JP2005067960A - ガラス溶融用スターラー - Google Patents

Abstract

【課題】従来からあるスターラーは一長一短であり、多くの溶融ガラスの表面層に形成される異質ガラス起因の発泡や脈理生成を抑制することができない。また、形状が複雑化し、保守点検にも問題が多い。
【解決手段】融液状の溶融ガラスを均一化するためのスターラーであって、太さ又は径がＤ_０の中心支持棒Ａ、太さ又は径がＤ_１の斜め撹拌棒１、太さ又は径がＤ_２の水平撹拌棒２、及び太さ又は径がＤ_３の垂直撹拌棒３からなり、かつＤ_１≦Ｄ_３の溶融ガラス撹拌用スターラー。中心支持棒には斜め撹拌棒のみが繋がり、その斜め撹拌棒に水平撹拌棒及び垂直撹拌棒が繋がっており、Ｄ_２≦Ｄ_３である特徴も有す。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶融ガラス攪拌用スターラーに関する。特に、バッチ式小規模生産に好適な溶融ガラス用スターラーに関する。

ガラスに対する社会的なニーズは多種多様に変化し、それに伴ってガラスの工業生産も大きく変化してきている。透明性、化学的耐久性や機械的強度等、従来のガラスに共通する因子はもちろんのこと、最近では特に電子材料分野で従来顧みられなかった物性が要求されるようになり、種々の組成を有するガラスが積極的に開発されている。また、製造コストや品質に対する見方も厳しくなり、少しでも低価格でかつ高品質のガラス製品を製造することが社会的な要求となっている。

このような社会的な要請の下、より均質で脈理や泡等の欠陥のないガラス製品とするため、多くの工夫がなされ、ガラスの溶融性を向上する他、溶融状態の改善に対する検討も多くなされている。この一環として、スターラーと称される回転物を利用して、ガラスの均質性を向上させることがなされている。すなわち、耐熱性材料からなるスターラーを溶融ガラス中に浸漬し、溶融ガラスを強制的に攪拌し、均質化を行なう。スターラーは高温の条件下でかつ抵抗のある状態で使用されること、さらには、耐火物の浸食を抑制しなければならないこと等からスターラーの材質は重要であり、Ｐｔ、Ｒｈ、又はこれらの合金、さらには酸化物粒子で強化した材料も用いられている。

一方、スターラーの形状はさらに重要であり、この形状の良し悪しにより製造されるガラスの品質は大きく左右される。このため、ガラス溶融用のスターラーは従来から検討され、多くの形状のガラス溶融用スターラーが提案されている。ガラス溶融用スターラーとしては、さまざまな種類のものが知られているが、クランク型とスクリュー型が最も代表的なものである。

クランク型スターラーは、回転軸近傍から表層素地が内部に引き込まれることにより、表層の異質素地が拡散消滅する効果を利用しており、比較的低粘度のガラス攪拌に使用されることが多い。また、スクリュー型スターラーは、文字とおりスクリュー状のスターラーを回転させることにより、ガラスを流動させるものであり、比較的高粘度のガラスの攪拌に効果的とされている。さらに、クランク型とスクリュー型を併せもったスターラーも提案されている。

公示文献を見れば、長短２種類の攪拌翼を有するスターラー（例えば、特許文献１参照）、二条螺旋攪拌翼を有するスターラー（例えば、特許文献２参照）、螺旋翼とプロペラ翼の複合されたスターラー（例えば、特許文献３参照）など前記スターラー形状の複合により成るスターラーも提案されている。さらに、支柱と翼の中空部に冷却用ガスを吹き込むようにしたスターラー（例えば、特許文献４参照）、バブリング用小孔を有するスターラー（例えば、特許文献５参照）、隣接する傾斜角の羽根をお互いに逆向きとしたスターラー（例えば、特許文献６参照）等、種々のスターラーが開示されている。
特開２００３−６３８２９号公報 特開２００３−３４５３９号公報 特開平１０−２６５２２７号公報 特開平２−４８４２２号公報 特開昭６１−２１９２２号公報 特開昭５８−８８１２６号公報

