KR102223423B1 - 유리를 용융 및 청징하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 횡방향 오버헤드 버너가 장착되어 유리를 용융 및 청징하는 노와 노로부터 유리가 공급되는 컨디셔닝 베이신을 하류 방향으로 포함하는 용융된 유리를 제조하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 제조 장치의 크기는 K가 3.5를 초과하도록 구성되며, K 계수는 장치의 치수에 따라 결정된다. 본 발명은 에너지를 적게 소비하면서도 고품질의 유리를 생산하는 유리 용융 장치의 크기를 보다 콤팩트하게 만들 수 있다.

Description

유리를 용융 및 청징하기 위한 방법 및 장치{PROCESS AND DEVICE FOR MELTING AND FINING GLASS}
본 발명은 에너지를 적게 소비하여 유리를 용융하고, 용융된 유리를 청징 및 컨디셔닝하며, 판유리를 제조하기 위해, 특히, 유리 부유 챔버로 공급될 수 있는 고품질의 유리를 전달할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.
유리를 용융 및 성형하기 위한 장치는 연속적으로 배치된 장입 구역, 용융 및 청징 구역, 컨디셔닝 구역, 그리고 마지막으로 성형 구역으로 구성된다. 장입 구역은 원료를 노에 도입하는 역할을 한다. 용융 구역은 원료가 유리 융성물로 변환되는 장소이다. 유동성, 균일성 및 기포 제거의 관점에서 최적 품질의 유리 융성물을 얻기 위해서는, 화석 연료나 전력을 이용하여, 용융 구역에서 매우 높은 온도를 달성하는 것이 필요하다. 그리고, 컨디셔닝 구역은 유리 제조 과정 중에 유리가 경험한 온도보다 훨씬 더 낮은 성형 온도가 되도록 유리를 냉각하는 역할을 한다.
유리 제조 장치는 높은 생산성과 가능한 한 낮은 에너지 소비율 및 건축 비용으로, 고품질의 유리, 즉, 용융되지 않은 재료를 가능한 한 적게 함유하고 기포를 가능한 한 적게 함유한 유리를 제조하여야 한다. 이러한 설비의 건축 비용은 이 기술 분야에서의 혁신을 느리게 하고 어렵게 만든다. 이러한 이유로 본 발명자들은 가장 적당한 치수 및 작동 모드를 찾기 위해 유리를 수용한 연속적인 베이신들에서 발생하는 용융된 유리에서의 대류 메커니즘에 대해 심층적인 연구를 수행하였다.
EP 650 934는 용융된 유리의 재순환 셀의 형성을 방지하기 위해 충분히 얕은 흐름 채널을 공급하는 평저형 용융 및 청징 베이신을 포함한 유리 용융 장치를 교시하고 있다. 용융 및 청징 베이신은 2개의 대류 순환 루프가 있는 장소이다. 청징 구역의 하류에 컨디셔닝 베이신이 제공되지 않는다. 청징 구역의 하류에 유리의 역류가 존재하지 않는다. 청징 구역의 하류에서 결함이 반드시 발생한다.
EP 2 168 923은 복수의 단차에 의해 소형의 용융 구역과 대형의 청징 구역 사이에서 점진적으로 바닥이 상승하는 용융 및 청징 노를 포함한 용융된 유리의 제조 장치를 교시하고 있다. 이 노에서 나오는 유리의 흐름은 플러그 흐름이다.
FR 2 299 277은 플러그 흐름으로 흐르는 컨디셔닝 베이신을 포함하는, 유리를 용융 및 청징하기 위한 장치를 교시하고 있다. 청징 베이신에서 청징 구역을 향해 부분적인 역류가 발생하기는 하지만, 장치의 나머지 부분에서 나타나는 결함의 가능성이 보이기 때문에, 이 역류 구역은 충분한 효과를 얻기에는 너무 짧다. 또한, 이 구역은 너무 짧기 때문에 채널의 시작을 형성하는 것으로 간주될 수도 있는 플러그 흐름 구역으로 유리가 침입하기 전에 강력한 냉각 수단을 반드시 포함하여야 한다.
US 3 261 677은 내부에서 역류가 발생할 수 없을 정도로 얕은 청징 구역을 포함하는 노를 교시하고 있다. 용융 구역으로 향하는 역류가 없기 때문에 결함의 해소에 도움이 되지 않는다. 이러한 매우 얕은 위치에서는, 바닥은 바닥 내화물의 마모를 촉진하며 유리에서의 결함 발생을 조장하는 (약 1470℃의) 매우 높은 온도가 되는 것이 불가피하다.
CN 2012/50173Y는 1100 내지 1300㎜ 깊이의 노에 있는 250 내지 350㎜의 단차를 교시하고 있다. 노의 다른 치수는 도면으로부터 확인할 수 있다. 전반적으로, 이러한 노는 전력 소비율이 높고 저품질의 유리를 제조한다. 이는 이 노가 약 1인 본원에 정의된 바와 같은 K 계수를 갖는 것으로 계산된다는 사실에 의해 뒷받침된다.
CN 102 320 721는 (위에서 볼 때) 비스듬한 채널을 직접 공급하는(즉, 작업 단부가 없는) 노를 교시하고 있다. 채널 내에서는 역류가 존재하지 않는다. 이 채널의 입구에서는 유리가 너무 고온일 수밖에 없다. 이 채널에서 유리를 충분히 냉각하기 위해서는 매우 강한 송풍이 필요하며, 이는 유리의 광학 품질의 저하를 초래할 것이다. 구체적으로, 본원의 예에서와 같이 표현하면, 송풍 강도(ΔSouff)는 약 193%일 것이다.
노에서의 온도 구배로 인한 대류는 노 내에서 유리가 흐르도록 유도한다. 따라서, 대류 루프 또는 셀은, 유리가 표면을 향해 상승하는 바닥의 고온 지점까지 노의 바닥을 향해 하강하여 머무르기 전에, 장입된 배치의 액화로 시작된다. 제1 순환 루프의 하류에 있으며 하류 루프라 지칭되는 제2 순환 루프가 용융/청징 노의 바닥의 고온 지점으로부터 형성될 수 있으며, 표면에서 노의 출구까지 상승 및 순환하여, 컨디셔닝 베이신으로 가기 위해 노를 빠져나간다. 노에서의 유리는 컨디셔닝 베이신에서보다 더 고온이다. 용융 및 청징 노에서의 바닥 온도가 1400℃ 미만일 것이 권장된다. 그 이유는 바닥 온도가 1400℃ 미만으로 유지될 수 있는 재순환 루프의 형성을 허용할 수 있을 정도로 용융 및 청징 노에서의 유리가 충분히 깊기 때문이다.
물론, 본원에서의 용어 "상류"와 "하류"는 상류에서 하류로 흐르는 유리의 흐름 방향을 참조한다.
