JP6958105B2 - ガラス物品の製造方法及び溶融炉 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス物品の製造方法及び溶融炉に関する。

板ガラスなどのガラス物品の製造方法には、溶融ガラスを得るための溶融工程が含まれる。この溶融工程では、溶融炉の底壁部に設けられた電極による通電加熱によって溶融ガラスを加熱する場合がある（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００３−１８３０３１号公報

電極による通電加熱を用いる場合、溶融ガラスの通電予定領域（設計上、通電が予定されている溶融ガラスの領域）において、溶融ガラスと接している底壁部が高温になりやすい。これに伴い、底壁部のうち通電予定領域に対応する部分に溶融ガラスが滲み込み、電気が流れやすくなる。その結果、底壁部のうち通電予定領域に対応する部分でガラスが対流し、浸食が進行しやすくなる。また、底壁部のうち通電予定領域に対応する部分が溶損する原因にもなる。特に、溶融ガラスとして電気抵抗率の高いガラス組成を用いた場合に、浸食や溶損が重大な問題となりやすい。

本発明は、溶融炉の底壁部において、浸食を抑制すると共に溶損を防止することを課題とする。

上記の課題を解決するために創案された本発明は、底壁部に設けられた電極で通電加熱する溶融炉の炉内で、溶融ガラスを形成する溶融工程を備えるガラス物品の製造方法において、底壁部は、複数の耐火煉瓦の積層構造を有し、底壁部のうち溶融ガラスの通電予定領域に対応する部分において、炉内側から見た一層目の耐火煉瓦と二層目の耐火煉瓦との間の隙間における温度が、溶融ガラスの粘度が１０^４Ｐａ・ｓである温度以下となるように、積層構造が形成されていることを特徴とする。このような構成によれば、底壁部のうち溶融ガラスの通電予定領域に対応する部分において、一層目の耐火煉瓦と二層目の耐火煉瓦との間の隙間にガラスが滲み込んでも、隙間の温度は溶融ガラスの粘度が１０^４Ｐａ・ｓである温度以下であるので、ガラスはほとんど流動することなく、電気も流れにくい。このため、底壁部内でのガラスの対流を抑制することができ、底壁部の浸食を抑制できる。また、底壁部の溶損も防止することができる。

上記の構成において、底壁部のうち溶融ガラスの通電予定領域に対応する部分は、底壁部の他の部分よりも積層構造の総厚みが薄いことが好ましい。このようにすれば、溶融ガラスの通電予定領域に対応する部分で底壁部の放熱が高まるので、当該部分で底壁部の内部温度を低減することができる。従って、隙間の温度を溶融ガラスの粘度が１０^４Ｐａ・ｓである温度以下に制御しやすい。また、他の部分では、放熱を抑制できるので、エネルギー効率を高めることができる。

上記の構成において、溶融ガラスが、無アルカリガラスであってもよい。すなわち、無アルカリガラスは高い電気抵抗率を有するガラスであるが、本発明であれば底壁部が漏電しにくい構成であるため、このような高い電気抵抗率を有するガラスでも問題なく使用することができる。

溶融ガラスが無アルカリガラスの場合、隙間の温度は、１３００℃以下であることが好ましい。

上記の構成において、炉内で溶融ガラスを通電加熱する電極が設けられた底壁部を備えた溶融炉において、底壁部は、複数の耐火煉瓦の積層構造を有し、底壁部のうち溶融ガラスの通電予定領域に対応する部分において、炉内側から見た一層目の耐火煉瓦と二層目の耐火煉瓦との間の隙間における温度が、溶融ガラスの粘度が１０^４Ｐａ・ｓである温度以下となるように、積層構造が形成されていることを特徴とする。このような構成によれば、上記の対応する構成と同様の効果を享受することができる。

以上のような本発明によれば、溶融炉の底壁部において、浸食を抑制できると共に溶損を防止できる。

ガラス物品の製造装置を示す側面図である。 図１のガラス物品の製造装置の溶融炉を示す断面図である。 図２の溶融炉の底壁部周辺を拡大して示す拡大断面図である。 溶融炉の底壁部の平面図の一例である。 溶融炉の底壁部の平面図の一例である。

