TWI527779B - A glass melting furnace, a manufacturing method of a molten glass, a manufacturing apparatus for a glass product, and a method for manufacturing a glass product - Google Patents

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Description

玻璃熔融爐、熔融玻璃之製造方法、玻璃製品之製造裝置及玻璃製品之製造方法 發明領域
本發明係有關於一種在高溫氣相環境中由玻璃原料粒子形成液狀的玻璃粒子而製造熔融玻璃之玻璃熔融爐、使用該玻璃熔融爐之熔融玻璃之製造方法、具備該熔融爐之玻璃製品之製造裝置、及使用上述製造方法之玻璃製品之製造方法。
 發明背景
在專利文獻1、2，係揭示一種在玻璃熔融爐的頂部具備玻璃原料粒子投入部、及形成用以將玻璃原料粒子熔融之高溫氣相環境之加熱機構的玻璃熔融爐，作為在高溫氣相環境中將玻璃原料粒子熔融並集聚而製造玻璃熔液之玻璃熔融爐，。
該玻璃熔融爐係將從玻璃原料粒子投入部投入爐內後的玻璃原料粒子，藉由加熱機構在經加熱之高溫氣相環境中進行熔融而成為液狀玻璃粒子，且使液狀玻璃粒子集聚在玻璃熔融爐底部而形成玻璃熔液，並且將玻璃熔液暫時積存在玻璃熔融爐底部而排出之裝置。又，此種熔融玻璃的製法係作為玻璃的氣中熔融法(In Flight Melting)而為人所知。使用該氣中熔融法時，相較於使用先前的西門子爐(Simens furnace)之熔融法，一般認為能夠將玻璃熔融步驟的消耗能量減少至1/3左右，同時能夠在短時間熔融，能夠謀求熔融爐的小型化、蓄熱室的省略、品質的提升、CO2的削減、玻璃品種的變更時間之縮短化。此種玻璃的氣中熔融法係作為省能源技術而受到注目。
但是，從玻璃原料粒子投入部所投入的玻璃原料粒子，係由玻璃原料的混合物聚集而成者所構成，通常係使用被造粒成粒徑為1mm以下者。被投入到玻璃熔融爐後的玻璃原料粒子在高溫氣相環境中下降(飛翔)的期間，其一粒一粒係被熔融而成為液狀玻璃粒子，而且液狀玻璃粒子係朝下方落下而集聚在玻璃熔融爐底部且形成玻璃熔液。從該玻璃原料粒子生成的液狀玻璃粒子係亦能夠當作玻璃液滴來表現者。為了在高溫氣相環境中使其在短時間從玻璃原料粒子生成液狀玻璃粒子，玻璃原料粒子的粒徑必須如上述如此小者。又，通常的情形下，從各個玻璃原料粒子生成的各個液狀玻璃粒子必須是具有大致相同的玻璃組成之粒子。
由於玻璃原料粒子與液狀玻璃粒子係均是小粒子，玻璃原料粒子成為液狀玻璃粒子時所產生的分解氣體成分，不會被關進所生成的液狀玻璃粒子之內部，其幾乎都被排出至液狀玻璃粒子的外部。因此，在液狀玻璃粒子集聚而成的玻璃熔液中產生氣泡的可能性少。
另一方面，各玻璃原料粒子之構成原料成分係大致均勻的粒子，從其所生成的各液狀玻璃粒子的玻璃組成亦互相為均勻。由於液狀玻璃粒子之間的玻璃組成差異小，在多數液狀玻璃粒子堆積而形成玻璃熔液內，生成玻璃組成不同的部分之可能性小。因此，在先前的玻璃熔融爐被視為必要之用以將玻璃熔液的玻璃組成均勻化之均勻化機構，在氣中熔融法係幾乎不必要。即便產生了少數的液狀玻璃粒子與其他大部分的液狀玻璃粒子之玻璃組成不同的情況，由於液狀玻璃粒子係粒徑小的粒子，由玻璃組成不同之少數的液狀玻璃粒子所生成之玻璃熔液中的玻璃組成異質區域小，該異質區域係在短時間容易地均勻化而消失。如此，氣中熔融法能夠減少玻璃熔液的均勻化所必要的熱能，且能夠縮短均勻化所需要的時間。
專利文獻1、2的玻璃熔融爐，其作為形成高溫氣相環境之加熱機構，係具備複數支電弧電極和氧燃燒噴嘴，藉由複數支電弧電極所形成的熱電漿電弧和氧燃燒噴嘴之氧燃燒火焰(flame)而在爐內形成約1600℃以上的高溫氣相環境。藉由在該高溫氣相環境中投入玻璃原料粒子，能夠使玻璃原料粒子在高溫氣相環境內變化成為液狀玻璃粒子。又，作為在專利文獻1所使用的玻璃原料粒子，從能夠在短時間使其變化成為液狀玻璃粒子，且產生氣體的散發容易之觀點，使用了粒徑為0.5mm(重量平均)以下者。而且，從玻璃原料粒子的微粉化引起成本上升及降低所生成的液狀玻璃粒子之間的玻璃組成變動之觀點，使用了粒徑為0.01mm(重量平均)以上者。
使用專利文獻1、2的玻璃熔融爐所製造之約1600℃的熔融玻璃，係從玻璃熔融爐被供給至溫度調整槽或澄清槽，在此被冷卻至能夠成形的溫度(鹼石灰玻璃係約1000℃左右)。而且，該熔融玻璃係被供給至浮浴槽(float bath)、熔融成形機、軋平(roll out)成形機、吹氣成形機、加壓成形機等的玻璃製品成形機構，且在此被成形為各種形狀的玻璃製品。然後，所形成的玻璃製品係藉由緩冷卻機構而被冷卻至大致室溫，隨後，視需要而經由使用切斷機構之切斷步驟、及/或經由其他的後步驟後，被製成需要的玻璃製品。
先前技術文獻
專利文獻
專利文獻1：特開2006-199549號公報
專利文獻2：特開2007-297239號公報
