KR100422602B1 - 유리제조방법및장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플로트 유리(float glass)를 제조하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 이 장치는, 용융 영역(2), 정련 영역(7) 및, 이 정련 영역(7)과 연통하는 조절(conditioning) 영역(8)을 갖는 노(furnace)(1)이다. 용융 유리(6)내로 하향 돌출하는 샤프트(17)를 갖고, 또한 이 샤프트의 축과 공통 평면에 놓이는 서로 치수가 다른 장축과 단축을 갖는 장방형의 교반 장치를 갖는 교반기(l5a, l5b)에 의한 교반은 플로트 도관(float canal)으로의 입구에 인접한 조절 영역에서 이루어진다.

Description

유리 제조 방법 및 장치{Method and apparatus for making glass}

본 발명은 용융 유리의 제조 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 플로트 탱크(float tank)로 진입하는 유리에서의 결함이 회피되거나 최소화되게 하는 용융 유리 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.

종래의 플로트 노(float furnace)는 용융 영역, 정련 영역, 조절 영역을 포함한다. 상기 용융 영역에서는 그 이름이 나타내듯이, 유리를 제조하는데 사용되는 재료가 용융된다. 정련 영역에서는 용융 유리내에 존재하는 성분들이 제거된다. 상기 정련 영역으로부터, 용융 유리는 조절 영역으로 이동하고, 이 조절 영역에서 냉각된 후 플로트 도관(float canal)로 진입하여 플로트 배쓰로 이동하게 된다.

유리를 형성하기 위해 용융되는 각각의 재료 성분이 균질할지라도, 입자의 크기에는 차이가 있다. 더욱이, 원재료는 그 입자 크기가 서로 다르다. 덩어리가 혼합되더라도, 그러한 혼합은 결코 완전하지 않다. 더구나, 재료가 보관되는 상태에 따라서, 입자의 분리 및/또는 반응이 일어날 수 있다. 이러한 차이들은 완성된 유리의 불균질화에 기여하는 것으로 알려져 있다.

이들 성분은 함께 혼합되어 연속적으로 용융 영역으로 이송되며, 이곳에서 초기에 혼합체는 이미 용융된 유리상에 블랭킷 부유체(a blanket float)를 형성한다. 입자상 고체의 혼합은 결코 완전치 않으며 검사의 스케일이 충분히 미세하다면 평균 화학 조성상의 명백한 차이가 혼합체내의 여기저기에서 발견될 것이다. 혼합체가 용융됨에 따라 추가적인 불균질 문제가 야기될 수도 있다. 예를 들어, 대부분의 플로트 글래스에서는 알칼리-농후 액상(alkali-rich liquid phases)이 상기 블랭킷 부유체의 경사진 윗면으로 하향 연장된다. 마찬가지로, 플로트 글래스는 가끔 축열식 노(regenerative furnace)에서 제조되며 가열(firing)이 좌우로 변화됨에 따라서 불균질이 발생할 수 있다. 불균질의 다른 가능한 소스로는 내화 부식과, 유리내의 노 분위기의 해산 및, 일부 유리 성분의 증발에 의한 선택적 손실이 있다.

조절 영역에서 유리는 냉각되며, 이러한 냉각에 의해 생성되는 열대류 흐름으로 인해 추가적인 문제가 생길 수 있다. 냉각은 유리가 조절 영역의 측벽 및 바닥과 접촉함에 따라 이루어지지만, 조절가능한 냉각은 대개 아래쪽 방향으로 이루어지는바, 다시 말하면 용융 유리의 윗면은 대개 공기에 의해 소정 정도로 냉각되는 것이다. 통상적으로 형성되는 대류 흐름은 회선형의(convoluted) 흐름 패턴을 만들어 내며 이는 유리의 상당 부분이 상기 조절 영역을 통해 이동하는 것에 영향을 끼친다. 그 결과, 이 복합 유동 경로를 통과하는데 상당한 시간을 소모한 유리는 상대적으로 신속하게 통과한 유리와 함께 제품내에 섞이게 되며 이는 기존의 불균질함을 악화시킨다.

