JP6624750B1 - ガラス繊維製造用ブッシング - Google Patents

Abstract

【課題】不規則現象の発生を抑制し、均一なガラス流れを長期的に安定して形成することができるガラス繊維製造用ブッシングプレートを提供する。【解決手段】本発明は、ベースプレートと、溶融ガラスを吐出する複数のノズルとを備え、前記複数のノズルを整列配置してなるノズル群を前記ベースプレートに接合してなるガラス繊維製造用のブッシングに関し、前記ノズル群の、少なくとも最外層の列を構成するノズルについて、セラミックスからなるコーティング層が形成されている。コーティング層は、ノズル全体を被覆している必要はなく、その先端付近にコーティング層がない状態であってもよい。【選択図】図４

Description

本発明は、溶融ガラスからガラス繊維を製造するためのブッシングに関する。詳しくは、長期間の装置運用に際して安定的にガラス流を吐出してガラス繊維の紡糸が可能なガラス繊維製造用ブッシングに関する。

ガラス繊維は、ガラス原料（カレット）を高温加熱した溶融ガラスを清澄・均質化して得られたガラス素地をブッシングに供給して製造される。このガラス繊維製造用のブッシングは、ガラス繊維を吐出するブッシングプレートを底面に備えた箱型容器である。そして、ブッシングプレートは、ベースプレートの底面に、多数のノズルを整列配置して取り付けたものであり、このノズルからガラス素地が繊維状となって吐出される。ノズルから吐出されたガラス繊維は冷却されつつ巻き取られる。このブッシングを使用したガラス繊維の製造工程の例としては、特許文献１記載の方法がある。

ガラス製造用のブッシングプレートは、白金や白金合金等の貴金属材料で構成されるのが一般的である。貴金属材料は、化学的安定性、高温強度に優れ、特に高温クリープ特性が良好であり、ガラス製造装置のような高温下で応力負荷を受ける構造体の構成材料として適格である。

特表２００１−５１３４７８号公報

白金等の貴金属材料からなるブッシングは、溶融ガラスが流通する高温環境下にあっても安定したガラス繊維の紡糸が可能である。しかし、本発明者等の現場調査によると、長期の装置運用の過程で均質なガラス繊維が得られない場合があることを把握している。このガラス繊維の不均質性は、ガラス繊維紡糸におけるガラス流の乱れや異物発生等の不規則現象によるものと思われる。それら不規則現象の発生は、ブッシングの全ノズルから吐出されるガラス流に対して部分的なものあったとしても、ガラス繊維の安定的製造に支障をきたすこととなる。

そこで本発明は、ガラス繊維製造用ブッシングプレートについて、各種の不規則現象の発生を抑制し、均一なガラス流れを長期的に安定して形成することができるものを提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明者等は、ノズルから吐出されるガラス流に見られる不規則現象の要因について検討した。その結果、ブッシングプレートのノズル付近の状況、及び、ノズル表面における白金の揮発損失の現象と揮発した白金の挙動について着目した。

ブッシングプレートに供給されるガラス素地は１５００℃以上の高温の溶融ガラスである。白金、白金合金は高融点の金属材料であるが、高温下においては揮発性を有する。また、ノズルからの繊維状ガラスの吐出速度は毎分数千ｍに達するが、かかる高速で高温流体を吐出するノズルの周囲には一定方向に高速気流が発生している。そして、本発明者等による観察結果から、この高速気流はノズルから揮発した白金を高速でベースプレート付近にまで輸送する。これによりノズルは急速に磨耗・減肉する。また、ベースプレート付近に輸送される揮発白金は、冷却されて白金の微小な塊となってベースプレート表面に付着する（以下、この白金の微小な塊を「白金ブツ」と称する）。白金ブツは、基本的にはベースプレート表面に付着したままであるが、脱落することもありこれが製品へ異物として混入するおそれがある。

そこで本発明者等は、ブッシングプレートのノズルにおける白金の揮発損失を抑制するため、ノズル表面に対してコーティング層を形成することとする本発明に想到した。

即ち、本発明は、ベースプレートと、溶融ガラスを吐出する複数のノズルとを備え、前記複数のノズルを整列配置してなるノズル群を前記ベースプレートに接合してなるガラス繊維製造用のブッシングにおいて、前記ノズル群の、少なくとも最外層の列を構成するノズルについて、セラミックスからなるコーティング層が形成されていることを特徴とするガラス繊維製造用のブッシングである。

