JP5231211B2 - ガラス溶融方法およびガラス溶融炉 - Google Patents

Description

本発明は、酸素燃焼を利用したガラス製品の製造において、ガラス製品を効率良く製造するためのガラス溶融方法およびガラス溶融炉に関する。
本願は、２００６年３月１６日に日本国に出願された特願２００６−７２２３５号に基づく優先権を主張し、その内容をここに援用する。

近年、工業的にガラスを製造するガラス溶融炉において、高温溶融を必要とする種類のガラスに対して、酸素燃焼を利用することが多くなってきている（特許文献１〜３）。特にデイタンク炉等のバッチ式溶融炉における高温溶融が必要なガラスの溶融においては、空気燃焼では熱効率が低いため、酸素燃焼を採用することが多い。

ところで、ガラスの高温溶融に酸素燃焼を用いると、その燃焼ガスに二酸化炭素や水が多く含まれることから、ガラス中の水分濃度が高くなることが懸念される。水は、ガラス中にＯＨ基として取り込まれるが、高純度のシリカガラスや、無アルカリガラスなど、ガラスの種類よっては、この高いＯＨ基含有率がガラス構造に影響して後段プロセスに悪影響を及ぼす可能性があり、製品収率の低下が懸念される。なお、この水分濃度は季節によって変動することもあり、水分濃度調整をガラス溶融の後段プロセスで最適化することは煩雑である。

ガラス溶融炉において、気体中の水分濃度を調節する方法が特許文献４に開示されている。この方法は、二次空気ダクトに加湿器を設置し、溶融炉に供給する空気を加湿して一定の湿度に保ち、溶融炉の温度変動を防止することを目的としたものである。この方法は、空気燃焼における水蒸気濃度を増加させるものである。一方、酸素燃焼においては、空気燃焼の３倍以上の水分を発生させるため、特許文献４に記載の方法では、上記のような気体中の水分濃度の調節によるガラス中の水分濃度調整を行うことはできない。

ガラス溶融炉での熱源として酸素燃焼を採用した場合に、溶融ガラス中の水分濃度を適正管理できるような溶融法および溶融炉が求められている。
特開平６−２４７５２ 特開平１０−３１６４３４ 特開平１１−１１９５４ 特開平８−２６８７２４

本発明の課題は、ガラス溶融炉でのガラス溶融熱源として酸素燃焼方式を利用する場合であっても、ガラス中水分濃度の調整が可能なガラス溶融方法およびガラス溶融炉を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、溶融槽を備えるガラス溶融炉を用いたガラス溶融方法であって、調整槽をこの溶融槽における溶融ガラス流の下流に配置し、調整槽の温度と調整槽への導入ガス量を調整することによって、雰囲気ガスと溶融ガラス表面との界面での水分濃度の平衡状態を制御し、溶融ガラス中の水分濃度を調整するガラスの溶融方法を提供する。

本発明においては、酸素バーナーを用いて原料ガラスを溶融する場合において特に効果が大きいため、前記溶融槽において酸素バーナーを用いて原料ガラスを溶融する場合に本発明を適用することが好ましい。また、溶融ガラス中の水分濃度を適切に調整するために、調整槽の圧力を正圧に保つことが好ましい。

また、本発明は、前記ガラスの溶融方法を実施するためのガラス溶融炉として、原料ガラスを溶融するガラス溶融炉であって、溶融槽と、溶融槽で溶融させたガラスの水分濃度を調整するための調整槽と、溶融槽から調整槽へ溶融ガラスを流すためのスロート部と、溶融槽の上部空間と調整槽の上部空間とを隔絶するための仕切り壁とを有し、調整槽は、仕切り壁より溶融ガラス流の下流に設けられた仕切り堰、溶融ガラス温度を調整するための溶融ガラス加熱手段、雰囲気ガス導入口及び雰囲気ガス加熱手段を備えており、前記雰囲気ガス加熱手段が電気ヒーターもしくは前記溶融槽からの燃焼排ガスとの熱交換であるガラス溶融炉を提供する。

本発明においては、酸素バーナーを具備した溶融炉において特に効果が大きいため、前記溶融槽が酸素バーナーを具備している溶融炉において本発明を適用することが好ましい。
また、前記溶融ガラス加熱手段は、浸漬型電極および／もしくは電気ヒーターであることが好ましい。

本発明によれば、ガラス溶融炉において、溶融槽における溶融ガラス流の下流に調整槽を設けて溶融ガラス中の水分濃度の調整を行なうので、ガラス溶融熱源として酸素燃焼方式を用いても、溶融ガラス中の水分濃度を適正管理できる。

