JP7290643B2 - 自己るつぼ壁を有する液中バーナー炉 - Google Patents

Description

本発明は、冷却流体によって冷却される金属壁を有する液中バーナー炉の分野に関する。この種の壁は、通常、当業者によって水ジャケットと称される。これらの炉は、ガラス、又はアルカリ金属ケイ酸塩及び／若しくはアルカリ土類金属ケイ酸塩等のケイ酸塩等の、一般に少なくとも３０重量％のシリカを含有する、一般に酸化物タイプのガラス化可能な材料を溶融することを意図している。ガラスは特に、ソーダ石灰ガラス、又は当業者によってしばしば「黒色ガラス」と呼ばれる岩石であってもよい。

液中バーナー炉には、その構造が曝される温度を保持するために、水ジャケット冷却システムが使用されている。特に溶融ガラスであってもよい溶融ガラス化可能な材料は、これらの冷却される（Ｔ℃＜１００℃）壁と接触して、失透され（すなわち、固化され）、ガラス化可能な材料の塊と金属壁との間に固形の外皮を形成する。この失透したガラス化可能な材料の外皮は、壁の自然な保護を提供する。この外皮は、固化している同じ組成を有するので、溶融されているガラス化可能な材料と完全に適合性である。したがって、この外皮は、炉内のガラス化可能な材料のための「自己るつぼ」を形成する。しかしながら、この自己るつぼは、運転中に割れ、砕け、及びシート状で脱落することが分かっている。脱離した自己るつぼゾーンがガラス化可能な材料と接触して再構成されても、それにもかかわらず、対応する壁の金属表面は、非常に高温の溶融ガラス化可能な材料によって浸食／腐食にしばらく曝され、かつ更には、自己るつぼが再構成されていない限り、溶融ガラス化可能な材料、特に溶融ガラスのと、冷却される壁との間の非常に激しい熱交換が局所的に生じる。また、溶融材料中に落下した固形自己るつぼシートは再溶融され、このシートもエネルギーを無駄に吸収し、溶融塊の温度を下げる原因となる。これら全ての予測不可能な熱伝達は、溶融プロセスを不安定にする。

壁上の自己るつぼの不十分な保持は、その壁の化学的及び物理的性質、特に、壁があまりにも滑らかであるという事実、並びに壁が受ける高い熱応力に関連していると推定されている。また、自己るつぼは、ガラス化可能な材料の急速な凝固のために、金属壁とのその界面で劣悪に形成された構造を有することが分かった。金属と接触する自己るつぼの面は、金属と非常に不完全に密着し、多孔質であり、実際のダクトを含む。溶融された材料は、液中燃焼によって引き起こされる高程度の撹拌のため、壁に対して連続的かつ強力に衝突する。これらの衝突は、燃焼ガスに高い圧力を与え、燃焼ガスが自己るつぼと金属壁との間を通過して、タンクの下面から特定の高さでガラス化可能な材料と共に自己るつぼを出ることが分かっており、その高さはランダムであり、場合によっては屋根の高さまで達することさえある。ここで、「燃焼ガス」という表現は、燃焼の後に生成するガス並びに／又は未燃焼の燃料及び／若しくは酸化剤を包含する。これらの燃焼ガスの分析は、それらが多量の水を含むことを示しており、多量の水は、壁の金属に対して特に腐食性である。また、特定の高さで自己るつぼから出る未燃焼ガスは、自己るつぼから出るとすぐに燃焼するが、通常起こるようにタンクの下面で燃焼した場合よりも、溶融されているガラス化可能な材料に伝達するエネルギーは少ない。

