JP6259445B2 - ペレットおよびガラスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ペレットに関する。詳細には、本発明は、ガラスバッチ工程で使用するためのペレットに関する。本発明は、そのようなペレットの生産工程ならびにガラスの作製方法にも関する。

ガラスは、非晶質、非結晶性の固体物質である。ガラスは、一般的にもろく、光学的に透明なことが多い。ガラスは、そのガラス転移を通して結晶することなく固体まで冷却された無機溶融生成物と定義される。一般使用におけるほとんどのガラスの主成分は、シリカ（ＳｉＯ_２）である。

純粋なシリカは２０００℃の比較的高い熱力学融点を有し、２３００℃を超える工程温度を必要とする。純粋なシリカは、特殊用途のためのガラスに仕立てることができる。しかし、加工を簡素化するために、普通ガラスに物質を加えることが一般的である。ガラスのシリカに加えられる１つの構成成分は、必要な工程温度を約１５００℃に低下させる炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）である。

しかし、ソーダ（ガラス溶融物の炭酸ナトリウムから分解する、酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ））はガラスを水溶性にし、それは通常望ましくないので、より優れた化学的耐久性を提供するために石灰（酸化カルシウム、ＣａＯ）が加えられることが多い。同様に、より優れた化学的耐久性を提供するために、多少の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）および／または酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）が時には加えられる。多くのガラスは、それらの意図される機能に従い、それらの特性を変化させるために加えられる他の成分を有する。

普通ガラスは２段階工程で一般に生産され、その後様々な用途に適するように成形される。

第一段階は、バッチ混合である。ガラスを構成する成分の混合物（一般的に、少量の様々な他の微量成分と一緒に、シリカ、炭酸ナトリウム、炭酸カルシウムおよび再利用ガラス）は、混合されて均一な成分混合物を確保し、炉に入れられる。

第２の段階では、混合物はおよそ１５００℃に加熱され、そこにおいて、成分は溶融し、様々な化学反応が起こり、ＣＯ_２およびＳＯ_２が発生する。これらの化学反応は溶融ガラス（またはガラス溶液）を形成し、それは型に入れ、冷却することができる。

ガラス溶液を製造するために使用される最も一般的な炉は連続再生型であり、側面または末端のいずれかのポートが溶融室の内部とレンガチェッカとをつなぐ。チェッカは、熱交換体として作用することによって燃料を保存する。燃料燃焼生成物は流入する燃焼用空気を加熱する。溶融ガラスは清澄化され（気泡が除去される）、精製され（加熱を調節する）、次に最終生成物に従ってプレスされるか、ブローされるか、引き抜かれるか、伸ばされるか、またはフロートされる。

ペレット化された形でガラスバッチを作製する工程に関するものがある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、ルースなガラスバッチ、すなわちガラス溶液中で合わされた成分のルースな混合物、に関連する欠点が論じられている。ルースなガラスバッチは、多くのガラス製造工程で用いられる。ルースなガラスバッチは、計量、混合および投入の間にほこりっぽくなる傾向が強い。これは、バッチ調製およびガラス融解に関与する人々の健康を危険にさらす。

また、ルースなバッチの使用には、バッチ溶融工程の間に溶融室の上部から熱が失われるという欠点がある。この点に関しては、関与する温度を考慮すると、バッチ溶融は多くのエネルギの使用を必要とする。ガラス製造業者はエネルギの使用を最小にするよう、すなわちより効率的にし、このように環境影響を最小にし、費用を節約するように努めているので、熱損失は欠点である。また、ルースなバッチの使用には、バッチ溶融工程の間の長い滞留時間、低い熱活用効率になる欠点がある。

特許文献１には、ガラスバッチをペレット化するという考えが論じられている。ペレット化の間の粒状凝集またはペレットの形成は、より細かく分割された液体、例えば水または結合剤および水の溶液の同時注入の間にバッチに回転運動を付与することによって起こる。これらのペレットはほこりを発生しないので、ルースなバッチより容易に輸送され、健康により有害でない。

ガラスの製造手順の間、ガラスの固体構成成分の様々な構成要素の溶融が必要である。ガラス製造工程で用いられる以前のペレット化されたバッチおよび／またはルースなバッチは、ガラスで必要とされる構成成分の均一な混合物である。
ガラス製造工程での層状ガラスバッチペレットの使用が開示されている（例えば、特許文献２参照）。これらは、ペレットの内部から表面にかけて均一な組成物であると言われている。

特許文献２では、層状アプローチがガラスバッチペレットを比較的効率的な様式で形成する新しい方法として用いられた。特許文献２において生成されたペレットは、その主な用途が板ガラス、容器ガラス、照明用品、研究所用品、電球およびタンブラー、ならびにガラス繊維設備であるケイ酸塩ガラス組成物のためのガラスバッチペレットである。ペレット内の層は、同じ組成の層を提供する。
繰り返すと、特許文献２において生産されたガラスバッチペレットは、内部から表面にかけて均一な断面組成を有する。

層状ガラスバッチペレットの生産方法も論じられている（例えば、特許文献３参照）。この文書には、層状ガラスバッチペレットを調製するために用いられる、いわゆるランカスター混合機が記載されている。

ガラス溶融工程で互いに反応させるときに原材料バッチ構成成分によってとられる反応経路が論じられている（例えば、特許文献４参照）。特許文献４では、効率を低減させる構成成分の分離が起こるという、ガラス生産での問題点が特定されている。

特許文献４に指摘されている通り、米国のガラス産業だけでも、およそ２１００万トンのガラス製品を生産するために、２５０兆ＢＴＵを超える量が毎年用いられ、このエネルギのおよそ８０％は、天然ガスによって供給される。１トンのガラスを溶融するには、理論的にはわずか約２２０万ＢＴＵを必要とするはずであるが、現実には、損失および非効率性のためにそれは１トンにつき４５０万〜８５０万ＢＴＵの範囲内で変動する可能性がある。この考察を考慮すると、製造されるガラス１単位に必要とされるエネルギがより少なくなるように、ガラス製造をより効率的にする必要性が当技術分野にある。

