KR101868195B1 - 유리 원료의 예열 단계를 갖는 유리 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

감압 탈포 단계에서 버려지는 열을 회수하여 유리 원료 혼합 단계에서의 유리 원료 예열에 이용하여 다음 단계인 용융 단계에서의 필요열을 줄이도록 한 유리 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 유리 제조 방법은, 유리 원료를 혼합하는 혼합 단계; 상기 유리 원료를 가열하여 용융 유리를 생성하는 용융 단계; 상기 용융 유리에 포함되는 기포를 제거하는 감압 탈포 단계; 및 상기 용융 유리로부터 유리를 성형하는 성형 단계를 포함하고, 상기 감압 탈포 단계에서 상기 용융 유리에 접촉하고 있는 가스 및 증발 성분들을 포함하는 폐가스를 인출하여 상기 혼합 단계의 유리 원료 예열에 사용하는 것을 특징으로 한다.

Description

유리 원료의 예열 단계를 갖는 유리 제조 방법{Method for fabricating glass comprising preheating step of glassmaking materials}
본 발명은 유리 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용융 유리의 감압 탈포 과정에서 버려지는 열을 이용해 유리 원료를 예열하는 방법 및 이를 이용한 유리 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 유리 제조 방법은 유리 원료를 혼합한 후 이를 용융하고, 용융 유리에 포함되는 기포를 제거하는 청징 단계를 거쳐 원하는 형상의 유리 제품을 성형하는 순으로 공정이 진행된다.
유리 용융 단계에서는 유리 원료를 용융시키기에 충분히 높은 유리 용융로 온도 형성을 필요로 한다. 이 때 요구되는 고온은 일반적으로 천연가스와 같은 탄화수소 연료의 연소에 의해 달성된다. 연소 결과, 기체상 연소생성물이 생성되고, 유리 용융로를 빠져나가는 연소생성물은 전형적으로 2000 ℉를 훨씬 초과하는 온도를 갖는다. 종래에는 축열기(regenerator)로서 공지된 연소생성물/공기 열교환기를 사용함으로써 연소생성물 내의 폐열이 축열기에서 유입 연소 공기의 예열에 의해 부분적으로 회수되는 방식을 채택해 에너지 손실을 극복하였다.
청징 단계에서는 청징제를 원료 내에 미리 조합하고, 원료를 용융시켜 얻어진 용융 유리를 소정 온도로 일정 시간 저류, 유지함으로써, 청징제에 의해 용융 유리 내의 기포를 성장시키고 부상시켜 제거하는 방법이 알려져 있다. 또한, 내부를 소정의 감압도로 유지한 감압 탈포조 내에 용융 유리를 통과시킴으로써 용융 유리 내에 포함되는 기포를 비교적 단시간에 성장시키고, 크게 성장한 기포의 부력을 이용하여 기포를 용융 유리의 표면으로 부상시켜, 용융 유리의 표면에서 기포를 파포(破泡)시킴으로써 용융 유리로부터 기포를 제거하는 감압 탈포 방법도 알려져 있다.
감압 탈포조 내부를 통과하는 용융 유리의 온도는, 성형되는 유리 기판의 조성에 따라 다르지만, 대개 1000℃ 내지 1700℃의 고온이다. 따라서, 감압 탈포 단계 중 용융 유리에 접촉하고 있는 가스 및 증발 성분들의 온도도 매우 높다. 감압 탈포를 수행하기 위해서는 지속적으로 감압 탈포조 내부의 가스들을 외부로 빼주어야 하는데, 이러한 성분들의 열에너지가 적어도 부분적으로 회수될 수 없다면, 유리 제조 공정에서 발생된 에너지가 상당히 손실된다는 것을 알 수 있다. 따라서, 감압 탈포 단계시 버려지는 열을 회수하여야 할 필요성이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 감압 탈포 단계에서 버려지는 열을 회수하여 유리 원료 혼합 단계에서의 유리 원료 예열에 이용하여 다음 단계인 용융 단계에서의 필요열을 줄이도록 한 유리 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 유리 제조 방법은, 유리 원료를 혼합하는 혼합 단계; 상기 유리 원료를 가열하여 용융 유리를 생성하는 용융 단계; 상기 용융 유리에 포함되는 기포를 제거하는 감압 탈포 단계; 및 상기 용융 유리로부터 유리를 성형하는 성형 단계를 포함하고, 상기 감압 탈포 단계에서 상기 용융 유리에 접촉하고 있는 가스 및 증발 성분들을 포함하는 폐가스를 인출하여 상기 혼합 단계의 유리 원료 예열에 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 폐가스를 직접 상기 유리 원료에 접촉시켜 상기 유리 원료를 예열하거나, 폐가스/공기 열교환기를 사용함으로써 상기 폐가스 내의 폐열이 상기 열교환기에서 유입 공기를 가열시키고 가열된 유입 공기를 상기 유리 원료에 접촉시켜 상기 유리 원료를 예열할 수 있다.
