WO2022075016A1 - ガラス溶解装置、ガラスの製造方法、及び溶融ガラスの素地替え方法 - Google Patents

ガラス溶解装置、ガラスの製造方法、及び溶融ガラスの素地替え方法 Download PDF

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melting
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亮介 赤木
俊明 松山
和幸 藤崎
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Ａｇｃ株式会社
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B5/00—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture
    • C03B5/16—Special features of the melting process; Auxiliary means specially adapted for glass-melting furnaces
    • C03B5/42—Details of construction of furnace walls, e.g. to prevent corrosion; Use of materials for furnace walls
    • C03B5/43—Use of materials for furnace walls, e.g. fire-bricks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B14/06—Crucible or pot furnaces heated electrically, e.g. induction crucible furnaces with or without any other source of heat

Definitions

  • This disclosure relates to a glass melting device, a method for manufacturing glass, and a method for changing the substrate of molten glass.
  • Patent Document 1 describes a method of changing the substrate of molten glass (for example, changing the composition or changing the color) in a continuous glass melting furnace. In this substrate replacement method, after most of the molten glass is discharged from the melting furnace, a new glass raw material is added.
  • Patent Document 2 describes a melting furnace provided with a plurality of electrodes at the bottom.
  • the bottom of the melting furnace has a first brick surrounding the electrodes and a second brick disposed between the first bricks.
  • the first brick is an electroformed brick, for example, a zirconia refractory.
  • the second brick is a dense zircon fired brick.
  • the glass melting device includes a melting tank, electrodes, and a cooler.
  • the melting tank stores the molten glass.
  • the electrode passes through a through hole in the bottom wall of the melting tank, projects above the bottom wall, and energizes and heats the molten glass.
  • the cooler is a water-cooled jacket or the like, and the electrode is surrounded by a through hole in the bottom wall, the molten glass is solidified, and the through hole is sealed.
  • the molten glass stored in the melting tank is discharged to the outside of the melting tank, and the liquid level of the molten glass stored in the melting tank is lowered. After that, the glass raw material of the second molten glass, which is different from the molten glass, is put into the inside of the melting tank. As a result, the liquid level of the second molten glass rises.
  • the electrode protrudes above the liquid surface of the molten glass and sublimates due to the reaction with oxygen gas in the atmosphere. Therefore, after the liquid level of the second molten glass reaches a preset height, the electrode is inserted upward and the effective length of the electrode is returned to the original length.
  • the effective length of the electrode is the length of the portion that heats the molten glass of the electrode, and is the length of the portion that protrudes from the bottom wall of the electrode.
  • the supply of the refrigerant to the cooler is temporarily stopped in order to soften the molten glass solidified in the through hole through which the electrode passes. Then, after the insertion of the electrodes is completed, the supply of the refrigerant to the cooler is restarted. As the supply of refrigerant to the cooler is stopped and restarted, a large temperature change occurs around the electrodes.
  • electroformed bricks are arranged around the electrodes.
  • zirconia-quality electroformed brick is mentioned.
  • Zirconia (ZrO 2 ) has excellent corrosion resistance to molten glass.
  • zirconia undergoes a reversible transformation in the temperature range of 1000 ° C to 1200 ° C. The transformation is accompanied by a large volume change, and a large stress is generated inside.
  • One aspect of the present disclosure provides a technique for reducing the stress generated on the bottom wall of the melting tank at the time of substrate replacement and improving the corrosion resistance of the bottom wall of the melting tank against molten glass.
  • the glass melting apparatus includes a melting tank for storing molten glass, an electrode that passes through a through hole in the bottom wall of the melting tank, protrudes above the bottom wall, and energizes and heats the molten glass.
  • a cooler that surrounds the electrode at the through hole in the bottom wall is provided.
  • the bottom wall of the melting tank comprises a first brick forming a surface layer in contact with the molten glass and a second brick surrounding the electrode and the cooler at the through hole in the surface layer.
  • the first brick is superior in corrosion resistance to the second brick.
