JP4750017B2 - 冷却壁を有するタンクにおける溶融および精製 - Google Patents
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Description
また、化学的に非常に腐食性なガラスを溶融させるとき、ガラスと同じタイプの材料のスカル層が形成され、溶融ガラスが冷却金属管を腐食するのを防止する。
単位重量EVあたりのエネルギー損失は、スループットに依存する。同じ等級のガラスを想定すると、スループットの増大は、温度の上昇に一般に関連付けられる。
温度の上昇は、溶融タンクの溶融ガラスの対流の増大にも関連付けられ、これにより、タンクがかなりより重度に腐食される。
溶融される材料を、溶融ユニットに供給し、加熱エネルギーを供給することによって加熱することを提供し、この方法では
以下でより詳細に記述されるように、適切に適合されたスループットが与えられると、溶融される材料の単位重量あたりのエネルギー消費量が最小である温度Teffが決定され、
溶融ユニットにおける溶融物の温度が、Teff−20%からTeff+20%の範囲にあるように選択され、
スループットが、必要な残留時間に適合するように選択される。
冷却壁を有する溶融ユニットと、
溶融される材料を供給するための装置と、
溶融物を直接加熱するための装置と、
溶融物の少なくとも1つの領域において少なくともTeff−20%からTeff+20%である温度を設定するための装置であって、温度Teffが、所定の温度において必要とされる残留時間に適切に適合されるスループットで、溶融される材料の単位重量あたりのエネルギー消費量が最小である温度によって与えられる、装置と、
溶融される材料の相対スループットを溶融物における必要残留時間に適合させるための装置と、を備える。
(2)EV=EN
である温度が決定される。
溶融物において行われるプロセスは、絶対温度に依存する。したがって、範囲Teff−20%からTeff+20%は、特に絶対温度に基づく。
必要な残留時間は、本方法によって達成される結果によって決定される。本発明の一実施形態によれば、方法は、バッチを溶融させるために使用され、したがって、この場合、必要な残留時間は、対応して溶融時間を含む。
(4)Etot=EN+EV
バッチおよび/または装填カレットを加熱する単位重量あたりの熱量、すなわち
単位重量あたりの潜熱、すなわちEN2=ΔH、および
溶融ガラスを所望のプロセス温度まで加熱するための単位重量あたりの熱量、すなわち
(5)cp1=cp2=cp
である。したがって、以下がENについて得られる。
エネルギー損失は、特に、
ガラス表面における熱の放射と、
溶融ベセルの壁およびフロアを通す経た熱の損失と、
気体または油の加熱が使用される場合の高温気体からの熱損失との結果として生じる。
簡略化された考えでは、とりわけ、エネルギー損失に寄与する熱放射を考慮しない。
スループットを考慮した単位重量あたりのエネルギー損失は、単位重量あたりに失われる熱量EVを表す。
上方融点がタンクに対する腐食によって限定される従来のタンクの場合とは異なり、冷却壁を有する溶融ユニット内で溶融するとき、タンクに対する腐食によって融点に制約が課されることはまったくない。
溶融ユニットにおいて、溶融物の表面積対容積の比は、溶融ユニットの容積と共に変化する。この比は、以下ではF0として言及され呼ばれ、ここで、仮定される表面積は、溶融ユニットの冷却壁と接触する溶融物の表面積を実質的に表す。
(7)F0=F/V [1/m]
(18)dEtot/dT=dEN/dT+dEV/dT
本発明者は、冷却壁を有する溶融ユニットを使用するとき、溶融プロセスまたは精製プロセスに必要とされる温度Tkonに溶融物を加熱するだけでなく、著しくより高い温度まで加熱し、必要なより短い残留時間に応じてスループットを増大させることに意味があることも発見した。したがって、本発明の一実施形態によれば、溶融物の少なくとも1つの領域が1700℃を超えて加熱されることが提供される。