용어 "셀"과 "루프"는 본 문맥에서 동의어이다. 유리의 재순환 루프의 위치는 종래 기술의 특허에서 자주 기술되었으나, 그들의 강도와 그들의 상호 작용에 대해서는 거의 관심이 없었다. 재순환 루프가 용융 장치의 인출량(pull)의 수배를 나타내는 플럭스를 가질 수 있으며, 재순환 루프를 그 위치 또는 그 강도의 관점에서 변형하는 것은 인접한 재순환 루프의 특성에 영향을 미친다는 것이 이제 밝혀졌다. 따라서, 용융된 유리를 제조하기 위한 장치의 기하학적 파라미터와 상기 장치의 작동 방식이 2개의 셀의 위치와 각각의 평형 및 그들의 대류 강도에 직접적으로 영향을 미치는 것이 관찰되었다. 재순환 루프의 강도가 크면 클수록, 이 루프 자체가 노로부터 더 많은 에너지를 필요로 하게 된다. 용융된 유리에서 이러한 재순환 효과에는 유리 내에서의 기포 발생에 관한 것들이 추가되며, 유리의 표면을 향해 기포를 이동시킴으로써 제거하는 것이 바람직하지만, 더 저온인 구역에서 유리에 의해 흡수될 수도 있다. 또한, 청징제(주로 황산나트륨)의 농도는, 유리가 흐름에 따라 점차 소비되므로, 그리고 유리의 온도가 증가함에 따라 증가하는 속도로, 감소한다. 특히, 판유리의 성형 장치에 도달하기 전에, 유리는 그 성형에 적절한 온도로 냉각되어야만 한다. 이것이 컨디셔닝 베이신의 역할이다. 컨디셔닝 베이신은 단일의 구획만을 포함할 수 있지만, 일반적으로 적어도 2개의 구획을 포함한다. 따라서, 컨디셔닝 베이신은 순차적으로 직렬로 배치되어 유리가 연속적으로 통과하는 복수의 구획을 포함할 수 있다. 보다 일반적으로, 컨디셔닝 베이신은 2개의 연속적인 구획으로 구성되며, 그 중 제1 구획은 넥(neck) 또는 웨이스트(waist)라 지칭되고, 그 중 제2 구획은 작업 단부라 지칭된다. 일반적으로, 용융/청징 노는 넥 위로 직접 개방된다. 일반적으로, 넥은 작업 단부 위로 직접 개방된다. 넥에는 버너가 없으며, 일반적으로, 가열 수단이 없다. 작업 단부에는 유리를 정확한 온도로 만들기 위해 유리의 표면을 가로질러 공기를 송풍하기 위한 장치가 설치된다. 작업 단부 속으로 송풍된 공기는 일반적으로 작업 단부 앞에 있는 넥으로 유입되므로, 유리의 냉각에도 기여한다. 일반적으로 넥에서 시작하는 컨디셔닝 베이신에서의 유리의 흐름 단면과 흐름 폭은 노에서 보다 훨씬 작고, 넥에서보다 작업 단부에서 훨씬 크다. 유리의 흐름 단면은 장치의 기하학적 구조에 관련된다. 이러한 장치는 유리와 접촉하여 유리를 수용하기 위해 "탱크 블록"이라 지칭되는 내화 블록으로 제작된 전용 탱크를 갖기 때문에 유리 높이와 관련하여 특히 그러하다. 장치에서의 유리 높이는 일반적으로 30 내지 130㎜를 포함하는 안전 여유만큼 감소된 탱크 블록의 상부 레벨과 바닥 레벨 사이의 거리에 일반적으로 대응한다. 관련 기술 분야의 기술자는 유리와 접촉하는 블록 세트를 "하위 구조"라 한다. 용어 "상위 구조"는 하위 구조 위에 배치된 재료를 나타내기 위해 사용된다. 상위 구조 재료는, 하위 구조의 탱크 블록 위에 배치되고 유리와는 접촉하지 않지만 노의 분위기와 접촉하기 때문에, 일반적으로 하위 구조의 탱크 구조의 특성과는 다른 특성을 갖는다. 상위 구조에 사용된 재료가 하위 구조의 재료와 동일한 경우에도, 관련 기술 분야의 기술자는 구조물의 두 부분을 즉시 구별할 것이다. 탱크 블록의 존재는 용융된 유리를 수용하기 위해 제작된 재료의 특징이며, 장치의 전체 길이, 즉, 노와 컨디셔닝 베이신 모두에 영향을 미친다. 따라서, 본 발명에 따른 장치 및 방법에서, (유리의 흐름 단면의 계산에 사용된) 유리 높이는 30 내지 130㎜만큼, 특히, (30 내지 130㎜ 범위의 중간인) 80㎜만큼 감소된 탱크 블록의 높이와 대체로 동일하다. 따라서, 본원은, 유리의 표면 레벨이 탱크 블록의 상부 레벨 아래로 30 내지 130㎜를 포함하는 거리에 있고, 본 발명에 따른 K 값이 3.5를 초과하며 바람직하게는 5.5를 초과하고 심지어 더 바람직하게는 7.5를 초과하는, 탱크 블록을 가진 장치에 관한 것이기도 하다. 특히, K 값은 9를 초과하거나, 심지어 10.5를 초과하거나, 심지어 13을 초과할 수 있다.
컨디셔닝 베이신 이후에, 유리는 채널로 유입되고, 이 채널 자체는 성형 장치로의 급송을 수행하고. 채널에서의 유리의 높이(또는 깊이)가 채널 직전에 있는 컨디셔닝 베이신에서의 높이(또는 깊이)보다 훨씬 낮기 때문에, 채널에서는 유리 재순환이 발생하지 않는다. 따라서, 채널에서의 유리 흐름은 플러그 흐름이다. 이는 유리가 이 채널 내에서 곡선 또는 코일형 궤도를 추종하는 것을 방해하지는 않지만; 모든 궤도는 항상 상류에서 시작하여 하류에서 끝난다. 이 채널은 가능한 한 짧은 것이 유리하다. 그 이유는, 채널 내에서는 역류가 존재하지 않으므로, 유리와 채널의 벽체와 바닥 사이의 접촉으로 인해 채널에서 나타나기 쉬운 결함이 성형 장치로 유입되는 유리에 필연적으로 혼입될 것이기 때문이다. 따라서, 채널의 길이가 감소되면, 채널에서 나타나는 결함의 가능성이 감소하게 된다. 채널의 길이는 일반적으로 0.3 내지 10m 범위로 구성되며, 더 일반적으로는 0.8 내지 6m 범위로 구성된다. 채널의 하류 단부는 유리가 채널의 내화 바닥과의 접촉을 종료하는 장치의 종축 상의 횡좌표에 대응한다. 판유리를 제조하기 위한 부유 챔버의 경우, 이는 용융된 금속 위에 유리가 부어지는 립의 단부에 대응한다. 유리가 롤러들 사이로 통과하는 압연 장치의 경우, 이는 유리가 롤러와 접촉하는 지점에 대응한다. 채널은, 특히, EP 650 933의 도 1 및 도 2의 부분(14) 또는 EP 616 983 A1의 도 1 및 도 2의 채널에 대응할 수 있으며, 이 채널의 중간 부분(13, 14)을 통과하는 있거나 없는 그 교반기(15 내지 18)는 단축되거나 심지어 부재하게 될 것이다. 또한, 채널의 바닥은 수평에 대해 0 내지 6°를 포함하는 기울기로 하류 방향으로 약간 상방으로 경사질 수 있으며, 높이의 증가는 일반적으로 100㎜를 초과하지 않는다.
용융/청징 노에서 컨디셔닝 베이신까지의 유리의 통로와 관련하여, 컨디셔닝 베이신은 아마도 넥으로 시작하며, 유리의 흐름 폭은 유리의 흐름 방향과 적어도 40°, 심지어 적어도 60°및 일반적으로 90°의 각도를 이루는 노의 하류 벽체에 의해 적어도 30%만큼, 일반적으로 적어도 50%만큼 급격하게 감소하게 된다. 이러한 감소는 장치의 중앙 종축의 양측에 위치한 2개의 벽체에 의해 얻어진다. 컨디셔닝 베이신은, 유리의 일반적인 흐름 방향으로, 즉, 장치의 중앙 종축을 따라 상류에서 하류로, 길이가 2m를 초과하며, 일반적으로는 길이가 5m를 초과한다.
노에서 나오는 컨디셔닝 베이신의 입구는 일반적으로 지붕으로부터 유리까지 연장하는 열적 스크린에 의해 보호된다. 일반적으로, 이 스크린은 유리 속에 잠기지 않는다. 이는 노의 하류에 있는 저온 분위기로부터 용융/청징 노의 고온 분위기를 분리하는 역할을 주로 하며, 컨디셔닝 베이신의 시작을 표시한다. 그러나, 열적 스크린이 유리 속에 잠기는 것도 가능하다.
컨디셔닝 베이신은 유리 송풍 장치를 구비한 작업 단부를 포함할 수 있다. 일반적으로, 작업 단부는 넥 뒤에 있다. 위에서 볼 때 유리의 흐름 폭이 넥에서보다 작업 단부에서 훨씬 크다는 점에서, 작업 단부와 그 앞에 있는 넥은 서로 상이하다. 이러한 폭의 증가는 일반적으로 넥의 측벽에 대해 40°를 초과하고 일반적으로 60°를 초과하는 각도 및 일반적으로 90°의 각도를 이루는 벽체에 의해 얻어진다. 이러한 폭의 증가는 장치의 중앙 종축의 양측에 위치한 2개의 벽체에 의해 얻어진다. 폭은 일반적으로 적어도 30% 만큼, 보다 일반적으로 적어도 50%만큼 증가하게 된다. 부유 챔버 내에서 용융된 금속, 일반적으로는 주석 상의 판유리로 유리가 성형되는 경우, 컨디셔닝 베이신의 출구에서, 즉, 일반적으로는 작업 단부의 출구에서, 유리는 1000℃ 내지 1400℃ 사이의 온도가 될 것이 권장된다. 이 온도는 유리의 조성에 의존할 수 있다. 작업 단부 속으로 송풍되는 냉각 공기의 강도는, 유리 표면에 광학 결함을 생성할 수 있기 때문에, 너무 크지 않아야 한다. 이것이, 종래의 기술 분야에서, 광학 결함을 유리에 생성하는 위험을 감수하며 유리의 작은 면적 위에 너무 많은 공기를 송풍하여야 하는 것을 피하기 위해, 큰 작업 단부가 제공된 이유이다. 넥은, 유리의 일반적인 흐름 방향으로, 즉, 장치의 중앙 종축을 따라, 길이가 2m를 초과하며, 일반적으로는 길이가 4m를 초과한다. 작업 단부는, 유리의 일반적인 흐름 방향으로, 즉, 장치의 중앙 종축을 따라, 길이가 2m를 초과하며, 일반적으로는 길이가 5m를 초과한다.