この問題を軽減する１つの方法は、全体のバッチ組成物を炉溶融タンクに導入する前に、ガラスバッチレシピの特定の構成成分を選択的に予め合わせることである（例えば、特許文献４参照）。成分のこれらの組合せは、材料の異なる組合せをペレット化する間に形成される複数の個別の反応部材で形成される。

ペレット化された形のガラスバッチまたはルースなバッチを用いる一般的なガラス生産方法では、バッチは炉に導入され、炉の下部が熱勾配になっている。他のガラス生産方法では、炉の下部が一定温度になっている。全構成成分は炉内で一緒に混合され、ガラスの生産に最終的につながる多様で複雑な反応がある。

英国特許第１３３１６７３号明細書 米国特許第４４１８１５３号明細書 米国特許第４３５４８６４号明細書 国際出願ＰＣＴ／ＵＳ０３／０５９６２号

本発明者は、ガラス溶融工程でのガラス製造で用いられるペレットの製法を検討した。

本発明の第１の態様では、Ｎａ_２ＣＯ_３を含む第１の層と、該第１の層を取り囲むＳｉＯ_２およびＣａＣＯ_３を含む第２の層とを備え、前記第１の層が、Ｎａ_２ＣＯ_３全含有量の８１重量％以上のＮａ_２ＣＯ_３を含むガラスバッチ工程で用いられるペレットが提供される。

好ましくは、そこにおいて、前記第１の層が、Ｎａ_２ＣＯ_３全含有量の８１％、８２％、８３％、８４％、８５％、８６％、８７％、８８％、８９％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％のいずれか１つ、またはそれを超える重量％のＮａ_２ＣＯ_３を含む。

さらに好ましくは、そこにおいて、前記第１の層が、Ｎａ_２ＣＯ_３全含有量の９９．１％、９９．２％、９９．３％、９９．４％、９９．５％、９９．６％、９９．７％、９９．８％、９９．９％のいずれか１つ、またはそれを超える重量％のＮａ_２ＣＯ_３を含む。

有利には、そこにおいて、前記第１の層は、Ｎａ_２ＣＯ_３全含有量の１００重量％のＮａ_２ＣＯ_３を含む。
好ましくは、そこにおいて、ペレットは、前記第１の層によって取り囲まれる第３の層をさらに備える。

さらに好ましくは、そこにおいて、ペレットは、前記第１の層と第２の層の間に第３の層をさらに備える。
有利には、そこにおいて、ペレットは、第２の層を取り囲む第３の層をさらに備える。

好ましくは、そこにおいて、ペレットは、第４の層と、任意選択で少なくとも１つのさらなる層をさらに備える。
さらに好ましくは、そこにおいて、前記各層が連続的である。

有利には、そこにおいて、前記第１の層が少なくとも１つの脱色剤を備える。
好ましくは、そこにおいて、少なくとも１つの前記脱色剤が、セレン、亜セレン酸バリウムおよび／または酸化エルビウムを含む。

さらに好ましくは、そこにおいて、前記第１の層がＳｉＯ_２、ＣａＣＯ_３およびＮａ_２ＣＯ_３を含み、第２の層がＳｉＯ_２およびＣａＣＯ_３を含む。
有利には、そこにおいて、前記第１の層の構成成分の重量比は、ＳｉＯ_２が４０〜６０％、ＣａＣＯ_３が１０〜２０％、Ｎａ_２ＣＯ_３が２０〜５０％の範囲内である。

好ましくは、そこにおいて、前記第１の層の構成成分の重量比が、５０．００％のＳｉＯ_２：１４．４４％のＣａＣＯ_３：３５．５８％のＮａ_２ＣＯ_３である。
さらに好ましくは、そこにおいて、前記第１の層の構成成分の重量比が、５３．７７％のＳｉＯ_２：１４．４４％のＣａＣＯ_３：３２．２３％のＮａ_２ＣＯ_３である。

有利には、そこにおいて、前記第２の層の構成成分の重量比は、ＳｉＯ_２が８０〜９５％、ＣａＣＯ_３が５〜２０％の範囲内である。
好ましくは、そこにおいて、前記第２の層の構成成分の重量比が、８９．５７％のＳｉＯ_２：１０．４３％のＣａＣＯ_３である。

さらに好ましくは、そこにおいて、前記第２の層が、ＳｉＯ_２およびＣａＣＯ_３の混合物で主に構成される。
有利には、そこにおいて、前記第１の層、前記第２の層、および任意のさらなる層が、結合剤によって１つに結合される。

好ましくは、そこにおいて、前記結合剤が、水、ケイ酸ナトリウムの水溶液、炭酸ナトリウムの水溶液、粘土またはセメントである。
さらに好ましくは、そこにおいて、少なくとも１つの前記層が、ＭｇＯおよび／または少なくとも１つのアルミナ運搬体を含む。

有利には、そこにおいて、少なくとも１つの前記層が前記ＭｇＯを含み、好ましくは、そこにおいて、該ＭｇＯがドロマイトとして含まれる。
好ましくは、そこにおいて、少なくとも１つの前記層が少なくとも１つの前記アルミナ運搬体を含み、任意選択で、そこにおいて、該アルミナ運搬体が長石および／またはカオリンを含む、ならびに／または、そこにおいて、少なくとも１つの前記アルミナ運搬体がペレットの外層だけに含まれる。

さらに好ましくは、そこにおいて、ペレットは、バッチ工程によってガラスを調製するための全ての成分を含む。

本発明の他の態様では、ガラスバッチ工程で用いられるペレットを作製する方法であって、前記ペレットが、Ｎａ_２ＣＯ_３を含む第１の層と、該第１の層を取り囲む、ＳｉＯ_２およびＣａＣＯ_３を含む第２の層とを備え、前記第１の層が、前記ペレットにおけるＮａ_２ＣＯ_３全含有量の８１重量％以上のＮａ_２ＣＯ_３を含み、前記工程は、前記ペレットにおけるＮａ_２ＣＯ_３全含有量の８１重量％以上のＮａ_２ＣＯ_３を含む前記第１の層の構成成分をペレット化するステップと、前記第２の層の構成成分が前記第１の層の上に層を形成するように、ＳｉＯ_２およびＣａＣＯ_３を含む前記第２の層の構成成分ならびにペレット化された前記第１の層をペレット化するステップとを含む方法が提供される。

