KR920003938B1 - 유리의 용융, 정제와 균질화 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

유리의 용융, 정제와 균질화 방법 및 장치
제 1 도는 제 2 도의 선 Ⅰ-Ⅰ'에 따라 절단한 본 발명에 의한 장치의 입면도.
제 2 도는 제 1 도의 선 Ⅱ-Ⅱ'에 따라 절단한 본 발명에 의한 장치의 평면도.
제 3 도 및 제 4 도는 제 1 도 및 제 2 도와 유사하게 제 1 도 및 제 2 도의 장치보다 규모가 크고, 일일생산량이 몇톤에 달하는 장치의 입면도 및 평면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 용융로 2 : 청정실
3 : 조절관 4 : 전극
5 : 베드플레이트 8 : 협로
9,10,11,12 : 격벽 13 : 문턱
14 : 청정조 15 : 차단판
20,21 : 버너 22 : 도관
23 : 단 24 : 협착부
25 : 추출구 64 : 투입구
본 발명은 연속적 생산공정에 따라 고도의 청정성과 균질성을 가진 용융유리로서, 판유리, 특히 플로트유리의 제조요건을 충족시키는 유리를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 유리화할 수 있는 혼합물을 불꽃과 전기에 의하여 용융시킨 후 이를 청정 및 균질화시키는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 유리를 용융시키는데 사용하는 것이 더 유리하다.
본 발명은 청정되고 균질화된 유리를 제조하는 시설에 관한 것으로서, 상기 시설에서는 실제적 필요에 따라 주로 전력을 사용하며, 다른 에너지원, 특히 탄화수소에 근거한 핵에너지를 취하는 경향이 있어서 원가면에서도 이점이 있다.
본 발명은 특히 폐물을 최소화시킴으로써 1차재의 비용과 대기오염을 감소시킬 수 있는 휘발성이 강한 구성분의 혼합물로 유리를 제조하는 장치의 응용에 관한 것이다.
종래에는 전기에너지를 이용하여 용융유리를 제조하는 장치가 많이 제안되었다.
종래의 장치중 일부는 불꽃용융로를 개조한 것으로서, 판유리를 제조하는 공업용 가마와 같은 장방형 통속에 다수의 전극을 통속에서도 공업용융광로내에서와 같이 동일한 대류가 재생되어 성형까지에 이르는 여러단계의 유리제조과정, 즉 청정, 균질화 및 글로윙(glowing)이 연속하여 진행될 수 있도록 배치하고 있다. 상기 전기장치는 하부구조가 비교적 복잡하고 비용이 많이 소요되며, 에너지유량도 종래의 불꽃용융로의 수준을 넘지못하고, 생산용량의 수준을 변경시키고자할 때 이와같은 장치에서 얻은 지식을 특정시설에 옮겨 활용하기가 어렵다.
예를들면, 프랑스특허(FR-A-2261233호)에서 공개한 장치에는 상류단에서 유리화할 수 있는 재료를 공급하고, 하류단에서 판유리제조시설에서 사용할 수 있는 용융유리를 배출하는 장방형통이 있고, 베드플레이트를 가로질러 통의 길이에 따라 가로방향으로 배치된 일련의 수직전극에 의하여 가열된다. 통속에서 이용할 대류는 이와같은 유형의 불꽃용융로의 경우와 마찬가지로, 적어도 한줄, 바람직하기로는 두줄의 수직전극에 의하여 국소화되는 유리의 가장 뜨거운 부분 또는 원점에서 생겨나며, 이는 실제로 청정조의 폭 전체에 걸쳐 가장 뜨거운 유리컬럼의 상승운동을 유발시키고, 이에 의하여 배드표면에 도달하는 즉시 2개의 환상열류(熱流)를 형성하는 2흐름이 생긴다. 상류로 향하는 제 1 흐름은 합성물덩어리의 하면을 거치면서 냉각되고, 여기에서 베드플레이트쪽으로 침강한 다음에, 배드의 하부인 하류쪽으로 방향을 바꾸어 원점까지 진행하고, 여기에서 상향흐름과 합류하여 용융벨트라는 환상흐름을 형성한다.
용융로의 하류로 향하는 제2표면흐름은 청정구역, 균질화구역 및 글로윙구역등 상기 특허에서 포괄적으로 조질구역이라는 부분을 가로질러 배출실에 도달하고, 여기에서 흐름중 일부만이 채취되고, 나머지는 재순환을 위하여 배드하부에 있는 원점으로 되돌아가서, 균질화벨트라는 제2환상흐름을 구성한다.
상기 특허에서도, 유사한 불꽃용융로에서 관찰하는 바와같이, 2개의 벨트에는 각각 단락이 있다는 것, 즉 흐름중 일부는 상술한 행정을 모두 거침이 없이 그대로 원점으로 되돌아온다는 것을 공지하고 있다.
상기 유형의 용융로의 단점은 불꽃식 또는 전기식의 여하를 불문하고, 재료를, 그 다음에는 합성물의 덩어리를 유리제조에 필요한 여러과정을 완전히 거치게함이 없이 직접 배출실로 운반할 위험이 있는데 있다.
상기 위험은 2열벨트내에서의 재순환률을 증대시킴으로써 감소시킬 수 있는 것은 분명하다. 반면에 균질화벨트를 예를들면 재순환은 배출실에 있는 재료의 온도를 1200℃로, 청정온도를 1500℃로 높이는데 필요한 양의 열을 순환시마다 반복하여 제공한다는 것을 의미하기 때문에, 제조에 소요되는 에너지비용이 그만큼 증가하게 된다. 벨트내에서의 재순환률은 재귀환유량과 거리의 비와 마찬가지로 통상적으로 5정도이고, 10인 경우도 많다.