単位重量あたりのエネルギー消費量Etot、すなわち具体的には壁およびフロアを通す単位重量あたりのエネルギー損失EVおよび溶融物を加熱するために必要な単位重量あたりの有用な熱ENの和は、スループットが必要残留時間tに対して適切に適合されるとすれば、上記ですでに説明されたように、Teffにおいて最小値を通過する。
したがって、温度が上昇したときのエネルギーの節約の効果は、Teffより低い範囲において非常に大きい。
(EN=EV)
温度に関する単位重量あたりのエネルギー損失の減少は、単位重量あたりの有用な熱の増大より急激であるので、最大エネルギー節約は、単位重量あたりの有用な熱Enが単位重量あたりのエネルギー損失EVに等しい温度よりわずかに高い。温度Teffを決定するために、
溶融物を加熱するために必要な単位重量あたりの有用な熱と、
装備からのエネルギー損失、または壁およびフロアを通す熱損失と、
スループットの増大とが、温度の関数として決定される。
温度に関するガラス溶融物を加熱するために必要な単位重量あたりの有用な熱の変化は、上記ですでに記述されたように、ガラス溶融物の比熱Cpから決定することができる。
温度に関するスループットの変化は、溶融容積における溶融物に必要な保持時間tに依存する。温度に関するスループットの変化は、実験手段によって直接決定することができ、または、温度に関する反応速度の変化によって決定することができる。
Teffにおいてスループットが増大されるのではなく、溶融ユニットのサイズが低減される場合、単位重量あたりのエネルギー損失は増大し、したがって、単位重量あたりのエネルギー消費量もある程度増大するが、その理由は、表面積ファクタF0がある程度増大するからである。
当然、絶対的スループットおよびユニットのサイズを共に適合させることも可能である。
必要残留時間を短縮することまたはスループットを増大させることにより、単位重量あたりのエネルギー損失が低減され、したがって、温度Teffをより低い温度にシフトさせる。
残留時間は、とりわけ、溶融物がさらに混合され、それにより反応速度が増大する場合、有効に短縮することができる。
本発明者は、融点を上げることにより、溶融材料のその後の品質に悪影響を与えずに、バッチを溶融物の中に攪拌することが可能であるような程度まで、溶融ユニット内で化学反応を加速させることが可能になることを発見した。
バッチを溶融させるときでも、従来の溶融方法において使用される温度と比較して、Teff−20%からTeff+20%に融点を上げることによって、バッチの溶融速度、したがってスループットは、温度の上昇に関連する単位重量あたりのエネルギー損失が、バッチの溶融速度の増大および結果的なスループットの増大によって達成される単位重量あたりのエネルギー節約より著しく低くなるような程度まで、増大されることができる。
本発明の有利な精製によれば、溶融される材料は、溶融物の表面上に配置されるバッチの形態で供給することもできる。スカル坩堝において溶融するとき、達成することができるスループットは、とりわけ、バッチをガラス溶融物の上に配置することができる速度、および如何に迅速にバッチが表面下に溶融するかに依存する。
冷却壁を有する溶融ユニットが溶融ユニットとして使用される場合でも、融点を上昇させることにより、化学反応が加速され、したがって、バッチの溶融が加速される。
本発明のこの精製によるより高温において溶融速度を増大させることによって行われるエネルギー節約は、ガラス溶融物を加熱して、ガラス溶融物をより高温に維持することにより得られるエネルギー損失より大きい。
いくつかの例外を除いて、バッチのペレット化は、これまで、光学ガラスの溶融においてさえ、広範には使用されてこなかった。非常にダスティングしやすい傾向を有するガラスでは、より高い支出にもかかわらず、ペレットの形態でバッチをガラス溶融物に追加することが適切である。
本発明による方法によって可能になる高いスループットで達成することができるように、バッチが迅速に追加される場合、バッチのダスティングも、従来のタンクにおいて一般的であるように、バッチが緩慢に追加される場合より著しい。
