JP4163509B2 - 溶融の加速ならびにより優れた処理制御 - Google Patents

Description

本発明は、溶融ガラスを製造および／または調合するための方法ならびに装置に関する。

ガラス製造の処理工程の基本的な流れは、多くの文献から知られている。先ず最初に、槽もしくは坩堝の中でバッチもしくはガラスカレットから溶融ガラスが作られる。次いで、この溶融ガラスが清澄される。この清澄工程は、溶融槽そのものの中で予め大まかに行われてしまうことが多い。一般的には、それだけでなくさらに清澄タンク、槽、もしくは坩堝が後置されている。開放された溝や、閉じられた導管を接続してもよい。このとき、寝かせるためのタンクと攪拌容器を途中もしくは後方に設置することができる。一例にすぎないが、特許文献１としての独国特許出願公開第１９９３９７８５号明細書を参照されたい。

ガラスバッチの溶融は、２つの主な段階に分けることができる。ケイ酸塩形成段階とも言うべき段階では、ガラスバッチの特定の成分が、所定の温度を超えると反応を始めて、やや流動的な１次溶融物を生じさせる。砂のような溶け難い成分は、この１次溶融物とともにケイ酸塩を形成する。

第２の段階では、言わば粗溶融なるものが行われる。この段階では、上記ケイ酸塩は、残った成分の溶融剤（Aufschlussmittel）として働く。

化学反応の時間の長さは、主として熱輸送の運動学によって決定される。バッチならびに溶融物には、例えば、上部炉室からの加熱や、あるいは電極による電気加熱によって熱が投入される。軸線に垂直な面で見ると、出来た溶融物には、循環する流れが形成され、それはあたかも水平軸線を持ったローラのようになる。この流れを以下「ローラ」と呼ぶことにする。このローラは、それ自身有用な働きを有している。その働きとは、既に強く加熱された溶融ガラスの体積要素がバッチ下方に戻るのを促進して、これによって、バッチが下の方から連続的に溶融され易くするというものである。未溶融の成分は、斯かる粗溶融段階で溶融される。この段階が完全に終了してようやく、清澄を良好に終えることができる。重要なのは、全ての泡が取り除かれることである。特殊ガラスの場合にはなおのことだが、泡が入ることが一番良くない。粗溶融が早く進めば進むほど、品質と槽運転効率が高くなる。にもかかわらず、バッチもしくはガラスカレットの溶融の際のエネルギー投入量は、或る特定の量を超えてはならない。さもなければ、過剰なエネルギー投入が清澄剤を予定より早く活性化させることになり、本来清澄を行うべき段階で清澄剤が足らないということになりかねない。

上述のローラ流は、最初、熱的な差異によって発生する。このローラの強さは、ガスを吹き込むことによって調整できることが知られている。そこで、例えば溶融槽の底床部にガスノズルが一列に配置されている。このとき、この列は、溶融ガラスの主流動方向に対して横に（主流動方向を横切るように）延びている。ガス放射から優位な傾向が殆ど作り出される。ガスとして例えば空気ないし酸素が用いられる。上記ノズルは、比較的大きな泡が生じて、この泡が上面に向かって急速に上昇し、その結果、泡が溶融物内に留まらないように形成されている。
独国特許出願公開第１９９３９７８５号明細書

本発明は、溶融ガラスを溶融する上述の方法をより良くすることを目的とする。とりわけ、処理効率ならびに処理手順がもっと良くならなければならない。

この課題は、独立請求項に記載の特徴によって解決される。

本発明者らは、次のことを見出すに至った。熱的に誘発されるローラ状の対流が発生すると、既に十分熱処理を受けた溶融ガラスの体積要素がガラス浴（溶融ガラスのプール）の表面に達して、そこで再び熱処理が施される。そのため、これらの溶融ガラスの体積要素は、無駄に循環させられている。これに対して、他の体積要素は、もっと長い間にわたって表面に達することがなく、そのため、必要であると思われるにもかかわらず、熱作用下に置かれることがない。こういった理由から、斯かる槽では、後述した方の体積要素にも熱作用が及ぶように滞留期間が算定されなければならない。

