JP2635186B2 - 材料の溶融方法および装置 - Google Patents
材料の溶融方法および装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は材料の溶融方法および装置、さらに詳しく
は、ガラス、耐火性酸化物、シリケート、またはロック
ウール製造のための種々のバッチ材料を含む実質的に非
金属含有材料の溶融方法および装置に関する。
は、ガラス、耐火性酸化物、シリケート、またはロック
ウール製造のための種々のバッチ材料を含む実質的に非
金属含有材料の溶融方法および装置に関する。
従来の技術および課題 かかる材料の溶融炉は、丸い、楕円形および長方形の
形状の溶融シェル、並びにグラファイト、モリブデン、
タングステンおよび酸化錫製の溶融電極を有する。ガラ
スのような低温の溶融体では溶融体表面上の燃焼雰囲気
を利用してもよい。
形状の溶融シェル、並びにグラファイト、モリブデン、
タングステンおよび酸化錫製の溶融電極を有する。ガラ
スのような低温の溶融体では溶融体表面上の燃焼雰囲気
を利用してもよい。
かかるガラスおよび非金属含有材料酸化物の溶融炉
は、溶融スラグ、ガラスまたは酸化物層の下に溶融金属
層があるとしても実質的に僅かであるという点で冶金の
溶鉱炉とは大きく異なる。したがって、冶金炉は通常、
金属層に対して付与されるより多くのタッピング（tapp
ing）により比較的薄く維持されるスラグ層により覆わ
れた比較的厚い金属層により特徴ずけられる。かかる冶
金の溶融炉では、金属粒をスラグから効果的に分離し、
スラグ形成の可能性を最小限にするためにできる限りス
ラグを流体に維持することが重要である。したがって、
繊維化または適当なガラス製造のような実質的な溶融処
理工程には５〜1000ポイズの粘度が必要である非冶金炉
とは随分異なるセンチポイズで測定できる粘度を有する
スラグを形成する適当なスラックス手段を開発するため
に鋭意努力がなされている。また、スラグ層と化学的に
相互反応するかなりの金属プールを収集する必要がある
ため、かかる金属炉に連続的に底穴を設けることはでき
なかった。
は、溶融スラグ、ガラスまたは酸化物層の下に溶融金属
層があるとしても実質的に僅かであるという点で冶金の
溶鉱炉とは大きく異なる。したがって、冶金炉は通常、
金属層に対して付与されるより多くのタッピング（tapp
ing）により比較的薄く維持されるスラグ層により覆わ
れた比較的厚い金属層により特徴ずけられる。かかる冶
金の溶融炉では、金属粒をスラグから効果的に分離し、
スラグ形成の可能性を最小限にするためにできる限りス
ラグを流体に維持することが重要である。したがって、
繊維化または適当なガラス製造のような実質的な溶融処
理工程には５〜1000ポイズの粘度が必要である非冶金炉
とは随分異なるセンチポイズで測定できる粘度を有する
スラグを形成する適当なスラックス手段を開発するため
に鋭意努力がなされている。また、スラグ層と化学的に
相互反応するかなりの金属プールを収集する必要がある
ため、かかる金属炉に連続的に底穴を設けることはでき
なかった。
前述のごとく、非冶金のガラスおよび酸化物溶融炉
は、その精密な溶融装置および手段に関して大きく異な
る。しかし、かかる炉はすべて以下の共通の欠点を有す
る： 炉内での溶融体の長い滞留時間、 比較的大きい炉寸法、 大きいエネルギー損失、 非溶融スカムを生じる成分の選択的溶解、 得られる溶融体の不均質性、 炉を急速に停止し、溶融組成物を変える柔軟性の欠
乏。
は、その精密な溶融装置および手段に関して大きく異な
る。しかし、かかる炉はすべて以下の共通の欠点を有す
る： 炉内での溶融体の長い滞留時間、 比較的大きい炉寸法、 大きいエネルギー損失、 非溶融スカムを生じる成分の選択的溶解、 得られる溶融体の不均質性、 炉を急速に停止し、溶融組成物を変える柔軟性の欠
乏。
非冶金炉の効率を測定するパラメータとして、 １日にバッチ１トンを溶融するのに必要な炉床面積
（ft2）のような炉床評価、 炉内での溶融体の滞留時間、 溶融バッチ１トン当たりの電力またはエネルギー消
費、 炉の熱効率等が挙げられる。
（ft2）のような炉床評価、 炉内での溶融体の滞留時間、 溶融バッチ１トン当たりの電力またはエネルギー消
費、 炉の熱効率等が挙げられる。
一般に、現在のガラスおよび酸化物溶融炉はかかるパ
ラメータについて以下の範囲を有する： １日に溶融バッチ１トン当たりの炉床面積２〜７f
t2、 炉内の溶融体の滞留時間３〜48時間、 溶融されたバッチ１トン当たり700〜1800KWH（または
BTU相当量）、 熱効率25〜75％。
ラメータについて以下の範囲を有する： １日に溶融バッチ１トン当たりの炉床面積２〜７f
t2、 炉内の溶融体の滞留時間３〜48時間、 溶融されたバッチ１トン当たり700〜1800KWH（または
BTU相当量）、 熱効率25〜75％。
入力電力（またはエネルギー）密度は炉性能に影響を
与える主な因子であり、適度に電力密度が高ければ高い
程、炉は一般にさらに効果的であることが判明した。前
