KR20160039214A - 유도 가열에 의해 유리 라이닝된 금속 물체들을 제조하기 위한 신속하고 경제적인 방법 및 장치 - Google Patents

유도 가열에 의해 유리 라이닝된 금속 물체들을 제조하기 위한 신속하고 경제적인 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

유리 또는 세라믹의 프릿 또는 중합체 재료의 분말이 코팅된 금속 물체가 제어된 조건들 하에서 유도 가열기에 의해 가열된다. 유도 가열에 의해 단지 금속만이 선택적으로 가열된다. 금속이 소망하는 온도에 도달할 때, 코팅은 용융한다. 이러한 프로세스는 상당히 신속하며, 비용이 저렴하고 편리하다.

Description

유도 가열에 의해 유리 라이닝된 금속 물체들을 제조하기 위한 신속하고 경제적인 방법 및 장치 {FAST AND ECONOMICAL METHODS AND APPARATUS FOR MANUFACTURING GLASS LINED METAL OBJECTS BY INDUCTION HEATING}
본 출원은 2013년 7월 19일자로 출원된 미국 가특허 출원 제 61/856,327호의 이익을 주장한다.
본 발명은 유리 또는 세라믹 프릿(ceramic frit) 또는 플라스틱 분말의 코팅을 용융하기 위해 금속 물체(metal object)를 선택적으로 가열함으로써 반응 용기(reaction vessel)들, 교반기(stirrer)들 및 파이프들과 같은 유리, 세라믹 또는 플라스틱 라이닝된 금속 물체를 제조하는 장치 및 프로세스들에 관한 것이다.
유리는 비정질 고체(amorphous solid) 재료이다. 수세기 동안 사용되는 가장 친숙한 유형의 유리는, 전형적으로 약 75% 실리카(SiO2)에 산화나트륨(sodium oxide)(Na20), 산화 칼슘(calcium oxide)(CaO)및 수개의 첨가제들을 더하여 구성된 소다 석회 유리이다. 몇몇 특별한 적용분야들을 위해 사용되는 융합된 석영(주로, Si02로 구성됨)은, 1200℃ 초과의 높은 유리 전이 온도를 갖는다. 정상적으로, 다른 물질들이 프로세싱을 단순화하기 위해 첨가된다. 하나는 탄산 나트륨(Na2CO3, "소다(soda)")이며, 이는 유리 전이 온도를 낮춘다. 석회(CaO), 산화마그네슘(MgO) 및 알루미나(Al2O3)가 보다 양호한 화학적 내구성을 제공하기 위해서 첨가된다. 결과로 발생하는 유리는, 약 70 내지 74 중량% 실리카를 함유하며, 소다 석회 유리로 불린다. 다른 많은 첨가제들이 특별한 적용분야들을 위해 첨가된다. 규산염 유리들의 보편적인 몇몇 유형들의 예들은:(1) 용융 실리카 유리는 전형적으로 매우 낮은 열 팽창을 갖는 실리카(SiO2)로 구성되며 매우 경질이며 고온들(1000 내지 1500℃)에 내성을 갖는다. 이는 또한 날씨에 대한 최고의 내성이 있다. 이는 노 튜브들 및 용융과 같은 고온 적용분야들을 위해 사용된다. (2) 소다 석회 유리는, 전형적으로 72% 실리카 + 14% 산화나트륨(sodium oxide)(Na20) + 2 내지 3% 마그네시아(MgO) + 10% 석회(CaO)+ 0.5 내지 1.0% 알루미나(Al2O3)로 구성된다. 이는 투명하며, 쉽게 형성되며, 창문 유리에 가장 적합하다. 이는 높은 열 팽창을 가지며 열에 대해 열악한 내성을 갖는다. (3) 붕규산 나트륨 유리(Sodium borosilicate glass), Pyrex®는 전형적으로 81% 실리카 + 12% 산화붕소(B2O3) + 4.5% 산화나트륨(Na20) + 2.0% 알루미나(Al2O3)로 구성된다. 파이렉스는, 창문 유리보다 훨씬 더 양호한 열 팽창을 견디며, 화학적 유리제품(chemical glassware), 쿠킹 글래스(cooking glass) 및 카 헤드 램프를 위해 사용된다. (4) 산화납 유리, 크리스탈 유리(crystal glass)는, 전형적으로 59% 실리카(Si02) + 2.0% 산화나트륨(Na20) + 25% 산화납(PbO) + 12% 산화 칼륨(K20) + 0.4% 알루미나(Al2O3) + 1.5% 산화 아연(ZnO)으로 구성된다. 이는, 높은 굴절률(refractive index)을 가지며, 유리 제품의 외관을 보다 반짝이게 만든다. (5) 규산 알루미늄(aluminosilicate) 유리는, 전형적으로 57% 실리카(Si02) + 16% 알루미나(Al2O3) + 4.0% 산화붕소(B2O3) + 6.0% 산화바륨(BaO) + 7.0% 마그네시아(MgO) + 10% 석회(CaO)로 구성된다. 이는, 유리섬유(fiberglass)를 위해 광범위하게 사용되며, 유리 강화 플라스틱을 만드는데 사용된다(예컨대, 보트들 및 낚시대들). (6) 유리 산화물은, 전형적으로 90% 알루미나(Al2O3) + 10% 산화게르마늄(Ge02)으로 구성되며, 극도로 투명한 유리를 위해 사용되며, 통신 네트워크들에서 섬유-광도파로(fiber-optic wave guide)들을 위해 사용된다.
다양한 강 조성물들에 유리, 세라믹, 유리-세라믹 및 플라스틱이 코팅된다. 예컨대, 탄소강(보통, 일반적으로 화학 산업에 사용됨), 오스테나이트계 스테인리스강(매우 낮은 온도들, -120℃만큼 낮은 온도에서 사용될 수 있음) 및 듀플렉스 스테인리스강(duplex stainless steel)(페라이트계-오스테나이트계 강). 듀플렉스 강으로 구성된 유리 라이닝된 장비는, 심미적인 이유들 그리고 살균 요구들 양자 모두를 위해 제약 산업에 의해 요구되는 바와 같이, 경면 마무리(mirror finish)로 폴리싱될 수 있는 스테인리스 외부 표면을 갖는다.
유리들, 세라믹들 및 유리 세라믹들이 요리(culinary) 및 식탁용 식기류(tableware) 적용분야들 양자 모두에 사용된다. 일부 예들에서, 기본 재료들은, 이러한 적용분야들을 위해 평범한 상태, 즉 외부 장식 없이 사용되고 있다. 그러나, 대부분의 소비자들은, 글레이즈들 및 에나멜들에 의해 획득되는 이러한 물품들의 장식적인 외형 또는 마무리를 요망한다. 실제는, 글레이즈들은 투명 유리들이며, 에나멜들은 글레이즈들이며 글레이즈들에는 거기에 색을 제공하기 위해 안료가 추가된다. 이들 양자는, 매우 미세하게 분할된 형태("프릿(frit)")로 코팅될 웨어(ware)의 표면에 도포되고, 이후 웨어 상에 강한 부착력을 갖는 연속적인 필름을 형성하기 위해 소성된다.
유리 라이닝된 용기들 및 다른 화학 프로세싱 장비가 다양한 산업들, 특히 화학물질들 또는 약품들의 저장 또는 반응을 필요로하는 이러한 산업들에서 광범위하게 사용되는 것으로 발견되고 있다. 이러한 장비 발견들은, 예컨대, 몇 개만 예를 들면, 반응, 추출, 서스펜션(suspension) 및 증류 프로세스들을 사용한다. 라이닝들은, 다양한 불리한 온도 및 부식 조건들 하에서 이러한 장비의 사용을 허용한다. 유리 라이닝된 강 장비가 광범위한 화학적 프로세스들에서 사용되며, 이 프로세스들은 약품들, 특수 화학물질(specialty chemical)들, 농업 제품들 및 중합체들의 제조를 포함하는 유독한 화학물질(harsh chemical)들을 포함한다. 유리 라이닝 장비가 사용에 있어서 매력적인 이유들 중 하나의 이유는, 유리가 대부분의 화학물질들로부터 부식성 재료들의 혼합물들까지 공격에 대한 내성이 있다는 것이다. 게다가, 이는 평활하며, 눌러붙지 않는(anti-stick) 표면을 가지며, 세정이 용이하며, 프로세스 재료들에 불순물들을 도입하지 않는다.
유리 라이닝이 종종 공급되는 장비는, 반응기들, 저장 탱크들, 칼럼들, 건조기들 및 필터들 뿐만 아니라 파이프들, 밸브들 및 피팅들을 포함한다. 용기들의 내부 구성요소들, 이를 테면 교반기(agitator)들, 배플들 및 딥 파이프들에 또한 유리 코팅들이 공급된다. 일반적으로, 유리 라이닝된 용기들은, 이들 용기들이 훨씬 더 높은 온도들 및 압력들을 견디도록 만들어질 수 있지만, ~250℃ 이하의 온도들 및 9 - 11 kg/㎠의 압력들에서 작동하도록 설계된다.
금속 반응기 용기들을 코팅하는데 사용된 유리들은, 복잡한 조성물들의 고품질 유리들이다. 이 유리들은, 알칼리성 붕규산염으로서 화학적으로 정의되며, 고온, 전형적으로 600℃를 초과하는 용융 프로세스에 원료를 전함으로써 제조된다. 이들의 주요 특징은, 사실상 모든 유기 또는 무기 물질들에 대해 매우 높은 화학적 불활성도(degree of chemical inertness)가 있다. 이러한 특성은, 매우 광범위한 온도들에 걸쳐 구별 없이 유지되며, 산화 화합물 및 환원 화합물 양자 모두와 접촉하며, 염소화되거나 되지 않는데, 단지 예외들은, 불화수소산(HF)이며 고온들에서 농축된 알칼리 용액들이다.
유리 또는 코팅이 비정질 구조를 가지며 유전체(dielectric)이기 때문에, 에이징(ageing)도 전기화학(electrochemical) 또는 국부 부식(localized corrosion) 어느것도 받지 않는다. 극도로 경질이며, 평활하며 비다공성인 표면은, 내마모성, 눌러붙지 않는 특성들, 미소-식물(micro-flora)의 형성 방지, 세정 및 살균 용이성 및 가스들에 대한 불투과성과 같은 유리 라이닝된 장비에 대한 추가의 귀중하고 유리한 품질들을 추가한다. 이러한 후자의 특징들은, 약품 및 식품 산업들에서 특별한 가치가 있는데, 이는 이 특징들이 제품의 순수함 뿐만 아니라 이의 색, 냄새, 맛 등과 같은 이러한 특징들의 내구성 및 불변성을 위한 전제조건이기 때문이다.
유리 라이닝된 강 아이템들, 이를 테면 유리 라이닝된 용기들은 강과 같은 금속의 베이스 또는 서포트에 확실히 접합되는 유리의 코팅으로 이루어지는 복합재 재료들이다. 용융 유리는 강한 접합물을 형성하기 위해서 금속을 습윤할 수 있어야 한다. 유리 및 금속의 열 팽창은 또한 엄밀히 일치해야(closely matched) 한다. 금속과 유리 사이의 접합은, 특수한 유리, "그라운드 코트" 또는 프라이머의 제 1 라이닝을 사용하여 강 표면을 코팅함으로써 얻어지며, 유일한 기본 기능은 유리 층과 금속 서포트 사이의 양호한 결합(union)을 발생시키는(develop) 것이다. 니켈은, 금속으로서 또는 산화 니켈(II) 층을 통해 유리와 접합할 수 있다. 유리 내의 코발트의 존재는, 금속 이온과 산화 코발트 사이의 화학 반응을 유발한다. 304 번(number) 스테인리스강은 유리와의 접합물들을 형성한다. 강과 유리 사이의 강한 접합은, 약 900℃의 온도에서 소성 프로세스 중 개설되며, CoO 및 NiO와 같은 바인딩 산화물(binding oxide)들의 작용으로부터 유발하는 일련의 복잡한 전자기 반응들의 결과이다. 이러한 접합물의 강도는, 유리 자체 내에 존재하는 접합물들의 강도보다 훨씬 더 높다. 이러한 초기 단계 이후에, 유리 라이닝 사이클은, 유리의 추가의 커버링 층들(통상적으로, 3 개 또는 4 개)의 특정한 그리고 주지된 특징들 및 속성들을 라이닝 또는 코팅에 제공하는 것을 목적으로, 유리의 추가의 커버링 층들의 도포 및 소성을 제공한다.
