용탕 온도 조작 방법

유리 생산의 제1 공정에서, 출발 물질, 소위 유리 혼합물이 용해된다. 탱크 내에서 용해가 이루어지고, 용해 온도는 일반적으로 벽 소재의 열 용량으로 인해 최대 1650 ℃로 제한된다. 온도가 증가함에 따라 혼합물이 유체로 된 후에, 균질화 공정, 다시 말하면 모든 출발 물질들의 혼합이 이루어진다. 유리 용탕을 형성하는 혼합물이 가열된 후에, 일반적으로 제2 공정 단계에서 정련 공정이 시작된다. 정련은 소위 정련 챔버 내에서 수행될 수 있다. 정련 챔버 내에서 혼합물이 완전하게 혼합되며 균질성을 향상시키기 위해 기포를 제거하고 탈가스된다. 정련 공정의 근본적인 목표는 용탕 내에 물리적으로 화학적으로 결합되어 있는 가스들을 배출 및 제거하는 것이다. 유리 품질, 특히 디스플레이 유리 품질을 결정짓는 특징은 기포 개재물의 최소화, 탈색 개재물의 최소화 및 비소와 같이 생태학적으로 해로운 물질을 최소화하는 것이다. 유리 용탕의 정련을 개선하고, 정련 시간에 소요되는 시간을 줄이는 시발점은 가능하면 높은 정련 온도를 사용하는 것이다. 그럼으로써, 유리 용탕의 점도가 감소하고, 용탕 내의 기포의 상승 속도가 증가한다. 소위 정련제(refining agent)의 사용은 추가의 시발점이다. 이들 정련제의 작용 원리는 용해된 혼합물, 특히 용해된 유리에 고온에서 가스 배출과 산소 방출로 분해되는 물질을 첨가하는 것이다. 정련제에 의해 배출되는 가스들은 용탕 내에 존재하는 가스들을 "픽 업"(pick up)한다. 그렇게 함으로써, 정련 중에 큰 기포들이 형성되고, 그 기포들은 용탕 표면에 신속하게 도달하여 용탕에서 배출된다. 정련제의 선택은 정련 중인 유리 용탕의 온도에 영향을 미친다. 정련제 오산화비소(As2O5)는 1250 ℃ 이상 온도에서 이미 As2O3와 산소로 분해되고, 고온 정련제 SnO2는 1500 ℃ 초과 온도에서 SnO와 1/2O2로 분해된다. 생성된 산화물은 용탕 내에 잔류해서 유리 최종 제품 내에서 검출될 수 있다. 생태학적으로 유리한 유리가 필요로 하는 경우에는, 최종 유리 제품 내에 비소가 잔류하는 것은 문제가 된다. 따라서, 매우 고온, 예를 들어 1650 ℃ 초과의 온도에서도 정련을 효율적으로 수행할 수 있는 정련 공정에 대한 수요가 있다. 그러나, 이 정도의 고온은 통상적인 장치에 있어서 특히 내열성 라이닝에 심한 부식을 일으키기 때문에, 종래의 방법에 있어서는 심각한 문제가 된다. 통상적으로, 유리 용탕의 가열은 로의 상부 영역에 위치하는 오일 또는 가스 버너에 의해 이루어진다. 그렇게 가열할 때에, 열은 표면을 통해 유리 용융물로 도입된다. 열 흡수성이 작은 유리인 경우, 추가 열을 가하기 위해, 전극에 의해 추가적으로 전기적으로 가열된다. 전기적 가열을 위해 유리 용탕은 교류, 다시 말하면 줄 효과(Joule effect)를 이용하는 직접 가열 방식의 전도성 방식으로 가열된다. 이러한 목적을 위해, 전극들이 용기의 바닥 또는 측벽에 부착되어서, 유리 용탕과 직접 접촉하게 된다. 주로, 전극 소재로는 몰리브덴, 백금 및 백금족 금속들이 사용된다. 그러나, 통상적인 공정 또는 공지되어 있는 장치 내에서, 이들 소재들은 부식 가능성에 노출되어 있다. 몰리브덴은 매우 강력하게 산화하는 경향이 있다. 따라서, 몰리브덴은 출발 공정 중에 불활성 가스로 보호되어야 한다. 이와 마찬가지로, As2O5 같은 용탕 내의 화합물은 몰리브덴 또는 심지어는 백금 전극까지도 부식시킨다. 몰리브덴 전극에 비해, 백금 전극들은 실질적으로 좀 더 불활성이지만, 단지 최대 1500 ℃의 온도에서 장시간 사용될 수 있을 뿐이다. 미국 특허 제4,246,433호에는 용기의 측벽을 통해 용해 용기 내에 삽입되어 있는, 냉각 방식의 봉 전극 특히 수냉식 봉 전극이 개시되어 있다. 수냉에 의해, 전극의 고온 내부식성이 보장된다. 따라서, 전극이 파손 또는 변형되지 않으면서 용탕 내의 온도가 고온으로 조절될 수 있다. 냉각에 의해 최대로 달성 가능한 용해 온도가 전극 소재의 사용가능한 온도에 의해 더 이상 제한되지 않는다. 그러나, 고온 정련 온도로 조절될 가능성 또는 특히 부식성 있는 유리를 정련할 때에, 장치 벽의 강력한 부식에 의해 벽 소재가 유리 용탕으로 용출되어서 유리 최종 제품 내에 잔류하게 된다. 