KR100458936B1 - 저온 도가니에서 유리를 용융하기 위한 유도로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단열 물질을 용융하기 위한 용융로에 관한 것으로, 연속적인 금속 재 측벽을 가진 냉각된 도가니(10)와, 분할되고 냉각된 저면부(12)와, 저면부의 하부에 위치하며 유일한 가열수단을 형성하는 적어도 하나의 유도 코일(28)을 구비한다. 도가니 내부의 용융액의 깊이와 유도 코일의 여기 주파수는 상기 깊이와 도가니의 내측 반경의 1/2이 유도 코일의 여기 주파수로부터 초래되는 용융액의 표층 두께보다 작게 되도록 선정된다.

Description

저온 도가니에서 유리를 용융하기 위한 유도로 {Glass induction melting furnace using a cold crucible}

어떠한 물질들도 유도 가열된 도가니에서 용융됨으로써 제조될 수 있을 것이다. 가장 널리 사용되고 또한 가장 간단한 도가니는 내화물로 제작된다. 그러나 이러한 유형의 도가니는 모든 용융액에 적합하지는 않다. 일부 물질들은 용융될 때 내화물에 대해 부식성이 있으며, 그에 반해 다른 물질들, 특히 유리는 내화물에 의해 오염될 수 있다.

따라서, 이러한 물질들은 비오염성 벽체를 갖는 "저온" 도가니로 불리는 특수한 도가니에서 제조되어져야 한다. 저온 도가니는 제조될 물질이 그 내부에서 외주면의 유도 코일에 의해 가열되며, 냉각액의 순환에 의해 냉각되는 금속재의 섹터들로 구성되어 있다. 상기 도가니를 섹터들로 분리하거나 또는 분할하는 것은, 도가니 벽 내의 유도에 기인한 온도 상승을 제한하며, 그리고 로 내부에 담겨진 물질의 직접 유도 가열을 가능하게 한다.

유도 코일은 통상 도가니의 둘레에 감겨지는 하나 또는 몇 개의 회선으로 구성된다. 일반적으로 이러한 배치는 최상의 성능을 주는 것으로 인정되기 때문이다.

독일 특허 DE-C-33 16 546 호에는 저온의 금속재 도가니를 가진 로가 개시되어 있으며, 이 도가니는 섹터들로 분할된 저면부의 아래에 설치된 하부 유도 코일을 구비하고 있다. 그러나, 상기 하부 유도 코일은 단지 보충적인 가열 요소를 구성한다. 주된 유도 코일은 도가니의 둘레에 감겨져 있으며, 이는 도가니의 금속재 측벽 또한 섹터들로 분할되어야 한다는 것을 의미한다.

영국 특허 제 2 279 543 호에는 금속 합금 및 비단열 물질을 용융하기 위한 분할되지 않은 측벽을 가진 유출식 도가니가 개시되어 있으며, 이 도가니 또한 분할된 저면부의 아래에 배치된 유도 코일을 구비하고 있다. 이 유도 코일은 유출 온도를 결정하기 위해 설계되었으며, 이 유출은 유도 코일의 중간에서 일어난다. 그러나, 이 유도 코일은 도가니에 담겨진 금속의 전량을 용융하기 위해 사용되지는 않으며, 또한 그것을 위해 설계되지도 않았다. 이 도가니는 금속을 용융하는 주된 장치와 함께 사용되도록 설계되었다. 따라서, 이 유도 코일은 보충적인 가열 요소이다. 주된 가열은 유도에 의해 제공될 수 있으며, 이 경우에는 금속재 측벽이 분할되거나, 또는 그 벽은 내화물이어서 상술한 부적합한 문제점을 가지게 된다.

독일 특허 DE-C-564 693 호에는 저면부를 통해 용융액 내부를 관통하며 유도 회선을 구비하는 슬리브를 구비하여, 그 내부로부터 가열되는 로가 개시되어 있다. 이러한 유형의 로는 제작이 복잡하며, 특히 저온의 벽체로 제작되는 경우에는 그러하다.

