JPH02199028A - 材料の溶融方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は材料の溶融方法および装置、さらに詳しくは、
ガラス、耐火性酸化物、シリケート、またはロックウー
ル製造のための種々のバッチ材料を含む実質的に非金属
含有材料の溶融方法および装置に関する。

従来の技術および課題 かかる材料の溶融炉は、丸い、楕円形および長方形の形
状の溶融シェル、並びにグラファイト、モリブデン、タ
ングステンおよび酸化錫製の溶融電極を有する。ガラス
のような低温の溶融体では溶融体表面上の燃焼雰囲気を
利用してもよい。

かかるガラスおよび非金属含有材料酸化物の溶融炉は、
溶融スラグ、ガラスまたは酸化物層の下に溶融金属層が
あるとしても実質的に僅かであるという点で冶金の溶鉱
炉とは大きく異なる。したがって、冶金炉は通常、金属
層に対して付与されるより多くのタッピング（ｔａｐｐ
ｉｎｇ）により比較的薄く維持されるスラグ層により覆
われた比較的厚い金属層により特徴ずけられる。かかる
冶金の溶鉱炉では、金属粒をスラグから効果的に分離し
、スラグ形成の可能性を最小限にするためにできる限り
スラグを流体に維持することが重要である。

したがって、繊維化または適当なガラス製造のような実
質的な溶融処理工程には５〜１０００ボイズの粘度が必
要である非冶金炉とは随分異なるセンチボイズで測定で
きる粘度を有するスラグを形成する適当なフラッグス手
段を開発するために鋭意努力がなされている。また、ス
ラグ層と化学的に相互反応するかなりの金属プールを収
集する必要があるため、かかる金属層に連続的に広大を
設けることはできなかった。

萌述のごとく、非冶金のガラスおよび酸化物溶融炉は、
その精密な溶融装置および手段に関して大きく異なる。

しかし、かかる炉はすべて以下の共通の欠点を有する二 炉内での溶融体の長い滞留時間、 比較的大きい炉寸法、 大きいエネルギー損失、 非溶融スカムを生じる成分の選択的溶解、得られる溶融
体の不均質性、 炉を急速に停止し、溶融組成物を変える柔軟性の欠乏。

非冶金炉の効率を測定するパラメータとして、１日にバ
ッチ１トンを溶融するのに必要な炉床面積（ｒｔりのよ
うな炉床評価、 炉内での溶融体の滞留時間、 溶融パッチｌトン当たりの電力またはエネルギー消費、 炉の熱効率等が挙げられる。

一般に、現在のガラスおよび酸化物溶融炉はかかるパラ
メータについて以下の範囲を有する：１日に溶融バッチ
１トン当たりの炉床面積２〜７ｆｔ″、 炉内の溶融体の滞留時間３〜４８時間、溶融されたバッ
チ１トン当たり７００〜１８００ＫＷＨ（またはＢＴＵ
相当量）、熱効率２５〜７５％。

入力電力（またはエネルギー）密度は炉性能に影響を与
える主な因子であり、適度に電力密度が高ければ高い程
、炉は一般にさらに効果的であることが判明した。前記
ガラスおよび酸化物溶融炉の性能は、炉の金属シェル内
（または金属シェルの外部の炉用レンガ張りの外側）で
連結された層成を有する、７〜２０　ＫＷ／ｆｔ″の電
力（またはエネルギー）密度の製造サイズの炉によって
達成された。電力密度が約２０　ＫＷ／ｆｔ”よりかな
り高いと、炉のライニングが急速に侵食されるか、金属
側壁の冷却に支障をきたし、その結果、側壁全体に悲惨
な破壊が生じる。また、２０〜２５ＫＷ／ｆｔ１の電力
密度では、酸化物またはガラス炉は、不均一で不連続な
炉の作動を引き起こす発泡を引き起こす傾向にある。

非金属溶融炉のさらに粘性のある溶融体では、かかる電
力密度の制限は、熱が溶融体中のエネルギー源から移送
される挙動と関係していると考えられる。燃焼雰囲気で
は、熱対流電流が溶融体容積中に熱を運ぶ前に、熱は溶
融体の表面層を通して浸透しなければならない。したが
って、高エネルギー密度では、溶融体面でのレンガの急
速な破壊を引き起こす過大な溶融表面温度をもたらし易
い。早期の溶融装置の再製作を防止するため、かかる高
エネルギー密度は避けねばならない。