상기 혼합 단계에서 상기 유리 원료가 벨트에 의해 이송되어 원료 혼합장치 내에서 혼합되도록 하는 경우, 상기 폐가스 또는 상기 가열된 유입 공기가 상기 벨트 상의 유리 원료에 접촉하여 상기 유리 원료를 예열한 후에 상기 원료 혼합장치 내로 투입되도록 할 수 있다. 대신에, 상기 폐가스 또는 상기 가열된 유입 공기가 상기 원료 혼합이 이루어지는 장치 내를 통과하면서 상기 유리 원료에 접촉하여 상기 유리 원료를 예열하도록 할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 감압 탈포 공정에서 발생되는 뜨거운 가스 및 증발 성분들을 포함하는 폐가스 내의 열을 이용하여 유리의 제조 공정에서 용융될 유입 유리 원료를 예열한다. 특히 이 예열은 혼합 단계의 원료 유리에 대해 실시되므로 혼합 이후 용융 단계에서의 필요 열을 줄일 수 있어 원료 용융로의 써멀 버짓(thermal budget)을 감소시킬 수 있고 에너지 낭비를 막을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유리 제조 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 제조 방법을 수행할 수 있는 유리 제조 장치의 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유리 제조 방법을 수행할 수 있는 유리 제조 장치의 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유리 제조 방법 중 예열 단계의 일 예를 보여주기 위한 유리 제조 장치의 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유리 제조 방법 중 예열 단계의 다른 예를 보여주기 위한 유리 제조 장치의 도면이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명은 개선된 에너지 회수법을 갖는 유리 제조 방법을 제시한다. 본 발명에 따르면, 감압 탈포 공정에서 발생되는 뜨거운 가스 및 증발 성분들을 포함하는 폐가스 내의 열을 이용하여 유리의 제조 공정에서 용융될 유입 유리 원료를 예열한다. 특히 이 예열은 혼합 단계의 원료 유리에 대해 실시되므로 혼합 이후 용융 단계에서의 필요 열을 줄일 수 있어 원료 용융로의 써멀 버짓을 감소시킬 수 있고 에너지 낭비를 막을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유리 제조 방법의 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 유리 제조 방법은, 유리 원료를 혼합하는 혼합 단계(S1); 상기 유리 원료를 가열하여 용융 유리를 생성하는 용융 단계(S2); 상기 용융 유리에 포함되는 기포를 제거하는 감압 탈포 단계(S3); 및 상기 용융 유리로부터 유리를 성형하는 성형 단계(S4)를 포함한다. 특히, 상기 감압 탈포 단계(S3)에서 상기 용융 유리에 접촉하고 있는 가스 및 증발 성분들을 포함하는 폐가스를 인출하여 그로부터 열에너지를 회수하는 단계(S3_1) 수행 후, 상기 혼합 단계(S1)의 유리 원료 예열에 사용하는 단계(S3_2)를 더 포함한다.
이와 같이 본 발명에서는 유리 원료를 유리 용융로에 투입하기 전에 감압 탈포조로부터 배출하는 고온의 폐가스를 포집해 유리 원료에 접촉시킴으로써 유리 원료를 예열한 후 유리 용융로로 공급하는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 제조 방법을 수행할 수 있는 유리 제조 장치의 도면이다. 도 2는 감압 탈포 공정에서 나온 가스(raw gas)를 포집하여 직접 유리 원료와 접촉시켜 유리 원료를 예열하는 경우를 나타낸다.
도 2에서, 유리 원료(10)는 원료 혼합장치(20)에 공급되고 그 내부에서 혼합된다. 일반적으로 유리를 구성하는 기본 성분은 SiO2, CaO, Al2O3, B2O3, MgO 등이 되며 특정 물성을 부여하기 위해 특정 성분을 추가하기도 한다. 일반적인 유리 원료는 대부분 자연 광물을 사용하며, 석회석, 납석, 규석 또는 규사를 흔히 사용하고, 붕광석 또는 붕산, 소다회, 백운석 또는 마그네사이트, 형석, 석고 또는 흑연/카본 블랙 등을 추가적으로 사용하기도 한다. 유리 원료(10)는 원하는 용도에 맞는물리, 화학적 물성을 가질 수 있도록 유리를 구성하는 성분 비율을 결정하여 선택된 원료를 이용하도록 하며, 위에 예로 든 것과 같은 자연 광물, 또는 화학약품, 또는 폐유리를 포함할 수 있다.
