KR102060591B1 - 물리적 버블러를 사용한 유리 청징 방법 - Google Patents

Abstract

유리 용융물을 청징하는 방법은, 용융 용기에서 유리 용융물을 제공하는 단계, 상기 유리 용융물을 제 1 채널을 통해 청징 용기로 이동시키는 단계, 및 청징된 유리를 형성하기 위해, 상기 청징 용기에서 상기 유리 용융물에 기체 버블을 물리적으로 도입시키는 단계;를 포함하며, 상기 용융 용기 및 상기 청징 용기는 서로 수평 배향으로 위치한다.

Description

물리적 버블러를 사용한 유리 청징 방법{GLASS FINING METHOD USING PHYSICAL BUBBLER}

본 출원은 미국 35 U.S. C.§ 120 하에, 2013년 2월 5일에 출원된 미국 출원 제13/759578호와, 미국 35 U.S.C.§ 119 하에, 2012년 2월 27일에 출원된 미국 가출원 제61/603581호의 우선권 주장 출원이며, 상기 출원 및 가출원의 전체 내용은 참조로서 본원에서 병합된다.

본 발명은 일반적으로 유리 청징 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 저비용으로 유리 제조에 사용될 수 있는 버블링 단계(bubbling)를 포함한 유리 청징 방법에 관한 것이다.

기상 함유물(gaseous inclusions)은 열이 가해지는 원료의 반응에 의해 유리의 용융 중에 일반적으로 발생된다. 그 후, 기상 함유물은 다양한 방식으로 제거될 수 있다. 버블을 제거할 수 있는 4 개의 일반적인 유형은 다음과 같다: 대형 용융 용기(large melting vessel)에서, 뱃치 재료(batch materials)는 자유-표면이 존재하는 용기의 앞면 근처에서, 상기 용기의 후면에 추가되고, 유리의 버블(bubbles)은 제거되되, 상기 버블이 유리 및 팝(pop)의 표면에 상승될 시에 제거되거나; 또는 뱃치는 용융 용기의 후면에 공급되고, 상기 유리는 온도가 용융 용기보다 높은 청징 용기(fining vessel)로 이동하고, 상기 버블은 표면 및 팝으로 상승되거나; 또는 뱃치는 용융 용기의 후면에 공급되고, 상기 유리는 온도가 용융 용기보다 높은 청징 용기로 이동되고, 화학적 청징제는 뱃치에 추가되어 높은 온도에서, 유리가 청징 용기에 이를 시에, 청징제는 기체를 방출하여, 현존하는 버블 크기의 상승률을 개선시키기 위해 증가되고, 이로 인하여, 청징이 개선되거나; 또는 뱃치는 용융 용기의 후면에 공급되고, 유리는 온도가 용융 용기보다 높은 청징 용기로 이동되며, 그리고 진공은 청징 용기에서 유리 표면 상에 잡아 당겨지게 되고, 이때 상기 청징 용기는 이에 반응하여 버블이 상기 표면 및 팝으로 상승되도록 한다.

수많은 기상 함유물은 장비, 유리 조성물, 및 동작 셋업의 특정 요소에 의존하여 성과를 변화시키는 상기의 방법을 사용하여 제거될 수 있다. 그러나, 저비용으로, 그리고/또는 기상 함유물을 최소화하여 청징하는 방법이 필요하다.

유리를 제조하는 방법에서, 예를 들면, 유리는 용융 용기로부터 청징 용기로 이동하며, 강제적인 버블링(단일 버블러, 열을 이룬 버블러(bubblers) 또는 다수의 열을 이룬 버블러일 수 있음)은 청징을 개선시키기 위해, 예를 들면, 버블을 최소화시키거나 제거시키기 위해 청징 용기에 위치할 수 있다.

일 실시예는 유리 용융물을 청징하는 방법이고, 상기 방법은 용융 용기에서 유리 용융물을 제공하는 단계, 상기 유리 용융물을 제 1 채널을 통해 청징 용기로 이동시키는 단계, 및 청징된 유리를 형성하기 위해, 상기 청징 용기에서 상기 유리 용융물에 기체 버블을 물리적으로 도입시키는 단계;를 포함하며, 상기 용융 용기 및 상기 청징 용기는 서로 수평 배향으로 위치한다.