スターラーは、多くの場合に溶融ガラスの均一化に寄与する。しかしながら、例えばルツボを使用しての溶融を考えると、スターラーによるガラスの攪拌は、均一化と同時に泡を始めとする多くのガラス欠陥を発生させる。すなわち、均一化のためのスターラー回転を強く行なうと泡が多発する一方、泡の発生を抑えようとしてスターラー回転を下げると均一度が下がり、場合によっては脈理が発生することもある。

文献をみると、特開２００３−６３８２９号公報のスターラーでは、連続溶融ガラスのすり抜けを防止しする効果を有するが、これは連続溶融、すなわち、スターラーの上部方向から下部方向への流れが存在する場合であり、バッチ式の溶解において、使用しても上下の攪拌効果は発揮し得ない。特開２００３−３４５３９号公報のスターラーでは螺旋翼を２枚とすることで（二条螺旋とすることで）１枚螺旋翼と比較して上下攪拌効果を向上させる効果があるが、攪拌翼の表面積も約２倍となり、ガラス種によってはスターラー材料との反応による泡の発生の危険性が大幅に増大する。また、高価な白金材料の使用量が増加するといった問題を有する。また、特開平１０−２６５２２７号公報の方法では溶融ガラス表層近傍のいわゆるスカムの巻き込み防止の効果を有するが、槽内を二分する流れを形成するという点において全体を均質にすることができないという問題点がある。特開平２−４８４２２号公報のスターラーでは、攪拌棒内への冷却ガスの取り込みにより、溶融ガラスへの白金合金の溶出を防止する効果を有するが、冷却された攪拌棒の表面での失透発生などの問題が発生する。さらに、特開昭６１−２１９２２号公報の方法ではバブリングによる攪拌効果の増大が望めるが、その構造上、槽底部の素地を効率よく攪拌できないという問題がある。特開昭５８−８８１２６号公報のスターラーでは、いわゆる連続溶融工程において生じる引き出し流のある場合に効果を奏するが、バッチ式溶解の場合、槽の上下方向の攪拌性に乏しく槽内全体を均質化できないと言う問題が発生する。このように、それぞれのスターラーは一長一短であり、多くの溶融ガラスの表面層に形成される異質ガラス起因の発泡や脈理生成を抑制することができない。また、形状が複雑化し、保守点検にも問題が多い。

本発明は、融液状の溶融ガラスを均一化するためのスターラーであって、太さ又は径がＤ_０の中心支持棒、太さ又は径がＤ_１の斜め撹拌棒、太さ又は径がＤ_２の水平撹拌棒、及び太さ又は径がＤ_３の垂直撹拌棒からなり、かつＤ_１≦Ｄ_３の溶融ガラス撹拌用スターラーである。

また、中心支持棒には斜め撹拌棒のみが繋がり、その斜め撹拌棒に 水平撹拌棒及び垂直撹拌棒が繋がった上記の溶融ガラス撹拌用スターラーである。

さらに、Ｄ_２≦Ｄ_３である上記の溶融ガラス撹拌用スターラーである。

本発明に係る溶融ガラス用スターラーによれば、溶融ガラスの表面層に形成される異質ガラス起因の発泡や脈理生成を抑制することができ、良質のガラス生地を得ることができる。

本発明は、融液状の溶融ガラスを均一化するためのスターラーであって、太さ又は径がＤ_０の中心支持棒、太さ又は径がＤ_１の斜め撹拌棒、太さ又は径がＤ_２の水平撹拌棒、及び太さ又は径がＤ_３の垂直撹拌棒からなり、かつＤ_１≦Ｄ_３の溶融ガラス撹拌用スターラーである。以下、図を用いて説明する。

図１に示すように、本発明のスターラーは主に太さ又は径がＤ_０の中心支持棒Ａ、太さ又は径がＤ_１の斜め撹拌棒１、太さ又は径がＤ_２の水平撹拌棒２、及び太さ又は径がＤ_３の垂直撹拌棒３からなりたっている。

