JP2024073975A - ガラスの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガラス溶融時において、泡層の厚みを容易に制御可能なガラスの製造方法を提供する。【解決手段】ガラス溶融炉1の溶解室3にガラス原料4を供給する供給工程と、溶解室3内に設置した電極6によりガラス原料4を加熱溶解し、溶融ガラス2を得る溶解工程と、溶融ガラス2を溶解室3外に流出させる流出工程と、を備える、ガラスの製造方法であって、溶解室3内における溶融ガラス2の液面2aの少なくとも一部を覆う泡層8を形成し、ガラス原料4中に含まれるSO3成分の量、及び/または、溶解室3内の圧力を調整することにより、泡層8の厚みを制御する、ガラスの製造方法。【選択図】図1
Description
本発明は、ガラス繊維等のガラス材料を製造するための方法に関する。
ガラス繊維はガラス溶解炉にてガラス原料を溶解させて生成した溶融ガラスを繊維状に成形することによって製造される。ガラス溶解炉でガラス原料を溶解する手法の一つとして、溶融炉内に配置した電極によりガラス原料を加熱する全電気溶融法が挙げられる。当該手法において、ガラス原料の溶解時に発生するガスで形成される泡層によって溶融ガラス表面を覆うことで断熱効果をもたらし、熱効率を上げることが知られている(例えば特許文献1参照)。
ガラス溶融時において、溶融ガラスの温度を適正なものとするためには、泡層の厚みを適切に制御する必要がある。例えば、泡層の厚みはガラス溶融炉の天井温度により調整することが可能であるが、溶融炉の底壁部に設置した電極以外に、天井温度を変化させるための新たな熱源等の設備が必要となる。
上記課題に鑑み、本発明は、ガラス溶融時において、泡層の厚みを容易に制御可能なガラスの製造方法を提供することを目的とする。
本発明のガラスの製造方法は、ガラス溶融炉の溶解室にガラス原料を供給する供給工程と、前記溶解室内に設置した電極により前記ガラス原料を加熱溶解し、溶融ガラスを得る溶解工程と、前記溶融ガラスを前記溶解室外に流出させる流出工程と、を備える、ガラスの製造方法であって、前記溶解室内における前記溶融ガラスの液面の少なくとも一部を覆う泡層を形成し、前記ガラス原料中に含まれるSO3成分の量、及び/または、前記溶解室内の圧力を調整することにより、前記泡層の厚みを制御することを特徴とする。
本発明のガラスの製造方法において、前記ガラス原料中において、SO3成分を200~2000ppm含有することが好ましい。
本発明のガラスの製造方法において、前記溶解室内の圧力を、大気圧との差圧で-2~2mmH2Oの範囲となるよう調整することが好ましい。
本発明のガラスの製造方法において、さらに、前記溶解室外に流出させた前記溶融ガラスを繊維状に成形する成形工程を備えることが好ましい。
本発明の別の局面のガラスの製造方法は、ガラス溶融炉の溶解室にガラス原料を供給する供給工程と、前記溶解室内に設置した電極により前記ガラス原料を加熱溶解し、溶融ガラスを得る溶解工程と、前記溶融ガラスを前記溶解室外に流出させる流出工程と、を備える、ガラスの製造方法であって、前記溶解室内における前記溶融ガラスの液面の少なくとも一部を覆う泡層を形成し、当該泡層の厚みが前記溶融ガラスの深さに対して1~10%となるよう制御することを特徴とする。
本発明によれば、ガラス溶融時において、泡層の厚みを容易に制御可能なガラスの製造方法を提供することが可能になる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明のガラスの製造方法に使用される製造装置の模式的断面図である。本実施形態では、図1は、ガラス繊維の製造に使用される製造装置として説明するが、本発明はそれに限定されず、板ガラスや管ガラス等の製造にも適用することができる。
