に傾斜した夾角、すなわち垂直に対して50〜70°で下流
に傾斜している。また、該電極は、好ましくは材料の溶
融体流の垂直流の回りで対称に配置される。
の領域の拡大図である。同じ部品は同じ符号で示してい
る。この図から容易に理解できるように、プラズマ電極
５、６は互いにある角度、好ましくは100〜140°の下流
に傾斜した夾角、すなわち垂直に対して50〜70°で下流
に傾斜している。また、該電極は、好ましくは材料の溶
融体流の垂直流の回りで対称に配置される。
ついで、プラズマアーク・カップリング領域を出る調
整された溶融体流は、第２図に示すユニット７を通過
し、そこで公知の方法により溶融体材料から繊維が形成
される。
整された溶融体流は、第２図に示すユニット７を通過
し、そこで公知の方法により溶融体材料から繊維が形成
される。
第４図は、材料を溶融し、その溶融体を調整するため
の装置を示す。
の装置を示す。
該装置は、符号10で示す、材料を溶融するための炉か
らなる。該炉は２つの部品、すなわちち回転可能なシェ
ル11と、固定された上部シェル12とからなる。該回転可
能なシェル11は回転機構（図示せず）に連結される。該
固定された上部シェル12には、その中を供給管14が伸び
る中央の供給孔13が設けられる。供給材料は、材料が炉
内で溶融できるのに適した任意の速度で炉内に投入され
る。該固定された上部シェルには、さらに、一対のプラ
ズマ電極、すなわちアノードとして作用する電極15およ
びカソードとして作用する電極16が設けられる。これら
のプラズマ電極に供給する気体はアルゴンである。プラ
ズマ電極15、16により得られたアークは炉内に投入され
た原料上で衝突し、それを溶融させる。炉の回転可能な
シェル11には、それを通して溶融材料が出るタップ穴17
が設けられる。該タップ穴17は、所望により、例えば空
気または水ジャケットにより冷却してもよい。溶融材料
中の熱分散を助け、供給材料の均一な溶融を助けるた
め、シェル11は溶融操作中に回転する。回転可能なシェ
ル12の壁は供給材料の自己加熱（autogenous）ライニン
グにより保護され、供給原料の固体シェル31が該壁に隣
接して形成され、スカム状の溶融体32がこの次に形成さ
れる。最も高温の液体領域33は炉の中央である。このタ
イプの溶融炉は本願出願人の同時係属特許出願第300656
/1989号にさらに詳しく記載されている。
らなる。該炉は２つの部品、すなわちち回転可能なシェ
ル11と、固定された上部シェル12とからなる。該回転可
能なシェル11は回転機構（図示せず）に連結される。該
固定された上部シェル12には、その中を供給管14が伸び
る中央の供給孔13が設けられる。供給材料は、材料が炉
内で溶融できるのに適した任意の速度で炉内に投入され
る。該固定された上部シェルには、さらに、一対のプラ
ズマ電極、すなわちアノードとして作用する電極15およ
びカソードとして作用する電極16が設けられる。これら
のプラズマ電極に供給する気体はアルゴンである。プラ
ズマ電極15、16により得られたアークは炉内に投入され
た原料上で衝突し、それを溶融させる。炉の回転可能な
シェル11には、それを通して溶融材料が出るタップ穴17
が設けられる。該タップ穴17は、所望により、例えば空
気または水ジャケットにより冷却してもよい。溶融材料
中の熱分散を助け、供給材料の均一な溶融を助けるた
め、シェル11は溶融操作中に回転する。回転可能なシェ
ル12の壁は供給材料の自己加熱（autogenous）ライニン
グにより保護され、供給原料の固体シェル31が該壁に隣
接して形成され、スカム状の溶融体32がこの次に形成さ
れる。最も高温の液体領域33は炉の中央である。このタ
イプの溶融炉は本願出願人の同時係属特許出願第300656
/1989号にさらに詳しく記載されている。
