WO2011004851A1 - ガラス溶融炉、溶融ガラスの製造方法、ガラス製品の製造装置、及びガラス製品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ガラス原料粒子が液状ガラス粒子となるときに発生する分解ガス成分は、ガラス原料粒子と液状ガラス粒子がともに小さな粒子であることより、生成する液状ガラス粒子の内部に閉じ込められることなくそのほとんどが液状ガラス粒子外部に放出される。このため、液状ガラス粒子が集積したガラス融液中に泡が生じるおそれは少ない。
一方、各ガラス原料粒子は、構成原料成分がほぼ均一な粒子であり、それから生じる各液状ガラス粒子のガラス組成も相互に均一である。液状ガラス粒子間のガラス組成の相違が少ないことより、多数の液状ガラス粒子が堆積して形成されるガラス融液内に、ガラス組成が異なる部分が生じるおそれは少ない。このため、従来のガラス溶融炉に必要とされていたガラス融液のガラス組成を均質化するための均質化手段が、気中溶融法ではほとんど必要とされない。たとえ少数の液状ガラス粒子が他の大部分の液状ガラス粒子とガラス組成が異なる場合が生じたとしても、液状ガラス粒子は粒径の小さな粒子であることより、ガラス組成が異なる少数の液状ガラス粒子から生じた、ガラス融液中のガラス組成の異質領域は小さく、この異質領域は短時間で容易に均質化して消失する。このように、気中溶融法ではガラス融液の均質化に必要とする熱エネルギーを低減し、均質化に要する時間を短くすることができる。
ガラス原料粒子が液状のガラス粒子となって炉底に集積する経路から外れて浮遊するに至った上記粒子としては、未溶融のガラス原料粒子、溶融した液状のガラス粒子やそれが固化した粒子、ガラス原料粒子が液状のガラス粒子となる途中の粒子(例えば、ガラス原料粒子中の原料の一部(炭酸塩など)が分解している粒子、表面が溶融した粒子やそれが固化した粒子、など)、これらの粒子の破砕物からなる粒子、などからなると考えられる。また、ガラス原料粒子以外にガラスカレットの粒子を併用して溶融ガラスを製造する場合は、溶融炉に投入されたガラスカレット粒子の一部もまたガラス融液面に到達することなく浮遊する粒子となることもある。例えば、微小なガラスカレット粒子、ガラスカレット粒子が溶融した粒子、いったん溶融したガラスカレット粒子が再度固化した粒子、これらの粒子の破砕物からなる粒子、などが浮遊する粒子となると考えられる。さらには、落下したガラスカレット粒子等がガラス融液に表面に衝突した際に生じる液状ガラスの飛沫やその固化物が浮遊する粒子となることもあると考えられる。
これらのガラス原料粒子やガラスカレット粒子などに由来する、炉底のガラス融液面に到達しない粒子を以下浮遊粒子という。
前記気相部は、その中を通過するガラス原料粒子を液状ガラス粒子とすることができる、高温雰囲気状態にある気相部である。この気相部はガラス原料粒子投入部毎にその下方に形成される。このため、その気相部を形成するための加熱手段もまたガラス原料粒子投入部毎に設けられる。
本発明では、このような短径(a)のガラスカレット片を、ガラスカレット片投入部から炉内に投入し、降下中のガラスカレット片を第2の加熱手段によって形成された第2の気相中で加熱することが好ましい。
なお、本発明では、前記短径(a)のガラスカレット片は、網目の目開き(Opening)の大きさが0.1mmの篩に残り、且つ、網目の目開き(Opening)の大きさが50mmの篩を通過するもので規定する。
図示したガラス溶融炉において、ガラス原料粒子を液状ガラス粒子とする気相部(以下、第1の気相部ともいう)を形成する加熱手段(以下、第1の加熱手段ともいう)は酸素燃焼バーナからなる。
ガラス原料粒子を液状ガラス粒子とする、第1の気相部は、酸素燃焼バーナの火炎中及び火炎近傍の高温部から構成される。その気相部にガラス原料粒子を供給するためのガラス原料粒子投入部は酸素燃焼バーナと一体となり、酸素燃焼バーナ出口付近で燃焼ガスを供給する管と酸素を供給する管とガラス原料粒子を供給する管が同軸で構成されている。このガラス原料粒子投入部と酸素燃焼バーナとの組み合わせを、第1加熱ユニットという。ガラス原料粒子、それが溶融して生じる液状ガラス粒子、ガラス原料粒子から液状ガラス粒子となる途中の粒子(表面部分のみ液状ガラスとなっている粒子など)を以下の実施形態の図では粒子22で表わし、以下の説明ではガラス原料粒子等22という。
一方、ガラスカレット片を少なくとも表面が液状化したガラス粒子とする第2の気相部では、ガラスカレット片投入部と酸素燃焼バーナとは別体で、ガラスカレット片を第2の気相部に供給する管と酸素燃焼バーナとは上部の炉壁部に近接し配置されている。このガラスカレット片投入部と酸素燃焼バーナとの組み合わせを第2加熱ユニットという。
