JP5441088B2 - クラウンバーナによる原料のバッチ溶融方法 - Google Patents

Description

本発明は、炉のクラウンに配置されるバーナを用いる原料のバッチ溶融方法に関する。

多くの生産方法は、特に天然状態で存在しないかまたは不十分な量もしくは低レベルの純度で天然に存在する材料を製造するために原料を溶融する工程を含む。金属および合金は、したがって冶金学的融解される。同様に、ガラス、フリットおよびエナメルはガラス化可能なバッチを溶融することによって産業規模で製造されている。特に、板ガラス、とりわけソーダライム型、の製造用産業プラントは非常に大容量および大面積の溶融炉を備えている。

溶融分野において、原料の混合、得るのに望ましい材料によって決められる配分は“バッチ”と呼ばれる。このバッチは、比較的乾燥し、かつよく分離される本質的に均一な粉末の形態が一般的である。

溶融材料の高生産量を得るために、連続的に操業する大容量炉が用いられる。バッチは、炉の第１側面の炉タンクに連続的に導入され、かつ溶融材料は一般的に第１側面と反対の炉の第２側面でやはり連続的に排出される。この型の据付で主要な挑戦の一つは、連続を維持し、かつ特に得られた溶融材料の均一性がもたらされる溶融条件の安定性である。

充填器は、バッチを特定幅のカーテンの形態でタンクの充填レベル頂部でタンク内に注入するために用いられる。したがって充填されるバッチの流れは、近似的に一定で、全充填幅に亘って均一に分配される。もし充填バッチが溶融材料より低い密度であるならば、未だ粉であるバッチは溶融物の表面に停滞する。溶融物上に浮遊するバッチ層がしたがって形成される。この層は、注入されるために連続するバッチの永久流れによって炉の下流端に向けてゆっくり押出される。

前記バッチ層は温度が十分に高いタンクの個所に達すると、前記層に含まれるバッチは輪郭のはっきりした前面に沿って溶融する。この溶融前面、“スロープ”と通常呼ばれる、は前記バッチ層の界面である。一般に、前記溶融前面の形状および方向は貧弱に制御される複雑な機構からもたらされる。溶融物内の溶融液体およびガスの滞留はこれら機構の溶融形状部分上を流れる。

燃焼加熱はしばしばそのような炉に用いられる。これを行うために、１つまたはそれ以上のバーナは炉タンクの上方に配置される。溶融条件の安定性は、それからバーナの配置、それらの数、使用する酸化剤に対する燃料の配分、バーナの火炎間の距離、タンクの充填レベル、その他のような多くのパラメータに厳格に依存する。

欧州特許出願１３１９１５０および０７４８９８１のいずれかに述べられるタイプのバーナが用いられる場合、狭い火炎が得られる。これがバッチ層に向かうと、溶融前面は限られた火炎衝突領域に得られる。炉が定常状態で操作すると、バッチ層の溶融前面はそれから炉の下流に向かうＶ開口の形状を持つ。異なるバッチ部分は、それゆえ充填方法に沿う異なるレベルの進行に対応する炉の位置で溶融される。これは、バッチ溶融条件のずれを引き起こす。さらに、バッチの塊がバッチ前面に沿って不規則に潰れ、溶融物に突然落下する。前記スロープは、それゆえ不規則に侵食され、溶融前面の制御されない動作を引き起こす。炉の操作はそれゆえ不安定になる。

多数のバーナを全ての溶融前面を炉の下流部分に押出すように前の一つと同一の充填方向に垂直に配置することができる。使用されるバーナの数は、特に必要であるバーナのメンテナンス作業の頻度の理由で価格の問題、履行することの困難さを生じさせる。

本発明の目的は、前述の欠点を有さないか、またはこれらの欠点を低減する溶融方法を提示することにある。

これを行うために、本発明は次の工程：
−バッチは炉の長手中心軸（Ｘ−Ｘ）に平行な充填方向で炉に導入され、バッチを実質的に連続的かつ均一に規定された充填幅を亘って分配し、溶融物表面にバッチの層を形成すること；および
−オキシ燃料バーナは前記溶融物上に配置され、そのバーナはバッチの溶融前面を前記層中に存在させるように前記バッチ層に向ける
を含む原料のバッチ溶融方法を提示する。