以下、本実施形態に係るガラス物品の製造方法及び溶融炉について図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本製造方法に用いられるガラス物品の製造装置は、上流側から順に、溶融炉１と、清澄室２と、均質化室（攪拌室）３と、ポット４と、成形装置５とを備え、これら各部１〜５が移送管６〜９によって接続されている。ここで、清澄室２などの「室」及び「ポット」という用語には、槽状構造を有するものや、管状構造を有するものが含まれるものとする。

溶融炉１は、溶融ガラスＧｍを得る溶融工程を行うための空間である。ここで、溶融ガラスＧｍとしては、無アルカリガラスを使用することができる。無アルカリガラスからなる溶融ガラスＧｍの電気抵抗率は、一般的に高く、例えば溶融炉１の加熱温度１５００℃において１００Ω・ｃｍ以上となる。なお、溶融ガラスＧｍは、無アルカリガラスに限定されない。

清澄室２は、溶融炉１から供給された溶融ガラスＧｍを清澄剤などの働きによって清澄（泡抜き）する清澄工程を行うための空間である。

均質化室３は、清澄された溶融ガラスＧｍを攪拌翼３ａにより攪拌し、均一化する均質化工程を行うための空間である。

ポット４は、溶融ガラスＧｍを成形に適した状態（例えば粘度）に調整する状態調整工程を行うための空間である。なお、ポット４は省略してもよい。

成形装置５は、溶融ガラスＧｍを所望の形状に成形する成形工程を行うためのものである。本実施形態では、成形装置５は、オーバーフローダウンドロー法によって溶融ガラスＧｍを板状に成形し、ガラス物品としてのガラス板を製造する。

成形装置５は、断面形状（紙面と直交する断面形状）が略楔形状をなし、成形装置５の上部にオーバーフロー溝（図示省略）が形成されている。移送管９によって溶融ガラスＧｍをオーバーフロー溝に供給した後、溶融ガラスＧｍをオーバーフロー溝から溢れ出させて、成形装置５の両側の側壁面（紙面の表裏面側に位置する側面）に沿って流下させる。そして、その流下させた溶融ガラスＧｍを側壁面の下頂部で融合させ、板状に成形する。成形された板ガラスは、例えば、厚みが０．０１〜１０ｍｍ（好ましくは０．１〜３ｍｍ）であって、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどのフラットパネルディスプレイ、有機ＥＬ照明、太陽電池などの基板や保護カバーに利用される。なお、成形装置５は、スロットダウンドロー法などの他のダウンドロー法や、フロート法を実行するものであってもよい。

移送管６〜９は、例えば白金又は白金合金からなる円筒管で構成されており、溶融ガラスＧｍを横方向（略水平方向）に移送する。移送管６〜９は、必要に応じて通電加熱される。

図２に示すように、溶融炉１は、通電加熱を含む加熱によって、ガラス原料（カレットを含んでもよい）Ｇｒを溶融して溶融ガラスＧｍを形成する。図２中、矢印Ｘは、溶融ガラスＧｍの流れ方向を示している。溶融炉１は、耐火煉瓦（例えば、ジルコニア系電鋳煉瓦やアルミナ系電鋳煉瓦、アルミナ・ジルコニア系電鋳煉瓦、ＡＺＳ（Ａｌ−Ｚｒ−Ｓｉ）系電鋳煉瓦、デンス焼成煉瓦など）で構成された壁部によって炉内の溶融空間を区画形成する。本実施形態では、溶融炉１は、ガラス原料Ｇｒの溶融空間が一つだけのシングルメルターであるが、複数の溶融空間を連ねたマルチメルターであってもよい。