記ガラスおよび酸化物溶融炉の性能は、炉の金属シェル
内（または金属シェルの外部の炉用レンガ張りの外側）
で連結された炉域を有する、７〜20KW/ft2の電力（また
はエネルギー）密度の製造サイズの炉によって達成され
た。電力密度が約20KW/ft2よりかなり高いと、炉のライ
ニングが急速に侵食されるか、金属側壁の冷却に支障を
きたし、その結果、側壁全体に悲惨な破壊が生じる。ま
た、20〜25KW/ft2の電力密度では、酸化物またはガラス
炉は、不均一で不連続な炉の作動を引き起こす発泡を引
き起こす傾向にある。
与える主な因子であり、適度に電力密度が高ければ高い
程、炉は一般にさらに効果的であることが判明した。前
記ガラスおよび酸化物溶融炉の性能は、炉の金属シェル
内（または金属シェルの外部の炉用レンガ張りの外側）
で連結された炉域を有する、７〜20KW/ft2の電力（また
はエネルギー）密度の製造サイズの炉によって達成され
た。電力密度が約20KW/ft2よりかなり高いと、炉のライ
ニングが急速に侵食されるか、金属側壁の冷却に支障を
きたし、その結果、側壁全体に悲惨な破壊が生じる。ま
た、20〜25KW/ft2の電力密度では、酸化物またはガラス
炉は、不均一で不連続な炉の作動を引き起こす発泡を引
き起こす傾向にある。
非金属溶融炉のさらに粘性のある溶融体では、かかる
電力密度の制限は、熱が溶融体中のエネルギー源から移
送される挙動と関係していると考えられる。燃焼雰囲気
では、熱対流電流が溶融体容積中に熱を運ぶ前に、熱は
溶融体の表面層を通して浸透しなければならない。した
がって、高エネルギー密度では、溶融体面でのレンガの
急速な破壊を引き起こす過大な溶融表面温度をもたらし
易い。早期の溶融装置の再製作を防止するため、かかる
高エネルギー密度は避けねばならない。
電力密度の制限は、熱が溶融体中のエネルギー源から移
送される挙動と関係していると考えられる。燃焼雰囲気
では、熱対流電流が溶融体容積中に熱を運ぶ前に、熱は
溶融体の表面層を通して浸透しなければならない。した
がって、高エネルギー密度では、溶融体面でのレンガの
急速な破壊を引き起こす過大な溶融表面温度をもたらし
易い。早期の溶融装置の再製作を防止するため、かかる
高エネルギー密度は避けねばならない。
グラファイト、金属または酸化錫電極を用いる溶融の
場合、電極間に発生した熱は、溶融体の電磁撹拌によっ
て溶融体中に移送されると考えられ、その強さは電力密
度が増大するにつれて増大する。製造サイズのガラスお
よび酸化物溶融装置では、電力密度が炉床域で約20KW/f
t2以上に増大するにつれて、電磁対流電流は、その表面
でバッチに対するよりも速く過剰な熱をレンガまたは金
属側壁に運ぶ。したがって、レンガまたは金属シェルは
早期に破損するか、または発生した熱が充分に速く溶融
体中に分散できないため、局部的な過熱の結果として溶
融体は現実に発泡する。
場合、電極間に発生した熱は、溶融体の電磁撹拌によっ
て溶融体中に移送されると考えられ、その強さは電力密
度が増大するにつれて増大する。製造サイズのガラスお
よび酸化物溶融装置では、電力密度が炉床域で約20KW/f
t2以上に増大するにつれて、電磁対流電流は、その表面
でバッチに対するよりも速く過剰な熱をレンガまたは金
属側壁に運ぶ。したがって、レンガまたは金属シェルは
早期に破損するか、または発生した熱が充分に速く溶融
体中に分散できないため、局部的な過熱の結果として溶
融体は現実に発泡する。
かかる問題点、特に寸法およびエネルギー損失に打ち
勝つため、プラズマ溶融装置が提案された。通常、これ
らは、非トランスファード（non−trans−ferred）アー
クプラズマ電極を用いて溶融され、耐火性の内張された
壁（プラズマ加熱されたプルーム（plume）の強さによ
り腐食し、製品を汚染する傾向にある）また原料床の上
で支持される薄層として原料が溶融される回転鋼容器
（steel basin）を用いる。米国特許第4545798号は、13
15℃以下の温度でガラスが液化されて溶融容器の底のド
レーン中を流れ、液化された材料が充分に溶融される前
に容器から流れるプラズマ溶融装置を用いるガラスの溶
融方法および装置を記載している。さらに材料を表面に
供給して未溶融材料の実質的に一定な層を維持し、それ
により、溶融容器の温度を低く維持し、容器を強制冷却
する必要性を削除する。この先行技術の装置は制限され
た処理能力を有し、供給材料中の偏析に対処することが
できず、エネルギーの使用があまり効果的でない。
勝つため、プラズマ溶融装置が提案された。通常、これ
らは、非トランスファード（non−trans−ferred）アー
クプラズマ電極を用いて溶融され、耐火性の内張された
壁（プラズマ加熱されたプルーム（plume）の強さによ
り腐食し、製品を汚染する傾向にある）また原料床の上
で支持される薄層として原料が溶融される回転鋼容器
（steel basin）を用いる。米国特許第4545798号は、13
15℃以下の温度でガラスが液化されて溶融容器の底のド
レーン中を流れ、液化された材料が充分に溶融される前