本発明は、例に基づいて、かつ添付の図面を参照して、以下においてより詳細に説明される。
図1Bは、溶融物を加熱する電流を電極5に共有する電流供給20をさらに図式的に示す。電流供給20は、制御可能な構成であり、制御は、プログラム制御されたコンピュータ装置24によって実施される。コンピュータ装置24は、1つまたは複数の温度センサ22からの温度測定値を記録し、電流供給の加熱電流電力を制御する。コンピュータ装置は、温度センサ20と組み合わされて、適切な温度を設定する装置として作用し、適切な温度は、エネルギー節約動作を可能にするために、溶融物において少なくともTeff−20%からTeff+20%である。
以下のテキストにおいて、本発明は、例に基づいてより詳細に説明される。
融点の上昇は、熱力学的平衡をシフトさせ、かつ粘性を低下させる。粘性の低下により、バブル発生速度が増大し、溶融物における気体拡散速度が増大する。
例として、Li2O−Al2O3−SiO2ガラス・セラミック溶融物の場合、1700℃から1900℃に温度を上昇させることにより、品質を損なわずに、精製ユニットにおけるスループットを少なくとも5倍に増大させることが可能になることが実験により決定された。
さらに、レドックス精製の場合、O2の過剰圧力が、溶融物において温度が急速に上昇する場合に生じ、このO2の過剰圧力は、バブルが形成されて、低融点においてバブルが放出されることにより、再び徐々にのみ減少する。
図3に示される試験では、バッチが、1550℃においてAs2O3精製剤と共に溶融され、次いで、1600℃から1650℃に引続き加熱される。それぞれの温度が上昇しているので、po2の値は、当初非常に迅速に増大し、その後、再び徐々に減少する。As2O5の含有量も、温度が上昇する際に減少する。融点が高くなると、po2の値は迅速に減少する。
例えば、SnO2は、1700℃を超える精製温度において使用することができることが特に有利である。酸化錫SnO2は、約1700℃を超える温度において、酸素の大部分を単に放出する。
したがって、このようにして生成されるガラスは、温度に依存するSn2+対SnT比を有する。Sn2+対SnTのこの比について、0.35より大きい値を有するガラスが好ましく、0.45より大きい値を有するガラスが特に好ましい。
T=1700℃j=13W/cm2
T=1900℃j=22W/cm2
T=2100℃j=31W/cm2
T=2300℃j=40W/cm2
本発明者は、例えば1700℃から1900℃の、Li2O−Al2O3−SiO2ガラス・セラミックの溶融ガラスを加熱して、1900℃においてガラス溶融物を精製する場合、100リットルのスカル坩堝においてスループットが5倍に増大すると、スカル坩堝の水冷却金属管を通すより多くのエネルギー損失、および溶融物をさらに加熱するための追加の有用な熱を含めて、単位重量あたりのエネルギー需要Etotは、少なくとも2.5分の1に減少することを発見した。
100リットルのスカル精製坩堝を、従来のセラミック溶融ユニットに接続する。連続プロセスにおいて、1日あたり1000kgのガラス溶融物が、100リットルスカル坩堝において精製される。1700℃において、スカル坩堝は、水冷却金属管を通して153kWのエネルギー損失を有する。この結果、熱損失は3672kWh/dになり、または、1000kg/dのスループットにおいて、単位重量あたり3.67kWh/kgのエネルギー損失になる。
約300000kJまたは83.4kWhの有用な熱が、1000kgのガラス溶融物を1700℃から1900℃に加熱するために必要である(
1700℃を超える温度において、83.4+(6192−3672)=2603kWh、または2.6kWh/kg
1700℃における3.67kWh/kgから
1900℃における6609kWh/5000kg=1.32kWh/kgに低減された。
3.67kWh/kg/1.32kWh/kg=2.78
分の1に減少させることが可能になった。
本発明者は、スループットを増大させるのではなく、より高い融点において冷却壁を有するより小さい溶融ユニットを使用することも可能であることをも発見した。