추가적인 특징 및 이점은 다음에서 설명되는 상세한 설명에서 기술될 것이며, 기술 분야의 통상의 기술자는 상세한 설명을 손쉽게 부분적으로 명확하게 이해하거나, 첨부된 도면뿐만 아니라, 기재된 설명 및 청구하에서 기술된 바와 같이, 실시예를 실행함으로써 인지할 수 있을 것이다.

이해하여야 하는 바와 같이, 앞서 말한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두는 단지 예시적인 것에 불과하고, 청구항의 특징 및 특성을 이해할 수 있는 개요 또는 틀을 제공한다.

첨부된 도면은 추가 이해를 제공하기 위해 포함되고, 이러한 명세서의 일부에 병합되고, 상기 명세서 일부를 구성한다. 도면은 하나 이상의 실시예(들)를 도시하되, 다양한 실시예의 원리 및 동작을 설명해주기 위한 설명과 함께 도시된다.

도 1은 일 실시예에 따른 방법을 제시하기 위해 도시된 개략도이다.
도 2는 기포(blister)(기상 함유물) 제거 거리를 나타내는 수학적 모델링 결과물의 그래프이다.
도 3a는 청징 용기에서 버블링 없이 유리 유동 및 온도를 도시한 도면이다.
도 3b는 청징 용기에서 버블링이 있는 유리 유동 및 온도를 도시한 도면이다.

실시예는, 현존하는 공정인 경우에서, 버블러(들)가 없는 것과 같은 품질을 얻기 위해, 청징 용기를 통해 청징 처리된 유리의 처리량을 증가시키는 등의 하나 이상의 이점을 제공할 수 있고, 이는 비용/단위에서 줄어드는 현존 장비 풋프린트(equipment footprint)의 총 판매 감소를 증가시킬 수 있다. 새로운 공정의 경우에, 이는 순자금 절약을 위해 만들어진, 작고 저렴한 청징 용기를 가능케 할 수 있다. 더구나, 이는, 손실 증가 없이 우월한 품질을 제공하기 위하여, 유리 제품의 허용 가능한 기상 함유물 크기를 감소시키는데 사용될 수 있는 청징 용기로부터 제거될 수 있는 최소 기상 함유물 크기의 감소를 가능케 한다. 또한, 이는, 기상 함유물의 총수의 증가를 가능케 하여(상기 기상 함유물은 청칭으로 제거되어 용융 용기의 풋프린트를 감소시키는데 사용될 수 있음), 청징 용기에 대해 버블 적재 현상(bubble loading)을 증가시키되, 품질의 손실 또는 악화 증가 없이, 증가시킨다.

일 실시예는, 도 1에 도시된 바와 같이, 유리 용융물을 청징하는 방법(100)이며, 상기 방법은 용융 용기(12)에서 유리 용융물(10)을 제공하는 단계와, 유리 용융물을 청징 용기(14)로 이동시키되, 제 1 채널(16)을 통하여 이동시키는 단계와, 그리고 청징된 유리(11)를 형성하기 위해, 상기 청징 용기에서 기체 버블(18)을 유리 용융물에 물리적으로 도입시키는 단계를 포함하고, 상기 용융 용기 및 청징 용기는 서로 수평 배향으로 위치한다.

일 실시예에 따라서, 기체 버블을 유리 용융물에 물리적으로 도입시키는 단계는 적어도 하나의 버블러(20)를 통하여, 유리 용융물에서의 버블을 발생시키는 단계를 포함한다. 단일 버블러, 열(row)을 이룬 버블러 또는 다수의 열을 이룬 버블러는 청징 현상, 예를 들면, 기상 함유물의 최소화를 개선시키기 위해, 청징 용기의 후면에 위치할 수 있다.