本発明は、冷却流体によって冷却される壁を含む、液中バーナーでガラス化可能な材料（特にガラス）の溶融炉に関する。ここで、炉内でガラス化可能な材料を溶融する前において、炉の内側に面している壁の面は、いわゆる自己るつぼの失透したガラス化可能な材料が炉内のガラス化可能な材料を溶融するために作動を開始するとすぐに炉の内壁を覆うための付着テクスチャを有する。本発明は特に以下の利点を得る：
炉の自己るつぼ層の安定化、
溶融プロセスの安定化、
熱の伝達の安定化及び最小化、並びにそれによるエネルギー効率の向上、
ガラス化可能な材料のプールに向けた未燃焼ガスの転向、及び金属壁と自己るつぼとの間を通過する未燃焼ガスの最小化、
金属壁の腐食の抑制及びその表面寿命の延長。

更に、本出願に記載された解決策は、比較的低コストであり、自由自在であり、実施が容易である。

壁は、一般的に垂直であるが、傾斜していてもよい。全体として、壁は、炉の炉床と屋根との間の接続を作る。壁は、炉床と共に、炉内で溶融されたガラス化可能な材料を炉が収容することを可能にする。

付着テクスチャは、実在部及び空隙、好ましくは壁に対して垂直方向に少なくとも５ｍｍの実在部及び空隙を含む。このことは、滑らかな表面がテクスチャ加工された表面に当接して、かつ壁に平行に配置され、この滑らかな表面が互いに平行な母線から構成されている場合（壁が垂直である場合、これらの母線は垂直である）、壁と前記滑らかな表面との間の空間が少なくとも５ｍｍ、好ましくは少なくとも１ｃｍ、好ましくは少なくとも２ｃｍの隙間を含むことを意味している。これらの隙間には、少なくとも直径５ｍｍ、好ましくは少なくとも直径１ｃｍ、好ましくは直径少なくとも２ｃｍの仮想球を配置することさえできる。付着テクスチャは、肉眼で視認することができる。平滑かつ平坦な金属プレートは付着テクスチャを持たないと考えられる。

壁は一般に、金属プレート、壁が垂直であれば、必要に応じて、垂直な金属プレートを含み、付着テクスチャは、炉の内部に向いて前記プレートの面に固定されている突出金属要素を含む付着システムで作られている。最初、金属プレートは概して平滑であり、特定の凹凸を有さず、テクスチャを作り出すのは、このプレートに固定された本発明による付着システムである。金属プレートの他方の面（炉の外部に向いている）は、冷却され、特に、冷却流体と接触する。冷却流体は、一般に冷水、すなわち、一般に１～２０℃の範囲内の温度（冷却ダクトの入口の温度）の水である。

炉内で溶融されているガラス化可能な材料は、一般に８００℃～１５９０℃の温度である。

壁をテクスチャ化させる要素は、中実丸棒、アングル（山形鋼）、（管状又は中実の）金属四角棒等の金属断面を含んでいてもよい。金属プロファイルは、それが延びる主方向（その断面に対して垂直なその主方向）が実質的に水平となるように前記金属プレートに固定されていることが好ましい。特に、アングルの場合、アングルは、その外縁を介して固定されていることが有利である。その外縁は、アングルの２つの平坦な金属ウィングの交点で鈍角を形成している。アングルは、有利には、この縁が実質的に水平になるように固定されている。金属プロファイルは一般に、金属プレートに溶接することによってそれに固着されていてもよい。

壁をテクスチャ化させる要素は、同様に、プレートに挿入されたスタッド又はプレートに溶接されたスタッド等の、壁に固定された局所的な要素（特に、壁に平行な特定の方向においてそれほど大きくない）であってよい。

テクスチャは、有利には、自己るつぼの失透したガラス化可能な材料によって充填され得る空間を壁において局所的に形成する突出要素を含み、突出要素の少なくとも一部と、突出要素のこの一部よりも炉の周囲側に（すなわち、炉の外側に向かってより遠くに）位置する壁の表面との間のこれらの空間内に、失透したガラス化可能な材料が捕捉される。

テクスチャ化要素は、好ましくは金属壁のプレートから突出するように金属壁のプレートに固定されており、プレートから少なくとも１ｃｍ、好ましくは少なくとも２ｃｍの奥行きまで金属プレートから突出している。

