JP4992713B2 - 減圧脱泡装置の上昇管または下降管のバックアップ構造 - Google Patents
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Description
高温溶融物用導管のバックアップ構造に関する特許文献1には、減圧脱泡装置の上昇管および下降管のバックアップ構造が示されている。特許文献1において、上昇管16および下降管18のバックアップ構造31を支持する支持装置30は、受板32、押上げ手段36を備えている。受板32は矩形状に形成され、上昇管16の下端部に固定されている。受板32には断熱用のレンガ28A、28A…が載置され、断熱用のレンガ28A、28A…は上昇管16を被覆するように、上昇管16の周囲に配設されている。
押上げ手段36は、コイルばね46の付勢力によって、受板32を上方に押し上げるように付勢している。受板32に載置された断熱用のレンガ28Aが上方に押し上げられて、断熱用のレンガ28Aの上端部が押さえ蓋48に当接する。これにより、上昇管16や上昇管16の周囲に配設された断熱用のレンガ28Aが支持されている。押上げ手段36を設ける理由は、減圧脱泡装置の熱上げ時などの際に、白金製の上昇管16および下降管18と、断熱用のレンガ28Aと、の熱膨張差によって、レンガ28A間に隙間が空くのを防止するためである。レンガ28A間に隙間が空くと、白金製の上昇管16および下降管18が破損する場合がある。そのため、押上げ手段36によってレンガ28Aを押し上げて、レンガ28Aの上端部を押さえ蓋48に当接させることによって、レンガ28A間に隙間が空くことを防止する。
上記したように、特許文献1のバックアップ構造は、上昇管の外周に上下方向に所定の間隔をおいてフランジを設けることにより、白金製の上昇管と断熱用のレンガとの熱膨張差をフランジ間で分散させる構成であり、上昇管全体の軸線方向の伸びは上昇管の周囲に積層された断熱用のレンガの伸びに相当する。
特許文献1のバックアップ構造において、断熱用のレンガは押し上げ手段によって上方に付勢されているので、断熱用のレンガの伸びは、該レンガの上端部と当接する押さえ蓋に加わることになる。押さえ蓋は、断熱用のレンガの伸びを受け止め、下方に逃す役割を有している。断熱用のレンガの伸びが押さえ蓋の上方に位置する減圧脱泡槽まで到達すると減圧脱泡槽が破損するおそれがあるためである。このため、押さえ蓋は減圧ハウジングに溶接されている。
また、本発明は、上昇管、減圧脱泡槽および下降管を有する減圧脱泡装置を用いて溶融ガラスを減圧脱泡する方法であって、前記減圧脱泡槽と接続する上昇管または下降管のバックアップ構造として、本発明のバックアップ構造を用いた溶融ガラスの減圧脱泡方法を提供する。
また、本発明のバックアップ構造に使用する耐火レンガは、耐熱性に優れているため、減圧脱泡装置の加熱温度が上昇管または下降管の周囲に配設される耐火レンガによって制約されるおそれがない。また、本発明のバックアップ構造に使用する耐火レンガは、溶融ガラスに対する耐食性に優れているため、上昇管または下降管から溶融ガラスが漏洩した場合であっても、耐火レンガが溶融ガラスによって著しく浸食されるおそれがない。また、運転中の高温環境下においても、熱上げ時においても、耐火レンガ間の目地が開くことがない。
また、減圧脱泡装置の温度が上昇管および下降管の周囲に配設される耐火レンガによって制約されるおそれがないため、減圧脱泡装置の温度を脱泡特性、溶融ガラスの流動特性等を考慮した最適な温度にすることができる。
11:減圧ハウジング
12:減圧脱泡槽
13:上昇管
14:下降管
15:耐火レンガ
16:熱膨張逃し部材
17:断熱材
18:フランジ
20:溶解槽
100:減圧脱泡装置
101:減圧ハウジング
102:減圧脱泡槽
103:上昇管
104:下降管
107:断熱材
200:溶解槽
減圧脱泡装置1は、使用時その内部が減圧状態に保持される減圧ハウジング11を有する。一般にステンレス鋼製の減圧ハウジング11内には、円筒形状をした減圧脱泡槽12がその長軸が水平方向に配向するように収納配置されている。減圧脱泡槽12の下面の側端付近には、垂直方向に配向する上昇管13および下降管14が取り付けられている。上昇管13および下降管14は、その一部が減圧ハウジング11内に収納配置されている。
