JPWO2012173154A1 - ガラス溶融炉、溶融ガラスの製造方法、ガラス物品の製造方法およびガラス物品の製造装置 - Google Patents
ガラス溶融炉、溶融ガラスの製造方法、ガラス物品の製造方法およびガラス物品の製造装置Info
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Abstract
Description
例えば、特許文献2に記載の溶融炉は、溶融炉の天井壁に下向きに取り付けられた酸素バーナーを備えており、この酸素バーナーには、酸素を含む支燃ガスと燃料ガスを供給するガス供給系と、ガラス原料粒子を供給する原料供給系とが接続されている。この溶融炉では、酸素バーナーを燃焼させ下向きに火炎を形成するとともに、酸素バーナーからガラス原料粒子をその火炎中に下向きに供給し、火炎中で液状ガラス粒子を生成させ、生成した液状ガラス粒子を火炎直下の炉底部に集積させてガラス融液を形成している。
さらに、ガラス原料粒子の粒子径が小さいことは、ガラス溶融炉内での粉塵、つらら状物の原因となることがある。ガラス原料粒子は、高温の気相雰囲気中でガラス原料粒子が溶融できる範囲で、粒子径が大きい方がよい。他方、従来のガラス原料粒子を供給する原料供給路と、燃焼ガスおよび燃料ガスをそれぞれ供給するガス供給路とを一体に備える燃料バーナーの場合、その構造上、ガラス原料粒子の粒子径が限定される。このため、ガラス原料粒子の粒子径に制限がない方法が望まれる。
また、本発明は、上述の溶融ガラスの製造方法を用いるガラス物品の製造方法の提供を目的とする。
さらに、本発明は、上述のガラス溶融炉を備えたガラス物品の製造装置の提供を目的とする。
本発明のガラス溶融炉においては、前記燃焼バーナーの先端部が、前記原料粒子投入部の投入口と少なくとも水平方向に離隔しかつ別体で設けられていることが好ましい。
本発明のガラス溶融炉においては、前記燃焼バーナーの先端部が、前記原料粒子投入部の投入口の周囲に下向きに設置されていることが好ましい。
本発明のガラス溶融炉においては、前記ガラス原料粒子が前記原料粒子投入部に入る手前および前記原料粒子投入部のうち少なくとも一箇所に、前記ガラス原料粒子を予熱する原料粒子予熱手段を有することが好ましい。
本発明のガラス溶融炉においては、前記原料粒子投入部が、さらに前記ガラス原料粒子の投入位置とは別の位置にカレット片を投入するガラスカレット投入部を有してもよい。
本発明のガラス溶融炉においては、前記原料粒子投入部が、原料粒子投入管と、該原料粒子投入管の周囲に配置された気体供給管と、を備えてもよい。
本発明のガラス溶融炉においては、前記燃焼バーナーが前記原料粒子投入部での鉛直下向きの原料粒子投入軸に対して、当該燃焼バーナーによる燃焼炎のなす角度αが0度≦α≦45度となるように設置されていることが好ましい。
本発明の溶融ガラスの製造方法においては、前記原料粒子投入部の投入口が前記燃焼バーナーの先端部と少なくとも水平方向に離隔しかつ別体で設けられることによって、前記ガラス原料粒子が前記原料粒子投入部の投入口から離れたところで燃焼炎と接触することが好ましい。
本発明の溶融ガラスの製造方法においては、前記ガラス原料粒子は、重量平均粒径が30〜1000μmの範囲であることが好ましい。
本発明の溶融ガラスの製造方法においては、前記ガラス原料粒子を前記加熱気相雰囲気に送る前に、該ガラス原料粒子を予め加熱することが好ましい。
本発明の溶融ガラスの製造方法においては、前記ガラス原料粒子は、重量平均粒径が50〜3000μmの範囲であることが好ましい。
本発明の溶融ガラスの製造方法においては、前記原料粒子投入部の投入口の周囲に、該投入口を中心とする円周上に配置した前記燃焼バーナーの先端部から燃焼炎を噴出してもよい。
本発明の溶融ガラスの製造方法においては、前記原料粒子投入部の一部から、前記ガラス原料粒子の投入位置とは別の位置でガラスカレット片を投入してもよい。