본원의 맥락에서, 표현 "유리 표면" 또는 "유리의 표면"은 상황에 따라 노 또는 컨디셔닝 장치의 분위기와 접촉하는 유리의 상면을 나타내기 위해 사용된다. 용융된 유리를 제조하기 위한 장치에서, 용융된 유리에서 관찰되는 모든 대류 효과는 상류에서 하류까지 상기 장치 내에서, 즉, 용융 구역, 청징 구역 및 컨디셔닝 베이신 내에서의 온도 변화와, 그 다양한 요소의 기하학적 구조와 관련된다. 용융 구역은 노의 최상류 구역이며, 노의 적어도 제1 상류 버너를 포함한다. 청징 구역은 노의 최하류 구역이며, 컨디셔닝 베이신의 상류에 있다. 이러한 장치는 특히 복잡한 시스템이며, 모델링이 어렵다. 구체적으로는, 다음과 같은 장점을 조합하고자 한다:
a) 고품질의 유리; 유리가 고온에서 가능한 한 오래 시간을 보내도록 보장함으로써 고품질의 유리가 얻어지며; 따라서, 용융하기 어려운 입자를 용융시킬 기회가 더 많고, 또한, 더 높은 온도는 기포 제거를 촉진하며;
b) 낮은 에너지 소비율; 장치를 가열할 뿐만 아니라 컨디셔닝 베이신에서 용융된 유리를 냉각하면서, 그리고 특히 작업 단부에서 성형하기에 적절한 온도로 유리를 만들기 위해, 에너지가 소비된다.
기준 a)는 유리의 대부분이 역류로 하류로부터 상류로 지나가도록 하기 위해 높은 온도와 높은 대류 강도를 요구하여, 유리 하류가 이미 상대적으로 차가운 반면, 기준 b)는 가능한 한 적은 열을 제공하는 것과 최소한의 냉각이 필요할 수 있다는 것과 일치하기 때문에, 이러한 목적들은 조정하기가 어렵다. 밝혀질 속성들의 이러한 타협 이외에도, 건축 비용을 최소화하고자 하며, 이는 유리 제조 장치의 다양한 요소들, 특히, 컨디셔닝 베이신, 구체적으로는 작업 단부의 벽체, 바닥 및 지붕의 면적이 가능한 한 작아야 한다는 것을 의미한다. 구체적으로, 종래의 기술에서는, 작업 단부가 간혹 노와 비슷한 크기이다.
본 발명은 주로, 상류에서 하류로 용융 및 청징 노와 컨디셔닝 베이신을 포함하는 용융된 유리를 제조하기 위한 장치와, 상기 장치로 용융된 유리를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 노는 십자포화 오버헤드 버너를 구비하며, 각각의 버너는 산화제 입구와 연료 입구를 포함한다. 노는 일반적으로 각각의 측벽에 적어도 2개의 십자포화 버너를 구비하고, 일반적으로 각각의 측벽에 3 내지 10개의 십자포화 버너를 갖는다. 노의 각각의 십자포화 버너의 전력은 일반적으로 2 내지 12 메가와트 범위이다. 일반적으로 서로 평행한 측벽은 일반적으로 7 내지 16미터의 거리만큼 서로로부터 분리된다.
산화제는 산소가 농후할 수 있으며, 심지어 순수한 산소(80 내지 100 부피%의 O2를 함유한 산화제)이거나, 공기(10 내지 30 부피%의 O2를 함유한 산화제)에 기초하거나, 심지어 공기 또는 산소 농후 공기 또는 산소 고갈 공기 및 특히 연소 배기 가스로 희석된 공기일 수 있다. 십자포화 버너는 용융/청징 노의 (사이드월이라고도 지칭하는) 측벽에 삽입된다. 산화제가 공기(10 내지 30 부피%의 O2를 함유한 산화제)에 기초하는 경우, 노의 측벽의 버너 쌍은 대향 배치되며, 관련 기술 분야에 공지된 바와 같이 반전 모드로 작동한다.
십자포화 버너에 공급되는 산화제가 순수한 산소인 경우, 버너들은 면대면으로 배치되거나 지그재그로 배치된다. 이 경우에는, 노 속으로 산소가 주입되기 전에 산소를 가열하기 위한 재생기가 일반적으로 제공되지 않는다.
원료 배치 재료는 십자포화 버너의 화염 아래를 통과하기 위해 용융 노 속으로 상류에서 도입된다.
본 발명에 따른 방법에 사용되는 본 발명에 따른 장치에 적합한 크기를 결정하기 위해, 대류 및 열 흐름 효과를 모델링하는 상당한 작업을 실시하였다.
따라서, 본 발명은 주로, 상류에서 하류로 십자포화 오버헤드 버너를 구비한 유리 용융 및 청징 노와 상기 노에 의해 직접 공급되는 컨디셔닝 베이신을 포함하는 용융된 유리를 제조하기 위한 장치에 관한 것이다. 컨디셔닝 베이신은 성형 장치에 급송하는 채널로 유리를 유도한다. 제조 장치의 크기는 K가 3.5를 초과하도록 구성되며,
Figure 112016104574226-pct00001
(수학식 1)
이고,
여기서,
Figure 112016104574226-pct00002
(수학식 2)
이며,
여기서,
Sf는 용융/청징 노에서 화염 아래의 면적을 나타내고;
x0는 노에서 화염 아래의 면적의 단부의 유리의 일반적인 흐름 방향으로의 횡좌표이며;
x1은 컨디셔닝 베이신의 단부의 유리의 일반적인 흐름 방향으로의 횡좌표이고;
σ(x)는 횡좌표(x)에서 장치의 유리의 흐름 단면의 면적을 나타내며;
P(x)는 횡좌표(x)에서 장치의 유리의 흐름 단면의 둘레를 나타내고;
Figure 112016104574226-pct00003
는 노에서 화염 아래의 면적의 하류에 있는 장치 내의 단일 요소로 인한 KSi의 합을 나타내며, 단일 요소는 상류에서 하류로 유리의 흐름 방향으로 2m 미만에 걸쳐 10%를 초과하는 유리의 흐름 단면의 감소를 생성한 다음 10%를 초과하는 유리의 흐름 단면의 증가를 생성하고,
여기서,
Figure 112016104574226-pct00004
(수학식 3)
이며,
σi는 단일 요소(Si)의 바로 상류에 있는 유리의 흐름 단면의 면적을 나타내고,
σSi는 단일 요소(Si)에 의해 생성되는 최소 흐름 단면의 면적을 나타낸다.
모든 수학식에서, 사용되는 단위는 SI 단위이다. 유리의 흐름 단면은 유리의 일반적인 흐름 방향에 대해 직교하는 평면에서 측정된다.
바람직하게, K는 5.5를 초과하고, 더욱 바람직하게, 7.5를 초과하며, 더욱 바람직하게 9를 초과하거나, 심지어 10.5를 초과하거나, 심지어 13을 초과한다. 일반적으로, K는 30 미만이다.
높은 K 값은 용융/청징 노에서의 더 강한 상류 재순환 루프와 컨디셔닝 베이신에서의 덜 강한 하류 루프를 반영한다.
단일 요소는, 예컨대, 유리 속에 잠긴 배리어 또는 바닥에 배치된 단차와 같이, 유리 플럭스 속으로 돌출하게 된다. 이 단일 요소는 유리의 최소 흐름 단면을 생성한다.
횡좌표 값은 상류에서 하류 방향으로 증가한다.
단일 요소는, 유리의 흐름 높이 또는 폭을 변하게 하여 유리의 흐름 단면과 흐름 단면의 둘레를 변하게 하므로, 수학식 (2)에서 고려될 수도 있다. 일반적으로, 본 발명에 따른 장치에서 유리의 흐름 단면은 모두, 단일 요소와의 레벨을 포함하여 직사각형 또는 정사각형 형상을 갖는다. 구체적으로, 단일 요소는 바닥으로부터, 또는 하나 또는 양 측벽으로부터, 또는 위로부터, 단일 요소가 돌출하는 유리의 흐름 단면을 형성하는 정사각형 또는 직사각형의 모든 변 또는 하나 이상의 변 위에서 유리 속으로 돌출하게 된다. 그러나, 흐름 단면은 보다 복잡한 형상일 수 있다.
