편집부(외신) Owens-Illinois와 PPG사가 테스트하고 발전시킨 유리용융 모듈 시스템에 대하여 검토 및 평가했다. 20세기 중후반 지멘스 용융기의 에너지 효율을 높이기 위한 방법을 강구했을 때, 1차 유리 제작자들은 첫 모듈 용융기를 개선하기 시작했다. 과거에는 산업적으로 용융기의 에너지 효율을 높이기 위한 연구들이 많았다. 일정량의 재료를 직접 연료/공기 혼합 연소로에 직접 넣는 것이 과거에 있었던 방법 중 가장 나은 방법이었다. 침전연소법 또한 분쇄 유리용융공정에서 초기에 시도했던 방법 중 하나이다. 그러나 이러한 노력들은 실제 모듈의 개념이 아니었다. 그 이유는, 앞의 공정들은 용융, 내화성 결정립의 용해, 기포의 제거의 기본적인 세 가지 공정단계를 간과했기 때문이다. 이상적인 유리용융 모듈에서는, 한번 처리된 유리가 되돌아가는 것을 방지하기 위하여 대류의 순환을 제거한다. 1970년대 각각 발전된 두 가지 공정은 비순환 이론과 접목된다. 두 가지 공정중 하나는 전기적 에너지만 사용하였고, 다른 하나는 기체/전기적 복합에너지를 사용하였었다. RAMAR 공정 Owens-Illinois에 의해 발전된 모든 전기적 에너지를 사용한 공정은 급속 용융·제련이라 불리고, 약자로 RAMAR로 불린다. RAMAR 시스템은 유리의 순환을 물리적 분할을 통해 방지하였다(그림1). 대용량 용융기는 첫 모듈이었고, 용융되는 양을 줄이기 위해 필요한 에너지를 공급하기 위한 목적이었다. 소용량 용융기는 두 번째 모듈이었는데, 실리카 같은 남아있는 내화성 결정립을 용해, 희석시켰다. 두 번째 모듈에서 나온 유리에는 잔여 기체물질들이 남아있다. 대부분의 잔여물들은 원심 제련기에서 제거할 수 있는 것들이다. 소다-석회-실리카(SLS) 컨테이너 유리 배치는 용융 모듈 테스트용으로 사용되었다. 대용량 용융기는 연속적 혼합 탱크 반응기로 작용했다(그림2). 대용량 용융기는 전기적으로 가열되는 2피트(0.61m) 입방체였다. 회로에서 전극은 입방체 바닥 모서리 부분에 네 개의 몰리브덴 봉으로 이루어져 있다. 회전하는 몰리브덴 날개 교반기는 다른 전극이다. 그 이유는 고속 용융속도 때문인데, 용융 유리의 밀도의 40%정도 된다. 그 결과 배치 물질들은 빠른 속도로 용융물질로 변하는 회전자/전극으로 가라앉게 된다. 이것을 테스트 했을때, 대용량 용융기는 15~60분 동안 4~18 톤/d의 유리를 만들 수 있었다. 대용량 용융기의 최대 생산량은 그 이후 공정단계에 의해서 결정된다. 350kW, 교반기 200rpm에서 용융기의 일반적인 생산량은 12ton/d 또는 일반적인 컨테이너 유리 용융기의 에너지 소비량 대비 60%인 696kWh/ (톤 당 유리생산)이다. 대용량혼합기의 일반적인 작동 조건인 1340℃, 12 톤/d에서 대용량 용융기에서 나온 용융유리에서 용해되지 않은 실리카의 함유량은 ~3.4wt%이다.(그림 3) 대용량 용융기에서 나온 용융유리는 막혀있는 내화성 채널을 통해 미세혼합기로 옮겨진다. 미용해된 배치 물질 외에도 코드와 고밀도의 기포들도 미세혼합기로 옮겨진다. 미세혼합기에서 대용량 용융기로부터 용융된 유리는 층류로 흐르게 되고, 회전하는 몰리브덴 실린더의 전단작용에 영향을 받게 된다. 온도는 옆면을 통해 주입된 몰리브덴 전극들에 의해 유지되지만, 대용량혼합기와는 다르게 회전 실린더는 전극이 아니다. 매우 높은 전류밀도를 가진 전극으로 미세혼합기의 초기 작동하게 되고, 그 결과 전극 표면에서 재증발 현상이 일어난다. 컴퓨터 시뮬레이션과 트레이서 연구결과에 따르면 재증발은 위쪽으로의 대류를 만들고, 이는 미세혼합기내에서 용융액체 내부에 재순환을 일으킨다. 예전에 문제가 되었던 잔여 내화성 결정립의 용해와 코드의 희석은 실린더의 회전수를 40rpm로 함으로서 해결되었다. RAMAR공정의 마지막 모듈은 원심 제련기 이다. 화학적으로 균등하지만 작은 기포(기체 함유물 > 직경 1mm)가 있는 질량m의 유리는 미세혼합기에서 직경 r, 각속도 ω의 원심제련기로 옮겨진다. 유리속 기포에 작용하는 내부(구심)힘 F는 아래와 같다. F=mrω2 7in(18cm)의 원심 제련기는 1100rpm에서 작동한다. 