KR20060046252A

KR20060046252A - 유리용해로용 전극장치

Info

Publication number: KR20060046252A
Application number: KR1020050045359A
Authority: KR
Inventors: 로타 로트
Original assignee: 베타일리궁겐 조르그 게엠베하 운트 코. 카게
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2006-05-17
Also published as: TW200604121A; CN1715222A; DE102004031241A1; EP1613130A1; RU2005120070A; US20050286604A1; DE102004031241B4

Abstract

본 발명은 용해면(20) 위쪽에 냉각관 및 금속제 가열전극(7)이 장치된 하나의 전극 지지부(9)와, 하나의 용해조(1)로 이루어진 유리 용해로용 전극장치에 관한 것이다. 상기 가열전극(7)은 냉각식 나사 결합부(8)를 통하여 상기 전극 지지부(9)와 결합되어 있으며, 이때 상기 냉각관(24)은 가열전극(7)의 상단부 까지 연장되어 있다. 이때 상기 가열전극(7)의 냉각단부를 외피 재킷(31)을 이용하여 온도차이 및 온도변화로 인한 화학적 침식마모 뿐만 아니라 기계적 균열을 방지하기 위하여, 본 발명에 따라 상기 가열전극(7)의 냉각단부를 세라믹 재료로 만든 외피 재킷(31)으로 감싸주어서 적어도 부분적으로 내식성 및 내열성 금속으로 제작된 보호 케이싱(32) 속에 수장(收藏)하도록 되어 있다. 이때 바람직하게는 상기 세라믹 재킷(31)을 접촉 모르타르(33)를 사용하여 가열전극(7)과 결합시킨다.

유리용해로, 세라믹 재킷, 접착 모르타르

Description

유리용해로용 전극장치{ELECTRODE SYSTEM FOR GLASS MELTING FURNACE}

제1도는 유리용해로의 부분 수직단면도 및 전극 선회장치의 측면도

이다.

제2도는 전극 지지부 및 가열전극의 나사 결합부를 보여주는 부분

수직단면도 이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호설명※

용해조(1) 용해조벽(2)

단열재(2a) 수평바닥(3)

지지구조물(4) 용해로 뚜껑(5)

창문(6) 가열전극(7)

원추형 접촉면(7a) 원추형 단부(7b)

나사 결합부(8) 전극 지지부(9)

외측관(9a) 내측관(9b)

원추면(9c) 지지기둥(10)

드래그 힌지(11) 회전레버(12)

조인트(13) 크랭크 구동기구(14)

운전요원(15) 운전대(16)

선회궤적(17) L자형 관(18)

드래그 힌지(19) 용해면(20)

금속 재킷(21) 냉각수 공급관(22)

냉각수 공급관(23) 냉각제 공급관(냉각관)(24)

공동(空洞)(25) 환상통로(26)

보스(27) 용융유리(28)

글래스 걸 층(29) 글래스 배치 층(30)

실린더형 재킷(31) 보호 케이스(32)

접착 모르타르(33) 하부 환상 전단면(34)

세라믹 내화 시멘트(35) 환상체(36)

본 발명은 하나의 용해조와, 용해면 위에 냉각관 및 금속제 가열전극이 장치된 하나의 전극 지지부로 이루어진 유리 용해로용 전극장치에 관한 것으로서, 상기 가열전극은 냉각식 나사 결합부를 통하여 상기 전극 지지부와 결합되어 있으며, 이때 상기 냉각관은 가열전극의 상단부 까지 연장되어 있다.

융해로 속에 융해된 유리를 가열하는 것은 공지된 바와 같이 가열전극으로 이루어지며, 이때 이 전극들은 융해조의 바닥, 측벽을 통하여 삽입되거나, 또는 위에서 뚜껑을 통하여 융해된 유리 속으로 삽입될 수 있으며, 경우에 따라서는 불가피한 마모 현상 때문에 추가로 삽입될 수 있다. 융해된 유리에 대하여 지속적으로 견딜 수 있는 물질은 현재 까지 알려지지 않고 있다.

