JP5441306B2 - ガラス形成工程部のためのフロントエンド - Google Patents

Description

本発明は、ガラス製造産業における形成工程部に関し、詳細には、形成工程部に使用するためのフロントエンドに関する。更に詳細には、本発明は、ガラス形成工程部に使用するための酸素着火式フロントエンドに関する。

ガラス製品の製造において、溶融装置と通常称する溶融炉の中にバッチ材料を通すことによって、バッチ材料を溶融ガラスにする。溶融ガラスを溶融装置からチャンネル系及び前炉を通して下流に送出する。このチャンネル系及び前炉を、フロントエンドと称する。フロントエンドは、溶融ガラスを１又は２以上の生産箇所に送出する導管として役立つ。フロントエンドはまた、溶融ガラスが生産箇所に到達する前、溶融ガラスを冷却し且つ温度調節するのに役立つ。生産箇所を、形成箇所と称する。各形成箇所は、ファイバー形成工程部のためのブッシング又は容器形成工程部のためのゴブカッタを含む。ブッシング又はゴブカッタは、典型的には、前炉スチールを介して前炉に固着される。

在来の前炉は、着火装置を有し、着火装置は、複数のバーナ２０を含む。バーナ２０は、溶融ガラスＧを温度調節するように機能し、溶融ガラスＧを所望の作業温度に維持する。在来の前炉１０の例を図１に示す。前炉１０は、頂部又はクラウン（図示せず）と、底部（図示せず）と、横方向に間隔をおいた側壁１６とを有している。溶融ガラスＧのレベルよりも上の前炉１０の部分は、上部構造耐火物で構成されている。溶融ガラスＧのレベルよりも下の前炉１０の部分は、ガラス接触耐火物で構成されている。

複数のバーナポート１８が、側壁１６を貫いて孔あけされている。バーナポート１８は、側壁１６に対して直角に孔あけされている。バーナポート１８は、バーナ２０を受入れるように構成されている。バーナポート１８は、互いに約４〜５インチ（１０．１６〜１２．７センチメートル）間隔をおいている。その結果、多数のバーナ、マニホールド、パイプ、継手及びバルブ（図示せず）が、空気−ガス混合バーナと関連している。

在来の着火装置では、空気供給源及びガス供給源は、レギュレータを通過する。空気とガスとを混合し、次いで、それをパイプ系を通して複数の、典型的には、２０〜１００のバーナに通す。バーナは、典型的には、通常、制御ゾーンと称するゾーンに熱を供給するために、空気をガスの燃焼のための酸化剤として使用する空気−ガス混合バーナである。フロントエンドは、典型的には、６〜６０の制御ゾーンを有し、制御ゾーンの各々は、ガス制御安全及び減圧装置、燃焼空気ブロワ、及び溶融装置と形成箇所との間の溶融ガラスＧの温度を制御することが可能なバルブ及びレギュレータを備えている。

空気−ガス混合着火装置は、構成するのにコスト高であるだけでなく、工程を行うのに不十分である。空気−ガス混合着火装置は、チャンネルの１フィートの部分を空気−ガス混合物で加熱するために、１時間当たり３０〜７５立方フィート（１時間当たり０．８４９〜２．１２３立方メートル）のガスを使用する。これは、１立法フィート（０．０２８立方メートル）の天然ガスの燃焼のために、約１０立方フィート（０．２８３立方メートル）の空気を必要とする。空気を、周囲温度から排気ガス蒸気の温度まで加熱させなければならない。エネルギーの約７０〜８５％が、空気を排気ガス温度まで加熱し、エネルギーの１５〜３０％を、ガラス形成工程部のために利用可能な熱として残す。かくして、空気−ガス混合着火装置は、燃焼の最小の効率しか有していない。

最小の燃焼効率しか有していないことに加えて、空気−ガス混合着火装置は、溶融ガラスＧを加熱するには不十分な手段である。空気−ガス混合着火装置の空気−ガス混合バーナの炎温度は、約３５００°Ｆ（１９２６．６６℃）に達する。しかしながら、溶融ガラスＧ及び燃焼製品の光特性は、溶融ガラスＧをの中を通る放射エネルギーの量を制限する。これにより、溶融ガラスＧの上下方向温度勾配が高くなる。空気−ガスバーナにおいて、バーナの輪郭を制御することによってガラス内の温度分布を制御することは困難である。