「熱誘発ローラ」の原理のさらに他の欠点は、以下のような点にある。或る特定のパラメータ（例えば温度）が或る特定の場所で少し変わると、槽内の対流のために、この変化が他の場所においてかなり大きな影響を与えることがある。一つの場所における変化のために、他の場所における変化を予測することが困難となるのである。或る特定の体積要素は、自らの流路の途中で、任意に調整できない大きな温度差を受けることになる。このため、この系は、極度な「非線形」である。

従来の装置のさらに他の欠点は、エネルギー収支が悪い点にある。上述の、系の条件から決まる処理期間が長いということはまた、壁部から大量の熱が逃げて失われることを意味する。

本発明者は、全く斬新な方法を採用した。本発明者らによれば、必要な対流を、概ね次のようにして作り出す。すなわち、溶融物内に媒体放射流を導入し、このとき、溶融ガラス内に、処理方向の軸線を持った螺旋状の流れが形成され、この流れがゆっくり流出口に向かって移動していくように該放射流を配置するのである。この螺旋流れは、先ず最初に、吹き込みノズルの機械的なインパルスによって形成される。これは、従来技術の場合に螺旋流れを形成するのが上述のローラを生成する温度勾配であることとは対照的である。これにより、熱の形態による一方での必要なエネルギーの投入と、他方での速度勾配の生成とが切り離される。
独国特許発明第４３１３２１７号明細書は、溶融ガラスの清澄に関するものである。この明細書中においても、ガラス泡は、バブリングノズルによって液状の溶融物内に供給されている。ただ、本明細書ではガラス溶融の最適化を目的としているのに対して、上記明細書では、溶融ガラスの清澄しか取り扱われていない。

米国特許第２２６１０３４号明細書には、溶融ガラス内にガスを供給するための特殊な吹き込みノズルの構成が記載されている。この吹き込みノズルを用いるのは、溶融ガラスを清澄するためであって、溶融工程そのものに対するものではない。

米国特許第２９０９００５号明細書には、対流を生成するために、溶融槽の部分に底床部吹き込みノズルを用いる構成が記載されている。このとき、上記吹き込みノズルは、溶融槽の底床部上に様々な配置で、それも特に、槽の縦軸線に対して平行な方向に配設されている。ただし、どの配置が特に好ましい結果を生むかということについては述べられていない。さらに、とりわけ好ましい結果を得るには、上記吹き込みノズルが、ガラス液面高さと比べて、互いにどういった間隔を持たなければならないか、あるいは持てるか、という点についても記載されていない。図に記載された構成の場合、強く撹乱された流れができることになる。このような流れにおいては、間隔の狭さから個々の吹き込みノズル流が互いにかなり影響を与え合うため、どうしてもマイナスの効果を引き起こしてしまう。

また、溶融装置の幾何学形状ならびにこの幾何学形状に依存した吹き込みノズルの設け方については、何の実施形態も記載されていない。溶融ガラス槽の壁部までの最低限必要な間隔についても、やはり触れられていない。

仏国特許出願公開第１３０３８５４号明細書には、溶融ガラス槽内に電極、それも特に２つの電極を用いて特殊な対流を生成することが記載されている。

溶融装置の幾何学形状ならびにこの幾何学形状に依存した吹き込みノズルの設け方については、何の実施形態も記載されていない。溶融ガラス槽の壁部までの最低限必要な間隔についても、やはり触れられていない。

米国特許第３３０５３４０号明細書には、溶融ガラス槽において電極と吹き込みノズルを組み合わせて用いることについて述べられている。この電極と吹き込みノズルの組み合わせは、溶融ガラス槽の側壁部に沿って縦方向に配置され、溶融物を加熱するためと、不活性ガスを供給するためとに同時に用いられている。

壁部の領域に配置することで、壁部から溶融ガラス槽の中心に向かう流れが必ず生成されるようになる。

一般に知られているように、吹き込みノズルを溶融ガラス槽の壁部に直付けに配置すると、明らかに壁材の腐食が高まって、そのために、溶融槽の使用寿命が縮まってしまう。

その上、吹き込みノズルを縁の部分に配置すると、最適なネジ様の流れは生み出されない。

米国特許第３２６８３２０号明細書には、溶融ガラス槽内に流れを生成するための様々な構成手段が記載されている。特に、ネジ様の流れを生成するために、槽の中心軸線に沿って縦方向に配置された吹き込みノズルを用いることが述べられている。

