KR101160477B1 - 대너 파이프 - Google Patents

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KR101160477B1
KR101160477B1 KR1020067010589A KR20067010589A KR101160477B1 KR 101160477 B1 KR101160477 B1 KR 101160477B1 KR 1020067010589 A KR1020067010589 A KR 1020067010589A KR 20067010589 A KR20067010589 A KR 20067010589A KR 101160477 B1 KR101160477 B1 KR 101160477B1
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루돌프 징거
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Abstract

본 발명은 유리 튜브 또는 로드를 생산하기 위한 특히, 벨로 프로세스, A-드로잉 프로세스를 위한, 적합하게는 대너 프로세스를 위한 맨드릴에 관한 것이다. 맨드릴은 세라믹 복합 재료의 본체(1), 상기 본체의 적어도 일부를 둘러싸는 외부 금속 재료 재킷(2)을 포함하며, 세라믹 복합 재료는 상기 재킷의 금속 재료와 실질적으로 유사한 열팽창 계수를 갖는다. 대안적으로, 맨드릴은 자체-지지 금속 재료 재킷(22)을 포함한다.
맨드릴, 본체, 금속 재킷, 자체-지지 금속 재료 재킷, 튜브, 스트럿

Description

대너 파이프{Danner pipe}
본 발명은 유리 튜브(glass tube) 또는 유리 막대(glass rod)를 생산하기 위한 맨드릴(mandrel)에 관한 것이며, 특히 벨로(Vello) 프로세스, 에이-드로잉(A-drawing) 프로세스 및 적합하게는 대너(Danner) 프로세스를 위한 맨드릴에 관한 것이다.
유리 튜브 또는 유리 막대를 제조하는데 사용되는 통상의 프로세스는 벨로(Vello) 프로세스이다. 용융된 유리는 오븐으로부터 중공 수직 맨드릴 즉, 벨로 니들이 안에 장착된 보울(bowl) 내로 유동하거나 또는 오리피스 링에 의해 둘러싸인 벨(bell) 내로 유동한다. 유리는 벨과 링 사이의 환형(annular) 공간을 통해 유동하고, 롤러의 라인 위를 지나 드로잉 머신(drawing machine)으로 이동한다. 튜브는 중공 팁부를 갖는 벨을 통해 공기를 송풍함으로써 제조되고, 유리 막대는 중실 팁부를 갖는 벨을 사용함으로써 생산된다. 튜브는 먼저 수직으로 하향 유동하고, 그 후에 수평하게 전환되어, 대너 프로세스에서와 같이 중력 롤러 컨베이어를 통해 기계적으로 배출되고 냉각되며, 길이로 절단된다.
에이-드로잉 프로세스(하향 견인 프로세스)에서, 용융된 유리는 원통형 형태를 통해 배출되기 때문에, 이미 공급기로부터 튜브 형태로 유동한다. 용융된 유리는 드로잉 도구, 맨드릴, 본 명세서에서 에이 드로잉 니들 위로 유동하며, 여기서 유리는 튜브로 형성된다. 이러한 프로세스에서, 작업은 공기와 함께 수행될 수 있다. 튜브는 수직 하향으로 유동하고, 약 300℃의 온도에서 편향 없이 길이로 절단된다.
대너 프로세스는 유리 튜브 및 유리 막대의 연속적인 생산을 위해 개발되었다. 대너 프로세스에서, 용융된 유리의 연속적인 스트랜드(strand)가 축적되는, 약간 경사지고 천천히 회전하는 튜브인 대너 맨드릴은 드로잉 도구로 사용된다. 맨드릴의 헤드인 맨드릴의 낮은 단부에서, 유리는 튜브의 형성 하에 배출되며, 이에 의해 맨드릴의 중공 샤프트를 통해 공기 또는 가스를 공급함으로써 캐비티가 형성된다. 수평 방향으로 편향한 후에, 고화된 튜브는 중력 롤러 컨베이어를 통해 드로잉 머신을 통과하며, 머신 뒤에서 자르기(chopping)에 의해 튜브 섹션으로의 분리가 수행된다. 튜브의 내부 측면의 부가의 코팅은 예를 들면, 본 명세서에 참조로 합체되어 있고 코팅된 맨드릴에 관한 미국특허출원 US-A-6,595,029호에서 설명된다.