溶融炉１の底壁部１０には、通電加熱のために、溶融ガラスＧｍに浸漬された状態で複数の電極１１が設けられている。本実施形態では、溶融炉１内には、電極１１以外の他の加熱手段が設けられておらず、電極１１の通電加熱（電気エネルギー）のみでガラス原料Ｇｒを溶融（全電気溶融）するようになっている。電極１１は、例えば、棒状のモリブデン（Ｍｏ）から形成される。なお、溶融炉１は、全電気溶融に限らず、ガス燃焼と電気加熱を併用してガラス原料Ｇｒを溶融するものであってもよい。ガス燃焼と電気加熱を併用する場合、溶融炉１の上部に複数のガスバーナーが設けられる。

溶融炉１には、原料供給手段としてのスクリューフィーダ１２が設けられている。スクリューフィーダ１２は、溶融ガラスＧｍの液面Ｇｍ１の一部にガラス原料（固体原料）Ｇｒに覆われていない部分が形成されるようにガラス原料Ｇｒを順次供給する。すなわち、溶融炉１は、いわゆるセミホットトップタイプである。なお、溶融炉１は、溶融ガラスＧｍの液面Ｇｍ１の全部がガラス原料Ｇｒに覆われた、いわゆるコールドトップタイプでもよい。また、原料供給手段は、プッシャーや振動フィーダなどであってもよい。

溶融炉１には、溶融炉１内の気体を外部に排出するための気体排出路としての煙道１３が設けられている。煙道１３内には、気体を外部に送るためのファン１３ａが設けられている。ファン１３ａは設けなくてもよい。なお、本実施形態では、溶融炉１内の気体は空気であるが、これに限定されない。

図３に示すように、溶融炉１の底壁部１０に設けられた電極１１は、底壁部１０を上下方向に沿って貫通して炉内に至っている。図３中、矢印Ｙは、溶融ガラスＧｍの流れ方向Ｘと直交する幅方向を示している。ここで、「上下方向に沿う」とは、鉛直方向から僅かに傾斜した場合も含む意味である。

電極１１の外周面は、筒状の電極ホルダ１４の内周面に保持されている。電極ホルダ１４の外周面は、溶融炉１の底壁部１０と密着した状態で、底壁部１０に設けられた保持穴１５の内周面に保持されている。電極ホルダ１４の上端面は、炉内の溶融状態にある溶融ガラスＧｍと接触している。

電極ホルダ１４は、例えば、鉄材（例えばステンレス鋼）などの金属で形成される。電極ホルダ１４は、モリブデンの昇華等による電極１１の損耗を防止するために、水などの冷媒が流通可能な冷却層（図示なし）を内部に有している。

溶融炉１の底壁部１０は、溶融ガラスＧｍの通電予定領域Ｅに対応する部分を含む第一底壁部１６と、第一底壁部１６を除く他の部分である第二底壁部１７とを備える。電極１１は、第一底壁部１６に設けられており、第二底壁部１７には設けられていない。第一底壁部１６及び第二底壁部１７は、複数の耐火煉瓦１８〜２１の積層構造を有する。なお、第二底壁部１７は、積層構造の最下層の耐火煉瓦２１の下面に配置された絶縁材（図示なし）をさらに有してもよい。また、第一底壁部１６も、積層構造の最下層の耐火煉瓦２０の下面に配置された絶縁材（図示なし）をさらに有してもよい。

第一底壁部１６において、炉内側から見た一層目の耐火煉瓦１８と二層目の耐火煉瓦１９の隙間Ｃにおける温度は、溶融ガラスの粘度が１０^４Ｐａ・ｓである温度以下とされている。これにより、第一底壁部１６の浸食を抑制すると共に溶損を防止することが可能となる。より確実に浸食を抑制すると共に溶損を防止する観点では、隙間Ｃの温度は、粘度が１０^５Ｐａ・ｓである温度以下であることが好ましく、粘度が１０^６Ｐａ・ｓである温度以下であることがより好ましい。一方、エネルギー効率の観点から、隙間Ｃの温度は、粘度が１０^１３Ｐａ・ｓである温度以上とすることが好ましい。溶融ガラスＧｍが無アルカリガラスの場合、隙間Ｃの温度は、１３００℃以下とすることが好ましく、１２００℃以下とすることがより好ましく、１１００℃以下とすることが最も好ましい。なお、熱源となる溶融ガラスＧｍの大部分は炉内側に存在するので、隙間Ｃの温度が粘度が１０^４Ｐａ・ｓである温度以下であれば、二層目の耐火煉瓦１９と三層目の耐火煉瓦２０との間の隙間等、隙間Ｃよりも炉内から離れる位置における隙間の温度も粘度が１０^４Ｐａ・ｓである温度以下となる。