図1に示すガラス溶解炉1は電気溶融炉として構成されている。ガラス溶解炉1は、溶融ガラス2の収容が可能な溶解室3を備えている。ガラス溶解炉1は、溶解室3内においける溶融ガラス2の液面2a上に連続的に供給されたガラス原料4を加熱して順次に溶解させるとともに、流出口7により溶解室3外に溶融ガラス2を流出させる構成となっている。流出口7には図示しないフィーダーやブッシング等が接続されており、当該ブッシングが有する複数のノズルから溶融ガラス2を吐出させることによりガラス繊維として紡糸成形する。
溶解室3は耐火物からなり、溶解室3内で溶融ガラス2及びガラス原料4の流れ方向Dにおける上流端に位置する前壁3a、下流端に位置する後壁3b、底壁3c、天井壁3d、側壁3eとを有する。天井壁3dにはダクト10が設置され、ダクト10内にはダンパー11が配置されている。また、天井温度は天井壁3dに複数設置した熱電対Qによって計測する。
前壁3aにはガラス原料4を連続的に供給するための供給機としてのスクリューフィーダー5が設置されている。
後壁3bには溶融ガラス2を連続的に流出させるための流出口7が形成され、さらに溶融ガラス2の上方に、炉圧を測定するための配管12が設置されている。配管12は差圧計13に接続されており、差圧計13で大気圧と比較することができる。
底壁3cには、溶融ガラス2を通電により加熱するための棒状の電極6が溶融ガラス2に浸漬した状態で複数設置されている。電極6に印可する電圧を調整することで、電極6から発生する熱エネルギーを調節することが可能である。そして、これら電極6が溶融ガラス2を加熱するのに伴って、ガラス原料4が間接的に加熱されて溶解する。これにより新たな溶融ガラス2が順次に生成されていく。なお、溶融ガラス2の温度は、底壁3cに複数設置した熱電対Pによって計測する。
溶融ガラス2が生成される際には、ガラス原料4から主にH2O、CO2、SO2、O2ガスが発生する。そのなかで、特にSO2主体の泡によって、液面2a上に泡層8が形成される。
ガラス原料4は流れ方向Dに沿って次第に溶解していくため、後壁3b付近では泡層8が液面2a上に露出している。泡層8の厚みは例えば以下のようにして測定する。後壁b付近の側壁3eに設けた溶解室内観察用の目穴9と、泡層8表面までの距離Hを計測し、目穴9の底壁3cからの高さと、溶融ガラス2の深さ及びHの合計との差分により、泡層8の厚みを算出することができる。
本発明の課題は、全電気溶融において、断熱効果をもたらす泡層8の厚みを適切にコントロールするにあたり、ガラス原料4中のSO3成分の量、及び/または、溶解室3の圧力を調整することにある。泡層8がない、あるいは極めて薄いと溶融ガラス2の断熱効果が得られず熱効率が低下し、泡層8が厚すぎると天井温度が低下し、ガラス原料4の溶解が不十分になることからガラス原料4の未溶解成分がストーンとなってガラス繊維の成形時に流出し、ガラス繊維の切断不良を招く場合がある。
本発明によれば、全電気溶融において、断熱効果をもたらす泡層8を溶融ガラス2の液面2a上に形成し、その厚みを溶融ガラス2の深さに対して1~10%、好ましくは1~5%にすることで、溶融ガラス2の断熱効果を得ながらガラス流量を減少させることなく、ガラスを製造することが可能になる。泡層8の厚みが小さすぎると、十分な断熱効果が得られず、溶融ガラス2の液面2aからの放熱が大きくなり、溶融ガラス2の温度が低下しやすくなる。そのため過剰な電力を印可する必要があり、熱効率が低下する。泡層8の厚みが大きすぎると、天井温度が低下しガラス原料4の溶解が不十分となり、溶融ガラス2の液面2a上に露出するガラス原料4の長さL(バッチライン)が長くなって、泡層8の上にガラス原料4の層が広範囲に覆う状態になる。ここで、流出口7の上部付近までガラス原料4の層が存在すると、流出口7から未溶解のガラス原料4がストーンとなって成形部に流出し、ガラス繊維の切断不良を招く虞がある。さらに、泡層8とガラス原料4の層がガラス原料4の流れ方向の進行を妨げ、ガラス流量を減少させるばかりでなく、ガラス原料4の投入が滞る虞がある。この場合、ガラス原料4を十分溶解するために電極の印可電力を増やすか、ガラス流量を減少させてガラス原料4の溶解室3内での滞在時間を延ばす等の対策が必要となり、いずれもコストアップの原因となる。
