KR100590694B1 - 무기화합물, 특히 유리 및 유리 세라믹의 연속 용융 및 정련을 위한 장치 및 그 조작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무기 화합물, 특히 유리 분편이나 배치를 연속적으로 용융 및 정련하는 장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 용융 용기(1)와 정련 용기(3)를 포함한다. 유도 코일(5)은 정련 용기(3)에 설치되어 고주파 에너지를 용기의 내용물에 커플링하는 역활을 하고 정련 용기(3)의 벽을 둘러싸고 있다. 본 발명의 장치는 또한 용융 용기(1)로부터 정련용기(3)로 용융물을 수송하는 연결관(2)을 포함한다. 본 발명에 따라, 연결관(2)은 용융 용기(1)의 바닥부(1.1)로부터 정련 용기(3)의 바닥부(3.1)로 연결된다.

유리, 도가니

Description

무기화합물, 특히 유리 및 유리 세라믹의 연속 용융 및 정련을 위한 장치 및 그 조작방법{An apparatus for the continuous melting and refining of inorganic compounds, especially glasses and glass ceramics, and operating method thereof}

본 발명은 무기화합물, 특히 유리 및 유리 세라믹의 연속 용융 및 정련을 위한 장치에 관한 것이다. 다른 물질도 또한 고려될 수 있다.

상기 재료를 용융 또는 정련할 수 있는 여러 가지 장치, 예를 들어 DE 33 16 546 C1 등이 알려져 있다. 이것은 소위 스컬 도가니라고 불리는 것으로 냉각된 도가니 벽과, 도가니를 감싸면서 고주파 에너지에 의해 도가니 내용물에 커플링될 수 있는 유도 코일을 포함한다.

고주파 가열의 정점은 도가니 벽의 온도가 유리가 녹는 온도보다 상당히 낮아질 수 있다는 것이다. 도가니 벽의 냉각은 방열, 공기냉각 또는 수냉을 통해 이루어진다. 스컬 도가니에서, 고유한 재료들의 찬 덩어리들이 벽 구역에 형성된다. 이 덩어리들은 낮은 온도에 의해 매우 낮은 전도성을 가지고 있다. 이것이 어떤 고주파 에너지라도 흡수가 되지 않고 안정한 고유의 도가니를 형성하지 않는 이유가 된다. 따라서 매우 놓은 용융 온도에 이르게 된다. 이것은 단지 고유의 벽이 유지되는 충분한 냉각을 통해 보장되어야 한다.

용융 공정 후에는 정련 공정이 뒤따른다. 정련 공정에서는 용융물로부터 물리적 또는 화학적으로 결합되어 있는 기체들을 방출시키도록 한다. 정련공정에서는 NaCl과 같은 특별한 정련제가 필요하다. 정련제는 충분한 양의 가스 거품이 생겨 용융물로부터 잔류 가스들이 확산될 수 있도록 하는 역활을 한다.

최근에는, 한편에서는 용융공정을, 또 다른 한편에서는 정련공정을 연속적으로 조작하려는 요구가 증대되었다. WO 92 15531호에는 용융과 정련이 하나의 동일한 도가니에서 일어나는 장치가 기재되어 있다. 그러나, 두 공정이 서로 독립적으로 조절될 수 없어서 유리의 품질에 나쁜 영향을 주었다.

그 장치는 품질에 별 관계가 없는 유리 제조에만 사용될 수 있을 뿐이다. 또한, 이 장치에서의 정련은 낮은 효율을 나타내는데, 그것은 냉각 재료가 용융물의 표면에 지속적으로 재 공급되고 표면이 항상 도가니에서 가장 온도가 낮은 부분이 될 것이기 때문이다.

US 4 780 121 호에는 혼합물이 용융되는 첫번째 용기와 용융 유리의 정련이 행해지는 두번째 용기로 이루어진 장치가 기재되어 있다. 용융 도가니에서 생성된 유리 용융물은 정련 용기로 공급된다. 세라믹 정련 용기는 고주파에너지가 정련 용기에 커플링될 수 있도록 유도 코일로 감싸져 있다. 세라믹 정련용기로 인해, 정련 용기에서의 고온은 제한된다. 이 장치에서의 정련 결과는 만족스럽지 못하다. 정련 가스가 유리 용융물에 남아있게 되어 최종제품의 품질이 떨어지게 된다.