好ましくは、そこにおいて、前記第１の層が、前記ペレットにおけるＮａ_２ＣＯ_３全含有量の８１％、８２％、８３％、８４％、８５％、８６％、８７％、８８％、８９％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％のいずれか１つ、またはそれを超える重量％のＮａ_２ＣＯ_３を含む。

さらに好ましくは、そこにおいて、前記第１の層が、前記ペレットにおけるＮａ_２ＣＯ_３全含有量の９９．１％、９９．２％、９９．３％、９９．４％、９９．５％、９９．６％、９９．７％、９９．８％、９９．９％のいずれか１つ、またはそれを超える重量％のＮａ_２ＣＯ_３を含む。

有利には、前記第１の層によって取り囲まれるか、前記第１の層と前記第２の層との間にあるか、または前記第２の層を取り囲むかのいずれかである、第３の層をペレット化するステップをさらに含む。

好ましくは、第４の層と、任意選択で少なくとも１つのさらなる層をペレット化するステップをさらに含む。
さらに好ましくは、前記第１の層にガラスの微量成分を含めるステップをさらに含む。

有利には、前記第１の層に少なくとも１つの脱色剤を備えるためのステップをさらに含み、好ましくはそこにおいて、前記脱色剤がセレン、亜セレン酸バリウムおよび／または酸化エルビウムである。

好ましくは、そこにおいて、前記第１の層の構成成分をペレット化する前記ステップが、ＳｉＯ_２、ＣａＣＯ_３およびＮａ_２ＣＯ_３を含む混合物をペレット化することを含む。
より好ましくは、そこにおいて、前記第２の層の構成成分をペレット化する前記ステップは、ＳｉＯ_２およびＣａＣＯ_３を含む混合物をペレット化することを含む。

有利には、前記第１の層、前記第２の層、および任意のさらなる層を結合剤で１つに結合するステップをさらに含み、任意選択で、そこにおいて、前記結合剤が、水、ケイ酸ナトリウムの水溶液、炭酸ナトリウムの水溶液、粘土またはセメントである。

本発明の他の態様では、Ｎａ_２ＣＯ_３を含む第１の層と、該第１の層を取り囲むＳｉＯ_２およびＣａＣＯ_３を含む第２の層とを備える少なくとも１つのペレットをガラス溶融炉に導入するステップと、第１の層が前記ペレットにおけるＮａ_２ＣＯ_３全含有量の８１重量％以上のＮａ_２ＣＯ_３を含むステップと、少なくとも１つの前記ペレットを加熱してガラス溶液を生成するステップと、前記ガラス溶液を冷却してガラスを作製するステップとを含むガラスの作製方法が提供される。

好ましくは、そこにおいて、前記第１の層が、前記ペレットにおけるＮａ_２ＣＯ_３全含有量の８１％、８２％、８３％、８４％、８５％、８６％、８７％、８８％、８９％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％のいずれか１つ、またはそれを超える重量％のＮａ_２ＣＯ_３を含む。

さらに好ましくは、そこにおいて、前記第１の層が、前記ペレットにおけるＮａ_２ＣＯ_３全含有量の９９．１％、９９．２％、９９．３％、９９．４％、９９．５％、９９．６％、９９．７％、９９．８％、９９．９％のいずれか１つ、またはそれを超える重量％のＮａ_２ＣＯ_３を含む。

本発明の他の態様では、上述したいずれかの少なくとも１つの前記ペレットを反応容器に導入するステップと、少なくとも１つの前記ペレットを加熱してガラス溶液を生成するステップと、前記ガラス溶液を冷却してガラスを作製するステップとを含む、ガラスの作製方法が提供される。

本発明の実施形態は、添付図を参照して下に記載される。

本発明の非限定な一実施形態によるペレットを示す全体図である。 図１のペレットの２方向の断面を示す断面図である。 本発明の２つのペレットの溶融生成物の写真をそれぞれ示す図である。 本発明の２つのさらなるペレットの溶融生成物の写真をそれぞれ示す図である。 本発明の一実施形態による、方策１のペレットの状態図である。 本発明の一実施形態による、方策２のペレットの状態図である。 本発明のガラスバッチ炉の概略図である。 本発明の３つの異なるペレットの溶融生成物のＸ線回折パターンを示す図である。 本発明の代替ガラスバッチ炉の概略図である。

層状ガラスペレットの製造手順
本発明による１つまたは複数の層状ガラスペレットを製造することは、任意に含まれる水分について先ず補正された、第１の層に含有される材料の所定量が正確に計量される逐次的なバッチ工程を必要とする。これらの成分は適する混合機に導入され、均質化される。第１の層の成分が完全に混合されると、必要ならば適する結合剤が加えられる。

適する結合剤には、業界で一般に入手できる水、ケイ酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、有機および無機の化学結合剤ならびにセメント剤が含まれるが、これらに限定されない。第１の層の構成成分の混合は、粒状化が起こるまで連続される。様々な時間、エネルギ、温度および乾燥の必要性は、混合機の各タイプに特異的であり、必要に応じて選択することができる。

第１の層の形成に続いて、１つの混合デバイスまたは直列のいくつかの混合デバイスのいずれかの逐次的工程で、構成要素の進行性の層が第１の層に加えられる。各層の形成は、所望の層構成成分の前計量および混合を必要とする。様々な時間、エネルギ、温度および乾燥の必要性は、混合機の各タイプに特異的であり、必要に応じて選択することができる。

本発明によるペレットを調製する後期段階では、それぞれペレットを強固にし、乾燥させる、またはガラスバッチに最終的に添加するためにペレットを調整することに、各層の構成成分の予熱または乾燥を用いることができる。