本発明の溶融ガラスの製造方法においては、前記原料粒子投入部の投入口の先端の外周から下方に気体を噴出してもよい。
本発明の溶融ガラスの製造方法において、前記原料粒子投入部での鉛直下向きの原料粒子投入軸に対して、燃焼炎のなす角度αが0度≦α≦45度となるように、前記燃焼バーナーから下向きに燃焼炎を噴出することが好ましい。
本発明は、前記のいずれかに記載のガラス溶融炉と、該ガラス溶融炉により製造された溶融ガラスを成形する成形手段と、成形後のガラスを徐冷する徐冷手段とを備えるガラス物品の製造装置を提供する。
本発明は、前記のいずれかに記載の溶融ガラスの製造方法を用いて溶融ガラスを製造する工程と、該溶融ガラスを冷却する工程と、を含むガラスビーズの製造方法を提供する。
本発明の溶融ガラスの製造方法は、燃焼バーナーの燃焼炎により加熱気相雰囲気を形成し、この加熱気相雰囲気中に燃焼バーナーとは別体で設けた原料粒子投入部よりガラス原料粒子を投入して、ガラス原料粒子を加熱溶融して溶融ガラス粒子とする構成である。そのため、ガラス原料粒子や溶融ガラス粒子などがバーナー先端部に付着して肥大化することを抑制でき、肥大化した付着物のガラス融液への落下を抑止でき、また所定の粒子径以上のガラス原料粒子を用いることによってガラス溶融炉内での粉塵の抑制ができるので、均質な溶融ガラスを製造できる。
また、本発明のガラス物品の製造方法は、上述の溶融ガラスの製造方法を用いることにより、均質で高品質なガラス物品を提供できる。
さらに、本発明のガラス物品の製造装置は、上述のガラス溶融炉を備えることにより、均質で高品質なガラス物品を製造できる。
図1は本発明に係るガラス溶融炉の第1実施形態を模式的に示す断面図である。図1に示すガラス溶融炉は、本発明に係る溶融ガラスの製造方法およびガラス物品の製造方法に用いられる。
本発明において、ガラス原料粒子GMとは、最終目的とするガラスの組成に合わせた、目的のガラスの各成分の粒子状の原料粉末、あるいはそれらの原料粉末を混合して集合させた造粒体、あるいは原料粉末と造粒体が混合されたものである。また、これらにはガラス原料として、ガラスカレット片を含んでもよい。本発明のガラス原料粒子の粒子径は、従来の気中溶融バーナーで利用するものよりも大きくできる。これによって、ガラス溶融炉10の炉体1内の気流によって舞い上がるガラス原料粒子GMを少なくできるので粉塵の抑制ができる。ガラス原料粒子GMの一例を拡大して図1に示すが、原料粉末を混合して集合させた造粒体である一つのガラス原料粒子GMにおいて最終目的とするガラスの組成にほぼ合致するか近似した組成となっていてもよい。なお、ガラス原料粒子GMの詳細については、後述する。
酸素燃焼バーナー7は、その燃焼炎の噴射方向先端側(図1では下方側)に加熱気相雰囲気Kを形成できるようになっている。加熱気相雰囲気Kは、酸素燃焼バーナー7から噴射される酸素燃焼炎Fおよび酸素燃焼炎F近傍の高温部から構成される。
このような構成のガラス溶融炉において、燃焼バーナーの燃焼炎により加熱気相雰囲気を形成し、該加熱気相雰囲気の上方に前記燃焼バーナーとは別体で設けた原料粒子投入部より、目的のガラスの組成に合わせて原料粉末を混合したガラス原料粒子を前記加熱気相雰囲気中に送ることで、前記ガラス原料粒子を溶融させて溶融ガラス粒子とし、溶融ガラスを得ることができる。
さらに、本発明では、酸素バーナー7と別に原料粒子投入部5を有するので、酸素バーナー7の燃焼条件に影響されず種々のガスを噴出させることができる。これにより、例えば、ガラス溶融の初期において、ガラス溶融炉10の炉体1内の雰囲気の成分調整が容易にできる効果がある。
