JP2004091232A

JP2004091232A - ガラス屑の再生利用方法およびそれに用いる熔融炉

Info

Publication number: JP2004091232A
Application number: JP2002252424A
Authority: JP
Inventors: Mizuhiko Imai; 今井　瑞彦; Tomohiro Yagyu; 柳生　智宏
Original assignee: NSG VETROTEX KK; Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: NSG VETROTEX KK; Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】有機物が付着するガラス屑をガラス原料として利用した場合であっても、通常のガラス原料を用いた場合と同様に、紡糸などの加工処理を行うことができる方法を提供する。さらには、このガラス屑の再生利用方法に適した熔融炉を提供する。
【解決手段】熔融ガラスの表層部分が流入しない位置に排出口を備え、かつ、内部に電極を備える熔融バスを構成装置とするガラス屑の熔融炉。熔融バス内に設置された複数の電極間について、１，４５０℃の熔融ガラスの電気抵抗値が１．０〜２．０Ωであるガラス屑の熔融炉。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、表面に集束剤などの有機物が付着したガラス繊維などの屑を再生利用する方法に関する。さらには、そのようなガラス屑の再生利用に適した熔融炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス繊維の紡糸工程においては、スターチやシランカップリング剤などの有機物を含有する集束剤をガラスフィラメントに塗布する。また、その後の加工処理工程では、ゴムラテックスを含有する溶液を前記ガラス繊維に塗布し、その表面にゴム被膜を成形することがある。また、ガラス繊維を数ｍｍの長さに切断し、前記集束剤と似た成分からなる造粒剤を塗布して、前記ガラス繊維を顆粒状に成形することもある。同様に、鱗片状ガラスについても、飛散性を抑えて取扱い性を良くするため、前記造粒剤を用いて顆粒状に成形することがある。
【０００３】
ガラス繊維または鱗片状ガラスが不良品または端切れとなった場合、環境負荷を低減し、かつ、製造コストを抑制するために、それらの再生利用が望まれる。しかし、これらのガラス屑は、比表面積が極めて大きく、有機物ないし水分などを多量に含有するため、ケイ砂などの通常のガラス原料の使用を前提に設計されたガラス繊維紡糸装置を用いて再生利用すると、ガラス繊維の品質にバラツキが大きくなったり、糸切れが頻発して生産性が低下したりするなどの問題が生じる。これらの問題は、ガラス屑に付着する有機物が熔融時に気化して発泡し、熔融ガラスの表面上に熱伝導性の低い発泡層が形成されて、熔融バス内の火炎バーナーの熱が熔融ガラスの深層にまで到達できなくなるために生じると考えられる。また、ガラス屑は比表面積が大きく、多量の空気を抱え込んでしまうため、前記発泡層を一層大きくし、これも前記問題の一因と考えられる。
【０００４】
