JP7698237B2 - ガラス溶融炉監視方法、及びガラス物品製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス溶融炉を構成する耐火物の異常発熱を監視する方法、及び当該監視方法を用いたガラス物品の製造方法に関する。

従来、操業の安定化や効率化を目的としてガラス溶融炉内の温度測定が行われている。特許文献１では、溶融ガラス表面のサーモグラフや炉内に挿入した熱電対による温度測定結果を使用して、炉内の温度プロファイルを取得する方法が開示されている。

また、ガラス溶融炉の熱効率の向上や排気ガス排出量の抑制のため、溶融ガラスに浸漬させた電極間に通電することにより溶融ガラスを加熱する方法が用いられている（例えば特許文献２参照）。

特開２０１６－２２２５３４号公報 特開２００３－１８３０３１号公報

ガラス溶融炉の炉壁及び炉底は耐火物で構成されており、一般的に耐火物の電気抵抗率は溶融ガラスの電気抵抗率よりも高いため、電極間を通電した場合、耐火物ではなく溶融ガラスに電流が流れる。

しかしながら、近年、様々な特性を持ったガラスが生産されるようになっており、その中には無アルカリガラスのように溶融状態における電気抵抗率が従来のガラスよりも高いものがある。このような溶融ガラスを電極間の通電を用いて加熱する場合、溶融ガラスと耐火物との間の電気抵抗率の差が従来のガラスより少なく、耐火物に通電し易い。また、耐火物を長期間使用すると、耐火物を構成する内部組織の変質などの劣化により耐火物の電気抵抗率が低下することがある。溶融ガラスの電気抵抗率に対して相対的に耐火物の電気抵抗率が下がると、耐火物を流れる電流が増加し、耐火物の温度が上昇する。耐火物の温度が上昇すると電気抵抗率が低下するため、さらに流れる電流が増え、温度が上昇するという悪循環に陥る。この結果耐火物が異常発熱し、溶損する場合もあるため、耐火物の異常発熱を検出することは、生産の安全性及び安定性の向上のために重要である。

本発明は、ガラス溶融炉において、ガラス溶融炉を構成する耐火物が溶損に至る前に、その異常発熱を検出することを課題とする。

上記課題を解決すべく創案された本発明は、溶融ガラスに浸漬した電極を用いてガラス原料を加熱して溶解するガラス溶融炉を構成する耐火物の溶損を監視するガラス溶融炉監視方法であって、前記電極間の通電領域に配置される第一温度センサと、前記通電領域から離れた非通電領域に配置される第二温度センサを備え、前記第一温度センサと前記第二温度センサの測定温度を用いて、前記耐火物の異常発熱を検出することを特徴とする。このような構成によれば、第一温度センサにより測定される通電領域の温度と、第二温度センサにより測定される非通電領域の温度を比較し、通電領域にある耐火物自身の通電による異常発熱の有無を識別することができる。

上記の構成において、前記第一温度センサの測定温度から、前記第二温度センサの測定温度を減算し、得られた温度差の増加量が所定の値を超えた場合に、前記耐火物の異常発熱を検出することが好ましい。耐火物が異常発熱していない場合、耐火物の温度は耐火物が接している溶融ガラスの温度によって決まる。溶融ガラスの温度はガラス溶融炉内の場所によって異なるため、耐火物の温度も場所によって異なる。ところで、ガラス溶融炉の操業条件（投入電力など）を変更すると、溶融ガラスの温度が変化するが、溶融ガラスの温度変化量の場所による差は比較的小さい。このため、耐火物の温度変化量の場所による差も比較的小さくなる。よって、操業条件を変更しても、第一温度センサが測定する温度から第二温度センサが測定する温度を引いた温度差（比較温度差）は一定に近くなる。一方で、耐火物が異常発熱している場合、耐火物の温度は耐火物が接している溶融ガラスの温度に、耐火物内部での発熱量が加わることによって決まる。よって、操業条件の変化に関わらず、比較温度差は耐火物内部での発熱量の分だけ大きくなる。以上より、比較温度差を監視しておくことで、耐火物の異常発熱を検出することができる。

上記の構成において、前記電極は、前記ガラス溶融炉の底面に配置されることが好ましい。このような構成によれば、溶融ガラスの対流を促進し、一様な組成のガラス物品を得ることができるとともに、脈理などの成形不良を低減できる。