용융/청징 노에서 화염 아래의 면적(Sf)은 관련 기술 분야에 공지된 개념이다. 이는 용융/청징 노에서 단부 십자포화(또는 비십자포화) 오버헤드 버너의 산화제 입구의 외부 한계를 덮는 최소 사변형 아래의 연속적인 유리 면적과 동일하며, 이 사변형의 상류 변은 노의 상류 벽체에 대해 평행하며 하나의 측벽으로부터 다른 측벽까지 연장하는 선분을 형성하고, 이 사변형의 하류 변도 노의 상류 벽체에 대해 평행하며 하나의 측벽으로부터 다른 측벽까지 연장하는 선분을 형성한다. 수학식 2의 횡좌표(x0)는 화염 아래의 면적의 사변형의 하류 변에 대응한다. 이 사변형은 일반적으로 노의 측벽에 중첩되는 2개의 변을 갖는다. 일반적으로, 노의 측벽들은 평행하며, 상류 벽체에 대해 직교하고, 이 사변형은 이 경우에 정사각형 또는 직사각형이다. 노는 십자포화 오버헤드 버너만을 포함할 수 있다. 그러나, 십자포화 오버헤드 버너에 추가하여, 노는 적어도 하나의 산소 버너, 특히 적어도 하나의 크라운 또는 십자포화 버너를 포함할 수 있다. 노의 분위기 내에서 화염이 생성되기 때문에, 이 또한 오버헤드 버너이다. 이러한 산소 버너는, 십자포화 오버헤드 버너의 산화제 입구의 화염 아래의 면적 밖에 위치되는 경우, 수학식 2 및 3에서 고려될 화염 아래의 면적을 증가시킬 수 있다. Sf는 이 산소 버너의 산화제 입구를 포함하여 모든 오버헤드 버너의 산화제 입구의 외부 한계를 덮는 위에서 규정된 바와 같은 최소 사변형 아래의 유리 면적이다.
단차 또는 배리어와 같은 단일 요소의 존재는 유리의 흐름 방향으로 흐름 단면이 먼저 감소하게 한 다음 증가하게 하며, 이러한 감소와 증가는 유리의 일반적인 흐름 방향으로(즉, 장치의 중앙 종축을 따라) 2m 미만의 거리에 걸쳐 발생한다. 단일 요소는, 예컨대, 노의 바닥에 고정된 단차로 구성될 수 있다. 이는 상위 구조에 의해 지지되고 측면으로부터 도입되는 수냉식 금속 배리어의 문제일 수도 있으며, 상기 배리어는 유리의 흐름 단면을 감소시키기 위해 유리에 도입된다. 유리가 단차 또는 배리어를 만나면, 유리의 단면은 실질적으로 감소한다. 유리가 단차 또는 배리어를 통과하면, 유리의 단면은 증가한다. 단일 요소 때문에, 유리의 흐름 단면은 상류에서 하류까지 먼저 감소한 다음 증가한다. 단일 요소는 장치의 측벽에 배치된 파티션 또는 게이트 형태를 취할 수도 있다.
하나의 Ksi는 하나의 단일 요소에 대응한다. 단일 요소의 존재 여부를 결정하는 가장 용이한 방법은 상기 단일 요소에 의해 연속적으로 발생하는 상류 및 하류의 단면 변화를 측정하는 것이다. 상류 단면 변화는, (단일 요소의 상류 섹션이라 지칭되는) 단일 요소의 바로 상류에 있는 섹션과, 단일 요소의 바로 상류에 있는 단면에 대하여 단일 요소로 인한 최소 단면(σSi) 간의 단면 차이를 측정함으로써 계측된다. 하류 단면 변화는, (단일 요소의 하류 섹션이라 지칭되는) 단일 요소의 바로 하류에 있는 섹션과, 단일 요소로 인한 최소 단면에 대하여 단일 요소로 인한 최소 단면(σSi) 간의 단면 차이를 측정함으로써 계측된다. 이 두 가지 변화가 모두 10%를 초과하는 경우, 단일 요소가 존재하며, 단일 요소의 KSi가 계산되어 장치의 K 계산에 입력되어야 한다.
단일 요소는, 상기 요소의 벽체가 유리의 일반적인 흐름 방향에 대하여 40°를 초과하는 각도(단일 요소 내부의 각도)를 이룸으로써 유리의 흐름 단면을 감소시키기 시작하는 지점에서, 유리의 흐름 방향으로 시작한다. 일반적으로, 이 각도는 90°이다. 단일 요소는, 유리의 일반적인 흐름 방향에 대하여 40°를 초과하는 각도(단일 요소 내부의 각도)를 이루는 벽체가 유리의 흐름 단면을 증가시키는 것을 끝내는 지점에서, 유리의 흐름 방향으로 끝난다. 일반적으로, 이 각도는 90°이다. 단일 요소의 시작과 단일 요소의 끝 사이의 거리는, 존재하는 것으로 간주되는 단일 요소의 경우, 장치의 중앙 종축을 따라 2m미만이어야 한다.
장치의 치수의 영향력은 품질(Q)과 소비율의 관점에서 계측되며, 소형의 컨디셔닝 베이신과 특히 소형의 작업 단부를 사용할 수 있는지의 여부에 의존한다. 전술한 바와 같은 계수 K는, 에너지 소비율이 낮으면서도 우수한 품질의 유리를 생산하도록, 본 발명에 따른 장치를 치수화할 수 있도록 하는 필수적인 파라미터를 고려한다. 계수 K는 소형의 컨디셔닝 베이신을 사용할 수 있는 장치를 결정하도록 돕는다. 본 발명에 따르면, K는 3.5를 초과하며, 바람직하게는 5.5를 초과하고, 더욱 바람직하게는 7.5를 초과한다.
상업적으로 이용 가능한 유체역학 소프트웨어 패키지를 사용하여, 용융된 유리를 제조하기 위한 장치에서의 유리 흐름을 수치적으로 모델링하였다. 장치의 기하학적 구조에 따라, 소프트웨어 패키지는 용융/청징 노에서 유리의 최대 표면 온도가 1590℃가 되고 작업 단부의 출구에서 유리의 온도가 1130℃가 되도록 보장하기 위해 유리의 자유 표면에 제공되어야만 하는 에너지 플럭스를 계산한다. 고려된 유리는 중량으로 700ppm 함량의 Fe2O3와 중량으로 180ppm 함량의 FeO를 가진 표준 소다-석회 유리였다. 탱크와 바닥으로부터의 열 손실은 표준(4 ㎾/㎡)이었다. 실제 용융 장치에서 수행된 시험은 본 발명에 따른 계수 K의 관련성을 확인하였다.
품질(Q)은 다음과 같은 방식으로 결정되었다. 관련 기술 분야의 기술자는 장기간 동안 고온에 두었을 때, 보다 정밀하게는 유리의 화학적 청징이 발생하는 온도보다 더 높은 온도에 두었을 때, 유리 융성물의 품질이 개선된다는 것을 알고 있다. 수치 모델을 이용하여 계산된 흐름에 기초하여, 100,000개의 입자가 노의 상류 벽체로부터 뒤따라 나왔다. 고려된 품질 기준(Q)은 기준 케이스에 대하여 1400℃ 위에서 소요된 평균 시간이다.
소비율은 다음과 같은 방식으로 결정되었다: 이는 원료가 용융될 때까지 원료를 가열하기 위해 필요한 에너지에 추가하여, 용융/청징 노에서 유리의 최대 표면 온도가 1590℃가 되고 컨디셔닝 베이신의 출구에서 유리의 온도가 1130℃가 되도록 보장하기 위해 용융/청징 노에서 유리의 자유 표면을 통해 유리에 유입되어야만 하는 에너지량의 문제이며, 이 에너지량은 기준 케이스(표 1의 예 번호 1)에 대하여 상대적 조건으로 정량화된다. 품질(Q) 및 소비율과 아울러, 유리를 냉각하기 위해 필요한 송풍 에너지에 대한 컨디셔닝 베이신의 크기의 영향력이 소형의 컨디셔닝 베이신과 특히 소형의 작업 단부의 사용이 가능한지의 여부를 결정하기 위해 이용되었다. 소형의 작업 단부는 제작하는데 재료를 덜 필요로 하므로 저렴하기 때문에, 소형의 작업 단부를 채용할 수 있는 것이 매우 유리할 것이다. 또한, 컨디셔닝 베이신을 제작하기 위해 사용된 재료와 유리 사이의 접촉 면적이 소형의 컨디셔닝 베이신의 경우에는 더 작기 때문에, 유리에 결함이 생성될 위험이 감소된다.
본 발명에 따르면, 적은 유리가 컨디셔닝되게 하는 것에 해당하며 적절한 K 값을 통해 달성될 수 있는, 특히 하류 대류 셀의 상대 강도를 감소시킴으로써, 컨디셔닝 베이신, 특히, 작업 단부의 크기가 대폭 감소될 수 있다는 것이 밝혀졌다.
