JP7012937B2 - ガラス物品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス物品の製造方法に関する。

周知のように、ガラス板、ガラス管、ガラス繊維等に代表されるガラス物品は、ガラス溶解炉にてガラス原料を溶解させて生成した溶融ガラスを所定の形状に成形することにより製造される。ここで、特許文献１には、ガラス物品を製造するべく溶融ガラスを生成する手法の一例が開示されている。

同手法は、ガラス溶解炉（同文献では、ガラス繊維製造用電気溶融炉）の溶解室に収容された溶融ガラス上にガラス原料を供給する供給工程と、供給したガラス原料を溶解室内の溶融ガラスに浸漬させた電極のみで加熱して溶解させる溶解工程と、溶解室外に溶融ガラスを流出させる流出工程とを含んでいる。

特開２００３－１８３０３１号公報

しかしながら、上記の手法により溶融ガラスを生成する場合には、下記のような解決すべき問題があった。

すなわち、上記の手法では、ガラス溶解炉の操業条件を変更する際に溶融ガラスの温度を所望の設定温度に維持し難いという問題があった。例えば、ガラス溶解炉の操業条件の変更として、流出工程で流出させる溶融ガラスの流量を変更するために供給工程におけるガラス原料の供給量を増減させる場合がある。この場合、ガラス原料の供給量を増加させると、溶融ガラスが設定温度に対して過度に低温になりやすく、反対に供給量を減少させると、溶融ガラスが設定温度に対して過度に高温になりやすいのが現状であった。なお、溶融ガラスの流量の変更は、例えば、製造するガラス物品の品種を変更するような場合等に必要となる。

上記の事情に鑑みなされた本発明は、ガラス溶解炉の操業条件を変更する際に、溶融ガラスの温度を所望の設定温度に維持することを技術的な課題とする。

上記の課題を解決するために創案された本発明は、ガラス溶解炉の溶解室に収容された溶融ガラス上にガラス原料を供給する供給工程と、供給したガラス原料を溶解室内の溶融ガラスに浸漬させた電極により加熱して溶解させる溶解工程と、溶解室外に溶融ガラスを流出させる流出工程とを含んだガラス物品の製造方法であって、ガラス溶解炉の操業条件に応じ、溶解室の排気口から排出される排気ガスの流量を調整し、溶融ガラスの温度を設定温度に制御することに特徴付けられる。

本方法によれば、以下のようにして上記の課題が解決される。例えば、ガラス溶解炉の操業条件を変更し、供給工程で供給するガラス原料を増加させた場合、これに起因して溶解室内の溶融ガラスの温度が設定温度に対して低下しやすくなる。しかしながら、本方法では、供給工程におけるガラス原料の供給量の増加に伴い、排気ガスの流量を減少させる。これにより、溶解室内から室外に逃げる熱エネルギーが減少するため、溶融ガラスの温度の低下を回避でき、溶融ガラスを設定温度に維持することが可能となる。一方、ガラス溶解炉の操業条件を変更し、供給工程で供給するガラス原料を減少させた場合、これに起因して溶解室内の溶融ガラスの温度が設定温度に対して上昇しやすくなる。しかしながら、本方法では、供給工程におけるガラス原料の供給量の減少に伴い、排気ガスの流量を増加させる。これにより、溶解室内から室外に逃げる熱エネルギーが増加するため、溶融ガラスの温度の上昇を回避でき、溶融ガラスを設定温度に維持することが可能となる。また、排気ガスの流量を調整する方式は、電極に供給する電力を調整する方式よりも、応答性に優れる。このため、操業条件の変更に要する時間を短縮することもできる。ガラス溶解炉の操業条件の詳細については、後述する。

上記の方法では、操業条件を、供給工程で供給するガラス原料の供給量とすることができる。

このようにすれば、製造するガラス物品の品種を変更するような場合等にも対応できる。

上記の方法では、排気ガスの流量の調整に加え、電極に供給する電力を調整することが好ましい。

ここで、電極のみで加熱して溶解する場合は、電極と共にバーナで加熱して溶解する場合と比べ、バーナの出力（燃料の供給量）の調整がないことから、操業条件を変更させ得る幅（操業条件の変更幅）が小さくなる。排気ガスの流量の調整に加え、溶解工程で電極により発生させるエネルギーを増減させれば、電極のみで加熱して溶解するにも拘わらず、操業条件の変更幅を拡張することができる。