ガラス原料粒子は、平均粒径が30~1000μmが好ましく、50~500μmがより好ましく、70~300μmがさらに好ましい。ガラス原料粒子は、第1の気相部中で液状ガラス粒子になる際に、多くの場合当初の平均粒径が8割程に減少する。
なお、第2加熱ユニットが天井部ではなく、ガラス溶融炉の上部の側壁に設置される場合も本発明の範囲である。第2加熱ユニットが側壁に設けられる場合には、ガラス溶融炉の天井部の内壁から鉛直方向に1mまでの高さに設けられる。これは、第2加熱ユニットが、ガラス溶融炉の天井部の内壁から鉛直方向に1mを超えるところに設けられた場合、ガラス融液面との鉛直距離が小さくなりすぎるために水平方向となす角が小さくなり、対向壁面にガラスカレット片を吹き付けることになってしまい、炉壁損傷及び侵食とそれに伴うガラス汚染が生じるためである。第2加熱ユニットは、ガラス溶融炉の天井部の内壁から鉛直方向に80cmまでの高さに設けられることが好ましく、60cmまでの高さに設けられることがより好ましい。
なお、本発明において「ガラスカレット」とは、本発明において最終目的物であるガラス製品のガラスとほぼ同一のガラス組成からなるガラスカレットを意味する。このガラスカレットは、通常、本発明における、炉底部に形成されたガラス融液から最終目的物であるガラス製品を製造する工程で発生する。ただし、これに限られるものではなく、本発明の最終目的物であるガラス製品のガラスとほぼ同一のガラス組成からなる他のガラス製品の製造工程から発生するガラスカレット、本発明によって得られた最終目的物のガラス製品を使用する工程から生じるガラスカレット、などであってもよい。上記他のガラス製品の製造工程におけるガラス溶融炉は、気中溶融法を使用したガラス溶融炉に限られるものではない。
ガラスカレットのガラス組成がガラス原料粒子から形成されるガラスのガラス組成とほぼ同一であることより、ガラスカレット片が融解した液状ガラスとガラス原料粒子から形成された液状ガラスが混合したガラス融液のガラス組成は均一なものとなり、均質化に必要とする熱エネルギーが少なく、均質化に要する時間も短い。ガラスカレットのガラス組成とガラス原料粒子から形成される液状ガラス粒子のガラス組成は同一であることが好ましいが、溶融槽の炉底部に形成されたガラス融液がガラス製品となる間にガラス組成がわずかに変化することがあり(例えば、酸化ホウ素などの揮発性ガラス成分の気散など)、このようなガラス組成のわずかな相違は許容される。
なお、ガラスカレット片はすでにガラスとなっている物質からなることから、加熱されたガラスカレット片は単に融解して液状のガラス粒子となる。一方、ガラス原料粒子は、ガラス原料の熱分解(例えば、金属炭酸塩から金属酸化物への熱分解など)、ガラス化反応と呼ばれるガラスとなる成分の反応と溶融、などの化学反応により液状のガラス粒子となる。固体粒子が液状のガラス粒子となるメカニズムはガラス原料粒子とガラスカレット片とでは異なるが、生成する液状のガラス粒子はほぼ同一のガラス組成の液状のガラス粒子である。
液状ガラス粒子は、個々の粒子として炉底部60ないしガラス融液G表面に達することは必須ではない。液状ガラス粒子は、気相中でその2つ以上が融着して炉底部60ないしガラス融液G表面に着地してもよい。
ガラスカレット片が第2加熱ユニットによって、少なくとも表面が液状化したガラス粒子は、ガラス融液Gの表面に達する前にその2つ以上が融着し、融着した液状ガラス粒子がガラス融液Gに着地してもよい。この少なくとも表面が液状化したガラス粒子が比較的大きい粒子であることより、落下中の液状化したガラス粒子は相互に接触しやすく、複数の液状化したガラス粒子が接触した場合には融着してさらに大きな液状化したガラス粒子や塊状物となることがある。さらには多数の液状化したガラス粒子が一体化した液体の流れとなってガラス融液Gに達することもある。1つのガラスカレット片投入筒34、34…から投入される単位時間あたりのガラスカレット片の量が多くなると、このような液状化したガラス粒子の融着が起こりやすい。
前述の如くガラスカレット片26を第2加熱ユニットによる第2の気相中で完全に液状化する必要はないが、このように複数の酸素燃焼バーナ36、36…を配置することによりガラスカレット片26の溶融率が向上するので、ガラス融液の均質化に必要な二次加熱に要する熱量を削減することができる。更に、酸素燃焼バーナ36の本数を増加させることにより、ガラスカレット片26、26…を均等に加熱することができるので、溶融率が更に向上する。なお、酸素燃焼バーナ36を、酸素燃焼バーナ36の使用本数が増えるに従って小能力型のものに変更することもできる。これにより、酸素燃焼バーナ36に使用する燃料を節約することができる。