以前の例の場合と同様に、精製は、100リットルのスカル坩堝において1700℃において実施される。この場合、100リットルのスカル坩堝からのエネルギー損失は、再び153kWまたは3672kWh/dである。1000kgの毎日のスループットでは、単位重量あたりのエネルギー損失は、再び3.67kWh/kgである。
上記ですでに説明されたように、エネルギー消費量Etot、すなわち壁およびベースを通す単位重量あたりのエネルギー損失EVと溶融物を加熱する単位重量あたりの有用な熱ENとの和は、スループットが必要残留時間tに適切に適合されるとすれば、Teffにおいて最小値を通過する。
精製の温度Teffは、700リットルのスカル坩堝について推定される。
温度の関数としての溶融ベセルにおける溶融物の必要残留時間またはスループットの増大は、バブル発生速度増大に基づいて、第1近似において推定することができる。バブル発生速度vは、下式により計算される。
この推定は、高温における対流の増大またはレドックス精製の場合のレドックス平衡の変化の結果であるバブルの浮力の促進を考慮に入れない。
単位重量あたりの有用なエネルギーENの温度依存性は、
図6のグラフに示される値は、以下の表に記載される。
約1950℃におけるこの実施例のエネルギー損失/tまたは単位重量あたりのエネルギー損失Evは、1500℃(Tkon)から1950℃に溶融物を加熱するために必要な追加の有用なエネルギー/t、または単位重量あたりの有用なエネルギーENと同じレベルに到達する。1950℃において、Ev=ENである。
精製の場合と同様にして、バッチを溶融させるときの溶融ユニットにおける溶融物の残留時間は、温度が上昇する際に、著しく低下させることもでき、その結果、スループットを増大させることができる。
バッチを溶融させるとき、Teffは、溶融ユニットにおけるガラス溶融物の保持時間tによって、決定することができる。
実験は、溶融物の粘性が<103dPas、好ましくは<102dPasである温度で、かつ、冷却壁における溶融物と溶融物の内部の溶融物との温度差が>150K、好ましくは>250Kである温度において、溶融ユニットにおける溶融速度が突然増大することを示した。
さらに、攪拌器を使用して、またはバブル化によって溶融物を混合することにより、対流によって達成されるのと同様に、溶融速度を1.5から5倍に増大させることが可能になることが判明した。対流の場合とは異なり、攪拌器またはバブリングによって混合するとき、閾値温度または閾値粘性は存在しない。
Claims (33)
- 溶融される材料が溶融ユニットに供給され、加熱エネルギーを供給することによって加熱される、冷却壁を有する溶融ユニット内で無機材料、ガラス、および/またはガラス・セラミックを溶融および/または精製する方法であって、
適切に適合されたスループットが与えられて、溶融される前記材料の単位重量あたりのエネルギー消費量が最小である温度Teffが決定され、
前記溶融ユニット中の溶融物の温度が、Teff−20%からTeff+20%の範囲にあるように選択され、
前記スループットが、必要残留時間に適合されるように選択され、該必要残留時間が溶融される材料を溶融するとき(時)の必要溶融時間および/または溶融した材料を精製するとき(時)の必要精製時間であることを特徴とする方法。 - 溶融される材料の単位重量あたりの有用な熱の温度による微分が、dEN/dT=cp(cpは溶融物の比熱を表す)によって与えられる請求項2に記載の方法。
- 溶融材料の単位重量あたりの前記エネルギー損失EVの温度による微分が、dEV/dT=kF01/ρ τ0e+E/T+kTF01/ρ τ0(−E/T2)e+E/T(kは溶融ユニットの壁を通す全伝熱を表し、F0=F/Vは溶融物の表面対容積比を表し、ρは密度を表し、τ0は基準温度T0における必要残留時間を表し、Eは固有活性化温度に対応する定数を表す)によって与えられる請求項2または3に記載の方法。