混合、ブレンディング、第１の層のペレット化および以降のさらなる重層は、一連の異なる混合段階で行うこともできる。これは、用いられる混合機および使用者の好みに依存し、すなわち、これはペレットによって製造されるガラスのタイプ次第であってよい。
特許文献２には、本発明の一実施形態による層状ガラスペレットを調製するために用いることができる混合機が記載されている。

層状ペレットを形成するための例示的な工程では、層混合物の各々はプレブレンドされ、破砕され、および／または、必要に応じて、限定されずにジョークラッシング、ロール練りおよびボールミル粉砕を含む、適した方法によって磨砕される。限定されない一例として、図１に関して下記で論じられるペレットでは、２層ペレットが調製された。特定の一実施形態に関して以下に記載される工程は、ペレットの各層の所望の構成成分が逐次的に導入されるように改変することができる。

第１の層の所望の量が、Ｅｉｒｉｃｈ（商標）パンペレタイザーに置かれた。例示的なＥｉｒｉｃｈ（商標）パンペレタイザーは、小さなＲ１１タイプから生産タイプ、例えばＤＥ２２タイプまで様々である。しかし、他のタイプのパンペレタイザーが用いられてもよい。Ｅｉｒｉｃｈ（商標）パンペレタイザーは、２０〜２００ｒｐｍのパン回転速度および０〜５００ｒｐｍの混合機アーム回転速度で運転された。パンと材料の温度は、０から６０℃の間に制御された。

材料がパン周囲を転がる間に、５〜５０％水溶液に溶解した結合剤の微細ミスト散布を導入し、選択された結合剤の乾燥重量に対して０．５〜２％を加えた後、この場合ケイ酸ナトリウム溶液（しかし、他の結合剤を用いることもできる）を、材料を微細ペレットに凝集させるように導入した。ペレット形成は数秒以内に起こったが、ペレットが均一なサイズおよび形状（一般に球状）に到達するのに５分かかってもよい。

ペレットが類似したサイズになったならば、次の層を導入するために２つの可能性が採用された。

第１の可能性は、ペレットを排出し、正しく計量され、バッチ処理された均整のとれた第２の層の添加によって、一連の類似した混合機でペレットを逐次的にさらに層状化することであった。新たに加えられた材料が既存のペレットに優先的に付着するように、成長するペレットの表面を湿ったままにするために、さらなる結合剤の添加と一緒に、第２の層のための材料を導入した。第２の層の構成成分の量およびサイズに従い、第２の層の形成は、５秒から５分を要する。

第２の可能性は、第２の層のための材料を、第１の層の形成で作製されたペレットと同じペレタイザーに導入することである。
この第２の可能性では、新たに加えられた材料が既存のペレットに優先的に付着するように、成長するペレットの表面を湿ったままにするために、さらなる結合剤の添加と一緒に、第２の材料を徐々に導入した。

任意の所望のさらなる層のための任意のさらなる材料を、次に同様に導入した。
上記の両選択肢からもたらされるペレットは、およそ８ｍｍの寸法であった。試験および評価、ならびにガラス製造工程での以降の使用に備えて、１１０℃のファン付きのオーブンにペレットを次に移し、恒量まで乾燥させた。

所望の層数の最終ペレットが形成されるまで、層形成の類似した工程は以降の各層で起こり、任意のセットのペレットの特定の目的のために、各層はそれ自身に化学的組成を有する。その所望のガラスバッチ化学のための特定の性質をペレットに与え、溶融工程の最適な運転に望まれる化学的放出組成を有するように、層を選択することができる。

層状ペレットの一例
ここで図１に言及すると、上で示すように製造することができるペレットが示される。
図１に示される非限定例は、円筒形ペレットに近似している、ガラスバッチ工程で使用するためのペレット１に関する。図１のほぼ円筒形のペレットは、内筒Ｃ_ｉｎ（図１で灰色のブロックとして示される）および外筒Ｃ_ｅｘ（図１で網状で示される）を有する。

図２Ａは、図１の非限定ペレットを、線Ａ−Ａで示される軸に沿った断面図を示す。図２Ａは、内筒が第１の直径ｄ_ｉｎを有すること、および外筒が第２の直径ｄ_ｅｘを有することを示す。

図２Ｂは、図１の非限定ペレットを、線Ｂ−Ｂで示される軸に沿った断面図を示す。図２Ｂは、内筒が第１の高さｈ_ｉｎを有すること、および外筒が第２の高さｈ_ｅｘを有することを示す。

実験のために、すなわち、ペレットが図１および図２で示す寸法を有し、以下の記載で示す構成要素部分を有することを確実にするために、これらの例でのペレットは、プレスを用いて生産された。内筒の構成成分を混合し、次にプレスして内筒を形成した。外筒の構成成分を次に混合し、前に形成された内筒の周囲に導入し（任意選択で結合剤の存在下で）、次にプレスして内部および外部の円筒を備える円筒を形成した。この形成工程は、図には示されていない。他の実施形態では、ペレットは、代替形状、例えば一般に円筒形、プリズム状または他の任意の３次元形状であってもよい。上記に示すように、本発明によるペレットは、パンペレット化によって形成することもできる。

図１に示す一般に円筒形のペレットを考慮すると、内部および外部の円筒の容量は、以下の通りに計算することができる。

内筒Ｖ_ｉｎの容量：

固定されたｄ_ｉｎでプレスする間のプレスツールの使用は、以下の高さの円筒を与える：

外筒の容量Ｖ_ｅｘは以下の通りである：

固定されたｄ_ｅｘでのプレスツールの使用は、高さｈ_ｅｘ＝ｈ_ｉｎ＋Δｈの円筒を与え、したがって：

および、

非限定例で調製および試験されたペレットの例では、ｄ_ｉｎ＝１．６ｃｍ、ｄ_ｅｘ＝２．０ｃｍ、ρ（材料の密度）は１．６ｇｃｍ^−３で概算され、ｍ_{ｔｏｔａｌ}（各ペレットの総質量）は１２ｇであった。したがって、概算で、ｈ_ｉｎ＝１．９ｃｍおよびｈ_ｅｘ＝２．４ｃｍが得られる。