以上の通り、本発明に係るガラス繊維製造用のブッシングプレートは、ノズル群の少なくとも最外層の列のノズルについてコーティング層を形成したものである。よって、ベースプレート等の構成については従来のブッシングプレートの構成と同様である。以下、本発明の特徴について詳細に説明する。

ベースプレートは、溶融状態のガラス素地を停留させる部材であり、板状又は曲げ加工により箱形状を有するものである。ベースプレートは、ノズルとの接続位置に貫通孔を備える。ベースプレートの材質は、白金又は白金合金からなり、好ましくは、白金、白金−ロジウム合金（ロジウム濃度：５〜２０ｗｔ％）の他、強度向上の目的で分散型強化白金合金、分散型強化白金−ロジウム合金が適用される。

ノズルに関しても、基本的に従来のガラス繊維製造用のブッシングプレートで使用されるものが適用される。ノズルは、ベースプレートの底面に複数整列配置されて接合されている。ノズルの形状についても、特に限定はなく、ストレートな直管でもよく、先細りのテーパー状の筒体でも良い。また、ノズルの材質についても、白金又は上記した白金合金が適用される。

本発明では、ノズル群に対して、少なくとも最外層のノズル列についてコーティング層の形成を行う（図１参照）。最外層の列に対するコーティングを必須とするのは、高速気流による影響が特に大きい部位であり、白金揮発と気流との組み合わせによる摩耗・減肉が生じるからである。尚、最外層の列とは、整列配置されたノズル群の縦及び横の両端の列である。

コーティング層を形成するノズルについて、コーティング層はノズル全体を隙間なく覆っている必要はない。例えば、ガラス吐出側の端面にはコーティング層のない状態としても良い。ノズル端面にまでコーティング層があると吐出される溶融ガラスと接触し、溶融ガラスへのコーティング材の混入や、ノズルへのガラスの濡れ上がりが生じる可能性がある。そこで、ノズルとガラスとの接触を回避するため、端面にはコーティング層を形成しなくとも良い。

また、同じくノズルにコーティング層のない部分を設定する場合として、ノズル端面に加えてノズル側面の一部にコーティング層のない領域を設定しても良い。ノズル側面のコーティング層は、ノズル全長に対して５０％以上９０％以下までの範囲をカバーし、先端部分はノズルの地金が露出していても良い。具体的には、ガラス吐出側のノズル端面と端面の縁端部から０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の領域でコーティング層のない状態があっても良い。

尚、ガラス繊維製造用のブッシングプレートにおいて、ノズルの設置本数は特に制限されるものではないが、通常、２００〜１００００個のノズルを備えるものが多い。このとき、一定間隔で配置されたノズル群を複数の島状に配置しても良い。ノズル群の最外層のノズル列についてコーティング層を設定する場合、各ノズル群のベースプレートの四辺に沿って最外層となるノズル列についてコーティング層を形成すれば良い。

本発明では、少なくともノズル群の最外層の列についてコーティング層を形成するが、ノズル群のすべてに対してコーティング層の形成を行っても良い（図２参照）。高温加熱による白金揮発の影響はノズル群全体で生じる可能性があり、ノズル群の内側のノズル列についてもコーティング層による保護が好ましい場合があるからである。

更に、コーティング層は、ノズル群（最外層又は全体）に加えて、ベースプレートにも形成することができる（図３参照）。この部位についても白金揮発のおそれが全くないわけではない。ブッシングプレートの下面全体にコーティング層を形成することで、白金揮発の懸念を払拭することができる。

コーティングの材質は、アルミナ、ジルコニア、イットリア安定化ジルコニアの少なくともいずれかよりなるものが好ましい。高温加熱下での白金揮発の抑制、また、高温の高速気流による摩耗に対する保護を考慮したものである。特に、ガラス長繊維を成形する為の溶融ガラスに対しては、揮発防止の理由からイットリア安定化ジルコニアからなるコーティング材が有用である。