上記の構成において、前記ガラス原料は、前記電極による通電加熱のみで加熱されることが好ましい。バーナと電極とを併用する場合と比べ、バーナを使用することなく、電極のみでガラス原料を加熱して溶解する場合には、溶融ガラスの通電を大幅に増加させる必要があり、耐火物の異常発熱のリスクが高い。このため、バーナを使用することなく、電極のみでガラス原料を加熱して溶解する場合に本発明を適用すれば、耐火物異常発熱を検出する効果がより顕著となる。

上記の構成において、前記第一温度センサ及び前記第二温度センサは、熱電対であることが好ましい。このような構成によれば、ガラス溶融炉を構成する耐火物や溶融ガラス等測定対象物が高温であっても温度を容易且つ正確に測定することができる。

上記の構成において、前記第一温度センサ及び第二温度センサの温度測定部は前記耐火物の内部に配置され、前記耐火物の温度を測定することが好ましい。通電領域にある耐火物は、溶融ガラスから伝わる熱と、耐火物自身の通電による発熱とによって温度が変化する。一方で、非通電領域にある耐火物は、溶融ガラスから伝わる熱のみで温度が変化する。よって、比較温度差を監視することにより、耐火物自身の通電による発熱による温度変化を検出できる。

上記の構成において、前記第一温度センサの前記温度測定部は前記耐火物の内部に配置され、前記耐火物の温度を測定し、前記第二温度センサの前記温度測定部は前記耐火物と前記溶融ガラスとの境界に配置され、前記溶融ガラスの温度を測定することが好ましい。非通電領域における耐火物の温度変化量と、溶融ガラスの温度変化量との差は小さい。このため、第二温度センサが耐火物の温度を測定する場合と、溶融ガラスの温度を測定する場合とで、比較温度差の変化量は概ね等しくなる。また、ガラス溶融炉の操業条件の制御を目的として、溶融炉の内部には溶融ガラスの温度を測定するための温度センサが従来から設置されていることが多い。これらの温度センサを利用して非通電領域の溶融ガラスの温度を測定すれば、非通電領域に新たに温度センサを設置する必要がない。

上記の構成において、前記第一温度センサ及び前記第二温度センサは、前記温度測定部が貴金属キャップで覆われていることが好ましい。このような構成によれば、溶融ガラス近傍の高温環境から熱電対を保護することができる。また、貴金属は酸化物セラミックなどの耐熱材料より熱伝導率が高いため、温度測定の応答性が良くなる。

上記の構成において、請求項１～８のいずれかに記載のガラス溶融炉監視方法を用いた前記ガラス溶融炉により、前記ガラス原料を溶解する溶解工程と、前記ガラス溶融炉で溶解された前記溶融ガラスを成形する成形工程とを備えることが好ましい。このような構成によれば、ガラス溶融炉を構成する耐火物の溶損を監視しながら、ガラス物品を製造することができる。

本発明によれば、ガラス溶融炉において、ガラス溶融炉を構成する耐火物が溶損に至る前に、その異常発熱を検出することができる。

ガラス物品の製造方法の概略図である。 ガラス溶融炉の側面断面図である。 図２におけるＡ－Ａ断面図である。 第二温度センサの温度測定部が耐火物の内部に位置する場合の図３におけるＢ－Ｂ断面図である。 第二温度センサの温度測定部が耐火物と溶融ガラスとの境界に位置する場合の図３におけるＢ－Ｂ断面図である。 投入電力を増加させた場合の、通電領域及び非通電領域の温度変化を表すシミュレーション結果のグラフである。 投入電力を増加させた場合の、比較温度差の変化を表すシミュレーション結果のグラフである。 耐火物の変質が進行した場合の、通電領域及び非通電領域の温度変化を表すシミュレーション結果のグラフである。 耐火物の変質が進行した場合の、比較温度差の変化を表すシミュレーション結果のグラフである。

本発明に係るガラス溶融炉監視方法の一実施形態について説明する。

図１に示すように、本実施形態に係るガラス物品の製造装置は、上流側から順に、溶融炉１と、清澄槽２と、均質化槽３と、ポット４と、成形体５と、これらの各構成要素１～５を連結する供給路６１～６４とを備える。この他、製造装置は、成形体５により成形されたガラスリボンＧＲを徐冷する図示しない徐冷炉及び徐冷後に帯状のガラスリボンＧＲから所望寸法のガラス板を切り出す図示しない切断装置を備える。

溶融炉１は、投入されたガラス原料Ｇｒを溶解して、溶融ガラスＧｍを得る溶解工程を行うための容器であり、供給路６１によって清澄槽２に接続されている。

清澄槽２は、溶融炉１から供給された溶融ガラスＧｍを清澄剤等の作用により脱泡する清澄工程を行うための容器であり、供給路６２によって均質化槽３に接続されている。

均質化槽３は、清澄された溶融ガラスＧｍを攪拌し、均質化工程を行うための容器であり、撹拌翼を有するスターラ３１を備える。均質化槽３は、供給路６３によってポット４に接続されている。