に容器から流れるプラズマ溶融装置を用いるガラスの溶
融方法および装置を記載している。さらに材料を表面に
供給して未溶融材料の実質的に一定な層を維持し、それ
により、溶融容器の温度を低く維持し、容器を強制冷却
する必要性を削除する。この先行技術の装置は制限され
た処理能力を有し、供給材料中の偏析に対処することが
できず、エネルギーの使用があまり効果的でない。
課題を解決するための手段 発明者らは、先行技術の問題点に打ち勝つ連続式の耐
火性酸化物、シリケート、セラミック、スラグおよびロ
ックウールバッチ材料の溶融方法および装置を開発し
た。
火性酸化物、シリケート、セラミック、スラグおよびロ
ックウールバッチ材料の溶融方法および装置を開発し
た。
すなわち、本発明は溶融する原料を連続的にプラズマ
アーク炉に供給し、溶融する材料を含有する炉の少なく
とも一部分を回転させながら、少なくとも１つの電極が
カソードとして作用し、かつ、少なくとも１つの電極が
アノードとして作用し、互いに溶融材料を介して溶融体
表面またはそれに極めて接近して電気的にカップリング
させた少なくとも２つのトランスファード・アークプラ
ズマ電極を用いて該原料を溶融し、該炉の中央に最も熱
い液体領域を有する溶融体を形成し、該炉の回転底を通
して該溶融体から溶融材料の流れを連続的に排出するこ
とを特徴とする溶融容器の金属シェル内の電力密度25KW
/m2以上における溶融方法を提供するものである。
アーク炉に供給し、溶融する材料を含有する炉の少なく
とも一部分を回転させながら、少なくとも１つの電極が
カソードとして作用し、かつ、少なくとも１つの電極が
アノードとして作用し、互いに溶融材料を介して溶融体
表面またはそれに極めて接近して電気的にカップリング
させた少なくとも２つのトランスファード・アークプラ
ズマ電極を用いて該原料を溶融し、該炉の中央に最も熱
い液体領域を有する溶融体を形成し、該炉の回転底を通
して該溶融体から溶融材料の流れを連続的に排出するこ
とを特徴とする溶融容器の金属シェル内の電力密度25KW
/m2以上における溶融方法を提供するものである。
２つ以上のプラズマトーチを原料および溶融体表面の
両方に適当にカップリングさせることにより、先行技術
の溶融装置で得られるものに比べて完全に異なった形態
の熱分布で溶融体が製造されることを判明した。その結
果、側壁の損傷および泡立ちまたは溶融体表面の発煙な
しに、例えば25〜85KW/ft2の電力密度、すなわち炉床域
で25KW/ft2を優に越える電力密度が実際に得られる。か
かる発見の実際面での結果として、他のガラスまたは酸
化物スラグ溶融装置で得ることができない重要な柔軟性
を提供する、容易に停止および再作動ができる高効率
で、滞留時間の短い溶融装置が開発された。
両方に適当にカップリングさせることにより、先行技術
の溶融装置で得られるものに比べて完全に異なった形態
の熱分布で溶融体が製造されることを判明した。その結
果、側壁の損傷および泡立ちまたは溶融体表面の発煙な
しに、例えば25〜85KW/ft2の電力密度、すなわち炉床域
で25KW/ft2を優に越える電力密度が実際に得られる。か
かる発見の実際面での結果として、他のガラスまたは酸
化物スラグ溶融装置で得ることができない重要な柔軟性
を提供する、容易に停止および再作動ができる高効率
で、滞留時間の短い溶融装置が開発された。
また、本発明は固定された上部シェルおよび回転可能
な下部シェルを有する炉からなる溶融装置であって、該
固定された上部シェルがその屋根に取り付けられた少な
くとも２つのトランスファード・アークプラズマ電極を
有し、該プラズマアーク電極が、使用時には、少なくと
も１つの電極はカソードとして作用し、かつ、少なくと
も１つの電極はアノードとして作用し、互いに溶融材料
を介して溶融体表面またはそれに極めて接近して電気的
にカップリングし、該炉の中央に最も熱い液体領域を有
する溶融体を形成するように配置され、該回転可能な下
部シェルが該溶融体を保持する受容器として機能し、該
炉がさらに該回転可能な下部シェルを回転させる手段
と、該炉に原料を投入するための入口と、該溶融体から
溶融材料を連続的な流れとして排出するための出口とを
有することを特徴とする材料の溶融装置を提供するもの
である。
な下部シェルを有する炉からなる溶融装置であって、該
固定された上部シェルがその屋根に取り付けられた少な
くとも２つのトランスファード・アークプラズマ電極を
有し、該プラズマアーク電極が、使用時には、少なくと
も１つの電極はカソードとして作用し、かつ、少なくと
も１つの電極はアノードとして作用し、互いに溶融材料
を介して溶融体表面またはそれに極めて接近して電気的
にカップリングし、該炉の中央に最も熱い液体領域を有
する溶融体を形成するように配置され、該回転可能な下
部シェルが該溶融体を保持する受容器として機能し、該
炉がさらに該回転可能な下部シェルを回転させる手段
と、該炉に原料を投入するための入口と、該溶融体から
溶融材料を連続的な流れとして排出するための出口とを
有することを特徴とする材料の溶融装置を提供するもの
である。