本実施形態では、隙間Ｃの温度を粘度が１０^４Ｐａ・ｓである温度以下にするために、第一底壁部１６の積層構造の総厚みＴ１が、第二底壁部１７の積層構造の総厚みＴ２よりも薄くなっている。これにより、第二底壁部１７に比べて第一底壁部１６における放熱が大きくなるので、隙間Ｃの温度を粘度が１０^４Ｐａ・ｓである温度以下に維持することができる。

第一底壁部１６の積層構造の総厚みＴ１は、２５０〜４５０ｍｍであることが好ましい。また、一層目の耐火煉瓦１８の厚みＴ３は、７５〜２２５ｍｍであることが好ましい。二層目以降の耐火煉瓦１９の厚みは、例えば２５〜３７５ｍｍとすることができる。第二底壁部１７の積層構造の総厚みＴ２は、３００〜７００ｍｍであることが好ましい。なお、第一底壁部１６の積層数は特に限定されず、二層であってもよいし、四層以上であってもよい。

第一底壁部１６（又は第一底壁部１６及び第二底壁部１７）を構成する耐火煉瓦の材質は、耐熱性や熱伝導率等を考慮して選択することが好ましい。溶融ガラスＧｍの電気抵抗率が低い場合（１５００℃で１００Ω・ｃｍ未満）、第一底壁部１６の一層目の耐火煉瓦１８としては、例えば、電鋳煉瓦が用いられる。一方、溶融ガラスＧｍの電気抵抗率が高い場合（１５００℃で１００Ω・ｃｍ以上）、第一底壁部１６の一層目の耐火煉瓦１８としては、例えば、高電気抵抗電鋳煉瓦及び／又はデンス焼成煉瓦が用いられる。第一底壁部１６において、一層目と二層目以降の耐火煉瓦の煉瓦材質は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。

隙間Ｃの温度を粘度が１０^４Ｐａ・ｓである温度以下にする観点では、第一底壁部１６の底面１６ａにおける温度は４００℃以下となることが好ましい。一方、エネルギー効率の観点では、第一底壁部１６の底面１６ａにおける温度は３００℃以上となることが好ましい。通常の溶融炉（底壁部を薄くしていない炉）における底壁部の底面における温度は、底壁部内部の蓄熱により、１００〜２００℃程度である。このため、第二底壁部１７の底面の温度は、１００〜２００℃程度とすればよい。なお、隙間Ｃ及び／又は第一底壁部１６の底面１６ａに熱電対等の温度センサを設けてもよい。

積層構造の総厚みが第二底壁部１７よりも薄い第一底壁部１６は、図４に示すように、溶融炉１における溶融ガラスＧｍの流れ方向Ｘの上流側（例えば、流れ方向Ｘの全長の約１／２以内）のみに設けられる場合もあるし、図５に示すように、溶融炉１における溶融ガラスＧｍの流れ方向Ｘの略全域に設けられる場合もある。図４の構成の場合は、ガス燃焼と電気加熱とを併用した溶融とされる場合が多く、図５の構成の場合は、全電気溶融とされる場合が多い。なお、図４及び図５では、第一底壁部１６の領域を明確にするために、第一底壁部１６に相当する部分にハッチングを付している。従って、これら図のハッチングは断面を示すものではない。