そこで、ガラス屑を再生利用するには、ガラス屑を熔融バスに投入する前に予備加熱などを行い、予め有機物ないし水分を完全に除去する必要があった。たとえば、特開２０００−３５１６３３号公報には、ガラス原料を加熱熔融する熔融バスに設けたバーナーの燃焼火炎中に、有機物で被覆されたガラス繊維の廃材を搬送ガスに同伴させて分散供給する手段が記載されている。また、特表平６−５１１４２２号公報には、有機結合剤コーティングを塗布されたガラス繊維のスクラップを、内部に電極を備える熔融バスの上部から投入し、その熔融炉内の熔融ガラスを撹拌機を用いて強制的に混合撹拌して、同熔融バスの投入口に近い個所に設けた排出口から発生ガスと供に、熔融ガラスを排出する技術が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特開２０００−３５１６３３号公報に記載の装置では、予備加熱はガラス屑がバーナー火炎中を通過する間だけであるから、有機物ないし水分が完全に除去されることはなく、熔融ガラスの表面上の発泡層の形成を回避することはできない。また、ガラス屑がバーナー火炎と供に熔融ガラスの表面に叩きつけられるため、熔融ガラスの表面には元来泡が発生し易い。また、ガラス屑が空気を抱え込んでいるため、発泡層が大きくなり易い。さらに、熔融ガラスの加熱手段が熔融バスの上部の火炎バーナーだけであるから、発泡層が断熱層として機能して、熔融ガラスの表層と深層とで温度差が大きくなり易い。そのため、この公報に記載の装置では、均質な熔融ガラスを得ることが困難であるなどの問題があった。
【０００６】
また、特表平６−５１１４２２号公報に記載の技術は、ガラス繊維のスクラップを熔融バスの上部から投入し、熔融バス内に設置した電極に通電することにより、熔融ガラス自体を発熱させつつ、撹拌機で強制的に混合するものである。そのため、熔融バス内における熔融ガラスの均質性を高めることはできるが、熔融ガラスの排出口が熔融バスの上部にあるため、熔融バス内で発生したガスと共に熔融ガラスを排出することになり、取り出した熔融ガラスに気泡が残留し易く、この熔融ガラスをガラス繊維に紡糸した場合、糸切れが頻発するおそれがある。また、高温環境下で撹拌機を利用するなど、装置が複雑で故障し易い問題もある。
【０００７】
この発明は、このような問題点に着目して完成されたものである。その目的とするところは、有機物が付着するガラス屑をガラス原料として利用した場合であっても、通常のガラス原料を用いた場合と同様に、紡糸などの加工処理を行うことができる方法を提供することにある。さらには、このガラス屑の再生利用方法に適した熔融炉を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、この発明の熔融炉は、熔融ガラスの表層部分が流入しない位置に熔融ガラスの排出口が設けられ、かつ、内部に電極を備える熔融バスを構成装置とすることを特徴とする。ガラス屑に付着した有機物に由来する発泡ないしガラス屑が抱え込んだ空気に由来する気泡は、熔融ガラスの表面上に滞留することから、その近傍である不均質な表層部分を避けて熔融ガラスを採取することにより、均質性の高い熔融ガラスを得ることができる。ここで、「熔融ガラスの表層部分が流入しない位置」とは、熔融ガラスの排出口の全てが熔融ガラスの表面下にあることをいうが、前記排出口の最上部と熔融ガラスの表面との距離は、１００ｍｍ以上離れていることが好ましい。また、熔融バス内に電極を設置し、熔融ガラス自体を発熱させることにより、熔融ガラスの表面上に発泡層が形成されても、熔融ガラスを全体として均一に加熱することができる。
【０００９】
さらに、このような構造からなる熔融炉を利用することにより、有機物ないし水分が付着したガラス屑のみをガラス原料として利用した場合でも、その熔融ガラスから直接紡糸できるなど、ガラス屑の再生利用を効率的に行うことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、下記の実施の形態に限定する趣旨ではない。
【００１１】