本発明の方法および装置は、特にガラスを溶融するの
に適しているが、ジルコニア、アルミナおよびセラミッ
ク材料のような耐火物または他の材料、スラグ並びにロ
ックウール原料を溶融するために用いてもよい。
に適しているが、ジルコニア、アルミナおよびセラミッ
ク材料のような耐火物または他の材料、スラグ並びにロ
ックウール原料を溶融するために用いてもよい。
本発明の方法は連続操作に適しており、原料はプラズ
マアーク炉に連続適に供給され、溶融材料は該炉から連
続的に収集される。少なくとも１つの電極がアノードと
して作用し、１つの電極がカソードとして作用する少な
くとも２つのプラズマ電極からなるシステムによりプラ
ズマアークが発生する。このプラズマ電極からなる装置
を用いると、導電路がプラズマ気体を介するかまたは溶
融材料自体を通るため、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。
マアーク炉に連続適に供給され、溶融材料は該炉から連
続的に収集される。少なくとも１つの電極がアノードと
して作用し、１つの電極がカソードとして作用する少な
くとも２つのプラズマ電極からなるシステムによりプラ
ズマアークが発生する。このプラズマ電極からなる装置
を用いると、導電路がプラズマ気体を介するかまたは溶
融材料自体を通るため、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。
各プラズマ電極は、好ましくは互いにある角度で傾斜
しており、好ましくは対称位置にある。該プラズマ電極
は、好ましくは炉の屋根に設けられ、溶融材料の表面に
対して垂直軸からの可変角度で挿入する、または引き抜
くことができるように配置される。それにより、アーク
の長さ、分布および角度を変える手段が提供され、該手
段は電力インプットと連結し、溶融を制御し、ユニット
を最適条件で操作させる。一般に、本発明の方法を実施
する場合、プラズマ電極は、炉の中央領域で、等しい長
さの両方のアークで作動され、溶融材料を介する有利な
高さでカップリングされる。
しており、好ましくは対称位置にある。該プラズマ電極
は、好ましくは炉の屋根に設けられ、溶融材料の表面に
対して垂直軸からの可変角度で挿入する、または引き抜
くことができるように配置される。それにより、アーク
の長さ、分布および角度を変える手段が提供され、該手
段は電力インプットと連結し、溶融を制御し、ユニット
を最適条件で操作させる。一般に、本発明の方法を実施
する場合、プラズマ電極は、炉の中央領域で、等しい長
さの両方のアークで作動され、溶融材料を介する有利な
高さでカップリングされる。
一般に、供給材料は孔または供給管を介してプラズマ
アーク炉に投入される。所望により、供給材料を適当な
気体中に閉じ込めて（entrain）、該供給材料の炉への
投入を助けてもよい。
アーク炉に投入される。所望により、供給材料を適当な
気体中に閉じ込めて（entrain）、該供給材料の炉への
投入を助けてもよい。
改良されたプラズマアーク炉は、プラズマ加熱により
原料の均一な加熱を得るため、２つの部分、すなわち、
上部シェルおよび下部シェルから構成され、該下部シェ
ルは典型的には10〜30回転／分のオーダーの速度での回
転に適している。
原料の均一な加熱を得るため、２つの部分、すなわち、
上部シェルおよび下部シェルから構成され、該下部シェ
ルは典型的には10〜30回転／分のオーダーの速度での回
転に適している。
以下、添付図面を参照して本発明をさらに具体的に説
明する。
明する。
第１図を参照すると、本発明の装置は、好ましくは鋼
から作製された溶融炉10からなる。該炉は直径約３フィ
ートであり、２つの部分、すなわち、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）に連結されている。該
固定された上部シェル12には、それを貫通して供給管14
が延びる中央の供給孔が設けられる。供給材料は、材料
を炉内で溶融できる速度に適した任意の速度で炉内に投
入される。固定された上部シェル12には、さらに２つの
プラズマ電極、すなわち、アノードとして作用する電極
15とカソードとして作用する電極16が設けられる。かか
る電極に供給される気体は、好ましくはアルゴンであ
る。
から作製された溶融炉10からなる。該炉は直径約３フィ
ートであり、２つの部分、すなわち、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）に連結されている。該
固定された上部シェル12には、それを貫通して供給管14
が延びる中央の供給孔が設けられる。供給材料は、材料
を炉内で溶融できる速度に適した任意の速度で炉内に投
入される。固定された上部シェル12には、さらに２つの
プラズマ電極、すなわち、アノードとして作用する電極
15とカソードとして作用する電極16が設けられる。かか
る電極に供給される気体は、好ましくはアルゴンであ
る。
炉10には、それを通して溶融材料18が流出する出口オ
リフィスまたはタップ穴17が設けられる。供給材料は、