이러한 조건에서 용융 유리 속 기포에 작용하는 힘은 중력의 240배이다. 회전속도, 점도(온도), 그리고 생산량은 기포의 크기를 결정한다(그림4). 임계 크기 또는 그보다 큰 기포는 챔버 중앙으로 이동, 기포들 끼리 결합되고, 소멸하게 된다. 임계 크기보다 작은 기포는 용융체내 남아있다. 1050℃에서 1450℃사이에서 일반적으로 1350℃에서 테스트 하였다. 대체적인 생산 속도는 12~16톤/d였다. 화학적 균등성을 측정하는 Shelyubski 측정실험에서 일반 컨테이너 유리보다 더 나은 것으로 나타났다. RAMAR 시스템으로 제작된 유리는 옅은 회색을 띤다. 이러한 색은 현미경 검사결과, 작은 기포(~25㎛)들의 높은 밀도(~104/g)에 의한 것으로 판명되었다. 250~330ton/d 의 유리 컨테이너 생산에 적합한 크기의 RAMAR 시스템 스케일링은 공개되지 않았다. P10 SYSTEM 다른 하나의 용융 모듈 시스템은 PPG사에 의해 발전되었고, 그래서 P10 공정이라 불린다. 화석연료와 전기에너지의 조합에 의해 용융 모듈을 수행하기 위한 시스템이 동작한다. 화석연료는 첫번째 모듈인 회전 내화성 강철 챔버에서 SLS 창-유리를 용융시키는데 사용됐다. 어떠한 환경에서 모듈에서 방출되는 뜨거운 기체는 배치를 예열하는데 사용됐다. 그 이유는, 이 모듈의 목적은 1200에서 1320℃사이의 작동구간에서 정제되지 않은 재료를 용융시킬 때 잔여 결정립, 내화성 결정립 그리고 기포를 줄이는 것이기 때문이다. 두번째 모듈은 잔여 배치 결정립, 내화성 배치 결정립을 용해하도록 설계됐다. 첫번째 모듈을 거친 생산품들은 두번째 모듈인 내화성 챔버에 투입된다. 수평의 몰리브덴 전극은 용융된 것을 제련온도까지 증가시키는데 사용하고, 열손실을 보상하는데 사용한다. 이 모듈의 끝에 있는 계기 밸브는 이 시스템의 생산량을 제어하는데 사용한다. 두번째 모듈의 크기는 균질성과 결정립제거에 필요한 시간에 의해 결정되지만, 기포들은 제거되지 않는다. 유리의 배출온도는 1370에서 1480℃사이였고, 진공 제련기의 내부 압력에 의해서 결정된다. SLS 창-유리의 경우, 일반적인 배출온도는 1430℃였다. 진공 제련기는 P10 시스템의 마지막 모듈이었다. 이 제련기는 0.5기압 이하의 압력에서 작동했다. 감소된 압력은 두 번째 모듈에서 생산된 유리내 기포들의 부피를 두 배 정도로 증가시키고, 용융체의 표면에 큰 기포(≥0.01mm)를 만들어 결국 용융체 내 기포들을 제거하게 된다. 큰 기포는 기체 버너의 불꽃의 충돌에 의해 없어진다. 이 제련 모듈이 최대 온도, 최대 압력에서 작동할 때, 기포의 체적밀도는 100pp m이하로 될 수 있다. 일반적인 SLS 창-유리 제작 조건은 1430℃, 0.125기압(12.5kPa)이고, 체적 기포 밀도는 0.01/cm3 이다. 용융모듈 현상 RAMAR과 P10 유리용융 시스템은 모듈 용융실험의 명확한 해결책을 제시하고 있다. 즉 다시 말해서, 배치 용융, 내화성 결정립 용해, 그리고 기포제거, 전 공정으로 유리의 흐름을 방지에 관한 산업적 응용의 문제점을 보안했다는 것이다. RAMAR 시스템은 비행설비 제작에 사용되었는데, 12ton/d의 판재 SLS 컨테이너 유리를 생산하였다. P10시스템은 ~5MJ/kg(보통 7.3MJ/kg 사용한다) 사용했고, SLS 창-판재유리 100~300ton/d 을 생산하였다. 또한 모듈화에 따라 이 두 시스템은 기존에 산업적으로 사용되었던 지멘스의 용융기에 비해 경비지출도 감소시켰을 뿐만 아니라, 화석연료 소비량과 공해배출도 감소시켰다. RAMAR 시스템은 최대한 상업적 완성도를 높이기 위해 스케일링에 관한 문제점이 있었지만 해결할 수 있었다. 원심 제련기 또한 스케일링에 관해 문제점이 있었지만, 이겨낼 수 없는 문제점은 없었다. P10 시스템은 상업적 모험이었고, 상업적으로 완성할 수 없어 중도하차 할 수밖에 없었다. 이 시스템이 발전할 즈음 예상했던 큰 폭의 유가상승이 없었기 때문에 이 공정은 발전 할 수 없었다. 그럼에도 불구하고, RAMAR와 P10의 공정들은 유리공정의 모듈화를 가능하게 해주었고, 유리 산업에 용융 모듈 기술 발전의 원동력이 되었다. (Ceramic Bulletin)