この熔融炉の概要を図１を用いて説明する。図１は、平板電極１を熔融バス６内に複数設置した熔融炉の断面図である。熔融バス６には、ガラス原料の投入口２が１または２以上設置され、火炎バーナー３も必要に応じて複数設置される。投入口２から投入されたガラス屑を含有するガラス原料１１は、前記投入口直下の熔融ガラス１０の表面に積もり、火炎バーナー３からの加熱と、平板電極間の通電に基づく熔融ガラス１０の発熱による加熱とを受け、時間を掛けて徐々に熔融していく。このガラス原料が熔融するときに、ガラス屑に付着した有機物が発泡し、またガラス屑が抱えて持ち込んだ空気が気泡となって、熔融ガラスの表面に発泡層１２が形成される。この発泡層１２が流入できない位置に、図１では熔融バス６の底面と同じレベルに熔融ガラスの排出口４が設けられる。この排出口４は、熔融ガラスの出口５に連結している。図示しないが、出口５から取り出される熔融ガラスは、そのまま紡糸したり、マーブルまたはペレットに成型して保存することができる。
【００１２】
図１において、平板電極１は、ガラス原料の投入口２から排出口４に向かう方向と垂直に、かつ、鉛直に設置されており、熔融ガラス１０の流れを堰き止め、平板電極間で加熱された熔融ガラスが熔融バス内で対流を形成して均質になるように工夫されている。この熔融ガラスの対流を生み出すには、平板電極の一主表面の面積が、その一主表面を含む熔融ガラスの断面の面積の４０％以上であることが好ましい。
【００１３】
なお、平板電極１は、ガラス原料の投入口２から排出口４までの距離が十分に確保されている場合など熔融ガラスが均質になることを条件に、前記投入口２から排出口４に向かう方向に一主表面が沿うように設置されてもよい。また、その設置手段もとくに限定されるものではなく、熔融バス６の底面または側壁に、直接または支持材を介して固定されていればよい。
【００１４】
また、平板電極１の代わりに、熔融ガラスがムラなく均一に加熱されるように、たとえば図２に示すような配置で棒状電極２０を設置してもよい。この場合、熔融炉の底面に、たとえば底面側から鉛直上向きに挿入するなどして、棒状電極を固定する。
【００１５】
電極の材質は、導電性、耐熱性および成形性に優れるものであれば、とくに限定されるものではない。たとえば、白金、白金−ロジウム合金または白金−ロジウム−ルテニウム合金は、硬度がやや不足するものの、成形性に優れるため、平板電極に適している。一方、モリブデンは、白金よりも硬度が高いので、棒状電極に好適である。
【００１６】
電極は、熔融ガラスの表面から深さ１００ｍｍの範囲（図１中の「Ｄ」）に存在しないことが好ましい。この範囲の熔融ガラスは、投入されるガラス原料の影響を受け易く、深層部分に比べ温度が低くなる。そのため、この範囲に電極が存在すると、電極の温度が低下して、最高加熱温度域が熔融バスの底面側に移行する。この場合、熔融バスの底面温度が上昇するため、底面煉瓦の浸蝕が促進され、また熔融ガラスの表面近傍の熱量が不足するため、熔融不良などの問題が生じ易い。
【００１７】
電極の設置位置は、熔融ガラスが均一に通電加熱されるよう、熔融ガラスの電気抵抗を計算して決定される。具体的には、熔融ガラスが１，４５０℃のときに、その電気抵抗値が１．０〜２．０Ωとなる位置が好ましい。電極間の距離が短すぎれば、局部加熱となり、一方長すぎれば、通電不能となる。具体的には、一主表面が７００×２７５ｍｍである平板電極を用いて、その電極間の距離を７５０ｍｍとし、そこに電圧を２００Ｖ印加すれば、Ｅガラス組成からなる１，４５０℃の熔融ガラスの抵抗値は約１．２Ωとなる。同様にして、５００×１６５ｍｍの白金平板電極を３００ｍｍ離した場合は、その抵抗値が約１．１Ωとなる。
【００１８】