溶融材料18の流れはタップ穴17から出る。ついで、該
溶融材料の流れは、冷却領域を通過し、そこでは、２つ
のプラズマアーク19、20が溶融体流の表面でカップリン
グする。プラズマ電極21、22によりプラズマアーク19、
20が発生し、該電極21はアノードとして作用し、該電極
22はカソードとして作用する。ついで、溶融材料の調整
された流れ23は、それから繊維を形成する装置24を通過
する。
溶融材料の流れは、冷却領域を通過し、そこでは、２つ
のプラズマアーク19、20が溶融体流の表面でカップリン
グする。プラズマ電極21、22によりプラズマアーク19、
20が発生し、該電極21はアノードとして作用し、該電極
22はカソードとして作用する。ついで、溶融材料の調整
された流れ23は、それから繊維を形成する装置24を通過
する。
耐火物溶融用途では、システムの種々の部分の温度
は、典型的には、溶融体表面のプラズマアークの衝突点
では1730℃、溶融体の本体中では1650℃、出口オリフィ
スおよびプラズマアーク流調整システム間の流れ中では
1600℃、調整装置の後で繊維形成装置に入る前の最適流
れ温度は1780℃である。
は、典型的には、溶融体表面のプラズマアークの衝突点
では1730℃、溶融体の本体中では1650℃、出口オリフィ
スおよびプラズマアーク流調整システム間の流れ中では
1600℃、調整装置の後で繊維形成装置に入る前の最適流
れ温度は1780℃である。
第４図に関して前述した装置においては、タップ穴17
から出る溶融体流18は適当な輻射検知装置の前面を通過
し、該検知装置は適当な回路および機構に連結され、溶
融材料の流れが引き起こされて炉から流出する速度を制
御する。また、該装置の流れ調整部分には、所望により
流れおよび輻射シェルが設けられる。第４図の装置で
は、出口オリフィスを冷却することによりオリフィス寿
命が延び、それにより、出てくる流れ上の「低温の」表
皮層の形成を促進するが、その後のプラズマ調整処理に
よって全体の流れ温度を繊維形成のための最適温度に上
昇させ、「低温」の表皮層に起因する問題を有効に解消
するため取るに足りないものであり、かくしてショット
の形成が大幅に減少または削除される。
から出る溶融体流18は適当な輻射検知装置の前面を通過
し、該検知装置は適当な回路および機構に連結され、溶
融材料の流れが引き起こされて炉から流出する速度を制
御する。また、該装置の流れ調整部分には、所望により
流れおよび輻射シェルが設けられる。第４図の装置で
は、出口オリフィスを冷却することによりオリフィス寿
命が延び、それにより、出てくる流れ上の「低温の」表
皮層の形成を促進するが、その後のプラズマ調整処理に
よって全体の流れ温度を繊維形成のための最適温度に上
昇させ、「低温」の表皮層に起因する問題を有効に解消
するため取るに足りないものであり、かくしてショット
の形成が大幅に減少または削除される。
前述のプラズマアーク炉溶融装置およびプラズマ流調
整装置の組合せは、以下のごとく、さらに多くの利点を
有する。
整装置の組合せは、以下のごとく、さらに多くの利点を
有する。
冷却器はオリフィス寿命を延ばすことにより、摩耗お
よびクリーニングの問題を解消する。また、該装置は、
実施可能な基礎原料、例えばジルコニア、ムライトおよ
びアルミナを用い、従来、繊維形態で製造できなかった
材料からの繊維の製造を容易にする。
よびクリーニングの問題を解消する。また、該装置は、
実施可能な基礎原料、例えばジルコニア、ムライトおよ
びアルミナを用い、従来、繊維形態で製造できなかった
材料からの繊維の製造を容易にする。
本発明の方法を用いると、任意に流れを熱調整できる
ばかりでなく、プラズマ気体と溶融体流の気体状の反応
により最適な価電子（valence）変化も行える。例え