本発明を実施するためのガラス溶融炉の断面図である。

符号の説明

１・・ガラス溶融炉、２・・溶融槽、３・・調整槽、４・・仕切り壁、５・・・スロート部、６・・仕切り堰、７・・調整浴、８・・酸素バーナー、１０・・雰囲気ガス導入口、１１・・電気ヒーター、１２・・浸漬型電極、１４・・ガラス取出口、２２・・・原料ガラス、２３・・・溶融ガラス

本発明の実施の形態を、図１に基づいて説明する。図１は本発明を実施するのに好適な溶融炉を模式的に表した断面図である。同図に示すように、溶融炉１は、溶融槽２と調整槽３を有する。溶融槽２と調整槽３とは、その上部空間が仕切り壁４によって隔絶されている。

溶融槽２には、原料フィーダー２１によって、原料ホッパー２０中の原料ガラス２２が投入される。原料ガラス２２は、溶融槽２に設置された複数本の酸素バーナ８，８・・・によって溶融され、順次、溶融ガラス２３となる。溶融ガラス２３は、仕切り壁４下部のスロート部５を通って、調整槽３へ導入される。調整槽３には仕切り堰６が設けられており、溶融ガラス２３は、この仕切り堰６をオーバーフローして調整浴７に溜められる。原料供給は、調整浴７での蓄積ガラス量が所定のレベルになるまで行われる。

調整槽３の上部空間には、気相中の水分濃度を調整するための雰囲気ガス投入口１０が設けられている。この雰囲気ガス投入口１０から乾燥窒素ガス等を導入し、雰囲気ガス中の水分濃度を溶融ガラス２３中の水分濃度よりも低くすることによって、雰囲気ガスと溶融ガラス２３表面の界面においてガラス中水分の雰囲気ガス中への拡散を発現させ、ガラス中の水分濃度を低下させる。なお、溶融槽２及び調整槽３の上部空間には、余分な排ガスを導出する溶融槽用排ガス口９及び調整槽用排ガス口２４がそれぞれ設けられている。

調整槽３では、溶融ガラス２３の熱補償を行うため、溶融ガラス加熱手段を設けることが好ましい。具体的には、調整槽３の上部空間に電気ヒーター１１を設置したり、溶融ガラス２３中に浸漬型電極１２を設けてジュール加熱を行うことで熱補償を行う。電極１２の材質は溶融ガラス２３に侵食されないように白金が好ましいが、ガラス成分によってはモリブデンを用いることも可能である。また、調整槽３には、雰囲気ガスの温度を調整するため、雰囲気ガス加熱手段を設けることが好ましい。具体的には、上記電気ヒーター１１が挙げられる。

仕切り堰６は、その側壁が、スロート部５側および調整浴７側ともに傾斜しており、溶融ガラス２３が仕切り堰６をオーバーフローする際、滑らかに流れるような形状とすることが好ましい。このような形状の仕切り堰６を設けることで、溶融ガラス２３が調整浴７側の側壁を流れ落ちる際に、雰囲気ガスとの接触面積が増える。このため、より水分濃度が調整しやすくなり、調整浴７での滞留時間を短くできるという効果がある。

また、溶融ガラスの強制的な攪拌も水分濃度調整効果を高める。そのため、溶融ガラス２３中に攪拌機（図示せず）を備えたり、ガスバブリング用ガスをガスバブリング口１３から導入してガスバブリングを行うと良い。このとき、ガスバブリング用ガスの水分濃度は、雰囲気ガスと同様に、溶融ガラス２３中の水分濃度よりも低くすることが好ましい。調整槽３に導入する雰囲気ガスやガスバブリング用ガスは、溶融槽２から排出される燃焼排ガスとの熱交換によって予熱されたものを使用すると良い。熱交換によって、エネルギー使用量を減少させることが可能となる。

調整浴７での溶融ガラス２３の滞留時間は、ガラスの種類や溶融量によって異なる。よって、調整浴７の容積は、適切な滞留時間を確保できるように決定することが望ましい。

溶融ガラス２３が所望の水分濃度に調整されたら、調整浴７の底部もしくは下部に設置したガラス取出口１４から、調整浴７中の溶融ガラス２３が所定のレベルになるまで流出させ、次プロセスに送る。溶融ガラス２３の流出後、再びガラス取出口１４を閉止し、再び溶融槽２に原料ガラス２２を投入し、ガラスの溶融を開始する。この作業を繰り返すことによって、水分濃度を適正に管理したガラスを製造することができる。

調整浴７を大きくし溶融ガラス２３の流出量を管理することで、水分濃度を適切に調整する滞留時間を確保できる場合には連続製造も可能である。溶融炉１が大きくなりすぎる場合には、バッチ式の方がエネルギー効率が良い場合もある。