上記の方法では、排気ガスの流量の調整に応じて、溶解室の給気口の開度を変更し、溶解室内の気圧を設定気圧に制御することが好ましい。

このようにすれば、溶解室内の気圧が一定の設定気圧で維持されるので、溶融ガラスの品質を安定させることができる。

上記の方法では、給気口を溶解室の室壁の複数箇所に設けることが好ましい。

このようにすれば、溶解室の室壁の複数箇所から給気ガスを給気することになり、溶解室内の広範囲において、給気ガスによる溶融ガラスの温度を調節する作用を働かせやすくなる。このため、応答性をさらに向上させることができると共に、ガラス原料の溶解状態のばらつきを低減することができる。

上記の方法では、排気口及び給気口を、ガラス原料の流れの上流部を除いた残りの部分に設けることが好ましい。

このようにガラス原料の流れの上流部を除いた残りの部分、すなわち、ガラス原料の流れの中流部及び下流部に排気口及び給気口を設ければ、溶解前のガラス原料が給気ガスの圧力等で舞い上がる等して、排気ガスと共に排出されてしまうような不具合（キャリーオーバー）の発生が可及的に回避される。

上記の方法では、設定気圧が負圧であることが好ましい。

このようにすれば、溶解室内のガスが、意図せず溶解室内から室外に漏れ出してしまうような事態の発生を確実に回避することが可能となる。このため、溶解室内のガスが、排ガス処理装置によって処理されることなく、系外に排出されることを抑制できる。

本発明によれば、ガラス溶解炉の操業条件を変更する際に、溶融ガラスの温度を所望の設定温度に維持することが可能となる。

本発明の実施形態に係るガラス物品の製造方法に用いるガラス溶解炉を示す縦断側面図である。 本発明の実施形態に係るガラス物品の製造方法に用いるガラス溶解炉を示す横断平面図である。 （ａ），（ｂ）は、いずれも本発明の実施形態に係るガラス物品の製造方法を示す横断平面図である。

以下、本発明の実施形態に係るガラス物品の製造方法について、添付の図面を参照しながら説明する。

まず、本実施形態に係るガラス物品の製造方法に用いるガラス溶解炉について説明する。

図１および図２に示すように、ガラス溶解炉１は、電気溶融炉として構成されると共に、溶融ガラス２の収容が可能な溶解室３を備えている。このガラス溶解炉１は、溶解室３内の溶融ガラス２上に連続的に供給されたガラス原料４を加熱して順次に溶解させると共に、溶解室３外に溶融ガラス２を流出させる構成となっている。

溶解室３は、耐火物からなり、溶解室３の断面形状は、平面視で矩形状をなすように形成される。また、溶解室３は、溶解室３内でのガラス原料４の流れ方向Ｄ（以下、単に流れ方向Ｄと表記）における上流端に位置する前壁３ａと、下流端に位置する後壁３ｂと、一対の側壁３ｃ，３ｄと、天井壁３ｅと、底壁３ｆとを有する。

前壁３ａには、ガラス原料４を供給するためのスクリューフィーダー５が一基あるいは並列に複数（同図では五基）設置されている。スクリューフィーダー５の各々は、前壁３ａに形成された開口３ａａに対して隙間なく挿入されている。

上記の実施形態では、スクリューフィーダー５によってガラス原料４を供給したが、種類が異なるバッチチャージャーを用いても良い。バッチチャージャーとして、例えば振動フィーダーやプッシャー、ブランケットチャージャーを用いても良い。溶解室３の密閉性を向上させる観点では、スクリューフィーダーまたは振動フィーダーを用いることが好ましい。

ここで、このガラス溶解炉１では、溶解室３から流出させる溶融ガラス２の流量に適合する量のガラス原料が、スクリューフィーダー５によって供給される。

後壁３ｂには、溶融ガラス２を流出させるための流出口７が形成されている。また、後壁３ｂには、溶解室３の上部に給気ガスとしての大気８を給気するための給気口９が二つ形成されている。なお、各給気口９は、その開度を調節することが可能となっている（後述する各給気口９についても同じ）。