前記方法は、
−前記バーナは横長（horizontally elongate）断面を有する平坦な火炎フレーム（１２）を発生する；
−前記火炎の長手断面および前記炉の前記軸（Ｘ−Ｘ）に対して直角な水平方向を含む面は前記溶融物（４）の表面から測定される前記バッチ層の厚さの１／３と１／２の間の高さ（ｈ）でバッチ溶融前面に交差し、かつ前記炉の前記軸（Ｘ−Ｘ）に対して直角な線に沿う前記溶融物（４）の表面に交差する；および
−前記火炎（１２）は前記バッチ（３）から溶融前面に実質的に放射的に熱の移動を発生する、
ようになされる、前記バーナのパラメータを調節する工程をさらに含む。

したがって本発明に係る方法においてバーナのパラメータは、溶融前面に向かう火炎を広く覆うように調節される。さらに、もし火炎からバッチ溶融前面への熱移動が本質的に放射状であるならば、この移動は前記溶融前面で炉の幅の実質的な部分に亘って生じる。この溶融前面は、それゆえ炉の長手軸に対して直角に向けられる長い直線部を有する。

前記バッチの主要部は、したがって炉内で後者の長軸に沿って同じレベルの進行で溶融される。また、溶融条件は前記溶融前面の直線部上で異なる個所に位置するバッチ部分と本質的に同一になる。このバッチは、それゆえ特別な安定な条件の下で連続的かつ均一な手法で溶融される。特に、バッチ塊の突然のつぶれは前記溶融前面の直線部でもはや生じない。

この安定性は、また前記溶融前面の形状および方向がバーナによって発生される火炎の性質によって固定される事実からもたらされる。前記溶融前面の構成は、炉タンク内に含まれる液体材料の対流、またはバッチ層の丁度上方の火炎によって引き出されるガス流れのような制御されない効果にのみ僅かに依存する。バッチ溶融条件は、それゆえ良好に制御される。

本発明に係る方法の有益さは、単一バーナのパラメータは火炎の性質および炉の長軸に対して直角である本質的な距離に亘る溶融前面の構成に規定される事実に見出される。単一バーナは、溶融前面の多数の個所の構成に十分に一致し、それによって方法を容易に履行する。さらに、全体の炉を加熱するのに必要なバーナの数の減少は特に初期投資に関連するおよび炉の操作中のメンテナンス作業に関連する経済的な方法をなす。

好ましくは、前記パラメータは前記火炎の長手端部が前記バッチの溶融前面に触れないように調節される。火炎は、それゆえ短く、かつ火炎からの総熱移動を放射状に生じる熱移動の比がさらに増大する。したがって、溶融前面の直線部でさえ大きくなる。

発明者らは、バーナパラメータが本発明によって調節されると、バーナは特別に低運動量の火炎を発生することを観測した。表現“低運動量火炎”は流体の注入によって持続され、燃料と酸素含有ガスである中間、限られた総運動量を前記流体に伝達する火炎を意味することを理解される。この運動量は、特にバーナの幾何学的かつ操作的パラメータに依存する。

本発明の他の形態および有益さは、先の図面の参照するその履行の限定されない例の次の詳述で明らかになるであろう。

明確さを意図して、図面に示される装置の面積は実際の面積に配分していない。特に、異なる実際の方向に関連されるこれらの図面の測定される面積は同じ寸法に転配していない。さらに、２つの図面に用いられる同一の参照は同一要素を指す。

図１に示すように、炉１００はタンク１０１、側壁１０２およびクラウンと称されるカバー構成１０３を備える。例として、この炉はガラス生産炉であってもよい。

原料のバッチは、壁１０２の一つに作られ、長さＬに亘る水平開口１０４を経由して充填される。バッチは、充填幅と称される、長さＬにわたって延びる本質的に連続カーテン１の形態で前記炉に注入される。