減圧脱泡装置1において、減圧脱泡槽12、上昇管13および下降管14は、白金または白金合金製の中空管である。
白金合金の具体例としては、白金−金合金、白金−ロジウム合金が挙げられる。また、白金または白金合金に金属酸化物を分散させてなる強化白金であってもよい。分散される金属酸化物としては、Al2O3、またはZrO2若しくはY2O3に代表される周期表における3族、4族若しくは13族の金属酸化物が挙げられる。
したがって、耐火レンガ15は、耐熱性に優れていることが必要である。また、溶融ガラスGが上方向に流動する上昇管13および下方向に流動する下降管14は、内部を流動する溶融ガラスGから管壁面に加わる力が大きいため、減圧脱泡装置1の使用時、上昇管13および下降管14から溶融ガラスGが漏洩する場合がある。したがって、耐火レンガ15は溶融ガラスに対する耐食性にも優れていることが必要である。このため、本発明のバックアップ構造では、上昇管13および下降管14の周囲に配設される耐火レンガ15に熱間線膨張係数および圧縮強さが特定の範囲の耐火レンガを使用することを特徴とする。なお、耐火レンガ15の熱間線膨張係数および圧縮強さについては、後で詳述する。
耐火レンガ15の上方には、耐火レンガ15の熱膨張による伸びを受け止め、下方に逃すための熱膨張逃し部材16が配設されている。また、減圧ハウジング内11の減圧脱泡槽12の周囲には、断熱材17として、通常は耐火断熱レンガまたは一般的な耐火レンガが配設されている。
図2において、上昇管13の外周には円板状のフランジ(突起部)18が上昇管13の長手方向に沿って間隔を開けて設けられている。上昇管13の周囲には、耐火レンガ15が上昇管13の長手方向に沿って複数個積層させており、上昇管13の長手方向に沿って積層された耐火レンガ15間には、上昇管13のフランジ18が挟持されている。白金または白金合金製の上昇管13と耐火レンガ15とを比較した場合、上昇管13の方が耐火レンガ15よりも熱膨張率が大きい。このため、減圧脱泡装置1の使用時、熱膨張による伸びは、上昇管13の方が耐火レンガ15よりも大きくなる。図2に示すバックアップ構造では、上昇管13と耐火レンガ15との熱膨張による伸びの差は、フランジ18間に分散される。したがって、上昇管13全体の長手方向の伸びは、上昇管13の周囲に配設された耐火レンガ15の伸びに相当する。
上昇管13の周囲に配設された耐火レンガ15の上方には、熱膨張逃し部材16が配設されている。熱膨張逃し部材16は、最上部に位置する耐火レンガ15と当接しており、減圧脱泡装置1の使用時、耐火レンガ15の熱膨張による伸びを受け止めて、下方に逃す。このため、熱膨張逃し部材16は、減圧ハウジング11に溶接されている。
1500℃における熱間線膨張係数が0.5%以上で、圧縮強さが150MPa以上の耐火レンガは、気孔率の低い緻密な組織を有し、その構成相は安定な結晶組織を構成するため、耐熱性および溶融ガラスに対する耐食性に優れている。また、上記の特性を有する耐火レンガは、緻密な組織を有するため、レンガの研磨を非常に精密にすることができる。そのため、お互いの接する面を高い平坦度にすることで、隙間のないレンガの積層体を構成することが可能である。したがって、上昇管13の周囲に配設される耐火レンガ15として好適である。
なお、特許文献1には、断熱用レンガとして、ジルコニア系の電鋳レンガが好ましいと記載されている。しかし、ジルコニア系のレンガであっても、熱間線膨張率や圧縮強さを満たすとは限らない。例えば、ジルコニアを非常に高純度(95質量%程度)に含むジルコニア系レンガ(X−950:商品名)は、ガラスに対しての耐食性に優れるレンガであるが、熱間線膨張率は0.2程度、圧縮強さは4MPa程度であり、本発明の範囲には含まれない。
一般に、減圧脱泡装置の上昇管および下降管のバックアップ構造では、組成が同一または組成が異なる断熱材が複数用いられ、それらは上昇管および下降管の径方向に沿って、層をなすように配設されている。本発明においても、図2における耐火レンガ15として、組成が同一または組成が異なる複数の耐火レンガを上昇管13の径方向に沿って層をなすように配設してもよい。