該供給材料の支持床で支持され、この「自己加熱（auto
genous）〕ライニングは溶融製品を汚染せず、有効な断
熱性を有することが判明した。したがって、ガラスのよ
うな低溶融温度材料でさえも、容器内に耐火性ライニン
グを取り付ける必要がない。操作温度に応じて、水また
は強制空冷を設ける必要もない。また、固定された上部
シェル12には、排ガスを排気するための孔19が設けられ
る。
リフィスまたはタップ穴17が設けられる。供給材料は、
該供給材料の支持床で支持され、この「自己加熱（auto
genous）〕ライニングは溶融製品を汚染せず、有効な断
熱性を有することが判明した。したがって、ガラスのよ
うな低溶融温度材料でさえも、容器内に耐火性ライニン
グを取り付ける必要がない。操作温度に応じて、水また
は強制空冷を設ける必要もない。また、固定された上部
シェル12には、排ガスを排気するための孔19が設けられ
る。
プラズマ電極15、16、供給管14、排出ガスダクト19等
を考慮に入れない固定されたシェル／回転可能なシェル
の組合せの高さは約３フィートであり、通常のガラス溶
融槽に比べて非常にコンパクトなユニットが得られる。
このユニットは電力入力600KW、滞留時間約４分であ
り、１時間当たり20001bsまでのガラスを処理するよう
に設計されている。供給材料の正確な計量および勢いあ
る溶融体内撹拌により、均一な組成物が得られる。オリ
フィスからの製品流の温度はプラズマ電極の角度を変え
ることにより制御できる。該流れをさらに処理する。例
えば繊維化する場合、これらは重要なパラメータであ
る。
を考慮に入れない固定されたシェル／回転可能なシェル
の組合せの高さは約３フィートであり、通常のガラス溶
融槽に比べて非常にコンパクトなユニットが得られる。
このユニットは電力入力600KW、滞留時間約４分であ
り、１時間当たり20001bsまでのガラスを処理するよう
に設計されている。供給材料の正確な計量および勢いあ
る溶融体内撹拌により、均一な組成物が得られる。オリ
フィスからの製品流の温度はプラズマ電極の角度を変え
ることにより制御できる。該流れをさらに処理する。例
えば繊維化する場合、これらは重要なパラメータであ
る。
各プラズマ電極は固定されたシェル12の屋根に、互い
に変化できる角度で取り付けられ、図示しない手段によ
り溶融体表面に対して挿入されるか引き抜かれる。それ
により、アークの長さおよび分布を変える手段を提供
し、該手段は電力インプットと連結され、溶融を制御
し、ユニットは最適条件で制御される。固定されたシェ
ル12は、同様に図示しない手段により昇降され、電極の
位置決めにさらに柔軟性を与える。
に変化できる角度で取り付けられ、図示しない手段によ
り溶融体表面に対して挿入されるか引き抜かれる。それ
により、アークの長さおよび分布を変える手段を提供
し、該手段は電力インプットと連結され、溶融を制御
し、ユニットは最適条件で制御される。固定されたシェ
ル12は、同様に図示しない手段により昇降され、電極の
位置決めにさらに柔軟性を与える。
本発明のプラズマアーク炉の操作では、まず空気中で
互いにプラズマアーク対をとばすと、電気回路を完成す
るのに他の任意の導電メカニズム（例えば、カーボンロ
ッド）を導入する必要がなく、汚染源を排除する。プラ
ズマアークをとばし、供給材料を溶融すると、導電路は
溶融塊を介して存在し、加熱のためのエネルギーの移送
を確実にする。
互いにプラズマアーク対をとばすと、電気回路を完成す
るのに他の任意の導電メカニズム（例えば、カーボンロ
ッド）を導入する必要がなく、汚染源を排除する。プラ
ズマアークをとばし、供給材料を溶融すると、導電路は
溶融塊を介して存在し、加熱のためのエネルギーの移送
を確実にする。
供給材料は配置された管14を介して投入されるため、
その粒子は高エネルギー・プラズマアーク対領域20中の
溶融体に落ち込む。所望により、供給材料を適当な気体
中に閉じ込めて該供給材料の炉10内への投入を助けても
よい。この実施例において、供給管14は気体出口19によ
り包囲されて示されているため、排気ガスに含有される
熱エネルギーは入ってくる供給材料に移送され、それに
より、全体のエネルギー必要量が減少する。
その粒子は高エネルギー・プラズマアーク対領域20中の
溶融体に落ち込む。所望により、供給材料を適当な気体
中に閉じ込めて該供給材料の炉10内への投入を助けても
よい。この実施例において、供給管14は気体出口19によ
り包囲されて示されているため、排気ガスに含有される
熱エネルギーは入ってくる供給材料に移送され、それに
より、全体のエネルギー必要量が減少する。
回転可能なシェル11は、溶融材料中の熱を分配し、供
給材料の均一な溶融を確実にするため、典型的に10〜30
回転／分のオーダーの速度で回転される。
給材料の均一な溶融を確実にするため、典型的に10〜30
回転／分のオーダーの速度で回転される。
ユニットは連続的に操作れるように設計され、供給材
料入口は製品出口と実質的に等しく、所定の素材が装置
内で含有されかつ処理される。最も熱い材料（したがっ