中心支持棒Ａは、本発明のスターラーの中心に位置している。垂直撹拌棒３は従来のクランク型で用いられてきた撹拌棒とほぼ同等と考えて良い。この垂直撹拌棒３を回転させることにより、その遠心力やガラス粘性を利用して、溶融ガラスを撹拌する。この垂直撹拌棒３は水平撹拌棒２及び斜め撹拌棒１を介して中心支持棒Ａに連結している。斜め撹拌棒１の太さ又は径のＤ_１は、垂直撹拌棒３の太さ又は径のＤ_３よりも細いか同じ太さ又は径であることが必要である。斜め撹拌棒１の太さ又は径のＤ_１は、垂直撹拌棒３の太さ又は径のＤ_３よりも太い場合には、均一度が下がり脈理が発生する。また、脈理がでる状態であるにもかかわらず、泡を多発することがある。好ましくは０．３Ｄ_３≦Ｄ_１≦Ｄ_３である。

また、中心支持棒には斜め撹拌棒のみが繋がり、その斜め撹拌棒に水平撹拌棒及び垂直撹拌棒が繋がった溶融ガラス撹拌用スターラーである。この構造も重要である。すなわち、中心支持棒の終端は、斜め撹拌棒の上端である。例えば、水平撹拌棒や垂直撹拌棒の位置まで長くはない。中心支持棒が長くなり、斜め撹拌棒の下側まで至ると、泡が発生しやすくなるが、撹拌の効果はほとんどない。垂直撹拌棒の最下端部のところまで長くした方が丈夫であるが、泡の発生に対しては大きな欠点となる。斜め撹拌棒の最下端は水平撹拌棒に繋がっており、さらに水平撹拌棒の下には垂直撹拌棒が繋がっている。水平撹拌棒は本発明のスターラーの機械的な強度を上げるとともに脈理の発生を抑える重要な役割も担っている。

さらに、Ｄ_２≦Ｄ_３である溶融ガラス撹拌用スターラーである。水平撹拌棒の太さ又は径のＤ_２は、垂直撹拌棒３の太さ又は径のＤ_３よりも細いか同じ太さ又は径であることが必要である。水平撹拌棒の太さ又は径のＤ_２が、垂直撹拌棒の太さ又は径のＤ_３よりも太い場合には、均一度が下がり脈理が発生する。また、脈理がでる状態であるにもかかわらず、泡を多発することがある。好ましくは０．４Ｄ_３≦Ｄ_２≦Ｄ_３である。

また、Ｄ_３は１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の径を有す。１０ｍｍ未満では撹拌の効果が小さくなり、変形や破損の可能性が出てくる。特に、変形は、泡発生の原因となることがあるので、注意する必要がある。一方、５０ｍｍを越えると、その動作速度にもよるが、渦流が発生しやすくなり、泡発生の原因となる。好ましくは、１５ｍｍ以上３５ｍｍ以下である。

なお、図１では垂直撹拌棒３が２本の例を示したが、図２に示すような垂直撹拌棒３が３本、図３に示すような垂直撹拌棒３が４本でも問題はない。さらには、垂直撹拌棒３が５本以上でも良い。

これらは高温の溶融ガラスによって浸食されることがない白金、白金合金あるいはこれらの強化品からなっている。中心支持棒Ａは丸棒状であり、その一端は、図示はしないが、回転駆動装置に連結されている。さらに、斜め撹拌棒の広がり角度Ｐは３０〜１５０度まで有効である。しかし、この広がり角度が大きくなる場合には、斜め撹拌棒の太さ又は径は大きくなる傾向にある。

斜め攪拌棒、水平攪拌棒ならびに垂直攪拌棒の断面形状は、得られる強度を勘案して真円以外にも楕円、正方形、長方形、四角形以上の多角形を選択することができる。これらの場合、各径はそれぞれ、楕円の長径、多角形の対角線長さを適応する。