さらに、炉の下面からある程度の距離まで上昇するガスが金属壁に沿って自己るつぼの下を流れることを効果的に防止するように、テクスチャ化要素が作用する。この目的のために、テクスチャ化要素、特にプロファイルタイプのテクスチャ化要素は、有利には、炉の下面に向かって配置されており、炉の周囲に実質的に水平に延びている。これは、有利にはその延びている方向が実質的に水平であるプロファイルである（壁の表面上の、ペグタイプの局所的な要素は、このバリア機能にとって好ましくない）。このテクスチャ化要素のベルトは、実際には燃焼ガスを偏流させるバリアを形成し、その結果、このバリアの上で自己るつぼの下を通過する燃焼ガスがはるかに少なくなる。これらのテクスチャ化要素は、必要に応じて金属壁の内周上に完全なベルトを形成しており、炉床の最下点から５ｃｍ～２０ｃｍの距離にあることが好ましい。したがって、この偏流バリアを取り付けると、ガスが溶融浴に戻ることを余儀なくされ、その結果、１）未燃ガスがガラス化可能な材料中で燃焼する、２）金属壁に沿って水が流れなくなり、それによって、金属壁の腐食が抑制される、という２つの結果がもたらされる。したがって、本発明によるテクスチャは、炉床の最下点から５ｃｍ～２０ｃｍの距離で（炉床に接している自己るつぼの外側で）突出している実質的に水平方向のベルトを含むことができる。炉床のこの最下点は、自己るつぼの形成前にガラス化可能な材料と接触している点である。実際には、自己るつぼは、炉床上に等しく形成できることに留意されたい。

溶融ガラス化可能な材料、特に溶融ガラスによる壁内の金属の腐食を更に低減するために、そのテクスチャ化要素を含む壁を、耐火コンクリート、好ましくはアルミナを含有しているコンクリートで覆うことができる。コンクリートは、壁を覆って、自己るつぼとの界面を形成する。コンクリートは、自己るつぼへの化学的付着をもたらす。実際、アルミナは、特にガラスであってもよい自己るつぼのガラス化可能な材料中に移動し、これは、このガラス化可能な材料の失透温度を上昇させ、その結果、自己るつぼの非常に強力な化学的付着をもたらす。特に、コンクリートは、５０％超、好ましくは８０％超のアルミナを含有している。適切なコンクリートは、Ｔｈｅｒｍｂｏｎｄにより型番６Ｐ又はＦ１５Ｒ、Ｃａｌｄｅｒｙｓにより型番Ｔ９６ＨＴ又はＴ９５Ｇ３、Ｓｅｆｐｒｏにより型番Ｅｒｐｌａｓｔ ２０又はＥｒｓｏｌ ５０ ｃａｓｔで販売されている。コンクリートは、金属壁にあらかじめ適用されたテクスチャ化要素が存在するため、炉の内側に向いている面がテクスチャを保持するようにして、テクスチャ化要素上を含め、実質的に均一な厚さで適用されてもよい。これらのテクスチャ化要素の存在は、壁上のコンクリートの保持に寄与する。炉の内側に向いているコンクリートの表面は、金属壁にあらかじめ施されたテクスチャ化要素が存在するため、好ましくはテクスチャを有する。一般に適用されるコンクリートは、炉の内側に向いているコンクリートの表面を滑らかにするためは不十分である。実際、自己るつぼとの界面を有するコンクリートの表面上にテクスチャを保持することが好ましい。コンクリートの層は、５～７０ｍｍの範囲の厚さを有することができる。

一面が炉の内部に面しており、他面が冷却され、特に特に冷却流体と接触させることにより冷却される、本発明に係る炉壁は、テクスチャ化要素、特に金属のテクスチャ化要素を、固定、特に溶接によって金属プレートの滑らかな面に固着することにより製造することができ、それによれば、この面には、前記テクスチャ化要素が設けられ、このテクスチャ化要素は、炉の内側に面することを意図しており、炉が作動し始めたときに自己るつぼで覆われる。本発明はまた、テクスチャ化要素を金属プレートの滑らかな面に固定し、次いでプレートを、必要に応じて垂直に、配置して、テクスチャ化要素が設けられた面が炉の壁の内面を形成するようにすることを含む、本発明による炉の製造方法に関する。