상기 용해조의 바닥 및/또는 측벽을 통한 전극도입장치는 교체의 필요성과, 용융유리의 누출을 방지하기 위하여 간극(間隙)을 밀폐하여야 하기 때문에 구조적 및 조작상 비용이 많이 들게 되어있다. 따라서 이러한 경향 때문에 가열전극을 위쪽에서 아래쪽 방향으로 도입하도록 되어 있으므로 침지전극(沈漬電極) 또는 상단전극(上端電極)이라고 불린다.

통상적으로 전극과 그 지지부는 - 냉각을 하든 안하든 간에 - 도전성 나사장치를 통하여 서로 결합되며, 이 나사장치는 전극의 교체 또는 장착을 위하여 분리가능하게 만들어야 한다. 이때 일련의 상반된 문제가 나타난다. 비냉각식 전극의 연결에 있어서는 통상 나사장치가 융해로 외부에 보지되며, 이 경우 명백히 큰 길이의 전극 내지 전극부분을 필요로 하게 된다.

또 다른 문제는 사용된 재료가, 특히 용융유리 표면에 부유(浮遊)하는 장입재료와 특히 침식성이 강한 글래스 걸(glass gall/잔류황산염)에 의하여 부식되기 쉬운 것이다. 용융유리의 표면에 3상계면(三相界面/three phase boundary) 까지 산화작용이 일어나며, 예를 들어 몰리브덴 또는 텅스텐은 약 550℃ 내지 600℃ 이상에서 강력히 산화된다.

유럽특허 제EP 0 465 688 B1호에서 위쪽으로부터 용융유리 속으로 잠침(潛沈)시키는 가열전극이 공개되어 있는 바, 이 가열전극에 있어서는 몰리브덴, 백금, 텅스텐, 경우에 따라서는 이들의 합금으로 이루어지는 막대기 모양의 하나의 가열전극 과 하나의 전극 지지부 사이에 크롬 또는 산화물 입자분산 강화재료(酸化物粒子分散强化材料)로 만든 내식성 중간체(耐蝕性中間體)를 장치하며, 이 중간체의 직경은 가열전극의 직경과 동일하고, 그 중간체 속에는 냉각수가 순환하는 이중벽 냉각관이 동심으로 장치된다. 이때 영구적 사용을 위하여 2개의 나사를 갖도록 설계된 중간체가 시스템 운전시 용융유리 위에 부유하는 상기 침식성 글래스 걸(glass gall)의 높이에 장치된다. 그렇게 함으로써 그러나 때때로 마모 때문에 교체되는 가열전극에 의하여 바로 직전에 공급된 열의 일부분이 한 지점의 용융유리로부터 빼앗기게 된다.

독일특허 제DE 101 32 729 A1호 및 제DE 201 21 350 U1호에서는 침지전극의 공냉(空冷) 및 수냉(水冷) 방식의 장점과 단점에 대하여 세밀하게 검토한 결과, 결국 여러 가지 이유로 수냉방식을 포기하였다. 이때 가열전극과 전극 지지부의 결합부, 예를 들어 나사 결합부의 위치는 가열전극을 통과시키기 위하여 내화외피(耐火外皮)로 피복된 관석(冠石)의 위쪽에 위치한다. 이때 냉각되지 않은 가열전극과, 공기냉각을 위하여 냉각복판(冷却腹板)들이 형성된 전극 지지부 사이의 결합부는 융해로 뚜껑 위를 덮고 있는 격리석(隔離石)들 사이에 위치한다. 이때 용융유리 레벨은 전술한 내화외피 내에 위치하는 바, 여기서는 용융 레벨을 위한 빈 공간에 관하여 언급되어 있지 않기 때문에 관석 안에 용융 레벨이 어떻게 위치하는지가 설명되어 있지 않다. 이때 가열전극은 용융 레벨 아래 까지 보호외피로 감싸여 있고, 이 보호외피는 한편으로는 전극 지지부와 기밀(氣密)하게 용접되어 있어야 하며, 다른 한편으로는 가열전극 쪽으로 공극(空隙)을 두어야 할 것이다. 상기 보호외피는 예 를 들어 내화재료로 이루어져 있어야 하며, 특수강 외피로 감싸져야 할 것이다.