이 장치의 또 다른 단점은 다음과 같다: 이 장치를 연속적으로 작동시키기 위해서는 용융 도가니를 통한 유입이 절련 용기를 통한 유입만큼 빨라야 한다. 그러나, 두 용기의 공정 진행은 다른 인자에 따르게 되어 있다. 따라서, 정련 용기의 온도는 정련 공정에 맞추어져야 한다. 따라서, 이것은 자유롭게 선택될 수 있는 것이 아니다. 따라서, 이러한 방법으로는 유리 플로우의 조절이 불가능하다. 유리 용기는 용융 장치의 배출구를 바꾸는 것에 의해서만 영향을 받을 수 있다. 정련 온도와는 독립적으로 HF 구역으로부터 유리 플로우의 조절만은 불가능하다. 배출속도는 HF 도가니 구역의 온도에 의존한다. HF 구역의 온도가 바뀐다면, 용융물의 낮은 점도에 의해 배출이 증가될 것이다. 그 결과, 온도 변화를 고려한 극심한 제한이 예정될 것이다. 정련 구역의 온도가 높을수록 배출이 증가된다. 그 결과, 온도 향상에 의해 향상된 정련의 이점은 낮은 체류 시간에 의해 없어지게 된다. 또한, HF 정련 구역으로 유리가 떨어지면 거품을 가라앉히게 되는 단점도 생기게 된다. 그러한 공기 거품은 질소를 많이 함유하고 있어서 정련이 매우 어렵게 된다. 이러한 문제는 HF구역으로부터 균일화 구역으로 옮겨지게 되면 더 심해진다. 여기에서는 정련이 이루어지지 않으므로 여기에서 가라앉은 거품은 더 이상 용융물로부터 분리할 수 없다.

본 발명의 목적은 분리된 용기로 한편으로는 용융을 한편으로는 정련을 연속적으로 진행할 수 있고, 실질적으로 가스가 없도록 완벽한 정련을 행할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

이 목적은 청구항 1에 의해 달성된다.

본 발명자는 하기의 사항을 인식하였다:

상기한 바와 같이, 정련 용기는 미국 특허 제 4, 780 121 호의 장치에서 용융 용기의 하류에 제공되고 이것은 하기에서도 마찬가지로 위치한다. 따라서, 액체 용융물은 자유낙하로 정련 용기에 흘러 들어간다. 그러므로 유입 용융물은 상대적으로 차다. 따라서, 정련용기의 내용물의 표면이 연속적으로 밀려오게 되고, 더 찬 용융물이 형성된다. 냉각물 주요부와 무거운 유리 용융물 플로우는 정련 용기의 중심으로 흘러 빨리 배출된다. 하지만, 유도 코일의 가열이 표면 구역에서보다 그곳에서 더 높은 효율로 가능하기 때문에, 정련 용기의 플로우 구역에서 가스 제거가 일어나다. 가스 거품이 상부로 떠오르기는 하나, 상부 레벨 구역에서 냉각 층의 상대적으로 높은 점도에 의해 가스 거품이 연속적으로 떠오르지 않고 용융물을 떠나지 못하게 된다. 이것은 정련 용기에 포함된 용융물에 바람직하지 않은 정도까지 잔류한다는 것을 의미한다.

이러한 단점들이 본 발명에 의해 해결된다. 용융 용기의 하부 구역으로부터 상대적으로 찬 용융물이 떠오르고, 정련 용기의 바닥으로 도입되어 HF 에너지로 가열된다. 용융물에 포함된 가스에 의해 거품이 생기게 된다. 거품은 위로 떠오르게 된다. 용융물의 상부층은 상대적으로 뜨겁고 낮은 점도를 가지므로, 가스 거품이 용융물로부터 쉽게 제거된다.

본 발명은, 세라믹 내장 도가니 없이, 고주파로 가열된 스컬 도가니의 내용물의 온도를 2400 내지 2600℃로, 심지어는 3000℃까지 오르게 한다. 이것은 특히 정련 공정에서 중요하다. 유리는 이 공정 중에 물리적 및 화학적으로 결합된 가스 로부터 분리된다. 정련공정에는 Na₂AO₄, AS₂O₃, Sb₂O ₃ 또는 NaCl과 같은 정련제가 사용된다. 이들 정련제는 정련 온도에서 분해되거나 증발하며 용융물로부터 잔류 가스가 확산할 수 있는 거품을 형성한다. 거품은 충분히 커서 경제적인 간격으로 유리 용융물의 표면으로 떠올라 터지게 된다. 본 발명에 의해 얻어지는 상기 고온에서, 떠오르는 속도는 매우 빠르다. 1600℃에서 2400℃까지 온도가 변화할 때 떠오르는 속도는 100배 향상된다. 따라서, 2400℃에서 직경 0.1mm 거품이 떠오르는 속도는 1600℃에서 직경 1mm의 거품이 떠오르는 속도와 동일하다.

정련 온도 상승에 의해 대부분의 가스에서 물리적 및 화학적 용해도가 감소하게 되어 고온 정련이 이루어진다.