本発明はまた、本発明による炉内でガラス化可能な材料を溶融することを含む、ガラス化可能な材料、特にガラスを製造する方法に関する。原料を炉内に導入し、その後炉内で溶融させて、溶融したガラス化可能な材料を作り、オリフィスを通して溶融したガラス化可能な材料を流すことで炉から取り出す。

（原文に記載なし）

図１は、水ジャケット式金属壁を備えた従来技術による液中バーナー炉の、停止後の内部を示す図である。炉が作動を開始する前では、金属壁は滑らかであった。すなわち、金属壁は、特定のテクスチャのない鋼プレートで構成されていた。壁に付着した失透したガラスの層は、シート状に、ランダムに剥離して炉床上に落下していることが分かる。

図２は、内部から見た本発明による炉の壁をａ）で示し、の断面図をｂ）で示している。壁の垂直で最初は滑らかな金属プレート１は、前記プレートに固定されている金属要素２で覆われている。これらの金属要素は、プロファイルタイプであり、プレートに溶接することによりプレートに固着される。金属要素は、金属要素が延びている主方向が実質的に水平であるように固定されている。金属要素は、金属プレート１の表面に垂直な値ｐ（少なくとも５ｍｍ）の実在部及び空隙を含む取り付けられたテクスチャを形成する。実際、壁に平行な滑らかな表面５がテクスチャ処理された表面に当接して配置され、前記滑らかな表面が互いに平行な垂直母線から構成される場合、壁と前記滑らかな表面との間の空間は、壁に垂直に少なくとも５ｍｍの隙間６を含む（奥行きｐが壁に垂直であると考えられる）。金属プレート１の他方の面３は、冷却水４に接している。

図３は、断面で見られる、本発明による炉の壁を示す図である。この壁の最初は平滑な垂直金属プレート２０は、前記プレートに固定されている金属要素２１で覆われている。これらの金属要素は、アングルプロファイル型で、アングルの２つの平坦なウィングを接合するそれらの外縁を溶接することによりプレートに固着されている。金属要素らは、金属要素が延びている主方向が実質的に水平であるように固定されている。金属プレート２０の他方の面は、冷却水２２と接触している。耐火コンクリート２３を、アングル２１上に固着させた後に金属壁に塗布した。したがって、このコンクリートは、プレート２０の内面でアングル２１を覆っている。したがって、炉が操作される前に、炉の内壁の表面２７は、壁に対して垂直に測定された奥行きｐの隙間及び実在部を特徴とする。失透したガラス化可能な材料の自己るつぼ２４は、コンクリートに付着し、溶融される材料２５のための新しい接触面２６を形成する。自己るつぼの表面２６の実在部及び隙間の奥行きは、一般に、ガラス化可能な材料を溶融する前の壁（ここではコンクリート）の表面２７の奥行きよりも小さい。

図４は、炉内でそのガラス化可能な材料のあらゆる溶融の前の液中バーナー炉の内壁を示す図である。自己るつぼのための付着テクスチャを形成している金属格子を、背後に冷却水が循環する金属プレートに溶接した。

図５は、炉内のガラスを溶融し、炉内を空にした後の、図４からの液中バーナー炉の内壁を示す。自己るつぼの表面が見られ、金属格子が失透したガラスの下で識別される。失透したガラスは、金属格子と金属プレートとの間の空間の多くを満たしていることが分かった。