フロントエンドに要望されることは、ガスと酸素の混合により前炉を着火させるための低コストなシステムを使用することによって燃料消費量を減少させることである。

本発明は、ガラス形成工程部のためのフロントエンドに向けられる。フロントエンドは、開口端部を有するチャンネルと、少なくとも１つのバーナとを有する。チャンネルは、少なくとも１つの面を有する。この面は、少なくとも１つのバーナポートを有する。バーナは、バーナポート内において、上記面に対して鋭角に向けられている。

本発明は、また、頂部及び一対の側壁を有し、側壁の各々が面を有するフロントエンドに向けられる。少なくとも１つのバーナポートが、少なくとも１つの面内にある。バーナポートは、少なくとも１つの面に対して鋭角をなす。バーナは、酸素着火バーナである。

本発明は、更に、頂部及び側壁を有するチャンネルを有し且つ側壁の各々が耐火材料で構成された上部構造面を有するフロントエンドに向けられる。チャンネルは、上流端部及び下流端部を有する。少なくとも１つの面は、複数のバーナポートを有する。バーナポートは、少なくとも１つの面に対して鋭角に延び、少なくとも１つの面に対して垂直に且つ上流端部と下流端部との間を延びる平面内にある。酸素着火バーナが、それに対応するバーナポートの中を軸線方向に延びる。

本発明の種々の目的及び利点は、添付図面を参照して以下の好ましい実施形態の詳細な説明を読むことにより、当業者に明らかになろう。

空気−ガス混合着火装置の欠点を解消するための同心型酸素−ガス混合バーナが発展してきた。典型的な酸素−ガス着火装置は、英国のＢＨ−Ｆ（エンジニアリング）社から供給される。着火装置は、普通、酸素−ガスバーナと称するバーナを使用する。酸素−ガスバーナ４４は、酸化物として高純度の酸素（例えば、典型的には、９０〜９９パーセントの純度を有し、窒素及びアルゴンの混合物である不純物を含む）と、燃焼可能な炭化水素を供給するための化石燃料とを使用する。酸素−ガスバーナ４４は、酸素とガスの混合物を点火即ち燃焼箇所で点火する。酸素−ガスバーナは、上述した空気−ガス混合バーナに間隔を設けたことと同様、４〜５インチ（１０．１６〜１２．７センチメートル）の間隔をおいて配置されている。現在まで、ガス−酸素バーナ４４は、ガラス溶融装置内で使用されてきたが、ガラスのチャンネル内又はフロントエンドにおいて使用されたことはなかった。

酸素−ガスバーナ４４は、ＣＯ₂及びＮＯ₂廃棄物を減少させ、それにより、これらのバーナをより環境的に優しくし、できる限り、温室ガス税を軽減させる。酸素−ガスバーナ４４は、廃棄物ガス流を減少させ且つガラス形成工程部に使用するのにより利用可能な熱を供給することによって、より効率的に着火する。これは、１立方フィート（０．０２８立方メートル）の天然ガスの燃焼のために、酸素−ガスバーナがより少ない容積（２立方フィート、即ち、０．０５６立方メートルの酸素）しか必要としないからである。その結果、排気ガス（即ち、酸素−ガス混合物を加熱するのに使用したガスの流れ）は、約７３パーセント減少する。結果として、酸素−ガス混合着火装置のエネルギーの約６５パーセントは、利用可能な熱をガラスに移送するのに使用され、窒素等の不活性ガスを加熱するのに使用されない。

より大きい燃焼効率を有することに加えて、酸素−ガス混合着火装置は、溶融ガラスを加熱するのにより効率的な手段である。酸素−ガスバーナ４４の炎温度は、約４５００〜４８００°Ｆ（２４８２．２２〜２６４８．８８℃）である。この温度において、炎及び燃焼生成物は、溶融ガラスが吸収することができる波長のエネルギーを放射する。これにより、溶融ガラスの表面において水平方向に且つ溶融ガラスの中を通って上下方向に一様なガラス温度を付与する。