유리 라이닝된 용기들을 위한 유리는, 수개의 산화물들 및 규산염들로 구성된다. 이는, 혼합되고 융점(melting point)으로 가열되며, 슈트를 통해 비워지며, 빠르게 냉각되며 프릿으로 불리는 입자들로 응고된다. 강에 도포되는 제 1 코트 또는 유리는, 그라운드 코트이며; 이는 제한된 내부식성을 가지며 기본 금속과의 화학적 결합을 발생시키기 위해서 단독으로 사용된다. 그라운드 코트가 도포된 후에, 내화학적 유리가 도포된다. 소망하는 유리 두께(이는 일반적으로 200-5,000 미크론임)가 얻어질 때까지 이러한 절차는 반복된다.
유리 라이닝된 물체들은 이 물체들의 사용중 파손되게 될 수 있다. 유리 라이닝된 장비가 작동하는 경우의 주된 원인은, 용기를 아주 빠르게 가열 또는 냉각함으로써 야기되는 충격 및 열 충격으로부터 유발하는 기계적 파손이다. 이러한 파손은 보수되는 것을 필요로 한다. 보수될 유리 라이닝된 강 탱크의 영역들은 균열(crack)들 및 칩(chip)들의 보수들을 실행하기 위해서 ~800℃로 가열된다. 유리 프릿은, 손상된 영역들을 리플로우하고(reflow) 채워야 한다. 온도 제어는 유리의 유동 속성들로 인해 중요하다. 가열 및 냉각이 너무 빠르거나 너무 느리게 발생한다면, 크레이징(crazing) 및 크래킹(cracking)을 유발할 수 있다.
~1,000 미크론들 또는 그 초과의 두꺼운 유리체 코팅(vitreous coating)을 갖는 용기들 등을 라이닝하기 위한 관습적인 절차는, 일반적으로 다수의 제조 단계들을 포함하며, 건조되고 이후에 소성되는 용기로의 초기 그라운드 코트의 도포와 함께 시작한다. 일부 예들에서, 제 2 그라운드 코트가 도포되며 이는 또한 건조되어야 하며 이후에 별개로 소성되어야 한다. 다수의 커버 코트들, 종종 5 개 또는 그 초과의 코트들이 이후 그라운드 코트 상에 도포되며, 각각은 독립적인 건조 및 소성 단계들을 필요로 한다. 이러한 코팅들이 스프레잉에 의해 도포되며 또는 스프레잉 이후 분말 도포 또는 단독의 분말 도포에 의해 도포된다.
두꺼운(~1,000 미크론) 유리체 라이닝들을 만들기 위한 전술한 프로세스들에서, 다수의 중간 소성 단계들이 요구되어 비경제적이며, 낮은 생산 효율의 제조를 유발한다. 따라서, 두꺼운 커버 코트들이 더 적은 단계들, 바람직하게는 일 단계로 적용될 수 있는 대체 프로세스를 개발할 필요가 있다. 또한, 내부식성의 결함들이 없는 두꺼운 유리체 라이닝들을 만드는 개선된 보다 경제적인 방법에 대한 필요가 있으며, 이는 다수의 중간 가열 단계들 없이 준비될 수 있다.
유리 라이닝은, 자기 에나멜의 형태이며, 대체로 수년 동안 터브(tub)들 및 싱크들에 적용되고 있는 재료와 같다. 이는, 고온, 통상 700℃ 초과의 고온에서 기본 금속 기재에 적용되는 유리, 물 및 점토의 조합이다. 유리는, 상이한 유형들의 붕규산염 유리의 조합이며, 이 유리는 볼 밀(ball mill)에서 대략 밀가루 또는 분말식 설탕의 농도(consistency)인 미세 분말로 연마되며, 이는 200 메시 스크린(mesh screen)을 통해 체로 쳐진다(sifted). 이는, 이후 물, 그리고 바인더로서 작용하는 소량의 점토와 혼합된다. 아주 소량의 다른 무기 재료들이 유리 제형의 점도 및 유동 속성들을 제어하기 위해 추가된다. 물은, 단순히, 블라스팅(blasting)에 의해 적절하게 준비되었던 파이프 또는 피팅의 표면 상에서 유리 재료를 전달하는데 사용되는 매개체(vehicle)이다. 유리 혼합물(종종, 슬립이라 함)이 특수한 스프레이 랜스(lance)들에 의해에 의해 파이프 또는 핏팅들의 내부 표면 상에 스프레이된다. 이후, 파이프 또는 핏팅들은 수분이 제거되는 대략 50 - 60℃의 온도로 건조 오븐들 상에 배치된다. 건조되면, 파이프 및 핏팅들이 특수하게 설계된 노들 내로 배치되며 대략 750℃에서 "소성"된다. 소성 시간은, 철의 크기 및 두께에 따라 그리고 베이스 코트 또는 커버 코트가 도포되는지의 여부에 따라 약간 변할 것이다. 소성 시간들은 전형적으로, 코팅들 각각에 대해 1 내지 2 시간 근처이다.
미국 특허 제4,224,074호는, 유리, 유리-세라믹, 및 세라믹 푸드 서비스 웨어를 위한 글레즈들 및 에나멜들의 데코레이팅에 유용한 프릿들의 제조를 개시하며, 이 프릿들은 약 50-11O×10-7/℃ 사이에서의 열팽창(20℃ 내지 300℃) 계수들, 약 650℃ 내지 775℃에서의 소성에 적합한 점도, 양호한 유리 안정성, 고광택(high gloss) 및 산(acid)들 및 염기(base)들, 특히 상업적인 식기 세척제(dishwasher)들에서 사용되는 바와 같은 세제(detergent)들에 의한 공격에 대해 탁월한 내성을 나타낸다. 프릿들은, 전형적으로 중량 %로, Si02: 29 내지 55%, B203: 7 내지 31%, Al203: 2 내지 8%, Zr02: 5 내지 16%, Na2O4: 20%, Li2O: 0 내지 7%, Na20 + Li20: 6 내지 24% 및 F: 0.75 내지 4%로 구성된다.
유리가 유리 배치(glass batch)에서 산화 지르코늄(Zr02)을 포함함으로써 그리고 유리 배치에서 Zr02의 함량을 증가시킴으로써 내알칼리성으로 만들어질 수 있으며, 결과로 발생하는 유리의 내알칼리성이 증가한다는 것이 일반적으로 공지되어 있다. 예컨대, 일본 특허 공개 공보 제40126/74호는, 내알카리성 유리 섬유들의 제조를 위한 유리 조성물을 개시하는데, 이 조성물은 몰%로, 62 내지 72% 의 Si02, 7 내지 11%의 Zr02, 13 내지 23%의 R20, 1 내지 10%의 R'O, 0 내지 4%의 Al203, 0 내지 6%의 B203, 0 내지 5%의 Fe203, 0 내지 2%의 CaF2 및 0 내지 4%의 Ti02를 포함하며, 여기서,RoO는 산화 리튬으로 대체될 수 있는 2 몰% 이하의 산화 나트륨을 나타내며, R'O는 산화 칼슘(CaO), 산화 아연(ZnO) 및 산화 망간(MnO)으로부터 선택된 알칼리 토금속(alkaline earth metal) 산화물을 나타낸다. 미국 특허 제4,243,421호는 본질적으로 추가로 CaO 및 BaO가 유리 조성물의 중량에 기초하여 5 내지 15%이며, BaO/(CaO+BaO)의 몰비가 0.2 내지 0.8%인 내알칼리성 유리 조성물을 개시한다.
납이 없는 붕규산 아연 유리 조성물들이 공지되어 있으며, 금속 및 세라믹 기재들 양자 모두를 접합하기 위해서 컬러드(colored) 프릿들로서 사용되고 있다. 미국 특허 제4,359,536호는, 의도치 않은 불순물들 및 청정제(refining agent)들을 제외하고, 본질적으로(산화물 베이스에서 중량%로): 25 내지 31 ZnO, 12 내지 20 Si02, 19 내지 35 B203, 1 내지 4 Al203, 5 내지 10 Na20, 7 내지 9 CaO, 2 내지 6 BaO, 0.5 내지 4 Zr02, 1 내지 2 F 및 0 내지 6 K20으로 구성된 75°- 90×1O-7/℃ 범위에서 0℃ 내지 300℃ 사이의 평균 열팽창계수를 갖는 투명하고 광택을 나타내는 납이 없는 프릿 유리를 개시한다. 미국 특허 제3,005,722호는, 세라믹 타입 전계발광 램프(electroluminescent lamp) 디바이스들에 사용하기 위한 이러한 유리 조성물을 개시하며, 여기서 언컬러드 프릿이 자기식(porcelainized) 철 판에 융합될 때 인(phosphor) 입자들의 바인더로서 기능한다. 상기 타입 유리 조성물들에 사용하는 컬러드 에나멜들은 또한 미국 특허 제3,527,649호에 개시되어 있으며, 이는 세라믹 웨어 상에 소성될 때 고도의 칼러드 글레이즈들을 제조하도록 카드뮴, 셀레늄, 철, 구리, 코발트 및 다른 금속 화합물들과 같은 다양한 무기 안료들을 채용할 수 있다. 백열등(incandescent lamp)의 소다 석회 유리 전구 표면으로의 접착을 위해 공지된 아연 붕규산염(zinc borosilicate) 프릿 유리는 다음과 같은 중량%로 전형적인 조성물을 갖는다: ZnO-28.3, Si02-19.4, B203-21.7, Al203-2.7, Na20-4.9, K20-6.1, CaO-4.3, BaO-3.7, Ti02-4.5, F-2.8 및 Sb203-1.6. 이러한 유리 조성물은, 상승된 온도로 소성 중인 동안 거기에 접합될 때 소다 석회 유리의 열팽창 속성을 수용하기 위해서 대략 70 - 80×10-7/℃의 0℃ 내지 300℃ 온도 범위에서의 선형 열팽창 계수를 나타낸다.
미국 특허 제4,537,862호는 납이 없고, 카드뮴이 없으며 아연이 없는 유리 프릿 조성물들을 개시한다. 조성물들은, 개선된 화학적 내성, 특히 일반적으로 약 1.9 중량% 미만의 손실의 산(아세트산) 내성을 갖는다. 조성물들은, B203, Si02, Zr02 및 희토류 산화물들을 포함하며, 희토류 산화물들에 대한 Zr02의 중량 비는 중요하며, 약 1/1 내지 1.4/1이다.
미국 특허 제 4,361,654호는 철판(sheet iron) 그라운드 코트를 위한 불소가 없는(non-fluorine) 자기(porcelain) 에나멜 프릿을 개시하며, 이는 불소를 함유하지 않거나 불소 화합물도 함유하지 않지만, 탁월한 소성 특성을 가지며, 고광택 및 접착성 및 낮은 표면 조도를 갖는 철판 에나멜 내로 작업될 수 있다. 프릿은, 주성분의 100 중량부(part) 및 보조 성분의 7-42 중량부로 구성되며, 상기 주성분은 30-73 중량부의 SiO2 또는 Si02, 및 Ti02, Zr02 및 Sn02 중 적어도 하나와의 혼합물, 8-45 중량부의B2O3, 및 8-41 중량부의 Na20 또는 Na20, 및 Li20와K20 중 적어도 하나와의 혼합물로 구성되며, 상기 보조 성분은 12 중량부 이하의Al2O3, 1-22 중량부의 CaO, BaO, ZnO, MgO 및 SrO 중 적어도 하나, 0 중량부 초과 내지 7 중량부의 MoO3 또는 MoO3, 및 V2O5, P2O5 와 Sb203중 적어도 하나와의 혼합물, 및 0.5-10 중량부의 CoO, NiO, CuO, Mn02 및 Fe203 중 적어도 하나의 혼합물로 구성된다.