図2に示す原料粒子投入部5は、筒状の原料粒子投入管51からなる単管構造である。本発明では、このような単純な構造を採用できるので、ガラス原料粒子GMの粒子径の自由度が高く、また、粒子径のばらつきの許容範囲を広くできる。このため、前述したようにガラス原料粒子GMなどに、ガラスカレット片を含ませてもよく、ガラスカレット片の粒度のばらつきも一定条件下存在してもよい。なお、ガラスカレット片の大きさは、加熱気相雰囲気Kで溶融可能なサイズを限度として、酸素燃焼バーナー7の出力に応じて決定される。原料粒子投入管51の材質は、金属またはセラミックスなどが例示できる。原料粒子投入管51は水冷構造を備えていてもよい。本実施形態のガラス溶融炉10が備える原料粒子投入部5は、図2に示すように原料粒子投入管51より構成される単管構造であってもよいが、図3に示す構造であることが好ましい。
ガラス原料粒子GMが、後述するスプレードライ造粒法ではなく、特に転動造粒法、攪拌造粒法などの乾式造粒法による造粒体の場合には、造粒後に乾燥する必要がある。よって、ガラス原料粒子GMが乾式造粒法による造粒体の場合には、特に原料粒子予熱手段60、61によって、ガラス溶融炉10の炉体1に投入する前に造粒体を乾燥し、より低い水分含有の状態でガラス溶融炉10の炉体1に投入することが好ましい。ガラス原料粒子GMが特に大きい場合は、原料粒子予熱手段61の方が適する。
酸素燃焼バーナー7の酸素燃焼炎Fの温度は、ガラス原料粒子GMに含まれる気体成分を迅速にガス化散逸させ、ガラス化反応を進行させるために、ガラス原料の珪砂の溶融温度以上である1600℃以上に設定することが好ましい。これにより、原料粒子投下部5から炉体1内に投下されたガラス原料粒子GMは、酸素燃焼炎Fにより形成される加熱気相雰囲気Kによって、迅速にガス化散逸されるとともに、高温で加熱されることにより溶融ガラス粒子Uとなり、炉体1の底部に着地して溶融ガラスGとなる。
酸素燃焼バーナー7から噴射される酸素燃焼炎Fにより形成される加熱気相雰囲気Kの中心部の温度は、酸素燃焼炎Fが例えば水素酸素燃焼炎の場合約2000〜3000℃である。
図4に示すように、酸素燃焼バーナー7、7は、原料粒子投入部5によるガラス原料粒子GMの投入軸(図4に符号Aで示す。)に対して、その酸素燃焼炎Fの噴射方向(図4に符号Bで示す。)のなす角度αが0度≦α≦45度となるように傾斜して配置されていることが好ましい。すなわち、酸素燃焼バーナー7、7が、原料粒子投入部5での鉛直下向きの原料粒子投入軸Aに対して、その酸素燃焼炎Fのなす角度αが0度≦α≦45度となるように設置されていることが好ましい。ここで、ガラス原料粒子GMの投入軸Aとは、原料粒子投入部5から投下されたガラス原料粒子GMの中心軸を示す。また、酸素燃焼炎Fの噴射方向Bとは、酸素燃焼バーナー7より噴射される酸素燃焼炎Fの中心軸を示す。このような範囲の角度αで酸素燃焼バーナー7、7が設置されることにより、酸素燃焼バーナー7、7は、鉛直軸であるガラス原料粒子GMの投入軸Aに向かって、原料粒子投入部5の下方に酸素燃焼炎F、Fを吹き付けることができる。これにより、原料粒子投入部5の投入口5Aから投入軸Aに沿って落下中のガラス原料粒子GMは、その酸素燃焼炎F、Fにより形成される加熱気相雰囲気Kを効率よく通過できる。
図6は、図1に示すガラス溶融炉10における酸素燃焼バーナー7の配置の第3の例を示す模式図であり、図7は、図1に示すガラス溶融炉10における酸素燃焼バーナー7の配置の第4の例を示す模式図である。図6および図7において、酸素燃焼バーナー7の配置をわかりやすくするために、ガラス溶融炉10の炉壁部1Aを除き、ガラス溶融炉10の上方から、酸素燃焼バーナー7、酸素燃焼炎F、原料粒子投入部5から投下されたガラス原料粒子GMの様子を模式的に示している。
このように、複数の酸素燃焼バーナー7を、原料粒子投入部5を中心とする円周上に等間隔で配置することにより、複数の酸素燃焼バーナー7の酸素燃焼炎Fにより形成される加熱気相雰囲気Kの対称性をより高めることができ、原料粒子投入部5から投入されるガラス原料粒子GMをより均一に加熱できる。