しかしながら、とりわけ好ましい結果を得るには、上記吹き込みノズルが、ガラス液面高さと比べて、互いにどういった間隔を持たなければならないか、あるいは持てるか、という点については記載されていない。

また、溶融装置の幾何学形状ならびにこの幾何学形状に依存した吹き込みノズルの設け方については、何の実施形態も記載されていない。溶融ガラス槽の壁部までの最低限必要な間隔についても、やはり触れられていない。

槽の縦軸線に平行な２列、もしくはそれよりも多い列の吹き込みノズルの構成についても記載されていない。

仏国特許出願公開第２７８７７８４号明細書には、溶融ガラス内にネジ様の流れを作り出すための様々な方法が記載されている。とりわけ、上記明細書には、一つ又は複数のネジ様の流れを形成するために、槽幅の中心で吹き込みノズルを用いることが記載されている。

槽縦軸線に沿った複数の吹き込みノズル、もしくは複数の吹き込みノズルの縦列の構成は、記載されていない。

上記明細書においても、とりわけ好ましい結果を得るために、上記吹き込みノズルが、ガラス液面高さと比べて、互いにどういった間隔を持たなければならないか、あるいは持てるか、という点については記載されていない。

米国特許第２９０９００５号明細書には、対流を生成するために溶融槽の部分において底床部吹き込みノズルを用いることが記載されている。上記明細書において、吹き込みノズルは、溶融槽の底床部上に様々な配置で、それも特に、槽の縦軸線に対して平行な方向に配設されている。ただし、どの配置が特に好ましい結果を生むかということについては述べられていない。さらに、とりわけ好ましい結果を得るには、上記吹き込みノズルが、ガラス液面高さと比べて、互いにどういった間隔を持たなければならないか、あるいは持てるか、という点については記載されていない。図に記載された構成の場合、強く撹乱された流れができることになる。このような流れにおいては、間隔の狭さから個々の吹き込みノズル流が互いにかなり影響を与え合うため、どうしてもマイナスの効果を引き起こしてしまう。

また、溶融装置の幾何学形状ならびにこの幾何学形状に依存した吹き込みノズルの設け方については、何の実施形態も記載されていない。溶融ガラス槽の壁部までの最低限必要な間隔についても、やはり触れられていない。

仏国特許出願公開第２７７３５５５号明細書には、溶融ガラス槽内の複数のガラス下バーナの使用が記載されている。ここで、これらのガラス下バーナは、槽縦軸線に沿って設けられている。溶融ガラスの加熱もしくは加熱の補助のために用いられているが、槽縦軸線に沿うネジ様の流れを生成するためには用いられていない。その使用に際しては、莫大な量のガスが必要となる。その量は、通常、吹き込みノズルを稼動させるのに用いられるガスの量を上回っている。ガラス下バーナの使用によって、溶融ガラス内に燃焼ゾーンが生成される。しかしながら、この結果、対流が、槽の縦方向におけるネジ様の流れを生成するために有利であろうと思われる対流よりも明らかに大きくなってしまう。ガラス下バーナの使用により、本明細書に記載されるネジ様の流れとは全く似ても似つかないような、強く撹乱された流れが出来てしまう。

また、溶融装置の幾何学形状ならびにこの幾何学形状に依存したガラス下バーナの設け方については、何の実施形態も記載されていない。溶融ガラス槽の壁部までの最低限必要な間隔についても、やはり触れられていない。