상술한 프로세스가 매우 높은 온도에서 작용하기 때문에, 맨드릴은 내열성이어야 한다. 또한, 맨드릴의 후방 단부 특히, 유리가 맨드릴로 분배되는 대너 블로우 파이프(Danner blowpipe)와, 유리가 제거되거나 인출되는 전방 단부 사이의 온도 기울기는 26.85℃ 내지 126.85℃(300 내지 400K)의 범위에 있다. 통상적인 세라믹 맨드릴 또는 세라믹면을 갖는 맨드릴은 유리의 종류와 처리 온도에 따라 매우 짧은 수명만을 제공한다. 더욱이, 세라믹 맨드릴의 사용은 유리 튜브를 오염시킬 수 있다. 대안적으로는, 코팅된 세라믹 맨드릴 또는 스테인리스 강으로 피복된 맨드릴은 상이한 재료들 사이에 높은 응력을 유발하고 특히, 상이한 열팽창 계수를 갖는 복합 제품에서 표면의 좌굴(buckling) 또는 휨(warping)을 유발할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 개선된 맨드릴 및 각각의 방법을 제공하는 것이다. 이러한 목적은 각각의 청구범위의 특징부로 달성된다.
내열성인 백금 재료를 포함하는 금속면을 갖는 맨드릴을 제공하여 상이한 열팽창에 의한 원하지 않은 응력을 방지하는 것이 유리하다.
본 발명의 맨드릴은 대너 블로우 파이프/튜브(Danner blowpipe/tube) 또는 대너 슬리브(Danner sleeve)가 적합하다. 본 발명의 실시예에 따라, 유리 튜브 또는 유리 막대를 생산하기 위한 맨드릴은 자체-지지 금속 재료 재킷을 포함한다. 이는 상이한 열팽창 계수를 갖는 복합 제품에서 일어나는 결점들을 방지할 수 있다. 자체-지지 구조의 결과로서, 단열 재료가 재킷 내부로 유도될 수 있으며, 단열 재료는 금속 재킷과 유사한 열팽창 계수를 포함할 필요는 없다. 이는 금속 재킷과 유사한 열팽창 계수를 포함하여야 하는 다른 재료와 비교하여 더 우수한 단열을 제공할 수 있다.
자체-지지 금속 재킷은 적합하게는 외벽 및 내부 자체-지지 구조물을 포함한다. 바람직하게는, 내부 자체-지지 구조물은 적어도 하나의 지지 스트럿(strut)을 포함한다. 내부 자체-지지 구조물이 적어도 하나의 트러스트 또는 환형 링을 포함하는 것이 또한 바람직하다. 내부 자체-지지 구조물이 실질적으로 외벽의 금속 재료와 유사한 금속 재료 또는 유사한 팽창 계수를 갖는 재료로 제조된 엠보싱되거나 주름이 형성된 판인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 유리 튜브 또는 유리 막대를 생산하는 맨드릴은 세라믹 복합 재료를 포함하는 본체와, 상기 본체의 적어도 일부를 둘러싸는 외부 금속 재료 재킷을 포함하며, 세라믹 복합 재료는 상기 재킷의 금속 재료와 실질적으로 유사한 열팽창 계수를 갖는다.
세라믹 복합 재료는 접합된 재료인 것이 또한 바람직하다. 바람직하게는, 세라믹 복합 재료는 캐스팅 슬립(casting slip) 재료이고, 더욱 바람직하게는 세라믹 복합체는 MgO-MgAl2O4를 포함한다.
본체 및 금속 재킷은 적어도 일 부분이 실질적으로 원통형 형상을 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 더욱 바람직한 것은 본체 및 금속 재킷이 적어도 일 부분이 원추형 형상을 포함하는 것이다. 더욱 바람직한 것은 전체 본체 및 금속 재킷이 원추형 형상을 포함하는 것이다. 더욱 바람직한 것은 본체 및 금속 재킷이 후방 단부 부분에서는 원통형이고 전방 단부 부분에서는 원추형인 것이다.
본 발명의 맨드릴이 바람직하게는 대너 프로세스를 위해 사용되기 때문에, 맨드릴은 바람직하게는 가스를 송풍하는 내부 채널을 구비하여 유리 튜브의 내부면을 가스로 처리할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 금속 재료 재킷은 튜브의 내부면과 접촉후 이형되는(released) 코팅을 포함한다. 이는 튜브의 내부면 상에 코팅을 생성하고 축적한다.