이러한 불균질함의 모든 소스들은 완성된 유리에 있어서 명백한 결함 및/또는 큰 결함(ream faults)을 초래할 수 있다. 공지되어 있듯이, 결함의 커다란 정도(ream)는 상호 인접하는 유리 부분의 광학 밀도나 굴절율이 상이할 때 유리에 생기는 광학 효과와 연관이 있다.

노가 한가지 형태의 유리, 예를 들어 착색 유리의 제조로부터 다른 형태의 유리, 예를 들어 투명 유리의 제조로 전환할 때 긴 체류(residence) 기간이 큰 문제를 야기할 수 있다. 이러한 경우에, 착색 유리의 일부분은 조절 영역으로부터 분출되는데 있어 매우 긴 시간이 소요된다. 제조되는 투명 유리의 표준이 상업상 허용가능한 레벨에 도달하기 전에 착색 유리의 잔류물이 노에서 거의 제거되어야 한다는 것은 쉽게 이해될 것이다. 이는, 착색 유리의 스트리크(streaks)나 밴드가 투명 유리에서 명백하고, 후자가 상기 모든 스트리크나 밴드가 사라질 때까지 허용될 수 없기 때문이다.

본 발명은 상기 문제점들이 회피되거나 적어도 최소화되게 하기 위한, 유리 제조 방법 및 장치를 제공한다. 특정한 특징에서 본 발명은, 상이한 형태의 유리 제조간의 전환이 보다 신속히 이루어짐으로써 상업적으로 허용가능한 등급의 새로운 유리가 과도하고 값비싼 지연이 없이 달성될 수 있게 하는 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명에 따르면, 용융 유리가 연속적으로 가로지르게 되는 용융 영역과, 정련 영역, 조절 영역 및, 상기 조절 영역으로부터 용융 유리를 수용하기 위한 플로트 도관을 포함하는, 플로트 노내에서의 유리 제조 장치가 제공되며, 상기 조절 영역으로부터의 출구의 전체폭을 가로질러 용융 유리를 플로트 도관내로 감쇠(attenuate)시키도록 교반 장치가 사용시에 배치된다.

유리를 플로트 도관으로의 입구의 바로 상류에서 교반시키는 개념은 본 출원인의 판단으로 완전히 새로운 것이다. 일반적으로는 융융 유리가 상기 영역에서 적절히 교반되기에는 너무 저온이라고 생각되어왔다. 더구나, 유리 산업에서의 종래의 견해에 의하면 교반은 도관과 같은 한정된 영역에서 이루어져야 한다고 생각 되어왔다. 도관에서의 교반의 주요 결점은, (a) 허용될 수 없는 특성의 발생, (b) 도관을 만드는 재료의 마모 문제, (c) 불연속 결함의 발생이다. 이들은 어느 정도 서로 연관되어 있다.

용융 유리의 부식 특성 및 유리 제조 노에서 일반적으로 수반되는 고온은 교반기를 구성하는 재료의 선택을 중요하게 만든다. 종래의 교반기는 세가지 형태의재료중 하나로 만들어진다. 이들 재료는 (a) 실리마나이트(silimanite:규선석)와 같은 내화 재료, (b) 백금이나 몰리브덴과 같은 내화 금속, 또는 (c) 연강 배관 (mild steel piping)이다. 이들 재료의 각각은 그 고유의 관련 문제를 갖고 있다.

내화 재료는 유리내에서 용해되어 굴절율 변화 및 관련 결함을 생성하는 경향이 있다. 이들 재료는 또한 불연속적인 고체상 결함인 "스톤"이 유리 내부로 떨어지게 하는 경향이 있다. 최종적으로, 이들 내화 재료는 오래된 기간후에 파괴되어 유리 안으로 떨어지게 되고, 물론 이것들을 유리로부터 다시 회수하기에는 상당히 곤란한 것이다. 내화 재료를 사용하는 것의 주요 결점은 물론 그 비용이다. 그러나, 이들 재료는 또한 전기분해 반응용 전극으로 작동함으로써 버블 생성의 문제를 초래한다.