て、粘性が最も低い）は該装置の中央に存在し、そこで
該材料は下方に流れ、最後に中央に位置する出口オリフ
ィス17から流出し、低温の領域にある材料にさらに長い
滞留時間を付与する。温度分布を図面に示しており、そ
こでは回転可能なシェル12の壁が供給材料の固体シェル
21により保護されていることがわかる。これの次にある
のはスカム溶融体の領域22および中央の最も熱い液体領
域23である。したがって、供給速度と電力入力の間のバ
ランスを確立し、規定された空間制限内で活性融解また
は反応領域を維持するでき、かくして通常のガラス溶融
槽に比べて炉の寸法はかなり減少する。
料入口は製品出口と実質的に等しく、所定の素材が装置
内で含有されかつ処理される。最も熱い材料（したがっ
て、粘性が最も低い）は該装置の中央に存在し、そこで
該材料は下方に流れ、最後に中央に位置する出口オリフ
ィス17から流出し、低温の領域にある材料にさらに長い
滞留時間を付与する。温度分布を図面に示しており、そ
こでは回転可能なシェル12の壁が供給材料の固体シェル
21により保護されていることがわかる。これの次にある
のはスカム溶融体の領域22および中央の最も熱い液体領
域23である。したがって、供給速度と電力入力の間のバ
ランスを確立し、規定された空間制限内で活性融解また
は反応領域を維持するでき、かくして通常のガラス溶融
槽に比べて炉の寸法はかなり減少する。
ある溶融の用途では、オリフィス17は貴金属、例えば
白金から作製され、該オリフィスを加熱して出てくる溶
融流の表面上での冷えた表皮層の形成を最小限にするこ
とは通常実施されることである。オリフィスが受ける任
意の摩耗を補うため、該オリフィス中にニードル装置を
設けて出口流を制御する手段を付与してもよい。
白金から作製され、該オリフィスを加熱して出てくる溶
融流の表面上での冷えた表皮層の形成を最小限にするこ
とは通常実施されることである。オリフィスが受ける任
意の摩耗を補うため、該オリフィス中にニードル装置を
設けて出口流を制御する手段を付与してもよい。
出口流の流速および温度をモニターするために配置さ
れ、適当な回路および機構に接続されて溶融装置からの
加熱の程度および排出速度を制御する輻射検知装置（図
示せず）を用い、さらにシステムを制御してもよい。
れ、適当な回路および機構に接続されて溶融装置からの
加熱の程度および排出速度を制御する輻射検知装置（図
示せず）を用い、さらにシステムを制御してもよい。
また、本発明の溶融装置は処理量速度の増大に比例し
て寸法を増大してもよい。例えば、 電力負荷1250KWを有する直径4.5フィートの溶融装置
により4500lbs/時間のガラスが得られ、 電力負荷2320KWを有する直径5.9フィートの溶融装置
により7700lbs/時間のガラスが得られる。
て寸法を増大してもよい。例えば、 電力負荷1250KWを有する直径4.5フィートの溶融装置
により4500lbs/時間のガラスが得られ、 電力負荷2320KWを有する直径5.9フィートの溶融装置
により7700lbs/時間のガラスが得られる。
プラズマと、原料および溶融体表面とのユニークな空
間的カップリング並びにトーチ角度の調節による出口流
温度の精密な制御により、炉床域で25KW/ft2を越える電
力密度を開発・利用できることが判明した。軟質ガラス
で操作する場合の本発明の溶融装置の対応する炉性能パ
ラメータは以下のとおりである。
間的カップリング並びにトーチ角度の調節による出口流
温度の精密な制御により、炉床域で25KW/ft2を越える電
力密度を開発・利用できることが判明した。軟質ガラス
で操作する場合の本発明の溶融装置の対応する炉性能パ
ラメータは以下のとおりである。
炉床評価：炉床0.3ft2は１日に溶融されるガラス１トン
当たりの面積 滞留時間:0.97時間 電力密度：溶融装置シェル内の炉床面積当たり85KW/ft2 電力消費：溶融されるガラス１トン当たり600KWH 熱効率:87％ したがって、溶融装置の炉床評価では１オーダーの大
きさの改良が認められ、溶融体滞留時間では２オーダー
の大きさの改良が認められる。また、電力消費は対応す
る熱効率の改良と共にかなり減少している。
当たりの面積 滞留時間:0.97時間 電力密度：溶融装置シェル内の炉床面積当たり85KW/ft2 電力消費：溶融されるガラス１トン当たり600KWH 熱効率:87％ したがって、溶融装置の炉床評価では１オーダーの大
きさの改良が認められ、溶融体滞留時間では２オーダー
の大きさの改良が認められる。また、電力消費は対応す
る熱効率の改良と共にかなり減少している。
２つのトーチ間の距離、２つのトーチ間の頂角および
２つのトーチの溶融体表面からの距離を変えることによ
り、衝突制御容積だけでなく、低粘度レジーム（regim
e）の断面分布までも変えることができることが示され
た。
２つのトーチの溶融体表面からの距離を変えることによ
り、衝突制御容積だけでなく、低粘度レジーム（regim
e）の断面分布までも変えることができることが示され
た。
かくして、プラズマアークトーチの溶融体表面からの