본 발명에 따르면, 청징 구획의 바닥과 컨디셔닝 베이신의 바닥은 (하류 루프라 지칭되는) 하나의 재순환 루프가 이들 두 요소를 통과할 수 있을 정도로 충분히 얕다. 이 루프는, 특히 일반적으로 작업 단부 앞에 있는 넥을 통해, 컨디셔닝 베이신의 모든 구획을 통과한다. 바람직하게, 이 하류 루프는 컨디셔닝 베이신의 단부, 일반적으로 작업 단부까지, 즉, 채널로 유입되지 않고 채널까지 연장한다. 적당한 강도를 유지하면서 이러한 재순환 루프의 존재는 필수적이다. 구체적으로, 이 루프의 역류가 컨디셔닝 베이신에서 발생된 결함과 아울러 청징 구역으로부터 발생된 대부분의 결함을 수용하고, 결함들을 노의 청징 구역으로 반환하여 대체로 사라지게 하는 것이 관찰되었다. 관련 기술 분야의 기술자는, 기포가 빠져나갈 시간을 갖도록 유리가 충분히 휴식할 시간을 제공하기 위해서, 그리고 유리가 성형에 필요한 온도로 냉각될 수 있도록 하기 위해서, 대형의 컨디셔닝 베이신과, 특히 대형의 작업 단부가 필요하다는 것을 인정한다. 이에 반해, 약간 더 강하게 냉각될 수 있는 소형의 컨디셔닝 베이신과 특히 소형의 작업 단부를 갖는 것이, 유리와 접촉하는 재료의 면적이 최소화되고 이에 따라 더 적은 결함의 근원이 되기 때문에, 더 낫다는 것이 밝혀졌다. 컨디셔닝 베이신의 작은 크기는 이를 통과하는 재순환 루프의 낮은 강도로 인해 가능하게 된다. 구체적으로, 이 낮은 강도는 재순환 셀이 노로부터 컨디셔닝 베이신으로 적은 열을 전달하며, 이에 따라 컨디셔닝 베이신이 보다 적절하게 냉각될 수 있다는 의미한다. 바람직하게, 컨디셔닝 베이신을 통과하는 재순환 루프는 채널까지 연장하지만 채널 속으로 유입되지는 않는다. 이러한 가능성에 따르면, 하류 재순환 루프는 작업 단부의 하류 단부에 대응할 수 있는 횡좌표(x1)까지 연장할 것이다. 이는 컨디셔닝 베이신에서 노의 종축을 가로지르는 임의의 수직 평면에 음의 길이 방향 속도 성분, 즉, 하류로부터 상류로 향하는 성분을 가진 유리 속의 지점이 존재한다는 것을 의미한다. 이러한 지점은 역류의 일부를 형성한다. 속도는 상류에서 하류로 유리의 흐름 방향으로 지향되는 경우 양인 것으로 간주된다. 구체적으로, 상기 베이신의 재료와 유리 사이의 접촉의 결과로서, 기포가 컨디셔닝 베이신 전체에 걸쳐 그 단부까지 형성될 수 있다. 따라서, 기포가 얼마나 빠르게 상승하는지와 특히 하류로부터 상류로 유리에 의해 견인되는 기포의 경향 사이에 경쟁이 존재한다. 100,000개의 기포가 컨디셔닝 베이신의 바닥에 무작위로 배치되고, 유리의 대류 효과와 아울러 아르키메데스 원리의 효과로 인해 상승하려는 기포의 경향으로 인해 기포가 이동하는 관련 기술 분야의 기술자에게 공지된 이론적인 모델을 사용하여, 채널로 유입되는 잔류 기포의 백분율을 평가할 수 있다.
컨디셔닝 베이신으로부터 채널까지의 통로는 유리의 흐름 폭의 급격한 감소와 유리의 깊이 감소를 수반한다. 이러한 감소는 특히 장치의 축에 대해 직교하여 배치된 벽체에 의해 달성될 수 있다.
바람직하게, 컨디셔닝 베이신, 특히 작업 단부 및 선택적으로 넥에 사용된 재료는 용융된 유리와 접촉할 수 있으며 유리에 결함을 발생시키지 않는 재료이다. 이는 컨디셔닝 베이신으로부터 성형 장치로 유리를 전달하기 위해 사용되는 채널에도 마찬가지로 적용된다. 이 채널에서, 유리의 흐름은 플러그 흐름이며, 재순환 셀을 포함하지 않는다. 그러나, 이러한 종류의 재료, 특히 "Jargal"이라는 상표명으로 시판되는 순수 알루미나 등은 매우 고가이며, 한편으로는, 절약하여 사용되고, 다른 한편으로는, 유리를 성형하기 위해 사용되는 장치 앞의 최하류 흐름 구역에서 사용된다.
용융/청징 노는 바닥 깊이가 각각 다른 용융 구획과 청징 구획을 포함할 수 있다. 용융 구획은 (유리의 흐름 방향을 기준으로) 청징 구획의 상류에 배치되며, 일반적으로 청징 구획의 바닥 면적보다 큰 바닥 면적을 점유하고 청징 구획의 바닥보다 더 깊을 수 있다. 용융 구획의 바닥은 일반적으로 본질적으로 평평하다. 청징 구획의 바닥도 일반적으로 본질적으로 평평하다. 용융 구역의 바닥으로부터 청징 구역의 바닥까지의 통로는 급격할 수 있으며, 즉, 수직 단차로 구성될 수 있다. 그러나, 이 통로는 더 점진적일 수 있으며, 일반적으로 최대 1m의 거리에 걸쳐 연장할 수 있는 경사진 기울기 또는 연속적인 단차로 대신 구성될 수 있다. 용융/청징 노는 일반적으로 4개의 벽체; 상류 벽체, 하류 벽체 및 2개의 측벽을 포함한다. 일반적으로, 2개의 측벽들은 평행하며, 노의 전체 길이에 걸쳐 동일한 거리만큼 서로로부터 분리되어 유지된다. 노의 두 구역의 바닥들 사이에서의 깊이 차이와 그에 따른 유리의 높이 차이로 인해, 용융 구역(노의 상류 구역)에서 매우 강한 재순환 셀이 형성된다. 따라서, 용융 구역의 바닥은, 용융 구역에서 상류 재순환 셀의 대류 강도가 바람직하게 노의 인출량의 3 내지 5배가 되도록, 충분히 깊다. 하류 재순환 루프는 훨씬 낮은 강도를 갖는다. 유리의 투명도가 대류 강도에 영향을 미칠 수 있다는 것을 이해할 것이며, 유리가 투명할수록 대류 강도가 더 높아진다. 재순환 루프의 대류 강도는 장치의 인출량과 그에 따른 방법의 인출량에 대한 이 루프에서 상류에서 하류로 순환하는 유리의 유량(순방향 유량)의 비율과 동일하다.
청징 구역에서의 유리 높이에 대한 용융 구역에서의 유리 높이의 비율은 특히 1.2 내지 2일 수 있다. 용융 구역의 바닥과 청징 구역의 바닥에 다수의 장애물(높이가 50㎝ 미만인 단차)이 배치될 수 있다. 일반적으로, 용융/청징 노의 길이와 폭 사이의 비율은 2 내지 4 범위를 포함한다.
본 발명에 따른 장치를 뒤따르며 유리를 성형하기 위해 사용되는 장치는 중공 유리를 성형하기 위한 장치 또는 유리 섬유를 성형하기 위한 장치일 수 있지만, 보다 일반적으로는 주석과 같은 용융된 금속의 배치 상에 유리가 부유되는 타입 또는 롤러 타입의 판유리를 성형하기 위한 장치이다. 이 성형 장치는 채널에 의해 급송받고, 채널 자체는 컨디셔닝 베이신에 의해 급송 받는다. 채널에서의 유리 흐름은 플러그 흐름이다.
본 발명은 컨디셔닝 베이신의 면적에 대한 노의 화염 아래의 면적의 비율이 1.4를 초과하고, 심지어 1.6을 초과하며, 심지어 1.8을 초과하는, 용융/청징 노와 컨디셔닝 베이신을 포함하는 용융 장치의 제조 및 사용을 가능하게 한다. 바람직하게, 컨디셔닝 베이신의 면적에 대한 노의 화염 아래의 면적의 비율(Sf/Scond)은 4 미만이고, 심지어 더 바람직하게는 3 미만이다.