内部および外部の円筒のどの組成物が最も好ましい溶融特性をもたらしたかについて試験するために、２つの異なる方策を用いた。図５（方策１を示す）および図６（方策２を示す）で示す状態図によると、各方策は異なる溶融経路をもたらした。

方策１および方策２は両方とも同じ目的、すなわち、溶融の初期においてできる限り多くのカルシアを再吸収することを目指す。方策１では、一次溶融物は、低粘度および未溶解砂への高親和性を有する塩状の融剤である。これは、溶融開始の比較的高い温度を犠牲にして到達される。方策２では、一次溶融物はより塩状でなく、未溶解砂への親和性はいくぶんより低いが、溶融開始温度はかなりより低い。両方策は、塩状の性質故に未溶解砂への高い親和性および低い溶融開始温度の特徴のさらにより優れた均衡を見出すことができる非限定例である。

図５および図６がソーダ灰、石灰石および砂だけを含有する簡単なモデルバッチに関する限り、境界は非限定である。他の例示的なガラスバッチでは、対応する系は、以下の３つの必須構成成分を含む：
モデル砂構成成分（複数可）：砂、Ａｌ_２Ｏ_３担体、例えば、長石、ベンガラおよび／または高い融点の任意の酸化原材料。
モデル石灰石構成成分（複数可）：石灰石および／またはドロマイト。
モデルソーダ灰構成成分（複数可）：ソーダ灰、任意の清澄化剤、石炭、任意の着色剤および／または脱色剤。

これは、上記のカテゴリーのいずれかへの少量のバッチ構成要素（清澄剤、石炭、着色剤、脱色剤など）の割当てを任意に変更する決定を制限しない。

結果として、プレミックスの組成は、用いられる具体的なガラス組成および具体的な原材料ベースに依存する。しかし、一般の方策は、常に同一である。プレミックスは、カルシアおよび苦土の高い含有量を有し、砂への高い親和性、およびこれらの条件下で達成できる最も低い溶融開始温度を有する、塩状の低粘度の融剤を生成するように設計される。ポストミックスは、カテゴリーモデル砂およびモデル石灰石（上記参照）で要約される残留量を含有する。

一方の円筒は他方の内部にある２つの円筒で構成されるペレットを、上記の考慮事項に従って調製した。各円筒は、下記の方策１または方策２のいずれかによって異なる組成を有した。下記の方策１および方策２は、これらの例での、各円筒内部の円筒の構成成分を示す。これらの方策を、下記の表１および表２に示す：

表１の方策１は、バッチ溶融工程によってガラスを調製するためにバッチ中で合わせることができる砂、石灰石およびソーダ灰の混合物の非限定例を示す。表１は、層状ペレット内の２つの層の構成要素を示す。プレミックスは、第１の層内にあり、ポストミックスは第２の層内にある。外筒としてポストミックス層を有し、内筒としてプレミックス層を有する試験、およびそれらを入れ替えた試験も実施した。

一般的に言って、方策１は、メタケイ酸塩合流点からの塩状の一次溶融物を利用する。方策１による組成物を用いると、溶融は低液相線低粘度の塩状の溶融物から開始する。系がメタケイ酸塩合流点にとどまるように、砂がバランスよく加えられる。一次溶融物は速やかに消滅し、固体ケイ酸塩を残す。二次溶融は１１２０℃までは開始せず、その後、速やかに最終組成物に向かって進む。言い換えると、方策１は一般に低い粘度を利用し、それは溶融物中でより移動性の組成物であるので、溶融は方策２（下記参照）より遅くに開始する。

表２の方策２は、バッチ溶融工程によってガラスを調製するためにバッチ中で合わせることができる砂、石灰石およびソーダ灰の混合物の非限定例を示す。表２は、層状ペレット内の２つの層の構成要素を示す。ポストミックスは、第１の層内にあり、ポストミックスは第２の層内にある。外筒（層）としてポストミックス層を有し、内筒（層）としてプレミックス層を有する試験、およびそれらを入れ替えた試験も実施した。

一般的に言って、方策２は、低温共融混合物を利用する。方策２を用いると、溶融の開始時には低液相線および高粘度ケイ酸塩溶融体がある。ＣａＯの主要部分が溶融物に再吸収される量で、石灰石が加えられる。固体の三元ケイ酸塩が沈殿し、２２重量％の溶融物が残る。二次溶融は、最終組成物に向かって着実に進行する。言い換えると、方策２は一般に高い粘度を利用し、それは溶融物中でより活動的な組成物であるので、溶融は方策２（下記参照）より早くに開始する。

以下の議論では、表３に示すように方策が比較され、言及される：

上記の命名法に従って、プレミックス層を内筒とし、ポストミックス層を外筒とする、方策１によって形成されたペレットは、ＰＲＥ−Ｓ１と命名される。

図３Ａおよび図３Ｂは、方策１を用いて形成されたペレットの溶融生成物を示す写真である。図３Ａは、内筒としてのプレミックスの使用を示す。図３Ｂは、内筒としてのポストミックスの使用を示す。ペレットは、１分につき１０℃の速度で、炉で１３００℃まで焼かれた。１３００℃に到達すると、炉は１時間放置した。生成物を冷却させ、写真を撮った。

図４Ａおよび図４Ｂは、方策２を用いて形成されたペレットの溶融生成物を示す写真である。図４Ａは、内筒としてのプレミックスの使用を示す。図４Ｂは、内筒としてのポストミックスの使用を示す。ペレットは、１分につき１０℃の速度で、炉で１３００℃まで焼かれた。１３００℃に到達すると、炉は１時間放置した。生成物を冷却させ、写真を撮った。