図面を参照すれば、図２は、ガラス形成工程部のフロントエンドを示す。フロントエンドは、開放チャンネルと、開放チャンネルの下流の前炉とを有している。説明を簡単にするために、開放チャンネル及び前炉を合わせて、チャンネル２２として説明する。チャンネル２２は、溶融ガラスＧを溶融装置（図示せず）から形成箇所（図示せず）まで配送する。

溶融ガラスＧは、図４及び図５に示す溶融ガラスレベルＬよりも上のチャンネル２２の上部分と接触していない。上部分に使用されている上部構造耐火材料が、溶融ガラスＧの腐食効果に耐えることを必要としないので、上部分は、比較的安価な上部構造耐火材料、例えば、シリカ、ムライト又はその他適当な材料で構成されるのがよい。

ガラスレベルＬよりも下のチャンネル２２の部分は、溶融ガラスと接触し、よりコスト高なガラス接触耐火材料で構成される。セラミック耐火材料、例えば、ジルコン、酸化クロム、又はその他適当な材料が、ガラス接触耐火材料として使用される。

チャンネル２２は、頂部即ちクラウン２４と、底部５４と、側壁２８とを有する。チャンネル２２は、全体的に３０で指示する上流端部と、全体的に３２で指示する下流端部とを有する。開放端部３４が、チャンネル２２の上流端部３０に設けられている。端壁３６が、チャンネル２２の下流端部３２に設けられている。１又は２以上のガラスオリフィス３８が、端壁３６に近接して、隣接して又は密接してチャンネル２２の底部に設けられている。フロントエンドの前炉は、チャンネル２２の一部分である、この一部分は、端壁３６と、底部のガラスオリフィス３８とを有している。

側壁２８は各々、面４０を有する。面４０は、少なくとも１つのバーナポート４２を有する。バーナポート４２は、既存のフロントエンドの上部構造耐火材料に耐火コアドリルで孔あけされてもよい。新しいフロントエンドは、バーナポートが形成された組込みバーナブロックと共に構成されるのがよい（図４参照）。バーナ４４は、バーナポート４２内に設けられる。本発明の好ましい実施形態では、複数のバーナポート４２が設けられ、バーナ４４は、バーナポート４２に１つずつ設けられる。バーナ４４は、好ましくは、酸素（高純度）とガスとが点火又は燃焼箇所で混合される酸素着火バーナである。即ち、酸素着火バーナは、酸素を酸化剤として使用し、燃焼可能な炭化水素の供給のために化石燃料を使用する。かかる酸素着火バーナは、本発明の技術の当業者によく知られている。

バーナ４４は、ガラスレベルＬよりも上に位置決めされる（図４及び図５参照）。バーナ４４は、面４０に対して垂直な平面（例えば、実質的に水平な平面）内に、面４０に対して鋭角をなす向きに配置される。図２に示すように、バーナ４４は、チャンネル２２の下流端部３２に向かって、面４０に対して約５〜８５度の鋭角に差し向けられている。この鋭角は、バーナ４４からその外に向かって炎の方向に延びるバーナ４４の長手方向の軸線と、面４０において前記軸線から最も小さい角度だけ離れている部分との間で測定される。本明細書で角度の測定を述べるとき、角度は同様の仕方で測定され、すなわち、バーナ４４からその外に向かって炎の方向に延びるバーナ４４の長手方向の軸線と、バーナに対応するチャンネルの面において前記軸線から最も小さい角度だけ離れている部分との間で測定される。変形例として、図３に示すように、バーナ４４は、チャンネル２２の上流端部３０に向かって、面４０に対して約５〜８５度の鋭角に差し向けられている。