본 발명에 따른 장치 및 방법은 그 중에서도 착색되거나 착색되지 않은, 특히, 소다-석회, 알루미노실리케이트 및 보로실리케이트 유리 등 임의의 유형의 유리를 용융하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명은 특히 부유 유닛에서 판유리로 성형할 목적으로 유리를 용융하기 위해 십자포화 버너를 포함한 유리 노를 사용하거나 포함하는 임의의 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 보다 구체적으로 용융/청징 노가 500 내지 1500㎥의 유리 용량과 보다 구체적으로는 700 내지 1400㎥의 유리 용량을 가진 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 보다 구체적으로 유리 인출량이 하루에 400 내지 1300 톤인 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 보다 구체적으로 (용융 구역 및 청징 구역에서) 유리 높이가 0.8 내지 2m 범위를 포함하며, 이 높이가 상류에서 하류로 가면서 변할 수 있는 노와, 유리 높이가 0.4 내지 1.40m 범위를 포함하며, 이 높이가 상류에서 하류로 가면서 변할 수 있는 컨디셔닝 베이신을 사용하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 특히 본 발명에 따른 장치를 사용하여 유리를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 보다 구체적으로 노에서 유리의 최대 표면 온도가 1350 내지 1650℃를 포함하고 컨디셔닝 베이신으로부터 방출되는 유리의 온도가 1000 내지 1400℃를 포함하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
아래에서 설명하는 도면은 축척에 맞지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 장치를 도시하고 있으며, a)는 위에서 본 도면이고, b)는 측면에서 본 도면이다. 장치는, 상류로부터 하류까지, 노(1)를 포함하며, 노는 원료(20)를 도입하기 위한 구역, 용융 구역(2), 청징 구역(3) 및 목(4)과 작업 단부(5)를 포함한 컨디셔닝 베이신을 포함한다. 작업 단부는 적절한 온도로 용융된 유리를 채널(6)을 통해 성형 유닛으로 전달하며, 채널 내부에서 유리의 흐름은 플러그 흐름이다. 용융/청징 노(1)에는 6개의 공기 입구가 참조번호 7로 표시된 십자포화 오버헤드 버너가 장착된다. 2개의 측벽(11, 12)에는 대면하는 십자포화 버너가 대칭적으로 장착되며, 이 버너들은 관련 기술 분야에 공지된 바와 같이 교대로 또는 "반전 모드"로 작동된다. 4개의 최외측 공기 입구(8, 9)의 외부 한계는 화염 아래의 면적 또는 Sf를 나타내는, 위에서 본 a)에서 해칭된 사변형(10)의 모서리를 형성한다. 문자 x0는 노에서 화염 아래의 면적의 단부의 횡좌표(화염 아래의 면적을 나타내는 사변형의 하류 변)를 나타내며, 문자 x1은 유리의 일반적인 흐름 방향에 대응하는 (A는 상류이고 A'는 하류인) 장치의 중앙 종축(AA') 상에서 컨디셔닝 베이신의 단부의 횡좌표를 나타낸다. 용융된 유리(13)의 표면의 레벨 아래에서, 2개의 대류 셀(14, 15)이 선회한다. 상류 재순환 루프라 지칭되는 제1 대류 셀(14)은 용융 구획에서 상대적으로 강하며 특히 제1 상류 버너(9) 아래를 통과한다. 하류 재순환 루프라 지칭되는 제2 대류 셀(15)은 덜 강하며 노의 청징 구역을 통과한 다음 넥과 작업 단부를 통과하지만 채널(6)로 유입되지는 않는다. 여기서 장애물(16)은 2개의 대류 셀(14, 15)들의 형성과 그들 사이의 경계를 강화한다. 노에서 넥까지의 통로는 유리의 흐름 단면과 폭의 급격한 감소를 수반하며, 여기서는, 유리의 중앙 흐름 방향에 대해 90°의 각도를 이루는 벽체(19, 19')에 의해 달성된다. 넥에서 작업 단부까지의 통로는 유리의 흐름 단면에서 급격한 폭의 증가를 수반하며, 여기서는, 유리의 중앙 흐름 방향에 대해 90°의 각도를 형성하는 벽체(18, 18')에 의해 달성된다. 넥의 시작에서 하강할 수 있는 배리어(17)는 유리의 흐름 단면을 감소시키고, 그 KSi가 계산되어야 하는 단일 요소를 형성한다. 작업 단부에서 유리의 표면(60), 즉, 작업 단부 내의 분위기와 접촉하는 표면은 유리를 냉각시키기 위해 작업 단부로 송풍된 공기와 접촉하게 된다. 이 공기는 작업 단부로부터 컨디셔닝 장치로 유입되지만, 가능한 한 용융/청징 노 속으로 유입되지 않는다.
도 2는 노의 청징 구역(21)으로부터 넥(22)과 작업 단부(23)로 구성된 컨디셔닝 베이신까지의 통로를 위에서 보고 도시하고 있다. 중앙 종축(AA') 상의 화살표는 상류에서 하류로의 유리 흐름을 상징한다. 장치는 축(AA')의 양측으로 대칭적이다. 노에서 넥까지 지나면서, 유리의 흐름 폭은 장치의 축(AA')의 양측에서 유리의 흐름 방향과 적어도 40°의 각도(α)를 이루는 노의 벽체(24, 24')에 의해 급격하게 감소한다. 넥에서 작업 단부까지 지나면서, 유리의 흐름 폭은 유리의 흐름 방향에 대해 40°를 초과하는 각도(β)를 이루는 벽체(25, 25')에 의해 명백하게 증가한다. 이러한 증가는 장치의 중앙 종축의 양측에서 발생한다.
도 3은 유리의 흐름 단면을 명백하게 감소시키는 단차(30)를 도시하고 있으며, 유리의 표면은 참조번호 31로 표시되어 있고 그 흐름 방향은 화살표로 표시되어 있으며, 상기 단차는 컨디셔닝 베이신에, 특히, 넥 또는 작업 단부에 배치될 수 있다. 이는 그 KS가 계산되어야 하는 단일 요소이다. 단일 요소는 유리의 일반적인 흐름 방향에 대해 40°를 초과하는 각도(δ)를 이루는 벽체(33)가 흐름 단면을 감소시키기 시작하는 지점(32)(이는 도면에 있는 지점이지만, 실제로는, 이는 당연히 유리의 일반적인 흐름 방향에 대해 수직한 선이다)에서 시작한다. 단일 요소는 유리의 일반적인 흐름 방향에 대해 40°를 초과하는 각도(γ)를 이루는 벽체(35)가 유리의 흐름 단면을 증가시키는 것을 끝내는 위치의 지점(34)에서 끝난다. 지점(32)과 지점(34) 사이의 거리는, 수평 화살표로 나타낸 유리의 일반적인 흐름 방향에 대해 평행하게, 2m 미만이다. 이 단차는 유리 흐름의 최소 단면(36)의 원인이 된다.
도 4는 유리 속에 잠긴 하강할 수 있는 배리어(40)를 도시하고 있으며, 유리의 표면은 참조번호 41로 표시되어 있고 그 흐름 방향은 화살표로 표시되어 있으며, 상기 배리어는 컨디셔닝 베이신에, 특히, 넥 또는 작업 단부에 배치될 수 있다. 이는 그 KSi가 계산되어야 하는 단일 요소이다. 단일 요소는 유리의 일반적인 흐름 방향에 대해 40°를 초과하는 각도(φ)를 이루는 벽체(43)가 유리의 흐름 단면을 감소시키기 시작하는 지점(42)에서 시작한다. 단일 요소는 유리의 일반적인 흐름 방향에 대해 40°를 초과하는 각도(ψ)를 이루는 벽체(45)가 유리의 흐름 단면을 증가시키는 것을 끝내는 지점(44)의 위치에서 끝난다. 지점(42)과 지점(44) 사이의 거리는, 수평 화살표로 나타낸 유리의 일반적인 흐름 방향에 대해 평행하게, 2m 미만이다. 이 배리어는 유리 흐름의 최소 단면(46)의 원인이 된다.
도 5의 a)는 횡좌표(x)에서 유리의 흐름 방향에 대해 직교하는 장치의 횡단면을 나타낸다. 이는 특히 넥이나 작업 단부의 단면일 수 있다. 유리(50)는 도면의 평면에 대해 직교하는 방향으로 흐른다. 유리는 바닥(51)과 탱크 블록(52, 52')에 의해 수용되며, 이 바닥과 탱크 블록은 장치의 하위 구조의 일부를 형성한다. 배리어(53)는 유리의 흐름 단면의 평면에서 탱크 블록들 사이의 거리 중 오직 일부에 걸쳐서 유리 속에 잠긴다. 배리어를 유지하는 시스템은 도시되지 않았으며, 장치의 내부를 덮는 지붕이 아니다. 내부 분위기와 접촉하는 유리 레벨(55)은 안전 여유라 지칭되는 거리(57)만큼 탱크 블록의 상부 레벨(56) 아래에 위치한다. 요소(54, 54')들은 탱크 블록에 의해 지지되며, 상위 구조의 일부를 형성한다. 도 5의 b)는, 도 5의 a)의 경우에서 적용된 바와 같은 "횡좌표(x")에서 유리의 흐름 단면의 면적"과 "횡좌표(x")에서 장치의 유리의 흐름 단면의 둘레"라는 표현이 무었을 의미하는지를 설명한다. 유리의 흐름의 단면의 면적은 도 5b)의 음영 구역의 면적이다. 유리의 흐름 단면의 둘레는 선분 AB, BC, CD, DE, EF, FG, GH 및 HA의 길이의 합이다.