在專利文獻1、2所揭示的玻璃熔融爐中，著液於玻璃熔液面之液狀玻璃粒子係被拉進已先熔融的玻璃熔液，進而藉由持續熔融，製造無未熔融物的熔融玻璃。
但是，液狀玻璃粒子係連續著液於玻璃熔液面上的同一位置時，在玻璃熔融爐內存在的空氣等的氣體會被捲入至液狀玻璃粒子或玻璃熔液，恐有生成氣泡之虞。所謂液狀玻璃粒子著液時所生成的氣泡，係指液狀玻璃粒子之間和液狀玻璃粒子與玻璃熔液之間捲入的空氣和燃燒氣體等的氣體而生成之氣泡。例如在接觸玻璃熔液表面後之大致球狀的液狀玻璃粒子與玻璃熔液一體化而平坦化之前，另外的液狀玻璃粒子落下在該平坦化前的液狀玻璃粒子之上而接觸，會有在兩液狀玻璃粒子之間和兩液狀玻璃粒子玻璃熔液面之間等捲入空氣等的氣體之情形。
又，雖然認為液狀玻璃粒子接觸玻璃熔液面時所生成的氣泡的發生概率低，但是若在高溫氣相環境下，在剛熔融之後的液狀玻璃粒子本身殘留有溶解氣體等時，含有該溶解氣體等之液狀玻璃粒子在接觸玻璃熔液而即將與玻璃熔液一體化之前或剛一體化之後，亦會在該液狀玻璃粒子部分堆積其他的液狀玻璃粒子，並且液狀玻璃粒子所含有的溶解氣體等被鎖住而成為氣泡。
如此，專利文獻1、2的玻璃熔融爐有無法製造氣泡少之品質優良的熔融玻璃的情形之缺點。
又，在專利文獻2，係揭示一種定期性攪拌玻璃熔液面，以使落下至玻璃熔液面之液狀玻璃粒子擴散之技術，但是攪拌液面時，因為被拉進玻璃熔液的空氣或溶解氣體擴散反而進入熔融玻璃中，而有脫泡效率低落，無法製造品質優良的熔融玻璃的情形之問題。
本發明係鑒於此種情形而作成者，以提供一種能夠製造品質優良的熔融玻璃之製造方法、玻璃熔融爐、玻璃製品之製造方法、及玻璃製品之製造裝置作為目的。
本發明者等係以上述作為目的而進行專心研討的結果，得到以下的見解。
亦即，得到以下的見解：在前述氣中熔融法所設想的氣泡，使其在產生的場所之玻璃熔液的熔液面消失係有效的。
又，在玻璃熔液面上投入比較低溫之未熔融的粉體狀原料，並在熔融玻璃中設置電極而將玻璃原料熔融之所謂冷頂(cold top)型的電熔融爐中，係在熔融玻璃與玻璃原料的層之界面生成半熔融狀態的玻璃層。該玻璃的層被稱為所謂殼層(crust layer)。該殼層亦含有與本發明的課題之著液時產生的氣泡同樣在機構所產生的氣泡。為了減少該殼層而欲加熱玻璃熔液上層來減少未熔融玻璃時，有以下二個問題。第一，從該玻璃熔液的對流特性，因為在從玻璃熔液面下方約30cm左右以上的玻璃熔液的中層之位置設置電極，因此玻璃熔液的深度方向之溫度分布係從中層至下層變高，即便將追加的電極設置於上層，由於電流線的關係而難以將上層充分地加熱。第二，電極設置於玻璃熔液的上層時，藉由電極附近的溫度上升，產生局部性被加熱之處，在殼層下氣體積存於局部，殼層成為氣球狀。其結果，在殼層及殼層之上之作為隔熱層作用的玻璃原料層會產生龜裂，產生玻璃熔液露出的部分，增加從殼層下的玻璃熔液之散熱量。由於以上的問題，會對安定的生產造成障礙。該等之中，第二問題係先前的西門子爐在電升壓時亦會產生。
由於以上的理由，先前的玻璃熔融爐，並未因使氣泡消失之目的等而採用積極地加熱玻璃熔液的上層、特別是玻璃熔液面附近之方法。
另一方面，利用氣中熔融法的特徵，即便將玻璃熔液的上層、特別是熔液面附近積極地加熱，由於液狀玻璃粒子比較均勻地積層於藉由在高溫氣相環境中熔融所儲存的熔液上層，，所以殼層本身不會產生。
又，依照本發明者等的檢討，發現在氣中熔融法中，相較於電熔融爐的對流，至玻璃熔液的比較上層為止的對流為安定的。除此之外，氣中熔融法的熔融爐中與電熔融爐不同，原本玻璃熔液的上層之溫度較高。因此，本發明者等亦發現在氣中熔融法中，加熱玻璃熔液的上層不容易引起對流雜亂。
亦即，可知在先前的熔融爐中，係難以積極地實施玻璃熔液面附近的加熱，但是氣中熔融法係能夠積極地實施玻璃熔液面附近的加熱。如此，藉由對於氣中熔融法的特徵進行專心研討之後，才能夠順利地促進本發明的課題之著液後的液狀玻璃粒子及玻璃熔液的脫泡。
如以上所設想的本發明，係提供一種玻璃熔融爐，其係在玻璃熔融爐內的氣相環境中將玻璃原料粒子製成液狀玻璃粒子，並將該液狀玻璃粒子集聚在玻璃熔融爐的底部而製成玻璃熔液，而且將該玻璃熔液排出之玻璃熔融爐，其特徵為具備：玻璃原料粒子投入部，其係在前述玻璃熔融爐內的上部之爐壁部朝下設置而成；第一加熱機構；其係在前述玻璃原料粒子投入部下方用以形成將玻璃原料粒子製成液狀玻璃粒子之氣相部；第二加熱機構；其係加熱前述玻璃熔液的上層；及爐底部，其係將前述液狀玻璃粒子集聚而形成玻璃熔液；及排出部，其係將前述玻璃熔液排出。
在上述的記載，所謂「將液狀玻璃粒子集聚在玻璃熔融爐的底部而作為玻璃熔液」係亦包含在玻璃熔融爐的底部所集聚的玻璃熔液面，使液狀玻璃粒子進而著液而成為玻璃熔液，所謂「將玻璃熔液排出」係亦包含將所集聚的玻璃熔液連續地排出。
本發明的玻璃熔融爐中，前述的第二加熱機構宜設置成，該加熱機構的加熱部的上端部位於從設想的前述玻璃熔液面下方起算20cm以內、特別是15cm以內。在此，所謂設想的前述玻璃熔液面，係表示將玻璃熔融爐安定地運轉之狀態的熔液面。