溶融バッチはタンク１０１内に含まれる溶融物４を形成する。口１０５は、前記開口１０４と反対の側の炉の壁に供され、溶融材料は連続出力流れ５の形態で口を経由して流出する。

炉１００中に含まれる材料は、充填開口１０４から充填方向と称される方向Ｄに沿って口１０５に向けて全体的に移動する。溶融物４の表面は、炉の下流部で露出され、溶融物の上部上を浮遊する未固体バッチ層２によって炉の上流部で被覆される。これら２つの部の間に、層２は層２に含まれるバッチが溶融し、かつ溶融物に挿入する液体に転換される明確な界面３を有する。層２の界面３は、バッチの溶融前面である。

図１において、Ｘ−Ｘは炉１００の中心長軸を指す。この軸は水平である。タンク１０１は、矩形底面を有し、Ｘ−Ｘは炉１００の幅Ｌ_fにその幅に沿う半分の個所で交差する。ＰはＸ−Ｘ軸を含む垂直面を示す。

本発明に係る方法は、オキソ燃料バーナを用いる。知られているように、そのようなバーナは液体又はガスの燃料の注入および少なくとも６０体積％の酸素を含むガスからなる酸化剤の注入から火炎を発生する。好ましくは、酸素含有ガスは少なくとも９０体積％酸素を含む。そのようなオキソ燃料バーナは相対的に空気燃料バーナに比べて小型かつ軽量である。これは、特に炉への据付を容易にする。特に、バーナ１０は溶融物上方のクラウン１０３に貫通される穴１０６を通して位置されてもよい。導管１３は、バーナ１０に酸素含有ガスおよび燃料を供給するように前記穴１０６を通過する。バーナ１０の小面積および低重量の助けで、導管１３の経路用クラウン１０３に四角の窓を供することが不要になる。クラウン１０３の設計および構造はそれによって容易にする。

バーナ１０は、面Ｐに置かれる。そのバーナは、前記面Ｐのそれぞれの側に分配される１つ以上の燃料および酸素含有ガスの噴射１１を発生するように前記バッチ層２に向けられる。これを行うために、前記バーナ１０は垂直方向、図１にＨで示す、に対して傾斜し、かつ下方に向けてもよい。バーナによって発生される噴射の方向Ｆが存在される中間位置と前記方向Ｈの間の角度は、αで示される。角度αは、好ましくは３０°と７５°の間、特に４５°と６５°の間である。図１において、参照１２はバーナ１０によって発生される火炎を示す。

バーナ１０は、Ｕ．Ｓ．Ｐ６０６８４６８に述べられるようなモデルであってもよい。そのようなバーナは、多くの燃料出口および多くの酸素含有ガス出口を所有する。それは、広い被覆火炎を得るのに特に適している。

バーナ１０を適切に調節することによって、火炎１２によって発生される熱エネルギーを移動することの主要モードが適合され、この移動は放射状に生じる。特に大部分の溶融物は、それゆえ火炎１２によって発生する熱を受ける。それによって調節されたバーナ１０が前記バッチ層２に向けられると、溶融前面３は火炎１２による熱衝撃の領域に位置される。もしこの衝撃領域が広ければ、溶融前面３はバーナ１０と対面する炉の部分のＸ−Ｘ軸に対して直角な大きな直線部を有する。図１において、ｄは前面３のこの直線部の長さである。

バーナ１０は、炉１００の幅に対して中央に位置決めされているので、溶融前面３は面Ｐに対して対称的である。この方法において、バッチ層２は面Ｐに対する炉１００の両側面で同様な方向に溶融される。

対流モードではなく放射状加熱モードをさらに促進するために、バーナ１０は短くかつ光輝く火炎１２を発生するようにさらに調節してもよい。これを行うために、火炎１２は低運動量火炎１２で、かつ燃料富化領域を有する。空気−燃料バーナの代わりに酸素−燃料バーナの使用は特にそのような燃焼条件を得るのに適している。温度は、それから燃料富化領域で特に高くなり、炉充填への熱移動は本質的に放射状に生じる。火炎からバッチ層への熱移動は、それゆえ火炎でバッチ層から離れるある距離にて生じ、それによって大きな直線部を持つ溶融前面を得ることを容易にできる。