  • the second brick does not undergo reversible transformation in the temperature range of 1000 ° C to 1200 ° C.
  • the stress generated on the bottom wall of the melting tank at the time of changing the substrate can be reduced, and the corrosion resistance of the bottom wall of the melting tank to the molten glass can be improved.
  • FIG. 1 is a diagram showing a glass manufacturing apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a method for manufacturing glass according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a glass melting device according to an embodiment.
  • FIG. 4 is a plan view showing the bottom wall of the melting tank of FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of the state of the melting tank of FIG. 3 when the substrate is changed.
  • FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view showing a part of the bottom wall of the melting tank of FIG.
  • FIG. 7 is an enlarged perspective view showing a part of the bottom wall of the melting tank of FIG.
  • FIG. 8 is a perspective view showing a groove formed on the upper surface of the surface layer of the bottom wall of FIG. 7.
  • FIG. 9 is a flowchart showing a method of changing the substrate of the molten glass according to the embodiment.
  • the manufacturing device 1 includes a glass melting device 2, a molding device 3, a slow cooling device 4, and a processing device 5.
  • the glass melting device 2 melts the glass raw material to produce molten glass.
  • the glass raw material is prepared by mixing a plurality of kinds of materials.
  • the glass raw material M contains, for example, silica sand, limestone, soda ash, boric acid, a clarifying agent and the like.
  • the clarifying agent is sulfur trioxide, chloride or fluoride.
  • the glass raw material M may contain a glass cullet in order to recycle the glass.
  • the glass raw material M may be a powder raw material or a granulated raw material obtained by granulating the powder raw material.
  • the glass raw material is determined according to the composition of the glass.
  • the glass is soda lime glass
  • the glass is 50% to 75% SiO 2 , 0% to 20% Al 2 O 3 , Li 2 O, Na 2 O and K 2 in mol% based on the oxide. It contains 5% to 25% in total of O, and 0% to 20% in total of MgO, CaO, SrO and BaO.
  • the glass is an alkali-containing aluminosilicate glass
  • the glass is 50% to 75% of SiO 2 , 5% to 20% of Al 2 O 3 , and 2% to Na 2 O in mol% based on the oxide. 20%, K2O 0 % -6%, MgO 0% -15%, CaO, SrO and BaO total 0% -10%, ZrO 2 and TiO 2 total 0% -5%, B It contains 0% to 10% of 2 O 3 and 0% to 20% of Li 2 O.
  • the glass melting device 2 is a continuous type, and continuously supplies a glass raw material and manufactures molten glass.
  • the input amount of the glass raw material per unit time is about the same as the discharge amount of the molten glass per unit time.
  • the molten glass is sent from the glass melting device 2 to the molding device 3. The details of the glass melting device 2 will be described later.
  • the molding device 3 molds the molten glass obtained by the glass melting device 2 into glass having a desired shape.
  • a molding method for obtaining plate-shaped glass a float method, a fusion method, a rollout method, or the like is used.
  • a molding method for obtaining tubular glass a bellows method, a Dunner method, or the like is used.
  • the slow cooling device 4 slowly cools the glass molded by the molding device 3.
  • the slow cooling device 4 has, for example, a slow cooling furnace and a transfer roller for transporting the glass in a desired direction inside the slow cooling furnace.
  • a plurality of transfer rollers are arranged, for example, at intervals in the horizontal direction.
  • the glass is slowly cooled while being transported from the inlet to the outlet of the slow cooling furnace. By slowly cooling the glass, a glass with less residual strain can be obtained.
  • the processing device 5 processes the glass slowly cooled by the slow cooling device 4 into a desired shape.
  • the processing device 5 may be one or more selected from, for example, a cutting device, a grinding device, a polishing device, and a coating device.
  • the cutting device cuts the glass slowly cooled by the slow cooling device 4.
  • the cutting device forms, for example, a scribe line on the glass slowly cooled by the slow cooling device 4, and cuts the glass along the scribe line.
  • the scribe line is formed using a cutter or a laser beam.
  • the grinding device grinds the glass slowly cooled by the slow cooling device 4.