グラファイト、金属または酸化錫電極を用いる溶融の場
合、電極間に発生した熱は、溶融体の電磁撹拌によって
溶融体中に移送されると考えられ、その強さは電力密度
が増大するにつれて増大する。

製造サイズのガラスおよび酸化物溶融装置では、電力密
度が炉床域で約２０　ＫＷ／ｆｔ”以上に増大するにつ
れて、電磁対流電流は、その表面でバッチに対するより
も速く過剰な熱をレンガまたは金属側壁に運ぶ。したが
って、レンガまたは金属シェルは早期に破損するか、ま
たは発生した熱が充分に速く溶融体中に分散できないた
め、局部的な過熱の結果として溶融体は現実に発泡する
。

かかる問題点、特に寸法およびエネルギー損失に打ち勝
つため、プラズマ溶融装置が提案された。

通常、これらは、非トランスフアート（ｎｏｎ−ｔｒａ
ｎｓ−ｆｅｒｒｅｄ）アークプラズマ電極を用いて溶融
され、耐火性の内張された壁（プラズマ加熱されたプル
ーム（ｐｌｕ■ｅ）の強さにより腐食し、製品を汚染す
る傾向にある）または原料床の上で支持される薄層とし
て原料が溶融される回転鋼容器（ｓｔｅｅｌｂａｓｉｎ
）を用いる。米国特許第４５４５７９８号は、１３１５
℃以下の温度でガラスが液化されて溶融容器の底のドレ
ーン中を流れ、液化された材料が充分に溶融される前に
容器から流れるプラズマ溶融装置を用いるガラスの溶融
方法および装置を記載している。さらに材料を表面に供
給して未溶融材料の実質的に一定な層を維持し、それに
より、溶融容器の温度を低く維持し、容器を強制冷却す
る必要性を削除する。この先行技術の装置は制限された
処理能力を有し、供給材料中の偏析に対処することがで
きず、エネルギーの使用があまり効果的でない。

課題を解決するための手段 発明者らは、先行技術の問題点に打ち勝つ連続式の耐火
性酸化物、シリケート、セラミック、スラグおよびロッ
クウールバッチ材料の溶融方法および装置を開発した。

すなわち、本発明は溶融する原料を連続的にプラズマア
ーク炉に供給し、溶融する材料を含有する炉の少なくと
も１部分を回転させながら、該原料を少なくとも２つの
トランスファード・アークプラズマ電極を用いて溶融し
、核層の回転底を通して溶融材料を連続的に排出するこ
とを特徴とする溶融容器の金属シェル内の電力密度２５
ＫＷ／ｒｔ２以上における溶融方法を提供するものであ
る。

２つ以上のプラズマトーチを原料および溶融体表面の両
方に適当にカップリングさせることにより、先行技術の
溶融装置で得られるものに比べて完全に異なった形態の
熱分布で溶融体が製造されることが判明した。その結果
、側壁の損傷および泡立ちまたは溶融体表面の発煙なし
に、例えば２５〜８５　ＫＷ／ｆｔ”の電力密度、すな
わち炉床域で２５　ＫＷ／ｆｔ！を優に越える電力密度
が実際に得られる。かかる発見の実際面での結果として
、他のガラスまたは酸化物スラグ溶融装置で得ることが
できない重要な柔軟性を提供する、容易に停止および再
作動ができる高効率で、滞留時間の短い溶融装置が開発
された。

また、本発明は固定された上部シェルおよび回転可能な
下部シェルを有する炉であって、該固定された上部シェ
ルかその屋根に取付けられた少なくとも２つのトランス
ファード・アークプラズマ電極を有し、該回転可能な下
部シェルを回転させる手段と、炉に原料を投入するため
の入口と、溶融材料を該炉から取り出すための出口とか
らなることを特徴とする材料の溶融装置を提供するもの
である。

本発明の方法および装置は、特にガラスを溶融するのに
適しているが、ジルコニア、アルミナおよびセラミック
材料のような耐火物または他の材料、スラグ並びにロッ
クウール原料を溶融するために用いてもよい。

本発明の方法は連続操作に適しており、原料はプラズマ
アーク炉に連続的に供給され、溶融材料は該炉から連続
的に収集される。少なくとも１つの電極がアノードとし
て作用し、１つの電極がカソードとして作用する少なく
とも２つのプラズマ電極からなるシステムによりプラズ
マアークが発生する。このプラズマ電極からなる装置を
用いると、導電路がプラズマ気体を介するかまたは溶融
材料自体を通るため、戻りの電気接続の必要がないこと
は明らかである。したがって、本発明の方法を用いると
汚染の問題がない。