상기 가열전극 뿐만 아니라 특수강 외피 어느 것도 영구적 내마모성을 갖고 있지 않기 때문에, 용융유리와, 경우에 따라서는 용융유리 위에 부유하는 장입원료(裝入原料) 및/또는 글래스 걸이 상기 공극, 즉, 환상간극(環狀間隙) 속으로 침입할 수 있다. 그와 같은 전극 장치는 전극교체를 위하여 융해로 뚜껑으로부터 빼내게 되면, 상기 환상간극 속으로 침입된 재료가 순식간에 고화(固化)되어, 보호외피가 전극 지지부와 용접되기 때문에 전극교체를 어렵게 한다. 이러한 문제에 대한 해결방법은 언급되어 있지 않다.

이때 그러한 문제는 상기 나사 결합부를 융해로 공간 내에 장치하고, 냉각장치를 구비하는 경우에 나타나며, 상기 냉각장치는 통상 동심으로 장치된 냉각수관으로 이루어지며, 냉각수가 상기 냉각수관의 외측면을 통하여 귀환하도록 되어있다. 그와 같은 강제냉각은 온도차를 크게 함으로써 세라믹 재킷 내지 피복이 벗겨 떨어지게 만든다.

독일특허 제DE 100 05 821 A1호에서는 냉각식 특수강 전극이 공개되어 있으며, 이 특수강 전극은 용융유리용기의 바닥 부위에 장치하는데 선호되고 있는 것으로서, 이 경우 전극이 파열하면 용융유리가 누설될 수 있다. 이러한 위험은 오직 측벽 및 저면 전극에 있어서만 존재한다. 따라서 내화부위(耐火部位)의 구멍을 통하여 전극이 삽입된다는 것이다. 또한 상기 설명은 저면전극 만으로 끝맺었다. 위로부터의 전극설치 위치에 관하여 어떤 방법으로 어떤 수단으로 실시하며, 냉각제 주입 및 배출 방법에 관한 자료는 결여되어 있다. 선행기술에 대해서는 전극의 핵심을 지지 장치와 나사로 결합할 수 있다는 것과, 그러나 특수강으로 이루어진 전극외피를 지지장치와 용접이음으로 결합하는 것을 공개되어 있다. 이것은 지지부로부터 분리하여 교체하는 것을 불가능하게 할 것이다. 특히 상부 전극단부 부위에 있어서 유리, 글래스 걸 및 산화성 가스 분위기로 이루어지는 3상계(三相系)의 침식작용에 관해서는 언급되어 있지 않다. 또한 전극이 영구적 내마모성이 아니며, 녹아내린다는 것에 대해서도 언급하지 않았다. 전체 전극 길이에 연하여 뻗어있는 냉각제 유동공간은 전극의 외피가 녹아내릴 때 구멍이 생겨서 냉각제가 고온 용융유리와 접촉하게 되어 증기폭발을 일으킬 수 있는 것이다.

동일한 유형의 유럽특허 제EP 0 372 111 B1호는 제6도에서 전극부분의 전형적 용해형태를 공개하였다. 그와 같이 본질적으로 순수한 금속전극은 냉각되지 않은 부분으로부터는 열을 덜 빼앗기 때문에 근본적으로 보다 양호한 열효율을 갖고 있다. 여기서 고려하여야 할 것은 그러한 전극은 동일한 용융유리 속에서 여러 번 사용된다는 것이다. 이때 침식과 열효율은 정반대로 나타난다. 제6도는 어떠한 방법으로 뒤에 놓인 전극부분이 소모되느냐를 보여주고 있다. 하부 나사 결합장치는 냉각관이 중단되어 있기 때문에 냉각되지 않는다. 오히려 이에 대해서는 전극들이 이상적인 경우에 있어서는 완전히 사용되고, 전극재료의 잔존물이 생기지 않는다는 것이다. 그와 같은 용해반응(譯註: 녹아 없어지는 성질)은 상기 독일특허 제DE 100 05 821 A1호에 있어서는 냉각장치에 구멍이 생기게 될 것이므로 특허대상으로 생각할 수 없을 것이다.