미국 특허 제4,731,347호는, 약 60 중량%의 유리 형성체(glass former)들, 30 중량%의 1가 용제(monovalent flux)들 및 10 중량%의 2가 용제(divalent flux)들을 포함하는 유리 프릿을 개시하며; 유리 형성체들은 본질적으로 SiO2 및 B2O3로 구성되며; 1가 용제들은 본질적으로 Li20, Na20 및 K20로 구성되며; 2가 용제들은 CaO, SrO, BaO 및 PbO로 구성된 군으로부터 선택되고; 미량 원소(trace element)들은 10 중량%를 초과하지 않는다. 유리는, 실온으로부터 310℃까지의 범위에 걸쳐 7.2×1O-6/℉/13×1O-6/℃의 열팽창계수를 갖는다. 이는, 대략 510℃의 온도들로 소성될 수 있으며 고품질 코팅 또는 점성 댐퍼(viscous damper)를 제공하도록 기존 실시예들에 따라 적절한 기재에 적용될 수 있는 슬립(slip)을 만드는데 유용하다. 적절한 기재들은, 많은 니켈계 합금들 및 스테인리스강들을 포함한다.
미국 특허 제4,892,847호는, 적절한 농도들로 본질적으로 SiO2 - Bi2O3 - B2O3 - 알칼리 금속 산화물 - Zr02/Ti02로 구성된 유리체 코팅들에 사용하기 위한 납이 없는 유리 프릿 조성물들을 개시한다.
미국 특허 제4,975,391호는, SiO2, B2O3, Al2O3, CaO, MgO, Na20, K20, Li20, BaO, ZnO, TiO2 및 Zr02, 그리고 원자 번호 58 내지 60 그리고 62 내지 71의 하나 또는 그 초과의 란타노이드 원소(lanthanoid element)들로 구성된 군으로부터 선택된 성분을 포함하고 임의의 그라운드 코팅이 없이 직접 코팅 가능한 에나멜 프릿 조성물을 제공한다.
미국 특허 제5,281,560호는 납이 없는 인산 주석계(tin phosphate) 유리들을 개시하며, 이 유리들은 25 내지 50 몰%의 P2O5, 30 내지 70% SnO, 0 내지 15% ZnO를 함유하며, SnO : ZnO의 몰비는, 5 : 1 보다 더 크며, 25% 이하의 R20으로 구성된 군으로부터 선택된 표시된 비율의 하나 이상의 산화물중 총 25% 이하의 효율적인 양을 포함하며, 여기서 R20은 0 내지 25% Li20, 0 내지 25% Na20, 및 0 내지 25% K20, 20% 이하의 B2O3, 5% 이하의 Al2O3, 5% 이하의 SiO2, 및 5% 이하의 WO3으로 구성된다. 유리들은 특히, 전기 및 전자 디바이스들에서 컴포넌트 부품들을 결합하기 위해서 밀봉 재료에서 밀봉 유리 프릿들로서 유용하다. 밀봉 유리 재료는, 시일에서 효과적인 열 팽창 계수를 감소시키기 위해서 밀 추가물(mill addition)들 뿐만 아니라 바람직하게는 120×1O-7/℃ 미만의 열 팽창 계수를 갖는 강도 보강 첨가제를 함유할 수 있다.
미국 특허 제6,100,209호는, 프릿의 유리 구조에서의 금속 부분(moiety)을 감소시키기 위해서 환원제의 존재 내에서 초기 유리 프릿을 가열하고 이후 반응 혼합물을 냉각시킴으로서 준비되는 유리 프릿을 개시한다. 바람직하게는, 준비된 프릿은, 프릿을 함유하는 에나멜 조성물을 그리고 그의 상부에서 트랙들의 형상으로 은 조성물을 창문 유리에 도포하고 그리고 조성물들을 소성함으로써 유리 윈도우들 상에서 에나멜에 전기 전도성 은(silver) 트랙들을 형성하는 방법에서 사용되어, 소성시, 감소된 금속 부분은, 은 조성물로부터 원소인 은까지 에나멜 조성물을 통해 이동하는 은 이온들을 감소시키며, 이에 의해 가시적인 트랙들을 형성하도록 유리와 이들이 상호작용하는 것을 방지하거나 또는 감소시킨다.
미국 특허 제8,278,229호는, 주로 65 내지 75 몰%의 SiO2, 2 내지 8 몰%의 Zr02, 10 내지 22 몰%의 R20(여기서, R은 Li, K, 또는 Cs를 나타냄), 그리고 2 내지 12 몰%의 R'O(여기서, R'은 Mg, Ca, Sr, 또는 Ba를 나타냄)를 포함하는 조성으로 구성된 프릿(프릿은, Na20가 없음)을 포함하는 유리 라이닝을 위한 커버 코팅을 제공하고, 상기 유리 라이닝을 위한 커버 코팅 조성물은, 추가로 금속 섬유를 포함할 수 있다.
다양한 방법들 및 장치가 관형 물품들, 이를 테면 반응기들에 내부 코팅들을 도포하도록 제안되고 있다. 이들에 대한 전형적인 예들은 다음과 같다: 미국 특허 제3,351,289호; 제3,484,266호; 제3,827,633호; 제3,876,190호, 및 제4,150,176호. 일반적으로, 기다란 관형 부재로 구성된 붐(boom)들 또는 랜스(lance)들이 활용된다. 코팅 재료가, 일 단부에 공급되고, 튜브 부분을 통해 코팅될 물품 내에 위치설정되는 붐의 단부에 위치되는 분배 수단으로 그리고 분배 수단을 통해 이송된다. 붐이 물품의 길이를 통해 이동함에 따라, 물품의 내부가 코팅된다.
물품의 내부로 유리체 코팅을 도포하는 가장 널리 사용되는 방법은, 담체(carrier), 이를 테면 물(water)에 미립자 유리체 재료(particulate vitreous material)의 실온 표면 도포를 포함한다. 이는, 일반적으로 스프레이 코팅에 의해 행해진다. 혼합물이 도포된 후에, 물품은 담체를 제거하기 위해 건조되며, 이후 소성된다. 이 프로세스는 소망하는 코팅 두께를 얻기 위해서 수회 반복된다. 대부분의 프로세스들, 이를 테면 미국 특허 제3,484,266호에 개시된 것 및 본원에 기재된 다른 것들은, 초기에는 용기 표면 상에서 미립자 재료들을 분배하고, 후속하여 별개의 단계에서, 마무리처리된 코팅을 얻기 위해서 입자들을 융합(fuse)한다. 후속의 개별 소성 단계가 요구되는 이유는, 기계 장치, 이를 테면 미립자 유리를 공급 및 배분하기 위한 기구들이, 유리 소성 온도들에서 신뢰가능하게 작동하지 않는다는 것이다. 전형적으로, 이러한 온도들은 약 820℃ 내지 약 1010℃ 사이의 범위이다. 이러한 온도에서, 미립자 공급 재료는, 자주 끈적거리게 되어(tacky) 공급 또는 분배가 어려워진다. 그 결과 자주 매끄럽지 않거나(uneven) 이와 다른 결함이 있는(defective) 코팅이 있다.
미국 특허 제4,532,885호는, 그위에 매끄럽고 균일하며 연속적인 융합된 코팅을 형성하도록 응고가능하며 미세하게 분할되는 유리체 코팅 재료의 스트림을, 오목한 물품, 이를 테면 탱크 또는 반응 용기의 가열된 내부 표면 상에 분배시키기 위한 장치를 제공한다. 장치는 그 위에 장착된, 복수 개의 반경 방향으로 지향된 베인들을 갖는 수평으로 장착된 디스크 로터로 구성된다. 베인들은 중심 챔버를 형성하는 로터 중심에 짧게 연장한다. 중심 챔버는 관형 입자 지향 케이지를 포함한다. 이 케이지는 동축으로 정렬되며 그리고 그 내부에 이격되게(spacedly) 위치되는 중공의 중앙 임펠러(hollow central impeller)를 갖는다. 임펠러는 공통의 회전가능한 샤프트에 의해 로터에 연결된다. 미세하게 분할된 유리체 재료의 공급은, 임펠러의 중공 내로 공급되며, 케이지 부재 내로의 임펠러의 개구들을 통해 지향된다. 케이지 부재 내의 임펠러의 회전은, 베인 영역 내로의 케이지 부재의 배출 개구를 통해 이송 재료(feed material)의 계량된 공급(metered supply)을 추출하고, 베인의 원심력에 의한(centrifugally) 회전은 코팅될 표면을 향해 바깥쪽 방향으로 이송 재료를 분배한다.
미국 특허 제5,387,439호는, 화학적 내성 코팅을 준비하는 프로세스를 개시하며, 여기서 기재는 그라운드 코트와 순차적으로 접촉되고, 소성되며, 중간 코트와 접촉되고, 소성되며 커버 코트와 접촉되며 소성된다. 중간 코트는 950℃ 초과의 연화점(softening point), 약 100 내지 약 750 미크론까지의 평균 길이, 약 515 미크론으로부터의 평균 직경, 및 약 10 : 1 내지 약 75 : 1까지의 평균 종횡비를 갖는 소량의 무기 섬유로 구성된다.
유럽 특허 출원 EP1354978는, 유리 라이닝 도포 방법을 개시하는데, 이 방법은 안정적이고 균일한 유리 라이닝 층들이 스테인리스계 재료로 구성된 대형 유리 라이닝된 도구들에 도포되는 것을 가능케 하며, 이 방법은, 베이스 재료와 유사한 스테인리스 재료, Ni 금속, Cr 금속, Fe 금속, Co 금속, Ni-Cr 합금들 및 Fe-Cr 합금들로 구성된 군로 구성된 군으로부터 선택된 용사(thermal spray) 재료를 사용하여 스테인리스 베이스 재료의 표면 상에 용사 처리를 적용함으로써 용사 처리 층을 형성하는 단계, 그리고 이후 그라운드 코트 및 커버 코트, 5 내지 100 미크론 범위 내에 있는 열 용사 처리 층의 표면 조도, 및 3 내지 60 미크론 범위 내에 있는 개방 포어 직경(open pore diameter)을 사용하여 유리 라이닝 열처리에 의해 용사 처리 층 상에 유리 라이닝 층을 형성하는 단계를 포함한다.
EP 0221687는, 약 800 내지 2,000 미크론의 범위 내의 두께를 가지며 다수의 중간 소성 단계들없이 전착(electrodeposition) 방법들에 의해 적용되는, 화학물질들 및 약품들을 제조하며 프로세싱에 사용되는 라이닝 장비 및 액세서리들을 위한 균일하며 내부식성이 있는 유리체 라이닝들을 개시한다.
유도 가열은, 전자기 유도에 의해 전기 전도성 물체(일반적으로, 금속)를 가열하는 프로세스이며, 여기서, 와전류(eddy current)(또한, 푸코 전류(Foucault current)라 부름)가 금속 내에서 생성되며, 저항이 금속의 줄 가열을 유도한다(Valery Rudnev, Handbook of Induction Heating, CRC Press, 2003 ISBN 0824708482). 유도 가열기는, 고주파 교류(AC)가 통과하는 전자석으로 구성된다. 또한, 상당한 상대 투자율(relative permeability)을 갖는 재료들에서의 자기 이력 손실(magnetic hysteresis loss)들에 의해 열이 발생될 수 있다. 사용된 AC의 주파수는 물체 크기, 재료 유형, (워크 코일과 가열될 물체 사이의) 커플링 및 침투 깊이(penetration depth)에 따른다.