上記の範囲Ｄに電極が存在せず、電極間の電気抵抗値が１．０〜２．０Ωであれば、熔融ガラスの深層部分の温度が表層部分よりも高くなるので、深層部分から表層部分に向かって熔融ガラスが流れることになる。また、熔融バスの側壁に電極を埋め込むなどしない限り、熔融ガラスの温度は前記側壁に近づくほど低下するので、前記の深層部分から表層部分に湧き上がった熔融ガラスは、熔融バスの側壁近傍で深層部分に向かって沈降し始める。そして、深層部分に沈降した熔融ガラスは、そこでまた加熱されて、再度表層部分に到達する。この熔融バス内における熔融ガラスの対流が形成されることにより、熔融ガラスの均質性が著しく向上する。したがって、熔融バスにおいて、中央部に近づくほど、熔融ガラスの温度が高くなるように電極を設置すれば、前記対流が整流となって、熔融ガラスの均質性が一層高まる。
【００１９】
ガラス原料の投入口２と熔融ガラス１０の表面との距離（図１中の「Ｈ」）は、１５０ｍｍ以上、さらには３００ｍｍ以上であることが好ましい。この発明では、嵩高いガラス屑を含むガラス原料を用いるため、この距離が１５０ｍｍ未満では、一度に投入できるガラス原料の量が限定されてしまい、ガラス屑の再生利用効率が低下してしまう。
【００２０】
また、熔融バスの底面から熔融ガラスの表面までの距離すなわち熔融ガラスの深さは、４００ｍｍ以上であることが好ましい。熔融ガラスの深さが浅すぎると、熔融バスを構成する煉瓦の損傷が激しくなり、またガラス原料の投入によって熔融ガラスの温度が急激に変化するため、均質な熔融ガラスが得られ難くなる。
【００２１】
熔融ガラスの排出口４は、熔融ガラスの表層部分が流入しなければ、その設置位置をとくに限定されるものではないが、熔融バスの底面と同じレベルであり、その最上部が熔融ガラスの深さの１／４以下であることが好ましい。
【００２２】
ガラス原料の投入口２は、距離を置いて複数設置されることが好ましい。ガラス原料には、嵩高いガラス屑が含まれるため、この投入口が一つだけでは、一度に投入できるガラス原料の量が限られ、ガラス屑の利用再生効率が低下してしまう。また、投入口２を距離を置いて複数設置することにより、ガラス原料が熔融バスの全体に拡散し易くなり、より均質な熔融ガラスが得られるようになる。さらに、個々の投入口から時間をずらして順番にガラス原料を投入することにより、熔融ガラスの急激な温度低下を抑制することもできる。
【００２３】
この熔融炉は、バッチ式のものでもよいし、連続熔融式のものでもよい。少ロット品を多品種作製する場合は、バッチ式の熔融炉が適しており、一方工業的に大量生産を行う場合は、連続熔融式の熔融炉が適している。
【００２４】
ガラス屑を含むガラス原料を上記の熔融バス内に投入して熔融させるが、その投入方法は、とくに限定されなるものではない。連続熔融式の熔融炉の場合は、熔融ガラスの急激な温度低下を防止するため、ガラス原料を一定時間を掛けて徐々に投入し、その後暫くガラス原料の投入を停止する間欠的な投入が好ましい。さらには、距離を空けて投入口を複数設置し、これらの投入口からガラス原料を順番に投入し、加えてそれぞれの投入口について、間欠的に投入を行えば、熔融バス内における熔融ガラスの温度のバラツキを極力小さくすることができる。前記間欠的な投入について、より具体的には、投入時間を１０分とする場合、投入停止時間を２〜５分とするのが適当である。
【００２５】
ガラス屑としては、有機物が付着したケイ素を主成分とするものであれば、その組成および形状などをとくに限定されるものではない。たとえば、熔融ガラスを単に紡糸しただけのガラス繊維、ガラス繊維の織布または不織布、あるいはガラス繊維または鱗片状ガラスの造粒体などが挙げられる。
【００２６】
【実施例】
以下、実施例により、この発明について具体的に説明する。
【００２７】
（実施例１）