内筒としていわゆるプレミックスを設けることが、一般に均一であるガラス生成物をもたらすことを、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａおよび図４Ｂから見ることができる。対照的に、内筒としてポストミックスを置くことは、外筒（プレミックス）からの溶融生成物で囲まれたスタンプ、すなわち一般に固体の塊をもたらす。プレミックスを、ポストミックスによって囲まれたペレットの内部に置くことが好ましい。

方策１および方策２の両方のプレミックスは、ＳｉＯ_２、ＣａＣＯ_３およびＮａ_２ＣＯ_３を含有する。方策１および方策２のポストミックスは、ＳｉＯ_２およびＣａＣＯ_３を含有するが、Ｎａ_２ＣＯ_３は含有しない。理論によって縛られることを望むことなく、Ｎａ_２ＣＯ_３を有していないポストミックスは、Ｎａ_２ＣＯ_３を必然的に含むプレミックスより反応性および流動性が弱いと思われる。

例示的なペレットの外側により反応性でないポストミックス層を有することは、溶融物内が高温の場合、プレミックスは反応するが、プレミックス内での反応によって発生するＣＯ_２の一部を含有する作用をするポストミックスに結合することを意味する。組成が均一であるペレットと比較して増加したこの気圧は反応速度を増加させ、ペレットは、溶融構成成分と例示的ペレットの外部表面との反応によって内側から外側に、ならびに外側から内側に向かって反応する。

ポストミックス（外層）に全ペレットの１９重量％を超える総Ｎａ_２ＣＯ_３を置くことは、焼いた後のスタンプの形成をもたらすことが分かっている。ポストミックス（外層）に全ペレットの１９重量％以下、例えば、１８％、１７％、１６％、１５％、１４％、１３％、１２％、１１％、１０％、９％、８％、７％、６％、５％、４％、３％、２％、１％または０％のいずれか１つを置くことは、焼いた後のスタンプの形成をもたらさない。重量換算でより少ないＮａ_２ＣＯ_３がポストミックス（外層）に存在するほど、ペレットの溶融特性はより優れる。

これらの例では、異なる層のための結合剤は、水およびケイ酸ナトリウムの溶液である。他の実施形態では、異なる層のための結合剤は、アルカリ金属炭酸塩の水溶液または別の適する結合剤であってもよい。

これらの例では、ペレットは円筒に近似している。ペレットの例の異なる構成要素の容量および量を測定するのに必要な計算を示すために、この例は選択された。ペレットは他の形状およびサイズとなるように作製することができ、例えばペレットは、卵形、円筒、プリズム、直平行六面体、立方体、錐体、円錐体または任意の他の３次元の形状に近似するものでもよい。

ペレットの層は、第１の層に等しい３次元形状であるか、異なる形状であってもよい。上記の重要な計算は、ガラス溶融の反応径路を必要に応じて制御することができるように、各物質の量が好ましい組成を有する層に到達することである。

異なる置換基で構成される異なる層を有すること、および、ガラス溶融の出発材料の１つとして上記の非限定例からのペレットを用いることによって、それらが好ましい経路をたどるようにガラス溶融の反応経路を制御することができる。ガラス溶融炉でより速い溶融速度を提供することは、生産される単位ガラスあたりの、炉を加熱するために使用されるエネルギを少なくする。

図１の非限定例では、内層が外部の雰囲気に接触しないという点で、すなわち、外層が内層を取り囲むという点で、それらの層は連続的である。他の実施形態では、層は連続的でない。例えば、１つの層は別の層または第１の層を覆うことができるが、その層の中には、別の層の構成要素が別個の粒状形で存在してもよい。

溶融生成物、すなわち特定のペレットを加熱した後に生成する一般に凝固したガラスを、Ｘ線回折によって分析した。生じた溶融生成物に存在するクリストバライトの量の質的指標を与えるために、この場合Ｘ線回折を用いた。存在するクリストバライトの量は、残留（すなわちまだ未溶解の）砂の量の直接的な測度である。工業用ガラスの溶融工程では、完全な砂溶解のための時間要求量が、透明で使用可能な溶融物を得るのに必要とされる炉内での全滞留時間を事実上決定する。したがって、それは溶融の生産性ならびに熱利用効率を決定する。

図８から分かるように、生じるクリストバライトは、方策２＜方策１＜方策０の順序でより少ない。これは、方策１および方策２が方策０より非常に優れた溶融特性（未溶解砂がより少ない）を提供することを示す。特定の例では、方策２は方策１よりわずかに優れた溶融特性をもたらす。

特に所望の化学的組成を有するガラスを最終的に提供するために、多少の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）および／または酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）をペレットの１つまたは複数の層に加えることができる。一実施形態では、層のいずれか１つに、ＣａＣＯ_３の一部の代わりにＭｇＯがドロマイトとして加えられる。一実施形態では、層のいずれか１つに１つまたは複数のアルミナ運搬体を加えることができる。アルミナ運搬体には、長石および／またはカオリンが含まれる。特定の実施形態では、１つまたは複数のアルミナ運搬体は、好ましくはペレットの外層に加えられる。

ガラスの作製方法
図７に言及すると、ガラス溶融炉２２が模式的に表される。上記の方法を用いていくつかのペレット２０が作製された。ペレット２０は、ガラス溶融炉２２に導入される。ペレット２０は、図１に図示され、上記で論じられるタイプのものであってよい。

ガラス溶融炉２２は、ヒータ（図示省略）で加熱される。ガラス溶融炉２２は、その全長に沿って一定温度まで加熱することができる。ガラス溶融炉２２は、その長さの全体または一部に沿って温度が漸増してもよい。矢印２３は、炉の上部から炉の底部までの温度の増加を一般に示す。炉の底部で、矢印２５は、ガラス炉２２でそれが溶融し、反応したときの、溶融ガラスの流路を示す。炉から取出された溶融ガラスは、溶融ガラスの標準の通りに加工すること、例えばガラス枠および他のガラス商品を作製することができる。