일 실시예에서, 유리 용융물을 이동시키는 단계는 유리 용융물을, 버블러 상에 위치한 청징 용기의 일부(22)로 이동시키는 단계를 포함한다. 버블은 청징 용기의 입구에서 상부 방향의 힘을 생성하고, 이로 인해 용융 용기로부터 제 1 채널(16)을 통하여 용기로 들어가는 기상 함유물은 단독 Stokes Law (버블 상승)에 의한 것보다 상부 방향으로 빨리 잡아 당겨진다. 그러므로, 기상 함유물은 버블링 없는 것보다 빨리 유리의 표면에 이르게 되고, 상기 기상 함유물은 보다 효율적으로 제거된다.

일 실시예에서, 버블러, 열을 이룬 버블러 또는 다수의 열을 이룬 버블러는 청징 용기의 후면에 위치한다. 일 실시예에서, 청징 용기는 고 종횡비를 가지고, 예를 들면, 폭에 비해 적어도 1.5 배 긴 길이를 가지고, 예를 들면, 1.5 배 긴 길이, 예를 들면, 1.6 배 긴 길이, 예를 들면, 1.7 배 긴 길이, 예를 들면, 1.8 배 긴 길이, 예를 들면, 1.9 배 긴 길이, 예를 들면, 2.0 배 긴 길이, 예를 들면, 1.5 배 내지 2.0 배 긴 길이를 가진다. 청징 용기의 고 종횡비와 조합된 후면의 버블링은 유리의 열 대류가 크게 방해되지 않는 조건을 만들어 낸다.

용융 용기는 내화성 세라믹 블럭(blocks)으로 구성되고, 백금 또는 백금 합금으로 만들어지거나 만들어질 수 없다. 일 실시예에서, 방법은 용융 용기에서 유리 용융물을 가열하는 단계를 더 포함한다. 용융 용기는 단독으로 사용되거나, 또는 유리 용융물 상의 측벽에 위치한 기체/산소 또는 기체/에어 버너와 함께 사용되는 측벽 또는 하부 전극을 포함하는 다수의 방법에 의해 가열된다.

일 실시예에서, 내화성 세라믹(ceramic refractory)으로 구성된 제 1 채널, 예를 들면, 튜브는 유리를 용융 용기로부터 청징 용기로 전달한다. 채널은 또한 강도를 위해 내화성 세라믹 재료를 이룬 백금 또는 백금 합금을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 방법은 제 1 채널에서 유리 용융물을 가열시키는 단계를 더 포함한다. 제 1 채널은 가열 소자를 사용하여 간접적으로 가열될 수 있거나, 또는 채널의 설계에 따라 달라지는, 백금, 예를 들면, 백금 튜브의 직접적인 열을 사용하여 가열될 수 있다. 내화성 채널의 경우에서, 유리 아래의 가열 소자 전극 또는 유리 상의 버너, 또는 이들 둘 다의 혼합으로 가열될 것이다.

청징 용기는 백금 또는 백금 합금으로 만들어지거나 만들어질 수 없는 내화성 세라믹으로 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 방법은 청징 용기에서 유리 용융물을 가열하는 단계를 더 포함한다. 청징 용기는 단독으로 사용되거나, 또는 유리 용융물 상의 측벽에 위치한 기체/산소 또는 기체/에어 버너와 함께 사용되는 측벽 또는 하부 전극을 포함하는 다수의 방법에 의해 가열된다.

버블러 소자는 다음을 포함한 다수의 구성으로 이루어질 수 있다: 청징 용기의 후면에서의 하나의 버블러; 상기 용기의 후면에서의 열을 이룬 버블러; 또는 상기 용기의 후면에서의 다수의 열을 이룬 버블러.

버블러는 효과가 유사한, 서로 다른 기체 조성물의 버블을 만들 수 있는데, 이는 상기 효과가 물리적이기 때문이다. 일부 예시의 버블 기체는 O₂, 공기, N₂, Ar 또는 이들의 조합을 포함한다. 한가지 기체는 유리 조성물뿐만 아니라, 용기에 사용된 재료에 기반한 또 다른 기체에 비해 바람직할 수 있다 - O₂ 및 공기는 유리 또는 내화성 재료를 산화시키고, N₂ 또는 Ar는 유리에서 청징제(예를 들면, 비소 또는 안티몬)를 감소시킬 수 있다. 그러므로, 기체 조성물을 유리 조성물 및 물질 선택에 맞출 확률이 크다 - 청징 용기에서 강제적인 버블링을 통하여 개선된 청징을 초래하는 모든 조합은 포함될 수 있다.