원료 혼합장치(20)에서 혼합되어 배출되는 혼합된 유리 원료(11)는 유리 용융로(30)로 공급된다. 유리 용융로(30)에서는 유리 용융로(30) 내에 존재하는 유리 원료(11)를 용융시키기에 충분한 열이 발생된다. 이후, 용융된 유리(12)는 감압 탈포조(40)로 운반된다. 감압 탈포조(40)에서 기포가 제거된 용융 유리(13)는 성형 장치(50)로 공급되어 원하는 모양의 유리 제품, 예컨대 유리 기판으로 성형된다.
감압 탈포조(40)로부터 배출되는 고온의 폐가스(14)는 원료 혼합장치(20) 측으로 공급된다. 여기서 폐가스(14)를 포집하기 위한 펌프(미도시), 원료 혼합장치(20) 측으로 공급되는 폐가스양을 조절할 수 있는 유량제어기(MFC, 미도시)를 더 포함하도록 장치를 구성할 수도 있다. 원료 혼합장치(20) 측으로 공급된 폐가스(14)는 유리 원료(10)를 예열시킨 후 냉각된 가스(15)가 되어 배출된다. 이와 같이, 감압 탈포조(40)로부터 배출되는 고온의 폐가스(14)를 포집하여 원료 혼합 단계의 유리 원료 예열에 사용함으로써, 유리 제조 공정에서 발생된 에너지 손실분을 최소화하는 것이 본 발명의 핵심이다. 유리 원료(10)는 예열 후 혼합, 또는 예열하면서 혼합하게 되므로, 예열없이 혼합하는 경우에 비하여 혼합이 보다 잘 이루어지며 이에 따라 혼합 단계의 공정 시간을 단축할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유리 제조 방법을 수행할 수 있는 유리 제조 장치의 도면이다. 도 3은 감압 탈포 공정에서 나온 가스를 포집한 후 열교환기를 거쳐 가열된 공기를 유리 원료와 접촉시켜 유리 원료를 예열하는 경우를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 감압 탈포조(40)로부터 배출되는 고온의 폐가스(14)를 포집하여 폐가스/공기 열교환기(60)에 공급한다. 폐가스/공기 열교환기(60)는 고온의 폐가스(14)로부터의 열을 빼앗아 냉각된 폐가스(16)를 배출시키고 유입 공기(17)는 폐가스(14)로부터 전달받은 열에 의해 가열되어 가열된 유입 공기(18)를 원료 혼합장치(20) 측으로 공급시킨다. 가열된 유입 공기(18)는 유리 원료(10)를 예열시킨 후 냉각된 공기(19)가 되어 배출된다.
폐가스/공기 열교환기(60)는 공기 대 공기 열교환기 구조를 이용할 수가 있고, 가장 일반적으로 사용되는 금속관을 전열벽으로 하는 열교환기일 수 있다. 예를 들어, 내관과 외관으로 되어 있으며, 내관 내부의 유체와 관과 관 사이에 있는 고리 모양 부분의 유체 사이에서 열교환이 이루어지도록 하는 이중관식 열교환기를 이용할 수 있다. 커다란 외관에 여러 개의 작은 관을 넣은 투관 형식의 열교환기를사용할 수도 있다.
고온의 폐가스(14)를 직접 유리 원료(10)에 접촉시키는 것에 비하여 가열된 유입 공기(18)를 직접 유리 원료(10)에 접촉시키는 것이 유리 원료(10) 조성에 영향을 덜 주어 보다 고품질 유리 제조에 유리할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 예열 방법에서, 실제로 예열은 두 가지 형태로 구현이 가능하다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유리 제조 방법 중 예열 단계의 일 예를 보여주기 위한 유리 제조 장치의 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 혼합 단계(S1)에서 상기 유리 원료(10)가 벨트(22)에 의해 이송되어 원료 혼합장치(20) 내에서 혼합되도록 하는 경우이다. 이 때, 상기 폐가스(14) 또는 상기 가열된 유입 공기(18)가 상기 벨트(22) 상의 유리 원료(10)에 접촉하여 상기 유리 원료(10)를 예열한 후에 상기 원료 혼합장치(20) 내로 투입되도록 할 수 있다. 유리 원료(10)의 이송 방향과 폐가스(14) 또는 가열된 유입 공기(18)의 흐름 방향은 서로 반대가 되게 할 수 있다. 예열되며 투입되어 원료 혼합장치(20) 내에서 혼합된 유리 원료(11)는 후속적으로 유리 용융로(도 2 및 도 3의 참조부호 30)로 공급되고, 유리 용융로의 열적 부담을 감소시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유리 제조 방법 중 예열 단계의 다른 예를 보여주기 위한 유리 제조 장치의 도면이다. 도 5를 참조하면, 상기 폐가스(14) 또는 상기 가열된 유입 공기(18)가 상기 원료 혼합이 이루어지는 원료 혼합장치(20)에 마련한 입구(24)와 출구(26)를 통과하면서 유리 원료(10)에 접촉하여 상기 유리 원료를 예열하도록 할 수도 있다. 상기 폐가스(14) 또는 상기 가열된 유입 공기(18)는 원료 혼합장치(20) 하단에 있는 입구(24)를 통해 원료 혼합장치(20) 내에 공급이 된다. 폐가스(14) 또는 가열된 유입 공기(18)는 원료 혼합장치(20) 내의 유리 원료(10)에 열을 전달하고 냉각된 후 원료 혼합장치(20) 상단에 있는 출구(26)를 통해 원료 혼합장치(20)로부터 빠져 나간다. 이 때에도 유리 원료(10)가 움직이는 방향과 폐가스(14) 또는 가열된 유입 공기(18)의 흐름 방향은 서로 반대가 된다. 원료 혼합장치(20) 내에서 예열되며 혼합된 유리 원료(11)는 후속적으로 유리 용융로(도 2 및 도 3의 참조부호 30)로 공급된다.