図７の破線２１および２４によって示される２つの境界線がある。これらの２つの境界線は、ガラス炉２２内の反応体の間の異なる界面を一般に示す。ペレット２０がガラス炉に加えられるとき、それらは固体ペレットである。ペレットの異なる層は逐次的に、および異なる温度で溶融し、ガラス炉２２を出口（矢印２５によって示される）に向かって下る。破線２１および２４によって示される界面では、ペレットの異なる層は、既に溶融しているガラス溶融物と反応する。言い換えると、線２４の後には、ペレットの内容物の全てが溶融し、反応している。

界面２４では、例えば、溶融ガラスはペレットの異なる層と反応する。
ペレットの層数、炉の全長に沿って選択される温度、およびペレットの各層の特異的化学に従い、線２１および２４によって一般に示される界面がより多く、または少なく存在してもよいという意味で、図２は模式的である。

他の実施形態では、ガラスペレット２２０は、浅いタンクに導入される（図９）。この実施形態では、主流は、図９の２２５の矢印によって一般に示される水平方向に進行する。バッチ２２１は、溶融物の上を浮遊する。熱いガラス流の渦がバッチの下を流れ、バッチに余分の熱を運ぶ。したがって、バッチは上と下の両方から溶融する。第１の渦（図９の左側）の中では、残留砂が溶解される。清澄化工程（溶融物から気泡を追い出す）は、第２の渦（図９の左側）によって支配される空間で起こる。精製（残留気泡の再吸収、コンディショニング）は、矢印２２５の後の空間で起こる。この区画は、精製室と呼ぶことができる。

炉設計によっては、溶融室２２２は、狭い穴（炉口、容器ガラスに典型的）、またはわずかに狭い流路（ウエスト、フロートガラスに典型的）によって、精製室から切り離すことができる。図９の２２３は、炉の長軸方向軸に沿った一般的な温度分布を示す。最も高い温度はいわゆるホットスポット２２６で満たされ、それは、同時に、ガラス溶融物の強力な上方流を有するスプリングポイントである。

本発明のペレットは、ガラスを作製するために用いることができる。図７で模式的に示され、上記で論じられるように、ガラスを作製するための１つの例示的な工程は、ガラス溶液を既に含有する炉の上部へのペレットの添加を必要とする。ガラスを作製するための別の例示的な工程は、上記で図９を参照して示される。

ガラス溶液に言及するとき、ガラス溶融の異なる段階および／または特色が起こる温度に関して、ガラス溶液の熱力学に言及することが一般的である。例えば、ガラス溶液の特定の粘度に到達する温度に言及することが一般的である。

例示的なペレットでは、図１に示し、上記のように、外層Ｃ_ｅｘはＮａ_２ＣＯ_３をほとんど、またはまったく含有しないので、内層Ｃ_ｉｎより一般的に反応性が弱い。

内層Ｃ_ｉｎは、外層Ｃ_ｅｘより活動的で、流動的である。実際、外層Ｃ_ｅｘは内層より反応性が弱いので、Ｃ_ｅｘは一般的に溶融生成物を封じ込め、内層Ｃ_ｉｎのガス放出を遅くし、全てのペレットが溶融して液相線状態に入る温度に到達するまで、内層Ｃ_ｉｎが溶融して内部から外部に向かって反応する速度を増加させる。

層の各々の溶解の各段階の相対効率は、第１の層の中に気泡形成剤を放出する薬剤、例えば硫酸ナトリウムを導入することによって向上させることができる。

図８のＸ線回折パターンに基づき、すなわちピーク高さに基づき、石英溶解は、方策０と比較して方策２では約２５％、方策１では約５０％より高速である。本発明のペレットを用いて形成されたガラス溶融物を撮影した画像は、同じ比を示唆する。

ガラス溶融工程では、２４時間の総滞留時間を仮定する（石英溶解のために１２時間、および清澄化のために１２時間）。清澄化工程がいずれの場合にも同一の時間を必要とすることを考慮すると、炉内での全滞留時間は方策１のペレットでは２０時間に、方策２のペレットでは１５時間に短縮することができた（これらの方策は上記で説明されている）。そこで、一般的な周知のペレットと比較して、本発明のペレットを用いたガラス溶融工程では、少なくとも１５％の能率の向上が予想される。効率のこの向上は、エネルギ消費の類似した低減百分率に反映される。能率の向上のこの推定値は、おそらく過小評価しすぎであろう。これは、より大きなエネルギ節約の可能性がある、方策２の下でのペレットで特にそうである。公知のペレットと比較したとき、本発明のペレットは、ガラス溶融工程で用いた場合、エネルギ消費の少なくとも１５〜２０％の節減をもたらすと予想される。

ガラスバッチのペレット化は、一般的な概念である。本発明により、バッチペレットの組成は、全体で、製造されるガラスのタイプで予想される限度の範囲内に化学作用を保つ。しかし、ペレットは重層工程で調製される。重層工程は、より低いエネルギ消費、全体的な、および向上した効率を可能にする溶融段階で、より低い動態学的制約でガラスが作製されることを可能にする。

本発明のペレットを用いて作製される特定の非限定ガラスの全組成を、表７および表８に示す。全組成の成分は、本発明によるペレットとして調製される。

本発明の他の態様では、第１の層、例えば図１に関して記載されるペレットのＣ_ｉｎには、脱色剤（例えばセレン、亜セレン酸バリウムおよび酸化エルビウム）が備えられていてもよい。清澄化剤、着色剤および脱色剤は、揮発性で、ガラス溶融工程の間に発火する傾向がある。第１の層に脱色剤を備えることによって、それらの発火する傾向は低減される。言い換えると、ペレットの第１の層に脱色剤を備えることによって、揮発によって無駄になる量が少ないので、より少ない脱色剤しか必要とされない。これは、すなわち無駄になる材料を少なくすることによって、経費を節減し、効率を向上させる。

この明細書および請求項で用いられるとき、用語含む、含んでいる、およびその変異形は、特定の特徴、工程または整数が含まれることを意味する。この用語は、他の特徴、工程または構成成分の存在を排除するものと解釈されるものではない。