図２を参照すれば、バーナ４４は、それが両側の側壁２８において横方向に又は上下方向にオフセットされるように、即ち、互いに整列しないように、互い違いに配置され、交互に間隔をおいている。酸素着火バーナの炎温度は、約４２００〜５２００°Ｆ（２３１５．５５〜２８７１．１１℃）である。炎は、それが側壁２８に直接接触しないようにガス及び酸素流量によって制御される。たとえ炎が側壁２８に直接接触しなくても、側壁２８は、炎からの対流及び放射によって加熱される。この放射熱は、チャンネル２２を過度な高温に晒すことによって、チャンネル２２の一体性に妥協しないで溶融ガラスＧを適当に温度調節し且つ溶融ガラスＧを所望の温度に維持するのに十分である。本発明の前炉を使用すれば、バーナ４４は、約１〜５フィート（０．３０４〜１．５２４メートル）間隔をおき、十分な熱をガラスに供給する。

他のバーナ４４を支持するバーナポート４３が、端壁３６に設けられてもよく、他のバーナ４４は、排気用バーナポートとして使用され、又は、溶融ガラスＧを温度調節し又は所望の温度に維持する追加の熱を供給する。

本発明の別の実施形態を図３に示す。図３では、バーナ４４は、対をなして設けられている。本発明のこの実施形態では、両側のバーナ４４は、典型的には、互い違いに配置されてもいないし、交互に間隔をおいていない。両側のバーナ４４は、より一様な熱分布を形成するように、横方向に又は上下方向に整列している。

本発明では、バーナ４４は、両側のバーナ４４の炎を互いにチャンネル２２の側壁２８に向かって反射させるような向きに配置されている。バーナ４４を頂部２４に対して下向きに約０〜２０度の角度で傾斜させることも可能である。

図４に示すように、チャンネル２２は、チャンネル２２の頂部２４によって定められた面４６を有するのがよい、この面４６は、少なくとも１つのバーナポート４２を有している。バーナ４４は、バーナポート４２内に設けられている。好ましい実施形態では、複数のバーナポート４２が設けられ、バーナ４４は、バーナポート４２内に１つずつ設けられている。バーナ４４は、好ましくは、酸素着火バーナである。

バーナ４４は、面４６に対して垂直な平面Ｐ（例えば、実質的に上下方向の平面）内に、面４６に対して鋭角をなす角度Ｂの向きに配置される。本発明の１つの実施形態では、図４に示すように、バーナ４４は、チャンネル２２の上流端部３０に向かって、面４６に対して約５〜８５度の鋭角に差し向けられている。変形例として、図３に示すバーナ４４と同様、バーナ４４は、チャンネル２２の下流端部３２に向かって、面４６に対して約５〜８５度の鋭角に差し向けられてもよい。

図４に示すように、ポート又は孔４３が、チャンネル２２の端壁３６に設けられる。孔４３は、チャンネル２２のための排気口として使用される。本発明の別の実施形態では、孔４３は、別のバーナを支持するのに使用されるバーナポートである。図４に示すように、端壁３６のバーナポート４３内のバーナが、頂面４６に対して約１５度の角度の向きに配置されるのがよいけれども、その他の角度も本発明を実施するのに適している。例えば、もしバーナポート４３が端壁３６内にあるならば、バーナ４４は、端壁３６に対して約５〜９０度（水平方向）の任意の角度をなす。バーナポート４３が端壁３６及び頂面４６の交差部にあるとき、バーナ４４は、端壁３６に対して約５〜８５度の任意の角度をなす。

本発明の更に別の実施形態を図５に示す。本発明のこの実施形態によるチャンネル２２は、中間冷却チャンネル４８及びその両側に配置されたバーナ４４を有する複合チャンネルである。図示のバーナ４４がチャンネル２２の頂部に配置されているけれども、バーナ４４は、側壁２８内に配置されてもよい。本発明のこの実施形態は、いくらかの冷却が望まれるガラス容器形成工程等のより広範な着火ゾーンに有用である。かかる工程部は、典型的には、少なくとも５フィート（１．５ｍ）の幅を有するチャンネルに使用される。