本発明の重要な特徴もしくは好適な特徴を以下に挙げることにする。

＊ネジ様の流れを形成するための、槽縦軸線に対して平行な２つ以上の列による複数の吹き込みノズルの配置。

＊溶融ガラス槽の耐火壁の腐食の促進を防ぐための、０.４ｍもしくはガラス液面高さの半分とされた、吹き込みノズルの外壁までの最低限の間隔。
吹き込みノズルと壁部との間の距離をもっと小さく選ぶと、吹き込みノズルによって生成された流れのローラのために、壁部がより強く腐食されるようになる。というのも、吹き込みノズルの領域に生成された上昇流は、壁部の領域における下降流と略同じ強さで形成されるからである。吹き込みノズルと壁部との間の距離を十分大きくすれば、この影響は解消される。そうすれば、形成されるローラ流の半径が、吹き込みノズルと壁部との間の距離よりも小さくなるからである。吹き込みノズルによって形成される下降流は、この場合、壁部まで十分大きな距離を取ることになる。吹き込みノズルの、壁部からの最大距離は、ガラス液面の１.３倍を超えるようであってはならない。さもないと、ローラ流に働く吹き込みノズルのプラスの作用が、縁を通り抜ける流れによって妨げられてしまうからである。決められた螺旋状のガラスの流れの動きは、離れ過ぎた壁部までの距離によって弱められてしまう。

＊ガラス液面高さの少なくとも０.８倍、しかし最大でも１.５倍とされた隣り合う吹き込みノズル同士の間隔。
数値解析による計算結果によれば、吹き込みノズルの間隔がとりわけ狭いと好ましい結果が導かれるはずであるにもかかわらず、この計算結果に反して、意外にも実際の試行実験では、個々の吹き込みノズルの間の或る決められた間隔が必要であることが分かっている。吹き込みノズル同士の間隔が狭すぎる場合には、吹き込みノズルを介して供給されたガスによる流れの影響が強くなりすぎて、その結果あまりにも未確定な流れが生じ、この未確定な流れによって、結局、短絡的な流れが生じて、それによるマイナスの効果（最低限の滞留時間があからさまに短縮される）がもたらされる。ただし、優れた均一なガラス品質のために重要なことは、最速の流れによって搬送されて、溶融装置内での滞在時間が最短となるようなガラスでさえ確実に良好な（泡、石、結晶、脈理、残留物などが無い）品質を持つようにするために、遅れ（Todzeit）がより大きいということである。吹き込みノズル同士があまりにも離れすぎていると、吹き込みノズルによって作り出される局所的な流れでは、槽の縦軸線に沿ったネジ様の全体流を生成するのに十分ではなくなってしまう。吹き込みノズルによるローラが互いに孤立化して形成されることになり、これらの孤立化したローラは、もはや全体の流れに影響を持てないか、あるいはそうでなくても殆ど持てないのである。遅れは再び短くなり、溶融残留物が増加する。

＊溶融ガラス槽の幾何学的形状に応じて、吹き込みノズルもしくは吹き込みノズル列の数が異なることがとりわけ有利である。
吹き込みノズル同士の間隔、及び外壁までの距離に関する上述の条件を考慮しながら、ガラス液面高さならびに溶融ガラス槽の幅に応じて槽縦軸線に平行な吹き込みノズル列の最適数が与えられる。例えば、槽幅が８ｍでガラス液面高さが１.４ｍの場合には、５〜７本の吹き込みノズル列による構成が本発明による効果を達成するのに最適の構成となる。

＊一般に知られるように、溶融ガラス内にガスを入れることで、溶融物の還元状態を操作することができる。
こうして例えば、溶融ガラスを酸化させるために酸素又は空気が導入され、溶融ガラスの還元のために窒素又はヘリウムが導入される。このようなガスの導入は、特にガラスを所望の色に設定する際に極めて重要である。Ｏ_２バブリングを用いれば、泡の度合いを最も好ましい具合に調整できることが確かめられた。バブリングゾーンの後では、泡の数は確かに大目である（これは特に、大きくはじけた泡によって、周囲の小泡が生まれるためである）。これらの小泡は、しかしながら殆ど酸素を内包しており、短時間の内に再び吸収される。よく似た振る舞いは、ヘリウムバブリングのときにも観測することができる。酸素の場合と対照的に、ヘリウムは、おそらく化学的にガラス内で溶かされるのではなく、ガラスの基質の中に拡散していくのである。ガラスの種類に応じて、水をバブリングガスとして用いることもできる。というのも、水もまたガラス基質の中に良く溶かすことができるからである。空気，Ｎ_２，ＣＯ_２，Ａｒ等といった他の全てのバブリングガスは、泡の品質に関しては欠点を有している。それは、残った泡が、該泡の物理的な上昇によってしか除去できず、ガスの再吸収が起こらないためである。