しかしながら、1500℃における熱間線膨張率が0.5%以上と大きいため、熱膨張による伸びが耐火断熱レンガや一般的な耐火レンガに比べて大きい。したがって、耐火レンガ15が熱膨張の伸びによって熱膨張逃し部材16に加わる力は耐火断熱レンガや一般的な耐火レンガを使用した場合に比べて大きくなる。しかも、耐火レンガ15は、圧縮強さが150MPa以上と高いため、耐火レンガ15の熱膨張による伸びが熱膨張逃し部材16に加わった際に、熱膨張逃し部材16が破損または変形するおそれがある。
熱膨張逃し部材16が760℃におけるクリープ強さが35MPa以上の金属材料またはセラミクス材料から選択される材料で構成されていれば、熱膨張逃し部材16が十分なクリープ強さを有している。その結果、耐火レンガ15の伸びが加わることによって、熱膨張逃し部材16が破損または変形することが防止される。
熱膨張逃し部材16は、760℃におけるクリープ強さが60MPa以上、特には100MPa以上、1000MPa以下の金属材料またはセラミクス材料から選択される材料で構成されていることが好ましい。
熱膨張逃し部材16が760℃におけるクリープ強さが35MPa以上の金属材料またはセラミクス材料から選択される材料で構成されている場合、700〜1250℃の温度に耐え得る耐熱性を有している。
減圧脱泡装置1の使用時に熱膨張逃し部材16が経験する温度は、バックアップ構造の構成、例えば、上昇管13の周方向に配設する耐火レンガ15の数や、耐火レンガ15の種類、またはバックアップ構造のサイズによって異なり、700℃程度になる場合もあれば、1250℃に達する場合もありえる。熱膨張逃し部材16は、減圧脱泡装置1の使用時に、該部材16が実際に経験しうる温度に耐え得る耐熱性を有するように材料選定することが必要である。したがって、熱膨張逃し部材16が必ず1250℃の温度に耐え得る耐熱性を有することを要求されるわけではない。
耐火レンガ15として、1500℃における熱間線膨張率が0.5%以上で、圧縮強さが150MPa以上の耐火レンガを用いるのは、上昇管13の周囲に配設されるため、耐熱性および溶融ガラスに対する耐食性に特に優れていることが要求されるからである。したがって、耐火レンガ15の外側に配置される耐火レンガは、耐熱性および溶融ガラスに対する耐食性がより劣る耐火レンガ(以下、「他の耐火レンガ」という場合もある。)であってもよい。このような他の耐火レンガの具体例としては、例えば、耐火断熱レンガや一般的な耐火レンガが挙げられる。
耐火レンガ15の外側に他の耐火レンガを配設する場合、組成が同一または組成が異なる複数の耐火レンガを上昇管13の径方向に沿って層をなすように配設してもよい。
これらの他の耐火レンガを耐火レンガ15の外側に配設する場合、他の耐火レンガは高温のガラスに対して耐食性が劣る場合が多い。もし、溶融ガラスが白金を破って他の耐火レンガにまで到達すると、他の耐火レンガが侵食され、装置に大きいダメージを与える可能性がある。
上記のような問題点を解決するための一つの方法として、熱膨張逃し部材16の直上にフランジを設け(図2には不図示)、該フランジの径を他のフランジの径と比較して大きくする方法が例示される。具体的には、フランジの径は、上昇管の径の1.2〜2倍程度の大きさとなっていることが好ましい。熱膨張逃し部材16の直上のフランジの径が他のフランジと比較して大きいことにより、熱膨張逃し部材16とフランジとが両方とも金属となる結果、なじみがよくなるため、溶融ガラスの滲み出しを最小限に抑えることが可能となる。
なお、ここで用いられるラミング材とは、耐火性骨材と硬化材等を混合した粉体の耐火物材に少量の水を添加して混練し充填されるもので、加熱によってセラミックボンドができ、強度を出すものを言う。このようなラミング材としては、例えばアルミナ系(Al2O3)ラミング材、ジルコニア−シリカ系(ZrO2−SiO2)ラミング材、およびアルミナ−ジルコニア−シリカ系(AZS;Al2O3−ZrO2−SiO2)ラミング材が挙げられ、好適な具体例としてはアルミナ系ではCMP−AH,ジルコニア−シリカ系ではZR−2000、およびアルミナ−ジルコニア−シリカ系ではZM−2500(いずれも旭硝子(株)製)が例示される。また、このようなラミング材としては、この他特公昭57−2666号公報に開示された、(モノまたはジ)アルミン酸カルシウムまたはシリコアルミン酸カルシウムを主成分として含む製鉄アルミナ質スラグ、(モノまたはジ)アルミン酸カルシウム型アルミナ質セメント、シリコアルミナ質セメントおよび高温焼成マグネシアなどのアルカリ土類無機物質と、シリカ、酸化クロムおよびアルミナなどの超微粉末と、不活性充填剤とからなり、従来よりカルシウム含有量および混練水量が少なく、高強度で耐熱性および耐浸食性に優れたセメントも例示される。