本発明に係る溶融方法を履行するように調節されるバーナ１０の多少のパラメータは、次の：炉１００に流体を注入するオリフィス、前記流体は燃料および酸素含有ガスを含む、の数、面積、位置および傾斜から選択される。したがって、公開ＥＰ−Ａ１−０７５４９１２で述べられるオキソ燃料バーナは本発明の方法を遂行するのに特に適している。

低運動量火炎１２を得るために、バーナ１０の多少のパラメータはバーナによって炉に注入される流体が０．５８Ｎと５Ｎの間の総運動量を有するように調節される。好ましくは、これら流体の総運動量は１．２Ｎと２．５Ｎの間である。

図２は、面Ｐ内の炉１００の断面で、両方のバーナ１０および火炎１２の幾何学的パラメータをより明確に示す。火炎１２は、平坦な形状を有し、いずれかの面Ｐの側で対称的に分配される。Ｆは、面Ｐ内の火炎の方向に相当する。バーナ１０を通過しかつ方向Ｆに平行なＺ−Ｚ軸は、面Ｐ内のＡで示される点で溶融前面３に交差する。Ａは、溶融物４の表面から測定された高さに位置し、バッチ層２の厚さの１／３と１／２の間に置かれる。火炎１２端と溶融前面１３の間の距離は、ｗである。ｗはゼロではないので、火炎１２はバッチ層２に接触しない。

Ｚ−Ｚ軸および面Ｐに対して直角な水平方向を含む傾斜面は、火炎１２の長い断面を含む。傾斜面は、点Ｂを通過するＸ−Ｘ軸に対して直角な線に沿う溶融物４の表面に交差する。

定常状態溶融が確立されると、次式は火炎１２により配送される加熱力Ｐを層２の特性に関係する。

Ｐ＝ΔＨρ²Ｖ
ここで、ΔＨはバッチの溶融平均エンタルピーを示し、ρは層２中のバッチの密度を示し、Ｖは供給速度を示す。それゆえ、口１０５での望ましい産出によってバーナ１０の加熱力を調節できる。酸素および燃料の消費は、したがって産出に応じたバッチの量を溶融するために丁度十分値に低減してもよい。例示すると、ガラス製造でのバッチ供給速度１２ｋｇ／ｈにとって、バーナ１０を経由する２０Ｓｍ³／ｈの酸素に対し１０Ｓｍ³／ｈの天然ガスを注入できる。

本発明に係る方法の改良によれば、Ｘ−Ｘ軸に沿う溶融物４表面上の溶融前面の進行位置はバーナ１０の多少のパラメータに調節するための基準として用いてもよい。特に、燃料流量、酸素含有ガス流量、燃料注入圧、酸素含有ガス注入圧および角度αはこの方法で調節してもよい。

任意に、方法はＸ−Ｘ軸に沿う溶融前面の進行位置を検出するシステムを据え付けることをさらに含んでもよい。前記バーナの多少のパラメータは、それから検出された溶融前面の進行位置に従属されてもよい。

例示すれば、溶融前面の進行位置を検出するシステムは、レーザ（図示せず）を備える。レーザビームが溶融前面の運動によって交差するやいなや、フィードバック信号は前面３の運動を補償するために多少のパラメータを正すようにバーナ１０のパラメータを制御する自動制御ユニットに送信される。

本発明に係る溶融方法は、以下、振り返りかつ気が付くかもしれない：
−方法は特に安定な溶融条件を提供する；
−大容量炉で遂行されてもよい；
−バーナは取り付けが簡単でかつ炉のクラウンに僅かな備品のみを要求する；
−炉装備およびメンテナンス費用が低減する；
−燃料および酸素の消費量が減少する；
−炉から抽出される溶融材料は非常に均一である：
−溶融前面に対して向かう火炎は層から炉の外部および燃料を通してもたらすバッチダストを炉の下流端に伝達することを妨げるスクリーンを構成する；
−方法は柔軟であり、かつ異なるバッチが同じ炉で続けて溶融されるときに容易にできる。バーナパラメータは、溶融前面の直線形状を復元するようにそれぞれのバッチに対してのみ調節される。任意に、それらのパラメータは充填方向に沿う溶融前面を書くバッチに対して適切な位置に配置するように調節してもよい；
−方法は容易に自動化することができる；
の多くの有益さを有することを示す。