図６に示すように、本発明に使用されることがあるバーナ設計は、チューブ型バーナのチューブである。酸素供給流５６が、チューブ６６に送られる。天然ガス供給流５８が、酸素供給チューブ６６の中心のところでバーナチューブ６８に送られる。チューブ６６、６８は、内側の天然ガス供給チューブ６８が外側の酸素供給チューブ６６の遠位端を越えて延びる同心のチューブであるのがよい。バーナブロック６０は、ムライト等の任意の高温耐火材で形成されるのがよい。バーナブロック６０は、天然ガス供給チューブ６８及び酸素供給チューブ６６を受入れる中央ボアを有し、燃焼ガスの膨張を許す円錐形出口部分を含むのがよい。好ましいバーナブロックは、燃焼ガスの低流量を可能にし、且つ、チャンネルの頂部へのバーナ４４の挿入を可能にする。チューブ設計のチューブは、ノズル及びバーナブロックにおける高温を防止するために、酸素とガスの制御された混合を提供する。燃料の流れは、２５，０００〜１５０，０００ｂｔｕ（２．６ｘ１０⁶〜１．６ｘ１０⁷Ｊ）の範囲である。

燃料と酸素の迅速な混合を防止する燃料チューブ６８が位置決めされている。バーナ４４は、チャンネルに沿って小さい高温炎を送出する。

本発明の上述した実施形態の各々では、バーナ４４は、その炎が頂部２４又は側壁２８に押し込まれないような向きに配置されるのがよい。更に、バーナ４４はまた、分離されるべきであり、炎は、過剰なレベルの熱がチャンネル２２内に達しないように弱められるべきである。これにより、頂部２４、側壁２８及び／又はバーナノズルを過熱させて耐火材料即ちバーナ４４に対する損傷を生じさせる危険を回避する。

本発明の前述の実施形態の各々において、バーナ４４は、ニューヨーク州、ニューハートフォード（New Hartford）のスペシャルメタル社（Special Metals Corporation ）から入手可能なインコネル（登録商標）合金等の高温ニッケル−クロム−モリブデン−ニオブ合金で形成されるのがよい。適当なインコネル（登録商標）合金は、６００，６０１、６１７，６２５、６２５ＬＣＦ、７０６，７１８、７１８ ７２５、７２５ＨＳ、ＳＰＦ、Ｘ−７５０、ＭＡ７５４，７８３、７９２、及びＨＸニッケルクロム合金を含む。ニッケル−クロム−モリブデン−ニオブ合金は、酸化、還元環境、腐食環境、高温環境、緩和抵抗及び機械的特性に対する良好な抵抗を有する。その他の適当なバーナ材料は、高温ステンレススチール、例えば、ミシガン州、テンペランス（Temperance）のロールドアロイズ（Rolled Alloys）から入手可能なＲＡ４１０、ＲＡ４１０Ｓ、ＲＡ１７４、ＲＡ３０４、ＲＡ３１６、ＲＡ３２１、ＲＡ３４７、ＲＡＭ３０３、ＲＡ３０４、及びＲＡ３１６を含む。

本発明の前述した実施形態の各々において、酸素流は、好ましくは、各バーナ４４について１時間当たり２０〜２００立方フィート（０．５６６〜５．６６３立方メートル）である。完全燃焼のための流量を必要とする任意のガスは、本発明を実施するのに適当である。酸素要求量は、典型的には、使用されるガスと独立している。

本発明のフロントエンドが有利であるのは、より少ないバーナしか使用せず、より少ないバルブ及び継手しか使用せず、少数の関連したマニホールド及びパイプしか使用しないからである。着火がより効率的であり、従って、より少ない燃料しか消費しない。結果として、燃料パイプの寸法が小さくなる。また、酸素配管のパイプの寸法は、空気配管に対して大幅に減少するので、設置コストも軽減される。

特許法の規定に従って、本発明の作動原理及び作動モードを、好ましい実施形態において説明し且つ図示した。しかしながら、本発明は、本発明の精神又は範囲から逸脱することなしに、特に説明し且つ図示した以外のやり方で実施してもよいことを理解すべきである。

以上、この適用例の発明を、一般的に且つ特定の実施形態に関連して説明した。本発明を、好ましいと考えられる実施形態について説明したけれども、当業者に知られる広範囲の変形例を一般的な開示物から選択してもよい。本発明は、特許請求の範囲の記載以外、によって限定されない。

