JP2024073975A - ガラスの製造方法 - Google Patents

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）。

ＷＯ２０１９／０５４３８５号公報

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ＳＯ_３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、ＳＯ_３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－２～２ｍｍＨ_２Ｏ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。

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側面図である。 本発明の実施例２において、炉圧を、大気圧との差圧－２～２ｍｍＨ_２Ｏ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。

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Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２、ＳＯ_２、Ｏ_２ガスが発生する。そのなかで、特にＳＯ_２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ＳＯ_３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ＳＯ_３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Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２、ＳＯ_２、Ｏ_２が挙げられる。このうちＨ_２ＯやＣＯ_２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ＣＯ_２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ＳＯ_２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ＳＯ_２ガスを発生する。

ＣａＣＯ_３＋ＳｉＯ_２→ＣａＳｉＯ_３＋ＣＯ_２↑ ・・・（１）
Ｎａ_２ＳＯ_４＋ＳｉＯ_２→Ｎａ_２ＳｉＯ_３＋ＳＯ_２↑＋１／２Ｏ_２↑ ・・・（２）
ＳＯ_４ ^２－→ＳＯ_２↑＋１／２Ｏ_２↑＋Ｏ^２－ ・・・（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Ｈ_２Ｏや炭酸塩ガラス原料から放出されるＣＯ_２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、ＳＯ_２ガスが発生しやすい。発生したＳＯ_２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、ＳＯ_２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ＳＯ_３成分の量は２００ｐｐｍ以上、特に２１０ｐｐｍ以上であることが好ましい。ＳＯ_３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ＳＯ_３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。ＳＯ_３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ＳＯ_３成分の量は、ガラス原料４中の硫酸塩等をＳＯ_３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－２～２ｍｍＨ_２Ｏ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ＳＯ_３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ＳＯ_３含有量は、ガラス原料に使用した硫酸塩をＳＯ_３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ＳＯ_３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ＳＯ_３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ＳＯ_３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ＳＯ_３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（ＳＯ_３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－２～２ｍｍＨ_２Ｏ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１ｍｍＨ_２Ｏ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

Claims (5)

1. 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ＳＯ_３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。
2. 前記ガラス原料中において、ＳＯ_３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。
3. 前記溶解室内の圧力を、大気圧との差圧で－２～２ｍｍＨ_２Ｏ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。
4. 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。
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、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。