일부 실시예에서, 버블링 비율(bubbling rate)은 상대적으로 낮고, 예를 들면, 12-30 bubbles/minute이고, 여전하게 유리의 물리적인 혼합을 가능케 한다. 일부 실시예에서, 버블링 비율은 12-60 bubbles/minute이다. 60 bubbles/minute에서, 청징 개선은 감소될 수 있지만, 그래도 버블이 없는 것보다는 여전하게 양호하다.

일부 실시예에서, 버블의 평균 직경의 범위는 0.5 내지 3 인치, 예를 들면, 1 내지 3 인치, 예를 들면, 1 내지 2.5 인치, 예를 들면, 1 내지 2 인치이다.

일부 실시예에서, 기체 버블을 물리적으로 도입시키는 단계는 분당 12 내지 60 개의 버블의 범위의 버블링 비율로 버블을 도입시키는 단계를 포함하며, 그리고 상기 버블은 0.5 내지 3 인치의 범위의 평균 직경을 가진다.

일 실시예에 따른 방법은 상기 청징된 유리를 제 2 채널(24)을 통해 성형 공정부로 이동시키는 단계를 더 포함한다. 제 2 채널, 예를 들면, 튜브는 내화성 세라믹으로 구성될 수 있다. 제 2 채널은 예를 들면, 강도를 위해 내화성 세라믹 재료를 이룬 백금 또는 백금 합금을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 따른 방법은 제 2 채널에서 유리 용융물을 가열하는 단계를 더 포함한다. 상기 제 2 채널은 가열 소자, 권취 소자(windings)를 사용하여 가열될 수 있거나, 또는 채널의 설계에 의존하는, 백금, 예를 들면, 튜브의 직접적인 열을 사용하여 가열될 수 있다.

도 2는 기포(기상 함유물) 제거 거리가 청징 용기의 후면에서 버블링 현상이 발생함으로서 줄어드는 것을 도시한 수학적 모델링 결과물의 그래프이다. 예를 들면, 최적의 버블링 비율은 분당 30 개의 버블 이하이다. 분당 12 개의 버블은 또한 매우 양호한 결과를 도시한다. 이러한 비율을 넘어서면, 청징 개선은 감소되기 시작한다. 도 2는 수학적 모델링을 사용하여 다양한 경우의 최종 청징 배출 위치(resulting fine out position)를 도시하고: Case 0은 버블 현상이 없는 것이고, Case 1은 1 인치 버블로 12 bubbles/min의 버블 현상을 보이고, Case 2는 2 인치 버블로 12 bubbles/min의 버블 현상을 보이고, Case 3은 2 인치 버블로 30 bubbles/min의 버블 현상을 보인다. 청징 배출 위치(개시된 모든 버블이 제거되는 용기 아래의 거리)가 작아질수록, 용기 청징은 양호해진다. 선 26, 28, 및 30은 동일한 탱크 깊이에서 lbs/hr이 증가하는 것을 도시한다. 그러므로, 도 2의 그래프에 도시된 이점은 다음과 같다: 청징은 버블링에 의해 개선되고, 상기 버블링에는 최적의 버블링 비율이 있고; 저 비율 버블링은 청칭을 개선시키고, 버블링 비율의 증가는 여전하게 청징이 없는 것에 대해 바람직할 수 있지만, 결국 청징을 악화시킬 것이다.

도 3a는 청징 용기에서 버블링이 없는 유리 유동 및 온도를 도시한다. 회색 음영이 밝아질수록, 온도는 높아진다.

도 3b는 청징 용기에서 버블링이 있는 유리 유동 및 온도를 도시한다. 회색의 음역이 밝아질수록, 온도는 높아진다. 버블링이 있는 경우, 용기(32)의 후면에서 매우 강한 상부 방향의 힘이 있다. 이러한 상부 방향 힘은, 청징하기에 보다 많은 시간을 가능케 하는 유리 표면을 향하여 상부 방향으로 버블(또는 기포 결함)의 유동을 증가시킬 수 있다(용융물의 표면에서 팝 현상).