距離が増大するにつれてプラズマアーク衝突面積が増大
する。これは、低粘度の溶融材料23およびスカム溶融体
22の領域の分布を変える効果を有するとともに低粘度の
溶融領域が広くなるが浅くなり、プラズマアークトーチ
からの同じエネルギー入力に対してほぼ同一の全容積の
溶融材料を供給する。
距離が増大するにつれてプラズマアーク衝突面積が増大
する。これは、低粘度の溶融材料23およびスカム溶融体
22の領域の分布を変える効果を有するとともに低粘度の
溶融領域が広くなるが浅くなり、プラズマアークトーチ
からの同じエネルギー入力に対してほぼ同一の全容積の
溶融材料を供給する。
また、本発明の溶融装置内の比較的少量の溶融体容積
および凝固された溶融体を通してオリフィスのレベルま
で急速に浸透する可変的に傾斜されるプラズマトーチの
能力により、所望する時はいつでも本発明の溶融装置を
作動・停止できることが判明した。溶融装置を停止する
ためには、パワーをオフにし、バッチの注入を停止す
る。溶融体は排出し続けてもよいし、しなくてもよい。
シェルは急速に冷却し、５〜10分以内に回転は停止し、
できる限り残った溶融体は放置する。再度作動するため
には、30〜45°の典型的な角度で各トーチに互いに角度
を与え、パワーをオンにする。各トーチに互いに数イン
チ以内の適当な空間を与えることにより、作動時から10
〜15分以内でオリフィスを溶融温度にすることができ
る。その時点でトーチ角度を減少させ、バッチの注入を
開始する。20〜30分以内で溶融装置全体は熱平衡状態と
なり、充分な溶融速度が達成される。
および凝固された溶融体を通してオリフィスのレベルま
で急速に浸透する可変的に傾斜されるプラズマトーチの
能力により、所望する時はいつでも本発明の溶融装置を
作動・停止できることが判明した。溶融装置を停止する
ためには、パワーをオフにし、バッチの注入を停止す
る。溶融体は排出し続けてもよいし、しなくてもよい。
シェルは急速に冷却し、５〜10分以内に回転は停止し、
できる限り残った溶融体は放置する。再度作動するため
には、30〜45°の典型的な角度で各トーチに互いに角度
を与え、パワーをオンにする。各トーチに互いに数イン
チ以内の適当な空間を与えることにより、作動時から10
〜15分以内でオリフィスを溶融温度にすることができ
る。その時点でトーチ角度を減少させ、バッチの注入を
開始する。20〜30分以内で溶融装置全体は熱平衡状態と
なり、充分な溶融速度が達成される。
溶融装置内の少量の溶融体容積のため、溶融体組成物
は再び同様に急速に変えてもよい。組成物が変わって約
20〜30分後、平衡組成物に達する。また、同様に耐火性
酸化物溶融体からガラス状の溶融体に急速に変化でき
る。
は再び同様に急速に変えてもよい。組成物が変わって約
20〜30分後、平衡組成物に達する。また、同様に耐火性
酸化物溶融体からガラス状の溶融体に急速に変化でき
る。
第１図は本発明の一具体例を示す溶融装置である。 図面中の主な符号はつぎのものを意味する。 溶融炉…10、下部シェル…11、上部シェル…12、供給管
…14、プラズマ電極…15、16。
…14、プラズマ電極…15、16。
───────────────────────────────────────────────────── 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 チャールス・ピーター・ヒーンレイ イギリス国オックスフォードシャー、エ スエヌ７ ７エルダブリュー、ファリン ドン、リトル・コックスウェル、シーブ レイ・ハウス （番地の表示なし) (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、サウス・レイク・ガル チ・ロード977番 (56)参考文献 米国特許3917479（ＵＳ，Ａ)
Claims (14)
- 【請求項１】溶融する原料を連続的にプラズマアーク炉
に供給し、溶融する材料を含有する炉の少なくとも一部
分を回転させながら、少なくとも１つの電極がカソード
として作用し、かつ、少なくとも１つの電極がアノード
として作用し、互いに溶融材料を介して溶融体表面また
はそれに極めて接近して電気的にカップリングさせた少
なくとも２つのトランスファード・アークプラズマ電極
を用いて該原料を溶融し、該炉の中央に最も熱い液体領
域を有する溶融体を形成し、該炉の回転底を通して該溶
融体から溶融材料の流れを連続的に排出することを特徴
とする溶融容器の金属シェル内の電力密度269KW/m2（25
KW/ft2）以上における溶融方法。 - 【請求項２】溶融する材料がガラスバッチ、耐火性酸化
物材料、セラミック材料、スラグまたはロックウール供
給材料である請求項１記載の方法。 - 【請求項３】溶融する材料が炉内で自己加熱ライニング
を形成する請求項１または２記載の方法。 - 【請求項４】原料を気体中に閉じ込め、トランスファー
ド・プラズマアーク電極により電気的にカップリングさ
れた空間に注入する請求項１〜３いずれか１項記載の方