ここで、図４に示すように、溶融炉１の幅が広い場合、電極１１は、炉の幅方向Ｙに間隔を置いて複数対（図示例は二対）配置し、その電極対を流れ方向Ｘに間隔を置いて複数組配置してもよい。また、図５に示すように、溶融炉１の幅が狭い場合、電極１１は、炉の幅方向Ｙに間隔を置いて一対配置し、その電極対を流れ方向Ｘに間隔を置いて複数組配置してもよい。また、図示を省略するが、電極１１は、流れ方向Ｘに間隔を置いて一対又は複数対配置し、その電極対を炉の幅方向Ｙに間隔を置いて複数組配置してもよい。これら電極１１の配置態様は、あくまで一例であり、溶融ガラスＧｍの溶融条件に応じて適宜変更することができる。

次に、以上のように構成された製造装置によるガラス物品の製造方法を説明する。

本製造方法は、上述のように、溶融工程と、清澄工程と、均質化工程と、状態調整工程と、成形工程とを備える。なお、清澄工程、均質化工程、状態調整工程及び成形工程は上述の製造装置の構成に併せて説明した通りであるので、以下では溶融工程について説明する。

図３に示すように、溶融工程では、底壁部１０に設けられた電極１１によって、溶融ガラスＧｍを通電加熱する。これに伴って炉内の溶融ガラスＧｍの粘度は、例えば１０〜１０^３Ｐａ・ｓ程度となる。この際、第一底壁部１６において、一層目の耐火煉瓦１８と二層目の耐火煉瓦１９との間の隙間Ｃにおける温度が、粘度が１０^４Ｐａ・ｓである温度以下になるように、第一底壁部１６の積層構造が形成されている。これにより、第一底壁部１６の浸食を抑制できると共に溶損を防止できる。これは、下記の理由によるものである。

隙間Ｃにおける温度が、粘度が１０^４Ｐａ・ｓである温度以下になるように、第一底壁部１６の積層構造を形成すれば、滲み込んで隙間Ｃに到達したガラスは、粘度が高いことから、ほとんど流動しない。このため、第一底壁部１６内でのガラスの対流を抑制することができ、第一底壁部１６の浸食を抑制することができる。また、ガラスの温度が低下するのに伴い、ガラスの電気抵抗率が上昇するので、隙間に滲み込んだガラスには電気が流れにくい。このため、第一底壁部１６の溶損も防止することができる。

ここで、第二底壁部１７は、電極１１が設けられていない部分であるので、隙間の温度に拘わらず、滲み込んだガラスに電気が流れにくく、それに伴うガラスの対流も少ない。このため、第二底壁部１７において、炉内側から見た一層目の耐火煉瓦１８と二層目の耐火煉瓦１９との間の隙間における温度が、溶融ガラスの粘度が１０^４Ｐａ・ｓである温度を超えても特に問題はない。勿論、第二底壁部１７において、炉内側から見た一層目の耐火煉瓦１８と二層目の耐火煉瓦１９との間の隙間における温度が、溶融ガラスの粘度が１０^４Ｐａ・ｓである温度以下であってもよい。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、上記した作用効果に限定されるものでもない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

上記の実施形態では、底壁部１０のうち、溶融ガラスＧｍの通電予定領域Ｅに対応する部分を含む第一底壁部１６の総厚みＴ１を、その他の部分である第二底壁部１７の総厚みＴ２に比べて薄くする場合を説明したが、第二底壁部１７を第一底壁部１６と同様に薄くし、底壁部１０全体を薄くしてもよい。

上記の実施形態では、底壁部１０のうち、溶融ガラスＧｍの通電予定領域Ｅに対応する部分を含む第一底壁部１６の総厚みＴ１を薄くすることにより、第一底壁部１６における隙間Ｃの温度を粘度が１０^４Ｐａ・ｓである温度以下とするが、これに限定されない。例えば、第一底壁部１６において、一層目の耐火煉瓦１８の厚さＴ３を厚くすることにより、第一底壁部１６における隙間Ｃの温度を粘度が１０^４Ｐａ・ｓである温度以下としてもよい。