第１の側壁３ｃには、後壁３ｂと同じく、大気８の給気口９が二つ形成されている。

第２の側壁３ｄには、大気８の給気口９ｂと、溶解室３の上部から排気ガス１０を排気するための排気口１１とが形成されている。排気口１１を通じた排気ガス１０の排気は、排気ファン１２の稼働により行われる。この排気ファン１２は、その回転数を調節することが可能である。溶解室３から排気された排気ガス１０は、排気ガス処理装置（図示省略）に順次送られる。

ここで、このガラス溶解炉１では、排気ファン１２の回転数を調節することで、排気ガス１０が溶解室３から排気される流量が調節されると共に、複数箇所に配置された各給気口９の開度を調節することで、排気される排気ガス１０と同一の流量で大気８が溶解室３に給気される。これにより、溶解室３内の気圧が一定の負圧に維持されるようになっている。また、溶解室３内の雰囲気温度は、５００℃～１１００℃の範囲内とされており、好ましくは、７００℃～１０００℃の範囲内とされる。

流れ方向Ｄに沿った溶解室３の全長Ｌ（流れ方向Ｄに沿った前壁３ａと後壁３ｂとの相互間距離に等しい）のうち、上流側３分の１の長さの範囲を上流部、中央の３分の１の長さの範囲を中流部、下流側３分の１の長さの範囲を下流部とした場合、各給気口９及び排気口１１は、上流部を除いた部分、すなわち、中流部及び下流部に配置される。これにより、溶解前のガラス原料４が大気８の圧力等で舞い上がる等して、溶解するより以前に排気口１１から排出されてしまうような不具合（キャリーオーバー）の発生が可及的に回避される。

底壁３ｆには、溶解室３の下部に形成される溶融ガラス２を通電により加熱するための棒状の電極１３が、溶融ガラス２に浸漬した状態で複数設置されている。これら電極１３に印加する電圧を調節することで、電極１３により発生させるエネルギー（溶融ガラス２に付与する熱エネルギー）を調節することが可能である。また、側壁３ｃおよび側壁３ｄには、溶解室３の下部に形成される溶融ガラス２を通電により加熱するための板状の電極１４が、溶融ガラス２に浸漬した状態で複数設置されている。これら電極１４に印加する電圧を調節することでも、電極１４により発生させるエネルギー（溶融ガラス２に付与する熱エネルギー）を調節することが可能である。そして、これら電極１３および電極１４が溶融ガラス２を加熱するのに伴って、溶融ガラス２が所望の設定温度に維持されると共に、溶融ガラス２上のガラス原料４が間接的に加熱されて溶解する。これにより、新たな溶融ガラス２が順次に生成されていく。

上記の実施形態では、棒状の電極１３と板状の電極１４とを配置することにより、異なる形状の電極を併用したが、同じ形状の電極のみを用いてもよい。また、棒状や板状の電極に限らず、ブロック状の電極を用いてもよい。電極劣化による継足し更新を想定した場合、棒状の電極を用いることが好ましい。

ここで、このガラス溶解炉１では、溶融ガラス２の連続的な生成が開始された後においては、溶解室３内の溶融ガラス２に付与する熱エネルギーを電極１３および電極１４のみにより発生させる。なお、連続的な生成が開始される前の段階では、例えば、両側壁３ｃ，３ｄに設置したバーナー（図示省略）により溶融ガラス２を加熱してもよい。

以下、上記のガラス溶解炉１を用いたガラス物品の製造方法について説明する。

このガラス物品の製造方法では、ガラス物品（例えば、ガラス板、ガラス管、ガラス繊維等）を製造するべく溶融ガラス２を生成するに際して、下記の各工程を実行する。なお、ガラス物品の組成については、特に限定されないが、本実施形態で製造するガラス物品は、無アルカリガラスで構成される。

本方法では、ガラス溶解炉１の溶解室３に収容された溶融ガラス２上にガラス原料４を供給する供給工程と、供給したガラス原料４を溶解室３内の溶融ガラス２に浸漬させた電極１３および電極１４により加熱して溶解させる溶解工程と、溶解室３外に溶融ガラス２を流出させる流出工程とを実行する。