本發明的玻璃熔融爐中，前述第二加熱機構宜設置成，該加熱機構的加熱部的上端部或前端部的至少一部分位於從設想的前述玻璃熔液的熔液面起算下方20cm以內、特別是15cm以內之。
本發明的玻璃熔融爐中，前述的第二加熱機構宜設置成，該加熱機構的加熱部的下端部位於從設想的前述玻璃熔液的熔液面下方起算小於50cm之方式設置為佳。
在本發明的玻璃熔融爐，前述的第二加熱機構係具有將電通電至前述玻璃熔液之通電加熱機構或發熱體為佳。
在本發明的玻璃熔融爐，前述發熱體係以具有利用傳熱來加熱前述玻璃熔液之發熱機構為佳。
在本發明的玻璃熔融爐，前述發熱體係板狀體，且該板狀體的發熱面係以配置於水平方向為佳。
在本發明的玻璃熔融爐，前述發熱體係燃燒氣體管，且該燃燒管係以配置於水平方向為佳。
在本發明的玻璃熔融爐，前述第一加熱機構係以具備以下之中的至少一者為佳：使其產生氧燃燒火焰之氧燃燒器；及使其產生熱電漿之由一對以上的電極所構成之多相電弧電漿產生裝置。
本發明係提供一種熔融玻璃之製造方法，其特徵為使用上述玻璃熔融爐而製成液狀玻璃粒子。
本發明係提供一種熔融玻璃製造方法，其係在玻璃熔融爐內的氣相環境中將玻璃原料粒子製成液狀玻璃粒子，並將該液狀玻璃粒子集聚在玻璃熔融爐的底部而作為玻璃熔液之熔融玻璃之製造方法，其特徵為：將前述玻璃原料粒子從前述玻璃熔融爐內的上部之爐壁部朝下供給，並使其通過藉由第一加熱機構所形成的氣相部而成為液狀玻璃粒子；將前述液狀玻璃粒子集聚而形成玻璃熔液；及藉由前述第二加熱機構加熱前述玻璃熔液上層。
在本發明的玻璃熔融爐之製造方法，前述玻璃熔液上層的加熱係以加熱部的上端在從前述玻璃熔液面起算下方20cm以內、特別是15cm以內進行為佳。
在本發明的玻璃熔融爐之製造方法，前述玻璃熔液上層的加熱係以加熱部的下端在前述玻璃熔液的熔液面起算下方小於50cm進行為佳。
在本發明的玻璃熔融爐之製造方法，前述玻璃熔液上層係以被加熱至該玻璃熔液上層的黏度成為30Pa‧sec以下之溫度為佳。
在本發明的玻璃熔融爐之製造方法，前述玻璃熔液上層係前述熔融玻璃為鹼石灰玻璃時，以該玻璃熔液上層係被加熱至1450℃以上為佳。
本發明係提供一種玻璃製品之製造裝置，其特徵為具備：上述之玻璃熔融爐；將熔融玻璃成形之成形機構，其係設置在該玻璃熔融爐的前述排出部的下游側；及將成形後的玻璃緩冷卻之緩冷卻機構。
本發明係提供一種玻璃製品之製造方法，其係包含以下的步驟：使用上述之熔融玻璃之製造方法製造熔融玻璃之步驟；將該熔融玻璃成形之步驟；及將成形後的玻璃緩冷卻之步驟。
如以上說明，使用本發明的玻璃熔融爐、及玻璃熔融爐之製造方法時，因為能夠順利地促進著液於玻璃熔液的表面之液狀玻璃粒子及玻璃熔液的脫泡，能夠製造品質優良的熔融玻璃。
又，使用本發明的玻璃製品之製造裝置、及玻璃製品之製造方法時，因為使用本發明的玻璃熔融爐及熔融玻璃的製造方法，能夠大量地製造品質優良的熔融玻璃，能夠長期間連續地生產品質優良的玻璃製品。
圖式簡單說明
第1圖係構成本發明的玻璃製品之第1實施形態的玻璃熔融爐之縱剖面圖。
第2圖係第1圖所表示的第1實施形態的加熱裝置之構造圖。
第3圖係第2實施形態的加熱裝置之構造圖。
第4圖係第3實施形態的加熱裝置之構造圖。
第5圖係第4實施形態的加熱裝置之構造圖。
第6圖係第5實施形態的加熱裝置之構造圖。
第7圖係第6圖所表示的加熱裝置之立體圖。
第8圖係第6實施形態的加熱裝置之構造圖。
第9圖係第8圖所表示的加熱裝置之平面圖。
第10圖係表示實施形態的玻璃製品之製造方法之流程圖。
 用以實施發明之形態
以下，依照附加圖式來說明本發明之熔融玻璃之製造方法、玻璃熔融爐、玻璃製品之製造方法、及玻璃製品之製造裝置的較佳實施形態。
在圖示的玻璃熔融爐中，形成高溫氣相部之第一加熱機構係由氧燃燒器所構成。氣相部亦即氣相環境係由氧燃燒器的火焰中及火焰附近的高溫部所構成。
用以對氣相部供給玻璃原料粒子之玻璃原料粒子投入部係與氧燃燒器成為一體，且在氧燃燒器出口附近，供給燃燒氣體的管、供給氧的管及供給玻璃原料的管係同軸構成。將該玻璃原料粒子投入部與氧燃燒器的組合稱為玻璃原料粒子加熱單元。
第1圖係構成本發明的玻璃製品之製造裝置之第1實施形態的玻璃熔融爐10之縱剖面圖。第2圖係玻璃熔融爐10之縱剖面圖。
如第1圖，玻璃熔融爐10係具備熔融槽12及玻璃熔液G的排出口14，且熔融槽12、排出口係由眾所周知的耐火磚所構成。又，熔融槽12係在其上部的爐壁部亦即頂牆18配置有1台玻璃原料粒子加熱單元20，藉此形成在爐內氣相環境中將玻璃原料粒子製成液狀玻璃粒子之高溫氣相部。
藉此，玻璃原料粒子加熱單元20在熔融槽12中係被設置在玻璃熔液G的流動方向上游側。在玻璃原料粒子加熱單元20的下方位置，藉由液狀玻璃粒子的集聚所生成的玻璃熔液G係隨著流動至下游側而逐漸增加均勻度。進而，熔融玻璃被冷卻至預定的溫度後，被供給至玻璃製品的成形裝置。該等熔融槽12、排出口14及脫泡槽16係使用眾所周知的耐火磚所構成。又，玻璃原料粒子加熱單元20係在熔融槽12之平坦的頂牆18朝下貫穿頂牆18而設置。關於該玻璃原料粒子加熱單元20則於後述。