제1 내지 제19 예
넥과 그 다음에 이어지는 작업 단부로 구성된 컨디셔닝 베이신이 뒤따르는 용융/청징 노를 포함하는 도 1에 도시된 바와 같은 장치에서 모든 예를 수행하였다. 표 1 및 표 2는 장치의 다양한 요소들의 치수와 결과를 제공한다. 예의 모든 노는 326.3㎡의 화염 아래 면적(Sf)을 갖는다. 모든 예는 하루에 900 톤의 용융된 유리의 인출량을 제공하고자 하였으며, 노에서 유리의 최대 표면 온도는 1590℃이었고, 작업 단부의 출구 온도는 1130℃이었다. 유리는 중량으로 700ppm의 Fe2O3와 180ppm의 FeO를 함유한 표준 소다-석회 유리였다. 제5, 제8 및 제19 예를 제외한 모든 예에서, 넥의 상위 구조에 의해 유지되고 깊이가 400㎜를 초과하는 유리 속에 잠긴 50㎜ 두께의 배리어가 이 배리어의 상류 면이 넥의 입구로부터 3.2m에 배치되도록 넥에 배치되었다. 제5 예의 경우, 배리어가 없었다(KS = 0). 제8 예의 경우, 배리어가 350㎜의 깊이까지 유리 속에 잠겼다. 제19 예의 경우, 배리어가 500㎜의 깊이까지 유리 속에 잠겼다. 적절하다면, 배리어는 KSi를 계산하여야 하는 유일한 단일 요소였다.
모든 예에서:
- 용융 구역의 길이는 26 675㎜이었고;
- 용융 및 청징 구역의 폭은 13 000㎜이었으며;
- 청징 구역의 길이는 17 000㎜이었고;
- 화염 아래 면적의 단부와 넥의 입구 사이의 거리는 14 075㎜이었으며;
- hf는 용융 구역에서 유리의 높이를 나타내고;
- ha는 청징 구역에서 유리의 높이를 나타내며;
- Vfa는 노에서 유리의 부피를 나타내고;
- Lc는 넥의 길이를 나타내며;
- Ic는 넥의 폭을 나타내고;
- hc는 넥에서 유리의 높이를 나타내며;
- Lb는 작업 단부의 길이를 나타내고;
- Ib는 작업 단부의 폭을 나타내며;
- hb는 작업 단부에서 유리의 높이를 나타내고;
- ΔQ는 제1 예(기준 케이스)의 유리의 품질에 대한 유리의 품질, 즉, 제1 예의 유리의 품질과 문제의 제i 예의 유리의 품질 간의 차이를 나타내며, 그 합을 제1 예의 품질로 나누었고(ΔQ =(Qi-Q1)/Q1); 이는 고려되는 1400℃ 초과에서 소요된 평균 시간이다. 이 ΔQ에는 결과를 퍼센트로 표현하기 위해 표 1에서 100이 곱해졌으며;
- ΔConso는 제1 예의 소비율에 대한 전체 장치의 에너지 소비율, 즉, 제1 예의 소비율과 문제의 제i 예의 소비율 간의 차이를 나타내며, 그 합을 제1 예의 소비율로 나누었고; ΔConso=(Consoi-Conso1)/Conso1; 이 ΔConso에는 결과를 퍼센트로 표현하기 위해 표 1에서 100이 곱해졌으며;
- ΔSouff는 제1 예의 작업 단부의 송풍 냉각 강도에 대한 작업 단부의 송풍 냉각 강도, 즉, 제1 예의 작업 단부의 송풍 냉각 강도와 문제의 제i 예의 작업 단부의 송풍 냉각 강도 간의 차이를 나타내며, 그 합을 제1 예의 작업 단부의 송풍 냉각 강도로 나누었고; ΔSouff=(Souffi-Souff1)/Souff1; 이 ΔSouff에는 결과를 퍼센트로 표현하기 위해 표 2에서 100이 곱해졌다.
Figure 112016104574226-pct00005
하강할 수 있는 배리어로 인한 Ka 및 Ks의 값(여기서, K=Ka+Ks), 컨디셔닝 베이신 면적 특성 및 송풍 특성이 표 2에 열거되어 있으며, σsc는 (단일 요소로서) 넥의 배리어에 의해 생성되는 유리 흐름의 최소 단면을 나타내고, Sc는 넥의 분위기와 접촉하는 유리의 면적을 나타내며, Sb는 작업 단부의 분위기와 접촉하는 유리의 면적을 나타내고, Scond는 컨디셔닝 베이신의 분위기와 접촉하는 유리의 면적을 나타내며(여기서, Scond=Sc+Sb), Sf/Scond는 컨디셔닝 베이신의 분위기와 접촉하는 유리의 면적에 대한 화염 아래 면적의 비율을 나타낸다.
Figure 112016104574226-pct00006
계수 K가 증가하는 순서대로 1에서 19까지의 번호가 예에 부여되었다. 유리에 대해 얻어진 품질(ΔQ)과 계수 K 사이에 상관 관계가 있다는 것을 이해할 것이며, 제3 내지 제19 예에서 고품질의 유리가 얻어졌다. 알 수 있는 바와 같이, K가 3.5를 초과하고, 바람직하게는 5.5를 초과하며, 더 바람직하게는 7.5를 초과하는 것이 권장될 수 있다. 제3 내지 제19 예의 에너지 소비율도 양호하다. 송풍 강도가 너무 높은 제2 예를 제외하고, 114.75㎡의 소형 작업 단부가 일반적으로 충분하다. 제1 예에서 사용된 송풍 강도의 경우, 유리의 표면에서 광학 결함이 나타날 위험이 낮다. 이에 반하여, 148.35㎡의 컨디셔닝 베이신 면적은 제1 예의 ΔSouff의 119%를 초과하는 ΔSouff를 필요로 하기 때문에, 제2 예의 경우에는 이러한 위험이 실존한다. ΔSouff가 제1 예의 ΔSouff의 90%를 초과하면, 표면에서 광학 결함이 나타날 위험이 너무 높다는 것을 알 수 있으며, 이는 제2 예의 경우이다. 바람직하게, ΔSouff는 제1 예의 ΔSouff의 85% 미만이다. 이를 달성하기 위해, K는 본 발명에 따라 충분히 높아야 하며, 컨디셔닝 베이신의 면적에 대한 화염 아래 면적의 비율(Sf/Scond)이 4 미만, 바람직하게는 3 미만, 더 바람직하게는 2.5 미만이어야 한다. 제10 예의 경우, 컨디셔닝 베이신의 면적이 매우 크기 때문에 제조하는데 비용이 많이 들며, 이와 같이 넓은 면적은 낮은 송풍 강도를 설명한다. 이 구성에서, 컨디셔닝 베이신의 면적은 감소될 수 있다.
모든 예에서, 바닥 온도는 1360℃ 미만이었다.
제7 예를 제외한 모든 예에서, 유리는 50% 미만의 양으로 잔류 기포를 함유하였다. 제7 예는 작업 단부의 깊이가 600㎜이었다는 것을 제외하고 제4 예에 대응한다. 작업 단부의 작은 깊이 때문에, 컨디셔닝 베이신을 통과하는 재순환 루프가 넥과 작업 단부의 상당한 부분도 통과하였지만, 채널의 입구까지는 도달하지 않았다. 작업 단부의 마지막 7m에서, 유리 흐름은 플러그 흐름이었다. 채널의 입구에서, 유리는 60%의 양으로 잔류 기포를 함유하였다.
제20 예
장치는, 배리어가 없고 작업 단부의 깊이가 (0.72m로) 50% 감소되었으며 작업 단부의 폭이 6m로 감소되었다는 것을 제외하고, 제1 예의 장치와 동일한 치수를 갖는다. K의 값은 10.22이었다. 작업 단부의 마지막 7m에서 재순환이 없기 때문에, 컨디셔닝 베이신을 통과하는 재순환 루프가 넥과 작업 단부의 일부를 통과하였지만, 채널까지는 연장되지 않았으며, 흐름은 플러그 흐름이었다. 채널의 입구에서, 유리는 50.4%의 잔류 기포를 함유하였다. 다른 결과는 다음과 같았다 : ΔSouff=24%, Sf/Scond=2.41 및 ΔQ=-8.