유도 가열은, 표면 경화, 용융, 브레이징(brazing) 및 솔더링(soldering)을 포함하는 적용분야들을 위해 적용가능한 아이템의 목표로하는(targeted) 가열을 허용한다. 철 및 그의 합금들은, 이들의 강자성 특성(ferromagnetic nature)으로 인해서, 유도 가열에 가장 양호하게 반응한다. 용융될 수 있는 금속들은, 철/강, 구리, 알루미늄 및 귀금속들을 포함한다. 이는 깨끗하고 비접촉식 프로세스이기 때문에, 진공 또는 불활성 대기에서 사용될 수 있다. 진공로(vacuum furnace)들은, 공기의 존재에서 가열된다면 산화될 수 있는 특수강(specialty steel)들 및 다른 합금들의 생산을 위해 유도 가열을 활용한다.
유도 가열은, 종종 금속 아이템들의 열처리에 사용된다. 가장 보편적인 적용분야들은, 강 부품들의 유도 경화, 금속 컴포넌트들의 결합 수단으로서의 솔더링/브레이징, 및 강 부품의 영역을 선택적으로 연화시키기 위해서 유도 어닐링(induction annealing)이다.
유도 가열은, 고전력 밀도들을 발생시킬 수 있으며, 이는 요구되는 온도에 도달하기 위해서 짧은 상호작용 시간들을 허용한다. 이는, 가열 패턴의 타이트한 제어를 부여하며, 이 패턴은 아주 근접하게 적용된 자기장을 따르며, 감소된 열 변형(thermal distortion) 및 손상을 허용한다.
기본 셋업은, 저전압 그러나 매우 높은 전류 및 높은 주파수를 갖는 전기(electricity)를 제공하는 AC 전원 공급장치(power supply)이다. 가열된 작업부재는, 일반적으로, 무효 전력(reactive power)을 증가시키기 위해서 공진 탱크 커패시터(resonant tank capacitor)와 함깨, 전원 공급장치에 의해 구동된 에어 코일 내부측에 배치된다. 교번 자기장(alternating magnetic field)이 작업 부재에서 와전류를 유도한다. 사용되는 전형적인 주파수는 5 - 1,000 kHz에서 변한다. 더 두꺼운 재료들은 더 낮은 주파수를 필요로 한다. 유도 코일은, 일반적으로 유체 냉각되는 구리 배관으로 만들어진다. 직경, 형상 및 감김 횟수(number of turns)는 효율 및 필드 패턴에 영향을 미친다.
유리, 세라믹 및 플라스틱들에 의한 금속 물체들을 라이닝하기 위해 문헌에서 현재 사용되고 보고된 방법들 및 장치는 여전히 노에서의 대류 가열이다. 전형적으로, 코팅되는 부품들은, 노에서, 일반적으로 전기로에서 가열된다. 이 방법은, 장시간 동안 전체 물체를 가열하는 것을 필요로 하며, 많은 에너지를 필요로 한다. 이러한 수십년된 낡은 시스템들은 매우 비효율적이고 고비용이며 느리다. 금속 부품들의 유도 가열이 공지되어 있지만, 유리, 세라믹, 유리-세라믹 또는 플라스틱에 의해 코팅을 위해 유리에 코팅되는 금속 물체들을 가열하는 것에 대해서는 보고된 것이 없다.
본 발명의 목적은, 유도 가열에 의해 세라믹, 유리 및 플라스틱 층을 이룬 금속 물체들을 제조하는 신속하고, 안전하며, 편리하고 경제적인 방법들 및 장치를 개발하는 것이다. 층들은, 금속 물체의 내부 표면 또는 외부 표면 상에 있을 수 있다.
주 목적은, 유도 가열에 의해 코팅된 유리를 용융함으로써 금속 물체를 유리 라이닝하는 것이다. 바람직한 실시예에서, 금속 물체는 강 또는 철 물체, 예컨대, 강 관 용기(steel tubular vessel)이다.
다른 목적은, 유리 라이닝되거나 코팅된 가정용 도구(utensil)에 관한 것으로, 여기서, 코팅은 유도 가열에 의해 코팅된 유리를 용융시킴으로서 얻어진다.
주 목적은, 유도 가열에 의해 유리를 도포 및 용융시킴으로써 유리 층을 이룬 금속 물체들의 보수이다. 일 실시예는, 유도에 의해 그리고 유도 가열에 의해 생성된 대류 가열에 의해 유리를 도포 및 용융시킴으로써 유리 라이닝된 금속 물체들의 보수에 관한 것이다.
또한, 유리 코팅 조성물을 용융시키기 위해서 유도 가열에 의해 유리 조성물이 코팅되는 금속 물체의 가열 프로세스가 제공된다.
다른 주 실시예는, 그라운드 코트 및 유리 프릿이 코팅된 금속 용기를, 유리 라이닝된 용기를 만들기 위해서 코팅들을 용융시키도록 유도 가열 코일에 의해 가열하는 프로세스에 관한 것이다.
본 발명은, 또한 유리 프릿의 코팅을 갖는 금속 물체를 유지하는 장치 및 유도 가열 시스템에 관한 것이다. 일 실시예는, 유리 프릿의 코팅을 갖는 관형 금속 물체를 유지하는 장치, 유도 가열 시스템 및 금속 물체를 회전시키는 장치에 관한 것이다.
다른 목적은, 코일 또는 금속 물체를 위 또는 아래로 이동시킴으로써 코팅을 용융 시키기 위해서 비교적 더 작은 유도 가열에 의해 유리 프릿이 코팅된 금속 물체를 가열하는 프로세스에 관한 것이다.
유리 프릿이 코팅된 금속 물체 및 유도 가열 코일로 구성된 시스템이 제공된다. 또한, 유도 가열에 의해 금속 물체 위에 코팅된 유리 프릿을 용융시키는 프로세스가 제공된다.
또한, 금속 물체 위에 유리 프릿을 제공하고 유도 가열에 의해 프릿을 용융시키는 프로세스가 제공된다.
본 발명의 다른 목적은, 유도 가열에 의해 가열된 다른 금속 물체로부터 대류 열을 갖는 금속 물체 위에 유리 프릿을 용융시키는 프로세스이다.
금속 물체를 유리 라이닝하는 프로세스가 제공되며, 여기서, 용융된 유리는 유도 가열에 의해 가열된 금속 물체 위에 도포된다. 용융된 유리는, 예컨대 유도 가열에 의해 가열된 금속 물체 위에 스퀴지(squeegee)에 의해 도포될 수 있다.
따라서, 본 발명은 금속 물체 내부측 또는 외부 표면 상에 유리같은 코팅을 층상화하는 프로세스에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 본 발명은 유리 층을 이룬 금속 물체를 만드는 방법에 관한 것으로, 이 방법은 금속 물체 위에 그라운드 코팅 또는 프라이머 층을 배치시키는 단계, 그라운드 코팅 층 상에 유리 코트를 배치하는 단계 및 금속 물체를 유도 가열함으로써 그라운드 코팅 층 및 유리 코트를 용융하는 단계를 포함한다. 금속 물체의 비제한적인 예들은, 강 반응 용기, 다른 반응기들, 저장 탱크들, 칼럼들, 건조기들 및 필터들, 파이프들, 밸브들, 피팅들, 교반기들 및 배플들을 포함한다.
다른 실시예는, 세라믹 층을 이룬 강 가정용 기구들을 만드는 방법에 관한 것으로, 이 방법은 강 가정용 기구들 위에 그라운드 코팅 층을 배치시키는 단계, 그라운드 코팅 층 상에 유리 또는 에나멜 코트를 배치하는 단계, 및 강 가정용 도구를 유도 가열함으로써 그라운드 코팅 층 및 유리 또는 에나멜 코트를 용융하는 단계를 포함한다. 가정용 기구들의 비제한적인 예들은, 날붙이류(cutlery), 및 식기류(tableware)를 포함한다.
프라이머 층이 요구되지 않는 이러한 경우에, 본 발명은 유리 층을 이룬 금속 물체를 만드는 방법에 관한 것으로, 이 방법은 그라운드 코팅 층 상에 유리 코트를 배치하는 단계 및 금속 물체를 유도 가열함으로써 유리 코트를 용융하는 단계를 포함한다.
다른 실시예는, 금속 물체 위에 유리 프릿을 배치하는 단계; 및 유도 가열에 의해 가열된 다른 금속 물체에 의해 발생된 열로부터 대류 가열에 의해 금속 물체 위에 유리 프릿을 용융시키는 단계에 관한 것이다. 유리 프릿은, 유도 가열 시스템에 의해 예열되는 금속 물체 위에 스프레이될 수 있다. 다른 실시예에서, 금속 물체는, 프릿을 스프레이한 후에 가열되지 않는다.
다른 실시예는, 유리 코트가 유리, 세라믹, 유리 세라믹, 에나멜 또는 플라스틱의 분말의 스프레이 코팅인, 프로세스에 관한 것이다.
다른 실시예는, 유리 분말의 코트를 도포하는 단계, 금속을 유도가열하고 금속 물체의 유도 가열에 의해 생성된 대류 열에 의해 분말을 용융시키는 단계를 포함하는 유리 층을 이룬 금속 물체를 보수하는 프로세스에 관한 것이다.
프로세스는, 금속 물체에 유리 분말의 코트를 도포하는 단계, 및 금속 물체의 유도 가열에 의해 발생된 대류 열에 의해 분말을 용융시키는 단계에 의해 변경될 수 있다.
본 발명의 또다른 실시예는, 유도 가열에 의해 물체를 가열함으로써 유리 층이 있는 금속 물체를 세정하는 프로세스에 관한 것이다.
다른 실시예는, 용융된 유리가 금속 물체 위에 도포된 유리 코트인, 프로세스에 관한 것이다. 용융된 유리에는 스퀴지가 도포될 수 있다.
유도 가열 시스템은, 금속 물체 외부측 또는 금속 물체 내부측에 위치되거나, 또는 물체 내부측 및 외부측 양자 모두에 유도 가열 시스템들이 존재할 수 있다.
일부 경우들에서, 금속 물체에서 유리 코트를 용융시키는 열은, 유도 가열에 의해 다른 금속 물체를 가열함으로써 생성된다.
본 발명은, 또한 금속 물체 위에 유리 층을 도포하는 장치에 관한 것으로, 그라운드 코트 및 커버 글래스 코트가 코팅되는 금속 물체, 금속을 유도 가열함으로써 금속 물체를 가열하기 위한 유도 가열 코일 및 금속 물체를 코일의 위 아래로 이동시키는 수단을 포함한다. 다른 실시예에서, 금속 물체는 정지식으로 유지되며, 가열 시스템은 금속 물체를 위 아래로 이동시킨다.
본 발명은 또한 유도 가열 시스템과 물리적 세정 시스템을 조합하여, 금속 물체가 시스템들을 교체하지 않고 세정 및 보수될 수 있는 시스템에 관한 것이다.
전술한 그리고 다른 목적들, 특징들, 및 이점들은 첨부 도면들, 예시들 및 바람직한 실시예에서 예시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예들의 하기 설명으로부터 분명해질 것이다. 본 발명은 도면들과 함께 하기에 보다 완전하게 설명된다:
도 1은 관형 강 용기로부터 녹(rust)을 제거하기 위한 급속한 표면 세정 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는 도 1의 급속한 표면 세정 시스템의 개략적인 횡단면도를 도시한다.
도 3은 전체 관형 용기(vessel)를 가열하기 위한 유도 가열 시스템의 개략도를 도시한다.
도 4는 이동하는 관형 용기의 선택적인 부분 가열을 위한 유도 가열 시스템의 개략도를 도시한다.