명확하게 언급되지 않은 이상, 본원에서 설명된 방법은 특정 순서에서 실행되는 단계를 요구하는 것으로 구성될 필요는 없다. 이에 따라서, 방법 청구항은 실제로 단계 순서를 언급하는 것이 아니고, 청구항 및 상세한 설명에서 구체적으로 언급되지 않는다면, 상기 단계는 특정 순서에 제한되는 것이 아니며, 특정 순서로 해석될 필요도 없다.

기술 분야의 통상의 기술자에게 명백한 바와 같이, 다양한 변형 및 변화는 본 발명의 권리 범위 또는 기술 사상으로부터 벗어남 없이 구현될 수 있다. 본 발명의 기술 사상과 실체를 포함하여 개시된 실시예의 변형 조합, 하위 조합 및 변화는 기술 분야의 통상의 기술자에게 일어날 수 있고, 본 발명은 첨부된 청구항 및 이들의 균등물의 권리 범위 내에서 모든 것으로 포함하는 것으로 구성되어야 한다.

Claims (15)

1. 유리 용융물을 청징하는 방법에 있어서,
   용융 용기에서 유리 용융물을 제공하는 단계;
   상기 유리 용융물을 제 1 채널을 통해 청징 용기의 후면 부분으로 이동시키는 단계; 및
   청징된 유리를 형성하기 위해, 분당 12 개의 기체 버블 이상이고 분당 30 개의 기체 버블 이하의 비율로, 상기 청징 용기에서 상기 유리 용융물에 기체 버블을 물리적으로 도입시키는 단계 - 상기 기체 버블은 0.5 내지 3 인치 범위의 평균 직경을 포함함;를 포함하는 유리 용융물 청징 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 유리 용융물에 기체 버블을 물리적으로 도입시키는 단계는, 적어도 하나의 버블러를 통하여 상기 기체 버블을 발생시키는 단계를 포함하는 유리 용융물 청징 방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 유리 용융물을 이동시키는 단계는 상기 유리 용융물을, 상기 적어도 하나의 버블러 상에 위치한 청징 용기의 일부에 이동시키는 단계를 포함하는 유리 용융물 청징 방법.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 기체 버블을 발생시키는 단계는 복수의 버블러를 포함하는 유리 용융물 청징 방법.
5. 청구항 4에서,
   상기 복수의 버블러는 열(row)을 이룬 버블러 또는 다수의 열을 이룬 버블러를 포함하는 유리 용융물 청징 방법.
6. 청구항 2에 있어서,
   상기 평균 직경은 0.5 내지 2 인치 범위에 있는 유리 용융물 청징 방법.
7. 청구항 2에 있어서,
   상기 평균 직경은 1 내지 2 인치 범위에 있는 유리 용융물 청징 방법.
8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 청징 용기의 종횡비 X/Y는 1.5 내지 2.0이고,
   X는 상기 유리 용융물이 상기 청징 용기에서 유동하는 방향을 따른 청징 용기의 길이이고,
   Y는 X에 수직한 청징 용기의 폭인 유리 용융물 청징 방법.
9. 유리 용융물을 청징하는 방법에 있어서,
   용융 용기에서 유리 용융물을 제공하는 단계;
   상기 유리 용융물을 상기 용융 용기로부터 청징 용기의 후면 부분으로 이동시키는 단계 - 상기 청징 용기는 1.5 이상인 종횡비 X/Y를 포함하고, X는 상기 유리 용융물이 상기 청징 용기에서 유동하는 방향을 따른 청징 용기의 길이이고, Y는 X에 수직한 청징 용기의 폭임; 및
   분당 12 개의 기체 버블 이상이고 분당 30 개의 기체 버블 이하의 비율로, 상기 청징 용기에서 상기 유리 용융물에 기체 버블을 물리적으로 도입시키는 단계 - 상기 기체 버블은 0.5 내지 3 인치 범위의 평균 직경을 포함함;를 포함하는 유리 용융물 청징 방법.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 평균 직경은 1 내지 2 인치 범위에 있는 유리 용융물 청징 방법.
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