さらに、原料粒子投入部50を図3に示す二重管構造とすることにより、原料粒子投入部5の投入口5A付近にも、ガラス原料粒子GMが付着することを低減でき、この付着物の肥大化を無くし、つらら状物の形成を抑止できる。
なお、前述のスラリーを攪拌装置で攪拌する際、原料粉末の均一分散の目的で2−アミノエタノールなどの分散剤を、造粒原料の強度を向上させる目的で、PVA(ポリビニルアルコール)などのバインダーを混合してから攪拌してもよい。
本実施形態において用いるガラス原料粒子GMは、上述のスプレードライ造粒法の他に、転動造粒法、攪拌造粒法などの乾式造粒法により形成することもできる。
このように、原料粒子予熱手段60、61を用いることは、造粒コストがスプレードライ造粒法に比べて低い乾式造粒法による造粒体で、しかも大きめの造粒体を利用できるため、ガラス溶融炉10の炉体1内の粉塵が少なくなり、かつ溶融ガラスGを製造する上での材料コスト、エネルギーコストを含むトータルの製造コストを低減できる点でも効果がある。
ガラス原料粒子GMが溶融した溶融ガラス粒子Uの重量平均粒径は、通常ガラス原料粒子GMの重量平均粒径の80%程度となることが多い。ガラス原料粒子GMの粒径は、短時間で加熱でき、発生ガスの放散が容易である点、および粒子間の組成変動の低減の点から、前述の範囲を選択することが好ましい。
本実施形態において、副原料として清澄剤を含有する場合、塩素(Cl)、硫黄(S)、フッ素(F)の中から1種または2種以上の元素を選択して含む清澄剤を必要量添加することができる。その他の清澄剤として、酸化スズ(SnO2)を用いることができる。
また、従来から用いられているSb、As酸化物などの清澄剤は、泡削減効果が生じたとしても、これら清澄剤の元素は環境負荷低減の面で望ましくない元素であり、それらの利用は環境負荷低減の方向性から見て削減することが好ましい。
以上のように製造されたガラス物品は、上述のように高品質の溶融ガラスGより形成されているため、高い品質のガラス物品を得ることができる。
図8に示す方法に従い、ガラス物品を製造するには、上述のガラス溶融炉10を用いた上述の溶融ガラスの製造方法によるガラス溶融工程S1により溶融ガラスGを得たならば、溶融ガラスGを成形装置20に送って目的の形状に成形する成形工程S2を経た後、徐冷工程S3にて徐冷し、切断工程S4において必要な長さに切断することでガラス物品G5を得ることができる。
なお、必要に応じて、成形後の溶融ガラスを研磨する工程を設けて、ガラス物品G5を製造できる。
なお、図9では略しているが、収容部34の側壁部には収容部34を密閉状態とすることが可能な開閉扉が形成されていて、搬送台車32は開閉扉を開けることで収容部34の外部に移動できるようになっている。
このようにして得られたガラスビーズGBは、ガラスビーズとしてそのまま利用されたり、他の原料と混合されて利用されたり、その他の溶融炉の中に投入されてガラス物品の製造に利用される。
本発明のガラスビーズの製造方法は、上述した本発明のガラス溶融炉により溶融ガラスを製造する工程と、該溶融ガラスを冷却する工程と、を含む。
なお、2011年6月17日に出願された日本特許出願2011−135182号の明細書、特許請求の範囲、図面および要約書の全内容をここに引用し、本発明の開示として取り入れるものである。
Claims (20)
- 溶融ガラスを収容する炉体と、
前記炉体の上部に配置され、ガラス原料粒子を前記炉体の内側に投入する原料粒子投入部と、
前記原料粒子投入部と離隔して設けられ、かつ前記ガラス原料粒子を加熱溶融して溶融ガラス粒子にするための加熱気相雰囲気を前記原料粒子投入部の下方に形成する燃焼バーナーと、
を備えるガラス溶融炉。 - 前記燃焼バーナーの先端部が、前記原料粒子投入部の投入口と少なくとも水平方向に離隔しかつ別体で設けられている請求項1に記載のガラス溶融炉。