상술한 종래 기술에 대한 설명으로부터 도가니의 저면부 하부에 배치된 유도코일을 유일한 가열 수단으로서 사용하는 것은 아무도 고려하지 않았다는 것이 추론될 수 있을 것이다.

본 발명은 저온 도가니에서 직접 유도에 의해 유리 등과 같은 단열 물질을 용융하는 장치에 관한 것이다.

상술한 본 발명의 목적, 특징 및 잇점들은 첨부된 도면에 관련되는 특정 구현예들에 대한 아래의 비한정적인 설명에서 상세하게 서술될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 용융로의 구현예를 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 용융로의 제 1의 선택적인 구현예를 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 용융로의 제 2의 선택적인 구현예를 도시한 도면이다.

본 발명의 일 목적은 특히 제작이 간단하고 제작 비용이 값싸며, 그럼에도 종래의 로의 성능과 유사한 성능을 보장하는, 특히 유리에 적합한 저온 도가니를 갖는 용융로를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 주어진 용량에 대해서 유도 코일에 여기 전압을 공급하기 위해 보다 값싼 구성품을 필요로 하는 로를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 유도 코일 여기 전압을 제공하기 위해 상업적으로 이용가능한 구성품을 사용하여 보다 큰 용량을 가지는 로를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 용융액과 도가니의 벽체 사이에 특히 우수한 단열상태를 갖는 로를 제공하는 것이다.

본 발명은 저면부의 하부에 위치하는 유도 코일을 통해서만 유리를 가열함으로써 이러한 목적들을 성취한다. 도가니의 측벽을 통해서는 유도 코일이 작용하지 않기 때문에, 상기 측벽은 연속적일 수 있다. 다시 말해서 전기적으로 분할되지 않으며, 이는 특히 제작하기가 쉽도록 한다.

상기 유도 코일의 평균 직경은 종래 도가니의 둘레에 감겨지는 유도 코일의 직경의 대략 1/2이 된다. 이것은 그 인덕턴스를 현저하게 감소시키고, 따라서 그 여기 전압을 저하시킨다. 이에 따라, 여기 전압을 공급하는 구성품은 주어진 도가니 직경에 대해서는 보다 적은 비용이 들 것이며, 또는 이미 마련된 구성품은 보다큰 직경을 갖는 도가니를 만드는데 사용될 수 있을 것이다.

상기 도가니의 측벽으로부터 유도 코일의 외주를 이격시키는 것은 응고된 유리의 두꺼운 층이 상기 측벽위에서 얻어질 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 용융액과 냉각된 도가니 사이의 열손실을 감소시킨다. 이러한 유형의 단열은 액체 상태와 고체 상태 모두에서 양호한 열 전도성을 갖는 금속에서는 얻어질 수 없다.

금속에 있어서는, 이러한 유형의 로의 성능은 종래의 로에서 얻어질 수 있는 것과 비교하면 매우 좋지 않다. 그러나 유리에 있어서는, 상기 로의 성능은 특정된 크기에 의해 최적화될 수 있다.

본 발명은 특히 금속재 측벽을 가진 냉각된 도가니와, 분할되고 냉각된 저면부와, 상기 저면부의 하부에 위치하는 적어도 하나의 유도 코일을 포함하는 단열 물질용 용융로를 목표로 한다. 유일한 가열수단은 상기 유도 코일이며, 상기 도가니의 금속재 측벽은 연속적이다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 도가니 내부의 용융액의 깊이와 유도 코일의 여기 주파수는 상기 깊이와 상기 도가니의 내측 반경의 1/2이 유도 코일의 여기 주파수로부터 초래되는 용융액의 표층 두께보다 작게 되도록 선정된다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 유도 코일의 외주는 도가니의 측벽으로부터 떨어져 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 저면부는 나란히 위치하는 튜브들로 구성된다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 튜브는 양호한 열 전도성과 불량한 전기 도전성을 갖는 재질로 만들어진다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 로는, 상기 도가니에 연결되며 상기 도가니와 함께 상기 유도 코일에 의해 발생되는 방사로부터 외부 환경을 보호하기 위한 패러데이 상자(Faraday cage)를 형성하는 금속재 베이스와 뚜껑을 구비한다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 로는, 상기 저면부의 하부에 분배되며 독립적으로 제어되는 여러개의 유도 코일을 구비한다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 로의 형상은 직사형이며, 상기 유도 코일은 직사각형의 장축을 따라 분배된다.