而且，熔融槽12的形狀係不被限定為長方體形狀，亦可構成為圓筒狀者。又，玻璃原料粒子加熱單元20係朝垂直方向向下設置，但是不限定於此，只要是朝下，亦可以傾斜而設置。而且，雖然將熔融槽12的頂牆18設為平坦的形狀，但是不限定於此，亦可以是拱狀、圓頂狀等的形狀。
另一方面，在玻璃原料粒子加熱單元20的側面設置有煙道22。在該煙道22係透過未圖示的冷卻裝置、集塵裝置而與吸引風扇連結，藉由驅動吸引風扇，熔融槽12內的高溫排氣被煙道22所吸引。該排氣係藉由前述冷卻裝置冷卻至預定溫度後，藉由前述集塵裝置除去排氣中的塵埃，隨後藉由前述吸引風扇而排氣至外部。
又，玻璃原料粒子加熱單元20不是設置在頂牆18而是設置在熔融槽12上部的側牆之情況，亦是本發明的實施形態之一例。玻璃原料粒子加熱單元20設置在側牆時，係設置於從熔融槽12的頂牆18的內壁往垂直方向1m為止的高度之側牆。玻璃原料粒子加熱單元20設置於從熔融槽12的頂牆18的內牆往垂直方向超過1m處時，在玻璃原料粒子加熱單元20中，與玻璃熔液面的垂直距離會變為太小。因此，與水平方向所構成的角度變小，致使將玻璃粒子噴吹至對向牆面之結果，會產生爐牆侵蝕及伴隨其的玻璃污染之問題。為了不產生此種問題，以將玻璃原料粒子加熱單元20設置在從熔融槽12的頂牆18的內牆往垂直方向1m為止的高度之側牆為佳。玻璃原料粒子加熱單元20係以設置在從熔融槽12的頂牆18的內牆往垂直方向90cm為止的高度為佳，以設置在50cm為止的高度為更佳。
在熔融槽12、排出口14及脫泡槽16的各槽內，係儲存有玻璃熔液G，在熔融槽12所製造的玻璃熔液G係透過排出口14而流動至脫泡槽16，在此被澄清並且被冷卻至預定溫度後，被供給至玻璃製品的成長裝置。
作為玻璃原料粒子加熱單元20，適用玻璃原料粒子投入部與原料粒子加熱部成為一體之氧燃燒器24。
作為該氧燃燒器24，能夠使用眾所周知之適當地配置有原料、燃料、天然氣供給噴嘴之氧燃燒器作為無機粉體加熱用燃燒器。該氧燃燒器24係構成為直棒狀，在其前端部的噴嘴26，從中心部往外周部以燃料供給噴嘴、一次燃燒用天然氣供給噴嘴、玻璃原料粒子供給噴嘴、及二次燃燒用供給天然氣供給噴嘴之順序，該等噴嘴全體係配列成同心圓狀。從噴嘴26使火焰F朝下噴射，玻璃原料粒子藉由氣體搬運或機械搬運，而從前述玻璃原料粒子供給噴嘴供給到該火焰F(亦即氣相部)中。藉此，能夠確實且在短時間將玻璃原料粒子製成液狀玻璃粒子。而且，雖然未圖示，但在該氧燃燒器24係連接有將玻璃原料粒子供給至玻璃原料粒子供給噴嘴之原料粒子供給系統、將燃料供給至燃料供給噴嘴之燃料供給系統、及將天然氣供給至一次燃燒用天然氣供給噴嘴及二次燃燒用天然氣供給噴嘴之氣體供給系統。
如此，適用玻璃原料粒子投入部及原料粒子加熱部成為一體之氧燃燒器24時，因為氧燃燒器24係兼具玻璃原料粒子投入部，所以不必另外設置玻璃原料粒子投入部。但是，亦可將朝氧燃燒器24的火焰F投入玻璃原料粒子之玻璃原料粒子投入部個別地設置鄰接氧燃燒器24。
本發明的玻璃熔融爐中，作為形成高溫氣相部之第一加熱機構，係除了氧燃燒器24以外，亦可以是多相電弧電漿產生裝置36貫穿熔融槽12的頂牆18而設置之形態，該多相電弧電漿產生裝置係產生熱電漿P且由一對以上的電極34、34所構成。該多相電弧電漿產生裝置36中，氣相部係由電弧電漿產生區域及其附近的高溫部所構成。又，作為第一加熱機構，亦可在熔融槽12設置氧燃燒器20及多相電弧電漿產生裝置之雙方。又，為了使玻璃原料粒子所含有的分解性化合物(碳酸鹽等)迅速地分解後所產生的氣體快速地揮發(以下稱為氣化揮發)，以與其他玻璃原料一同進行玻璃化反應，火焰F及熱電漿P的溫度以設定為矽砂的熔融溫度以上之1600℃以上為佳。藉此，被投入到爐內的玻璃原料粒子藉由火焰F和熱電漿P而迅速地被氣化散失，並且藉由以高溫加熱而被熔融成為液狀玻璃粒子，且著液於熔融槽12內的玻璃熔液G。然後，液狀玻璃粒子集聚而形成的玻璃熔液G藉由火焰F和熱電漿P及來自爐牆的輻射熱，其上層係被繼續加熱。圖中，火焰F的內部和在其下方所描繪的粒子30係表示玻璃原料粒子成為液狀玻璃粒子途中的粒子和液狀玻璃粒子。因為認為玻璃原料粒子係在火焰F中迅速地成為液狀玻璃粒子，所以以下亦將該粒子稱為液狀玻璃粒子30。
而且，著液於熔融槽12內的玻璃熔液G面之液狀玻璃粒子30係藉由設置在熔融槽12的加熱裝置(第二加熱機構)38進一步加熱。藉此，能夠促進著液於玻璃熔液G的玻璃熔液面之液狀玻璃粒子30及玻璃熔液G的脫泡。而且，火焰F的情況是其中心溫度係氧燃燒的狀況為約2000℃，熱電漿P的狀況為5000～20000℃。
玻璃原料粒子的平均粒徑(重量平均)係以30～1000μm為佳，以使用平均粒徑(重量平均)為50～500μm的範圍內之玻璃原料粒子為較佳，以70～300μm的範圍內的玻璃原料粒子為更佳。玻璃原料粒子熔融而成的液狀玻璃粒子之平均粒徑(重量平均)係通常多半成為原料粒子的平均粒徑之80%左右。