연강과 같은 스틸은 저렴하고, 유용성 및 작업성이 용이하므로 분명히 선호되는 재료이다. 그러나,스틸은 융점이 낮다는 주요 결점을 갖는다. 따라서, 그러한 교반기는 반드시 냉각되어야 하며, 가장 명백한 냉각 방법은 물을 이용하는 것이다. 그러나 종래의 지식에 의하면 물에 의한 교반기 냉각이 도관에서 효과적이지 못함을 나타내고 있다. 물 냉각은 유리의 온도를 보다 낮추지만, 오늘날의 기술 지식에 의하면 이것이 유리에 추가적인 결함을 초래하는 것으로 알려졌다. 더구나, 생산 라인이 고장나면, 교반기는 도관내의 유리를 얼어붙게 만들 것이다. 이는 결국 도관 자체에 물리적인 손상을 입힐 것이다.

본 출원인의 발견에 의하면, 놀랍게도 조절 영역으로부터 플로트 도관내로의 출구의 바로 상류에서 교반시키고 유리가 플로트 도관에 진입하기 전에 완전히 감쇠되도록 보장함으로써 상기 문제들이 발생하지 않거나 현저히 감소되는 것이 밝혀졌다.

통상적으로, 상기 교반 수단은 적어도 한쌍의 교반기를 구비한다. 각각의 교반기는 샤프트를 포함하는 바, 이 샤프트는 사용시에 용융 유리내로 수직 하향 돌출하며, 그 하단부에서는 상기 샤프트의 축과 동일 평면에 놓이는 교반 장치를 지지하고, 이 교반 장치는 치수가 상이한 장축과 단축을 가지며 일반적으로 장방형의 형상을 갖는다.

바람직하게, 이러한 경우, 상기 교반 장치는 상호 180°각도로 배치되고 샤프트의 축에 대해 90°로 배치되는 한 쌍의 패들을 포함하며, 각 쌍에서의 교반기 는 서로에 대해 90°의 각도로 오프셋되고 반대방향으로 회전한다.

본 발명의 특히 양호한 실시예에서, 상기 교반기는 사용시에 용융 유리에 완전히 침지된다.

바람직하게 상기 교반 수단은 냉각 수단을 구비한다. 이러한 배치에서는 교반기가 연강 파이핑으로 제조되고 냉각 수단이 수냉식 배치를 갖는 것이 특히 바람직하다.

본 발명의 제 2 특징에서는, 유리 성분의 덩어리를 노의 용융 영역에서 용융시키는 단계와, 용융된 유리를 정련 영역에서 정련하여 그로부터 기포를 제거하는 단계와, 용융 유리를 정련 영역으로부터 조절 영역으로 이동시키는 단계와, 용융 유리를 조절 영역에서 냉각시키는 단계와, 조절된 유리를 플로트 도관내로 진입시키는 단계를 포함하며, 상기 유리는 조절 영역으로부터 플로트 도관으로의 출구 영역에서 교반되므로써 플로트 도관에 진입할 때 완전히 감쇠되는, 플랫 또는 플로트 유리 노에서의 유리 제조 방법을 제공한다.

통상적으로, 상기 추가적인 교반은 적어도 한쌍의 교반기를 제공하고 이들 교반기를 반대 회전방향으로 회전시키므로써 이루어진다.

상기 쌍을 이루는 교반기는 서로 동일하며, 그 각각은 사용시에 용융 유리내로 수직 하향 연장되는 샤프트를 포함하고, 각각의 샤프트는 샤프트의 축과 공통평면에 놓이는 장방형의 교반 부재 또는 패들(paddle)을 형성하게 될 구조물을 그 하단부에서 지지하며, 이들 교반기는 그 패들이 대략 90°의 위상(phase) 차를 갖고 회전하도록 그리고 반대방향으로 회전하도록 쌍으로 사용된다.