ば、酸素成分をプラズマ気体中で維持することにより、
溶融体流の少なくとも一部分は、その最も高い価電子形
態に酸化される。このような場合、該溶融体流中の幾つ
かの成分が低い価電子状態にある場合よりも長い繊維が
形成される。
ばかりでなく、プラズマ気体と溶融体流の気体状の反応
により最適な価電子（valence）変化も行える。例え
ば、酸素成分をプラズマ気体中で維持することにより、
溶融体流の少なくとも一部分は、その最も高い価電子形
態に酸化される。このような場合、該溶融体流中の幾つ
かの成分が低い価電子状態にある場合よりも長い繊維が
形成される。
プラズマ気体として種々の量の窒素またはアンモニア
を用い、プラズマアークの電気的なカップリング領域を
通過する一定量の溶融体を有効に窒化できる。したがっ
て、多量のシリコン酸窒化物（silicon oxynitride）、
シアロン（sialone）および他の窒化種が液体流中で形
成できる。かかる化学的に変化した流れから製造された
繊維は未処理流から製造された繊維よりも非常に強いこ
とが判明した。
を用い、プラズマアークの電気的なカップリング領域を
通過する一定量の溶融体を有効に窒化できる。したがっ
て、多量のシリコン酸窒化物（silicon oxynitride）、
シアロン（sialone）および他の窒化種が液体流中で形
成できる。かかる化学的に変化した流れから製造された
繊維は未処理流から製造された繊維よりも非常に強いこ
とが判明した。
所望により、小さい溶融体表面積上に高エネルギーフ
ラックスを得るため、アノードおよびカソード極性を互
いに交互にしさえすれば、溶融体流上で略同じレベルで
多数のカソードおよびアノード電極を使用できる。この
配置はＡ−Ｂ−Ａ−Ｂ−Ａ−Ｂ極性と呼ばれ、Ａはアノ
ード電極、Ｂはカソード電極を示す。最適な電気的バラ
ンスのためには、それに伴う電界効果を考慮して奇数の
アノードおよびカソード電極対が必要である。これらの
多くの電極は互いにまたは流れに関して対称であるか、
あるいは異なった夾角、異なった先端間隔および異なっ
た先端アライメントで配置され、溶融体流の熱および／
または化学的処理の選択および補強を行う。
ラックスを得るため、アノードおよびカソード極性を互
いに交互にしさえすれば、溶融体流上で略同じレベルで
多数のカソードおよびアノード電極を使用できる。この
配置はＡ−Ｂ−Ａ−Ｂ−Ａ−Ｂ極性と呼ばれ、Ａはアノ
ード電極、Ｂはカソード電極を示す。最適な電気的バラ
ンスのためには、それに伴う電界効果を考慮して奇数の
アノードおよびカソード電極対が必要である。これらの
多くの電極は互いにまたは流れに関して対称であるか、
あるいは異なった夾角、異なった先端間隔および異なっ
た先端アライメントで配置され、溶融体流の熱および／
または化学的処理の選択および補強を行う。
溶融ガラスおよび耐火性酸化物の場合のように、液体
流が導電性であると、カソードおよびアノードトーチを
流れの方向から遠ざけると、電子流により生じる流れ加
熱（stream heating）がさらに該流れに沿って流動し、
その結果、流れのオーム加熱が増大される。繊維化時の
流れの偏りを最小限にするのが好ましい場合は、一対ま
たは多数対のカソードおよびアノードを設けることが有
利であり、その場合、落下流はうまく挙動して繊維化ロ
ーター上であまり移動しない。
流が導電性であると、カソードおよびアノードトーチを
流れの方向から遠ざけると、電子流により生じる流れ加
熱（stream heating）がさらに該流れに沿って流動し、
その結果、流れのオーム加熱が増大される。繊維化時の
流れの偏りを最小限にするのが好ましい場合は、一対ま
たは多数対のカソードおよびアノードを設けることが有
利であり、その場合、落下流はうまく挙動して繊維化ロ