＊さらに、供給されたガスの溶融ガラスへの作用の仕方、ならびに、溶融工程及び清澄工程のさらなる経過におけるガスの振る舞いの作用の仕方に、かなりの違いがある。
そのため、酸化する溶融物に対しては、酸素の使用、そして、還元する溶融物に対しては、ヘリウムの使用が特に薦められる。

本発明の長所は、次のようにまとめることができる。

＊個々の溶融粒子は、流出口に向かって進む螺旋の形をした流れの性質のために、熱が加えられる表面に度々到達する。
この場合、全ての溶融粒子が略均等に処理される統計的確率が高い。

＊熱的な混合が最適である。

＊機械的な混合が最適である。

＊主流動方向を横切る方向に関してどの断面で見ても温度が比較的均一である。
このことは、不本意な場所に大域的な作用を及ぼしかねないといったこともなく、温度が局部に制限された状態で調整可能であることを意味している。

＊実際には、
品質が同じで、容器の寸法が同じであれば、スループットを上げることができる。
あるいは、
容器の寸法が同じで、スループットが同じであれば、品質を上げることができる。
あるいは、
品質が同じで、スループットが同じであれば、寸法を小さくすることができる。
これらのいずれかが可能になる。

＊エネルギー収支が有利である。

以下、本発明を図面に基づき詳述する。

図１及び図２に示された溶融槽１に、バッチもしくはカレットが入口１.１の領域で供給される。溶融物は、出口１.２を通してさらに次の処理工程に回される。

溶融槽１の底床部１.６には、ここでは図示されぬ本発明によるノズル１.７が配置されている。これらのノズルは、主溶融室１.５に向けられており、これらのノズルを介して、例えば空気といった媒体が溶融物内に吹き込まれる。これらのノズルは、２列に配列されている。それぞれの列は、処理方向、つまりは、螺旋状の流れとなって溶融物が動く方向、それも入口１.１から出口１.２に向かって延びている。

図３及び図４から螺旋状の流れが分かる。ここで、溶融槽１の底床部１.６におけるノズル１.７が再び示されている。

図３では、主流動方向は、矢印Ａによって示されている。

図にはガラス液面高さＨが示されている。この高さは、溶融物の溶融面１.８から、槽１の底床部１.６（溶融物が接触する底床部面）までの大きさである。本発明により、隣り合う２つの吹き込みノズルの相互の間隔は、主流動方向に関し、本発明により少なくともガラス液面高さの０.５倍、より良好には少なくとも０.８倍でなければならない。この間隔は、しかしながらガラス液面高さの１.２倍より小さい方がよい。この間隔は、必ずガラス液面高さの１.５倍より小さい必要がある。

図４には、横断面の状態と主な寸法が示されている。この図では、ノズル１.７の２つの列の間の相互の間隔ｂ、さらには、一方の列のノズル１.７と近くに位置する縦方向側壁部１.９との間の間隔ｃが示されている。

寸法ｂに関しては、寸法ａに関することと略同じようなことが当てはまる。

寸法ｃに関しては、ガラス液面高さＨの半分に大体等しくなければならない。

図５に示された溶融槽１は、ここでも、入口１.１ならびに出口１.２を有している。この槽１は、底床部に２つの通過口を持つブリッジ壁部１.３をさらに有している。このブリッジ壁部は、いわゆる粗溶融部を主溶融室１.５から切り離している。主溶融室１.５には、やはり、ここでは図示されていない２つのノズル列が配設されている。各ノズル列は、６個のノズルを有し、これらのノズルが図示されたような螺旋状の渦を適宜作り出している。
本発明の方法のさらなる発展形態では、溶融物中に導入される流動自在の媒体として、流体が用いられる。この流体は、特にガラス浴から取り出された溶融ガラスであることが好ましい。

ノズルを有する溶融槽を概略的に示す断面図である。 図１の溶融槽の上面図である。 流れを図示しながら、溶融槽を再び縦方向断面で概略的に示す断面図である。 図３の溶融槽の横方向断面図である。 数値解析によって得られた流れの道筋とともに溶融槽の典型的な構造を示す斜視図である。