ガラス原料4中に含まれるSO3成分の量を調整することにより泡層8の厚みを制御することができる。例えば、ガラス繊維用ガラス材質のガラス原料は、主に二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、ホウ酸、炭酸塩原料が使用されるが、少量成分として硫酸塩を含むことがある。これらのガラス原料が溶解する際に放出するガス成分はH2O、CO2、SO2、O2が挙げられる。このうちH2OやCO2は900℃以下でガラス原料中から放出されることが知られている。例えば下記式(1)のように、炭酸カルシウムと二酸化ケイ素との固相反応が起こる際にCO2ガスを放出する温度は600℃~900℃と言われている。
これに対し硫酸塩は下記式(2)のように、例えば硫酸ナトリウムと二酸化ケイ素による固相反応が起こる際に1000℃付近でSO2ガスを発生すると言われている。さらに約1300℃以上では下記式(3)のように、硫酸塩が分解しSO2ガスを発生する。
CaCO3+SiO2→CaSiO3+CO2↑ ・・・(1)
Na2SO4+SiO2→Na2SiO3+SO2↑+1/2O2↑ ・・・(2)
SO4 2-→SO2↑+1/2O2↑+O2- ・・・(3)
Na2SO4+SiO2→Na2SiO3+SO2↑+1/2O2↑ ・・・(2)
SO4 2-→SO2↑+1/2O2↑+O2- ・・・(3)
ここでガラス繊維用ガラスにおいて、ガラス原料が溶解しガラス融液になりはじめる温度は900℃~1100℃付近であることが調査でわかっており、ガラス原料4中のH2Oや炭酸塩ガラス原料から放出されるCO2ガスの多くは未溶解のガラス原料4の隙間から抜け出てしまう。
一方、硫酸塩と二酸化ケイ素による固相反応は、ホウ酸や炭酸塩ガラス原料等の主なガラス原料の多くが溶解し始めた後に生じる。特に全電気溶融の場合、熱源である電極6付近では溶融ガラス2は特に高温となっており、硫酸塩が分解されやすく、SO2ガスが発生しやすい。発生したSO2ガスは溶融ガラス2中で泡となって溶融ガラス2の液面2a付近まで浮上する。溶融ガラス2の液面2a付近では熱源がないことから、溶融ガラス2の内部に比べて低温(例えば1000℃以下)であるため高粘度となっており、浮上した泡が溶融ガラス2の液面2a付近に蓄積して泡層8を形成しやすい。以上の通り、SO2ガスは特にガラス繊維用ガラスの製造において、効果的に泡層8を形成するのに適している。
ガラス原料4中のSO3成分の量は200ppm以上、特に210ppm以上であることが好ましい。SO3成分の量が少なすぎると、所望の厚みを有する泡層8を形成しにくくなる。一方、ガラス原料4中のSO3成分の量は2000ppm以下、1500ppm以下、特に1000ppm以下であることが好ましい。SO3成分の量が多すぎると、泡層8が厚くなりすぎる虞がある。なお、ガラス原料4中のSO3成分の量は、ガラス原料4中の硫酸塩等をSO3として換算した量をいう。
また、溶解室3内の圧力(炉圧)を調整することによっても、泡層8の厚みを制御することができる。炉圧の調整は、泡層8の厚みを微調整する場合に有効な手段である。
炉圧は溶解室3上部に設けられたダクト10内のダンパー11の開閉度合によって調整することができ、炉圧の測定値に応じて自動または手動でダンパー11の開閉を操作する。本実施形態ではダクト10は1ヵ所だけ設けているが、2カ所以上設けてもよい。