図１に示す構成からなる連続熔融式の熔融炉を作製し、出口５から流下する熔融ガラスをマーブル（いわゆるビー玉）およびペレットに成型した。熔融バス６は、その内寸法が７００ｍｍ（幅：図１では紙面に垂直方向）×７００ｍｍ（奥行き：図１では投入口２から排出口４の方向）×２６５ｍｍ（熔融ガラスの深さ）であり、投入口２と熔融ガラスの表面との鉛直距離が１５０ｍｍであり、投入口２が互いに３００ｍｍの間隔を置いて３個設置されている。また、熔融ガラスの排出口４は、熔融バスの底面と同じレベルであり、その最上部は前記底面から５０ｍｍすなわち熔融ガラスの深さの１／４以下であった。平板電極１は白金製で、その寸法は５００ｍｍ（幅）×１６５ｍｍ（高さ）×１ｍｍ（厚さ）であった。この白金平板電極を、その厚さ方向が熔融バスの奥行きと揃うように３００ｍｍの等間隔で熔融バスの底面に３枚設置した。したがって、この白金平板電極の一主表面の面積は、その一主表面を含む熔融ガラスの断面の面積の４４％となる。この熔融バス内を、乾燥したＥガラス組成のガラス繊維（有機物付着量：約１質量％）で満たし、すなわちガラス原料にガラス屑のみを用いて、火炎バーナー３を作動させ熔融バス内温度が１，３００℃になるまで加熱し続けた。ガラス原料が熔融し、熔融バスの中央部底面付近に設置した温度計が１，３００℃を示した段階で、個々の電極間電圧が２００Ｖとなるように前記白金平板電極１に印加した。その後、火炎バーナーを併用しつつ、熔融ガラスを１，４５０℃まで昇温させ、熔融ガラスの出口５を閉じたままで通電加熱を２日間行った。熔融バス内において、熔融ガラスが中央部で湧き上がり、かつ、側壁周辺で沈降する対流が生じていることを確認した後、前記出口５を開け、熔融ガラスを７０ｋｇ／ｈの割合で８時間流下させた。流下の間、流下量と同じ割合で、３つの各投入口から２０分間投入−５分間投入停止の間欠的な投入サイクルで前記ガラス原料を投入した。なお、各投入口の投入停止時間が重ならないように、すなわち常に２つの投入口からガラス原料が投入されるようにした。その後、引き続き同じ条件で出口５から熔融ガラスを流下させ、その熔融ガラスを公知の装置を用いてマーブルおよびペレットに成型した。
【００２８】
上記手段により製造した１００，０００ｋｇのマーブルを、特開平６−５６４５２号公報に記載の製造装置に投入し、再度熔融して鱗片状ガラスを連続的に製造した。この鱗片状ガラスの製造において、風船割れは発生せず、その他製造を中断しなければならない事態も生じなかった。
【００２９】
また、公知のマーブルメルト方式の紡糸炉に上記マーブルを投入し、平均径９μｍのガラスフィラメントを４００本集束して、ガラス繊維を製造した。このガラス繊維の製造において、糸切れが数回発生したが、その発生頻度は下記参考例１における糸切れの発生頻度と同程度であった。
【００３０】
また、上記ペレット５０，０００ｋｇについても、同様の手段で鱗片状ガラスおよびガラス繊維を製造したが、上記マーブルを用いた場合とほぼ同様の結果となった。
【００３１】
（参考例１）
実施例１において、ガラス屑を含まないケイ砂などのみからなる通常のガラス原料を用いて、マーブルおよびペレットを成型した。明記しない点については実施例１と同様にして、鱗片状ガラスおよびガラス繊維を製造した。鱗片状ガラスの製造において、風船割れは発生せず、その他製造を中断すべき事態も生じなかった。また、ガラス繊維の製造において、糸切れが数回発生したが、その発生頻度は実施例１のそれと同程度であった。
【００３２】
上記実施例１でマーブルから製造した鱗片状ガラスと、この参考例１で製造した鱗片状ガラスとを適宜サンプリングして、これらの平均粒径、平均厚さを測定した。その結果、どちらの鱗片状ガラスも、ほぼ同じ平均粒径と平均厚さであることが判った。
【００３３】
（実施例２）