더욱 바람직하게는 맨드릴의 후방 단부로부터 전방 단부로의 직경이 동일하게 원추형이거나 또는 직경이 감소하는 것이며, 맨드릴의 전방 단부 및 후방 단부는 유리 재료의 유동 방향에 따라 형성된다. 맨드릴은 통상적으로 사용 중에 회전하기 때문에, 맨드릴은 길이방향축을 따라 축방향으로 대칭인 것이 바람직하다. 맨드릴은 상기 맨드릴을 길이방향축 둘레로 회전시키기 위해 실질적으로 전방 단부에 고정된 베어링을 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 더욱 바람직한 것은 맨드릴이 길이방향축 둘레로 맨드릴을 회전시키도록 구성된 플로팅 베어링(floating bearing)을 실질적으로 후방 단부에 포함하는 것이다.
맨드릴이 세라믹 복합 본체를 포함하는 경우에, 맨드릴은 본체와 재킷 사이의 긴밀한 결합(fit)을 보장하도록 구성된 편향(biasing) 수단을 후방 단부에 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 바람직하게는 편향 수단은 적어도 하나의 스프링을 포함한다.
본 발명은 또한 대너 블로우 튜브를 이용하여 유리 막대 또는 유리 튜브를 생산하는 시스템에 관한 것이고, 대너 블로우 파이프 표면으로 유리의 유동을 분배하는 노즐을 부가로 포함하며, 유리의 유동은 유리 필름을 형성하기 위해 비교적 높은 온도에서 블로우 파이프의 일 단부에서 분배되며, 형성된 유리필름은 튜브의 형태로 블로우 파이브의 다른 단부에서 제거되거나 인출된다.
상술한 유리 튜브 또는 유리 막대를 위한 생산 프로세스가 극도의 화학적 및 물리적 응력을 모든 시스템 부품상에 인가하는 높은 온도를 필요로 하기 때문에, 본 발명은 세라믹 재료보다 내성이 있는 장점을 갖는 백금 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 금속 재료는 PGM 재료(백금그룹재료)를 포함한다. 더욱 바람직하게는, 금속 재료는 백금 합금을 포함한다. 금속 재료는 산화물 분산 강화(ODS) 백금 합금을 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 더욱 바람직한 것은 금속 재료가 지르코늄 산화물 및/또는 이트륨 산화물을 0.1 내지 0.5 중량% 포함하는 것이며, 더욱 바람직하게는 0.16 중량% 포함하는 것이다.
백금 재료로 제조된 시스템은 균일한 고품질 조건 하에서 여러 달 및 여러 해에 걸쳐 연속적인 유리 생산을 가능하게 한다. 이는 긴 수명, 높은 경제적 효율 및 우수한 유리 품질을 보장한다. 적합한 금속 재료는 Pt, Pt 합금 및 특수 세라믹 부품의 코팅을 위해 사용될 수도 있는 FKS*Pt("FKS"=독일어 FeinKornStabilisiert의 약자=분산 경화형) 재료와 같은 (산화물 분산 강화)ODS-Pt 재료이다. 백금의 사용은, 가용성 및 불용성 이물질로 인한 용융된 유리의 오염이 없고, 컬러 에나멜, 특수 유리와 같은 침식성 유리 용융물에 대한 화학적 내성이 높고, 용융된 유리의 화학적 균질성이 우수하며, 작업 온도(대략 1650℃ 까지)의 면에서 큰 가요성(flexibility)으로 인해 용융된 유리의 처리에 적합한 균질성을 갖는 장점을 부가로 제공한다. 더욱이, 백금 부품들이 매우 정밀하기 때문에 정밀한 형성 및 처리를 위한 일정한 양의 명세(specification)가 가능하다.
본 발명에 따른 맨드릴은 용융된 유리와 접촉하는 유리 튜브 형성을 위해 맨드릴의 특히 하강하는 표면을 제공함으로써 용융된 유리에 의한 침식에 대하여 우수한 내성을 갖는다.
본 발명은 유사한 부분이 동일한 도면부호를 갖는 첨부한 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예의 측면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예의 측면도.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예의 측면도.
도 4는 본 발명의 부가적인 실시예의 측면도.