コーティング層の厚さは、５０μｍ以上５００μｍ以下とするのが好ましい。コーティング層は、薄過ぎると期待した保護効果がない一方、厚過ぎるとノズルやプレートがわずかでも変形したときに剥がれるおそれが生じる。このコーティング層の形態については溶射膜が好ましい。溶射は、上記の好適な膜厚のセラミック膜を形成するのに好適な方法である。溶射膜は、比較的緻密な皮膜であり、保護層として有効に機能し得る。

以上説明したように、本発明に係るガラス繊維製造用のブッシングプレートは、従来のブッシングプレートに対して、少なくともノズルにコーティング層を形成したものである。これは、ノズルの構成材料である白金揮発を抑制すると共に、ノズル周囲の高速気流による影響を回避するためである。本発明によれば、ガラス繊維紡糸の際のガラス流の乱れ、異物発生等の不規則現象を抑制しつつ、長期の装置運用が可能となる。

本発明に係るガラス繊維製造用のブッシングプレートは、特に、細番手の長繊維のガラス繊維の製造に好適である。本発明の効果により、糸切れや番手のバラツキ等といった細番手のガラス繊維で懸念されるトラブルを減少できるからである。

本発明に係るガラス繊維製造用のブッシングプレートの一態様（最外層ノズル列のみコーティング）の図。 本発明に係るガラス繊維製造用のブッシングプレートの一態様（全ノズルコーティング）の図。 本発明に係るガラス繊維製造用のブッシングプレートの一態様（ベースプレート及び全ノズルコーティング）の図。 本実施形態に係るガラス繊維製造用のブッシングプレートの図。 本実施形態でコーティング層を形成する際のノズル先端の処理方法（シリコンキャップ）を説明する図。 コーティング層を形成する際のノズル先端の他の処理方法を説明する図。

以下、本発明の実施形態について説明する。図４は、本実施形態で製造したガラス繊維製造用のブッシングプレート１００を図示するものである。図４において、ガラス繊維製造用ブッシングプレートは、ベースプレート１０と、その底面に整列配置された複数のノズル２０を備える。

ベースプレート１０は、白金製の板材からなるものである（底面寸法：４４４ｍｍ×１２０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ）。また、ノズル２０は、ベースプレート１０に対して４つのノズル群を島状に形成して接合されている。個々のノズル群において、６.４ｍｍ間隔で２０個×２０個で接合されている。ベースプレート１０に接合されたノズル数の合計は１６００個となる。ノズル２０は、いずれも外形が２．９４ｍｍ（上端部外径）×２．３５ｍｍ（下端部外径）のテーパー状の円筒体である。また、いずれも白金製である。

本実施形態に係るガラス繊維製造用のブッシングプレート１００は、全てのノズル２０とベースプレート１０についてイットリア安定化ジルコニアのコーティング層が形成されている。但し、ノズルの端面及び先端から1.５ｍｍの部位についてはコーティング層の形成はなく地金が露出している。このコーティング層は、厚さ３００μｍ以下である。

本実施形態に係るガラス繊維製造用のブッシングプレートの製造工程としては、穿孔加工により上記寸法に加工されたノズル２０をベースプレート１０へ整列して接合した。ノズル２０の接合は、ベースプレート１０の各ノズル取り付け箇所に、予めノズルに孔を穿孔してノズル２０を挿入した後、電気炉中で加熱して予備接合し、更にベースプレート上面（溶融ガラス流入面）から接合部の根元をＹＡＧレーザーで溶接した。これにより、コーティング前のブッシングプレートが製造される。

コーティング層形成に先立ち、各ノズルの先端にシリコン製のキャップを被せた（図５）。その後溶射法でブッシングプレート全面にコーティング層を形成した。コーティング層形成後、シリコンキャップを除去して本実施形態に係るガラス繊維製造用のブッシングプレートとした。

尚、ノズルへ部分的にコーティング層を形成する方法に関しては、本実施形態ではシリコンキャップをノズル先端に被せることとした。この手法の他、ベースプレートの裏面（溶融ガラス流入面）から粘土や変性シリコン等の樹脂等からなる充填材を圧入し、充填材をノズルの吐出口から押し出して突出させ、突出した充填材を潰してノズル端面を被覆するように変形させた後、コーティング層形成を行うことでノズルの端面以外を被覆する方法もある（図６）。