作為第二加熱機構的加熱裝置38係如第2圖所示，由貫穿熔融槽12的側牆而配置之複數對電極40、40所構成。該等電極40、40係構成為棒狀，並且在熔融槽12設置成在相同高度位置為大致水平，並加熱在熔融槽12所儲存的玻璃熔液G的熔液上層G1。亦即，藉由對電極40、40施加電壓，將電通電至熔液上層G1而加熱熔液上層G1。作為電極40，可例示鉬製、粗鉑(platina)製、氧化錫製等的耐熱製電極。而且，所謂上述玻璃熔液G的熔液上層G1，在本說明書中係表示位於從熔液的爐底部的高度(或熔液的深度)起算之1/3以內的位置之層。
其次，說明如前述所構成的玻璃熔融爐之作用。
從氧燃燒器24投下玻璃原料粒子，並且使用氧燃燒器24的火焰F及熱電漿P將該玻璃原料粒子加熱而熔融。熔融的液狀玻璃粒子30、30…係朝熔融槽12的下方飛翔，並且著液於熔融槽12內的玻璃熔液G的熔液面上。
然後，藉由設置在熔融槽12的加熱裝置38的電極40、40來加熱玻璃熔液上層G1。加熱裝置38的位置係設置在加熱熔液面的上層之位置。藉此，著液於玻璃熔液G的熔液面之液狀玻璃粒子30、30…中(玻璃熔液G的上層)及在玻璃熔液G所產生的空氣和溶解氣體的氣泡化係在該產生位置被促進，該氣泡能夠從液狀玻璃粒子30、30…及玻璃熔液G順利地被排出。
如前述，使用本發明的實施形態的玻璃熔融爐，由於能夠順利地促進著液於玻璃熔液G的熔液面之液狀玻璃粒子30及玻璃熔液G的脫泡，所以能夠製造品質優良的熔融玻璃。又，即便投入大量的玻璃原料粒子，由於藉由加熱裝置38的高熱，不會再積層未熔融的玻璃原料粒子，所以在適於數十噸/天以上、及數百噸/天以上的玻璃製品之大規模熔融爐係合適的。
而且，因為本發明的實施形態之玻璃熔融爐10係促進在熔融槽12內著液於玻璃熔液G的熔液面之液狀玻璃粒子30和玻璃熔液G的脫泡，因此能夠省掉脫泡槽16。此種情況下，只要從熔融槽12透過用以調整溫度之溫度調整槽或狹道(throat)等的搬運路線，而將玻璃熔液G直接供給至成形裝置即可。
加熱裝置38係以熔融槽12的玻璃熔液G的熔液面之黏度成為30Pa‧sec以下的方式，設定加熱玻璃熔液G之施加電壓等。黏度為30Pa‧sec以下時，對促進液狀玻璃粒子30、30…的脫泡有效，乃是較佳。這是因為藉由黏度為30Pa‧sec以下，氣泡變的容易從玻璃熔液的上層浮起，並且氣泡變得難以在液狀玻璃原料粒子之間殘留。具體而言，氣中熔融法中，係設定液狀玻璃粒子以1～3mm/min堆積。對此，要氣泡等從玻璃熔液G等浮起，宜設定以在該液狀玻璃粒子的堆積速度以上浮起之黏度。而且，在氣中熔融法中，因液狀玻璃粒子的落下而浮起的氣泡容易消泡的程度，亦可將黏度設定為比從堆積速度所計算的值大一些。考慮該情形時，0.3mm左右之徑之氣泡的浮起只要加熱到黏度成為30Pa‧sec以下即可，能夠充分地減少氣泡。因此，以黏度成為10Pa‧sec以下的方式加熱為較佳，以黏度成為3Pa‧sec以下的方式加熱為更佳。
因為黏度係依照玻璃的組成而異，因此例如鹼石灰系的玻璃時，以使用加熱裝置38將熔融玻璃加熱至1450℃左右為佳。以使用加熱裝置38將熔融玻璃加熱至1500℃左右為較佳。以使用加熱裝置38將熔融玻璃加熱至1550℃為更佳。
又，為加熱裝置38的加熱部之電極40、40係設置成其上端部位於玻璃熔液G的熔液面下方20cm以內。設置位置若在20cm以內，電極40、40不會過於遠離玻璃熔液G的熔液面，而能夠充分地加熱著液於玻璃熔液G的熔液面之液狀玻璃粒子30、30…(玻璃熔液G的上層)，使得促進脫泡能夠順利地進行，故較佳。設置位置超過熔液面下方20cm時，恐有氣泡被拉進在玻璃熔液G產生之往下方的對流，致使無法浮起。若設置位置為15cm以內時，因為較接近玻璃熔液G的熔液面，因此能夠將著液於玻璃熔液G的熔液面之液狀玻璃粒子30、30…直接加熱，使得促進脫泡更順利地進行，故較佳。若設置位置為10cm以內時，因為更接近玻璃熔液G的熔液面，因此能夠進一步將著液於玻璃熔液G的熔液面之液狀玻璃粒子30、30…直接加熱，使得促進著液於玻璃熔液G的熔液面之液狀玻璃粒子30及玻璃熔液G的脫泡又更順利地進行，故更佳。若設置位置為5cm以內時，因為更接近玻璃熔液G的熔液面，因此能夠更進一步將著液於玻璃熔液G的熔液面之液狀玻璃粒子30、30…更直接加熱，使得促進著液於玻璃熔液G的熔液面之液狀玻璃粒子30及玻璃熔液G的脫泡又更順利地進行，故又更佳。所謂上述加熱部的上端部，若為通電加熱的電極時，係意味著實際產生加熱的部分的上端部之上端面，若為使用後述的網眼板之發熱體時，係意味著網眼板的上面，又，若為使用後述的燃燒管之發熱體時，係意味著燃燒管的上面。
又，當設置第二加熱機構之加熱裝置時，加熱裝置係容易被氧化的電極時，必須使其上端部不從熔液露出。這是因為電極在爐內的環境中露出時，會氧化而使用期限變短之故。
進而，加熱裝置38的電極40、40之下端部宜設置成位於從玻璃熔液G的熔液面下方起算小於50cm之處。電極40、40之下端部之設置位置若從玻璃熔液G的熔液面下方起算小於50cm時，電極全體不會過於遠離熔液上層，能夠充分地加熱熔液上層。電極40、40之下端部之設置位置若為從玻璃熔液G的熔液面下方起算30cm以下時，因為電極全體會變得較接近熔液上層，因此在更促進脫泡方面較佳。進而，電極40、40之下端部之設置位置若為從玻璃熔液G的熔液面下方起算20cm以下時，因為電極全體變得更接近熔液上層，因此在更促進脫泡方面更佳。所謂上述加熱部的下端部，若為通電加熱的電極時，係意味著實際產生加熱的部分的下端部之下端面，若為使用後述的網眼板之發熱體時，係意味著網眼板的下面，又，若使用後述的燃燒管之發熱體時，係意味著燃燒管的下面。