そして、本方法では、ガラス溶解炉１の操業条件を変更する際に、下記の操作を行う。例えば、図３（ａ）に示すように、溶融ガラス２の流量を増加させるべく供給工程で供給するガラス原料４を増加させるのに応じ、排気ガス１０の流量を減少させる。また、図３（ｂ）に示すように、反対に溶融ガラス２の流量を減少させるべく供給工程で供給するガラス原料４を減少させるのに応じ、排気ガス１０の流量を増加させる。

まず、供給工程で供給するガラス原料４を増加させる場合について説明する。

供給工程において、スクリューフィーダー５により供給するガラス原料４を増加させた場合、これに起因して溶解室３内の溶融ガラス２の温度が設定温度に対して低下しようとする。これに対し、本方法では、排気ファン１２の回転数を減少させ、排気ガス１０の流量を減少させる。その際、溶解室３内の気圧を一定に維持するため、各給気口９の開度を狭めることによって給気ガスの流量を減少させる。これにより、溶解室３内から溶解室３外に逃げる熱エネルギーが減少するため、溶融ガラス２の温度の低下が回避され、溶融ガラス２が設定温度に維持される。

また、排気ファン１２の回転数、及び、各給気口９の開度を調節する際には、これらの操作に加え、溶解工程で電極１３および電極１４により発生させるエネルギーを増加させる。これにより、溶融ガラス２の温度の低下がより的確に回避される。

次に、供給工程で供給するガラス原料４を減少させる場合について説明する。

供給工程において、スクリューフィーダー５により供給するガラス原料４を減少させた場合、これに起因して溶解室３内の溶融ガラス２の温度が設定温度に対して上昇しようとする。これに対し、本方法では、排気ファン１２の回転数を増加させることにより、排気ガス１０の流量を増加させる。その際、溶解室３内の気圧を一定に維持するため、各給気口９の開度を拡げることによって給気ガスの流量を増加させる。これにより、溶解室３内から溶解室３外に逃げる熱エネルギーが増加するため、溶融ガラス２の温度の上昇が回避され、溶融ガラス２が設定温度に維持される。

また、排気ファン１２の回転数、及び、各給気口９の開度を調節する際には、これらの操作に加え、溶解工程で電極１３および電極１４により発生させるエネルギーを減少させる。これにより、溶融ガラス２の温度の上昇がより的確に回避される。

以上に説明したように、このガラス物品の製造方法では、ガラス溶解炉１の溶解室３から流出させる溶融ガラス２の流量を変更するに際し、溶解室３内の溶融ガラス２上に供給するガラス原料４の供給量を増減させる場合であっても、溶融ガラス２の温度を所望の設定温度に維持することが可能である。

ガラス溶解炉１の操業条件は、溶解室３内の溶融ガラス２上に供給するガラス原料４の供給量に限らず、溶解室３内のガラス原料４の溶融に必要なエネルギーが変化する条件であればよい。例えば、ガラス原料４がガラス原料粉末とガラスカレットで構成される場合、ガラス原料粉末とガラスカレットの割合を変更する際にも上記方法を適用できる。また、水和物原料に代えて酸化物原料を用いる場合のようにガラス原料粉末の一部の種類を変更する際にも上記方法を適用できる。より具体的には、水酸化アルミニウムに代えて酸化アルミニウムを用いる場合や硼酸に代えて無水硼酸を用いる場合等にも上記方法を適用できる。さらに、操業条件の変更として、溶融ガラス２の設定温度や溶融ガラス２（ガラス物品）の組成、複数の電極１３、１４の電力配分等の変更がある。

このような操業条件の変更に伴ってガラス原料４の溶融に必要なエネルギーが減少する場合、溶解室３内の溶融ガラス２の温度が設定温度に対して上昇しやすくなるので、溶解室３の排気口１１から排出される排気ガス１０の流量を増加させる。一方、操業条件の変更に伴って溶融に必要なエネルギーが増加する場合、溶解室３内の溶融ガラス２の温度が設定温度に対して低下しやすくなるので、溶解室３の排気口１１から排出される排気ガス１０の流量を減少させる。