上記の実施形態では、成形装置５で成形されるガラス物品が板ガラスである場合を説明したが、これに限定されない。例えば、成形装置５で成形されるガラス物品は、例えば、光学ガラス部品、ガラス管、ガラスブロック、ガラス繊維などであってもよいし、任意の形状であってよい。

本発明の実施例として、図１〜図３に示すガラス物品の製造装置により、ガラス板を製造した。その際の試験条件は、以下の通りである。
ガラス板：日本電気硝子社製のディスプレイ用のガラス基板（製品名：ＯＡ−１１）に準じた無アルカリガラス
溶融炉１での加熱温度：１５００℃
一層目の耐火煉瓦１８：デンスジルコン焼成煉瓦、厚さ１５０ｍｍ
二層目の耐火煉瓦１９：断熱煉瓦、厚さ１７５ｍｍ
第一底壁部の積層構造の総厚みＴ１：３２５ｍｍ
第二底壁部の積層構造の総厚みＴ２：５００ｍｍ

第一底壁部１６において、炉内側から見た一層目の耐火煉瓦１８と二層目の耐火煉瓦１９の隙間Ｃにおける温度は、１０００〜１２００℃とし、換言すると、溶融ガラスの粘度が概ね１０^４〜１０^６Ｐａ・ｓである温度とした。

溶解炉１を７年間稼働させた後、第一底壁部１６において、一層目の耐火煉瓦１８を目視で確認したところ、浸食及び溶損を検出できなかった。したがって、本発明によれば、溶融炉の底壁部において、浸食の抑制と共に溶損の防止が可能となるものと推認される。

１ 溶融炉
２ 清澄室
３ 均質化室
４ ポット
５ 成形装置
６〜９ 移送管
１０ 底壁部
１１ 電極
１２ スクリューフィーダ
１３ 煙道
１４ 電極ホルダ
１６ 第一底壁部
１７ 第二底壁部
１８ 一層目の耐火煉瓦
１９ 二層目の耐火煉瓦
Ｃ 隙間
Ｅ 通電予定領域
Ｇｍ 溶融ガラス
Ｇｒ ガラス原料
Ｔ１ 第一底壁部の積層構造の総厚み
Ｔ２ 第二底壁部の積層構造の総厚み

Claims (5)

1. 底壁部に設けられた電極で通電加熱する溶融炉の炉内で、溶融ガラスを形成する溶融工程を備えるガラス物品の製造方法であって、
   前記底壁部は、複数の耐火煉瓦の積層構造を有し、
   前記底壁部のうち前記溶融ガラスの通電予定領域に対応する部分において、前記炉内側から見た一層目の耐火煉瓦と二層目の耐火煉瓦との間の隙間における温度が、前記溶融ガラスの粘度が１０^４Ｐａ・ｓである温度以下となるように、前記積層構造が形成されていることを特徴とするガラス物品の製造方法。
2. 前記底壁部のうち前記溶融ガラスの前記通電予定領域に対応する部分が、前記底壁部の他の部分よりも前記積層構造の総厚みが薄いことを特徴とする請求項１に記載のガラス物品の製造方法。
3. 前記溶融ガラスが、無アルカリガラスであることを特徴とする請求項１又は２に記載のガラス物品の製造方法。
4. 前記隙間の温度が、１３００℃以下であることを特徴とする請求項３に記載のガラス物品の製造方法。
5. 炉内で溶融ガラスを通電加熱する電極が設けられた底壁部を備えた溶融炉であって、
   前記底壁部は、複数の耐火煉瓦の積層構造を有し、
   前記底壁部のうち前記溶融ガラスの通電予定領域に対応する部分において、前記炉内側から見た一層目の耐火煉瓦と二層目の耐火煉瓦との間の隙間における温度が、前記溶融ガラスの粘度が１０^４Ｐａ・ｓである温度以下となるように、前記積層構造が形成されていることを特徴とする溶融炉。
   

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