거품이 떠오르는 속도를 향상시켜 정련시간을 줄이기 위해 정련제의 부가를 어느 정도 생략할 수 있다. 그러나, 떠오르는 가스가 표면에 도달할 수 있고 표면에 위치하는 거품(bubble)이 터져서 폼(foam)이 형성되지 전제조건이 선행되어야 한다.

본 발명의 또 다른 장점은 다음과 같다. 용융물이 하부, 즉 바닥 구역으로부터 정련 용기로 흐르는 것으로 인해, 정련 용기의 재킷 표면은 접속으로부터 자유롭게 된다. 이 방식에서, 유도 코일은 장애 없이 배열될 수 있고 정련 용기의 재킷 표면을 감싸도록 공간적 고려를 하지 않아도 되어, 고주파 에너지의 최적의 커플링이 바람직하게 이루어지게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 단면도이다.

본 발명을 첨부하는 도면에 의해 보다 상세하게 설명한다.

용융 용기 1은 세라믹 재료로 만들어진 벽으로 구성되어 있다. 연결관 2는 용융 용기 1에서 생성된 유리 용융물을 정련 용기 3으로 공급하는데 사용된다. 정련 용기 3에는 유도 코일 5가 설치되어 있다. 유도 코일 5는 코일 5의 나선 부분이 정련 용기 3의 수직축을 동심원 방식으로 감싸는 형식으로 위치하게 된다.

수평 홈 4는 정련 용기 3에 연결되어 있다. 이것은 용융물을 냉각시키는 데 사용된다. 여기에서의 냉각은 고온, 즉 2400℃ 내지 3000℃에서 1600℃로의 냉각을 의미한다. 냉각 홈은 공기 냉각 또는 수냉되는 석재 또는 세라믹이거나, 고주파 가열된 스컬 홈으로 구성될 수 있다. 후-정련 및 잔류 거품의 재 흡수가 냉각 홈에서 이루어질 수 있다.

교반기 6.1을 갖는 교반 도가니 6은 홈의 단부에 위치하여 용융물을 균질화시킨다. 교반 도가니 6을 나온 용융물은 분배기 6.2를 통해 성형 공정으로 이송된다. 홈 4는 유리 레벨 게이지 7을 갖추고 있어 홈 4에서 유리 용융물의 높이를 측정할 수 있다.

용융 용기 1에서의 용융은 전기 또는 버너 또는 이들의 결합에 의해 행해질 수 있다. 소위 조(raw)-용융은 용융 용기 구역에서 일어난다.

연결관 2는 내열 백금 파이프 또는 내화재료로 구성된다. 연결관 2가 내화재료로 구성된다면, 유리 용융물 전극을 사용해 직접 가열된다. 가열은 또한, 외부로 부터 수행될 수도 있다.

도시한 바와 같이, 연결관 2는 용융 용기의 하부 구역에 연결되어 있다. 이것은 정련 용기 3의 바닥 3.1로 통하도록 되어 있다. 연결부에서의 유리 누출 방지는 관형으로 배열된 물 또는 공기 냉각에 의해 얻어진다. 일반적으로 백금으로 이루어진, 이러한 밀봉은 또한 고주파 스크린으로 동시에 사용된다. 전기적으로 대지 퍼텐셜로 분로가 만들어진다. 이것은 연결관 2와 전극을 통해 고주파 방사가 고주파 구역 밖의 전기 성분의 개방형 루프와 밀폐형 루프 조절이 방해받을 수 있는 곳으로 유도되는 것을 방지한다. 필요하다면, 유리 밀봉 및 전기적 접지를 별도로 분리하여 설치할 수 있다.

정련 용기 3은 모듈성과 가요성이 있도록 구성된다. 수냉된 구리 또는 스테인레스 스틸 파이프로 된 몇개의 세그멘트로 이루어진다. 매우 높은 용융 온도에서 세그멘트 사이에 아크가 발생하는 것을 방지하기 위해, 세그멘트는 바닥 구역에서 전기적으로 단락된다. 이것은 예를 들어, 재료의 절연 크러스트가 매우 얇을 때 일어난다. 단락은 또한 정련 용기의 상부에서도 가능하다. 용융물 표면의 냉각을 유도할 수 있기 때문에 고주파 영역을 정련 용기의 하부구역에 위치하게 하는 것은 별로 바람직하지 않다.

1650℃ 이상의 정련 온도에서, 정련 용기는 세라믹 재료로 구성될 수 있다. 고주파는 세라믹 재료에 커플링되지 말아야 한다. 그렇지 않으면 고주파에 의해 용기가 녹기 때문이다. 세라믹 용기는, 열 방사의 결과로, 용기와 고주파 코일 사이의 공기가 가열되어 아크가 생길 수 있다는 단점을 갖는다. 스컬 도가니의 벽은 수냉 또는 공냉 금속 파이프에 의해 확실하게 냉각이 가능하므로 1650℃ 이상의 정련온도에서 보다 바람직하다. 최대 정련 온도가 도가니 부식에 의해 제한받지 않으므로 스컬 도가니로는 어떠한 바람직한 높은 정련 온도도 얻을 수 있다.