- 熱エネルギーが、溶融物に直接供給される、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の方法。
- 溶融物が、溶融ユニット内でさらに混合される、請求項5に記載の方法。
- 溶融物が、攪拌器および/またはバブリングによって攪拌される、請求項6に記載の方法。
- 対流が、溶融物中に生成される、請求項6または7に記載の方法。
- 対流が、<103dPasの粘性、および>150Kの溶融物の内部領域と溶融物の外部領域との間の溶融物温度差によって発生される、請求項8に記載の方法。
- 溶融される材料が、溶融物の表面上に配置されるバッチの形態で供給される、請求項5乃至9のいずれか1項に記載の方法。
- 溶融される材料が、バッチの形態で溶融物の中に攪拌される、請求項5乃至9のいずれか1項に記載の方法。
- バッチが、ペレットの形態で追加される、請求項11に記載の方法。
- 溶融材料が精製される、請求項1乃至12のいずれか1項に記載の方法。
- 対流が、溶融物中に発生される、請求項13に記載の方法。
- 対流が、<103dPasの粘性、および>150Kの溶融物の内部領域と溶融物の外部領域との間の溶融物温度差を設定することによって発生される、請求項14に記載の方法。
- 溶融された材料が、溶融物バス表面における坩堝の一方の側から坩堝中に導入されて、溶融物バス表面におけるその反対側において再び放出される、請求項13乃至15のいずれか1項に記載の方法。
- 溶融される材料が、高温精製剤を使用して精製される、請求項1乃至16のいずれか1項に記載の方法。
- 溶融材料が、溶融物に連続的に供給され、溶融物から連続的に除去される、請求項1乃至17のいずれか1項に記載の方法。
- 温度Teffが、バッチの溶融のために決定される、請求項1乃至12のいずれか1項に記載の方法。
- 温度Teffが、さらに混合される溶融物について決定される、請求項19に記載の方法。
- 温度Teffが、<103dPasの粘性を有し、溶融物の内部領域と前記溶融物の外部領域との間の温度差が>150Kであるユニット内で溶融される溶融物について決定される、請求項19に記載の方法。
- 温度Teffが、溶融物を精製するために決定される、請求項1乃至4および13乃至17のいずれか1項に記載の方法。
- 温度Teffが、<103dPasの粘性を有し、溶融物の内部領域と溶融物の外部領域との間の温度差が>150Kであるユニット内で溶融される溶融物について決定される、請求項22に記載の方法。
- 温度Teffが、溶融された材料が溶融物バス表面における坩堝の一方の側から坩堝の中に導入されて、溶融物バス表面におけるその反対側において再び放出される溶融物について決定される、請求項22および23のいずれか1項に記載の方法。
- 熱エネルギーが、溶融物に直接供給される、請求項1乃至24のいずれか1項に記載の方法。
- 熱エネルギーが、直接導電加熱によって溶融物に供給される、請求項25に記載の方法。
- 熱エネルギーが、直接誘導加熱によって溶融物に供給される、請求項25に記載の方法。
- 溶融物の少なくとも1つの領域が、1700℃を超えて加熱される、請求項1乃至27のいずれか1項に記載の方法。
- 溶融物の少なくとも1つの領域の温度が、溶融される材料の単位重量あたりの有用な熱とエネルギー損失とが等しくなる温度以下であるように選択される、請求項1乃至28のいずれか1項に記載の方法。
- 溶融される材料の相対スループットを溶融物中の必要残留時間に適合されることが、絶対量的スループットを適合させることを含む、請求項1乃至29のいずれか1項に記載の方法。
- 溶融される材料の相対スループットを溶融物中の必要残留時間に適合されることが、溶融物の容積またはユニットの寸法を適合させることを含む、請求項1乃至30のいずれか1項に記載の方法。
- 必要残留時間が、溶融時間を含む、請求項1乃至31のいずれか1項に記載の方法。
- 必要残留時間が、精製時間を含む、請求項1乃至32のいずれか1項に記載の方法。
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