도 1은 본 발명에 따른 유리 용융로의 일 구현예를 보여주며, 전자기장이 투과되는 수평의 저면부(12) 위에 위치하는 금속재 이중벽으로 된 수직의 고리형 구획부(10)로 구성되는 냉각된 도가니를 구비한다. 예컨데, 이러한 조립체는 사발 형상의 베이스(14) 위에 설치될 수 있으며, 몇몇의 접근용 구멍, 즉 물질 유입구(18)와 연소가스 배기도관(20)을 구비하는 뚜껑(16)에 의해 덮여질 수 있다. 예컨데, 상기 저면부(12)는 개폐가능한 도어(24)에 의해 닫혀진 중심 배출구(22)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 베이스(14)는 이에 대응하는 배출구(26)를 포함한다.

유일한 유도 가열 요소(28)는 저면부(12)의 직하부, 즉 베이스(14)의 내부에 위치한다. 본 구현예에서, 상기 가열 요소는 하나 또는 몇몇의 회선으로 된 유도 코일이다.

상기 수직의 고리형 구획부(10)와 저면부(12) 각각은 도시된 덕트(30)에 의해 유입되는 냉각액이 순환 가능하도록 설계되어 있다. 상기 고리형 구획부는 연속적인 내측벽과 외측벽을 구비하며, 그 사이에서 냉각액이 순환하게 된다. 두 외피 사이에는 균일한 냉각을 위해 배플(Baffle)이 마련될 수 있다.

이러한 유형의 고리형 구획부(10)는, 비교적 복잡한 (사다리꼴) 형상의 섹터(Sector)들을 사전에 제작하여 이들을 전기적 절연재를 사용하여 밀폐 방식으로 각각 조립하여야 하는 분할된 고리형 구획부와 비교해 볼때 특히 제작하기가 쉽고 값싸다.

상기 유도 코일(28)은 저면부(12)를 투과하는 일점쇄선으로 도시된 전자기장을 발생시킨다.

단지 상기 저면부(12)만 분할된다. 뒤에서 보다 상세하게 보여주는 바와 같이, 저면부를 분할하는 것은 도가니의 측벽을 분할하는 것보다 훨씬 쉽다.

유도 코일(28)의 외측 직경은 고리형 구획부(10)의 내측 직경보다 작다. 따라서, 전자기장은 고리형 구획부(10)에서 낮다. 그 결과, 고리형 구획부의 벽에 인접한 부위의 온도는 보다 낮고, 이 벽면에 응고된 유리 층은 보다 두껍게 된다. 고상 유리는 양호한 단열재이므로, 에너지 손실은 현저하게 감소한다. 이러한 잇점은 그 상태에 관계없이 양호한 열의 전도체인 금속에 대해서는 얻어질 수 없다는 점을 주목하라.

상기 유도 코일의 평균 직경은 도가니의 둘레에 감겨지는 종래의 유도 코일 직경의 대략 1/2이 된다. 이것은 그 인덕턴스를 현저히 감소시키고, 이에 따라 주어진 에너지를 전송하기 위한 여기 전압이 현저히 낮아진다. 이것은 유리의 경우에 특히 유리한데, 이는 여기 전압의 주파수가 특히 높기 때문이다. 따라서 주어진 직경을 갖는 로에서, 유도 코일 여기 전압을 공급하는 컨버터(Converter)의 구성품들은 종래의 로의 경우에서 보다 훨씬 낮은 항복 전압(Breakdown voltage)을 가질 것이다. 더욱이 기존의 구성품으로 제작된 로의 직경은 종래의 로의 직경보다 더 클 수 있다.