第3圖係第2實施形態之作為第二加熱機構之加熱裝置44之構造圖。
在同圖所表示之為加熱裝置44的加熱部之電極46、46係形成板狀，並且設置成在熔融槽12的相同高度位置中為大致水平。該例中，電極46、46係設置成其上端部的上端面位於玻璃熔液G的熔液面下方15cm以內。其他的各種要素(加熱溫度等)係與第2圖所表示的加熱裝置38相同。因此，即便在第3圖的加熱裝置44中，亦能夠得到與第2圖所表示的加熱裝置38同樣的效果。又，即便是將電極46、46設置成電極46、46的上端部的上端面位於玻璃熔液G的熔液面下方20cm以內，亦能夠順利地進行促進玻璃熔液G的脫泡。
第4圖係第3實施形態之為第二加熱機構之加熱裝置48之構造圖。
在同圖所示之作為加熱裝置48的電極50、50之加熱部係形成棒狀，且從熔融槽12的爐底部13朝上方傾斜而貫穿插入，並且其上端部51、51設置成在熔融槽12的相同高度位置中為大致水平。該例中，電極50、50係設置成，實際上有助於通電加熱之其電極的前端部的前端面會位於前述玻璃熔液G的熔液面下方15cm以內，而且實際上有助於通電加熱之其電極的下端部的下端面位於從前述玻璃熔液的熔液面下方起算小於50cm。其他的各種要素(加熱溫度等)係與第2圖所示的加熱裝置38相同。因此，即便在第4圖的加熱裝置48中，亦能夠得到與第2、3圖所示的加熱裝置38、44同樣的效果。又，即便是將電極50、50設置成電極50、50之上端部的上端面位於從玻璃熔液G的熔液面起算下方20cm以內的情況，亦能夠順利地進行促進玻璃熔液G的脫泡。
第5圖係第4實施形態之為第二加熱機構之加熱裝置52之構造圖。
同圖所示之加熱裝置52的加熱部，亦即電極54、54係形成棒狀，並且從熔融槽12的側牆19朝下方傾斜而貫穿插入。又，電極54、54的前端部，亦即下端部55、55係浸漬於玻璃熔液G，並且設置成在熔融槽12的相同高度位置中為大致水平。如圖示，電極54、54係其前端部成為加熱部的下端部，且該電極之接觸有熔融玻璃之上部成為加熱部的上端部。該例中係設置成，加熱部的上端部位於玻璃熔液G的熔液面下方15cm以內，而且加熱部的前端部的下端為位於前述玻璃熔液的熔液面下方起算小於50cm。其他的各種要素(加熱溫度等)係與第2圖所表示的加熱裝置38相同。因此，在第5圖的加熱裝置52中亦能夠得到與第2～4圖所表示的加熱裝置38、44、48同樣的效果。又，即使是將電極54、54設置成電極54、54之上端部的上端面位於玻璃熔液G的熔液面下方20cm以內的時，亦能夠順利地進行促進玻璃熔液G的脫泡。
以上說明之作為第二加熱機構之加熱裝置38、44、48、52係將電通電至玻璃熔液G而加熱玻璃熔液G之通電加熱機構。
又，為了保持電極40、46、50、54，水冷保持座係必要的。為鉬電極時，因為在600℃以上時會昇華而損耗，所以未被玻璃密封的部分有必要進行水冷。由於水冷會伴隨著熱損失，電極之根部分的溫度降低，玻璃熔液G的電傳導度會降低，因此電流會朝集中在前端部的方向作動。由於如此的理由，作為電極係以第4圖所示之第3實施形態的電極50之配置為更佳。又，在第5圖所示之第4實施形態中，若使電極54的基部不接觸玻璃熔液G，藉由材料選擇等其他的方法係必要的，其結果亦能夠考慮藉由不同的方式來支撐電極。
在以下所敘述之第6～9圖係顯示使用發熱體之熔融槽12作為第二加熱機構。
第6圖係第5實施形態之作為第二加熱機構之加熱裝置56之構造圖。
該加熱裝置56係如第7圖所表示，具備為發熱體之具有多孔的網眼板58、亦即加熱部。該網眼板58係如第6圖，浸漬於玻璃熔液G，並且將在網眼板58的兩側形成的電極板60、60連接至未圖示的電源，且使電流流通於網眼板58，藉此使網眼板58本身發熱而藉由傳熱來加熱玻璃熔液G的熔液上層G1。該網眼板58係設置成與玻璃熔液G的熔液面為大致平行，且具有與熔融槽12的水平方向截面積大致相同的面積。如前述，根據該加熱裝置56，能夠將熔液上層G1的全部區域加熱至大致相同溫度。網眼板58可例示粗鉑製等的耐熱板。該例中，網眼板58係設置成位於玻璃熔液G的熔液面下方15cm以內。又，該例中，亦可將網眼板58設置成位於玻璃熔液G的熔液面下方20cm以內。
第8圖係第6實施形態之作為第二加熱機構之加熱裝置62之構造圖。
該加熱裝置62係亦如第9圖所示，具備作為發熱體之形成為圓筒狀之複數支(在第9圖係5支)燃燒管64、64，亦即加熱部。藉由將該等燃燒管64、64貫穿熔融槽12的側牆19而在水平方向且以預定間隔平行地配設，以構成加熱裝置62。根據該加熱裝置62，藉由將燃燒氣體供給至燃燒管64、64，並使燃燒氣體在燃燒管64、64內燃燒，藉此使燃燒管64、64發熱，並藉由該燃燒管64、64的熱量來加熱玻璃熔液G的熔液上層G1。燃燒管64可例示二矽化鉬製者。該例中，燃燒管64、64係設置成位於玻璃熔液G的熔液面下方15cm以內。又，該例中，亦可將燃燒管64、64設置成位於玻璃熔液G的熔液面下方20cm以內。