法。 - 【請求項５】プラズマアーク電極が垂直に対してある角
度で傾斜する請求項１〜４いずれか１項記載の方法。 - 【請求項６】プラズマアーク電極を垂直に対して30〜60
°の角度で各々対称に配置する請求項５記載の方法。 - 【請求項７】イオン化気体としてアルゴン、窒素または
それらの混合物のような不活性気体を用いてプラズマア
ークを形成する請求項１〜６いずれか１項記載の方法。 - 【請求項８】自動流れ温度測定装置を用いてプラズマア
ーク電極の角度を調節することにより出口流れ温度を制
御する請求項１〜７いずれか１項記載の方法。 - 【請求項９】流れ幅を測定する自動装置を用いてプラズ
マアーク電極の角度を調節することにより溶融体の流速
を制御する請求項１〜８いずれか１項記載の方法。 - 【請求項１０】固定された上部シェルおよび回転可能な
下部シェルを有する炉からなる溶融装置であって、該固
定された上部シェルがその屋根に取り付けられた少なく
とも２つのトランスファード・アークプラズマ電極を有
し、該プラズマアーク電極が、使用時には、少なくとも
１つの電極はカソードとして作用し、かつ、少なくとも
１つの電極はアノードとして作用し、互いに溶融材料を
介して溶融体表面またはそれに極めて接近して電気的に
カップリングし、該炉の中央に最も熱い液体領域を有す
る溶融体を形成するように配置され、該回転可能な下部
シェルが該溶融体を保持する受容器として機能し、該炉
がさらに該回転可能な下部シェルを回転させる手段と、
該炉に原料を投入するための入口と、該溶融体から溶融
材料を連続的な流れとして排出するための出口とを有す
ることを特徴とする269KW/m2（25KW/ft2）以上の電力密
度下での材料の溶融装置。 - 【請求項１１】固定された上部シェルに各プラズマ電極
の角度を調節するための手段が設けられた請求項10記載
の装置。 - 【請求項１２】固定された上部シェルに各プラズマ電極
の高さを調節するための手段が設けられた請求項10また
は11記載の装置。 - 【請求項１３】原料の入口が、その少なくとも一部分で
気体出口により包囲された管からなる請求項10〜12いず
れか１項記載の装置。 - 【請求項１４】炉の回転可能な下部シェルに自己加熱ラ
イニングが設けられた請求項10〜13いずれか１項記載の
装置。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB8826862.8 | 1988-11-17 | ||
| GB888826862A GB8826862D0 (en) | 1988-11-17 | 1988-11-17 | Dual electrode system |
| GB8911443.3 | 1989-05-18 | ||
| GB898911443A GB8911443D0 (en) | 1989-05-18 | 1989-05-18 | Method of melting materials and apparatus therefor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02199028A JPH02199028A (ja) | 1990-08-07 |
| JP2635186B2 true JP2635186B2 (ja) | 1997-07-30 |
Family
ID=26294630
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1300656A Expired - Lifetime JP2635186B2 (ja) | 1988-11-17 | 1989-11-17 | 材料の溶融方法および装置 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5028248A (ja) |
| EP (1) | EP0369642B1 (ja) |
| JP (1) | JP2635186B2 (ja) |
| AT (1) | ATE150163T1 (ja) |
| CA (1) | CA2002728C (ja) |
| DE (1) | DE68927849T2 (ja) |
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| JPH0949616A (ja) * | 1995-08-10 | 1997-02-18 | Ngk Insulators Ltd | 廃棄物溶融炉及び廃棄物溶融方法 |
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| US6355904B1 (en) | 1996-06-07 | 2002-03-12 | Science Applications International Corporation | Method and system for high-temperature waste treatment |
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