금속에 있어서는 유도 코일의 여기 주파수가 유리에서 보다 훨씬 낮기 때문에, 로의 직경을 증대시키기 위한 구성품들의 선택에 있어서 특별한 문제점이 없다는 점을 주목하라.

그 어떤 유형의 물질에 사용되는 유도로에 있어서, 양호한 열효율을 얻기위한 시도가 행해졌다. 표층 효과(Skin effect)에 기인하여, 용융액 내부에 유도되는 에너지는 유도 코일에 근접하여 최대이고 신속하게 감소된다. 이것은 주어진 물질에 대해서 단지 여기 주파수에 의존하는 표층 두께라 불리는 거리를 지나면 급속히떨어지게 된다. 주파수가 증가함에 따라 표층 두께는 감소한다.

따라서, 표층 효과에 의해 집중된 에너지는 전도와 대류에 의해 용융액의 잔여 부위로 전달되어야만 한다. 따라서, 용융액 내의 온도 균일성을 향상시키기 위해서는 표층의 두께를 증가시키는 것이 유리하다. 그러나, 표층의 두께가 증가하면 전기적 효율은 떨어지게 된다. 따라서, 균일한 가열과 전기적 효율 사이의 절충점을 찾아야 한다.

금속 융액은 보통 유체이고 양호한 열 전도성을 가지므로, 전도와 대류에 의해 균일한 혼합이 촉진된다. 도가니의 둘레에 감겨진 유도 코일을 구비한 종래의 로에 있어서는, 도가니의 내측 반경의 1/4 보다 표층의 두께가 작을 때 전기적 효율을 향상시킬 수 있는 좋은 절충점이 얻어진다.

유리 용융액은 보통 점성이 있으며 열 전도성이 나빠서 균일한 온도를 얻기 힘들다. 비교적 두꺼운 표층 두께가 선정되어야 한다. 종래의 로에 있어서는, 표층 두께가 도가니의 내측 반경과 근사할 때 좋은 절충점이 얻어진다. 두꺼운 표층 두께를 선정함으로 인해 금속 용융액에서 얻을 수 있는 상당한 값보다 낮은 전기적 효율은 용융된 유리가 금속보다 훨씬 높은 저항을 가진다는 사실에 의해 보상된다. 전기적 효율은 용융액의 저항과 함께 증대된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 유도 코일이 사용되어 저면부의 하부에 위치할 때에는, 표층 효과는 고리형 구획부(10)의 벽으로부터 보다 오히려 저면부(12)로부터 시작하여 발생한다. 상술한 절충점을 유지시키기 위해, 그 표층 두께가 유도 코일이 도가니의 둘레에 감겨질 때 선정되는 표층 두께의 1/2과 같아지도록 유도코일(28)의 여기 전압이 선정될 수 있을 것이다. 따라서, 유리에 있어서 표층 두께는 도가니의 내측 반경의 1/2과 같아지도록 선정되는데 반해, 금속에 있어서 표층 두께는 도가니의 내측 반경의 1/8과 같아지도록 선정된다.

따라서, 유도 코일(28)을 용융액의 하부에 위치시킴으로써, 요구되는 열적 균일성을 유지하면서 표층 두께는 반으로 감소될 수 있다. 표층 두께의 감소는 전기적 효율을 증대시키는 경향이 있다.

그러나 특별한 예비조치가 행해지지 않는다면, 그 열효율은 유도 코일이 도가니의 둘레에 감겨진 종래의 로의 열효율보다 낮다는 것을 알 수 있다. 본 발명자들은 그 효율이 용융액의 깊이의 함수로 변화하며, 용융액의 깊이가 표층 두께보다 같거나 작을 때 최적의 효율이 얻어진다는 것을 인식하였다.

만약 인정된 절충점이 유지된다면, 금속에서의 용융액 깊이는 도가니 내측 반경의 1/8 보다 작도록 선정되어야 한다. 이것은 비합리적인 로의 크기를 가져온다. 따라서, 단지 하부를 통해서만 가열되는 로는 금속에는 적합하지 않다.