본 발명은 첨부도면을 참조하여 단지 예시적인 실시예에 의해 추가로 기술될 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 유리 제조용 노의 개략 종단면도.

도 2는 본 발명에 따른 노의 일부분을 형성하는 교반기의 확대 정면도.

도 3 은 도 2 에 도시된 교반기에 의해 생성되는 유리의 감쇠(attenuation)를 도시하는 평면도.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 노 2 : 용융 영역

3 : 정련 영역 4 :포트

6 : 용융 유리 8 : 조절 영역

17 : 샤프트 l5a, l5b : 교반기

도 l에서 유리 제조 노는 도면부호 1로 지칭된다. 상기 노는 용융 영역(2)을 포함한다. 유리를 형성하도록 용융되는 원료 혼합체가 도면부호 3 으로 지칭된다. 도시된 실시예에서, 이들 성분은 포트(4)를 통한 횡단(transverse) 가열로 알려진 방식으로 용융된다. 도 1 에서 알 수 있듯이, 재료들은 용융됨에 따라, 용융 유리(6)의 표면상에 점차로 얇아지는 블랭킷(5)을 형성한다.

이후 용융 유리는 정련 영역(7)으로 이동한다. 이 영역은 노의 가장 뜨거운 부분이며, 상기 용융 영역에서 용융 유리에 형성된 기포들이 이 영역에서 제거되거나 적어도 최소화된다. 용융 유리의 유동 방향으로 바로 하류가 조절 영역(8)이며,이곳에서 상기 정련된 유리가 냉각된다.

열대류 흐름 및 유리의 생산량을 포함하는 다양한 이유로 인하여, 용융 영역(2)에서는 유리의 일정량이 재순환된다. 그러나, 유리가 정련 영역(7)으로 이동함에 따라, 기본적으로 직행 유동 특성과 재순환 유동 특성으로 분리되는 것을 분명히 알 수 있다. 직행 유동 특성은 정련 영역에서 용융 유리의 표면에 인접하여 머무르고, 조절 영역에서는 용융 유리(6)의 윗면에 인접한 부분으로서 통과한다. 이러한 직행 유동(12)은 이후 플로트 도관(13)으로 진입하며 그로부터 플로트 배쓰(비도시)로 통과한다.

열대류 흐름으로 인하여, 재순환 유동 패턴 또한 존재한다. 이러한 배치에서 제기되지 않는 한가지 문제는 "정체(stagnant)" 영역이 생기는 것인 바, 이러한 정체 영역에서는 용융 유리가 비교적 차갑고 점성을 갖게 되어 일단 유리가 이곳으로 진입하게 되면 오랜 기간동안 머무르게 된다. 이러한 영역은 조절 영역의 전방 단부벽(14)에 인접하여 위치한다. 이 영역에서 유리의 정체가 있게 되며 이는 예를 들어 노(1)가 착색 유리 제조에서 투명 유리 제조로 전환할 때 과도한 전환 시간을 초래한다. 조절 영역(8)에서의 순환 유리는 그곳으로부터 상당히 신속히 축출되지만 "정체" 영역에 수집되는 유리는 그곳에 장시간 잔류하는 경향이 있고 어렵게만 제거된다.