図６は、断面で見られる、本発明による炉の壁を示す図である。アングル型プロファイル（５１、５２）は、炉の壁を形成する平滑な垂直金属プレート５０に固着されている。このアングルは、互いに直交して接続された２つの平坦なウィング５１及び５２を備えている。アングルは、鈍角を形成するその外縁によって、滑らかな金属プレートの内面に溶接されている。アングルは、アングルが延びている方向が水平になるように固着されている。アングルの平坦なウィングは、自己るつぼの失透したガラス化可能な材料５５によって充填され得る空間５３、５４を壁において局所的に形成する突出要素であり、少なくとも、該突出している平坦なウィングと、突出している平坦なウィング５１、５２よりも炉の外部側に位置している壁面５６、５７との間のこれらの空間５３、５４内に、失透したガラス化可能な材料が捕捉される。したがって、炉の内部５９から始まり平坦なウィング５１を通過する直線５８に沿って、実際にはその後に、炉の外部６９の方向で、炉の周囲側に位置している（本来平滑である）プレートの平坦なウィング５１と表面ゾーン５６との間に、自己るつぼ５３が捕捉される。

図７は、液中バーナー炉の内部の下部コーナーを斜視図で表している。液中バーナー６０及び６１は、炉の炉床に配置されている。金属プロファイルベルト６２は、炉のタンクの全周に延びている。このベルトは、炉床の最深点から距離ｄ（一般に５～２０ｃｍ）にある。このベルトは、炉床とベルトとの間で自己るつぼの下を通過するガスに対するバリアを形成する。このベルト自体は、一般に５～５０ｍｍの範囲の高さｈを有する。

図８は、内壁がテクスチャ処理されている、図２に示す本発明の液中バーナー炉における、エネルギー流の経時変化を表す。以下のエネルギー損失流は、炉内の種々の場所を冷却する種々の冷却材の回路の温度の測定値に基づいて測定することができる：
ａ）総流量、
ｂ）屋根及び煙突、
ｃ）右壁、
ｄ）左壁。

流れは非常に規則的であり、長時間にわたって一定である。

図９は、内壁がテクスチャのない滑らかな金属プレートであることを除いて、図３に対応するものと同一の液中バーナー炉における、エネルギー流の経時変化を表す。図８からの炉の場合よりも、流れがはるかに不規則になっていることがわかる。特に、自己るつぼシートが剥離した瞬間が非常にはっきりと見える。というのは、特に９０でのように、その剥離の影響を受けた壁の流動曲線が、次いで急激な上昇でマークされるからである。
本発明の実施態様の一部を以下の項目１～１４に記載する。
〈項目１〉冷却流体により冷却される壁を含む、液中バーナーでガラス化可能な材料を溶融する炉であって、炉内でガラス化可能な材料を溶融する前において、炉の内側に面している前記壁の面が、いわゆる自己るつぼの失透したガラス化可能な材料のための付着テクスチャを有することを特徴とする液中バーナーでガラス化可能な材料を溶融する炉。
〈項目２〉前記壁が金属プレートを含み、前記付着テクスチャが、前記プレートの、前記炉の内側に面している面に固定されている突出金属要素を含む付着システムで作られていることを特徴とする、項目１に記載の炉。
〈項目３〉前記金属要素が、金属プロファイルを含むことを特徴とする、項目２に記載の炉。
〈項目４〉前記金属プロファイルが、前記金属プロファイルが延びている主方向が実質的に水平であるようにして、前記プレートに固定されていることを特徴とする、項目３に記載の炉。
〈項目５〉前記金属プロファイルが、アングル型であることを特徴とする項目３又は４に記載の炉。
〈項目６〉前記アングルが、その２つの平坦なウィングの接合部において、その外縁によって前記金属プレートに固定されていることを特徴とする、項目５に記載の炉。
〈項目７〉前記付着テクスチャが、前記壁に垂直な方向に少なくとも５ｍｍの実在部及び空隙を含むことを特徴とする、項目１～６のいずれか一項に記載の炉。
〈項目８〉前記テクスチャが、前記自己るつぼの失透したガラス化可能な材料によって充填されるよう構成されている空間を前記壁において局所的に形成している突出要素を含み、前記突出要素の少なくとも一部と、前記突出要素の前記一部よりも前記炉の周囲側に位置している前記壁の表面との間のこれらの空間に、失透したガラス化可能な材料が捕捉されることを特徴とする、項目１～７のいずれか一項に記載の炉。
〈項目９〉前記テクスチャが、炉床の最下点から５ｃｍ～２０ｃｍの距離において、前記炉床上の自己るつぼの外側で、突出している実質的に水平なベルトを含むことを特徴とする、項目１～８のいずれか一項に記載の炉。
〈項目１０〉コンクリートが前記壁を覆って、前記自己るつぼとの界面を形成していることを特徴とする、項目１～９のいずれか一項に記載の炉。
〈項目１１〉前記コンクリートが、５０重量％超、好ましくは８０重量％超のアルミナを含有していることを特徴とする、項目１０に記載の炉。
〈項目１２〉前記壁が垂直であることを特徴とする、項目１～１１のいずれか一項に記載の炉。
〈項目１３〉溶融ガラス化可能な材料、特に溶融ガラスを製造する方法であって、ガラス化可能な材料、特にガラスを、項目１～１２のいずれか一項に記載の炉内で溶融することを含む方法。
〈項目１４〉テクスチャ化素子を金属プレートの滑らかな面に固定し、その後、テクスチャ化素子を備えた面が炉の壁の内面を形成するようにしてプレートを配置することを含む、項目１～１３の一項に記載されている炉を製造する方法。