상기에서 비교적 상세히 설명한 장치 이외에, 통으로 구성된 용융로에서 관찰한 현상을 제시하고, 본 발명을 설명하는데 도움이 될 용어를 정의하기 위하여 격막식구조로 되어있고, 격막이 양질의 유리를 제공하는데 있어서 중요한 역할을 하는 장치의 실례를 설명하기로 한다.
미합중국 특허(US-A-1820248호), 프랑스특허(FR-A-977606), 영국특허(GE-A-986843)에서는 하부가 서로 하나의 협토에 의하여 연결된 용융조, 청정조 및 조절실로 구성되고, 용융유리를 직접 가로지르는 주울효과(Joule effect)에 의하여 가열하기 위한 전극이 배치된 장치를 공개하였다. 협로는 대개 냉각되어 있으나, 2개의 주격실에 전원을 공갑하는 트랜스의 회로연결에 의하여 전기적으로 가열할 수 있다. 상기 장치는 본 발명에서는 청정작업을 실시하는 구역의 한정이 불충분하기 때문에 청정에 대한 요건과 대류현상을 충족시키지 못한다.
상기 특허는 청정과정을 사실상 용융조와 조절실에까지 확대시키고 있다.
미합중국 특허(US-A-012218)에서는 대류현상의 억제 및 청정구역의 범위한정을 개선시킬 목적으로 재료가 표면흐름에 의하여 가장자리에서 넘쳐들어가는 용융격실과 재료를 부충가열하는 청정격실이 포함되어 있는 장치를 공개하였다. 청정된 유리는 경사에 의하여 분리되고, 저부를 통하여 청정격실에서 추출된다. 그러나, 청정의 질이 청정격실의 중앙부분내에서보다 온도가 더 낮고, 격벽을 따라 더 빨리 하강하는 흐름에 의하여 영향을 받는다. 그 외에도 발명에 의하여 달성하고자하는 기준을 충족시키는 균질의 생성물을 수득하지 못한다.
미합중국 특허(US-A-2773111)에서는 전술한 바와같은 목적으로 유리화할 수 있는 재료의 용융조, 청정조에 이어 조절실이 배치되어 있는 장치를 공개하였다. 상기 특허의 특징은 청정조속에 들어있는 배드는 외피가 응고되어 단단한 단열스크린을 형성하는 절연거품층으로 언제나 덮여있는데 있다. 그러나, 상기 장치도 본 발명을 충족시키는 요건에 상응하는 청정 및 균질화수준에는 미달된다는 단점이 있다. 사실상, 상기 청정조는 여러가지 전극이 가로세로로 배치되어 있어서 다중열기류의 중심이 되고, 처리시간 및 상태에 관하여 보면 이 물질을 송출하는 완전히 혼합실, 즉 열통로의 기능을 하게 되고, 청정의 질도 매우 낮다. 조절실에 있어서도, 형상이 반원형으로 되어있기 때문에, 유리가 내화재로 되어있는 격벽 및 베드플레이트와 접촉하지 아니하도록 보호하는 다량의 흐름을 배출실에 송출할 수 있는 대류를 제대로 생성시키지 못한다.
본 발명은 종래 장치의 여러가지 단점을 제거하고, 특히, 청정 및 균질화작업을 수행하는데 소요되는 에너지비용을 최소화함으로써 작업의 높은 성과를 보장하고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 청정유리를 연속적으로 제조하는 장치로서, 유리화할 수 있는 혼합물을 용융시키는 격실과 여기에서 수득한 생성물을 청정시키는 격실 및 조절격실이 연속적으로 배치되어 있고, 내부에서 용융물의 흐름이 물에 잠겨있는 협로를 통하여 용융격실로부터 청정격실로 이송되고 청정실에는 협로의 유출구에서 용융물을 채취하여 상승하는 전체흐름에 안내하고 표면흐름을 통하여 일반적으로 성형에 앞서 조절을 하고, 경우에 따라서는 제조장치의 한격실을 구성하는 다음의 작업실로 용융물질을 전달하는 도관이 포함되어 있고, 도관에 표면흐름의 온도를 열탕의 통상온도 수준으로 가열시키는 수단이 달려있는 장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 의한 장치, 특히 적어도 청정제가 들어있는 유리화가능재료를 처리하는 장치에 있어서, 가열수단은 생성물의 유량에 따라 도관내에 도달하는 용융물의 온도를 청정제의 분해온도 이하의 수준에서 청정제가 신속히 분해되는 온도의 수준까지 상승시킬 수 있는 가열능력을 가지고 있으며, 가열능력은 재료가 도관을 통과하는 동안에 적어도 100℃이상의 온도로 재료를 가열할 수 있는 것이 바람직하다.
가열수단은 재료의 균일가열과 전체적 상승운동을 촉진할 수 있도록 도관의 높이 범위안에서 배치하는 것이 바람직하다.
가열수단에는 협로의 출구 가까이에 있는 유출재료의 흐름 중 수평중앙부분내에 있는 에너지를 도관내의 인상효과를 높일 수 있도록 분산시키는 가열기관을 포함시키는 것이 유리하다.
그 외에도, 가열수단에는 상당량의 에너지를 도관의 상류격벽에서 멀리 분산시킴으로써 냉각격벽의 효과에 의하여 하강하는 흐름을 무시할 수 있을 정도로 매우 약하게 만드는 한편, 도관내의 유리상부수준에서는 상류격벽에서 하류로 향하는 표면흐름이 형성되게 하는 기관을 포함시키는 것도 바람직하다.