ポット４は、溶融ガラスＧｍを成形に適した状態に調整する状態調整工程を行うための容器であり、溶融ガラスＧｍの粘度調整及び流量調整を行う。ポット４は、供給路６４によって成形体５に接続されている。

各供給路６１～６４は、白金又は白金合金によって構成される複数の供給管を連結することにより構成される。各供給路６１～６４の外周面は耐火物によって保持されている。

本実施形態では、溶融ガラスＧｍを所望の形状に成形する成形装置が成形体５によって構成される。成形体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を帯状のガラスリボンＧＲに成形する。詳細には、成形体５は、断面形状（図１の紙面と直交する断面形状）が略楔形状を成しており、成形体５の上部には、図示しないオーバーフロー溝が形成されている。

成形体５は、溶融ガラスＧｍをオーバーフロー溝から溢れ出させて、成形体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。成形体５は、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。

以下、溶融炉１の具体的な構成について、図２を参照しながら説明する。

図２に示すように、溶融炉１は溶融槽本体１１と、ガラス原料Ｇｒを供給するスクリューフィーダ１２と、溶融炉１内の気体を外部に排出する煙道１３と、溶融ガラスＧｍを通電によって加熱する電極１４と、耐火物１１１の異常発熱を監視する温度センサ１５とを備える。

溶融槽本体１１は、通電加熱によってガラス原料Ｇｒを溶融して溶融ガラスＧｍを形成する。溶融槽本体１１は耐火物１１１（例えば、ジルコニア系電鋳煉瓦やアルミナ系電鋳煉瓦など）で構成され、炉内の溶融空間を区画形成する。耐火物１１１の周囲には図示しない断熱レンガ等の保温材が配置され、溶融槽本体１１の保温性を高めている。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良い。また。溶融ガラスＧｍはＸ軸方向へ流れる。

溶融炉１には、原料供給手段として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の液面の一部にガラス原料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１３１が設けられている。ファン１３１は設けなくてもよい。

溶融炉１の耐火物１１１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１４が設けられている。本実施形態では、溶融炉１内には、炉底部に設けられた電極１４以外の加熱手段が設けられていない。電極１４の通電加熱のみで溶融ガラスＧｍを加熱することで、溶融ガラスＧｍの上面に供給されたガラス原料Ｇｒを間接的に加熱し溶融する。電極１４は、例えば棒状のモリブデンから形成され、電極ホルダ１４１に支持されている。電極ホルダ１４１は図示しない冷却配管を内部に備える。冷却配管は、水等の液体冷却材を流通させることにより、電極１４及び電極ホルダ１４１を冷却する。

図３の一点鎖線で囲まれた２つの電極１４は対になっており、この電極１４の間（通電領域１６）を通電することで溶融ガラスＧｍを加熱する。通電領域から離れた領域（非通電領域１７）は通電加熱されないが、溶融ガラスＧｍの対流や輻射によって加熱される。

温度センサ１５は、第一温度センサ１５１と第二温度センサ１５２で構成される。通電領域１６の中に第一温度センサ１５１を配置し、非通電領域１７の中に第二温度センサ１５２を配置する。本実施形態では、温度センサ１５として熱電対を使用するが、これに限定されない。白金測温体や、放射温度計を使用しても良い。

図４に示すように、耐火物１１１には、温度センサ１５を取り付けるための温度センサ取り付け孔１８が開けられている。本実施形態では、温度センサ取り付け孔１８は耐火物１１１を貫通せずに閉塞している。温度センサ取り付け孔１８の閉塞端には貴金属キャップ１５３が取り付けられており、温度センサ１５は保護管１５４内に収められた状態で貴金属キャップ１５３に押し当てられて固定される。これにより高温環境から温度センサ１５の温度測定部を保護することができる。加えて、貴金属キャップ１５３は熱伝導率が高いため、耐火物１１１の温度を正確に測定可能である。なお、本実施形態では、貴金属キャップ１５３は白金製のものを用いるが、この限りではない。白金合金やイリジウムやその他の高耐熱性素材を使用しても良い。

図５に示すように、非通電領域１７に位置する温度センサ取り付け孔１８は耐火物１１１を貫通しても良い。この場合、貴金属キャップ１５３は溶融ガラスＧｍに直接触れることになり、溶融ガラスＧｍの温度を測定することができる。