도 5는 이동하는 유도 가열 코일을 갖는 관형 용기의 선택적인 부분 가열을 위한 유도 가열 시스템의 개략도를 도시한다.
도 6은 불규칙한 형상의 물체들을 위한 유도 가열 시스템의 개략도를 도시한다.
도 7은 용기의 길이에 대해 평행한 유도 코일을 갖는 유도 가열 시스템의 개략도를 도시한다.
도 8은 도 7의 유도 가열 시스템의 개략적인 횡단면도를 도시한다.
도 9는 금속 용기 내부측에 다른 유도 코일을 갖는 도 7의 유도 가열 시스템의 개략적인 횡단면도를 도시한다.
도 10은 대류 가열에 의해 코팅을 가열하기 위해 다른 유도 코일을 갖는 도 7의 유도 가열 시스템의 개략적인 횡단면도를 도시한다.
도 11은 도 10의 유도 가열 시스템과 유사하지만 절연부가 대체되는 외부측 유도 가열 코일을 갖는 유도 가열 시스템의 개략적인 횡단면도를 도시한다.
도 12는 회전하는 금속 용기를 갖는 부분적인 내부 및 외부 부분 유도 가열 시스템의 개략적인 횡단면도를 도시한다.
도 13은 금속 용기 내부측에 유리 프릿(glass frit)을 스프레이 코팅함에 의한 유리 라이닝 시스템의 개략적인 횡단면도를 도시한다.
도 14는 금속 용기 내부측에 용융 유리를 펌핑함에 의한 유리 라이닝 시스템의 개략적인 횡단면도를 도시한다.
도 15는 금속 용기 내부측에 용융 유리를 스퀴징함에 의한 유리 라이닝 시스템의 개략적인 횡단면도를 도시한다.
도 16은 유도 및 대류 가열에 의한 유리 라이닝된 용기를 수리하기 위한 배열체의 개략적인 횡단면도를 도시한다.
본 발명은 도면들을 참조함으로써 가장 잘 설명될 수 있다.
도 1은 관형 강 용기(12)로부터 녹과 같은 재료들을 제거하기 위한 급속한 세정 시스템(10)의 개략도이다. 도 2는 도 1의 급속한 표면 세정 시스템의 개략적인 횡단면도이다. 세정 휠(13)의 선단에서, 하나 또는 그 초과의 고압 워터 제트(water jet)들, 와이어 브러쉬(wire brush)들, 샌드 블래스팅 노즐(sand blasting nozzle)들 등이 존재할 수 있다. 세정 휠은, 제어된 방식으로 액슬(14)을 내외로 푸싱함으로써 내외로 이동할 수 있다. 또한, 세정 휠(13)은 녹 제거 화학적 제형들을 코팅하기 위해 사용될 수 있다. 특히 습한 환경 중, 철제의 용기의 표면의 러스팅을 최소화하기 위해서, 신속한(fast) 세정이 요구된다. 처리되는 장비는 신속하고, 경제적이며 편리할 것이다. 사용될 세정 제형은, 요구되는 조도(roughness) 및 녹의 특성 및 정도와 같은 많은 인자들에 의존할 것이다.
용기가 세정된다면, 연마 코트(ground coat)가 세정되는 금속 표면 상에 도포될 것이며, 본원에서 개시된 유도 가열 장치 및 프로세스들 중 하나를 사용하여 연마 코트를 용융시키기 위해서 가열될 수 있다. 연마 코트를 용융시킨 후에, 하나가 유리 프릿의 적절한 코트를 도포할 수 있고, 본원에 개시된 유도 가열 장치 및 프로세스들 중 하나를 사용하여 유리 프릿을 용융시키기 위해 가열될 수 있다.
도 3은 용기(31)의 내벽 상에 유리 프릿(도시 생략)과 같은 가용성(fusible) 코팅 및 용기(31) 둘레에 이어진 유도 가열 코일(32)을 갖는 관형 금속 용기를 도시하는 유도 가열 시스템(30)의 개략도이다. 이러한 배열은, 종래의 전기로(electric furnace)에서의 용기의 가열과 똑같은 용기의 완벽한 가열을 제공한다. 도 3에 도시된 시스템(30)은 수직이지만, 임의의 각도; 수직, 수평 또는 그 사이에 있을 수 있다. 유도 코일은 내측에 있을 수 있고 또는 하나의 유도 코일은 용기 내측에 그리고 다른 유도 코일은 용기 외부측에 있을 수 있다. 전류가 인가될 때, 전체 용기가 가열될 것이며, 적절한 온도에 도달될 때 코팅이 용융될 것이다. 유리 코팅이 용융된다면, 시스템은 서서히 냉각되는 것이 허용될 수 있다. 가열 속도는, 유도 코일에 공급되는 전류/주파수에 의해 제어될 수 있다. 도 3 및 도 7의 유도 가열 시스템은, 신속할 수 있지만, 파워를 더 필요로 할 것이다.
도 4는 용기의 내벽 상에 유리 프릿(도시 생략)과 같은 가용성 코팅 및 고정식(stationary) 유도 가열 코일(33)을 갖는 관형 금속 용기(31)를 도시하는 유도 가열 시스템(40)의 개략도이다. 용기는 제어된 속도로 위 또는 아래로 이동한다. 폭이 좁은 고정식 유도 가열 코일(33)은 용기(31)의 부분적인 그리고 선택적인 가열을 위해 용기 둘레에 이어진다. 용기 내부측에 다른 유도 코일이 존재할 수 있다. 이 시스템은 금속 파이프들과 같은 작은 물체들을 위해 보다 실용적이다. 이 시스템(40)의 파워 요건은, 유도 코일이 도 3 및 도 7의 유도 코일에 비해 더 작기 때문에 적을 것이다. 유도 코일 아래 금속은, 가열될 것이며 코팅을 용융할 것이다. 용기가 위 또는 아래로 이동함에 따라, 프릿은 선택적으로 그리고 연속적으로 용융할 것이며, 이후 용기가 위 또는 아래로 이동함에 따라 응고/어닐링될 것이다. 이러한 가열 시스템은, 느릴 것이지만, 적은 파워를 요구할 것이다.
도 5는 용기의 내벽 상에 유리 프릿과 같은 가용성(fusible) 코팅 및 용기의 부분적이고 선택적인 가열을 위해 용기 둘레에 이어진 폭이 좁은 유도 가열 코일(33)을 갖는 관형 금속 용기(31)를 도시하는 유도 가열 시스템(50)의 개략도이다. 유도 코일은 위 그리고 아래로 이동될 수 있다. 용기 내부측에 다른 유도 코일이 존재할 수 있다. 이 시스템은 또한, 용기 보다 오히려 유도 코일을 이동시키는 것이 용이함에 따라 큰 관형 물체들에 대해 보다 실용적이다. 유도 코일이 더 작기 때문에, 파워 요건이 적을 것이다. 이 시스템은 금속을 가열할 것이며 단지 유도 코일 하에서 프릿을 용융할 것이다. 유도 코일이 위 또는 아래로 이동함에 따라, 프릿은 선택적으로 그리고 연속적으로 용융할 것이며, 이후 코일이 위 또는 아래로 이동함에 따라 응고 및 어닐링될 것이다. 이러한 가열 시스템은, 느릴 것이지만, 적은 파워를 요구할 것이다.
유도 코일 또는 용기의 이동 속도(speed of movement)는, 유도 코일의 가열 용량(heating capacity), 금속 및 프릿 코팅의 두께, 프릿의 특성 및 용융 포인트, 요구되는 가열 및 냉각/어닐링 속도(cooling/annealing rate)와 같은 많은 인자들에 의존할 것이다.
용기의 단지 일부가 가열됨에 따라, 용기의 변형 없이 그리고 금속과의 강한 접합을 위한 연마 코트의 완벽한 용융을 위해 그리고 커버 코트의 매끄럽고 결함 없는 코팅을 위해 더 높은 온도를 사용하는 것이 가능하다. 또한, 나노 입자들이 더 낮은 온도에서 용융할 것임에 따라 내화학성 실리카(SiO2)의 나노 코트를 용융하는 것이 가능하다. 이는, 특히, 유리 코트들이 또한 도 12에 도시된 추가의(extra) 유도/대류 히터에 의해 가열될 때 가능하다.
도 6은 불규칙한 형상의 물체들(61), 이를 테면 교반기, 엘보우 파이프, 가용성 재료들이 코팅된 반응 용기의 상부 및 저부 부분들을 위한 유도 가열 시스템(60)의 개략도이다. 이 시스템은 열 손실을 방지하기 위해서 내측에 절연된 챔버가 있을 수 있다. 유도 코일(32)은 물체의 형상과 일치하도록 구성될 수 있다. 유리 프릿이 코팅된 불규칙한 형상의 물체는, 또한 제어된 조건들 하에서 유도 가열 코일들을 통과함으로써 가열될 수 있다.
도 6에 도시된 것과 유사한 어레인지먼트를 갖는 교반기, 엘보우 파이프, 유도 가열을 갖춘 반응 용기의 상부 및 저부 부분들과 같은 불규칙한 형상의 부품들 및 유리 커버 코버의 스프레이 프릿이 후속되는 연마 코트의 스프레이 프릿을 가열하는 것이 가능하다. 이 프릿은 충분히 가열된 부품에 들러붙을(stick) 것이다. 이 부품은 코팅을 매끄럽게 하기 위해 프로세스를 반복함으로써 후속 냉각 이전에 내부측 유도 가열 시스템에서 가열되고 외부측 프릿을 갖는 코트를 스프레이할 수 있다. 이러한 어레인지먼트는, 플라스틱 분말 또는 페인트의 정전식 스프레이 코팅의 어레인지먼트와 유사하다. 이 경우에, 프릿은 가열된 부품에만 들러붙을 것이다.
도 7은 용기의 내벽 상에 유리 프릿(도시 생략)과 같은 가용성(fusible) 코팅을 갖는 관형 금속 용기(31) 및 프릿 코팅된 용기(31)의 완벽한 가열을 위해 용기 둘레에 이어진 유도 가열 코일(71)을 도시하는 유도 가열 시스템(70)의 개략도이다. 유도 코일은 용기의 길이에 대해 평행하게 성형된다. 도시된 시스템은 수직이지만, 임의의 각도; 수직, 수평 또는 그사이에 있을 수 있다. 유도 코일은 내측에 있을 수 있고 또는 하나의 유도 코일은 용기 내측에 그리고 다른 유도 코일은 용기 외부측에 있을 수 있다. 전체 용기는 가열될 수 있고, 이에 따라 전체 코팅은 한번에 용융될 것이다. 유도 코일이 상이한 직경들 및 길이들의 용기들을 위해 용이하게 구성될 수 있기 때문에, 이러한 유형의 유도 코일 어레인지먼트가 바람직하다.
도 8은 용기(12) 상의 유리 프릿(72)을 도시하는, 도 7의 유도 가열 시스템의 개략적인 횡단면도이다.
도 9는 금속 용기 내부측에 다른 유도 코일(91)을 갖는 도 7의 유도 가열 시스템과 유사한 유도 가열 시스템(90)의 개략적인 횡단면도이다. 이 시스템은 파워를 더 필요로 할 것이지만, 도 7 및 도 8에 도시된 파워보다 더 신속하게 용기를 가열할 것이다.
도 10은 금속 용기(12) 내부측에 다른 유도 코일(91)을 갖고, 대류 가열에 의해 프릿(72)을 가열하기 위해 절연부(102)를 갖는 고용융 금속의 시트 또는 실린더(101)를 갖는 도 7의 유도 가열 시스템과 유사한 유도 가열 시스템(100)의 개략적인 횡단면도이다. 유리 프릿을 더 신속한 속도로 가열할 필요가 있다면, 프릿(72)에 마주하는 고용융 금속으로 제조된 금속 실린더가 도 10에 도시된 바와 같이 사용될 수 있다. 고용융 금속 시트 또는 실린더(101)가 열 손실을 최소화하기 위해서 절연부(102)를 가질 수 있다. 전류가 내부 유도 코일에 인가될 때, 고용융 금속 시트 또는 실린더(101)를 또한 가열할 것이며, 그리고 가열된 시트는, 프릿 용융을 도울 수 있거나 더 신속하게 더 높은 온도를 성취할 수 있는, 전기 가열 요소와 같이 작용할 것이다. 이 시스템은 유도 및 대류에 의한 동시 가열을 제공한다.