도관의 적당한 구조는 위쪽으로 넓어지는 깔때기모양으로 되어 있다. 즉, 단면이 밑에서 위로 넓어지고, 평면격벽의 하부측면이 이러한 깔때기형상과 협동할 수 있도록 약 50 내지 80°정도 경사지는 것이 유리하다.
깔때기형도관을 형성하는 다른 격벽, 예를들어 상류격벽과 2개의 측벽은 일반적으로 수직이고, 2개의 측벽이 통의 대칭면과 평행으로 되어있는 경우에는 상류격벽은 이 대칭평면에 대하여 직각으로 되어있다. 상기 구조는 구성과 이용이 쉬우며, 용융재료의 흐름이 전체적으로 상승하고, 다음에는 표면흐름이 하류로 흐르는 것을 용이하게 한다.
상기 가열수단은 열이 주울효과에 의하여 직접 배드(bath)를 가로질러 발산되도록 배드내에 잠겨있는 전극으로 구성하는 것이 유리하다. 전극은 상류격벽과 평행이 되게 깔때기형 도관의 하류에 수평으로 배치하고, 활성부분은 유리의 흐름을 최종적으로 균일하게 가열하기 위하여 통의 한격벽에서 다른 격벽으로 연장되게 한다. 베드플레이트를 가로지르는 수직전극은 전체적 상승이동을 강화하기 위하여 원칙적으로 또는 대형용융로의 경우에는 보충적으로 제공할 수 있고, 하류격벽을 가로지르는 수평전극의 경우도 동일하다.
청정격실에 달린 도관의 인상효과를 보장하기 위하여 물에 잠긴 협로의 출구단면은 도관하부의 단면보다 작게 하고, 도관하부의 단면은 상부단면의 적어도 30% 이상으로 하고, 도관의 깊이는 상부 단면의 면적의 적어도 제곱근으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 장치의 다른 특성에 의하여 청정실과 다음 작업실, 즉 조절격실 및 균질화격실로 할 수 있는 결실사이에는 깔때기형 도관의 상, 하부단면의 중간크기의 단면으로된 연결부가 있고, 여기에는 유리흐름에 대하여 제공되는 통로 보다 적어도 20% 이상 증대되는 개구부가 달려있고, 개구부의 측벽은 상기 격실의 측벽으로 되어있고, 용융유리의 흐름에 방해가 되는 사각이 생기지 아니하도록 60°이하의 각으로 격실측벽과 연결되어 있다.
본 발명에 의하여 청정격실과 함께 제공되는 조절격실은 4각단면의 도관형태로 하고, 길이는 폭의 적어도 10배 이상으로 하는 것이 바람직하다. 평균깊이는 0.4 내지 0.8m, 바람직하기로는 0.5 내지 0.7m로 한다. 예를 들면, 인상흐름의 유량과 같은 유량을 귀환시키려면, 즉 재순환율을 1로 하려면, 120 내지 150t/j을 인상하기에 필요한 도관의 깊이는 0.6m, 길이는 2m로 하는 것이 양호하다.
도관의 베드플레이트에는 상류에서 하류로 올라가는 경사면을 포함시킬 수 있으나, 각단에 있는 유리의 깊이가 평균깊이로 정한 범위 안내 머물러 있게 하여야 한다.
유리를 성형하기 위하여 배출구에 유리 채취용으로 제공된 단면은 조절도관의 하단단면의 30 내지 50%로 한다.
조절도관의 베드플레이트는 상류방향으로 청정실깔때기형도관에 비례하여, 특히 2격실 사이를 연결하는 개구부가 없는 경우에는 유리배드내에 잠겨있는 내화재로된 문턱(threshold)에 의하여 제한하고, 유리가 통과하는 단면을 조절격실내의 배드에 제공된 최대단면에 비례하여 일반적으로 20 내지 60% 정도 감소시킨다.
그 외에도, 2격실 사이에 예를 들면 배드의 표면에 근접되게 낮출 수 있는 내화재로된 가동스크린에 의하여 대기간막이벽을 제공하는 것이 바람직하다.
찬공기가 다시 들어오는 것을 방지하기 위하여 청정격실의 기압을 약간 고압으로 유지하고, 예를 들면, 전기가열관내에 이상이 생긴 경우에 필요한 보충열을 제공할 수 있는 버너를 상기 스크린 상류에 제공할 수 있다. 상기 버너는 조절격실내에도 제공하는 것이 바람직하다.
조절도관에는 그 외에도 상부 중간위치에 도관의 길이를 단축시키고, 수득한 유리의 인상 및 균질성을 증대시킬 수 있는 교반기를 설치할 수 있다.
본 발명에 의한 장치의 양호한 실시예에 있어서, 다음 격실내에서 처리될 용융유리를 준비하는 유리화가능 재료의 용융격실에는 용선로 형의 전기가열조가 포함되어 있다.
전기가열조는 일반적으로 4각형으로 되어있고, 깊이는 1 내지 1.5m이고, 전극은 종래의 방법에 따라 베드플레이트를 가로질러 배치되어 있다.
유리화할 수 있는 혼합물은 예를 들면 프랑스 특허출원(제8116617호)에서 공개한 유형의 분배기에 의하여 가열조의 전표면에 분배되고, 용융은 "유개궁륭" 또는 "저온궁륭"에서, 즉 유리화할 수 있는 혼합물의 연속층하에서 행하여지고, 용융유리는 베드플레이트의 수준에 있는 오리피스를 통하여 추출된다.