그러나 유리에 있어서 본 발명에 따르면, 용융액의 깊이는 반경의 1/2 보다 작고, 이는 합리적인 로의 크기를 가져다 준다. 예시로서, 도 1은 유리 용융로에 있어서 최적의 열효율을 얻기에 필요한 크기를 대략적으로 도시한다.

본 발명에 따른 로는 동일한 용량을 갖는 종래의 유리 용융로 보다 낮은 열손실을 갖는다. 측벽에 응고된 유리 층은 종래의 로에 있어서 보다 훨씬 두꺼우며, 이는 측벽 가까이에는 가열원이 없기 때문이다. 저면부에서는 여전히 비교적 높은 열손실이 있으나, 종래의 로에 있어서와 같이 본 발명에 따른 로에 있어서도 용융된 유리가 좋은 상태하에서 배출될 수 있도록 하기 위해 용융액의 저면은 고온이어야 하므로, 이러한 열손실은 필연적이다.

바람직스러운 일 구현예에 따르면, 저면부(12)는 자기장이 투과될 수 있도록 하기 위해 서로 절연되고 서로 인접하여 수평으로 고정된 튜브들로 만들어진다. 도시된 바와 같이, 도가니의 저면부가 평평하게 만들어질 수 있도록 상기 튜브들은 정사각형 단면을 가지는 것이 바람직하다.

도가니의 분할된 수직 벽의 제조에 있어서 부닥치는 하나의 문제점은 섹터들 사이의 공간을 밀폐시키고 전기적 절연을 제공하는 동시에 이러한 섹터들을 서로에 대하여 고정시키는 것이다. 상기 저면부(12)의 경우에는, 상기 튜브들을 서로 약간 분리된 상태로 콘크리트 내에서 부분적으로 주조하여 콘크리트가 튜브들 사이에서 절연을 제공할 수 있도록 함으로써, 이러한 문제점을 쉽게 해결할 수 있다. 유도 코일(28) 또한 동일한 조작이 이루어지는 동안 콘크리트 내에서 주조될 수 있을 것이다.

상기 튜브들은 실리콘 카바이드와 같은 양호한 열 전도성과 불량한 전기 도전성을 갖는 재질로 만들어지는 것이 유리할 수 있다. 만약 이러한 유형의 재질이 사용된다면, 저면부는 냉각액이 그 사이에서 순환할 수 있도록 된 두 개의 판으로 구성되기 때문에 원칙적으로는 저면부를 분할하는 것이 필요하지 않게 된다. 그러나, 이러한 재질들은 땜질이나 용접할 수 없으며, 이는 조립체, 특히 모서리 조립체를 시일(seal)하는 것을 곤란하게 한다. 그러나, 튜브의 단부에 있어서는 시일된 조립체를 제공하는 것은 항상 쉽다. 이러한 유형의 단부 조립체는 냉각액의 순환이가능하도록 저면부(12)를 "S"자 형태로 형성하는 튜브를 연결하는데 사용될 것이다.

바람직하게는, 상기 뚜껑(16)과 베이스(14)는 전기적 도전성을 갖는 재질로 제작되며, 이것은 유도 코일(28)에 의해 생성되는 자기 방사로부터 외부 환경을 보호하는 패러데이 상자를 형성한다.

본 발명에 따르면 도가니의 둘레에 감겨지는 유도 코일이 없으므로, 도가니의 형상은 임의적이다. 만약 하나의 유도 코일이 사용된다면, 제작이 간편한 원통 형상이 바람직하다. 그러나, 그 형태는 융해로의 용량을 증대시키거나 특수한 처리를 수행하기 위해 특정한 몇 개의 유도 코일의 배치에 적합화 될 수 있다. 이러한 경우에 용융액의 깊이와 여기 주파수는 각각의 유도 코일에 의해 커버되는 영역의 평균 원주에 대응하는 내경을 고려하여 선정된다.