ガラス溶融中において天井温度が上昇し、泡層8の厚みが小さくなった場合に、炉圧が下がるようにダンパー11の開度を上げることで、溶解室3内の熱気を外部に放出し天井温度を低下させることができる。それにより、泡層8の厚みを大きくすることができる。逆に、天井温度が低下し、泡層8の厚みが大きくなった場合に、炉圧が上がるようにダンパー11の開度を下げることで、溶解室3内の熱気を閉じ込めて保温力を高め、天井温度を上げることができる。それにより、泡層8の厚みを小さくすることができる。このように、炉圧を低下させることにより泡層8の厚みを大きくすることができ、逆に炉圧を高めることにより泡層8の厚みを小さくすることができる。
上記方法によれば、溶解室3の排熱設備を利用して泡層8の厚みを制御することができるため、泡層8の上部に新たに熱源や冷却設備を設ける必要がなく、コスト削減にもつながる。
炉圧は、大気圧との差圧で-2~2mmH2Oの範囲で調整することが好ましい。大気圧との差圧が小さすぎる、あるいは大きすぎると、炉内を観察したり、ガラス生地を採取するために、目穴9の窓を一時的に開けた際に、目穴9からの空気の出入りが激しく生じることになる。その結果、ガラスレベル(溶融ガラス2の液面2aの高さ)が一気に変動して、ガラス流量が不安定になることで、紡糸成形されるガラス繊維の径を一定に保つことが難しくなる虞がある。
なお、前壁3aと後壁3bの距離に対するガラス原料4の長さLの割合(%)を、本明細書では「バッチライン」という。泡層8の厚みが大きくなるほどガラス原料4が溶解しにくくなるため、それに伴いバッチラインが長くなる傾向がある。従って、バッチラインが短かすぎると、所望の厚みの泡層8が形成されていない可能性が高く、断熱効果が不十分になりやすい。一方、バッチラインが長すぎると、ガラス原料4の未溶解成分がストーンとなってガラス繊維の成形時に流出し、ガラス繊維の切断不良を招く場合がある。また、泡層8の厚みが過剰となって、ガラス原料4の進行が妨げられ、ガラス原料4の溶解室3への供給が滞る虞がある。以上に鑑み、バッチラインの下限は50%以上、60%以上、特に65%以上であることが好ましく、上限は100%未満、特に99%以下であることが好ましい。
以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
(実施例1)
図1に示す装置を用いてEガラス組成ガラス原料の溶融を行い、ガラス繊維の製造を行った。本実施例では、表1に示すようにガラス原料中のSO3含有量を変化させた場合における、泡層の厚み、バッチラインの位置、溶融ガラス温度を調査した。ガラス原料中のSO3含有量は、ガラス原料に使用した硫酸塩をSO3換算した濃度(ppm)で示した。
図1に示す装置を用いてEガラス組成ガラス原料の溶融を行い、ガラス繊維の製造を行った。本実施例では、表1に示すようにガラス原料中のSO3含有量を変化させた場合における、泡層の厚み、バッチラインの位置、溶融ガラス温度を調査した。ガラス原料中のSO3含有量は、ガラス原料に使用した硫酸塩をSO3換算した濃度(ppm)で示した。
泡層の厚みは溶融ガラスの深さに対する割合(%)とした。
溶融ガラスの温度は、泡層の厚みが2%のときの溶融ガラスの温度を通常製造するガラスの溶融温度の基準としたとき、当該基準に対する温度変化を表2の指標に従い矢印で表記した。なお、溶融ガラス温度は、溶解室底壁付近で計測した値である。
表1に示すように、ガラス原料中のSO3濃度を調整することにより、泡層の厚みを制御できることがわかる。以下に各試験についての考察を述べる。
No.1では、ガラス原料中のSO3濃度が200ppmを下回る180ppmであり、泡層の厚みが溶融ガラス深さに対して1%未満となり、溶融ガラス温度は基準に対して30℃以上の低下がみられた。これは、溶融ガラス表面の断熱効果が低下し、溶融ガラスからの放熱が発生していることが伺える。この場合、熱源である電極に過剰な電力を追加する必要があり、熱効率が悪化した。