상기 연속층은 단열스크린의 역할을 하고, 혼합물내에 존재하는 셀레늄, 붕소와 같은 다량의 휘발성성분을 잔류시킴으로써 대기오염도 감소시킬 수 있다.
본 발명은 청정유리를 연속적으로 제조하는 방법으로서, 용융구역내에 용융물배드를 형성하기 위하여 유리화할 수 있는 혼합물을 용융시키는 단계와 용융물 덩어리를 청정구역내에서 덩어리가 분해되는 온도까지 가열하는 청정단계로 구성되어 있고, 이에 따라 용융물이 용융구역의 현저한 유체정압하에 청정구역으로 안내된 후, 청정구역의 한끝에서 다른 끝까지 연속된 흐름으로 약한 유체정압하에 하부에서 표면까지 점진적으로 안내되고, 이어서 흐름이 청정유리의 채취실방향으로 표면 흐름에서 이탈하고, 표면흐름의 온도가 처음에는 적어도 통상적 분해온도와 같고, 점도는 50포이즈(poise)이상이 되는 방법도 그 목적으로 한다.
적어도 청정제가 들어있는 유리화가능 혼합물에 특히 적용할 수 있는 방법의 한 실시예에 있어서, 용융물을 청정구역을 통과하는 동안에 청정제의 분해온도 이하의 수준에서 청정제가 급속히 분해되는 온도수준 사이에서 가열된다.
예를 들면, 68 내지 74%의 산화규소(SiO2)와 0 내지 3%의 산화알루미늄(Al2O3)과 12 내지 15%의 산화나트륨(Na2O)과 8 내지 12%의 산화칼슘(CaO)이 함유된 통상공업용유리와 같은 실리콘-나트륨-칼슘유리를 제조하려면, 상기 요소가 들어있는 유리화가능 혼합물에는 0.3 내지 0.5중량%의 황산염과 0.1중량%이상의 산화황(SO3)이 함유되고, 용융물은 청정구역을 통과하는 동안에 적어도 1370 내지 1480℃의 온도로 가열하는 것이 바람직하다. 이러한 목적으로 용융구역을 벗어나는 용융물은 필요한 경우에는 물에 잠겨있는 협로에서 청정구역에까지 통과하는 동안에 전술한 온도범위중 하한을 구성하는 값 이하로 온도를 강하시키기 위하여 냉각된다.
용융물은 용융물이 전체적으로 상승이동하는 동안에 대부분을 가열하는 것이 바람직하다.
용융물의 가열은 용융물이 청정구역내로 들어가는 수준에서 흐름의 중앙수평구역내에서부터 개시하는 것이 유리하다.
청정구역에서 나오는 표면흐름에 의하여 채취된 유리는 조절구역내로 공급되고, 유리는 조절구역내에서 재순환벨트에 의하여 균질화되고, 일반적으로 1000포이즈의 점도에 상응하는 성형에 유리한 온도로 냉각된다.
본 발명에 의한 방법의 한 양호한 실시예에 있어서, 전술한 온도 사이의 가열은 용융물속에 잠겨있는 전극사이에서 청정될 용융물을 직접 가로지르는 주울효과에 의하여 얻게된다.
흐름의 상승속도는 청정구역의 상부에서 하부보다 더 느린 것이 유리하다.
청정구역과 조절구역을 수평으로 연결시키는 재료의 흐름은 상승이동시의 유속보다 더 빠른 속도로 안내된 후, 조절구역내로 들어가면 적어도 20% 이상 느려진다.
청정구역위에 있는 유리상의 기압은 격실의 간막이에 의하여 조절구역위에 존재하는 기압과 절연되고, 청정구역내에는 버너에서 나오는 연소가스로 인하여 과압이 생기게 된다.
본 발명에 의한 방법의 특성에 의하여, 조절구역내에 존재하는 대류는 주로 하류, 즉 성형될 유리의 배출구쪽으로 향하는 표면흐름과 상류로 향하는 베드플레이트의 재순환흐름으로 구성되고, 재순환흐름은 인상유량의 0.5 내지 3배, 바람직하기로는 1배 정도이고, 인상흐름은 대개 표면흐름의 표면중앙부분에서 나온다.
본 발명에 의하여 청정과정을 거치는 용융유리는 저온궁륭하에서 전기융해에 의하여 제조하고, 즉 용융될 유리화가능 혼합물로 구성하고, 배드의 하부에서 채취하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명에 의한 장치와 방법을 증기장력이 강한 성분이 다량으로 함유된 유리를 제조하여 용융하는데 있다.
기체를 배출하는 유리용융의 반응중에서 1200℃ 이하의 온도에서만 일어나는 탄소제반응을 용융로내에서 이용할 수 있으나, 청정제를 분해시킬 수 있는 이러한 반응은 전극의 수, 크기 및 배치를 적당히 선택함으로써 용융물의 국소적 과열을 제한하는 범위 안에서 부차적으로만 일어나게 하는 것이 유리하다. 용융로에서 나오는 유리는 직경 30미크론 이상의 기포 2500 내지 7500개, 경우에 따라서는 유리 1dm3에 대하여 250개에 상당하는 청정도를 타나내기 때문에, 온도나 분사력만으로는 청정도를 제어하기 어렵고, 유리화할 수 있는 혼합물의 성분비를 조절함으로써 이를 제어한다. 청정실은 본 발명에 의하여 제안된 조절실과 공동으로 청정의 제어 및 혼합물에 도입하는 청정제의 비용면에서 매우 유리한 용융실을 완성시킨다.