各プラズマ電極は、好ましくは互いにある角度で傾斜し
ており、好ましくは対称位置にある。該プラズマ電極は
、好ましくは炉の屋根に設けられ、溶融材料の表面に対
して垂直軸からの可変角度で挿入する、または引き抜く
ことができるように配置される。それにより、アークの
長さ、分布および角度を変える手段が提供され、該手段
は電インプットと連結し、溶融を制御し、ユニットを最
適条件で操作させる。一般に、本発明の方法を実施する
場合、プラズマ電極は、炉の中央領域で、等しい長さの
両方のアークで作動され、溶融材料を介する有利な高さ
でカップリングされる。

一般に、供給材料は孔または供給管を介してプラズマア
ーク炉に投入される。所望により、供給材料を適当な気
体中に閉じ込めて（ｅｎｔｒａｉｎ）、該供給材料の炉
への投入を助けてもよい。

改良されたプラズマアーク炉は、プラズマ加熱により原
料の均一な加熱を得るため、２つの部分、すなわち、上
部シェルおよび下部シェルから構成され、該下部シェル
は典型的には１０〜３０回転／分のオーダーの速度での
回転に適している。

以下、添付図面を参照して本発明をさらに具体的に説明
する。

第１図を参照すると、本発明の装置は、好ましくは鋼か
ら作製された溶融炉１０からなる。核層は直径約３フイ
ートであり、２つの部分、すなわち、回転可能なシェル
１１と固定された上部シェル１２とからなる。該回転可
能なシェル１１は回転機構（図示せず）に連結されてい
る。該固定された上部シェル！２には、それを貫通して
供給管１４が延びる中央の供給孔が設けられる。供給材
料は、材料を炉内で溶融できる速度に適した任意の速度
で炉内に投入される。固定された上部シェル１２には、
さらに２つのプラズマ電極、すなわち、アノードとして
作用する電極１５とカソードとして作用する電極１６が
設けられる。かかる電極に供給される気体は、好ましく
はアルゴンである。

炉１０には、それを通して溶融材料１８が流出する出口
オリフィスまたはタップ穴１７が設けられる。供給材料
は、該供給材料の支持床で支持され、この［自己加熱（
ａｕｔｏｇｅｎｏｕｓ）Ｊライニングは溶融製品を汚染
せず、有効な断熱性を有することが判明した。したがっ
て、ガラスのような低溶融温度材料でさえも、容器内に
耐火性ライニングを取り付ける必要がない。操作温度に
応じて、水または強制空冷を設ける必要もない。また、
固定された上部シェル１２には、排ガスを排気するため
の孔１９が設けられる。

プラズマ電極１５．１６、供給管１４、排出ガスダクト
１９等を考慮に入れない固定されたシェル／回転可能な
シェルの組合せの高さは約３フイートであり、通常のガ
ラス溶融槽に比べて非常にコンパクトなユニットが得ら
れる。このユニットは電力人力６００ＫＷ、滞留時間約
４分であり、１時間当たり２，０００　ｌｂｇまでのガ
ラスを処理するように設計されている。供給材料の正確
な計量および勢いある溶融体内撹拌により、均一な組成
物が得られる。オリフィスからの製品流の温度はプラズ
マ電極の角度を変えることにより制御できる。該流れを
さらに処理する、例えば繊維化する場合、これらは重要
なパラメータである。

各プラズマ電極は固定されたシェル１２の屋根に、互い
に変化できる角度で取り付けられ、図示しない手段によ
り溶融体表面に対して挿入されるか引き抜かれる。それ
により、アークの長さおよび分布を変える手段を提供し
、該手段は電力インプットと連結され、溶融を制御し、
ユニットは最適条件で制御される。固定されたシェル１
２は、同様に図示しない手段により昇降され、電極の位
置決めにさらに柔軟性を与える。

本発明のプラズマアーク炉の操作では、まず空気中で互
いにプラズマアーク対をとばすと、電気回路を完成する
のに他の任意の導電メカニズム（例えば、カーボンロッ
ド）を導入する必要がなく、汚染源を排除する。プラズ
マアークをとばし、供給材料を溶融すると、導電路は溶
融塊を介して存在し、加熱のためのエネルギーの移送を
確実にする。