本発明に係る溶融方法が遂行される炉を示す図。 図１の炉の断面を示す図。

Claims (12)

1. 次の工程：
   −バッチは炉の長手中心軸（Ｘ−Ｘ）に平行な充填方向（Ｄ）で炉に導入され、バッチを実質的に連続的かつ均一に規定された充填幅（Ｌ）に亘って分配し、溶融物（４）表面にバッチの層を形成すること；および
   −オキシ燃料バーナ（１０）は前記溶融物上方に配置され、そのバーナは前記バッチの溶融前面（３）を前記層中に存在させるように前記バッチ層（２）に向けることを含む原料のバッチ溶融方法であって、
   −前記バーナは横長断面を有する平坦な火炎（１２）を発生する；
   −一方において、前記オキシ燃料バーナ（１０）を通過しかつ前記炉の軸（Ｘ−Ｘ）を通る垂直面（Ｐ）における前記平坦な火炎（１２）の方向（Ｆ）に平行な軸（Ｚ−Ｚ）を、および他方において前記軸（Ｘ−Ｘ）に対して直角な水平方向を、含む面は、前記火炎の長手断面もまた含み、かつ前記溶融物（４）の表面から測定される前記バッチ層の厚さの１／３と１／２の間の高さ（ｈ）でバッチ溶融前面に交差し、さらに前記炉の前記軸（Ｘ−Ｘ）に対して直角な線に沿う前記溶融物（４）の表面に交差する；および
   −前記火炎（１２）は前記バッチの溶融前面（３）に実質的に放射的に熱の移動を発生する、
   ようになされる、前記バーナのパラメータを調節する工程をさらに含む方法。
2. 前記バーナ（１０）のパラメータは、前記火炎（１２）の長手端部が前記バッチ（３）の溶融前面に触れないように調節される請求項１記載の方法。
3. 前記バーナ（１０）は、前記炉の前記長手中心軸（Ｘ−Ｘ）を含む垂直面に存在する請求項１または２記載の方法。
4. 前記バーナ（１０）は、垂直方向（Ｈ）に対して傾斜されている請求項１〜３いずれか記載の方法。
5. 前記バーナ（１０）は、垂直方向（Ｈ）に対して４５°と６５°の間の角度（α）で下向きに傾斜されている請求項４記載の方法。
6. 前記バーナ（１０）は、前記溶融物（４）上のクラウン構造に穿たれたスルーホール（１０６）に位置される請求項１〜５いずれか記載の方法。
7. 前記バーナ（１０）の多少のパラメータは、流体が０．５８Ｎ・Ｓと５Ｎ・Ｓの間の総運動量を有するバーナによって前記炉（１００）内に注入するように調節される請求項１〜６いずれか記載の方法。
8. 前記バーナ（１０）の多少のパラメータは、前記炉の前記軸（Ｘ−Ｘ）に沿う溶融前面（３）の進行位置によって調節される請求項１〜７いずれか記載の方法。
9. 前記溶融前面（３）の進行位置によって調節される前記バーナ（１０）の前記パラメータは、前記燃料流量、酸素含有ガスの流量、燃料注入圧、酸素含有ガス注入圧および垂直方向（Ｈ）に対するバーナ（１０）の傾斜角度（α）から選択される請求項８記載の方法。
10. 前記炉の前記軸（Ｘ−Ｘ）に沿う溶融前面（３）の進行位置を検出するシステムを据え付けることをさらに含み、前記バーナ（１０）の多少のパラメータは前記溶融前面の検出された進行位置に従属になる請求項８又は９記載の方法。
11. 前記溶融前面（３）の進行位置を検出するシステムは、レーザを備える請求項１０記載の方法。
12. ガラスの生産に用いられる請求項１〜１１いずれか記載の方法。

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