再者，在本發明的玻璃原料粒子亦可添加澄清劑，用以與先前的玻璃原料同樣地在熔融中將氣泡排出且將小氣泡拉進而成為大氣泡，並且上升等而進行脫泡(澄清)。但是本發明的情況是，因為生成液狀玻璃粒子之氣相環境的溫度高，澄清劑恐有揮發之虞。然而，因為在本發明具有加熱熔液面的上層之機構，為了減少放入到玻璃原料粒子之澄清劑在氣相環境中的揮發，因此即使玻璃原料粒子在成為液狀玻璃粒子的範圍內降低氣相環境的溫度，亦能夠順利地促進著液於玻璃熔液的表面之液狀熔融玻璃粒子及熔融玻璃熔液的脫泡。又，藉由降低氣相環境的溫度降低，經抑制揮發的澄清劑係藉由熔液面之上層的加熱而在熔液內發揮效果，澄清效果變得更高。
第10圖係表示實施形態的玻璃製品之製造方法的實施形態之流程圖。第10圖中，除了為玻璃製品之製造方法的構成要素之熔融玻璃製造步驟(S1)、及藉由成形機構之成形步驟(S2)、以及藉由緩冷卻機構之緩冷卻步驟(S3)之外，還顯示了進一步可視需要而使用之切斷步驟、其他後步驟(S4)。
在第1～9圖的熔融槽12所熔融的玻璃熔液G係經過排出口及未圖示的導管構造而被送至成形機構成形(成形步驟)。成形後的玻璃係以成形後已固化的玻璃內部殘留應力不會殘留的方式，藉由緩冷卻機構而緩冷卻(緩冷卻步驟)，進而視需要而切斷(切斷步驟)、經過其他步驟而成為玻璃製品。
例如，為板玻璃時，能夠藉由成形機構將玻璃熔液G成形為玻璃帶，並藉由緩冷卻機構將之緩冷卻後，切斷成為需要的大小，而且視需要進行研磨玻璃端部等的後加工而得到板玻璃製品。
依照本發明所製造的熔融玻璃，只要是使用氣中加熱熔融法所製造的熔融玻璃，在組成上則沒有限制。因此，亦可為鹼石灰玻璃和硼矽酸玻璃。又，所製造之玻璃製品的用途不限定於建築用或車輛用，可舉出平面面板顯示器用、其他各種用途。
在建築用或車輛用的板玻璃所使用的鹼石灰玻璃的情況時，宜具有以下述氧化物基準的質量百分率表示之組成者：SiO2：65～75%、Al2O3：0～3%、CaO：5～15%、MgO：0～15%、Na2O：10～20%、K2O：0～3%、Li2O：0～5%、Fe2O3：0～3%、TiO2：0～5%、CeO2：0～3%、BaO：0～5%、SrO：0～5%、B2O3：0～5%、ZnO：0～5%、ZrO2：0～5%、SnO2：0～3%、SO3：0～0.5%。
在液晶顯示器用或有機EL顯示器用的基板所使用之無鹼玻璃時，宜具有以下述氧化物基準的質量百分率表示之組成：SiO2：39～70%、Al2O3：3～25%、B2O3：1～20%、MgO：0～10%、CaO：0～17%、SrO：0～20%、BaO：0～30%。
在電漿顯示器用的基板所使用之混合鹼系玻璃時，宜具有以下述氧化物基準的質量百分率表示之組成：SiO2：50～75%、Al2O3：0～15%、MgO+CaO+SrO+BaO+ZnO：6～24%、Na2O+K2O：6～24%。
作為其他用途，若為耐熱容器或理化用器具等所使用之硼矽酸玻璃時，宜具有以下述氧化物基準的質量百分率表示之組成：SiO2：60～85%、Al2O3：0～5%、B2O3：5～20%、Na2O+K2O：2～10%。
產業上之可利用性
根據本發明的玻璃熔融爐及熔融玻璃之製造方法，因為能夠順利地促進著液於玻璃熔液的表面後之液狀玻璃粒子及玻璃熔液的脫泡，能夠製造品質優良的熔融玻璃。
而且，藉由本發明的玻璃熔融爐及熔融玻璃之製造方法，可大量地製造品質優良的熔融玻璃，故能夠長期間生產品質優良的玻璃製品。
又，將2009年11月20日申請之日本專利申請案2009-265112號說明書、申請專利範圍、圖式及摘要之全部內容引用於此，且併入作為本發明的揭示。
10‧‧‧玻璃熔融爐
12‧‧‧熔融槽
13‧‧‧爐底部
14‧‧‧排出口
18‧‧‧頂牆
19‧‧‧側牆
20‧‧‧原料粒子氣中熔融部
22‧‧‧煙道
24‧‧‧氧燃燒器
26‧‧‧噴嘴
G‧‧‧玻璃熔液
G1‧‧‧熔液上層
30‧‧‧液狀玻璃粒子
P‧‧‧熱電漿
F‧‧‧火焰
34‧‧‧電極
36‧‧‧多相電弧電漿產生裝置
38‧‧‧加熱裝置
40‧‧‧電極
44‧‧‧加熱裝置
46‧‧‧電極
48‧‧‧加熱裝置
50‧‧‧電極
51‧‧‧電極48的上端部
52‧‧‧加熱裝置
54‧‧‧電極
56‧‧‧加熱裝置
58‧‧‧網眼板
60‧‧‧電極板
62‧‧‧加熱裝置
64‧‧‧燃燒管
S1~S4‧‧‧步驟
第1圖係構成本發明的玻璃製品之第1實施形態的玻璃熔融爐之縱剖面圖。
第2圖係第1圖所表示的第1實施形態的加熱裝置之構造圖。
第3圖係第2實施形態的加熱裝置之構造圖。
第4圖係第3實施形態的加熱裝置之構造圖。
第5圖係第4實施形態的加熱裝置之構造圖。
第6圖係第5實施形態的加熱裝置之構造圖。
第7圖係第6圖所表示的加熱裝置之立體圖。
第8圖係第6實施形態的加熱裝置之構造圖。