한편, 벽 소재로 가장 널리 사용되는 백금은 비용이 매우 고가이고, 다른 한편, 백금 또는 백금 합금의 응집체(aggregate)가 유리 용탕의 부식과 마찰에 의해 벽의 백금 또는 기타 합금 성분이 용탕 내로 소비된다. 그리고 나서, 이들은 유리 최종-제품 내에 이온 형태와 미세하게 분할된 기본 원소 형태로 유리 최종-제품 내에 존재하게 된다. 유리 최종-제품의 농도 및 입자 크기에 따라, 유리 용탕 내로의 이러한 이온 또는 기본 금속의 백금 용출은 원치 않는 탈색(discoloration)과 전자파의 투과성을 저하시킨다. 독일 특허 공개 공보 DE19939780 A1호에는, 응집체 내의 유리의 연속 정련에 대해 개시하고 있는데, 상기 공정에서 용탕은 고주파 에너지의 직접 주입에 의해 가열된다. 여기서 사용되는 응집체는 냉각 회로를 포함하는데, 이는 용탕의 가열에 사용되는 고주파 방사선에 대해 거의 "비가시성"(invisible)이다. 용탕은 상기 냉각 벽에서 응고되어 유리 용탕과 벽 소재 사이에서 소위 스컬 층(skull layer)을 형성하며, 이 스컬 층은 그 자체로 재건(renew)할 수 있다. 주로 수냉 금속 파이프에서의 스컬 층에 의해, 응집체가 견고하게 된다. 이에 의해, 유리 용탕에 의한 용기 벽의 부식이 최소로 되고, 실질적으로 유리 용탕 내로의 소재의 용출을 낮추게 된다. 스컬 도가니 내에서 고주파로 용해할 때의 장점은, 냉각에 의해 형성된 스컬 층에 의해 유리 용탕이 1700 ℃ 이상의 온도로 가열될 수 있어서, 응집체 벽의 온도 저항이 더 이상 제한 인자가 아니라는 것이다. 유리 용탕 내로 고주파를 직접 주입함으로써, 용탕은 중앙부보다 용해 응집체의 광범위한 영역에서 냉각될 수 있다. 스컬 층에 의해 고용융 온도 및 강력한 부식성 유리들이 용해되고 정련될 수 있다. 고주파 용해 또는 고온 용해의 추가의 이점은 소위 고온 정련제를 사용할 수 있다는 점이다. 이는, 독일 특허 DE19939771호에 개시되어 있는 바와 같이, 오염성 있고 독성인 As2O5 또는 Sb2O5 같은 정련제를 사용하지 않아도 되게 하며, 대신에 예를 들어 독성이 덜한 SnO2를 사용할 수 있게 한다. 그러나, 고주파에 의해 주입되는 에너지가 스컬 벽으로 빼앗기는 열량보다 크게 하기 위해서는, 고주파에 의한 용탕의 가열은 용해 온도에서 유리, 유리-세라믹, 세라믹 또는 용해될 결정들의 전기 전도성이 충분히 높아야 한다는 단점이 있다. 일반적으로 유리 및 유리-세라믹 용탕의 전기 전도성은 알칼리 성분에 의해 획정되고, 이들 용탕의 알칼리토류(alkaline earth) 성분에 의해 적은 정도이지만 영향을 받는다. 필요로 하는 전기 전도성의 제한 값이 다른 복수의 기술적인 변수에 의존하지만, 실제에 있어서 용탕의 전기 전도성은 10-1 Ω-1㎝-1 보다 커야 한다는 점은 자명해진다. 실제의 경험으로부터, 고온으로 인해 특히 스컬 도가니 내에서 고주파 용해가 적합하기 위해서, 고용융점 유리는 매우 낮은 전기 전도성, 특히 10-1 Ω-1㎝-1 미만의 전기 전도성을 갖는다는 것이 명백하다. 따라서, 기술적으로 중요한 많은 유리들이 고주파 용해 방법에 의해 처리될 수 없다. 유리 제품 중에서, 약제 포장용으로 필요한 유리 외에도, 고온 탄성 램프, 제조 공정 중에 추가로 코팅되는 디스플레이 유리 같은 유리제품은 전기 전도성이 낮다. 디스플레이 유리의 경우에 있어서, 알칼리 성분 금속들은 쉽게 유리 밖으로 확산해 나가고, 디스플레이 유리의 기능층으로 되기 때문에, 유리 내에 알칼리 성분들은 필요로 하지 않는다. 알칼리 성분이 적거나 없기 때문에, 이들 유리들은 고주파 기술에 의해 고주파가 주입되기에는 전기 전도성이 너무 낮다. PCT/EP03/13353호는 용탕 가열 방법 및 장치를 개시하고 있다. 상기 장치에서, 각 전극들이 용해 용기의 벽의 일부를 대체하고 있으며, 유리 용탕은 적어도 2개의 냉각 전극들 사이에서 흐르는 전류에 의해 가열된다. 전술한 장치에서, 용해 용기의 벽은 적어도 하나의 영역에서 냉각된다. 그러나, 전술한 장치에서, 전극들은 열 손실을 초래하는 단점이 있다. 한가지, 전극들이 하부에 배치되어 있기 때문에, 장치의 기동(start)이 어렵다. 또한 특히 장치를 기동할 때 플래쉬오버(flashover)에 의한 문제점들이 있다. 또한, 스컬 층이 용기 벽의 일부를 구성하는 전극에 의해 소비되는 전자기 에너지의 주입을 막기 때문에, 스컬 층이 완전하게 형성될 수 없다.