청정에 관한 질적요건이 예를 들면, 저질의 작은 병을 제조하는 경우와 같이 유리 1dm3에 대하여 125개의 기포 정도로 매우 낮은 때에는 용융로내에서의 제조과정을 과도하게 촉진시킬 필요가 없기 때문에, 에너지를 절약하고, 용융로, 청정실 경우에 따라서는 조절실의 내화재를 손상시키지 아니하면서도 각 부분품의 기능을 원활히 수행하게 할 수 있다.
전술한 바와같이 용융실, 청정실 및 조절실로서 3개의 격실로 구성된 전기가열식유리 제조장치는 종래의 장치에 비하여 모든 면이 축소됨으로써 (베드플레이트의 표면은 약 1/10정도로 축소) 전체적으로 여러가지 이점이 있다. 예를 들면, 본 발명에 의한 장치는 관성이 매우 약하다. 반응시간, 즉 혼합물에 관한 여건중 하나를 영구적으로 변경시키는 것에 대한 반응의 90%를 얻는데 소요되는 기간은 플로트유리를 제조하는 종래의 불꽃용융로에 있어서는 8 내지 10일인데 비하여 본 발명에 의한 장치의 경우에는 10 내지 12시간이면 충분하다.
이에 의하여 기능상의 순응성이 크게 향상되고, 투자 및 활용면에서도 상당한 경제성을 실현하였다. 예를 들면, 색조도 신속히 변경할 수 있다. 더구나, 휘발성물질의 비상 및 손실에 대한 제어와 마찬가지로, 대기의 산화환원작용도 쉽게 제어할 수 있기 때문에, 본 발명은 예를 들어 셀레늄에 채색한 유리를 제조하는데 유리하게 응용할 수 있다.
그 외에도, 경험에 의하여 용융유리의 반죽으로부터 라미네이팅(laminating) 또는 플로팅(floating)에 의하여 형성되는 유리판의 한결같은 성층으로 나타나는 바와같이 용융유리반죽의 균질성이 양호하기 때문에 하류벨트내에서의 재순환률을 0.5 내지 3, 즉 귀환흐름의 유량이 인상흐름의 유량보다 0.5 내지 3배가량 많은 수준으로 할 수 있고, 특히 재순환률을 1정도로 안정시킬 수 있으며, 이에 의하여 에너지 소비면에서도 매우 큰 경제성을 달성할 수 있다.
상기 조건하에서 청정격실은 협로의 출구와 더운 구역의 단부를 표시하는 공기차단 스크린 사이를 유리가 통과하는 평균시간을 30분 정도 단축할 수 있는 만큼 규격을 축소시킬 수 있다.
장치의 베드플레이트 총표면에 대한 비인상은 3 내지 5t/m2/일에 달할 수 있다.
본 발명에 의한 장치와 조작방법을 첨부도면을 참조하여 여러 실시예에 따라 상세히 설명하기로 한다.
[실시예 1]
제 1 도 및 제 2 도는 각각 해당격실(1,2,3)내에서 유리의 용융청정 및 조절의 여러가지 기능을 전기에너지에 의하여 수행하는 장치를 하나는 대칭되는 수직면으로 절단하고, 다른 하나는 청정실과 조절실내에 있는 유리배드의 상부수준에서 수평으로 절단한 도면이다.
용융로(1)는 종래의 용선로와 동일한 유형이다. 용융로(1)는 베드플레이트(5)를 관통하고, 물에 잠겨 있는 전극(4)에 의하여 가열되고, 유리화할 수 있는 혼합물을 용융물(7)의 표면 전체에 배포하는 분배기(도시되지 않음)에 의하여 재료를 공급받는다.
용융로(1)는 침수협로(8)를 거쳐 청정격실(2)에 용융유리를 공급하고, 침수협로(8)는 용융로(1)의 베드플레이트(5) 위로 경사되는 용융유리를 채취한다. 협로(8)에는 청정실(2)의 하부로 개방된 적어도 하나의 분산부분을 구비하고 있다. 청정실(2)은 일반적으로 깔때기모양의 구조로 되어 있고, 단면은 상부가 협로(8)의 출구가 있는 하부보다 더 크다. 제 1 도 및 제 2 도에 도시한 실시예에서는 상류격벽(9), 측면격벽(10,11)은 모두 수직으로 되어 있고, 하류격벽(12)은 수평면에서 70°정도 하류쪽으로 기울어져 있으며, 상기 격벽이 문턱(13)과 함께 청정조(14)를 구성하고, 문턱(13)은 유리배드에 관한한 용융로중에서 가장 뜨거운 유리 청정구역과 하류의 유리조절구역을 구획하고 있다. 현수가동스크린(15)도 2격실(2,3)사이의 기압에 관한한, 상기 문턱과 유사한 구획을 구성한다.
청정격실(2)은 청정조(14)의 격벽과 격벽을 가로지르는 4개의 전극(16,17,18,19)의 작용에 의하여 가열된다. 전극에 대한 잔류공급관(16',17',18',19')은 각 격벽(10,11)에 일부씩 배분되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 예를들면, 청정격실의 폭이 1m 이상인 때에는 각 전극의 양단에 평행으로 전류를 공급할 수 있도록 하는 것이 바람직하며, 이러한 배치에 의하면 적극은 1/2씩이 격벽(10, 11)을 가로질러 놓이게 된다.
청정실(2)에는 2그룹의 버너(20-20', 21-21')를 각격벽(10, 11)에 배치하여 청정실을 천천히 점진적으로 가열시켜 전극을 교체할때, 외부에 찬공기가 들어가지 못하도록 약간의 초과압력을 유지할때 보충가열수단으로 이용하게 하는 것이 유리하다.