各層のレンガを上述の方法で組みあげた後、粉体のラミング材に3〜6%の少量の水添加を行ない、各レンガ層間の隙間に充填し、更にその隙間に棒状バイブレータを入れ、振動による粉体の流状効果を利用して、隙間内にラミング材を稠密かつ均一に充填させる。ラミング材は3〜4時間で硬化し、耐蝕性の強い緻密なラミング材層ができる。
熱膨張逃し部材16が760℃におけるクリープ強さが35MPa以上の金属材料またはセラミクス材料から選択された材料で構成されることが必要なのは、上昇管13および下降管14の周囲に配設される耐火レンガ15の上方に配設されるため、クリープ強さが特に優れていることが必要であるからである。
したがって、図2で熱膨張逃し部材16として示される構造であっても、減圧ハウジング11と溶接する部分は760℃におけるクリープ強さが35MPa未満の金属材料またはセラミクス材料で構成されていてもよい。
なお、熱膨張逃し部材本体と接合部材とは、溶接や、ボルト、ビス等の固定治具による機械的な接合方法等、公知の方法を用いて接合される。
溶解槽から供給される溶融ガラスとの温度差が生じることを防止するために、減圧脱泡槽は、内部が1150℃〜1550℃、特に1200℃〜1400℃の温度範囲になるように加熱されていることが好ましい。なお、溶融ガラスの流量が1〜200トン/日であることが生産性の点から好ましい。
減圧脱泡方法を実施する際、減圧ハウジングを外部から真空ポンプ等によって真空吸引することによって、減圧ハウジング内に配置された減圧脱泡槽の内部を、所定の減圧状態に保持する。ここで減圧脱泡槽内部は、30〜460mmHg(40〜613hPa)に減圧されていることが好ましく、より好ましくは、減圧脱泡槽内部は100〜310mmHg(133〜413hPa)に減圧されていることが好ましい。
水平方向における長さ:1〜20m
一辺の長さ(断面が矩形の場合):0.1〜5m
内径(断面が円形または楕円形の場合、楕円形の場合は平均径):0.1〜5m
減圧脱泡槽12が白金系の材料で構成される場合、肉厚は4mm以下であることが好ましく、より好ましくは0.5〜1.2mmである。
減圧ハウジング11は、金属製、例えばステンレス鋼製であり、減圧脱泡槽を収容可能な形状および寸法を有している。上昇管13および下降管14は、一般に断面形状が円形の中空管である。上昇管13および下降管14の寸法は、使用する減圧脱泡装置に応じて適宜選択することができる。例えば、上昇管13および下降管14の寸法は以下のように構成することができる。
内径:0.05〜2m、より好ましくは0.1〜1m
(断面形状が矩形の中空管の場合は一辺の長さ)
長さ:0.2〜7m、より好ましくは0.4〜5m
肉厚:0.4〜5mm、より好ましくは0.8〜4mm
(実施例)
実施例では、図1に示す減圧脱泡装置1を用いて溶融ガラスの減圧脱泡を実施した。減圧脱泡装置1において、上昇管13および下降管14のバックアップ構造は、図2に示すバックアップ構造である。
減圧脱泡装置1の各部寸法および構成材料は以下の通りである。
減圧ハウジング11:ステンレス鋼製
減圧脱泡槽12:白金−ロジウム合金(白金90質量%、ロジウム10質量%)製
(寸法)
長さ:2m
内径:120mm
肉厚:1mm
上昇管13,下降管14:白金−ロジウム合金(白金90質量%、ロジウム10質量%)製
(寸法)
長さ:3m
内径:80mm
肉厚:1mm
フランジ18:白金−ロジウム合金(白金90質量%、ロジウム10質量%)製
内径82mm、外径102mm、肉厚1mmのドーナツ状のフランジを、上昇管13および下降管14の外周に、上昇管13および下降管14の長手方向に沿って間隔300mmで溶接した。
耐火レンガ15:、内径82mm、外径600mm、高さ300mmのドーナツ形状のAZS質電鋳レンガ(ジルコナイト1711(旭硝子株式会社製)、1500℃における熱間線膨張率(JIS R2207:2003年):0.8%、圧縮強さ(JIS R2206:2003年):350MPa)を使用し、これを減圧ハウジング11内の上昇管、下降管の周囲に6段積層させた。なお、減圧脱泡槽12の周囲に配設される断熱材17には、粘土質レンガを使用した。