도면을 참조하면, 도 1에는 본 발명의 개념에 따른 맨드릴(mandrel)(42)이 도시되어 있다. 맨드릴(42)은 적어도 일부, 바람직하게는 세라믹 복합 재료 본체(1)의 주요부를 둘러싸는 외부 금속 재료 재킷(2)에 의해 둘러싸인 세라믹 복합 재료로 제조된 본체(1)를 포함한다. 세라믹 복합 재료 본체(1)는 재킷(2)의 금속 재료와 실질적으로 유사한 열팽창 계수를 갖는다. 적합한 금속 재료는 PGM(백금 그룹 재료)의 그룹이고, 더욱 적합하게는 ODS 백금이며, 사용된 세라믹 복합 재료는 상기 백금과 같이 실질적으로 유사한 열팽창 계수를 갖는다. 조절 가능한 열팽창 계수를 갖는 세라믹 재료의 예로는 MgO-MgAl2O4를 포함하는 스피넬(spinell) 재료이다. 이러한 세라믹 복합 재료들은 9×10-6K-1 내지 15×10-6K-1 사이, 더욱 적합하게는 10×10-6K-1 내지 12×10-6K-1 사이의 열팽창 계수(α)를 갖는 접합된 재료 또는 캐스팅 슬립(casting slip) 재료일 수 있다. 도 1의 실시예의 본체(1) 및 금속 재킷(2)은 바람직하게는 후방에서 원통형 형상을 갖고, 전방 단부에서는 전방 단부에서의 드로잉 프로세스를 돕는 원추형 형상을 갖는 부분을 포함한다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 맨드릴의 실시예의 이러한 예시들은 길이방향축(X)을 따라 축방향으로 대칭이다. 더욱이, 이러한 실시예들은 내부 중공 채널을 갖는 튜브(3)를 포함하는데 이 채널을 통해 가스를 송풍하며, 이는 튜브 생성 프로세스를 도와주거나 또는 튜브의 내부면을 특별한 가스로 처리하는 것을 가능하게 한다. 유리 튜브의 내부면을 처리하기 위한 다른 가능성은 생산되는 튜브를 위한 표면의 내부와 접촉하는 금속 재킷(2)의 코팅이 이형되어 내부면 상에 축적됨으로써, 유리면 상에 코팅을 제공하는 것이다. 맨드릴이 대너 프로세스에서 회전하기 때문에, 도 1 내지 도 4에 도시된 모든 실시예들은 길이방향 축(X) 둘레로 맨드릴의 회전을 가능하게 하는 베어링을 포함한다. 전방 단부 및 후방 단부는 유리의 유동 방향에 대해 도시된 모든 실시예를 위해 형성된다. 맨드릴은 바람직하게는 맨드릴의 전방부에 고정된 베어링(4)을 포함하고, 후방 단부에는 플로팅 베어링(5)을 포함한다. 플로팅 베어링(5)으로 인해, 맨드릴은 원하지 않은 응력을 만들지 않고 길이방향 축을 따라 팽창될 수 있다. 도 1에 도시된 제 1 실시예는 스프링 형태의 편향 수단(6)을 부가로 포함하여, 본체(1)와 금속 재킷(2) 사이의 긴밀한 결합을 보장한다.
도 2는 자체-지지 구조물을 갖는 본 발명의 실시예에 관한 것이다. 자체-지지 구조물로 인해, 금속 재킷(22) 내부에는 세라믹 본체가 없다. 자체-지지 금속 재킷(22)은 유리 제조 프로세스 중에 열 및 외력에 저항할 만큼 충분히 강성인 금속층을 갖는다. 강성은 또한 부가적인 내부 자체-지지 구조물에 의해 강화된다. 이러한 내부 자체-지지 구조물은 적어도 하나의 지지 스트럿(strut)을 포함한다. 지지 스트럿은 바람직하게는 동일한 재료로 제조되거나, 또는 적어도 유사한 재료 및/또는 금속재킷과 같은 유사한 팽창 계수를 포함하는 재료로 제조된다. 본 발명의 다른 개념에 따르면, 자체-지지 구조물은 적어도 하나의 트러스트 및/또는 적어도 하나의 환형 링(21)을 부가적으로 또는 대안적으로 포함한다. 또한, 이러한 자체-지지 부품은 바람직하게는 금속 재킷과 유사한 열 팽창 계수를 포함한다. 재킷 및 지지 구조물에 대해 동일한 재료가 사용되는 경우에, 맨드릴은 일체로 제조될 수 있으며 생산 프로세스의 관점에서 부가의 장점을 가질 수 있다.