ーター上であまり移動しない。
その他に、熱い被覆されていない金属ノズルまたはオ
リフィスを用いる場合、ノズルまたはオリフィスは、ノ
ズルまたはオリフィスの下流に配置された反対の極性か
らなる１つまたは多数のアノードまたはカソード電極を
用いてアノードまたはカソードにして所望のオーム加熱
を行う。
リフィスを用いる場合、ノズルまたはオリフィスは、ノ
ズルまたはオリフィスの下流に配置された反対の極性か
らなる１つまたは多数のアノードまたはカソード電極を
用いてアノードまたはカソードにして所望のオーム加熱
を行う。
本発明で用いるプラズマアーク・トーチはDCまたはAC
プラズマアーク・トーチである。交流を用いる場合、１
つの電極または一対の電極は片方の半分の電気周波に対
してはカソードであり、他方の半分の電気周波に対して
はアノードである。他の電極または一対の電極は反対の
極性に保たれる。
プラズマアーク・トーチである。交流を用いる場合、１
つの電極または一対の電極は片方の半分の電気周波に対
してはカソードであり、他方の半分の電気周波に対して
はアノードである。他の電極または一対の電極は反対の
極性に保たれる。
直流プラズマアークが交流プラズマより本質的に安定
である場合、安定なACプラズマジェットを保持するよう
に十分隣接して電極間隔を調整することにより、あまり
安定でない交流プラズマを用いて所望の流れ調整を行う
ことができる。
である場合、安定なACプラズマジェットを保持するよう
に十分隣接して電極間隔を調整することにより、あまり
安定でない交流プラズマを用いて所望の流れ調整を行う
ことができる。
直流プラズマアークの場合、多数のDC電極を用いる
と、多数のプラズマアークがプラズマカップリング領域
内での流れ上で衝突する。このあるカップリング領域内
での流れ上でのDCプラズマアークの衝突の結果、軸方向
の磁気プラズマ動的ポンピング力（magnetoplasmadynam
ic pumping force）が形成される。このポンピング現象
の望ましい効果としては、 1.その後の繊維化のための気体を含む所望の反応気体お
よび流体流のプラズマカップリング領域への増加された
吸引および 2.プラズマエネルギーの電気的および熱的カップリング
の溶融体流への集中が挙げられる。
と、多数のプラズマアークがプラズマカップリング領域
内での流れ上で衝突する。このあるカップリング領域内
での流れ上でのDCプラズマアークの衝突の結果、軸方向
の磁気プラズマ動的ポンピング力（magnetoplasmadynam
ic pumping force）が形成される。このポンピング現象
の望ましい効果としては、 1.その後の繊維化のための気体を含む所望の反応気体お
よび流体流のプラズマカップリング領域への増加された
吸引および 2.プラズマエネルギーの電気的および熱的カップリング
の溶融体流への集中が挙げられる。
磁気プラズマ動的ポンピング効果は、公知の水冷コン
ストリクター（constrictor）および／またはプラズマ
気体上で外方に発生した磁場の効果を用いて増大でき
る。該水冷コンストリクターは、冷却してアーク外表面
の導電性を減少させることによりプラズマアークの横断
面積を効果的に減少させる。これは、つぎに液体流上に
水平方向のピンチ力（pinching force）を生じさせ、再
び該液体流を加速してその直径を減少させる。
ストリクター（constrictor）および／またはプラズマ
気体上で外方に発生した磁場の効果を用いて増大でき
る。該水冷コンストリクターは、冷却してアーク外表面
の導電性を減少させることによりプラズマアークの横断
面積を効果的に減少させる。これは、つぎに液体流上に
水平方向のピンチ力（pinching force）を生じさせ、再
び該液体流を加速してその直径を減少させる。