熱膨張逃し部材16:インコネル製(760℃におけるクリープ強さ:120MPa)の熱膨張逃し部材本体とステンレス鋼製の接合部材とを溶接したものを使用した。熱膨張逃し部材本体は内径300mm、外径600mm、厚さ100mmのドーナツ形状をしたものである。接合部材は平面形状が正方形で内部に開口部を有する枠状部材であり、一辺の長さは800mm、厚さは100mmである。熱膨張逃し部材本体と接合部材とは溶接されている。接合部材は減圧ハウジング11に溶接されている。また、熱膨張逃がし部材本体が前記耐火レンガ15の上方に配設されるようにした。
減圧脱泡槽12内温度:1400℃
減圧脱泡槽12内圧力:180mmHg(240hPa)
溶融ガラス:無アルカリガラス
流量:1トン/日
使用開始から6ヶ月後、熱膨張逃し部材本体および接合部材のいずれにも破損、変形は認められなかった。
熱膨張逃し部材本体がステンレス鋼製(SUS310S、760℃におけるクリープ強さ:32MPa)である点以外は実施例と同様の構成とし、減圧脱泡を実施した。
使用開始から6ヶ月後、熱膨張逃し部材本体に顕著な変形が認められた。
なお、2005年6月28日に出願された日本特許出願2005−188121号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
Claims (10)
- 上昇管、減圧脱泡槽および下降管を有する減圧脱泡装置において、白金または白金合金製の上昇管または下降管の周囲に耐火レンガを配設してなる減圧脱泡装置の上昇管または下降管のバックアップ構造であって、前記耐火レンガの上方に、760℃におけるクリープ強さ(JIS Z2271:1993年)が35MPa以上の金属材料またはセラミクス材料から選択される材料で構成される熱膨張逃し部材が配設されていることを特徴とする減圧脱泡装置の上昇管または下降管のバックアップ構造。
- 前記耐火レンガは、1500℃における熱間線膨張率(JIS R2207:2003年)が0.5%以上であり、圧縮強さ(JIS R2206:2003年)が150MPa以上であることを特徴とする請求項1に記載の減圧脱泡装置の上昇管または下降管のバックアップ構造。
- 前記耐火レンガは、アルミナ質電鋳レンガ、ジルコニア質電鋳レンガおよびアルミナ−ジルコニア−シリカ(AZS)質電鋳レンガからなる群から選択される少なくとも1つである請求項1または2に記載の減圧脱泡装置の上昇管または下降管のバックアップ構造。
- 前記熱膨張逃し部材は、Ni合金を構成材料とする請求項1ないし3のいずれかに記載の減圧脱泡装置の上昇管または下降管のバックアップ構造。
- 前記上昇管または下降管の周囲に耐火レンガが複数積層されており、該耐火レンガの間および前記熱膨張逃し部材の直上にフランジが設けられており、該熱膨張逃し部材の直上のフランジの径が他のフランジの径と比較して大である請求項1ないし4のいずれかに記載の減圧脱泡装置の上昇管または下降管のバックアップ構造。
- 前記熱膨張逃し部材と、熱膨張逃し部材の直下の耐火レンガとの間にラミング材層を設ける請求項1ないし5のいずれかに記載の減圧脱泡装置の上昇管または下降管のバックアップ構造。
- 前記熱膨張逃し部材は減圧脱泡装置の減圧ハウジングに接合されており、該熱膨張逃し部材の減圧ハウジングとの接合に用いられる部分がステンレス鋼である請求項1ないし6のいずれかに記載の減圧脱泡装置の上昇管または下降管のバックアップ構造。
- 前記熱膨張逃し部材の厚さが50〜500mmである請求項1ないし7のいずれかに記載の減圧脱泡装置の上昇管または下降管のバックアップ構造。
- 請求項1ないし8のいずれかに記載のバックアップ構造を用いた減圧脱泡装置。
- 上昇管、減圧脱泡槽および下降管を有する減圧脱泡装置を用いて溶融ガラスを減圧脱泡する方法であって、前記減圧脱泡槽と接続する前記上昇管または前記下降管のバックアップ構造として、請求項1ないし8のいずれかに記載のバックアップ構造を用いた溶融ガラスの減圧脱泡方法。
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