ここで、本発明に係るガラス物品の製造方法は、上記の実施形態で説明した形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態では、溶解室３を構成する後壁３ｂと一対の側壁３ｃ，３ｄとに形成された給気口９から溶解室３に大気８を給気しているが、これに限定されるものではない。例えば、後壁３ｂのみから溶解室３に大気８を給気するようにしてもよい。このようにすれば、上述のキャリーオーバーの発生を回避する上でより好適となる。

また、上記の実施形態では、溶解室３内の気圧を一定の負圧に維持しているが、この限りではなく、一定の正圧に維持してもよい。一定の負圧に維持する場合には、給気口９の開度を調整する際に、全ての給気口９を閉じて給気ガス（大気８）の供給を停止してもよい。この状態でも、室壁の隙間（耐火レンガの隙間）から給気ガスが溶解室３に流入するので、実質的に給気ガスの供給が継続することになる。さらに、上記の実施形態では、排気ファン１２の回転数、及び、各給気口９の開度を調節することで、溶解室３内の気圧を一定に維持しているが、この限りではない。例えば、各給気口９に対応する送風ファンを設置すると共に、排気口１１の開度を調節できるようにして、送風ファンの回転数、及び、排気口１１の開度を調節することで、溶解室３内の気圧を一定に維持してもよい。

また、上記の実施形態では、排気口１１が一つであるが、複数の排気口１１を配置してもよい。さらに、上記の実施形態では、給気ガス（大気８）の流量を調整するために給気口９の開度を調節可能としたが、給気口９の開閉によって給気ガスの流量を調整してもよく、より具体的には、開状態の給気口９の個数を変更することによって給気ガスの流量を調整してもよい。

１ ガラス溶解炉
２ 溶融ガラス
３ 溶解室
３ａ 前壁
３ｂ 後壁
３ｃ 側壁
３ｄ 側壁
３ｅ 天井壁
３ｆ 底壁
４ ガラス原料
４ａ ガラス原料
４ｂ ガラス原料
４ｃ 最下流側ガラス原料
５ スクリューフィーダー
８ 大気
９ 給気口
９ａ 給気口
９ｂ 給気口
１０ 排気ガス
１２ 排気ファン
１３ 底部電極（棒状）
１４ 側壁電極（板状）
Ｄ 流れ方向

Claims (7)

1. ガラス溶解炉の溶解室に収容された溶融ガラス上にガラス原料を供給する供給工程と、供給した前記ガラス原料を前記溶解室内の前記溶融ガラスに浸漬させた電極により加熱して溶解させる溶解工程と、前記溶解室外に前記溶融ガラスを流出させる流出工程とを含んだガラス物品の製造方法であって、
   前記ガラス溶解炉内の前記ガラス原料の溶融に必要なエネルギーが変化する操業条件の変更に応じて前記溶融に必要なエネルギーが増加した場合に、前記溶解室の排気口から排出される排気ガスの流量を減少させ、前記溶融ガラスの温度を設定温度に制御し、
   前記操業条件の変更に応じて前記溶融に必要なエネルギーが減少した場合に、前記排気ガスの流量を増加させ、前記溶融ガラスの温度を設定温度に制御することを特徴とするガラス物品の製造方法。
2. 前記操業条件が、前記供給工程で供給する前記ガラス原料の供給量であり、
   前記ガラス原料の供給量を増加させた場合に、前記排気ガスの流量を減少させて前記溶融ガラスの温度を設定温度に制御し、
   前記ガラス原料の供給量を減少させた場合に、前記排気ガスの流量を増加させて前記溶融ガラスの温度を設定温度に制御する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. 前記排気ガスの流量の調整に加え、前記電極に供給する電力を調整す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. 前記排気ガスの流量の調整に応じて、前記溶解室の給気口の開度を変更し、前記溶解室内の気圧を設定気圧に制御することを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載のガラス物品の製造方法。
5. 前記給気口を前記溶解室の室壁の複数箇所に設けることを特徴とする請求項４に記載のガラス物品の製造方法。
6. 前記排気口及び前記給気口を、前記ガラス原料の流れの上流部を除いた残りの部分に設けることを特徴とする請求項４又は５に記載のガラス物品の製造方法。
7. 前記設定気圧が負圧であることを特徴とする請求項４～６のいずれかに記載のガラス物品の製造方法。

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