外部磁場を用いてプラズマ気体上にピンチ効果を生じ
させることは公知であったが、空間的にカップリングさ
れたプラズマを伴うユニークな電子流パターンは同様の
効果を生じるユニークな外部電子流を必要とする。本発
明の１つの修飾においては、電子はカソードから放射さ
れるため、カップリングされたプラズマアーク中のDC電
子流は、最初は溶融体流に対してある角度で向いてお
り、ついで、該電子がアノードに向かって移動するため
に反対の角度で移動する。適当なDC電気回路を外部コン
ダクター中に向けることにより、プラズマ電子流に対し
て常に反対の方向である電子流が生じ、それにより、プ
ラズマアークの多大なピンチ効果を生じさせる。外部コ
ンダクター中の電気回路は零から大きいレベルまで調整
できるため、溶融体流上のプラズマアークのピンチ効果
を調整する。
させることは公知であったが、空間的にカップリングさ
れたプラズマを伴うユニークな電子流パターンは同様の
効果を生じるユニークな外部電子流を必要とする。本発
明の１つの修飾においては、電子はカソードから放射さ
れるため、カップリングされたプラズマアーク中のDC電
子流は、最初は溶融体流に対してある角度で向いてお
り、ついで、該電子がアノードに向かって移動するため
に反対の角度で移動する。適当なDC電気回路を外部コン
ダクター中に向けることにより、プラズマ電子流に対し
て常に反対の方向である電子流が生じ、それにより、プ
ラズマアークの多大なピンチ効果を生じさせる。外部コ
ンダクター中の電気回路は零から大きいレベルまで調整
できるため、溶融体流上のプラズマアークのピンチ効果
を調整する。
液体流は落下する溶融体流となるように処理されるこ
とが好ましいが、同様に、本発明の範囲はオリフィスま
たはノズルから水平およびある角度をなして放出される
流れにまで及ぶ。
とが好ましいが、同様に、本発明の範囲はオリフィスま
たはノズルから水平およびある角度をなして放出される
流れにまで及ぶ。
実施例 以下に実施例を挙げて、本発明をさらに詳しく説明す
る。
る。
実施例１ 第４図に示す溶融装置を用い、60％SiO2、15％MgOお
よび１％Al2O3からなる溶融体流を液化した。この流れ
を630kg/時間の速度で溶融装置から連続流出させ、1500
℃の光学温度で直径約0.1mmの溶融体流を形成した。２
つのDCプラズマ電極を互いに向かいあわせ、その極性は
片方がアノードであり、他方がカソードである。該電極
を垂直に対して約60℃下流に傾斜させた。各電極先端と
溶融体流の表面に約40mmの間隔を設けた。該電極を溶融
体流と同じ平面で互いに向かいあわせた。
よび１％Al2O3からなる溶融体流を液化した。この流れ
を630kg/時間の速度で溶融装置から連続流出させ、1500
℃の光学温度で直径約0.1mmの溶融体流を形成した。２
つのDCプラズマ電極を互いに向かいあわせ、その極性は
片方がアノードであり、他方がカソードである。該電極
を垂直に対して約60℃下流に傾斜させた。各電極先端と
溶融体流の表面に約40mmの間隔を設けた。該電極を溶融
体流と同じ平面で互いに向かいあわせた。
ある試験では、カソードプラズマ気体は0.85m3／時間
の速度で導入されるアルゴンであり、アノード気体は1.
42m3／時間の速度で導入されるアロゴンであった。他の
試験では、カソード、アノードの両方とも、該プラズマ
気体は2.83ft3／時間の流速を有する窒素であった。プ
ラズマアークに対する入力は15〜85KWの範囲で変化し
た。プラズマ輻射の特性波長に対して感受性のないイル
コン・モッド・ライン・プラス（Ircon Mod Linn Plu
s）7000シリーズの赤外線高温計を用い、プラズマが始
動する前後で溶融体流の温度を測定した。
の速度で導入されるアルゴンであり、アノード気体は1.