  • the polishing device polishes the glass slowly cooled by the slow cooling device 4.
  • the coating device forms a desired film on the glass slowly cooled by the slow cooling device 4.
  • the glass manufacturing apparatus 1 may further include a clarification apparatus.
  • the clarification device removes air bubbles contained in the molten glass before the molten glass obtained by the glass melting device 2 is molded by the molding device 3.
  • a method for removing air bubbles for example, one or more selected from a method of reducing the pressure in the surrounding atmosphere of the molten glass and a method of heating the molten glass to a high temperature are used.
  • the method for producing glass includes melting (step S11), molding (step S12), slow cooling (step S13), and processing (step S14).
  • the glass melting device 2 performs melting (step S11)
  • the molding device 3 performs molding (step S12)
  • the slow cooling device 4 carries out slow cooling (step S13)
  • the processing device 5 processes step S14.
  • the method for producing glass may further include clarification. Clarification is to remove air bubbles contained in the molten glass, which is carried out after the production of the molten glass (step S11) and before the molding (step S12).
  • the glass melting device 2 includes a melting tank 10, an electrode 20, a cooler 30, and a loading machine 50.
  • the melting tank 10 stores the molten glass G in which the glass raw material M is melted.
  • the electrode 20 passes through the through hole 12 of the bottom wall 11 of the melting tank 10 and projects above the bottom wall 11 to energize and heat the molten glass G.
  • the cooler 30 is a water-cooled jacket or the like, surrounds the electrode 20 with a through hole 12 of the bottom wall 11, solidifies the molten glass G, and seals the through hole 12.
  • the charging machine 50 loads the glass raw material M into the melting tank 10 from above the side wall 13 of the melting tank 10.
  • the loading machine 50 is, for example, a blanket charger, and includes a hopper 51, a transport pan 52, and an advancing / retreating mechanism 53.
  • the hopper 51 stores the glass raw material M.
  • the transport pan 52 carries the glass raw material M dropped from the hopper 51.
  • the advancing / retreating mechanism 53 advances / retreats the transport pan 52 toward the melting tank 10 under the control of a computer, puts the glass raw material M on the transport pan 52 into the melting tank 10, and puts the raw material pile on the liquid level Ga of the molten glass G.
  • Form Ma The raw material mountain Ma is melted by the heat of the molten glass G while floating on the molten glass G.
  • the melting tank 10 accommodates the molten glass G in which the glass raw material M is melted.
  • a plurality of through holes 12 through which the electrode 20 is passed are formed in the bottom wall 11 of the melting tank 10.
  • a plurality of through holes 12 form a plurality (for example, two) rows along the side wall 13 of the dissolution tank 10, and a plurality of electrodes 20 are formed along the side wall 13 of the dissolution tank 10 (for example, as shown in FIG. 4). Form two) rows.
  • Each of the plurality of electrodes 20 projects upward from the bottom wall 11 of the melting tank 10 and energizes and heats the molten glass G.
  • the material of the electrode 20 is not particularly limited, but is, for example, Mo (molybdenum). When the molten glass G is heated, convection is generated and heat is carried to the entire melting tank 10.
  • a burner or the like for heating the molten glass G is provided above the melting tank 10.
  • the burner or the like heats the molten glass G when the base material of the molten glass G is changed.
  • the burner or the like may be an electric heater made of silicon carbide, molybdenum discalcified or the like, in addition to the burner. A burner or the like may also be used during the production of glass.
  • the electrode 20 heats the molten glass G at the time of producing the glass, but it is not necessary to heat the molten glass G at the time of changing the substrate of the molten glass G.
  • the molten glass G stored in the melting tank 10 is discharged to the outside of the melting tank 10, and the liquid level of the molten glass G stored in the melting tank 10 is discharged. To reduce. After that, the glass raw material of the second molten glass different from the molten glass G is put into the inside of the melting tank 10. As a result, the liquid level of the second molten glass rises.
  • the effective length L of the electrode 20 (see FIG. 3) becomes short.