また、このスターラーの材質としては主に白金が用いられる。当然ながら、ロジウムやジルコニアなど、白金材料に用いられている添加物も含まれる。さらに、その温度条件又は雰囲気条件により、ＳＵＳなどの金属やセラミックスを使うことも可能である。

以下、実施例に基づき、述べる。
垂直攪拌棒が２本のタイプの攪拌棒を用いた場合のガラスの溶融例である。中心支持棒は径Ｄ_０が４０ｍｍ、斜め撹拌棒は径Ｄ_１が２０ｍｍ、水平撹拌棒は径Ｄ_２が２０ｍｍ、垂直撹拌棒は径Ｄ_３が３０ｍｍのいずれも白金（１０％ロジウム）製の丸い棒から成り立っている。

ＳｉＯ_２、Ｎａ_２Ｏ、ＢａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３からなるガラスを質量比で５９：２８：５：８の割合となるように調合し、内径２９０ｍｍ、高さ３６０ｍｍの強化白金製溶融槽の中で約４時間かけて、１３００℃程度まで加熱した。この状態で保持しながら、攪拌棒を３０ｒｐｍで動作させて、溶融ガラスの均質化作業を試みた。本作業を１５時間行った後、溶融ガラスを溶融槽に付設した流出ノズルを介して流出させた。その後、徐冷を行い、横幅１５０ｍｍ、高さ４０ｍｍ長さおよそ４ｍのガラスブロックを得た。

このガラスブロックを切断し、断面を研磨して内部の性状を観察・評価したところ、不均質なガラス相を含まない均質性の良好なガラスであった。

（比較例）
実施例と同様のガラスをほぼ同様の条件で加熱した。その後、斜め攪拌棒を有さない、いわゆる一般的なクランクタイプで、かつ５５ｍｍの白金製丸棒からなる攪拌棒を用いて均質化作業を試みた。本作業を１５時間行った後、実施例１と同様に流出、徐冷を行い、横幅１５０ｍｍ、高さ４０ｍｍ長さおよそ４ｍのガラスブロックを得た。

このガラスブロックを切断し、断面を研磨して内部の性状を観察・評価したところ、ガラスブロック断面中央付近に強い脈理と、ブロック表層付近に同心円状の弱い脈理が観察された。なお、これらの脈理に沿って無数の泡が確認された。

本発明の概念を示す２本垂直撹拌棒タイプの溶融ガラス攪拌用スターラーの概略図である。 本発明の概念を示す３本垂直撹拌棒タイプの溶融ガラス攪拌用スターラーの概略図である。 本発明の概念を示す４本垂直撹拌棒タイプの溶融ガラス攪拌用スターラーの概略図である。

符号の説明

Ａ 中心支持棒
１ 斜め撹拌棒
２ 水平攪拌棒
３ 垂直攪拌棒
４ 攪拌槽
５ 溶融ガラス
Ｄ_１ 斜め撹拌棒の太さ又は径
Ｄ_２ 水平撹拌棒の太さ又は径
Ｄ_３ 垂直撹拌棒の太さ又は径
Ｐ 斜め撹拌棒の広がり角度

Claims (3)

1. 融液状の溶融ガラスを均一化するためのスターラーであって、太さ又は径がＤ_０の中心支持棒、太さ又は径がＤ_１の斜め撹拌棒、太さ又は径がＤ_２の水平撹拌棒、及び太さ又は径がＤ_３の垂直撹拌棒からなり、かつＤ_１≦Ｄ_３であることを特徴とする溶融ガラス撹拌用スターラー。
2. 中心支持棒には斜め撹拌棒のみが繋がり、その斜め撹拌棒に 水平撹拌棒及び垂直撹拌棒が繋がったことを特徴とする請求項１に記載の溶融ガラス撹拌用スターラー。
3. Ｄ_２≦Ｄ_３であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の溶融ガラス撹拌用スターラー。
   

Images