符号の説明

１・・・溶融槽（容器）
１．１・・・溶融槽１の入口（ドッグハウス領域）
１．２・・・溶融槽１の出口
１．３・・・ブリッジ壁部
１．４・・・粗溶融部
１．６・・・溶融槽の底床部
１．７・・・ノズル（媒体の放射流の導入箇所）
１．８・・・溶融物液面
１．９・・・縦方向側壁部
Ａ・・・主流動方向
Ｈ・・・ガラス液面高さ
ａ・・・主流動方向におけるノズル同志の間隔
ｂ・・・横断方向におけるノズル同志の間隔
ｃ・・・ノズルと壁部の間の間隔

Claims (16)

1. 溶融ガラスを製造および／または調合するための方法であって、
   溶融物を容器（１）の中で主流動方向（Ａ）に流し、このとき、溶融物の液面が、前記容器（１）の底床部面（１.６）の上方の所定のガラス液面高さ（Ｈ）に位置するようにし、
   溶融物が螺旋状の軌道に沿って流れかつ該螺旋の軸線が前記主流動方向（Ａ）に対して平行もしくは略平行に延びるように、流動自在の媒体の流れを溶融物内に導入し、
   この放射流の、隣り合う導入個所の相互間隔を、主流動方向に関して、前記ガラス液面高さ（Ｈ）の少なくとも０.５倍にすることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記隣り合う放射流導入箇所の相互間隔を、前記ガラス液面高さ（Ｈ）の少なくとも０．８倍にすることを特徴とする方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の方法において、
   前記隣り合う放射流導入箇所の相互間隔を、前記主流動方向に、前記ガラス液面高さ（Ｈ）の大きくても１．５倍にすることを特徴とする方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の方法において、
   前記媒体として、空気又は酸素又は窒素又はヘリウムといったガスを用いることを特徴とする方法。
5. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の方法において、
   前記媒体として、流体を用いることを特徴とする方法。
6. 請求項５に記載の方法において、
   前記流体を溶融ガラスにすることを特徴とする方法。
7. 請求項６に記載の方法において、
   前記放射流に用いる溶融ガラスを、ガラス浴から取り出すことを特徴とする方法。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の方法において、
   前記媒体の放射流を、主流動方向（Ａ）に対して平行に前記溶融物内に導入することを特徴とする方法。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の方法において、
   前記媒体放射流をパルス的に加えることを特徴とする方法。
10. 溶融ガラスを製造および／または調合するための装置であって、
    主流動方向（Ａ）に沿って前記溶融ガラスが流れ込む流出口を備えた容器（１）と、
    前記溶融ガラスの流れが螺旋状に延びかつ該螺旋の軸線が前記主流動方向（Ａ）に対して平行もしくは略平行に延びるように形成されかつ配置された所定数のノズル（１．７）と、
    前記ノズル（１.７）に接続され、圧力がかけられた状態に置かれた媒体源と、を備え、
    隣り合う前記ノズル（１.７）は、主流動方向（Ａ）に関して、ガラス液面高さ（Ｈ）の少なくとも０．５倍の相互間隔を有していることを特徴とする装置。
11. 請求項１０に記載の装置において、
    前記隣り合うノズル（１.７）は、前記主流動方向（Ａ）に関して、ガラス液面高さ（Ｈ）の少なくとも０．８倍の相互間隔を有していることを特徴とする装置。
12. 請求項１０または請求項１１に記載の装置において、
    前記隣り合うノズル（１.７）は、前記主流動方向（Ａ）に関して、ガラス液面高さ（Ｈ）の大きくても１．５倍の相互間隔を有していることを特徴とする装置。
13. 請求項１０から請求項１２のいずれか１項に記載の装置において、
    前記容器（１）は、溶融槽とされていることを特徴とする装置。
14. 請求項１３に記載の装置において、
    前記容器（１）は、開放された、もしくは閉じられた溝とされていることを特徴とする装置。
15. 請求項１０から請求項１４のいずれか１項に記載の装置において、
    ２つもしくはそれより多い前記吹き込みノズル（１.７）の列が設けられていることを特徴とする装置。
16. 請求項１０から請求項１５のいずれか１項に記載の装置において、
    縦方向側壁部（１.９）と、隣り合うノズル列の一つのノズル（１.７）との間の間隔（ｃ）がおおよそ前記ガラス液面高さ（Ｈ）の半分とされていることを特徴とする装置。

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