정련 용기 3의 용융 부피는 필요한 정련결과를 위한 체류 시간이 충분한 방식으로 선택된다. 에너지 절감을 위해 지나친 공간은 피해야 한다. 더 큰 벽으로 인해 생기는 냉각 손실은 부가적인 고주파 투입으로 보상되어야 한다. 예를 들어, 알루미노실리케이트 유리의 정련을 위해서는 2200℃ 정련 온도에서 30 내지 60분의 체류시간이 충분하다.

용융 용기의 벽은 상기한 바와 같이, 내화 재료이다. 이 대신, 스컬 도가니로 구성될 수도 있다. 여기에서 설명하는 바와 같이, 용기의 내용물에 고주파 에너지의 커플링을 위한 코일을 갖는 정련 용기도 동일한 구조를 갖는다.

연결 파이프의 배치 결과로 인해, 유리 레벨의 조절이 매우 단순해졌다. 유리 레벨의 측정은 홈(교반기 바로 앞의)의 용융 구역에서 행해진다. 모든 부품이 서로 연결되어 있어 전 용융 장치의 유리 레벨이 알려진다. 용기 단부로부터 측정된 치수는, HF 정련구역을 통해, 용융 용기로부터, 전 유리 레벨을 조절하는데 사용될 수 있다.

용기 시스템에서 HF 정련구역이 서로 연결된 부품으로서 설치되어 있으므로 유리 레벨의 간단한 조절이 가능하다. 처리량의 조절은 정련 장치에서 HF 정련 온도 및 점도와는 완전히 독립적으로 조절될 수 있다.

홈의 단부에는 용융물을 균질화시키기 위한 교반 도가니 6이 있다. 유리는 분배기 6.2를 통해 용기로부터 성형 공정으로 이송된다.

용융 용기 1 및/또는 정련 용기 3은 고주파 장치에 의해 생성되는 전자기장의 방사로부터 보호하기 위해 전도성 케이지 내에 설치될 수 있다.

본 발명의 장치에 의해 고온 정련이 가능해졌다.

Claims (20)

1. 용융 용기(1);

   스컬 원리에 따라 구성된 정련 용기(3);

   정련 용기(3)에 정련 용기의 벽을 감싸도록 설치되어 용기 내용물에 고주파 에너지를 커플링하는데 사용되는 유도 코일(5);

   용융 용기(1)의 바닥으로부터 위로 향하여 정련 용기(3)의 바닥으로 연결되어 용융 용기(1)로부터 정련 용기(3)로 용융물을 이송하는 데 사용되는 연결관(2);

   을 포함하며,

   상기 연결관(2)은 정련용기(3)의 바닥에 대하여 유리 밀봉으로 제공되고;

   유리 밀봉은 전기적으로 접지된 고주파 스크린으로 사용되는 것을 특징으로 하는

   무기화합물, 특히 유리 및 유리 세라믹의 연속 용융 및 정련 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 연결관(2)은 용융 용기(1)의 바닥(1.1)으로부터 옆으로 위로 향하여 정련 용기(3)의 바닥(3.1)으로 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 수평 홈(4)이 정련 용기(3)의 하류에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 수평 홈(4)이 교반 도가니(6)의 상류에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 삭제
6. 용융물을, 용융 용기(1)로부터 아래로부터 정련 용기(3)에 연속적으로 공급하고 상부구역에서 냉각 홈(4)을 통해 교반 도가니(6)로 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 제 1 항의 장치의 조작방법.
7. 제 6 항에 있어서, 용융 용기(1), 정련 용기(3), 수평 홈(4) 및 교반 도가니(6)에서의 용융물 레벨은 서로 연결된 파이프에 의해 동일한 하나의 값인 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 용융 용기(1)는 세라믹으로 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 6 항에 있어서, 용융 용기(1)는 스컬 도가니로 구성되고, 유리 용융물은 용융용기(1)에서 고주파에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 삭제
11. 제 6 항에 있어서, 정련 용기(3)는 세라믹 도가니로 구성되고, 유리 용융물은 정련 용기(3)에서 고주파에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 6 항에 있어서, 정련 용기(3)는 스컬 도가니로 구성되고, 유리 용융물은 정련 용기(3)에서 고주파에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 6 항에 있어서, 정련 용기(3)는 스컬 도가니로 구성되고, 스컬 도가니는 바닥에서 전기적으로 단락되는 것을 특징으로 하는 방법.
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