非通電領域１７において、溶融ガラスＧｍと耐火物１１１のどちらの温度を測定しても良い。溶融ガラスＧｍの温度と耐火物１１１の温度は異なるが、操業条件の変更に伴う温度変化は溶融ガラスＧｍと耐火物１１１とに同様に現れるため、通電領域１６に配置された第一温度センサ１５１の測定温度と比較することで、耐火物１１１の異常発熱を検出する本発明の目的を達成することができる。よって、溶融ガラスＧｍの温度、又は耐火物１１１の温度を測定するための既存の第二温度センサ１５２が設置されている場合は、新たに第二温度センサ１５２を設置する必要がない。

耐火物１１１は高温環境に長時間曝されることが原因で変質するため、溶融ガラスＧｍの温度上昇に従い、近傍にある耐火物１１１が変質する可能性は高まる。また、溶融炉１内では、下流へ向かうに従い温度が上昇する傾向がある。このため、耐火物１１１が変質し異常発熱する危険性が高い、最も下流にある通電領域１６を監視することが好ましい。

また、溶融ガラスＧｍと比較して、ガラス原料Ｇｒの電気抵抗率は高いため、溶融ガラスＧｍ中に混在するガラス原料Ｇｒの割合が高くなるに従い、相対的に耐火物１１１に通電しやすくなり、耐火物１１１の異常発熱の危険性は高まる。溶融炉１内では、上流へ向かうに従い溶融ガラスＧｍ中に混在するガラス原料Ｇｒの割合が高くなることから、最も上流にある通電領域１６を監視することが好ましい。

通電していない耐火物１１１は、溶融ガラスＧｍから離れるに従って温度が低下する。このため、耐火物１１１の変質は耐火物１１１と溶融ガラスＧｍの境界面から始まり、徐々に耐火物１１１内部へと進行する。このため、第一温度センサ１５１による測定位置を溶融ガラスＧｍに近づけるほど、耐火物１１１の異常発熱を早期に検出することができる。

第一温度センサ１５１及び第二温度センサ１５２は図示しない制御装置に接続される。制御装置は第一温度センサ１５１及び第二温度センサ１５２の測定温度を記録し、比較温度差が所定の値を超えた時、異常発熱が発生し、耐火物１１１の溶損リスクが高まっていると判断する。以下、異常発熱の検出について、シミュレーションを使用して説明する。

本シミュレーションの対象の溶融炉１の内部には二対の電極１４を配置し、合計９８．５ｋＷの電力を投入するよう設定した。また、第一温度センサ１５１で測定する温度として、一対の電極１４の中間であり、且つ耐火物１１１と溶融ガラスＧｍとの境界面から耐火物１１１側に１０ｍｍの位置の温度を採用した。第二温度センサ１５２で測定する温度として、溶融炉１の底面からの高さが３００ｍｍであり、且つ溶融炉１の側面を構成する耐火物１１１と溶融ガラスＧｍとの境界である位置の温度を採用した。なお、耐火物１１１の変質の進行をシミュレーションで再現する際は、耐火物１１１と溶融ガラスＧｍの境界面から所定の深さ（変質深さ）までの耐火物１１１の電気抵抗率を低く設定した。以上の条件に従って有限体積法を使用したシミュレーションを行い、第一温度センサ１５１及び第二温度センサ１５２で測定される温度を求めた。

図６は電極１４から溶融炉１内へ投入される電力を増加させた場合の第一温度センサ１５１及び第二温度センサ１５２で測定される温度の変化を表している。投入電力は９８．５ｋＷから２．５％ずつ、１０％まで増加させている。一方で耐火物１１１の変質は進行させていない。投入電力を増加させると、第一温度センサ１５１及び第二温度センサ１５２で測定される温度は共に上昇し、その上昇量は同程度である。このため、図７に示すように、投入電力の変化によらず、比較温度差はほぼ一定となる。

図８は耐火物１１１の変質が進行した場合の、第一温度センサ１５１及び第二温度センサ１５２で測定される温度の変化を表している。耐火物１１１の変質深さは、０ｍｍから１５ｍｍずつ、６０ｍｍまで増加させている。一方で投入電力は増加させていない。耐火物１１１の変質を進行させると、第一温度センサ１５１で測定される温度は上昇するが、第二温度センサ１５２で測定される温度はほとんど変化しない。このため、図９に示すように、耐火物１１１の変質の進行に伴って比較温度差は増加する。