42m3／時間の速度で導入されるアロゴンであった。他の
試験では、カソード、アノードの両方とも、該プラズマ
気体は2.83ft3／時間の流速を有する窒素であった。プ
ラズマアークに対する入力は15〜85KWの範囲で変化し
た。プラズマ輻射の特性波長に対して感受性のないイル
コン・モッド・ライン・プラス（Ircon Mod Linn Plu
s）7000シリーズの赤外線高温計を用い、プラズマが始
動する前後で溶融体流の温度を測定した。
入力を85KWとし、流速を180kg/時間に減少させ、その
時点で溶融体流の表面は多量のヒュームの形成を伴って
過熱した。
時点で溶融体流の表面は多量のヒュームの形成を伴って
過熱した。
第５図は用いたプラズマ入力およびプラズマ気体と、
630kg/時間の注入速度での溶融体流の温度上昇の関係を
示すグラフである。試験データは、溶融体流の温度を制
御可能な方法で約20〜165℃に増大できることを示し
た。筒型マウント（telescopic mount）上で動線接眼鏡
（filar eyepiece）を用いて溶融体流の幅も測定した。
プラズマ入力が50KWでは、流れの温度が上昇するにつれ
て、流れの幅が0.1〜0.08cmに減少した。
630kg/時間の注入速度での溶融体流の温度上昇の関係を
示すグラフである。試験データは、溶融体流の温度を制
御可能な方法で約20〜165℃に増大できることを示し
た。筒型マウント（telescopic mount）上で動線接眼鏡
（filar eyepiece）を用いて溶融体流の幅も測定した。
プラズマ入力が50KWでは、流れの温度が上昇するにつれ
て、流れの幅が0.1〜0.08cmに減少した。
該流れによる熱上昇の効率は電源からの入力に関して
かなり均一であることが判明した。
かなり均一であることが判明した。
ついで、通常の繊維化ローターを用い、出てくる流れ
を繊維化した。該プラズマを用いて溶融体流を調整する
と、非常に少ないショット量で高収量の繊維を得た。プ
ラズマ入力が80KWでは、形成された繊維製品は繊維化さ
れないショットを平均29％含有したのに対し、プラズマ
を停止した場合は繊維化されないショットを38％含有し
ていた。
を繊維化した。該プラズマを用いて溶融体流を調整する
と、非常に少ないショット量で高収量の繊維を得た。プ
ラズマ入力が80KWでは、形成された繊維製品は繊維化さ
れないショットを平均29％含有したのに対し、プラズマ
を停止した場合は繊維化されないショットを38％含有し
ていた。
前記実施例では、プラズマ気体に対して正しく配置さ
れた金属ブロックを用い、溶融対流による熱上昇の効率
を増大できる。そのためには、厚さ1.25cm、長さ7.5c
m、幅5.0cmの２つの水冷された銅製ブロックをプラズマ
・テールフレーム（plasma tail flame）のそばに置
き、該フレームと平行に、また、その後ろに配置した。
ついで、該ブロックをプラズマアークに向かって徐々に
押し、該プラズマアークが溶融体流を徐々にはさむよう
にした。ブロック分離間隔が0.5cmでは、プラズマ出力
の効率は40から45％に５％増大した。
れた金属ブロックを用い、溶融対流による熱上昇の効率
を増大できる。そのためには、厚さ1.25cm、長さ7.5c
m、幅5.0cmの２つの水冷された銅製ブロックをプラズマ
・テールフレーム（plasma tail flame）のそばに置
き、該フレームと平行に、また、その後ろに配置した。
ついで、該ブロックをプラズマアークに向かって徐々に
押し、該プラズマアークが溶融体流を徐々にはさむよう
にした。ブロック分離間隔が0.5cmでは、プラズマ出力
の効率は40から45％に５％増大した。
DC電流を２つの外部コンダクターに沿って、プラズマ
アーク中の電子流と反対の方向に課することにより、こ
のピンチ効果はさらに増大する。電子が溶融体流中を移
動するにつれて流れ方向を変化させるため、外部回路中
の電子がいつもプラズマアーク中の電子に対して反対の
方向に流れるように外部回路を接続することが重要であ
る。プラズマアーク中で電流が約800アンペア、外部回
路の整合電流が800アンペアである場合、プラズマアー
クが溶融体流をさらにはさむようにさせ、熱効率はさら