도 2에는 본 발명에 따른 복수의 유도 코일이 구비된 로의 제1 실시예가 도시되어 있다. 상기 로의 도가니(32) 단면은 두 개의 도전체(36)에 의해 전력을 공급받는 나선형 유도 코일(34)이 그 각각의 하부에 마련된 세 개의 원통이 결합된 형태로 제작된다. 이에 따라, 대용량의 로 또는 각각 다른 용융 온도와 배출 온도를 얻을 수 있도록 그 온도가 독립적으로 제어되는 복수의 영역을 갖는 로의 설계가 가능하게 된다.

이러한 유형의 로는 유리의 용융시에 정련 조작을 용이하게 한다.

도 3에는 본 발명에 따른 로의 제2 실시예가 도시되어 있으며, 이는 유리의 정련에 특히 적합하다.

상기 로의 형태는 직사각형이며, 유도 코일(34)은 독립적으로 제어되고 직사각형의 주축을 따라 배치된다. 유도 코일 중의 하나, 예컨데 용융되어야 할 유리가 주입되는 곳에 인접한 유도 코일은, 다른 유도 코일이 감소된 에너지를 출력하기 위해 여기되고 정련된 유리는 최저의 여기상태인 유도 코일에서 배출되는데 반하여, 최대의 에너지를 출력하기 위해 여기될 것이다.

이러한 로의 형상은 화염에 의해 가열되는 종래의 유리 용융로에 사용되는 것과 이상적으로 유사하다.

상술한 복수의 유도 코일이 구비된 로에서, 유도 코일들은 균일한 작용을 제공하기 위해 서로 충분히 인접되어 있어야 하지만, 서로 간섭하지 않도록 충분히 떨어져 있어야 한다.

당해 기술분야의 전문가들은 본 발명의 많은 변형예와 수정예를 쉽게 알 수 있을 것이다. 비록 개시된 적용예가 유리에 관한 것일지라도, 본 발명에 따른 로는 액상에서 낮은 전기 및 열의 전도성을 갖는 어떠한 물질에도 적용 가능하다는 것은 명백하다.

본 발명은 유리 등 단열 물질을 용융하는 유도로에 사용될 수 있다.

Claims (8)

1. 금속재 측벽을 가진 냉각된 도가니(10, 32)와, 분할되고 냉각된 저면부(12)와, 상기 저면부의 하부에 위치하는 적어도 하나의 유도 코일(28, 34)을 구비한 단열 물질용 용융로에 있어서,

   유일한 가열수단은 상기 하나 또는 그 이상의 유도 코일이고, 상기 도가니의 금속재 측벽은 연속적인 것을 특징으로 하는 단열 물질용 용융로.
2. 제 1항에 있어서, 상기 도가니(10, 32) 내부의 용융액의 깊이와 상기 유도 코일(28, 34)의 여기 주파수는 상기 깊이와 상기 도가니의 내측 반경의 1/2이 상기 유도 코일(28, 34)의 여기 주파수로부터 초래되는 용융액의 표층 두께보다 작게 되도록 선정되는 것을 특징으로 하는 용융로.
3. 제 1항에 있어서, 상기 유도 코일(28, 34)의 외주는 상기 도가니(10, 32)의 측벽으로부터 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 용융로.
4. 제 1항에 있어서, 상기 저면부(12)는 나란히 위치하는 튜브들로 구성되는 것을 특징으로 하는 용융로.
5. 제 4항에 있어서, 상기 튜브는 양호한 열 전도성과 불량한 전기 도전성을 갖는 재질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 용융로.
6. 제 1항에 있어서, 상기 도가니(10, 32)에 연결되며, 상기 도가니(10, 32)와 함께 상기 유도 코일(28, 34)에 의해 발생되는 방사로부터 외부 환경을 보호하기 위한 패러데이 상자를 형성하는 금속재 베이스(14)와 금속재 뚜껑(16)을 구비하는 것을 특징으로 하는 용융로.
7. 제 1항에 있어서, 상기 저면부의 하부에 분배되며 독립적으로 제어되는 여러개의 유도 코일(34)을 구비하는 것을 특징으로 하는 용융로.
8. 제 7항에 있어서, 그 형상은 직사형이며, 상기 유도 코일(34)은 직사각형의 장축을 따라 분배되는 것을 특징으로 하는 용융로.