Claims (13)

1. 冷却流体により冷却される壁を含む、液中バーナーでガラス化可能な材料を溶融する炉であって、炉内でガラス化可能な材料を溶融する前において、炉の内側に面している前記壁の面が、いわゆる自己るつぼの失透したガラス化可能な材料のための付着テクスチャを有すること、及び前記付着テクスチャが、前記壁に垂直な方向に少なくとも５ｍｍの実在部及び空隙を含むことを特徴とする液中バーナーでガラス化可能な材料を溶融する炉。
2. 前記壁が金属プレートを含み、前記付着テクスチャが、前記プレートの、前記炉の内側に面している面に固定されている突出金属要素を含む付着システムで作られていることを特徴とする、請求項１に記載の炉。
3. 前記金属要素が、金属プロファイルを含むことを特徴とする、請求項２に記載の炉。
4. 前記金属プロファイルが、前記金属プロファイルが延びている主方向が実質的に水平であるようにして、前記プレートに固定されていることを特徴とする、請求項３に記載の炉。
5. 前記金属プロファイルが、アングル型であることを特徴とする請求項３又は４に記載の炉。
6. 前記アングルが、その２つの平坦なウィングの接合部において、その外縁によって前記金属プレートに固定されていることを特徴とする、請求項５に記載の炉。
7. 前記テクスチャが、前記自己るつぼの失透したガラス化可能な材料によって充填されるよう構成されている空間を前記壁において局所的に形成している突出要素を含み、前記突出要素の少なくとも一部と、前記突出要素の前記一部よりも前記炉の周囲側に位置している前記壁の表面との間のこれらの空間に、失透したガラス化可能な材料が捕捉されることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載の炉。
8. 前記テクスチャが、炉床の最下点から５ｃｍ～２０ｃｍの距離において、前記自己るつぼと、前記炉床との間で、突出している実質的に水平なベルトを含むことを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載の炉。
9. コンクリートが前記付着テクスチャ及び前記壁の平滑な面を覆って、前記自己るつぼとの界面を形成していることを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載の炉。
10. 前記コンクリートが、５０重量％超、好ましくは８０重量％超のアルミナを含有していることを特徴とする、請求項９に記載の炉。
11. 前記壁が垂直であることを特徴とする、請求項１～１０のいずれか一項に記載の炉。
12. 溶融ガラス化可能な材料、特に溶融ガラスを製造する方法であって、ガラス化可能な材料、特にガラスを、請求項１～１１のいずれか一項に記載の炉内で溶融することを含む方法。
13. テクスチャ化要素を金属プレートの滑らかな面に固定して前記付着テクスチャを得、その後、テクスチャ化要素を備えた面が炉の壁の内面を形成するようにしてプレートを配置することを含む、請求項１～１２の一項に記載されている炉を製造する方法。

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