종래와 같이, 조절 영역(8)은 냉각된다. 열은 이 영역에서 유리의 표면으로 부터 상기 영역의 베이스와 측벽을 통해서 제거된다. 그러나, 대부분의 열은 유리의 표면으로부터 축출된다. 이를 달성하기 위해서는, 유리의 윗면 위에 공기 유동을 갖는 것이 관례적이다. 그러나, 이는 둘로 나뉘어진다. 윗면 냉각은 유리에 있어서 열역전(thermal inversions)으로 공지되어 있는 역(adverse) 열순환을 생성한다. 즉, 표면 부근의 보다 차갑고 보다 밀도높은 유리가 보다 뜨겁게 지지될 수록, 어떠한 상황 하에서 밀도가 보다 낮아지고, 이는 국부적 유리 순환 패턴을 야기하는 바, 이 패턴은 완성된 유리에 허용될 수 없는 줄무늬(stripes)를 초래한다. 따라서 상기 유리 냉각의 양이 제한되어야 한다. 종래에 이 문제는 단위 표면적당 적절한 냉각율이 달성되도록 충분히 큰 조절 영역을 제공하므로써 극복되었다. 이 시점에서 명심해야 할 것은 유리가 플로트 도관에 진입해야 하는 최적의 온도가 있으므로 유리의 냉각이 보장되어야 한다는 것이다. 그러나, 불행하게도, 커다란 조절 영역(8)의 제공은 노 장치의 비용을 현저히 증대시키며 채색 전환 도중에 노를 완전히 비우는데 소요되는 시간을 현저히 증대시킨다.

또한 본 발명에서는 도 2 에 가장 잘 도시되어 있는 적어도 한쌍의 교반기(15)가 제공되는 바, 이는 플로트 도관으로의 입구(16) 바로 위에 위치된다. 도 2에서는 명료함을 위해 한쌍의 교반기(15)만이 도시되어 있다. 각각의 교반기(l5a, l5b)는 서로 동일하다. 각각의 교반기는 샤프트(17)를 포함하는 바, 이는 사용시에 용융 유리내로 수직 하향 돌출한다. 이들 샤프트는 비도시의 적절한 구동 수단에 의해 구동된다. 그 하부 자유단부에서 각각의 샤프트는 한 쌍의 패들(l8a, l8b)을 지지한다. 이들 패들(l8a, l8b)은 샤프트(18)의 축에 대해 거의 90°로 연장된다. 두 개의 패들은 서로 180°의 각도로 배치된다. 도 2에 의하면,두 개의 교반기는 그 패들(l8a, l8b)이 90°의 위상 차를 갖고 회전하며 서로 동일한 속도(이 속도는 2 내지 20 rpm)로 서로 반대 방향으로 회전함을 알 수 있다.

그러한 교반은 도 3에 도시된 효과를 가져온다. 이 도 3 은 교반기의 작용하에 유리의 미세 부분의 자취(locus)를 개략적으로 도시한다. 쉽게 알 수 있듯이, 유리 부분은 조절 영역(8)에 있는 동안에 도관의 폭과 동일한 폭을 가로질러 좌우로 이동하게 된다. 그러한 이동은 균질화 과정의 필수적인 특징이며, 모든 용융 유리가 감쇠화되고, 부정형(atypical) 영역들은 그로 인해 발생되는 광학적 왜곡이 최소화되도록 유리의 나머지와 포개어지게 될 것이다. 조절 영역(8)의 폭 및 /또는 교반기(l5a, l5b)의 크기에 따라서, 유리(6)가 플로트 도관에 진입하기 전에 만족스럽게 감쇠되거나, 또는 도관 입구에서 그러한 감쇠가 달성될 수 있다. 어느 경우에나, 목적은 같은 바, 교반되지 않은 유리가 교반기(l5a, l5b)를 우회하여 조절기(conditioner)의 측벽 및 단부벽을 따라서 도관으로 진입하는 것을 방지하는 것이다. 도 3 에서도 알 수 있듯이, 상기 경로를 따라 도관 입구(16)로 이동하는 일체의 유리는 교반기(l5a, l5b)의 작용에 놓이게 되지만 도관을 통과하지는 않은 유리에 의해 수집되어 교반기(l5a, l5b)의 상류측으로 복귀된다.