도 10에 도시된 시스템의 외부 유도 코일(71)은 도 11의 시스템(110)에 도시된 것으로 대체될 수 있다. 유리 라이닝처리될 용기(12)는, 외부측 상에 절연부(111)를 필요로 할 수 있다. 전류가 유도 코일(91)에 인가될 때, 전류는 고용융 금속 시트를 가열할 것이며, 실린더(101)는 프릿(72)을 용융시킬 수 있는 전기 가열 요소와 같이 작용할 것이다. 이 시스템은 유도 및 대류에 의한 가열을 제공한다. 고용융 금속 시트(101)가 열 손실을 최소화하기 위해서 절연부(112)를 가질 수 있다.
도 12는 (1) 관형 금속 용기, 특히 용기(2)의 내측벽 상에 유리 프릿과 같은 가용성 코팅(72)을 갖는 대형 용기(12), (2) 2 개의 부분 유도 가열 코일들, 하나는 용기(12)의 내부측(124)에, 다른 하나는 용기의 외부측(125)에 있음, (3) 대류 가열에 의해 프릿(72) 가열을 위한 절연부(123)를 갖는 고용융 금속 시트(121) 및 (4) 용기를 회전시키기 위한 롤러들(122)의 세트를 도시하는 유도 가열 시스템(120)의 개략적인 횡단면도이다. 용기의 회전 속도 및 유도 코일들에 인가된 전류는, 유리의 적절한 용융 및 어닐링을 위해 제어될 수 있다. 용기가 수직으로 세워지면, 롤러들(122)에 대한 요구가 존재하지 않으며, 유사한 시스템이 유리 라이닝처리된 용기들의 현장 보수(onsite repair)를 위해 사용될 수 있다. 이러한 유형의 어레인지먼트는, 유리 라이닝을 빠르게 가열할 수 있으며, 미시적인(microscopic) 또는 얇은(thin) 균열들 및 핀홀(pinhole)들을 보수할 수 있다.
도 13은 유도 가열 시스템(124)에 의해 예열된(pre-heated) 금속 용기(12) 내부측 프릿 스프레이어(133)를 사용하는 유리 프릿(132) 스프레이 코팅에 의한 유리 라이닝 시스템(130)의 개략적인 횡단면도이다. 용기는 롤러들(122) 상에서 회전될 수 있다. 전체 용기를 프릿으로 사전 코팅하는 것(pre-coating) 대신에, 용기가 회전함에 따라 적절한 양의 프릿이 용기(12)의 길이를 따라 도포/스프레이될 수 있다. 용기가 회전함에 따라, 용기의 부분이 유리 라이닝(131)을 얻거 위해서 프릿을 용융시키도록 충분히 가열될 것이다. 동일한 경우들에서, 프릿은 도 4 및 도 5의 용기 내부측에 도포될 수 있다.
용기가 수직으로 세워지면, 롤러들(122)에 대한 요구가 존재하지 않으며, 프릿(132)이 용기 내부측으로 바로 스프레이(sprayed)되거나 또는 취입(blown)될 수 있다. 프릿은 용기(12)의 충분히 고온인 부품 상에서만 들러붙을 것이다. 이러한 어레인지먼트는, 정전식으로 장입된 금속 부품들 상의 분말 또는 페인트의 정전식 스프레이 코팅과 동일할 것이다. 이 경우에, 이는 충분히 가열된 용기의 부분일 것이다.
도 14는 유리 라이닝(131)을 얻기 위해서 유도 가열 시스템(124)에 의해 예열된 금속 용기(12) 내부측 시스템(141)을 사용하여 용융된 유리 펌핑에 의한 유리 라이닝 시스템(140)의 개략적인 횡단면도이다. 용융된 유리를 가열하고 용기(12)에 공급하기 위한 시스템(141)은, 유도 가열 코일들(124)에 의해 가열될 수 있다. 동일한 경우들에서, 용융된 프릿/유리는 도 4 및 도 5의 용기 내부측에 도포될 수 있다.
도 15는 유리 라이닝(131)을 얻기 위해서 유도 가열 시스템(124)에 의해 예열된 금속 용기(12) 내부측 스퀴지(squeegee)(151)를 사용하여 용융된 유리(152) 스퀴징(squeegeeing)에 의한 유리 라이닝 시스템(150)의 개략적인 횡단면도이다. 동일한 경우들에서, 용융된 프릿/유리는 도 4 및 도 5의 용기 내부측에 도포될 수 있다.
도 16은 유도 및 대류 가열에 의한 유리 라이닝된 용기를 수리하기 위한 시스템(160)의 개략적인 횡단면도이다. 유도 가열 시스템(166)은, 외부측에 적용될 수 있고, 유사하게 다른 유도 시스템(161)이 유리 프릿(163)을 용융하기 위해서 파손된 용기(164) 내부측에 적용될 수 있다. 절연부(165)를 갖는 고용융 금속 시트들(162)은 대류 가열에 의해 유리를 용융시키도록 사용될 수 있다. 하나는 양측면들로부터 또는 단지 하나의 일측면으로부터 가열을 필요로 할 수 있다. 이러한 보수 어레인지먼트의 크기 및 형상은, 균열이 있거나 또는 파손된 부품을 보수하기 위해서 보수될 부품들 및 결함들에 의존할 것이다.
상기 도시된 부품들의 형상 및 크기는 필요에 따라 바뀔 수 있다. 또한, 다수의 부품들, 예컨대, 도 4 및 도 5의 2 개의 유도 가열 요소들이 존재할 수 있다.
금속 물체는, 저용융 점도를 갖는 저용융 유리의 배스(bath)에서 용기를 딥-코팅함으로써 유리 라이닝처리될 수 있다. 유리 탱크는 유도 가열 시스템에 의해 가열될 수 있다. 용기들은 양측면들 상에서 유리 라이닝 처리될 것이다. 이러한 딥 코팅 방법은, 추가로 열적으로 활성화가능한 촉매들을 포함하는 비교적 낮은 점도의 모노머(monomeric), 올리고머(oligomeric) 및 폴리머(polymeric) 재료들을 코팅하고 이후 이온 방사에 의한 유도 가열 또는 경화를 사용하여 금속 물체들을 가열하기 위해 사용될 수 있다.
재료들, 장치 및 프로세스들의 바람직한 실시예
보통 그라운드 코트 또는 프라이머인 제 1 코트와 금속 사이의 양호한 접합을 얻기 위해서, 금속의 표면은 세정되고 미시적으로 조면화(roughened)되어야 한다. 유리 라이닝을 위해 사용되는 가장 보편적인 금속은, 강 및 강 합금들; 보통은 5 % 미만의 탄소를 포함하는 강/철이다. 탄소강은, 쉽게 산화되게 된다. 녹(rust)을 제거하는 기존 방법은, 샌딩(sanding) 또는 샌드 블라스팅(sand blasting), 산 및 알칼리를 사용하여 녹을 용해(dissolving)시키는 것이다. 상업적으로 이용가능한 녹 제거제 제형(rust remover formulation)들 및 프로세스가 녹을 제거하기 위해 사용될 수 있다. EP 0256728 및 미국 특허 제4,351,673호; 제4,424,079호; 제4,521,253호; 제5,468,303호; 제5,653,917호 및 제6,514,350호에 기재된 표면 세정 재료들 및 절차들이 기재들의 표면을 세정하기 위해서 적절한 수정예들과 함께 또는 수정예들 없이 본원에 개시된 디바이스들 및 프로세스들을 위해 사용될 수 있으며, 이들 특허들은 본원에 인용에 의해 포함된다.
금속 표면들, 특히 강 표면들의 산화는, 표면을 부동태화함(passivating)으로써, 예컨대, 피커라이징(Pickerizing), 포스페이팅(phosphating), 블루잉(bluing) 및 브라우닝(browning)에 의해 최소화될 수 있다. 녹, 즉 철 산화물은, 수소 또는, 질소와 같은 불활성 가스 및 수소의 혼합물에 노출시키는 것을 포함하는 환원제(reducing agent)들을 사용하여 철에서 이를 감소시킴으로써 제거될 수 있다. 상업적으로 이용가능한 재료들 및 장비는, 도 1 및 도 2에 도시된 세정 장치 및 신속한 방법을 포함하는 표면 세정을 위해서 사용될 수 있다.
세정된 표면에는 브러싱, 스프레이 코팅 및 정전식 코팅과 같은 표준 코팅 방법들을 사용하여 프릿(코트 및 커버 코트 아래의)이 코팅될 수 있다.
표면이 세정된다면, 양호한 접합을 얻기 위해서, 프라이머 또는 그라운드 코트가 도포되어야 한다. 미국 특허 제4,410,598호; 제5,387,439호; 제5,387,439호; 제6,511,931호; 제6,815,013호; 제6,815,013호; 제7,341,964호; 제8,278,229호; 제8,278,229호; 및 EP1354978 및 미국 특허 출원 제20090270240호 및 제20110262758호에 개시된 제형들 및 방법이, 유도 가열에 의해 금속 물체들 상에 그라운드 코트를 제공하기 위해서 적절한 수정예들과 함께 또는 수정예들 없이 본원에 개시된 제형들, 디바이스들 및 프로세스들을 위해 사용될 수 있고 본원에 인용에 의해 포함된다. 그라운드 코트의 가열 및 용융은, 도 3 내지 도 15와 관련된 장치 및 프로세스들 중 하나 또는 그 초과에 의해 실행될 수 있다.
그라운드 코트가 도포되고용융된다면, 유리의 프릿, 세라믹, 유리 세라믹 및 에나멜이 도포될 수 있다. 유리, 세라믹, 유리 세라믹 및 에나멜의 광범위한 제형들 및 기재 상에 이들을 만들고 도포하는 방법들이 문헌에서 기재된다.
WO 2009097264, EP 0677597, EP 0887322, 미국 특허 제4,066,465호; 제4,224,074호; 제4,243,421호; 제4,311,505호; 제4,359,536호; 제4,361,654호; 제4,446,241호; 제4,537,862호; 제4,554,258호; 제4,702,884호; 제4,731,347호; 제4,788,163호; 제4,892,847호; 제4,975,391호; 제5,281,560호; 제5,308,803호; 제5,350,718호; 제5,387,439호; 제5,812,062호; 제5,900,380호; 제6,100,209호; 제6,815,013호; 제7,736,546호; 제7,863,207호; 제8,252,708호; 제8,278,229호; 및 미국 특허 출원20020035025; 20020187889; 20080090034; 및 20090189126에 개시된 금속 물체들을 라이닝하기 위한, 유리, 자기(porcelain), 에나멜 및 유리 프릿(알칼리 및 산과 같은 화학물질들에 대한 내성이 있는 납, 비스무스 및 카드뮴과 같은 독성 재료(toxic material)들 없이 이들을 포함), 특별한 유리들, 이를 테면 도전성 유리들, 나노크기의 프릿이, 유도 가열에 의해 유리 라이닝처리된 금속 물체들을 만들기 위해서 적절한 수정예들과 함께 또는 수정예들 없이 본원에 개시된 제형들, 디바이스들 및 프로세스들을 위해 사용될 수 있고 본원에 인용에 의해 포함된다.