조절실(3)에도 몇개의 유사한 버너를 측면격벽에 배분하여 단(step)(23), 폭협착부(24) 및 성형될 유리용추출구(25)로 구성된 도관(22)에 따라 온도를 제어하는데 이용할 수 있다.
청정도가 매우 높고, 성형가능한 유리를 1일에 4톤 정도 제조할 수 있는 본 발명에 의한 장치의 조작조건을 설명하기로 한다.
용융로(1), 협로(8), 청정실(2) 및 조절관(3)으로 구성된 본 발명에 의한 장치의 치수 및 주요매개 변수는 하기와 같다.
Figure kpo00001
청정격실의 하류단에 도시되어 있는 문턱(13)은 두께 약 0.10m의 유리밑에 잠겨 있어서, 표면흐름에 대하여 0.05㎡의 통로를 제공할 수 있다.
청정조(14)의 4몰리브덴 전극은 직경이 40mm이고, 길이 0.5m의 용융유리내에 잠겨 있고, 제 1 도에 도시한 바와 같이 교호적으로 배치되고, 치수는 다음의 표와 같고, 2개의 전극(16,18)에 대하여 동일한 위상을 채택하고, 전극(17,19)에 대하여는 다른 위상을 채택함으로써 3상 교류로 전류가 공급된다.
전극의 위치는 청정실(2)의 수평베드 플레이트에 대한 높이는 세로좌표로, 상류수직 격벽(9)에 대한 거리는 가로좌표로 하기에 도시하였다.
Figure kpo00002
사용한 유리의 성분비는 하기와 같다.
SiO271.2%(중량%)
Al2O3+TiO21.04%
Fe2O3(철전체) 0.08%
CaO 9.18%
MgO 4.49%
Na2O 13.3%
K2O 0.46%
유리화할 수 있는 혼합물은 통상적인 유리재료로 구성되고, 용융될 유리의 중량에 대하여 유리가루 20중량%, 황산나트륨 0.14중량%가 들어 있고, 습도비는 2%이다.
유리의 3도에 비례하는 정도의 값은 하기와 같다(log d : 점도단위).
Figure kpo00003
청정실의 효율을 설명하기 위하여, 1일에 4톤의 유리를 인상하고, 용융조(1)내에서 동일한 분산력을 가진 2개의 조작시스템으로서, 제1시스템은 청정실(2)에 있어서 용융조(1)에서 나오는 유리의 온도를 약 1350℃로 유지하고, 통상적인 유리병을 제조하는데 적합한 품질의 유리(유리 1d㎥에 대하여 기포 125개)하는 것이고, 제 2 시스템은 청정실에 보충에너지를 공급하여 유리의 온도를 1500℃로 유지하고, 플로트유리의 제조기준을 충족시키는 청정도의 유리(유리 1dm3에 대하여 기포 2.5개 이하)를 제조하는 양시스템을 비교하였다.
실제로, 유리는 처음에 50℃의 온도로 협로(8)에 들어가서, 청정격실을 통과할때, 제1시스템에 있어서는 온도가 1360℃ 분산력이 40kw(전극상의 전류평균강도0.82A/㎠)로 되고, 제12시스템에 있어서는 온도는 1510℃, 분산력은 61.5kw(전극상의 전류평균강도 1.23A/㎠)로 된다.
청정격실의 여러 전극에 대한 전류의 분배는 제1시스템에 해당하는 조건하에서는 하기와 같다.
Figure kpo00004
* 총동력 : 61.5kw, 임피던스(Z) : 0.102옴
유리 1KG에 대하여 약 0.12KWH의 에너지로서도 상당히 양호한 청정도를 실현하기에 충분하다는 사실이 입증되었다.
그 외에도, 조절관의 깊이가 0.2m인 경우에도 재순환비를 적게 하고, 균질성을 고급 유리병을 제조하는데 요구되는 수준보다 훨씬 더 높은 수준으로 할 수 있으며, 수득한 유리를 분석한 결과 부식률도 매우 낮은(Mo 0.0032%, ZrO20.066%)것을 알게 되었다.
[실시예 2]
제 3 도 및 제 4 도에 도시한 장치는 실시예 1의 장치보다 더 규모가 커서 인도되는 제품의 성질에 따라 1일에 120 내지 150톤을 생산할 수 있는 장치이다.
장치의 주된 요소는 실시예1에서 설명한 장치와 동일하기 때문에, 여기에서는 더 현저한 구조상의 특징만을 설명하기로 한다.
먼저, 구조는 유리의 흐름을 방해할만한 사각을 되도록 적게 하였음을 알 수 있다. 약 0.8m폭의 협로(8)에는 깔때기모양으로된 부분(64)내에 있는 그 출구에 상류격벽(59)을 가로질러 폭이 깔때기모양부분의 폭과 동일하게 측면격벽(60,61) 사이에서 1.2m인 개구부(58a)가 포함되어 있고, 이와 유사한 방법으로 깔때기형부분(64)과 도관(76)사이의 연결부(63)에도 청정유리가 조절관(76)으로 흐를 수 있는 폭 2m의 개구부(76a)가 제공되어 있으며, 조절관의 베드플레이트(77)에는 하류쪽으로 약 2cm/m 기울어진 상승경사면이 있다.
상기 개구부(76a)의 하류부분은 용융로중 유리를 청정시키는 가장 뜨거운 구역의 한계가 된다.
전극(68a-68f)의 수 및 배치에 관하여 보면, 전지는 깔때기모양의 부분(64)을 통과하는 여러가지 상승흐름에 연관되고, 부분(64)내에서 거의 유리높이와 같은 1.6m에 달하도록 열을 분배할 수 있게 배분되어 있다. 그 외에도 전극에 의하여 유리흐름의 이동과 온도뿐 아니라 귀환흐름도 제어할 수 있게 되어 있다.