교반기(l5a, l5b)는 도관 입구(16)의 영역에 형성될 수 있는 모든 광학적 결점들을 제거한다. 그러한 결점의 제거는 조절기에서 보다 높은 표면 냉각율이 사용될 수 있게 한다. 이러한 문제들을 해결하기 위한 필요에 의해 출력이 제한되는 기존의 플로트 유리 노에서, 이것은 보다 높은 유리 로드(loads)가 생산될 수 있음을 의미한다. 이와 달리, 새로운 노에서는, 정확한 온도로 플로트 도관으로 진입하는 유리를 얻기 위해 조절 영역(8)을 상당히 작게 제조할 수 있을 것이다. 물론 이는경제적인 비용에서의 현저한 감소를 나타낸다.

플로트 도관으로의 진입 영역에서의 교반의 다른 이점은, 교반기(l5a, l5b)가 물로 냉각될 수 있다는 것이다. 플로트 도관으로 진입하는 유리의 동일한 온도를 얻기 위해서, 조절 영역은 이후 보다 높은 온도로 작동될 수 있다. 즉, 보다 적은 냉각 공기가 교반기(l5a, l5b)의 상류측의 조절 영역(8) 부분에서 용융 유리(6)의 표면에 공급될 필요가 있다. 조절 영역(8)이 일반적으로 고온으로 작동할때, 용융 유리는 물론 보다 액상이다. 이는 조절 영역(8)의 전방 단부벽에 인접한 유리의 "정체" 영역이 보다 작아지고, 또한 그 영역에서의 유리가 노(1)가 한가지 형태의 유리에서 다른 형태의 유리로 전환할 때 보다 쉽게 분출될 수 있음을 의미한다. 본 발명이 갖는 또 다른 장점은 투명상실(devitrification)의 가능성이 훨씬 낮아진다는 것이다.

본 발명에서는 유리 생산의 비용이 현저히 감소되며, 교반기가 물로 냉각되므로써 조절 영역이 보다 높은 온도로 작동할 수 있고, 또한 노에서 제작되는 유리의 형태가 전환될 때 유리가 노에서 보다 쉽게 분출될 수 있으며, 유리가 투명성을 상실할 가능성이 훨씬 낮아진다는 것이다.

Claims (4)

1. 용융 영역(2)에서 유리-형성 조성물을 용융하는 단계와,

   용융 유리를 정련 영역(7)에서 정련하여 기포를 제거하는 단계와,

   상기 정련 영역으로부터 용융 유리를 통과시키는 단계와,

   용융 유리를 조절 영역(8)에서 냉각시키는 단계, 및

   상기 유리를 조절 영역으로부터 플로트 도관(13)으로 배출하는 단계를 포함하는 플로트 노에서 유리를 제조하는 방법에 있어서,

   상기 용융 유리는 조절 영역(8)으로부터 플로트 도관(13)으로의 출구(16) 영역에서 적어도 한쌍의 교반기(l5a, l5b)에 의해 교반되며, 각각의 교반기는 사용시에 용융 유리내로 수직 하향 돌출하는 샤프트 부분(17)을 포함하고, 상기 샤프트는 샤프트의 축과 공통평면에 놓이는 교반 장치(l8a, l8b)를 그 하단부에서 지지하며, 상기 교반 장치는 서로 치수가 다른 장축과 단축을 갖고 장방형의 형상을 가지며, 상기 교반 장치는 유리의 균질성을 증대시키고 용융 유리가 플로트 도관(13)으로의 입구의 폭에 걸쳐서 완전히 감쇠되게 하기 위하여 상기 교반기를 서로 반대되는 방향으로 위상차를 갖고 회전시키는 것을 특징으로 하는 유리 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 교반기(15a, 15b)는 서로에 대해 대략 90°위상차를 갖고 회전하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 교반기(15a, 15b)를 조절 영역(8)에서 냉각시키는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 교반기(l5a, l5b)는 상호 동일한 것을 특징으로 하는 유리 제조 방법.