第9圖係第8圖所表示的加熱裝置之平面圖。
第10圖係表示實施形態的玻璃製品之製造方法之流程圖。
10．．．玻璃熔融爐
12．．．熔融槽
13．．．爐底部
14．．．排出口
16．．．脫泡槽
18．．．頂牆
19．．．側牆
20．．．原料粒子氣中熔融部
22．．．煙道
24．．．氧燃燒器
26．．．噴嘴
30．．．液狀玻璃粒子
34．．．電極
36．．．多相電弧電漿產生裝置
38．．．加熱裝置
40．．．電極
F．．．火焰
G．．．玻璃熔液
G1．．．熔液上層
P．．．熱電漿

Claims (19)

  1. 一種玻璃熔融爐，其係在玻璃熔融爐內的氣相環境中使玻璃原料粒子成為液狀玻璃粒子，並將該液狀玻璃粒子集聚在玻璃熔融爐的底部而製成玻璃熔液，而且將該玻璃熔液排出之玻璃熔融爐，其特徵為具備：玻璃原料粒子投入部，係朝下設置於前述玻璃熔融爐內的上部之爐壁部；第一加熱機構，係用以在前述玻璃原料粒子投入部下方，形成使玻璃原料粒子成為液狀玻璃粒子之氣相部；第二加熱機構，係加熱前述玻璃熔液的上層；爐底部，係將前述液狀玻璃粒子集聚而形成玻璃熔液；及排出部，係將前述玻璃熔液排出；前述第二加熱機構係設置成：該加熱機構的加熱部的上端部位於從設想之前述玻璃熔液的熔液面起算下方20cm以內。
  2. 如申請專利範圍第1項之玻璃熔融爐，其中前述第二加熱機構係設置成：該加熱機構的加熱部的上端部位於從設想之前述玻璃熔液的熔液面起算下方15cm以內。
  3. 如申請專利範圍第1項之玻璃熔融爐，其中前述第二加熱機構係設置成：該加熱機構的加熱部的上端部或前端部的至少一部分位於從設想之前述玻璃熔液的熔液面 起算下方15cm以內。
  4. 如申請專利範圍第1項之玻璃熔融爐，其中前述第二加熱機構係設置成：該加熱機構的加熱部的上端部或前端部的至少一部分位於從設想之前述玻璃熔液的熔液面起算下方20cm以內。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之玻璃熔融爐，其中前述第二加熱機構係設置成：該加熱機構的加熱部的下端部位於從設想之前述玻璃熔液的熔液面起算下方小於50cm。
  6. 如申請專利範圍第1項之玻璃熔融爐，其中前述第二加熱機構係具有將電通電至前述玻璃熔液之電極的通電加熱機構或發熱體。
  7. 如申請專利範圍第6項之玻璃熔融爐，其中前述發熱體係具有利用傳熱來加熱前述玻璃熔液之發熱機構。
  8. 如申請專利範圍第6項之玻璃熔融爐，其中前述發熱體係板狀體，且該板狀體的加熱面係配置於水平方向。
  9. 如申請專利範圍第6項之玻璃熔融爐，其中前述發熱體係燃燒氣體管，且該燃燒管的軸係配置於水平方向。
  10. 如申請專利範圍第6項之玻璃熔融爐，其中前述第一加熱機構係具備以下之中的至少一者：使氧燃燒火焰產生之氧燃燒器；及使熱電漿產生之由一對以上的電極所構成之多相電弧電漿產生裝置。
  11. 一種熔融玻璃之製造方法，其特徵為使用如申請專利範圍第1至10項中任一項之玻璃熔融爐而將玻璃原料粒子 製成液狀玻璃粒子。
  12. 一種熔融玻璃製造方法，係在玻璃熔融爐內的氣相環境中使玻璃原料粒子成為液狀玻璃粒子，並將該液狀玻璃粒子集聚在玻璃熔融爐的底部而成為玻璃熔液之熔融玻璃之製造方法，其特徵為：將前述玻璃原料粒子從前述玻璃熔融爐內的上部之爐壁部朝下供給，並使其通過藉由第一加熱機構所形成的氣相部而製成液狀玻璃粒子；將前述液狀玻璃粒子集聚而形成玻璃熔液；及藉由第二加熱機構加熱前述玻璃熔液上層；前述第二加熱機構係設置成：該加熱機構的加熱部的上端部位於從設想之前述玻璃熔液的熔液面起算下方20cm以內。
  13. 如申請專利範圍第12項之熔融玻璃之製造方法，其中前述玻璃熔液上層的加熱係加熱部的上端在從前述玻璃熔液的熔液面起算下方15cm以內進行。
  14. 如申請專利範圍第12項之熔融玻璃之製造方法，其中前述玻璃熔液上層的加熱係加熱部的上端在從前述玻璃熔液的熔液面起算下方20cm以內進行。
  15. 如申請專利範圍第12至14項中任一項之熔融玻璃之製造方法，其中前述玻璃熔液上層的加熱係加熱部的下端在從前述玻璃熔液的熔液面起算下方小於50cm進行。
  16. 如申請專利範圍第12項之熔融玻璃之製造方法，其中前述玻璃熔液上層係被加熱至該玻璃熔液上層的黏度成 為30Pa‧sec以下之溫度。
  17. 如申請專利範圍第12項之熔融玻璃之製造方法，其中前述玻璃熔液上層係前述熔融玻璃為鹼石灰玻璃時，該玻璃熔液上層係被加熱至1450℃以上。
  18. 一種玻璃製品之製造裝置，其特徵為具備：如申請專利範圍第1至10項中任一項之玻璃熔融爐；將熔融玻璃成形之成形機構，其係設置在該玻璃熔融爐的前述排出部的下游側；及將成形後的玻璃緩冷卻之緩冷卻機構。
  19. 一種玻璃製品之製造方法，其係包含以下的步驟：使用如申請專利範圍第12至17項中任一項之熔融玻璃之製造方法製造熔融玻璃之步驟；將該熔融玻璃成形之步驟；及將成形後的玻璃緩冷卻之步驟。
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