열은 협로(8)에서 배출되는 용융물 흐름의 중앙부분에 위치한 전극(68a)에서 최초로 발생하기 시작한다.
장치의 규격은 종래장치에 비하여 크게 축소되었다. 실시예의 경우에는 청정실과 조절실의 총표면이 20㎡에도 미달하는데 대하여 동일용량의 종래장치에 있어서는 200㎡에 달한다.
평균깊이가 0.6m인 조절실(76)의 경우에, 재순환흐름은 인상흐름의 약 1배 경우에 따라서는 0.5배로 줄일 수 있고, 그러면서도 플로트유리의 제조와 양립할 수 있는 우수한 균질성을 유지한다.
이를 위하여는 조절실의 상류로 1/3되는 지점, 바람직하기로는 유리높이의 1/3이하 지점에 교반기를 설치하는 것이 유리하다.
이에 의하여 기능상의 순응성과 반응의 신속성이 크게 향상되었다. 주어진 "신호", 특히 성분비의 변경에 대하여 기대하는 효과의 90%를 종래 용융로에 있어서 8 내지 10일에 얻을 수 있는 것을 10시간에 얻게 된다.
청정실의 깔때기형 부분을 통과하는 유리의 과열을 이용함으로써 기포의 수를 대폭적으로(계수 100이상)감소시킬 수 있기 때문에, 실시예 1 및 2의 장치사이에 축척상의 증감이 있더라도 청정조의 효율은 크게 영향을 받지 아니한다.

Claims (30)

  1. 유리화할 수 있는 혼합물(6)을 용융시키는 가열수단(4)과 얻어진 유리재료 용융물(7)을 수용하는 "용융용기"라 불리는 용기를 구비하는 용융로(1) 및, 거의 수직도관을 이루는 샤프트 또는 깔때기 형태의 청정조(14,64)와 상기 용융로(1)의 저부(5)를 상기 청정조(14,64)의 저부에 연결하여 상기 요융로(1)로부터의 상기 유리재료 요융물(7)이 상기 청정조(14, 64)로 공급되게 하는 침지된 협로(8,58) 및 상기 청정조(14,64)의상부에서 상기 용융된 유리재료를 뽑아내는 추출 수단(13,26,25,63,76)을 구비하고 상기 청정조(14,64)의 유리재료 용융물을 통상의 가스분리 온도까지 가열하는 침지된 전극(16,17,18,19)을 구비하는 청정실(2)로 이루어진 청정 유리연속 제조장치에 있어서, 상기 청정실(2)을 가열하기 위한 상기 침지 전극에는 가열전력을 조절하는 수단이 구비되며 상기 청정실(2)의 체적내에 산재되어 있어 상기 청정조(14,64)에 수용된 용융물의 균일하고 점진적인 온도 증가가 저부에서 상부까지 가능케하며 하방으로 역류가 생김이 없이 상기 용융물의 전체가 이동 경로를 따라 상승하도록 하며 상기 침지 전극의 가열 전력은 소정 발열율로 용융물을 적어도 100℃이상으로 가열하여 가스분리 온도에 이르게 하고, 상기 추출수단(13,26,25,63,75)은 분리된 유리의 통과를 위해 청정실(2)에 대해 연결부(13 : 문턱, 63)를 부여하는 접속부와 상기 청정조(14,64)의 상부에서의 수평 구간의 유동율보다 작은 유리 유동율로 제한하도록 유리유동을 횡단하는 수직구간의 축소부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 청정조(14,64)는 상향 확장 깔때기 형상을 가지며, 양호하게는 50 내지 80°로 경사진 평탄한 아래쪽벽(12,62)과 용기의 종방향 수직 대칭 평면에 평행한 수직측벽(10,11,60,61) 및 상기 대칭 평면에 직각인 수직한 위쪽벽(9,59)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 협로(8,58)는 상기 청정조(14,64)의 저부의 수평 단면보다 작은 횡단 수직 출구 단면을 가지며 상부의 수평 단면의 최소한 30% 이상인 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 도관(26,76)내의 유리 흐름에 제공된 단면은 청정조(14,64)와 조절 격실(3)의 상기 도관(26,76) 사이의 연결부(13 : 문턱, 63)의 처음 부분에서 상기 유리 흐름에 제공된 단면보다 최소한 20% 더 큰 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 청정조(14)와 도관(26) 사이의 접속부에는 내화재 문턱(13)이 제공되며, 그에 따라 유리의 통과 단면이 도관(26)내의 용융물에 제공된 최대 단면의 20 내지 60%로 감소된 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 스크린(15)이 청정실(2)과 조절 격실(3)사이의 공기를 분할 하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 4 항에 있어서, 청정실의 상기 가열 수단이 용융물에 침지된 전극(16 내지 19, 68a 내지 68f)으로 되어 직접 주율 효과로써 재료를 가열하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 청정조(14,64)가 수평으로 설비된 전극(16 내지 19, 68a 내지 68f)을 포함하며, 그 작동부분이 상기 청정조(14,64)의 한 측벽(10,60)으로부터 다른 측벽(11,61)으로 연장되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 청정조(14,64)가 아래쪽벽(12,62)을 통해 용기로 들어가는 수평 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 7 항에 있어서, 청정조(14,64)가 저부를 통과하는 수직 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 7 항에 있어서, 버너(20,21)가 청정실(2)에 설비되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 7 항에 있어서, 버너가 조절격실(3)에 설비되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 4 항에 있어서, 교반기가 도관(25,76)의 위쪽 절반부에 설비되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 4 항에 있어서, 도관(76)이 0.4 내지 0.8m의 평균 깊이를 가지며 그 길이는 그 폭의 세배 이상인 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 4 항에 