従来技術のフロントエンドのチャンネルの平面断面図である。 チャンネルの側壁に互い違いに間隔をおいた、本発明の１つの実施形態によるチャンネルの平面断面図である。 バーナがチャンネルの側壁に対をなして間隔をおいた、本発明の他の実施形態によるチャンネルの平面断面図である。 バーナがチャンネルの頂部を一掃する、本発明の他の実施形態によるチャンネルの側面断面図である。 本発明の更に別の実施形態による多ゾーンチャンネルの正面断面図である。 本発明に有用なガス−酸素バーナの平面断面図である。

Claims (8)

1. ガラス形成工程部のためのフロントエンドであって、
   チャンネル（２２）を有し、前記チャンネルは、頂部（２４）及び側壁（２８）を有し、前記側壁は各々、構造耐火材料（４６）から構成された上側部分と、ガラス接触耐火材料から構成された下側部分とを有し、前記構造耐火材料の腐食に対する抵抗は、前記ガラス接触耐火材料の腐食に対する抵抗よりも小さく、前記チャンネルは、更に、上流端部（３０）と、下流端部（３２）と、複数の酸素着火バーナ用ポート（４２）を有する少なくとも１つの面と、を有し、
   更に、１つ又は２つ以上の酸素着火バーナ（４４）を有し、前記１つ又は２つ以上酸素着火バーナは、その炎が前記側壁に直接接触しないように傾けて配置され、前記酸素着火バーナは、熱を前記チャンネル内の溶融ガラスに供給して溶融ガラスを所望の作業温度に維持するように配置され、
   前記酸素着火バーナは、空気供給源なしに実質的に機能するように構成され、前記酸素着火バーナは、それに対応する前記酸素着火バーナ用ポートを貫いて延び、上流端部に向かって又は下流端部に向かって、前記少なくとも１つの面に対して鋭角に延び、且つ、前記上流端部と前記下流端部の間を前記少なくとも１つの面に対して垂直に延びる平面内に位置し、
   前記酸素着火バーナは、炎と燃焼生成物を前記チャンネルの長さ方向に沿って差し向けるように配置され、前記鋭角は、炎が前記側壁に直接接触しないような角度であり、 前記チャンネルは、更に、端壁（３６）と、底部（５４）と、有し、
   前記端壁は、構造耐火材料から構成された上側部分と、ガラス接触耐火材料から構成された下側部分と、を有し、
   更に、前記端壁内に配置された少なくとも１つの酸素着火バーナ用ポート（４３）を有し、
   前記チャンネルの底部は、前記端壁に近接した少なくとも１つのガラスオリフィスを有する、フロントエンド。
2. 少なくとも１つの前記酸素着火バーナ用ポートは、前記チャンネルの頂部にある、請求項１に記載のフロントエンド。
3. 前記酸素着火バーナの１つは、前記端壁の少なくとも１つの酸素着火バーナ用ポート内にあり、前記酸素着火バーナは、前記チャンネルの上流端部に向かって差し向けられる、請求項２に記載のフロントエンド。
4. 前記端壁の少なくとも１つの酸素着火バーナ用ポート内の少なくとも１つの酸素着火バーナは、前記端壁に対して約５〜９０度の範囲の角度をなす、請求項３に記載のフロントエンド。
5. 少なくとも１つの前記酸素着火バーナ用ポートは、前記チャンネルの側壁の前記面内にある、請求項１に記載のフロントエンド。
6. 前記側壁の１つの前記酸素着火バーナ用ポートは、前記側壁の他の１つの酸素着火バーナ用ポートと横方向に整列しない、請求項５に記載のフロントエンド。
7. 前記側壁の１つの前記酸素着火バーナ用ポートは、前記側壁の他の１つの酸素着火バーナ用ポートと横方向に整列する、請求項５に記載のフロントエンド。
8. 前記酸素着火バーナ用ポートは、約０．３〜１．５メートル間隔をおく、請求項１に記載のフロントエンド。

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