第一温度センサ１５１で測定される温度が上昇した場合でも、第二温度センサ１５２で測定される温度も同様に上昇していれば、比較温度差が増加していないことになり、第一温度センサ１５１で測定された温度上昇は投入電力等の操業条件の変動が原因であるため、耐火物１１１に異常発熱が発生していないことが分かる。一方で、第一温度センサ１５１で測定される温度が上昇した場合で、第二温度センサ１５２で測定される温度が上昇していない場合、又は第二温度センサ１５２で測定される温度上昇に比べて第一温度センサ１５１で測定される温度上昇が大きい場合は、比較温度差が増加していることとなり、耐火物１１１に異常発熱が発生していることが分かる。よって、比較温度差の上昇の有無によって耐火物１１１に異常発熱が発生しているかどうかを検出できる。

以上のような方法によれば、ガラス溶融炉１を構成する耐火物１１１が溶損に至る前に、その異常発熱を検出することができる。

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。

上記実施形態では、オーバーフローダウンドロー法を使用してガラス板を作成していたが、これに限定されない。スロットダウンドロー法や、フロート法を使用しても良い。また上記実施形態では、ガラス物品としてガラス板を例に説明したが、これに限定されない。グラスファイバや管ガラス等、他のガラス物品を製造しても良い。

上記実施形態では、ガラス溶融炉１の底面にのみ電極１４を配置したが、これに限定されない。ガラス溶融炉１の側面に電極１４を配置しても良い。

上記実施形態では、電極１４間の通電による加熱のみで溶融ガラスＧｍを加熱していたが、バーナによる加熱を組み合わせても良い。この場合、溶融ガラスＧｍの液面より上方の耐火物１１１にバーナが取り付けられる。

上記の実施形態では、電極１４の間の通電は単相交流電源を使用していたが、これに限定されない。三相交流電源を使用しても良い。この場合、３本の電極１４が１組となり、１組の電極１４の間が通電領域１６となる。

本発明は、ガラス溶融炉の監視、及び当該ガラス溶融炉の監視方法を利用したガラス物品の製造に好適に使用することができる。

１ 溶融炉
１１１ 耐火物
１４ 電極
１５ 温度センサ
１５１ 第一温度センサ
１５２ 第二温度センサ
１５３ 貴金属キャップ
１６ 通電領域
１７ 非通電領域
Ｇｍ 溶融ガラス
Ｇｒ ガラス原料

Claims (9)

1. 溶融ガラスに浸漬した電極を用いてガラス原料を加熱して溶解するガラス溶融炉を構成する耐火物の溶損を監視するガラス溶融炉監視方法であって、
   前記電極間の通電領域に配置される第一温度センサと、
   前記通電領域から離れた非通電領域に配置される第二温度センサを備え、
   前記第一温度センサは、前記耐火物に開けられた取り付け孔に配置され、
   前記第一温度センサと前記第二温度センサの測定温度を用いて、前記耐火物の電気抵抗率の低下に伴う異常発熱を検出することを特徴とするガラス溶融炉監視方法。
2. 前記第一温度センサの測定温度から、前記第二温度センサの測定温度を減算し、
   得られた温度差の増加量が所定の値を超えた場合に、前記耐火物の異常発熱を検出することを特徴とする請求項１に記載のガラス溶融炉監視方法。
3. 前記電極は、前記ガラス溶融炉の底面に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のガラス溶融炉監視方法。
4. 前記ガラス原料は、前記電極による通電加熱のみで加熱され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溶融炉監視方法。
5. 前記第一温度センサ及び前記第二温度センサは、熱電対であることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載のガラス溶融炉監視方法。
6. 前記第一温度センサ及び前記第二温度センサの温度測定部は前記耐火物の内部に配置され、前記耐火物の温度を測定することを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載のガラス溶融炉監視方法。
7. 前記第一温度センサの温度測定部は前記耐火物の内部に配置され、前記耐火物の温度を測定し、
   前記第二温度センサの温度測定部は前記耐火物と前記溶融ガラスとの境界に配置され、前記溶融ガラスの温度を測定することを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載のガラス溶融炉監視方法。
8. 前記第一温度センサ及び前記第二温度センサは、前記温度測定部が貴金属キャップで覆われていることを特徴とする請求項６又は７に記載のガラス溶融炉監視方法。
9. 請求項１～８のいずれかに記載のガラス溶融炉監視方法を用いた前記ガラス溶融炉により、前記ガラス原料を溶解する溶解工程と、
   前記ガラス溶融炉で溶解された前記溶融ガラスを成形する成形工程とを備えることを特徴とするガラス物品製造方法。