前述の記載、または以下の請求項、または添付図において開示され、それらの特異的形、あるいは開示された機能、または開示された結果を達成するための方法もしくは工程を実施するための手段で適宜表される特徴は、別々に、またはそのような特徴の任意の組合せで、その多様な形で本発明を実現するために利用することができる。

Claims (25)

1. Ｎａ_２ＣＯ_３を含む第１の層と、
   該第１の層を取り囲むＳｉＯ_２およびＣａＣＯ_３を含む第２の層とを備え、
   前記第１の層が、Ｎａ_２ＣＯ_３全含有量の８１重量％以上のＮａ２ＣＯ３を含むガラスバッチ工程で使用するためのペレット。
2. 前記第１の層が、Ｎａ_２ＣＯ_３全含有量の８１％、８２％、８３％、８４％、８５％、８６％、８７％、８８％、８９％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％のいずれか１つ、またはそれを超える重量％のＮａ_２ＣＯ_３を含む請求項１に記載のペレット。
3. 前記第１の層が、Ｎａ_２ＣＯ_３全含有量の９９．１％、９９．２％、９９．３％、９９．４％、９９．５％、９９．６％、９９．７％、９９．８％、９９．９％のいずれか１つ、またはそれを超える重量％のＮａ_２ＣＯ_３を含む請求項１または請求項２に記載のペレット。
4. 前記第１の層が、Ｎａ_２ＣＯ_３全含有量の１００重量％のＮａ_２ＣＯ_３を含む請求項１から請求項３のいずれかに記載のペレット。
5. 前記第１の層によって取り囲まれる第３の層をさらに備える請求項１から請求項４のいずれかに記載のペレット。
6. 前記第１の層と前記第２の層との間に第３の層をさらに備える請求項１から請求項４のいずれかに記載のペレット。
7. 前記第２の層を取り囲む第３の層をさらに備える請求項１から請求項４のいずれかに記載のペレット。
8. 第４の層と、少なくとも１つのさらなる層とを備える請求項１から請求項７のいずれかに記載のペレット。
9. 前記各層が途切れのない連続した層である請求項１から請求項８のいずれかに記載のペレット。
10. 前記第１の層が少なくとも１つの脱色剤を備え、
    該少なくとも１つの前記脱色剤が、セレン、亜セレン酸バリウムおよび／または酸化エルビウムを含む請求項１から請求項９のいずれかに記載のペレット。
11. 前記第１の層がＳｉＯ_２、ＣａＣＯ_３およびＮａ_２ＣＯ_３を含み、
    前記第２の層がＳｉＯ_２およびＣａＣＯ_３を含む請求項１から請求項１０のいずれかに記載のペレット。
12. 前記第１の層の構成成分の重量比は、
    ＳｉＯ_２が４０〜６０％、
    ＣａＣＯ_３が１０〜２０％、
    Ｎａ_２ＣＯ_３が２０〜５０％の範囲内である請求項１１に記載のペレット。
13. 前記第１の層の構成成分の重量比が、５０．００％のＳｉＯ_２：１４．４４のＣａＣＯ_３：３５．５８％のＮａ_２ＣＯ_３である請求項１１または請求項１２に記載のペレット。
14. 前記第１の層の構成成分の重量比が、５３．７７％のＳｉＯ_２：１４．４４のＣａＣＯ_３：３２．２３％のＮａ_２ＣＯ_３である請求項１１または請求項１２に記載のペレット。
15. 前記第２の層の構成成分の重量比は、
    ＳｉＯ_２が８０〜９５％、
    ＣａＣＯ_３が５〜２０％の範囲内である請求項１１から請求項１４のいずれかに記載のペレット。
16. 前記第２の層の構成成分の重量比が、８９．５７％のＳｉＯ_２：１０．４３％のＣａＣＯ_３である請求項１５に記載のペレット。
17. 前記第２の層が、ＳｉＯ_２およびＣａＣＯ_３の混合物で主に構成される請求項１５に記載のペレット。
18. 前記第１の層、前記第２の層、およびさらなる層が、結合剤によって１つに結合される請求項１から請求項１７のいずれかに記載のペレット。
19. 前記結合剤が、水、ケイ酸ナトリウムの水溶液、炭酸ナトリウムの水溶液、粘土またはセメントである請求項１８に記載のペレット。
20. 少なくとも１つの前記層が、ＭｇＯ、および／または、長石およびカオリンから選択される少なくとも１つのアルミナ運搬体を含む請求項１から請求項１９のいずれかに記載のペレット。
21. 少なくとも１つの前記層が前記ＭｇＯを含み、該ＭｇＯがドロマイトとして含まれる請求項２０に記載のペレット。
22. 前記アルミナ運搬体がペレットの外層だけに含まれる請求項２０に記載のペレット。
23. バッチ工程によってガラスを調製するための全ての成分を含む請求項１から請求項２２のいずれかに記載のペレット。
24. ガラスバッチ工程で使用するためのペレットを作製する方法であって、
    前記ペレットが、Ｎａ_２ＣＯ_３を含む第１の層と、該第１の層を取り囲む、ＳｉＯ_２およびＣａＣＯ_３を含む第２の層とを備え、前記第１の層が、前記ペレットにおけるＮａ_２ＣＯ_３全含有量の８１重量％以上のＮａ_２ＣＯ_３を含み、
    前記工程は、前記ペレットにおけるＮａ_２ＣＯ_３全含有量の８１重量％以上のＮａ_２ＣＯ_３を含む前記第１の層の構成成分をペレット化するステップと、前記第２の層の構成成分が前記第１の層の上に層を形成するように、ＳｉＯ_２およびＣａＣＯ_３を含む前記第２の層の構成成分ならびにペレット化された前記第１の層をペレット化するステップとを含む方法。
25. 請求項１から請求項２３のいずれかに記載の少なくとも１つのペレットを反応容器に導入するステップと、
    少なくとも１つの前記ペレットを加熱してガラス溶液を生成するステップと、
    前記ガラス溶液を冷却してガラスを作製するステップとを含むガラスの作製方法。
    

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