供給材料は配置された管１４を介して投入されるため、
その粒子は高エネルギー・プラズマアーク対領域２０中
の溶融体に落ち込む。所望により、供給材料を適当な気
体中に閉じ込めて該供給材料の炉１０内への投入を助け
てもよい。この実施例において、供給管１４は気体出口
１９により包囲されて示されているため、排気ガスに含
有される熱エネルギーは入ってくる供給材料に移送され
、それにより、全体のエネルギー必要量が減少する。

回転可能なシェル１１は、溶融材料中の熱を分配し、供
給材料の均一な溶融を確実にするため、典型的に１０〜
３０回転／分のオーダーの速度で回転される。

ユニットは連続的に操作されるように設計され、供給材
料入口は製品出口と実質的に等しく、所定の素材が装置
内で含有されかつ処理される。最も熱い材料（したがっ
て、粘性が最も低い）は該装置の中央に存在し、そこで
該材料は下方に流れ、最後に中央に位置する出口オリ・
フィス１７から流出し、低温の領域にある材料にさらに
長い滞留時間を付与する。温度分布を図面に示しており
、そこでは回転可能なシェル１２の壁が供給材料の固体
シェル２１により保護されていることがわかる。

これの次にあるのはスカム溶融体の領域２２および中央
の最も熱い液体領域２３である。したがって、供給速度
と電力入力の間のバランスを確立し、規定された空間制
限内で活性融解または反応領域を維持するでき、かくし
て通常のガラス溶融槽に比べて炉の寸法はかなり減少す
る。

ある溶融の用途では、オリフィス１７は貴金属、例えば
白金から作製され、該オリフィスを加熱して出てくる溶
融流の表面上での冷えた表皮層の形成を最小限にするこ
とは通常実施されることである。オリフィスが受ける任
意の摩耗を補うため、該オリフィス中にニードル装置を
設けて出口流を制御する手段を付与してもよい。

出口流の流速および温度をモニターするために配置され
、適当な回路および機構に接続されて溶融装置からの加
熱の程度および排出速度を制御する輻射検知装置（図示
せず）を用い、さらにシステムを制御してもよい。

また、本発明の溶融装置は処理量速度の増大に比例して
寸法を増大してもよい。例えば、電力負荷１２５０ＫＷ
を有する直径４．５フイートの溶融装置により４５００
１ｂｓ／時間のガラスが得られ、 電力負荷２３２０ＫＷを有する直径５．９フイートの溶
融装置により７７００　ｌｂｇ／時間のガラスが得られ
る。

プラズマと、原料および溶融体表面とのユニークな空間
的カップリング並びにトーチ角度の調節による出口流温
度の精密な制御により、炉床域で２５　ＫＷ／Ｔｔ″を
越える電力密度を開発・利用できることが判明した。軟
質ガラスで操作する場合の本発明の溶融装置の対応する
炉性能パラメータは以下のとおりである。

炉床評価：　炉床０　、３　ｆｔ’は１日に溶融される
ガラスｌトン当たりの面積 滞留時間：　　０．９７時間 電力密度：　溶融装置シェル内の炉床面積当たり８５　
ＫＷ／ｆｔ” 電力消費：　溶融されるガラス１トン当たり６０　ＫＷ
Ｈ 熱効率＝　　８７％ したがって、溶融装置の炉床評価では１孝−グーの大き
さの改良が認められ、溶融体滞留時間では２オーダーの
大きさの改良が認められる。また、電力消費は対応する
熱効率の改良と共にかなり減少している。

２つのトーチ間の距離、２つのトーチ間の頂角および２
つのトーチの溶融体表面からの距離を変えることにより
、衝突制御容積だけでなく、低粘度レジーム（ｒｅｇｉ
ｍｅ）の断面分布までも変えることができることが示さ
れた。

かくして、プラズマアークトーチの溶融体表面からの距
離が増大するにつれてプラズマアーク衡突面積が増大す
る。これは、低粘度の溶融材料２３およびスカム溶融体
２２の領域の分布を変える効果を有するとともに低粘度
の溶融領域が広くなるか浅くなり、プラズマアークトー
チからの同じエネルギー人力に対してほぼ同一の全容積
の溶融材料を供給する。

また、本発明の溶融装置内の比較的少量の溶融体容積お
よび凝固された溶融体を通してオリフィスのレベルまで
急速に浸透する可変的に傾斜されるプラズマトーチの能
力により、所望する時はいつでも本発明の溶融装置を作
動・停止できることが判明した。溶融装置を停止するた
めには、パワーをオフにし、バッチの注入を停止する。