있어서,상기 도관(76)은 상류에서 하류로 올라가는 경사진 바닥(77)을 가지며 각 단부에서 0.4 내지 0.8m의 유리깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 4 항에 있어서, 도관(76)의 평균 깊이가 0.6m인 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 청정조의 가열 수단(16 내지 19, 68a 내지 68f)이 중간 수평 횡단 구역의 에너지를 소멸시키는 하나 이상의 부재(68a)를 공급하는 재료의 흐름의 협로(58)의 배출구 가까운 곳에 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 가열 수단(16 내지 19, 68a 내지 68f)은 상기 청정조(14,64)의 위쪽벽(9,59) 부근의 에너지를 소멸시키는 하나 이상의 부재(16,18, 68b, 68d)를 포함하며, 소멸되는 동력 및 상기 벽으로부터의 거리는 상기 벽을 따라 하강하는 "냉각벽 흐름"이라는 흐름이 무시될만한 정도인 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 1 항에 있어서, 용융로(1)는 유리화 가능한 혼합물(6)의 연속층 아래에서 작동하고, 큐폴라 형인 전기 가열되는 용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 용융로(1)에서 유리화 가능한 혼합물(6)을 용융시킴으로써 유리재료 용융물(7)을 형성하는 용융 단계와, 청정조(14,64)를 구비한 청정실(2)에 위치하는 유리재료의 가스를 제거하고 상기 용융된 유리재료가 상기 용융로(1)내의 용융물의 저부를 상기 청정실(2)내의 용융물의 저부에 연결하는 침지협로(8,58)에 의해 상기 용융로(1)로부터 상기 청정실(2)로 유체 정역학적 압력으로 이동되며 상기 청정실(2)내에서 가열되어 상향 이동을 하게 되고 상기 청정실(2)내의 용융물 위의 자유 표면에서 가스 제거가 가능한 온도로 되게 하는 청정단계 및, 상기 청정실(2)내에 수용된 용융물의 상부에서 취출하여 상기 청정실(2)로부터 도관(26,76)으로 연장하는 수평 연결부(13 : 문턱, 63)에 의해 청정 유리를 추출하는 추출 단계를 포함하는 청정 유리 연속 제조방법에 있어서, 상기 청정실내 수용된 용융물에 가해지는 상기 가열은 상기 청정조(14,64)의 저부로부터 상부에 걸쳐 상기 용융된 유리재료(7)의 균일하고 점진적인 온도상승을 보장하고 용융된 유리재료 전체가 그 이동 경로에서 연속 수직 유동으로 하강 역류가 없이 상승 운동을 하도록 조절된 전력으로 용융물의 체적에 분포된 구역에 가해지며 상기 온도 상승이 적어도 100℃ 이상이고, 5pa.s(50poises)를 초과하지 않는 점도에 대응하는 기체 제거온도까지 이루어지고 상기 유동은 이어서 상기 도관(26,76)의 방향으로 일종의 표면 흐름으로 편향되며 청정 유리재료의 유동 속도는 상기 연결부(13 : 문턱, 63)의 위치에서 상기 청정조(14,64)에서의 상향 운동중의 수직 유동 속도보다 컸다가 감소되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 도관(26,76)에 공급하는 청정실(2)로부터의 표면흐름으로서 취출된 유리는 재순환 흐름에 의해 균질화되며 성형에 적당한 온도로 냉각되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 청정실(2)과 도관(26,76) 사이의 수평 연결부에서의 재료의 유동 속도는 상기 균질화 열 재순환 흐름의 표면 흐름의 유동속도보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 상향 또는 재순환의 균질화 열 흐름의 저부 흐름은 취출 유리의 취출 속도의 0.5 내지 3배인 평균 속도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 20 항에 있어서, 융용물의 가열은 용융물 전체의 상승 운동중에 행해지는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 20 항에 있어서, 용융물의 가열은 청정 구역으로 진입하는 높이의 유동의 중간 수평 구역에서 개시되는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 20 항에 있어서, 용융물의 가열은 용융물내에 침지된 전극 사이의 직접 주율 효과로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 20 항에 있어서, 한가지 이상의 청정제를 함유하는 유리화 가능한 혼합물에 가해질 청정 구역을 통과하는 동안의 용융물의 가열이 청정제의 분해 온도 이하에서부터 청정제의 상당량이 분해되는 온도까지 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 1 항, 제 2 항 내지 제 19 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 청정조(14,64)의 높이는 최소한 상부 수평부 면적의 평방근과 동일한 것을 특징으로 하는 장치.
  29. 제 20 항, 제 21 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수직 유동은 청정실(2)의 저부보다 상부에서 작은 상승 속도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 29 항에 있어서, 68 내지 74%의 SiO2와 0 내지 3%의 Al2O3와 12 내지 15%의 Na2O와 8 내지 12%의 CaO가 함유된 통상의 공업용 실리콘-나트륨-칼슘 유리를 제조하기 위한 유리화 가능한 혼합물이 0.1% 이상의 SO3에 상당하는 양의 황산염을 함유하며, 청정실 통과중의 용융물에 대한 가열이 1370 내지 1480℃의 온도 범위에서 이루어지고 이를 위해서 용융로와 청정실 사이를 이동하는 중에 상기 용융물에 대한 냉각을 수행할 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
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