さらに、本実施形態では、ガラスカレット片をガラス原料粒子と併用して溶融ガラスを製造する例を説明したが、ガラスカレット片の併用は必須ではなく、ガラス原料粒子のみから溶融ガラスを製造してもよい。さらに、ガラスカレット片を併用する場合、本実施形態では、投入されたガラスカレット片を加熱するための第2の加熱手段を用いる例を説明したが、第2の加熱手段の使用(およびそれにより形成される第2の気相部の形成)は必須ではない。即ち、炉内に投入され気相中を落下するガラスカレット片を加熱するための特別な構成を採用することなく、ガラス原料粒子から生成するガラス融液中にガラスカレット片を投入して溶融させることができる。この際、ガラス融液の温度が低下するなどの不都合があれば、ガラス融液を加熱する手段などを採用して熱エネルギーの不足を解消することができる。
なお、2009年7月8日に出願された日本特許出願2009-161841号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
Claims (13)
- ガラス溶融炉内の気相雰囲気中でガラス原料粒子を液状ガラス粒子とし、該液状ガラス粒子をガラス溶融炉の底部に集積してガラス融液とし、該ガラス融液を排出するガラス溶融炉であって、
前記ガラス溶融炉の天井部に貫通して設けられた煙道、
平面視で前記煙道の周囲に配置された前記ガラス溶融炉内の上部の炉壁部に下向きに設置された複数のガラス原料粒子投入部、
前記複数のガラス原料粒子投入部毎に設けられた、ガラス原料粒子投入部の下方にガラス原料粒子を液状ガラス粒子とする気相部を形成するための加熱手段、
前記液状ガラス粒子を集積してガラス融液を形成する炉底部、および、
前記ガラス融液を排出する排出部、
を備えたことを特徴とするガラス溶融炉。 - 前記ガラス溶融炉は、平面視で前記煙道を中心とする同心円上に沿って前記複数のガラス原料粒子投入部が配置されている請求項1に記載のガラス溶融炉。
- 前記加熱手段は、酸素燃焼炎を発生させる酸素燃焼バーナ及び熱プラズマを発生させる一対以上の電極で構成される多相アークプラズマ発生装置のうち少なくとも一つである、請求項1又は2に記載のガラス溶融炉。
- 前記ガラス溶融炉は鉛直方向を中心軸とする略円筒状に構成され、平面視でその略中央部に前記煙道が設けられている請求項1乃至3のうちいずれかに記載のガラス溶融炉。
- 前記ガラス溶融炉は、該ガラス溶融炉の前記炉壁部に下向きに設置されるとともに前記複数のガラス原料粒子投入部の全体を包囲するように所定の間隔をもって設けられ、ガラスカレット片を投入する複数のガラスカレット片投入部を備える請求項1乃至4のいずれかに記載のガラス溶融炉。
- 前記ガラス溶融炉は、平面視で前記煙道を中心とする同心円上に沿って前記複数のガラスカレット片投入部が配置されている請求項5に記載のガラス溶融炉。
- 前記ガラスカレット片投入部は、前記ガラスカレット片の短径(a)が0.1mm<a<50mmであるガラスカレット片を投入するために設けられる請求項5又は6に記載のガラス溶融炉。
- 前記短径(a)のガラスカレット片は、網目の目開き(Opening)の大きさが0.1mmの篩に残り、且つ、網目の目開き(Opening)の大きさが50mmの篩を通過するものである、請求項7に記載のガラス溶融炉。
- 前記ガラス溶融炉は、前記ガラスカレット片投入部下方にガラスカレット片を少なくとも表面が液状化したガラス粒子とする気相部を形成するための加熱手段を備える請求項5乃至8のいずれかに記載のガラス溶融炉。
- 前記煙道からの排ガスの一部を、前記ガラスカレット片投入部から投入される前のガラスカレット片に供給し予熱するためのガス供給部が設けられる請求項5乃至9のうちいずれかに記載のガラス溶融炉。
- 請求項1乃至10のいずれかに記載のガラス溶融炉を用いて溶融ガラスを製造することを特徴とする溶融ガラスの製造方法。
- 請求項1乃至10のいずれかに記載のガラス溶融炉と、該ガラス溶融炉の前記排出部の下流側に設けら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たことを特徴とするガラス製品の製造装置。
- 請求項11に記載の溶融ガラスの製造方法により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ことを特徴とするガラス製品の製造方法。
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