자체-지지 실시예는 유리하게는 열 절연 재료가 튜브(3)와 금속 재킷(22) 사이에 도입되게 하여 세라믹 재료보다 더욱 우수한 절연을 제공한다.
도 3에 도시된 바와 같은 다른 적합한 실시예에 따르면, 내부 지지 구조물은 금속 재료로 제조된 엠보싱되거나 주름이 형성된 판(7)을 포함한다. 지지 구조물의 금속은 바람직하게는 금속 재킷과 유사한 열팽창 계수를 포함한다. 바람직하게는, 지지 구조물의 금속은 외벽의 금속 재료와 유사하다. 자체-지지 맨드릴의 다른 적합한 실시예는 도 4에 도시된다. 이러한 실시예에서, 맨드릴은 후방 단부로부터 전방 단부로의 맨드릴의 직경이 원추형이거나 또는 연속적으로 감소하도록 형성된다.
이상의 상세한 설명은 단지 본 발명의 적합한 특정 실시예를 설명하려는 의도이다. 이는 청구범위에 기재된 본 발명의 범주를 한정하려는 의도는 아니다.

Claims (30)

  1. 유리 튜브 또는 유리 막대를 생산하기 위한 맨드릴(mandrel)(42)로서,
    백금 그룹 재료로 제조된 자체-지지 금속 재료 재킷(22)을 포함하며,
    상기 맨드릴(42)은 길이방향축(X)을 따라서 축 방향으로 대칭이며, 상기 축 주위로 맨드릴을 회전시키기 위해 구성된 고정 베어링을 전방단부에 구비하고 플로팅 베어링을 후방단부에 구비하며, 상기 맨드릴(42)은 가스를 송풍하기 위한 내부채널을 제공하며 유리튜브의 내부면을 적어도 하나의 가스로 처리하도록 하는 맨드릴.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 자체-지지 금속 재킷(22)은 외벽 및 내부 자체-지지 구조물을 포함하는 맨드릴.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 내부 자체-지지 구조물은 적어도 하나의 지지 스트럿(strut)을 포함하는 맨드릴.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 내부 자체-지지 구조물은 적어도 하나의 트러스트(thrust) 또는 환형 링(21)을 포함하는 맨드릴.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 내부 지지 구조물은 상기 외벽의 금속 재료와 실질적으로 유사한 금속 재료로 만들어진 엠보싱된 또는 주름형성된 판(7)인, 맨드릴.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 맨드릴(42)은 대너 블로우 파이프 튜브(Danner blowpipe/tube) 또는 대너 슬리브(Danner sleeve)인, 맨드릴.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 금속 재료는 백금 합금을 포함하는 맨드릴.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 금속 재료는 산화물 분산 강화(ODS) 백금 합금을 포함하는 맨드릴.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 금속 재료는 0.1 내지 0.5 중량%를 갖는, 지르코늄 산화물, 이트륨 산화물, 또는 지르코늄 산화물 및 이트륨 산화물을 포함하는 맨드릴.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 금속 재료 재킷은 생산되는 튜브의 내부면과 접촉후 이형되어 내부면에 코팅을 형성하기 위해 내부면 상에 축적되는 코팅을 포함하는 맨드릴.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 맨드릴(42)은 유리 재료의 유동 방향에 대하여 전방 단부 및 후방 단부를 갖고, 상기 후방 단부로부터 상기 전방 단부로의 직경이 균일하게 원추형이거나 또는 감소하는 맨드릴.
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 제 23 항에 따른 대너 블로우 튜브를 이용하여 유리 막대 또는 유리 튜브를 생산하기 위한 시스템으로서,
    유리 필름을 형성하기 위해 상기 후방단부에서 상기 맨드릴의 표면으로 상기 맨드릴의 후방 단부와 전방 단부 사이의 온도 기울기가 300 내지 400K의 범위에 있는 온도에서 유리의 유동을 분배하기 위한 노즐을 더욱 포함하고, 상기 유리필름은 튜브의 형태로 상기 전방 단부에서 제거되거나 인출되는 시스템.
  28. 삭제
  29. 삭제
  30. 삭제
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EP03025007 2003-10-30
EP03025007.0 2003-10-30
PCT/EP2004/012285 WO2005049512A1 (en) 2003-10-30 2004-10-29 Danner pipe

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