이와 같이 벨트(22) 쪽에서 유리 원료(10)를 예열하도록 하면 원료 혼합장치(20)에 입구(24)와 출구(26)를 마련하는 등의 변경을 가하지 않아도 되므로 간단한 장점이 있다. 원료 혼합장치(20) 내에서 유리 원료(10)를 예열하도록 하면 외부로 열을 덜 빼앗기게 되므로 에너지 절약에 더 효과적이다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
10, 11...유리 원료 12, 13...용융된 유리
14, 15, 16...폐가스 17, 18, 19...공기
20...원료 혼합장치 30...유리 용융로
40...감압 탈포조 50...성형 장치
60...폐가스/공기 열교환기

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 원료 혼합장치 내에서 유리 원료를 혼합하는 혼합 단계;
    상기 유리 원료를 유리 용융로에서 가열하여 용융 유리를 생성하는 용융 단계;
    상기 용융 유리에 포함되는 기포를 제거하는 감압 탈포 단계; 및
    상기 용융 유리로부터 유리를 성형하는 성형 단계를 포함하고,
    상기 감압 탈포 단계에서 상기 용융 유리에 접촉하고 있는 가스 및 증발 성분들을 포함하는 폐가스를 인출하여 상기 혼합 단계의 유리 원료 예열에 사용하되, 폐가스/공기 열교환기를 사용함으로써 상기 폐가스 내의 폐열이 상기 열교환기에서 유입 공기를 가열시키고 가열된 유입 공기를 상기 유리 원료에 접촉시켜 상기 유리 원료를 예열하도록 하며,
    상기 혼합 단계에서는 상기 유리 원료가 벨트에 의해 이송되어 상기 원료 혼합장치 내에서 혼합되며, 상기 가열된 유입 공기가 상기 벨트 상의 유리 원료에 접촉하여 상기 유리 원료를 예열한 후에 예열된 상기 유리 원료가 상기 원료 혼합장치 내로 투입되며, 상기 벨트에 의한 상기 유리 원료의 이송 방향과 가열된 유입 공기의 흐름 방향은 서로 반대인 것을 특징으로 하는 유리 제조 방법.
  7. 원료 혼합장치 내에서 유리 원료를 혼합하는 혼합 단계;
    상기 유리 원료를 유리 용융로에서 가열하여 용융 유리를 생성하는 용융 단계;
    상기 용융 유리에 포함되는 기포를 제거하는 감압 탈포 단계; 및
    상기 용융 유리로부터 유리를 성형하는 성형 단계를 포함하고,
    상기 감압 탈포 단계에서 상기 용융 유리에 접촉하고 있는 가스 및 증발 성분들을 포함하는 폐가스를 인출하여 상기 혼합 단계의 유리 원료 예열에 사용하되, 폐가스/공기 열교환기를 사용함으로써 상기 폐가스 내의 폐열이 상기 열교환기에서 유입 공기를 가열시키고 가열된 유입 공기를 상기 유리 원료에 접촉시켜 상기 유리 원료를 예열하도록 하며,
    상기 가열된 유입 공기가 상기 원료 혼합장치 내를 통과하면서 상기 유리 원료에 접촉하여 상기 유리 원료를 예열하도록,
    상기 원료 혼합장치 하단에 입구를 마련하고 상기 원료 혼합장치 상단에 출구를 마련하여, 상기 가열된 유입 공기가 상기 입구를 통해 상기 원료 혼합장치 내에 공급이 되고 상기 원료 혼합장치 내의 유리 원료에 열을 전달하고 냉각된 후 상기 출구를 통해 상기 원료 혼합장치로부터 빠져 나가게 하고, 상기 유리 원료는 상기 원료 혼합장치의 상단으로부터 공급되어 상기 원료 혼합장치 내부에서 혼합된 후 상기 원료 혼합장치의 하단을 통하여 상기 유리 용융로에 공급이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 유리 제조 방법.
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