Claims (35)

  1. 상류에서 하류로, 십자포화 오버헤드 버너가 장착되어 유리를 용융 및 청징하는 노와 그 후의 하나 이상의 구획을 포함한 컨디셔닝 베이신을 포함하는 장치에서 용융된 유리를 제조하기 위한 방법으로서, 상기 노는 용융 구역과 청징 구역을 포함하며, 청징 구역의 바닥과 컨디셔닝 베이신의 바닥은 하류 루프라 지칭되는 하나의 재순환 루프가 청징 구역과 컨디셔닝 베이신의 모든 구획을 통과할 수 있을 정도로 충분히 깊고, 상기 컨디셔닝 베이신에는 노에 의해 유리가 공급되며, 상기 방법은 상기 용융 및 청징 노에서 유리를 용융하는 단계를 포함하며, 상기 장치의 치수는 K가 3.5를 초과하도록 구성되며,
    Figure 112020109600518-pct00007
    이고,
    여기서,
    Figure 112020109600518-pct00020
    이며,
    여기서,
    Sf는 노에서 화염 아래의 면적을 나타내고;
    x0는 노에서 화염 아래의 면적의 단부의 유리의 일반적인 흐름 방향으로의 횡좌표이며;
    x1은 컨디셔닝 베이신의 단부의 유리의 일반적인 흐름 방향으로의 횡좌표이고;
    σ(x)는 횡좌표(x)에서 장치의 유리의 흐름 단면의 면적을 나타내며;
    P(x)는 횡좌표(x)에서 장치의 유리의 흐름 단면의 둘레를 나타내고;
    Figure 112020109600518-pct00009
    는 노에서 화염 아래의 면적의 하류에 있는 장치 내의 단일 요소로 인한 KSi의 합을 나타내며, 단일 요소는 상류에서 하류로 유리의 흐름 방향으로 2m 미만에 걸쳐 10%를 초과하는 유리의 흐름 단면의 감소를 생성한 다음 10%를 초과하는 유리의 흐름 단면의 증가를 생성하고,
    여기서,
    Figure 112020109600518-pct00021
    이며,
    σi는 단일 요소(Si)의 바로 상류에 있는 유리의 흐름 단면의 면적을 나타내고,
    σSi는 단일 요소(Si)에 의해 생성되는 최소 흐름 단면의 면적을 나타내는,
    용융된 유리를 제조하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    K＞5.5인 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    K＞7.5인 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    K는 9를 초과하거나, 또는 10.5를 초과하거나, 또는 13을 초과하는 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    컨디셔닝 베이신의 면적에 대한 노에서 화염 아래의 면적의 비율이 1.4를 초과하는 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    컨디셔닝 베이신의 면적에 대한 노에서 화염 아래의 면적의 비율이 1.6을 초과하는 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    컨디셔닝 베이신의 면적에 대한 노에서 화염 아래의 면적의 비율이 1.8을 초과하는 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 방법.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상류 재순환 루프와 하류 재순환 루프가 노에 형성될 정도로 노가 충분히 깊은 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 방법.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    컨디셔닝 베이신은 상류에서 하류로 넥과 그 후의 작업 단부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 방법.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    노는 500 내지 1500㎥의 유리 용량, 또는 700 내지 1400㎥의 유리 용량을 갖는 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 방법.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    유리 인출량이 하루에 400 내지 1300 톤인 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 방법.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    십자포화 버너는 10 내지 30 부피%의 O2를 포함하는 산화제를 사용하며, 재생기가 장착되어 있고, 반전 모드로 쌍으로 기능하는 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 방법.
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    십자포화 버너는 80 내지 100 부피%의 O2를 함유하는 산화제를 사용하는 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 방법.
  14. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    컨디셔닝 베이신에서 노의 종축을 가로지르는 임의의 수직 평면에 하류로부터 상류로 향하는 길이 방향 속도 성분을 갖는 유리 속의 지점이 존재하는 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 방법.
  15. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    컨디셔닝 베이신 이후에, 유리는 채널로 유입되고, 이 채널은 그 자체가 성형 장치로의 급송을 수행하며, 그 채널에서는 역류가 발생하지 않는 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    채널의 길이는 0.3 내지 10m 범위로 구성되거나, 또는 0.8 내지 6m 범위로 구성되는 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 방법.
  17. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 방법으로 용융된 유리를 제조하고, 이어서 상기 용융된 유리를 부유 챔버의 용융 금속 조 상에 부유시킴으로써, 상기 용융된 유리를 판유리로 성형하는 단계를 포함하는 판유리의 제조 방법.
  18. 상류에서 하류로, 십자포화 오버헤드 버너가 장착되어 유리를 용융 및 청징하는 노와 그 후의 하나 이상의 구획을 포함한 컨디셔닝 베이신을 포함하는 용융된 유리를 제조하기 위한 장치로서, 상기 노는 용융 구역과 청징 구역을 포함하며, 청징 구역의 바닥과 컨디셔닝 베이신의 바닥은 하류 루프라 지칭되는 하나의 재순환 루프가 청징 구역과 컨디셔닝 베이신의 모든 구획을 통과할 수 있을 정도로 충분히 깊고, 상기 컨디셔닝 베이신에는 노에 의해 유리가 공급되며, 상기 제조 장치의 치수는 K가 3.5를 초과하도록 구성되며,
    Figure 112020109600518-pct00011
    이고,
    여기서,
    Figure 112020109600518-pct00022
    이며,
    여기서,
    Sf는 노에서 화염 아래의 면적을 나타내고;
    x0는 노에서 화염 아래의 면적의 단부의 유리의 일반적인 흐름 방향으로의 횡좌표이며;
    x1은 컨디셔닝 베이신의 단부의 유리의 일반적인 흐름 방향으로의 횡좌표이고;
    σ(x)는 횡좌표(x)에서 장치의 유리의 흐름 단면의 면적을 나타내며;
    P(x)는 횡좌표(x)에서 장치의 유리의 흐름 단면의 둘레를 나타내고;
    Figure 112020109600518-pct00013
    는 노에서 화염 아래의 면적의 하류에 있는 장치 내의 단일 요소로 인한 KSi의 합을 나타내며, 단일 요소는 상류에서 하류로 유리의 흐름 방향으로 2m 미만에 걸쳐 10%를 초과하는 유리의 흐름 단면의 감소를 생성한 다음 10%를 초과하는 유리의 흐름 단면의 증가를 생성하고,
    여기서,
    Figure 112020109600518-pct00023
    이며,
    σi는 단일 요소(Si)의 바로 상류에 있는 유리의 흐름 단면의 면적을 나타내고,
    σSi는 단일 요소(Si)에 의해 생성되는 최소 흐름 단면의 면적을 나타내는,
    용융된 유리를 제조하기 위한 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    K＞5.5인 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    K＞7.5인 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    K는 9를 초과하거나, 또는 10.5를 초과하거나, 또는 13을 초과하는 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 장치.
  22. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    컨디셔닝 베이신의 면적에 대한 노에서 화염 아래의 면적의 비율이 1.4를 초과하는 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    컨디셔닝 베이신의 면적에 대한 노에서 화염 아래의 면적의 비율이 1.6을 초과하는 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    컨디셔닝 베이신의 면적에 대한 노에서 화염 아래의 면적의 비율이 1.8을 초과하는 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 장치.
  25. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    컨디셔닝 베이신의 면적에 대한 노에서 화염 아래의 면적의 비율이 4 미만, 또는 3 미만인 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 장치.
  26. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상류 재순환 루프와 하류 재순환 루프가 노에 형성될 정도로 노가 충분히 깊은 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 장치.
  27. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    컨디셔닝 베이신은 상류에서 하류로 넥과 그 후의 작업 단부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 장치.
  28. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    노는 500 내지 1500㎥의 유리 용량, 또는 700 내지 1400㎥의 유리 용량을 갖는 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 장치.
  29. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    유리 인출량이 하루에 400 내지 1300 톤인 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 장치.
  30. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    십자포화 버너는 10 내지 30 부피%의 O2를 포함하는 산화제를 사용하며, 재생기가 장착되어 있고, 반전 모드로 쌍으로 기능하는 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 장치.
  31. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    컨디셔닝 베이신에서 노의 종축을 가로지르는 임의의 수직 평면에 하류로부터 상류로 향하는 길이 방향 속도 성분을 갖는 유리 속의 지점이 존재하는 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 장치.
  32. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    컨디셔닝 베이신 이후에, 유리는 채널로 유입되고, 이 채널은 그 자체가 성형 장치로의 급송을 수행하고, 그 채널에서는 역류가 발생하지 않는 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 장치.
  33. 제32항에 있어서,
    채널의 길이는 0.3 내지 10m 범위로 구성되거나, 또는 0.8 내지 6m 범위로 구성되는 것을 특징으로 하는, 용융된 유리를 제조하기 위한 장치.
  34. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항의 용융된 유리를 제조하기 위한 장치를 포함하며, 용융 금속 조 상에서 유리가 부유되는 부유 챔버가 상기 장치를 뒤따르는, 판유리의 제조 장치.
  35. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    전체 길이에 걸쳐 용융된 유리를 수용하는 탱크 블록을 포함하며, 유리 높이는 30 내지 130㎜, 또는 80㎜를 포함하는 안전 여유만큼 감소된 탱크 블록의 상부 레벨과 바닥 레벨 사이의 거리인 것을 특징으로 하는, 장치.
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