（実施例１）

ソーダライム系ガラスの溶融試験を行った。溶融量は２トン/日、調整浴７の容積は４トンである溶融炉１を用いた。

調整浴７内に溶融ガラス２３が５０％貯留されている状態から原料ガラス２２を溶融し始め、２４時間かけて所定量になるまで溶融ガラス２３を貯留した。この間、熱補償のため、上部空間の電気ヒーター１１による雰囲気ガス温度の調整と浸漬型の白金電極によるジュール加熱を行った。

雰囲気ガスには溶融槽２からの燃焼排ガスとの熱交換によって予熱された乾燥窒素ガスを使用した。予熱温度は３００℃程度であった。調整槽用排ガス口２４には絞りを設け、調整槽３内を常に正圧に保つようにし、溶融槽用排ガス口９からの大気侵入を防いだ。原料ガラス２２の投入を停止し、調整浴７内で２４時間滞留させ、窒素ガスを導入しながら水分濃度を調整した後、ガラス取出口１４から調整浴７内の溶融ガラス２３の量が５０％になるまで流出させて、ガラスの成型をおこなった。

原料ガラス２２の投入から溶融ガラス２３の流出までの工程を３回繰り返し、各回工程で得られた成型ガラスから板状サンプル（ａ）〜（ｃ）を３枚ずつ切り出して、それぞれ水分濃度の測定を行った。ガラス中の水分濃度の測定は、赤外線吸収試験により行い、ＯＨ基の赤外線吸収バンド(２．８μｍ、３．６μｍ）でランバート・ビアの法則を利用して、標準サンプルとの比較から同定した。

１回目の工程で得られたサンプルの水分濃度は、４００〜５００ｐｐｍであった。１回目の工程は調整槽３内に５０％蓄積させるまでの非定常状態の影響を受けている可能性があるので評価から外した。表１に２回目のサンプル２（ａ）〜２（ｃ）と３回目の工程で得られたサンプル３（ａ）〜３（ｃ）の水分測定結果を示す。サンプルの水分濃度は、いずれも２００ｐｐｍ前後まで、すなわち２２０ｐｐｍ以下まで低減しており、溶融工程の後段での水分調整が不要であることが示された。

（比較例１）
調整槽３の上部空間に、電気ヒーター１１に替えて酸素バーナ８，８・・・を設置し、その他は実施例と同じ条件で溶融ガラス２３のバッチ処理を行った。得られた成型ガラスから、板状サンプル３枚（Ｃ（ａ）〜Ｃ（ｃ））を切り出し、実施例と同様に水分濃度を測定した。その結果を表１に示す。サンプルＣ（ａ）〜Ｃ（ｃ）は、７００ｐｐｍ前後の水分濃度であった。

本発明は、ガラス溶融熱源として酸素燃焼方式を用いても、溶融ガラス２３中の水分濃度を適正管理できるので、溶融工程の後段での水分調整が不要となる。よって、産業上有用である。

Claims (6)

1. 溶融槽を備えるガラス溶融炉を用いたガラス溶融方法であって、
   調整槽をこの溶融槽における溶融ガラス流の下流に配置し、調整槽の温度と調整槽への導入ガス量を調整することによって、雰囲気ガスと溶融ガラス表面との界面での水分濃度の平衡状態を制御し、溶融ガラス中の水分濃度を調整する工程を有するガラス溶融方法。
2. 前記溶融槽において酸素バーナーを用いて原料ガラスを溶融する請求項１記載のガラス溶融方法。
3. 前記調整槽を正圧に維持する請求項１記載のガラス溶融方法。
4. 原料ガラスを溶融するガラス溶融炉であって、
   溶融槽と、
   該溶融槽で溶融させたガラスの水分濃度を調整するための調整槽と、
   該調整槽へ前記溶融槽から溶融ガラスを流すためのスロート部と、
   前記溶融槽の上部空間と前記調整槽の上部空間とを隔絶するための仕切り壁とを有し、
   前記調整槽は、前記仕切り壁より溶融ガラス流の下流に設けられた仕切り堰、溶融ガラス温度を調整するための溶融ガラス加熱手段、雰囲気ガス導入口及び雰囲気ガス加熱手段を備えており、
   前記雰囲気ガス加熱手段が電気ヒーターもしくは前記溶融槽からの燃焼排ガスとの熱交換であるガラス溶融炉。
5. 前記溶融槽が酸素バーナーを具備している請求項４記載のガラス溶融炉。
6. 前記溶融ガラス加熱手段が浸漬型電極および／もしくは電気ヒーターである請求項４記載のガラス溶融炉。

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