대부분의 강 및 그의 합금들은 ~1100℃ 보다 높은 용융 온도를 갖는다. 보통 탄소강이 용융하기 시작할 수 있는 최저 온도는 1,130℃이다. 강은 이 온도 아래에서 결코 액체로 변하지 않는다. 순철(pure iron)(탄소가 0%인 '강')은 1,492℃에서 용융하기 시작하며, 1,539℃에 도달하자마자 완전히 액체가 된다. 2.1 중량%의 탄소를 갖는 강은, 1,130℃에서 용융하기 시작하며, 1,315℃에 도달하자마자 완전히 용융된다. 실리카 유리(이는 1580℃에서 용융함)를 제외하고, 대부분의 유리, 세라믹 및 유리 세라믹은 800℃ 미만에서 용융하며, 예컨대 소다 석회 유리(soda-lime glass)는 700℃에서 용융하며, 붕규산 유리(borosilicate glass)는 820℃에서 용융하며, 규산 알루미늄 유리(aluminosilicate glass)는 ~900℃에서 용융하며, 납땜 유리(leaded glass)는 ~630℃에서 용융한다. 고용융 유리 라이닝은 가정용 도구(utensil)들, 온수 가열기들 및 매우 높은 온도의 화학 반응기들과 같은 적용분야들을 위해 요구된다. 그러나, 대부분의 다른 적용분야들에 대해, 고온 유리 라이닝(더 높은 온도들, 예컨대, 300℃ 초과에서 용융함)은 요구되지 않는다. 종종, 고용융 유리를 저용융 유리로 대체하는 것이 실용적이다.
~600℃ 미만에서 용융하는 유리들이 알려져 있으며, 이들중 일부는 상업적으로 이용가능하다. EP 0204432; EP 0514639; EP 0551100, EP 1361199; EP 2457477 및 미국 특허 제2,492,523호; 제2,842,458호; 제2,911,312호; 제3,383,225호; 제3,408,212호; 제3,650,778호; 제3,927,243호; 제3,983,060호; 제4,004,936호; 제4,186,023호; 제4,251,595호; 제4,310,357호; 제4,312,951호; 제4,365,021호; 제4,376,169호; 제4,417,913호; 제4,469,798호; 제4,493,900호; 제4,590,171호; 제4,678,358호; 제4,743,302호; 제4,748,137호; 제4,774,208호; 제4,877,758호; 제5,116,786호; 제5,188,990호; 제5,256,604호; 제5,281,561호; 제5,306,674호; 제5,346,863호; 제5,534,469호; 제5,643,840호; 제5,733,828호; 제5,902,758호; 제6,129,854호; 제6,248,679호; 제6,291,092호; 제6,344,424호; 제6,348,424호; 제6,355,586호; 제6,475,605호; 제6,620,747호; 제6,652,972호; 제6,936,556호; 제7,291,573호; 제7,923,393호; 제7,935,279호; 제8,133,829호 및 미국 특허 출원 제200501531호; 제20010021444호; 제20020128141호; 제20030228471호; 제20040106018호; 제20040207314호; 제20050153142호; 제20060105898호; 제20090247385호; 제20120118168호 및 제20130090226호에 개시된 저용융 유리 제형들이 유도 가열에 의해 유리 라이닝된 금속 물체들을 만들기 적절한 수정예들과 함께 또는 수정예들 없이 본원에 개시된 제형들, 디바이스들 및 프로세스들을 위해 사용될 수 있고 본원에 인용에 의해 포함된다.
용융 유리 배스에서 금속 물체의 딥 코팅에 의한 유리 라이닝은, 이들의 점도가, 금속 물체의 변형 또는 용융 없이 금속 물체를 디핑하기 위해 700 내지 1,000℃에서 충분히 낮을 수 있기 때문에, 저용융 유리들 위에 있는 것이 가능하다.
유리 라이닝 금속 물체들, 이를 테면, 배스(bath) 튜브들, 가정용 도구들, 반응 용기들, 파이프들 및 불규칙한 형상의 부품들(예컨대, 교반기)을 위한 프로세스들 및 제형들이 EP 221,687; EP 677,597; EP 1,585,591, EP 2,050,725 및 미국 특허 제3,156,035호; 제3,235,290호; 제3,281,226호; 제3,729,803호; 제4,311,505호; 제5,143,275호 및 제6,815,013호 및 미국 특허 출원 제20120118202호 및 제20130022428호 및 일본 특허 출원 제 2010248632호를 포함하는 많은 특허들 및 특허 출원들에 개시되며, 유도 가열에 의해 유리 라이닝처리된 금속 물체들을 만들기 위해서 적절한 수정예들과 함께 또는 수정예들 없이 본원에 개시된 제형들, 디바이스들 및 프로세스들을 위해 사용될 수 있고 본원에 인용에 의해 포함될 수 있다.
일본 특허 출원 제1987000096271호는 유리 위의 Teflon® 코팅을 개시한다. 금속 물체가 플라스틱이 코팅되는 것이라면, Teflon® 및 다른 플루오르화 중합체들을 포함하는 플라스틱 분말이 도포될 수 있고 유도 가열에 의해 용융될 수 있다.
이는 그라운드 코트를 도포할 수 있고, 건조할 수 있으며, 유리 프릿의 코트를 도포할 수 있고, 건조할 수 있으며, 이후 소성(fire)할 수 있다. 그라운드 코트 프릿은 커버 코트에 도포된 프릿의 융합 온도 아래에서 ~30℃ 또는 그 초과의 융합 온도들을 가져야 한다. 점진적으로 가열하자 마자, 금속이 유도 가열 이후 유리 코트가 용융하는 경우 먼저 가열됨에 따라 그라운드 코트가 먼저용융할 것이다. 본 방법은, 기포들이 표면 상에 이동하는 것을 허용하며, 평활하며 결함이 없는 코트를 제공할 것이다.
최종 사용(ultimate use)에 의존하여, 문헌에 보고된 다수의 유리 프릿 제형들이 본 발명들을 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 65 내지 75 몰%의 Si02, 2 내지 8 몰%의 Zr02, 10 내지 22 몰%의 R20(여기서, R은 Li, K, 또는 Cs를 나타냄), 및 2 내지 12 몰%의 R'O(여기서, R'은 Mg, Ca, Sr, 또는 Ba를 나타냄)로 구성된 프릿 조성물(프릿은 Na20이 없음) 및 65 내지 75 몰% 범위의 Si02, 2 내지 8 몰% 범위의 Zr02, 10 내지 22 몰% 범위의 R20(여기서, R은 Li, K, 또는 Cs를 나타냄), 및 2 내지 12 몰% 범위의 R'O(여기서, R'은 Mg, Ca, Sr, 또는 Ba를 나타냄)로 구성된 다른 조성이 사용될 수 있다.
본원에서 제안된 장치 및 방법은 단지 유리, 세라믹 또는 유리 세라믹으로 제한되는 것은 아니다. 금속 부품들 상의 라이닝 재료는, 임의의 유기 중합체(유기 실리콘(organo-silicon) 및 할로겐화 또는 퍼플루오르화 중합체들과 같은 눌어 붙지 않는(nonstick) 재료들(이를 테면 Teflon®)을 포함), 비도전성, 비금속성, 절연, 결정질, 부분적으로 또는 유리질의 눌어 붙지 않는 그리고 다른 가용성 재료들일 수 있다. 심지어 장치 및 프로세스들이 강 반응 용기와 같은 금속 물체를 유리 라이닝하기 위해 설명되고 있지만, 이는 Teflon®과 같은 플라스틱들, 세라믹, 유리 세라믹들 및 에나멜들과 함께 금속 물체들을 라이닝하기 위해 사용될 수 있다.
유리 라이닝을 위한 금속 물체를 가열하는 종래의 방법은, 전기 또는 가스 소성식 오븐(fired oven) 내부에서 이를 가열하는 것이다. 금속과 같은 전도성 재료들을 가열하는 다른 방법은, 유도 가열에 의한 것이다. 미국 특허 제3,461,215호; 제4,610,711호; 제4,780,121호; 제4,874,916호 및 제5,237,144호에서 개시된 유도 가열 및 코일들 시스템 및 상업적으로 이용가능한 것들이, 유도 가열에 의해 유리 라이닝된 금속 물체들을 만들기 위해 적절한 수정예들과 함께 또는 수정예들 없이 본원에 개시된 제형들, 디바이스들 및 프로세스들을 위해 사용될 수 있고 본원에 인용에 의해 포함된다.
유리 라이닝을 위한 금속 물체들의 대부분은 일반적으로 얇으며, 예컨대, 최대 두께가 약 5 cm이다. 유도 가열에 의한 이러한 얇은 금속의 가열은, 특히 도 3 내지 도 15에 도시된 장치가 갖는 어떠한 문제도 갖지 않을 것이다.
전기로(electric furnace)가 프릿 코팅된 금속 부품들을 가열하기 위한 표준 장치이지만, 수개의 전문적인 장치 및 장비가 금속 물체들을 가열하고 대류 가열에 의해 유리를 용융하기 위해 제안된다. 미국 특허 제4,532,885호; 제4,538,543호; JP 63107837에 개시된 장치가, 유도 가열에 의해 유리 라이닝된 금속 물체들을 만들기 적절한 수정예들과 함께 또는 수정예들 없이 본원에 개시된 제형들, 디바이스들 및 프로세스들을 위해 사용될 수 있고 본원에 인용에 의해 포함된다. 바람직한 장치는 도 3 내지 도 15에 도시된 것들이다.
유리 라이닝된 금속 물체들은, 종종 파손되게 되며, 교체하는 것 대신에 보수하는 것이 경제적이다. 수개의 제형들 및 방법들이 파손된 유리 라이닝된 용기들을 보수하기 위해 제안된다. EP 407,027; EP 486,323; 미국 특허 제4,172,877호; 제4,508,455호; 제4,940,607호; 제5,053,251호; 제5,143,275호; 제5,651,827호 및 미국 특허 출원 제20090270240호에 제안된 제형들 및 절차가, 유도 가열에 의해 파손된 유리 라이닝된 금속 물체들을 보수하기 위해 적절한 수정예들과 함께 또는 수정예들 없이 본원에 개시된 제형들, 디바이스들 및 프로세스들을 위해 사용될 수 있고 본원에 인용에 의해 포함된다.
미국 특허 제5053251호는, 보수 유리 층의 두께가 유리의 균열들 또는 박리(exfoliation)들을 발생시키지 않으면서 그 층에 인접한 기존 유리 층과 거의 동일해질 때까지, 유리 층의 파손된 영역에 보수제(repair agent)를 도포하는 단계, 및 이후 졸-겔 프로세스의 사용에 의해 유리에 대한 응고 및 부착을 위한 보수제를 가열하는 단계를 반복함으로써 유리 라이닝된 강 장비의 유리 층의 파손된 부분을 보수하는 방법을 개시한다.
Tatsuo Hara 등의 EP0486323 A1 및 Journal of the Ceramic Society of Japan; VOL.101; N0.1178; PAGE.1169-1174; (1993)는, 유리 라이닝된 용기들의 파손된 부품을 보수하기 위해 졸-겔 방법에 의해 알루미나 분말 복합재의 도포에 대한 결과들을 리포트한다. 300℃에서 용융하는 알루미나 분말 복합재 겔-유리의 실행가능성은 투과(permeation), 부착 강도, 열 피로(thermal fatigue) 강도 및 열 충격(thermal shock) 강도에 대한 표준 시험들에 의해 도시되었으며, 유기 용매들에 대한 내구성은 라이닝 유리의 내구성과 등가였다.
도 16에 제안된 시스템은, 특히 현장에서 그리고 심지어 용기를 이동시키지 않고 파손된 유리 라이닝된 용기를 보수하는데 사용될 수 있다. 도 16의 시스템은, 유도 가열에 의한 금속의 급속 가열 및 대류 가열에 의한 유리 코팅의 급속 가열을 제공한다. 더 높은 온도들은 유리를 제조하기 위해 성취될 수 있고, 충분한 유동성(fluidity)을 갖도록 보수를 위한 제형에 적용될 수 있다. 미세한 균열들 및 핀홀들이 이러한 방법에 의해 신속하게 수리(fix)될 수 있다.