상기 독일특허 제DE 100 05 821 A1호 및 유럽특허 제EP 0 372 111 B1호 양쪽 의 유일한 공통점은 전극의 상단부가 부식 및 산화에 의한 마모되는 것을 방지하기 위한 아무런 추가적인 보호장치를 발표하지 않았다는 것이다.

본 발명의 과제는 따라서 모두에서 설명한 유형의 전극장치에 있어서 전극의 냉각단부를 광물재료로 이루어지는 외피 재킷(jacket)으로 감싸주고, 이 외피 재킷에 의하여 과도한 화학적 마모뿐만 아니라, 온도차 및 온도변화로 인한 기계적 균열을 방지할 수 있는 전극장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

모두에 제시된 전극장치에 있어서 상기 과제는 본 발명에 따라 가열전극의 냉각단부를 세라믹 재료로 되는 재킷으로 감싸주고, 상기 세라믹 재료를 적어도 부분적으로 내식성 및 내열성 금속으로 만든 보호 케이스 속에 최대한 장입함으로써 해결한다.

그렇게 함으로써, 본 발명의 과제는 완전히 해결되며, 따라서 상기 재킷은 과도한 화학적 마모에 대해서 뿐만 아니라, 온도차 및 온도변화로 인한 기계적 균열도 방지할 수 있다.

이때 상기 전극 지지부는 용융표면 위쪽에 장치하여, 가열전극 상단부 까지 연장시키고, 상기 가열전극의 냉각단부는 세라믹 재료로 되는 재킷으로 둘러싸주며, 다시 세라믹 재킷 자체를 내식성 및 내열성 금속으로 되는 보호 케이싱 속에 장입시키는 것이 중요하다. 냉각제공급관의 한계를 전적으로 가열전극의 상단부로 제한함으로써 가열전극의 비교적 긴 여분의 길이가 마지막으로 소모될 때 냉각관에 구멍이 나서 냉매가 누출되어 증기폭발이 일어나는 것을 방지하여 준다. 그렇게 함으로써 전극의 전체길이에 연하여 완전냉각을 일으키게 될 온도저하를 완화시키게 되므로 보다 향상된 열효율을 달성할 수 있다.

아래에 열거하는 본 발명의 여러 가지 형태들을 망라하여 - 개별적으로 또는 조합하여 - 실시할 경우에는 특히 유리할 것이다. 즉,

*세라믹 재킷을 접착용 모르타르를 사용하여 가열전극과 결합시키며,

*상기 세라믹 재킷은 알미늄-지르콘-규산염 그룹으로 용융주조된 재료로 이루어지며,

*상기 세라믹 재킷은 중공 실린더 모양으로 형성되며, 벽 두께가 10 내지 30 mm이고, 길이가 80 내지 150 mm가 되며,

*상기 접착 모르타르는 지르콘-뮬라이트 그룹 성분의 재료로 이루어지며,

*상기 접착 모르타르는 0.5 내지 2 mm의 두께로 형성되고,

*상기 보호 케이싱은 철-크롬-합금 구룹으로 되는 재료로 이루어지며,

*상기 보호 케이싱은 예를 들어 PM-1000형(形)의 특수강으로 이루어지고,

*상기 보호 케이스는 0.25 내지 1.0 mm의 벽 두께를 가지며,

*상기 보호 케이싱은 적어도 세라믹 재킷의 외피 둘레 표면을 둘러싸주고, 그리고/또는

*상기 보호 케이싱과, 상기 전극 지지부와 결합되는 세라믹 재킷의 상부 전단면을 베이킹 시멘트(baking cement)로 피복하는 경우 등이다.

다른 세부사항들과 장점들이 아래 상세설명에 기술되어 있다.

본 발명의 요지에 대한 일 실시예 및 그 운전방법에 관하여 첨부도면 제1 및 2도를 이용하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 수직벽(2)과 수평바닥(3)을 갖고 있는 용해조(1)의 부분 절취도로서 상기 용해조의 수평바닥(3)은 2중-T-형재(型材)로 이루어진 지지구조물(4) 위에 지지되어 있다. 상기 용해조(1) 위쪽에는 용해로 뚜껑(5)이 덮여있다. 이 용해로 뚜껑(5)과 용해조벽(鎔解槽壁)(2) 사이에는 가열전극(7)이 용해조 안으로 또는 바깥으로 선회하여 출입하기 위한 최소 1개 이상의 용해조 창문(6)이 형성되어 있으며, 상기 가열전극(7)은 나사 결합부(8)를 통하여 전극 지지부(9)와 결합되어 있다. 상기 나사 결합부(8)는 제2도에 상세히 도시되어 있다.