また、本実施形態では、シリコンキャップでマスキングした後に全面にコーティング層を形成した。上記したように、コーティングは部分的なものでも良い。このとき、ベースプレートの一部又は全部と、ノズル群の最外層のノズル以外のノズルをマスキングした後、コーティングを行うことで、所望の領域にコーティング層を形成できる。

そして、本実施形態に係るガラス繊維製造用ブッシングプレートを用いたガラス繊維の製造例としては、まず、上記のブッシングプレートにターミナル及び箱型のサイドフランジを接合して箱型容器であるブッシングを構成する。このブッシングをガラス製造装置に組み込む。ガラス製造装置は、目的組成に調合されたガラス原料の溶解槽、溶融ガラスの清澄槽、清澄された溶融ガラスを攪拌して均質化する攪拌槽を備え、これらの下流側にブッシングが設置される。ブッシングから吐出されるガラス繊維は適宜に巻き取られる。

ここで、本実施形態に係るガラス繊維製造用ブッシングプレートを備えるガラス製造装置により、ガラス繊維製造を１年間行った。この間、ブッシングプレートに目視による顕著な異常は認められず、また、ガラス繊維の紡糸も安定していた。そして、１年間の装置稼動後に装置をシャットダウンしてブッシングプレートのノズルを検査した。その結果、ベースプレート上に白金ブツの付着も見られなかった。また、ノズルについては、０．１〜０．２ｍｇ/ｍｍ^２程度のわずかなコーティング層の磨耗は見られたものの、ノズルの白金素地の減肉は見られなかった。

本発明に係るガラス繊維製造用のブッシングプレートによれば、ガラス製造装置について長期の稼動期間における安定的運用を可能とすることができ、良質なガラス繊維を効率的に製造することができる。

Claims (8)

1. ベースプレートと、溶融ガラスを吐出する複数のノズルとを備え、
   前記複数のノズルを整列配置してなるノズル群を前記ベースプレートに接合してなるガラス繊維製造用のブッシングにおいて、
   前記ノズル群の、少なくとも最外層の列を構成するノズルについて、セラミックスからなるコーティング層が形成されており、
   前記コーティング層が形成されたノズルは、ガラス吐出側の端面及びノズル先端部分にコーティング層が形成されておらず、ノズル全長に対して５０％以上９０％以下の長さのコーティング層が形成されていることを特徴とするガラス繊維製造用のブッシング。
2. ベースプレートと、溶融ガラスを吐出する複数のノズルとを備え、
   前記複数のノズルを整列配置してなるノズル群を前記ベースプレートに接合してなるガラス繊維製造用のブッシングにおいて、
   前記ノズル群の、少なくとも最外層の列を構成するノズルについて、セラミックスからなるコーティング層が形成されており、
   前記コーティング層が形成されたノズルは、ガラス吐出側の端面及び縁端部から０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の領域にコーティング層が形成されていないことを特徴とするガラス繊維製造用のブッシング。
3. 更に、ベースプレートの一部又は全部に、セラミックスからなるコーティング層が形成されている請求項１又は請求項２に記載のガラス繊維製造用のブッシング。
4. コーティング層の厚さは、５０μｍ以上５００μｍ以下である請求項１〜請求項３のいずれかに記載のガラス繊維製造用のブッシング。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載のガラス繊維製造用ブッシングを用いるガラス繊維の製造方法。
6. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載のガラス繊維製造用のブッシングの製造方法であって、
   コーティング層を形成するノズルに、ノズル端面及びノズル先端部分を被覆するキャップを被せた後、コーティングを行う工程を含むガラス繊維製造用のブッシングの製造方法。
7. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載のガラス繊維製造用のブッシングの製造方法であって、
   コーティング層を形成するノズルについて、溶融ガラスの導入口から充填材を圧入し、前記充填材をノズルの吐出口から突出させ、突出した前記充填材がノズル端面及びノズル先端部分を被覆するように変形させた後、コーティングを行う工程を含むガラス繊維製造用のブッシングの製造方法。
8. ベースプレートの一部又は全部と、ノズル群の最外層のノズル以外のノズルをマスキングした後、コーティングを行う請求項６又は請求項７記載のガラス繊維製造用のブッシングの製造方法。
   

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