溶融体は排出し続けてもよいし、しなくてもよい。シェ
ルは急速に冷却し、５〜１０分以内に回転は停止し、！
きる限り残った溶融体は放置する。再度作動するために
は、３０〜４５°の典型的な角度で各トーチに互いに角
度を与え、パワーをオンにする。各トーチに互いに数イ
ンチ以内の適当な空間を与えることにより、作動時から
１０−１５分以内でオリフィスを溶融温度にすることが
できる。

その時点でトーチ角度を減少させ、バッチの注入を開始
する。２０〜３０分以内で溶融装置全体は熱平衡状態と
なり、充分な溶融速度が達成される。

溶融装置内の少量の溶融体容積のため、溶融体組成物は
再び同様に急速に変えてもよい。組成物が変わって約２
０〜３０分後、平衡組成物に達する。また、同様に耐火
性酸化物溶融体からガラス状の溶融体に急速に変化でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一具体例を示す溶融装置である。 図面中の主な符号はつぎのらのを意味する。 溶融炉・・・１０、下部シェル・・・１１．上部シェル
・・・！２、供給管・・・１４、プラズマ電極・・・１
５．１６゜ リミテッド

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. （１）溶融する原料を連続的にプラズマアーク炉に供給
   し、溶融する材料を含有する炉の少なくとも１部分を回
   転させながら、該原料を少なくとも２つのトランスファ
   ード・アークプラズマ電極を用いて溶融し、該炉の回転
   底を通して溶融材料を連続的に排出することを特徴とす
   る溶融容器の金属シェル内の電力密度２５ＫＷ／ｆｔ＾
   ２以上における溶融方法。
2. （２）溶融する材料がガラスバッチ、耐火性酸化物材料
   、セラミック材料、スラグまたはロックウール供給材料
   である請求項（１）記載の方法。
3. （３）溶融する材料が炉内で自己加熱ライニングを形成
   する請求項（１）または（２）記載の方法。
4. （４）各プラズマアーク電極を溶融材料を介して溶融体
   表面またはそれに極めて接近してカップリングさせ、少
   なくとも１つの電極がカソードとして作用し、少なくと
   も１つの電極がアノードとして作用する請求項（１）〜
   （３）いずれか１項記載の方法。
5. （５）原料を気体中に閉じ込め、トランスファード・プ
   ラズマアーク電極により電気的にカップリングされた空
   間に注入する請求項（１）〜（４）いずれか１項記載の
   方法。
6. （６）プラズマアーク電極が垂直に対してある角度で傾
   斜する請求項（１）〜（５）いずれか１項記載の方法。
7. （７）プラズマアーク電極を垂直に対して３０〜６０°
   の角度で各々対称に配置する請求項（６）記載の方法。
8. （８）イオン化気体としてアルゴン、窒素またはそれら
   の混合物のような不活性気体を用いてプラズマアークを
   形成する請求項（１）〜（７）いずれか１項記載の方法
   。
9. （９）自動流れ温度測定装置を用いてプラズマアーク電
   極の角度を調節することにより出口流れ温度を制御する
   請求項（１）〜（８）いずれか１項記載の方法。
10. （１０）流れ幅を測定する自動装置を用いてプラズマア
    ーク電極の角度を調節することにより溶融体の流速を制
    御する請求項（１）〜（９）いずれか１項記載の方法。
11. （１１）固定された上部シェルおよび回転可能な下部シ
    ェルを有する炉であって、該固定された上部シェルがそ
    の屋根に取付けられた少なくとも２つのトランスファー
    ド・アークプラズマ電極を有し、該回転可能な下部シェ
    ルを回転させる手段と炉に原料を投入するための入口と
    、溶融材料を該炉から取り出すための出口とからなるこ
    とを特徴とする２５Ｋｗ／ｆｔ＾２以上の電力密度下で
    の材料の溶融装置。
12. （１２）固定された上部シェルに各プラズマ電極の角度
    を調節するための手段を設ける請求項（１１）項記載の
    装置。
13. （１３）固定された上部シェルに各プラズマ電極の高さ
    を調節するための手段を設ける請求項（１１）または（
    １２）記載の装置。
14. （１４）原料の入口が、その少なくとも１部分で気体出
    口により包囲された管からなる請求項（１１）〜（１３
    ）いずれか１項記載の装置。
15. （１５）炉の回転可能な下部シェルに自己加熱ライニン
    グを設ける請求項（１１）〜（１４）いずれか１項記載
    の装置。
16. （１６）炉の出口に冷却手段を設ける請求項（１１）〜
    （１４）いずれか１項記載の装置。