상기 용해조(1)의 외부에는 수직 지지기둥(10)이 상기 지지구조물(4) 위에 고정되어 있으며, 그 지지기둥(10)에는 드래그 힌지(drag hinge)(11)가 고정되어 있고, 그 힌지를 중심으로 회전 레버(12)가 조인트(13)와 함께 선회하도록 되어있다. 가열전극(7)의 상대적 각도위치와 그에 따른 잠침(潛沈) 깊이를 크랭크 구동기구(驅動機構)를 이용하여 조절할 수 있다. 상기 가열전극의 선회조작은 운전대(16) 위에 서있는 운전요원(15)이 수행한다. 상기 전극 지지부(9)의 L자형 관부분(18)의 맨 바깥쪽 지점의 선회궤적(旋回軌跡)(17)은 점선으로 표시된 원호로 보여주고 있으며, 용해조(1) 내의 용해면(20)은 실선으로 표시되어 있다.

상기 용해조벽(2)은 내부에 단열재(2a)를 개재(介在)시키고 바깥쪽에 금속 재킷(21)으로 둘러싸며, 상기 금속 재킷(21) 위에 - 도면에는 상세히 도시하지 않았으 나 - 다수의 냉각수 노즐들을 장치하였으며, 냉각수 노즐들은 냉각수 공급관(22, 23)에 연결되어 있다. 상기 전극 지지부(9)를 밖으로 완전히 선회시키면 가열전극(7)을 용해조(1) 밖에서 교체할 수 있다는 것을 알 수 있다.

제2도는 특수강과 같은 고열 및 화학적, 기계적 작용에 내성을 갖는 재료로 되는 외측관(9a)과, 동(銅)과 같이 양도체 재료로 되는 내측관(9b)으로 이루어지는 전극 지지부(9)의 용해로 내측단부를 도시하고 있다. 상기 내측관(9b)은 하단부에 내측 나사와 원추면(9c)을 가지고 있다.

상기 전극 지지부(9)의 내부에는 냉각제 공급관(24)이 들어있으며, 그 냉각수 공급관(24)의 단부는 상기 전극 지지부(9)의 단부 위로 현저히 솟아 나와서 가열전극(7) 내부에 형성된 공동(空洞)(25) 속으로 뻗어있다. 그렇게 함으로써 예를 들어 물과 같은 냉각제를 가열전극(7)의 상단부로 도입하고, 환상통로(26)를 통하여 다시 전극 지지부(9)로 귀환시키도록 되어있다.

상기 가열전극(7)의 상단부는 직경을 감소된 나사 결합부(7a)와 원추형 단부(7b)를 가지고 있으며, 상기 원추형 단부(7b)는 내측관의 원추면(9c)에 대하여 상보적(相補的)적으로 형성하여 나사 결합함으로써 양호한 전기적 접촉을 이루도록 되어있다. 상기 냉각제 공급관(24)은 상기 전극 지지부(9) 속에 보스(boss)(27)를 이용하여 동심으로 고정되어 있다.

제1도에 도시된 용해조(1)의 내용물(함유물)은 용융유리(28)와, 그 용융유리(28) 위에 부유(浮遊)하는 글래스 걸 층(glass gall layer)(29)과, 다시 그 위에 재활용 폐품 유리조각이 섞여있는 유리원료로부터 나오는 글래스 배치 혼합물층(glass batch mixture)(30)로 이루어진다.