に45から50％に５％増大した。
アーク中の電子流と反対の方向に課することにより、こ
のピンチ効果はさらに増大する。電子が溶融体流中を移
動するにつれて流れ方向を変化させるため、外部回路中
の電子がいつもプラズマアーク中の電子に対して反対の
方向に流れるように外部回路を接続することが重要であ
る。プラズマアーク中で電流が約800アンペア、外部回
路の整合電流が800アンペアである場合、プラズマアー
クが溶融体流をさらにはさむようにさせ、熱効率はさら
に45から50％に５％増大した。
赤外線分光器により、アルゴンプラズマを用いて製造
した繊維を試験し、落下流の窒素増加によるシリコン−
酸素ボンド延伸（bond stretching）を測定した。これ
らのボンドは、流れ中の数％の窒素の注入（implantati
on）を示す大きい延伸を示した。窒素源は、磁気プラズ
マ動的力によりプラズマアーク中に注入された空気から
得られると考えられる。
した繊維を試験し、落下流の窒素増加によるシリコン−
酸素ボンド延伸（bond stretching）を測定した。これ
らのボンドは、流れ中の数％の窒素の注入（implantati
on）を示す大きい延伸を示した。窒素源は、磁気プラズ
マ動的力によりプラズマアーク中に注入された空気から
得られると考えられる。
実施例２ その85％が第１鉄である全体で9.2％の鉄を含有する
玄武岩を溶融し、水冷されたオリフィスを通して360kg/
時間の速度で流出させた。プラズマカラム中が酸素であ
る以外は実施例１と同様のDCプラズマアークトーチを用
いた。プラズマ処理後のガラスは、酸化処理の結果、わ
ずか30％の第１鉄を含有していた。繊維化すると、形成
された玄武岩繊維は、プラズマ処理せずに製造されたか
なり短い繊維に比べて長く、かつ、すべすべしていた。
玄武岩を溶融し、水冷されたオリフィスを通して360kg/
時間の速度で流出させた。プラズマカラム中が酸素であ
る以外は実施例１と同様のDCプラズマアークトーチを用
いた。プラズマ処理後のガラスは、酸化処理の結果、わ
ずか30％の第１鉄を含有していた。繊維化すると、形成
された玄武岩繊維は、プラズマ処理せずに製造されたか
なり短い繊維に比べて長く、かつ、すべすべしていた。
第１図は、溶融浴から出る溶融耐火性酸化物の流れ中の
典型的な熱勾配を示すグラフ、 第２図は、発生したプラズマアークが溶融体流の表面で
カップリングするように配置された２つのプラズマアー
ク電極を示す図、 第３図は、第２図の部分拡大図、 第４図は、本発明のプラズマアーク調整と材料の溶融装
置を示す図、 第５図は、プラズマ出力およびプラズマ気体と、溶融体
流の温度上昇の関係を示すグラフである。 図面中の主な符号はつぎのものを意味する。 １……溶融体流、３、４……プラズマアーク、５、６…
…プラズマ電極、７……繊維形成ユニット、10……プラ
ズマアーク炉。
典型的な熱勾配を示すグラフ、 第２図は、発生したプラズマアークが溶融体流の表面で
カップリングするように配置された２つのプラズマアー
ク電極を示す図、 第３図は、第２図の部分拡大図、 第４図は、本発明のプラズマアーク調整と材料の溶融装
置を示す図、 第５図は、プラズマ出力およびプラズマ気体と、溶融体
流の温度上昇の関係を示すグラフである。 図面中の主な符号はつぎのものを意味する。 １……溶融体流、３、４……プラズマアーク、５、６…
…プラズマ電極、７……繊維形成ユニット、10……プラ
ズマアーク炉。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン・ケネス・ウィリアムス イギリス国オックスフォードシャー、エ スエヌ７ ８エヌジェイ、ファリンド ン、スタンフォード・イン・ザ・ベー ル、セント・デニス・クロース４番 (72)発明者 レオナード・エルモ・オールズ アメリカ合衆国コロラド州80107、キャ ッスル・ロック、ガルチ・ロード、サウ ス・レイク977番 (72)発明者 マイケル・ジョン・カシック アメリカ合衆国コロラド州、デンバー・ カウンティー、デンバー、サウス・レイ デン・ストリート1814番 (56)参考文献 特開 昭61−95755（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−38536（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−234654（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−315819（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−152610（ＪＰ，Ａ)