  • the effective length L of the electrode 20 is the length of the portion of the electrode 20 for heating the molten glass G, and is the length of the portion of the electrode 20 protruding from the bottom wall 11.
  • the electrode 20 is inserted upward and the effective length L of the electrode 20 is increased. It is restored to its original length.
  • the supply of the refrigerant to the cooler 30 is temporarily stopped in order to soften the molten glass G solidified in the through hole 12 through which the electrode 20 passes. Then, after the insertion of the electrode 20 is completed, the supply of the refrigerant to the cooler 30 is restarted. Since the supply of the refrigerant to the cooler 30 is stopped or restarted, a large temperature change occurs around the electrode 20.
  • electroformed bricks are arranged around the electrodes.
  • zirconia-quality electroformed brick is mentioned.
  • Zirconia (ZrO 2 ) has excellent corrosion resistance to molten glass.
  • zirconia undergoes a reversible transformation in the temperature range of 1000 ° C to 1200 ° C. The transformation is accompanied by a large volume change, and a large stress is generated inside.
  • the bottom wall 11 of the melting tank 10 of the present embodiment has a first brick 16 forming a surface layer 15 in contact with the molten glass G, an electrode 20 and a cooler in a through hole 12 of the surface layer 15. Includes a second brick 17 surrounding 30.
  • the first brick 16 is more excellent in corrosion resistance than the second brick 17.
  • the second brick 17 does not undergo reversible transformation in the temperature range of 1000 ° C to 1200 ° C.
  • the first brick 16 is an electroformed brick
  • the second brick 17 is a dense zircon fired brick.
  • the bottom wall 11 may further include a heat insulating layer under the surface layer 15.
  • the heat insulating layer is formed of bricks having excellent heat insulating properties.
  • a dense zircon fired brick is arranged around the electrode 20.
  • Denszircon calcined bricks mainly contain zircon (ZrSiO 4 ).
  • the denszircon fired brick has a zircon content of, for example, 95% by mass.
  • zircon does not undergo reversible transformation in the temperature range of 1000 ° C to 1200 ° C. Therefore, by stopping or restarting the supply of the refrigerant to the cooler 30, even if a large temperature change occurs around the electrode 20, the stress generated inside can be reduced.
  • the dense zircon fired brick has a lower porosity and a higher electrical resistivity than the electroformed brick.
  • the zircon fired brick When the temperature of the fired dense zircon brick exceeds 1500 ° C, the zircon is decomposed and erosion by the molten glass G is likely to occur. According to the present embodiment, since the dense zircon fired brick is arranged in the vicinity of the cooler 30, the temperature rise of the dense zircon fired brick can be suppressed, and as a result, the decomposition of zircon can be suppressed.
  • an electroformed brick is used as the first brick 16 forming the surface layer 15 in contact with the molten glass G.
  • the electroformed brick is more excellent in corrosion resistance to the molten glass G than the dense zircon fired brick. Therefore, the corrosion resistance of the bottom wall 11 of the melting tank 10 to the molten glass G can be improved.
  • the first brick 16 is, for example, an alumina zirconia silica electric cast brick, an alumina electric cast brick, or a zirconia electric cast brick.
  • zirconia electroformed bricks are preferable, and high zirconia electroformed bricks are particularly preferable, from the viewpoint of corrosion resistance to the molten glass G.
  • High zirconia electroformed bricks have a zirconia content of, for example, 90% by mass or more.
  • the melting temperature of the glass raw material M is higher than that of soda lime glass, so that a high zirconia electric cast brick may be used as the first brick 16. preferable.
  • the bottom wall 11 of the melting tank 10 further includes a third brick 18 that covers at least a part of the upper surface of the second brick 17.
  • the third brick 18 is an electroformed brick like the first brick 16. By covering at least a part of the upper surface of the dense zircon fired brick with the electroformed brick, the corrosion resistance to the molten glass G can be improved.
  • the third brick 18 is preferably a zirconia electroformed brick, and more preferably a high zirconia electroformed brick.