- 前記燃焼バーナーの先端部が、前記原料粒子投入部の投入口の周囲に下向きに設置されている請求項1または2に記載のガラス溶融炉。
- 前記ガラス原料粒子が前記原料粒子投入部に入る手前および前記原料粒子投入部のうち少なくとも一箇所に、前記ガラス原料粒子を予熱する原料粒子予熱手段を有する請求項1〜3のいずれか一項に記載のガラス溶融炉。
- 前記燃焼バーナーを複数備え、これら複数の燃焼バーナーの先端部が前記原料粒子投入部の投入口の周囲に、該原料粒子投入部を中心とする円周上に配置されている請求項1〜4のいずれか一項に記載のガラス溶融炉。
- 前記原料粒子投入部が、さらに前記ガラス原料粒子の投入位置とは別の位置にカレット片を投入するガラスカレット投入部を有する請求項1〜5のいずれか一項に記載のガラス溶融炉。
- 前記原料粒子投入部が、原料粒子投入管と、該原料粒子投入管の周囲に配置された気体供給管と、を備える請求項1〜6のいずれか一項に記載のガラス溶融炉。
- 前記燃焼バーナーが、前記原料粒子投入部での鉛直下向きの原料粒子投入軸に対して、当該燃焼バーナーによる燃焼炎のなす角度αが0度≦α≦45度となるように設置されている請求項1〜7のいずれか一項に記載のガラス溶融炉。
- 燃焼バーナーの燃焼炎により加熱気相雰囲気を形成し、該加熱気相雰囲気の上方に前記燃焼バーナーとは別体で設けた原料粒子投入部から、目的のガラスの組成に合わせて原料粉末を混合したガラス原料粒子を前記加熱気相雰囲気中に送ることによって、前記ガラス原料粒子を溶融させて溶融ガラス粒子とする溶融ガラスの製造方法。
- 前記原料粒子投入部の投入口が前記燃焼バーナーの先端部と少なくとも水平方向に離隔しかつ別体で設けられることによって、前記ガラス原料粒子が前記原料粒子投入部の投入口から離れたところで燃焼炎と接触する請求項9に記載の溶融ガラスの製造方法。
- 前記ガラス原料粒子は、重量平均粒径が30〜1000μmの範囲である請求項9または10に記載の溶融ガラスの製造方法。
- 前記ガラス原料粒子を前記加熱気相雰囲気に送る前に、該ガラス原料粒子を予め加熱する請求項9または10に記載の溶融ガラスの製造方法。
- 前記ガラス原料粒子は、重量平均粒径が50〜3000μmの範囲である請求項12に記載の溶融ガラスの製造方法。
- 前記原料粒子投入部の投入口の周囲に、該投入口を中心とする円周上に配置した前記燃焼バーナーの先端部から燃焼炎を噴出する請求項9〜13のいずれか一項に記載の溶融ガラスの製造方法。
- 前記原料粒子投入部の一部から、前記ガラス原料粒子の投入位置とは別の位置でガラスカレット片を投入する請求項9〜14のいずれか一項に記載の溶融ガラスの製造方法。
- 前記原料粒子投入部の投入口の先端の外周から下方に気体を噴出する請求項9〜15のいずれか一項に記載の溶融ガラスの製造方法。
- 前記原料粒子投入部での鉛直下向きの原料粒子投入軸に対して、燃焼炎のなす角度αが0度≦α≦45度となるように、前記燃焼バーナーから下向きに燃焼炎を噴出する請求項9〜16のいずれか一項に記載の溶融ガラスの製造方法。
- 請求項9〜17のいずれか一項に記載の溶融ガラスの製造方法を用いて溶融ガラスを製造する工程と、該溶融ガラスを成形する工程と、成形後のガラスを徐冷する工程と、を含むガラス物品の製造方法。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載のガラス溶融炉と、該ガラス溶融炉により製造された溶融ガラスを成形する成形手段と、成形後のガラスを徐冷する徐冷手段とを備えるガラス物品の製造装置。
- 請求項9〜17のいずれか一項に記載の溶融ガラスの製造方法を用いて溶融ガラスを製造する工程と、該溶融ガラスを冷却する工程と、を含むガラスビーズの製造方法。
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