Claims (13)
- 【請求項１】溶融ガラスまたは耐火性酸化物の連続流ま
たは摂動流をプラズマアークカップリングゾーンに通
し、次いで、該溶融ガラスまたは耐火性酸化物を繊維化
することよりなり、ここに該プラズマアークカップリン
グゾーンでは、該流れの本体温度および該溶融ガラスま
たは耐火性酸化物の該流れの外表面温度の両方を上げる
ため、該溶融流れの表面において少なくとも２つのプラ
ズマアークが電気的におよび熱的にカップリングされる
ことを特徴とする溶融ガラスまたは耐火性酸化物の連続
流または摂動流の処理方法。 - 【請求項２】少なくとも２つのプラズマ電極によりプラ
ズマアークを発生させ、少なくとも１つの電極がカソー
ドとして作用し、少なくとも１つの電極がアノードとし
て作用する請求項（１）記載の方法。 - 【請求項３】液体材料の流れを、少なくとも３対のプラ
ズマアークが液体流の表面で互いにカップリングされた
領域に通し、電極間の極性を交互にし、各カソード−ア
ノード電極対を分離した個々の出力源に接続する請求項
（１）または（２）記載の方法。 - 【請求項４】プラズマ電極が垂直に対してある角度で上
流または下流に傾斜する請求項（１）〜（３）いずれか
１項記載の方法。 - 【請求項５】プラズマ電極を垂直に対して50°〜70°の
角度で各々対称に配置する請求項（４）記載の方法。 - 【請求項６】液体材料の流れを、反対の極性からなるプ
ラズマアーク電極が該流れの移動方向で分離された領域
に通し、それにより、さらに液体流のオーム加熱を行う
請求項（１）または（２）記載の方法。 - 【請求項７】液体材料の流れを、同じ極性からなる１つ
以上のプラズマアークが液体流の表面上で衝突する領域
に通し、それを通して該流れが該領域を通過するノズル
またはオリフィスに該アークをカップリングし、該ノズ
ルまたはオリフィスを反対の極性に維持し、それによ
り、さらに液体流のオーム加熱を行うことを特徴とする
導電性液体材料の流れの処理方法。 - 【請求項８】イオン化気体としてアルゴン、窒素、酸
素、ヘリウムまたはアンモニア、あるいはその組合せ、
あるいはその混合物を用いてプラズマアークを形成する
請求項（１）〜（７）いずれか１項記載の方法。 - 【請求項９】処理する材料をプラズマアーク炉内で溶融
する請求項（１）〜（８）いずれか１項記載の方法。 - 【請求項１０】プラズマアーク炉が一対のプラズマ電極
を備える請求項（９）記載の方法。 - 【請求項１１】炉からのオリフィスを冷却する請求項
（９）記載の方法。 - 【請求項１２】液体材料が溶融ガラス、ウォラストナイ
ト組成物、ミネラルウール組成物、他のシリケート組成
物または耐火性酸化物である請求項（１）〜（11）いず
れか１項記載の方法。 - 【請求項１３】プラズマ形成気体が酸素、窒素またはア
ンモニアであり、該気体と液体流の化学反応が生じる請
求項（１）〜（12）いずれか１項記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB898911441A GB8911441D0 (en) | 1989-05-18 | 1989-05-18 | A process for the treatment of molten materials |
| GB8911441.7 | 1989-05-18 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH038739A JPH038739A (ja) | 1991-01-16 |
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