용융유리표면(20), 글래스 걸 층(29) 및 글래스 배치 층(30) 부위에 있어서, 상기 가열전극(7)은 특수강과 같은 내식성 및 내열성의 얇은 외피로 만든 보호 케이스(32)로 둘러싼 중공(中空) 실린더형 세라믹 재킷(31)으로 덮어씌워져 있다. 상기 실린더형 재킷(31) 자체는 접착 모르타르 층(層)(33)에 의하여 가열전극(7)과 접착되어 있다. 상기 재킷(31)의 하부 환상(環狀) 전단면(34)은 금속 링으로 폐쇄할 필요가 없다. 그러나 상기 재킷(31)의 전극 지지부(9) 쪽으로 상부 환상 전단면을 세라믹 내화(耐火) 시멘트(35)로 형성된 비드(bead)로 밀폐하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 원추형 접촉면(7b 및 9c) 쪽으로 기계적 과강도(過强度/overrigid)를 방지하기 위하여 이 지점에 원판(圓板) 모양의 공극(空隙)을 남겨두어서 폐쇄 되도록 하는 것이다. 스패너(spanner)또는 렌치(wrench)를 걸 수 있도록 하기 위하여 상기 전극 지지부(9)의 하단 부위에 다각형 외측면을 갖는 환상체(36)를 장치한다.

따라서 상기 나사 결합부(8)는 내부냉각장치에 의하여 장기간 사용 후 해체가 용이 하며, 보호 케이스(32)로 밀봉된 상기 재킷(31)은 급격한 온도경사로 인한 파열 및 주위의 침식성 매질에 의한 부식으로부터 보호될 수 있다는 것을 알 수 있다.

Claims

하나의 용해조(1)와, 그의 용해면(20) 위쪽에 장치된 하나의 전극 지지부(9)로 이루어져 있으며, 상기 전극 지지부(9)는 하나의 냉각관(24)과 하나의 금속제 가열전극(7)을 가지고 있고, 상기 가열전극(7)은 냉각식 나사 결합부(8)를 통하여 상기 전극 지지부(9)와 연결되며, 이때 상기 냉각관(24)은 가열전극(7)의 상단부 까지 삽입되는 유리 용해로용 전극장치에 있어서,

상기 가열전극(7)의 냉각식 단부는 세라믹 재료로 되는 하나의 재킷(31)으로 둘러싸여 있으며, 다시 상기 재킷(31) 자체는 내식성 및 내열성 금속으로 이루어진 보호 케이스(32) 속에 최대한 장입(裝入)하는 것을 특징으로 하는 유리 용해로용 전극장치.
제1항에 있어서,

상기 세라믹 재킷(31)은 접착 모르타르(33)에 의하여 상기 가열전극(7)과 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 유리 용해로용 전극장치.
제1항에 있어서,

상기 세라믹 재킷(31)은 알미늄-지르콘-규산염 그룹으로부터 용융주조된 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유리 용해로용 전극장치.
제3항에 있어서,

상기 세라믹 재킷(31)은 중공 실린더형으로 형성되며, 그 벽두께는 10 내지 30 mm이고, 길이는 80 내지 150 mm로 만드는 것을 특징으로 하는 유리 용해로용 전극장치.
제2항에 있어서,

상기 접착 모르타르(33)는 지르콘-뮬라이트 그룹의 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유리 용해로용 전극장치.
제2항에 있어서,

상기 접착 모르타르(33)의 두께는 0,5 내지 2,0 mm인 것을 특징으로 하는 유리 용해로용 전극장치.
제1항에 있어서,

상기 보호 케이스(32)는 철-크롬-합금 그룹의 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유리 용해로용 전극장치.
제1항에 있어서,

상기 보호 케이스(32)는 특수강으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유리 용해로용 전극장치.
제1항에 있어서,

상기 보호 케이스(32)의 벽두께는 0.25 내지 1.0 mm인 것을 특징으로 하는 유리 용해로용 전극장치.
제1항에 있어서,

상기 보호 케이스(32)는 적어도 상기 세라믹 재킷(31)의 외주면(外周面)을 덮도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 유리 용해로용 전극장치.
제10항에 있어서,

상기 보호 케이스(32) 및 상기 세라믹 재킷(31)은 내화(耐火) 시멘트(35)로 피복되어 있으며, 상기 세라믹 재킷(31)은 전극 지지부(9)와 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 유리 용해로용 전극장치.