  • the bottom wall 11 of the melting tank 10 is composed of a plurality of types of bricks. At the time of heating, the bricks constituting the bottom wall 11 may be displaced from each other due to the difference in thermal expansion of a plurality of types of bricks.
  • the third brick 18 is arranged farther from the electrode 20 than the second brick 17 in the upward view so that the electrode 20 can be inserted even if the bricks are displaced from each other.
  • the peripheral portion of the electrode 20 is exposed to the molten glass G.
  • the portion of the second brick 17 exposed to the molten glass G is cooled to 1500 ° C. or lower by the cooler 30 in order to suppress the decomposition of zircon.
  • the bottom wall 11 of the melting tank 10 includes a groove 19 that forms a stepped surface on the upper surface of the surface layer 15.
  • the side surface 19a of the groove 19 is a stepped surface and holds down the third brick 18.
  • a through hole 12 is formed in the bottom surface 19b of the groove 19.
  • the third brick 18 includes a fitting portion 18a that is fitted into the groove 19 and a holding portion 18b that presses the upper surface of the second brick 17.
  • the third brick 18 is, for example, L-shaped in a lateral view.
  • the two rectangular third bricks 18-1 and 18-2 face each other in the X-axis direction, and the two grooves 19 face each other in the X-axis direction. It is held down by the side surface 19a.
  • the two T-shaped third bricks 18-3 and 18-4 face each other in the Y-axis direction. Both end faces of the third brick 18-4 in the X-axis direction are pressed by two side surfaces 19a of the groove 19 facing in the X-axis direction. Further, the Y-axis negative end surface of the third brick 18-3 is pressed by the side surface 19a of the groove 19.
  • both end faces of the third brick 18-3 in the X-axis direction may be pressed by two side surfaces 19a of the groove 19 facing in the X-axis direction.
  • the Y-axis positive end surface of the third brick 18-4 may be pressed by the side surface 19a of the groove 19.
  • a part of the side surface of the third brick 18 may not be in contact with the side surface 19a of the groove 19.
  • the method of changing the substrate of the molten glass G includes, for example, steps S21 to S27.
  • step S21 the power supply to the electrode 20 is stopped.
  • step S22 the molten glass G stored in the melting tank 10 is discharged to the outside of the melting tank 10, and the liquid level of the molten glass G stored in the melting tank 10 is lowered.
  • the electrode 20 protrudes above the liquid surface of the molten glass G, and the protruding portion is sublimated by the reaction with oxygen gas in the atmosphere, and the effective length L of the electrode 20 is shortened.
  • step S23 a glass raw material of the second molten glass different from the molten glass G is put into the melting tank 10, and the second molten glass is stored in the melting tank 10.
  • step S24 is performed.
  • step S24 the supply of the refrigerant to the cooler 30 is stopped.
  • step S25 the electrode 20 is inserted upward. The effective length L of the electrode 20 is returned to the original length.
  • step S26 the supply of the refrigerant to the cooler 30 is restarted.
  • step S27 the power supply to the electrode 20 is restarted, and the second molten glass is energized and heated by the electrode 20. After that, glass production is resumed.
  • the dense zircon fired brick is arranged around the electrode 20. Therefore, by stopping or restarting the supply of the refrigerant to the cooler 30, even if a large temperature change occurs around the electrode 20, the stress generated inside can be reduced.
  • an electroformed brick is used as the first brick 16 forming the surface layer 15 in contact with the molten glass G.
  • the electroformed brick is more excellent in corrosion resistance to the molten glass G than the dense zircon fired brick. Therefore, the corrosion resistance of the bottom wall 11 of the melting tank 10 to the molten glass G can be improved.
  • the present disclosure is not limited to the above-described embodiment and the like.
  • Various changes, modifications, replacements, additions, deletions, and combinations are possible within the scope of the claims. Of course, they also belong to the technical scope of the present disclosure.