교반기들과 같은 유리 라이닝된 부품들의 외부 표면들 및 유리 라이닝된 반응기들의 내부 표면은, 중합체들을 포함하는 유기 재료들의 합성 및 프로세싱을 위해 사용되는 재료들이 유리 표면에 유지됨에 따라 세정될 필요가 있다. 온수, 유기 용매들 또는 특수한 클리너들이 표면들을 세정하는데 사용되거나 또는 눌러 붙은 재료가 물리적으로 제거된다. 본원에 제안된 유도 가열 시스템에 의해 유리 라이닝된 부품들 및 용기를 약 400℃ 내지 600℃로 가열함으로써 유기 재료를 연소시킬 수 있다. 이 온도에서, 중합체들을 포함하는 유기 재료들 대부분은 완벽하게 연소될 것이며, 살균 세정된(sterilized cleaned) 표면이 얻어질 수 있다. 검댕(soot) 및 다른 분해되지 않은 재료가 공기를 송풍함으로써 제거될 수 있다.
또한, 유도 가열에 의해 용기의 내용물을 가열하는 것이 가능하다.
졸-겔 프로세스는, 재료 과학 분야 및 세라믹 엔지니어링에서 광범위하게 사용되는 습식 화학 기술이다. 이러한 방법들은, 이산된(discrete) 입자들 또는 네트워크 중합체들의 통합식 네트워크(또는 겔)을 위한 전구체로서 작용하는 콜로이달 용액(colloidal solution)(졸)으로부터 시작하는 재료들(전형적으로, 금속 산화물들)의 제조를 위해 주로 사용된다. 전형적인 전구체들은, 금속 알콜사이드들(metal alkoxides) 및 금속염들(이를 테면, 염화물들, 질산염들, 및 아세테이트들)이며, 이는 가수분해(hydrolysis) 및 중축합(polycondensation) 반응들의 다양한 형태들을 실행한다. 졸 겔의 재료들, 방법들 및 적용들은, (1) Sol-gel processing, Hiromitsu Kozuka ISBN # 1-4020-7966-4; (2) Sol-Gel Technologies for Glass Producers and Users, edited by Michael A. Aegerter, M. Mennig, 2004, Springer에서 발견될 수 있다.
재료의 입자 크기가 1 미크론(micron) 미만으로 감소함에 따라, 재료의 용융이 또한 감소하는 것이 공지된다. 예컨대, 금은 금의 입자 크기가 약 1 나노미터(nm)일 때 실온에서 액체와 같이 거동한다. 유사하게, 실리카 유리의 용융은, 입자의 크기를 나노규모(nano scale)로 감소시킴으로써 2200℃로부터 1200℃ 내지 1300℃로 감소될 수 있다. 나노 및 미크론 크기의 유리들 및 세라믹들은 많은 상이한 방법들에 의해 만들어진다. 이들 중 하나는 졸-겔 방법이다.
미국 특허 제7,816,292호 및 미국 특허 출원 제20080044488호는, SiO2, B203, P2O5, Na20, Li20, K20, CaO, MgO, SrO, BaO, Al203, Ti02, Zr02, ZnO, La203, W03, Nb205, PbO, Ag20를 포함하는 유리들을 만들기 위해서 산화물들의 입자들을 나노 내지 미크론 크기로 만드는 방법을 개시한다. 적절한 산화물들 및 양을 선택하고, 혼합물을 용융시킴으로써, 다양한 유리들이 저온들에서 만들어질 수 있다. 미국 특허 출원 제20120138215호는, 소결 첨가제를 위한 나노 유리 분말 및 이를 제조하기 위한 방법을 개시한다. 소결 첨가제를 위한 나노 유리 분말을 제조하는 방법은, 비수용성 용매 내에, 붕소(B)의 원료, 규소(Si)의 원료 및 금속 산화물의 원료를 용해시킴으로써 혼합 용액을 제조하는 단계; 혼합 용액에 알칼리 촉매를 첨가하고 졸 겔 반응에 의해 얻어진 졸-겔 재료를 건조하고, 그리고 졸-겔 재료를 열처리함으로써 졸-겔 반응을 제어하는 단계를 포함한다. EP 2386525 출원은 졸-겔 방법에 의한 나노 구조식의 인산칼슘 유리를 개시한다. 붕규산 유리는 실리카 소스로서 테트라-에틸 오르소 실리케이트, B203를 위한 붕산, 알루미나 소스를 위한 질산 알루미늄, 나트륨 산화물 소스를 위한 질산 나트륨, 칼륨 산화물을 위한 질산 칼륨 및 아연 산화물 소스용 질산 아연을 사용하는 졸-겔 프로세스를 통해 합성될 수 있다. 질산이 촉매로서 사용될 수 있고, 에탄올 및 증류수(distilled water)가 용매들로서 사용될 수 있다. 졸-겔 방법에 의해 만들어진 유리 재료들은, 그라운드 및 커버 코트들을 만들기 위해 그리고 파손된 용기들 및 부품들의 보수를 위해서 정상적인 프릿 대신에 사용될 수 있다.
온도 및 다른 프로세스가 표준 분석 장비를 사용하여 모니터링될 수 있다.
전술한 이점들 이외에, 유도 가열에 의한 금속 물체들의 유리 라이닝 장치 및 프로세스들은 종래의 장치 및 프로세스들에 비해 많은 이점들을 제공한다: 시스템들은 상당히 안전하고, 비용이 적으며, 더 신속하고 작동하기 쉬우며, 임의의 형상의 물체가 유리 라이닝될 수 있으며, 오븐들보다 적은 공간을 필요로 하며, 매우 균일하고 결함이 없는 코팅을 제공하며, 물체들의 변형이 적거나 없으며, 용융 유리 등의 처짐(sagging)이 최소이거나 없다. 용기들은 현장으로부터의 제거 없이 국부적으로 가열, 세정, 보수될 수 있다.
본 발명이 그의 특정한 예들과 함께 설명되고 있지만, 이는 단지 예시이다. 이에 따라, 많은 대안들, 수정예들 및 변경예들이 전술한 설명들의 관점에서 당업자에게 명확할 것이며, 따라서 본원 개시물들의 사상 및 광범위한 범주 내에 있도록 이러한 대체예들, 수정예들 및 변경예들 모두를 포함하도록 의도된다.

Claims (21)

  1. 유리 층이 있는 금속 물체를 제조하는 방법으로서,
    a) 금속 물체 위에 그라운드 코팅 층을 배치시키는 단계;
    b) 금속 물체를 유도 가열함으로써 그라운드 코팅 층을 용융하는 단계;
    c) 그라운드 코팅 층 상에 유리 코트를 배치하는 단계; 및
    d) 금속 물체를 유도 가열함으로써 유리 코트를 용융하는 단계를 포함하는,
    유리 층이 있는 금속 물체를 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 물체는 강 반응 용기(reaction vessel)인,
    유리 층이 있는 금속 물체를 제조하는 방법.
  3. 세라믹 층이 있는 강 가정용 기구(steel utensil)들을 제조하는 방법으로서,
    a. 강 가정용 기구들 상에 그라운드 또는 세라믹 코팅 층을 배치시키는 단계;
    b. 금속 물체를 유도 가열함으로써 그라운드 또는 세라믹 코팅 층을 용융하는 단계;
    c. 그라운드 또는 세라믹 코팅 층 상에 유리 또는 에나멜 코트를 배치하는 단계; 및
    d. 강 가정용 기구를 유도 가열함으로써 유리 또는 에나멜 코트를 용융하는 단계를 포함하는,
    세라믹 층이 있는 강 가정용 기구(steel utensil)들을 제조하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유리 코트는 유리 프릿인,
    유리 층이 있는 금속 물체를 제조하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    a) 금속 물체 위에 유리 프릿을 배치시키는 단계; 및
    유도 가열에 의해 가열된 다른 금속 물체에 의해 발생된 열로부터 대류 가열에 의해 금속 물체 위의 유리 프릿을 용융하는 단계를 포함하는,
    유리 층이 있는 금속 물체를 제조하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    예열 이후에 유도 가열 시스템에 의한 프릿이 용융되는 금속 물체 위에 유리 프릿을 스프레이하는 단계를 포함하는,
    유리 층이 있는 금속 물체를 제조하는 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 금속 물체는 프릿을 스프레이하는 단계 이후에 가열되는,
    유리 층이 있는 금속 물체를 제조하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 유리 코트는, 유리, 세라믹, 유리 세라믹, 에나멜 또는 플라스틱의 분말의 스프레이 코팅인,
    유리 층이 있는 금속 물체를 제조하는 방법.
  9. 유리 층이 있는 금속 물체를 보수하는 프로세스로서,
    a) 유리 분말의 코트를 도포하는 단계;
    b) 금속 유도 가열 및 금속 물체의 유도 가열에 의해 발생된 대류 열에 의해 분말을 용융시키는 단계를 포함하는,
    유리 층이 있는 금속 물체를 보수하는 프로세스.
  10. 유리 층이 있는 금속 물체를 보수하는 프로세스로서,
    c) 유리 분말의 코트를 도포하는 단계;
    d) 금속 유도 가열 또는 금속 물체의 유도 가열에 의해 발생된 대류 열에 의해 분말을 용융시키는 단계를 포함하는,
    유리 층이 있는 금속 물체를 보수하는 프로세스.
  11. 유리 층이 있는 금속 물체를 보수하는 프로세스로서,
    a) 유리 분말의 코트를 도포하는 단계;
    b) 금속 물체의 유도 가열에 의해 발생된 대류 열에 의해 분말을 용융시키는 단계를 포함하는,
    유리 층이 있는 금속 물체를 보수하는 프로세스.
  12. 유도 가열에 의해 물체를 가열함으로써,
    유리 층이 있는 금속 물체를 세정하는 프로세스.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 용융된 유리는 금속 물체 위에 도포된 유리 코트인,
    유리 층이 있는 금속 물체를 세정하는 프로세스.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 용융된 유리에는 스퀴지(squeegee)가 도포되는,
    유리 층이 있는 금속 물체를 세정하는 프로세스.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도 가열 시스템은 금속 물체 외부측에 위치되는,
    유리 층이 있는 금속 물체를 제조하는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도 가열 시스템은 금속 물체 내부측에 위치되는,
    유리 층이 있는 금속 물체를 제조하는 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    하나의 유도 가열 시스템이 금속 물체 외부측에 위치되며, 다른 유도 가열 시스템이 금속 물체 내부측에 위치되는,
    유리 층이 있는 금속 물체를 제조하는 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    유도 가열에 의해 다른 금속 물체를 가열함으로써 열이 발생되는,
    유리 층이 있는 금속 물체를 제조하는 방법.
  19. 금속 물체 위에 유리 층을 도포하는 장치로서,
    그라운드 코트 또는 커버 글래스 코트가 코팅되는 금속 물체, 금속을 유도 가열함으로써 금속 물체를 가열하기 위한 가열 코일 및 금속 물체를 코일의 위 아래로 이동시키는 수단을 포함하는,
    금속 물체 위에 유리 층을 도포하는 장치.
  20. 금속 물체 위에 유리 층을 도포하는 장치로서,
    그라운드 코트 또는 커버 글래스 코트가 코팅되는 금속 물체, 및 금속 물체를 위 아래로 이동시키는, 금속을 유도 가열함으로써 금속 물체를 가열하기 위한 코일을 포함하는,
    금속 물체 위에 유리 층을 도포하는 장치.
  21. 유리 층이 있는 금속 물체를 세정 및 보수하는 시스템으로서,
    물체로부터 녹 및 다른 파편(debris)을 제거하기 위한 수단, 및 금속 물체에 새로운 유리 층 또는 보수 영역을 도포하기 위한 장치를 포함하는,
    유리 층이 있는 금속 물체를 세정 및 보수하는 시스템.
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