実施例１において、熔融バスを大型化し、白金平板電極１の代わりに、図２に示す配置でモリブデン棒状電極２０を熔融バスの底面から９本挿入した。熔融バス６の内寸法は２，４００ｍｍ（幅：図１では紙面に垂直方向）×８８０ｍｍ（奥行き：図１では投入口２から排出口４の方向）×４００ｍｍ（熔融ガラスの深さ）であり、投入口２と熔融ガラスの表面との鉛直距離は２００ｍｍであった。また、投入口２を互いに５００ｍｍの間隔を空けて３つ設置した。モリブデン棒状電極２０は直径５０ｍｍ、長さ３００ｍｍであり、各電極間の距離を４５０ｍｍ（電極間の熔融ガラスの抵抗値は１．０〜２．０Ωの範囲内）とした。このガラス屑の熔融炉を用いて、明記しない点については実施例１と同様にして、マーブルおよびペレットを成型し、鱗片状ガラスおよびガラス繊維を製造した。
【００３４】
このマーブルまたはペレットを原料とする鱗片状ガラスの製造において、風船割れは発生せず、その他製造を中断しなければならない事態も生じなかった。また、ガラス繊維の製造において、糸切れが数回発生したが、その発生頻度は実施例１のそれと同程度であった。さらに、マーブルから得られた鱗片状ガラスの平均粒径および平均厚さは、実施例１のそれとほぼ同一であった。すなわち、実施例２の結果から、この発明の熔融炉であれば、熔融バスの大きさに関わらず、ガラス屑を簡便に再生利用できることが判る。
【００３５】
【発明の効果】
以上記載したとおり、この発明のガラス屑の熔融炉を用いれば、熔融ガラスの表層部分が流入しない位置に排出口を備え、かつ、内部に電極を備える熔融バスを構成装置とするので、有機物が付着するガラス屑のみをガラス原料とする場合であっても、ケイ砂など通常のガラス原料を用いる場合と同様の手段で、同等の品質のガラス製品を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の平板電極を用いた熔融炉の概要を示す断面図である。
【図２】この発明の棒状電極を用いた熔融炉の概要を示す平面図である。
【符号の説明】
１　　平板電極
２　　ガラス原料（ガラス屑を含む）の投入口
３　　火炎バーナー
４　　熔融ガラスの排出口
５　　熔融ガラスの出口
６　　熔融バス
１０　熔融ガラス
１１　未熔解のガラス屑を含むガラス原料
１２　発泡層
２０　棒状電極

Claims

熔融ガラスの表層部分が流入しない位置に排出口を備え、かつ、内部に電極を備える熔融バスを構成装置とするガラス屑の熔融炉。
上記熔融バス内の電極は、熔融ガラスが１，４５０℃のとき、前記電極間の電気抵抗値が１．０〜２．０Ωとなる位置に設置されたものである請求項１に記載のガラス屑の熔融炉。
上記電極が平板電極であり、その一主表面の面積が、同一主表面を含む熔融ガラスの断面の面積の４０％以上である請求項１または２に記載のガラス屑の熔融炉。
上記電極は、熔融バスの底面から鉛直上向きに取り付けられた棒状電極である請求項１または２に記載のガラス屑の熔融炉。
上記熔融バス内において、熔融ガラスの表面から深さ１００ｍｍの範囲に、電極が存在しない請求項１〜４のいずれか１項に記載のガラス屑の熔融炉。
上記熔融バスの中央部において、熔融ガラスの温度が最も高くなる請求項１〜５のいずれか１項に記載のガラス屑の熔融炉。
熔融バスの底面から熔融ガラスの表面までの鉛直距離が４００ｍｍ以上である請求項１〜６のいずれか１項に記載のガラス屑の熔融炉。
熔融ガラスの表面からガラス原料の投入口までの鉛直距離が１５０ｍｍ以上である請求項１〜７のいずれか１項に記載のガラス屑の熔融炉。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の熔融炉を用いたガラス屑の再生利用方法。
ガラス原料として、有機物が付着したガラス繊維ないし同鱗片状ガラスのみを用いる請求項９に記載のガラス屑の再生利用方法。
熔融バス中にガラス原料を間欠的に投入する請求項９または１０に記載のガラス屑の再生利用方法。
熔融バス中にガラス原料を投入する時間を１０とする場合、投入しない時間が２〜５の割合である請求項１１に記載のガラス屑の再生利用方法。
複数の投入口から順番にガラス原料を投入する請求項９〜１２のいずれか１項に記載のガラス屑の再生利用方法。