Abstract

ガラス溶解装置は、溶融ガラスを溜める溶解槽と、前記溶解槽の底壁の貫通穴を通り、前記底壁の上方に突出し、前記溶融ガラスを通電加熱する電極と、前記底壁の前記貫通穴にて前記電極を囲む冷却器と、を備える。前記溶解槽の前記底壁は、前記溶融ガラスに接触する表層を形成する第１レンガと、前記表層の前記貫通穴にて前記電極と前記冷却器を囲む第２レンガとを含む。前記第１レンガは、前記第２レンガよりも耐食性に優れる。前記第２レンガは、１０００℃～１２００℃の温度域において、可逆的な変態が生じない。

Description

ガラス溶解装置、ガラスの製造方法、及び溶融ガラスの素地替え方法
　本開示は、ガラス溶解装置、ガラスの製造方法、及び溶融ガラスの素地替え方法に関する。
　特許文献１には、連続ガラス溶融炉における溶融ガラスの素地替え（例えば、組成の変更、又は色の変更）方法が記載されている。この素地替え方法は、溶融炉から溶融ガラスの大部分を一旦排出した後に、新たなガラス原料を投入する。
　特許文献２には、底部に複数の電極を備える溶解炉が記載されている。溶解炉の底部は、電極を囲繞する第１レンガと、第１レンガの相互間に配置される第２レンガとを有する。第１レンガは、電鋳レンガであり、例えばジルコニア系耐火物である。一方、第２レンガは、デンスジルコン焼成レンガである。
日本国特許第６６７０４６０号公報 国際公開第２０１９／００４４３４号
　ガラス溶解装置は、溶解槽と、電極と、冷却器とを備える。溶解槽は、溶融ガラスを溜める。電極は、溶解槽の底壁の貫通穴を通り、底壁の上方に突出し、溶融ガラスを通電加熱する。冷却器は、水冷ジャケット等であり、底壁の貫通穴にて電極を囲み、溶融ガラスを固化させ、貫通穴をシールする。
　溶融ガラスの素地替えでは、先ず、溶解槽に溜めた溶融ガラスを溶解槽の外部に排出し、溶解槽に溜めた溶融ガラスの液面を低下させる。その後、溶融ガラスとは異なる第２溶融ガラスのガラス原料が、溶解槽の内部に投入される。その結果、第２溶融ガラスの液面が上昇する。
　溶融ガラスの素地替え中に、電極が、溶融ガラスの液面の上に突出し、大気中の酸素ガスとの反応によって昇華してしまう。そこで、第２溶融ガラスの液面が予め設定された高さに達した後で、電極が上方に差し込まれ、電極の有効長さが元の長さに戻される。電極の有効長さとは、電極の溶融ガラスを加熱する部分の長さのことであり、電極の底壁から突出する部分の長さことである。
　ところで、電極を上方に差し込む前に、電極の通る貫通穴にて固化した溶融ガラスを軟化させるべく、冷却器への冷媒供給が一旦停止される。そして、電極の差し込みを終えた後で、冷却器への冷媒供給が再開される。冷却器への冷媒供給が停止されたり再開されたりするので、電極の周囲では、大きな温度変化が生じる。
　特許文献２によれば、電極の周囲には、電鋳レンガが配置される。そして、最も好ましい電鋳レンガとして、ジルコニア質電鋳レンガが挙げられている。ジルコニア（ＺｒＯ２）は、溶融ガラスに対する耐食性に優れる。但し、ジルコニアは、１０００℃～１２００℃の温度域において、可逆的な変態を生じる。その変態は大きな体積変化を伴い、大きな応力が内部に発生してしまう。
　本開示の一態様は、素地替え時に溶解槽の底壁に生じる応力を低減すると共に、溶融ガラスに対する溶解槽の底壁の耐食性を向上する、技術を提供する。
　本開示の一態様に係るガラス溶解装置は、溶融ガラスを溜める溶解槽と、前記溶解槽の底壁の貫通穴を通り、前記底壁の上方に突出し、前記溶融ガラスを通電加熱する電極と、前記底壁の前記貫通穴にて前記電極を囲む冷却器と、を備える。前記溶解槽の前記底壁は、前記溶融ガラスに接触する表層を形成する第１レンガと、前記表層の前記貫通穴にて前記電極と前記冷却器を囲む第２レンガとを含む。前記第１レンガは、前記第２レンガよりも耐食性に優れる。前記第２レンガは、１０００℃～１２００℃の温度域において、可逆的な変態が生じない。