一方、ガラス原料中のSO3濃度が200ppm以上であるNo.2~6では、泡層の厚みが溶融ガラス深さに対して1%以上となり、溶融ガラス温度は基準に対して±20℃以内の変化に留まった。なお、ガラス原料中のSO3濃度が1200ppm以上であるNo.5、6では、バッチラインの位置が100%であったことから、紡糸成形部での未溶解ストーン流出がみられ切断不良が増加した。加えてNo.6では、泡層の厚みが過剰なためガラス原料の進行が妨げられ、ガラス原料の溶解室への供給量を減少させなければならない状況となった。No.2~4については、バッチラインの位置が95%以下であり、紡糸成形部での未溶解ストーンの流出はみられず、ガラス原料の進行も滞ることなくガラス原料の溶解室への所定の供給量を維持することができた。
(実施例2)
図1に示す装置を用いてAガラス組成ガラス原料(SO3濃度240ppm)の溶融を行い、ガラスの製造を行った。本実施例では、炉圧の変化に対する泡層の厚みの変化について調査した。
図1に示す装置を用いてAガラス組成ガラス原料(SO3濃度240ppm)の溶融を行い、ガラスの製造を行った。本実施例では、炉圧の変化に対する泡層の厚みの変化について調査した。
図2は、炉圧を、大気圧との差圧-2~2mmH2Oの範囲で変化させたときに泡層の厚みを示したグラフである。近似直線の傾きから、大気圧との差圧1mmH2Oにつき泡層は約0.7%厚みが変化することがわかる。このように、炉圧を調整することによって泡層の厚みを制御できることがわかる。
1 ガラス溶解炉
2 溶融ガラス
2a 液面
3 溶解室
3a 前壁
3b 後壁
3c 底壁
3d 天井壁
3e 側壁
4 ガラス原料
5 スクリューフィーダー
6 電極
7 流出口
8 泡層
9 目穴
10 ダクト
11 ダンパー
12 配管
13 差圧計
L ガラス原料の長さ
P、Q 熱電対
2 溶融ガラス
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L ガラス原料の長さ
P、Q 熱電対
Claims (5)
- ガラス溶融炉の溶解室にガラス原料を供給する供給工程と、
前記溶解室内に設置した電極により前記ガラス原料を加熱溶解し、溶融ガラスを得る溶解工程と、
前記溶融ガラスを前記溶解室外に流出させる流出工程と、
を備える、ガラスの製造方法であって、
前記溶解室内における前記溶融ガラスの液面の少なくとも一部を覆う泡層を形成し、
前記ガラス原料中に含まれるSO3成分の量、及び/または、前記溶解室内の圧力を調整することにより、前記泡層の厚みを制御する、
ガラスの製造方法。 - 前記ガラス原料中において、SO3成分を200~2000ppm含有する、請求項1に記載のガラスの製造方法。
- 前記溶解室内の圧力を、大気圧との差圧で-2~2mmH2Oの範囲となるよう調整する、請求項2または3に記載のガラスの製造方法。
- さらに、前記溶解室外に流出させた前記溶融ガラスを繊維状に成形する成形工程を備える、請求項1または2に記載のガラスの製造方法。
- ガラス溶融炉の溶解室にガラス原料を供給する供給工程と、
前記溶解室内に設置した電極により前記ガラス原料を加熱溶解し、溶融ガラスを得る溶解工程と、
前記溶融ガラスを前記溶解室外に流出させる流出工程と、
を備える、ガラスの製造方法であって、
前記溶解室内における前記溶融ガラスの液面の少なくとも一部を覆う泡層を形成し、当該泡層の厚みが前記溶融ガラスの深さに対して1~10%となるよう制御する、ガラスの製造方法。
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