　本開示の一態様によれば、素地替え時に溶解槽の底壁に生じる応力を低減できると共に、溶融ガラスに対する溶解槽の底壁の耐食性を向上できる。
図１は、一実施形態に係るガラスの製造装置を示す図である。 図２は、一実施形態に係るガラスの製造方法を示すフローチャートである。 図３は、一実施形態に係るガラス溶解装置を示す断面図である。 図４は、図３の溶解槽の底壁を示す平面図である。 図５は、図３の溶解槽の素地替え時の状態の一例を示す断面図である。 図６は、図３の溶解槽の底壁の一部を拡大して示す断面図である。 図７は、図３の溶解槽の底壁の一部を拡大して示す斜視図である。 図８は、図７の底壁の表層上面に形成される溝を示す斜視図である。 図９は、一実施形態に係る溶融ガラスの素地替え方法を示すフローチャートである。
　以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図面において同一の又は対応する構成には同一の符号を付し、説明を省略することがある。また、各図面において、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向は互いに垂直な方向であって、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は水平方向、Ｚ軸方向は鉛直方向である。また、明細書中、数値範囲を示す「～」は、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含むことを意味する。
　先ず、図１を参照して、本実施形態に係るガラスの製造装置１について説明する。製造装置１は、ガラス溶解装置２と、成形装置３と、徐冷装置４と、加工装置５とを有する。
　ガラス溶解装置２は、ガラス原料を溶解し、溶融ガラスを製造する。ガラス原料は、複数種類の材料を混ぜて調製される。例えば、ガラスがソーダライムガラスである場合、ガラス原料Ｍは例えば珪砂、石灰石、ソーダ灰、ホウ酸及び清澄剤などを含む。清澄剤は、三酸化硫黄、塩化物又はフッ化物などである。ガラス原料Ｍは、ガラスをリサイクルすべく、ガラスカレットを含んでもよい。ガラス原料Ｍは、粉体原料でもよいし、当該粉体原料を造粒した造粒原料でもよい。
　ガラス原料は、ガラスの組成に応じて決定される。ガラスがソーダライムガラスである場合、ガラスは、酸化物基準のモル％で、ＳｉＯ２を５０％～７５％、Ａｌ２Ｏ３を０％～２０％、Ｌｉ２ＯとＮａ２ＯとＫ２Ｏとを合計で５％～２５％、ＭｇＯとＣａＯとＳｒＯとＢａＯとを合計で０％～２０％含む。
　ガラスがアルカリ含有アルミノケイ酸塩ガラスである場合、ガラスは、酸化物基準のモル％で、ＳｉＯ２を５０％～７５％、Ａｌ２Ｏ３を５％～２０％、Ｎａ２Ｏを２％～２０％、Ｋ２Ｏを０％～６％、ＭｇＯを０％～１５％、ＣａＯ、ＳｒＯおよびＢａＯを合計で０％～１０％、ＺｒＯ２およびＴｉＯ２を合計で０％～５％、Ｂ２Ｏ３を０％～１０％、Ｌｉ２Ｏを０％～２０％含む。
　ガラス溶解装置２は、連続式であって、ガラス原料の供給と、溶融ガラスの製造とを連続的に行う。ガラス原料の単位時間当たりの投入量は、溶融ガラスの単位時間当たりの排出量と同程度である。溶融ガラスは、ガラス溶解装置２から成形装置３に送られる。なお、ガラス溶解装置２の詳細は後述する。
　成形装置３は、ガラス溶解装置２で得られた溶融ガラスを所望の形状のガラスに成形する。板状のガラスを得る成形方法として、フロート法、フュージョン法、又はロールアウト法等が用いられる。管状のガラスを得る成形方法として、ベロー法、又はダンナー法等が用いられる。
　徐冷装置４は、成形装置３で成形したガラスを徐冷する。徐冷装置４は、例えば、徐冷炉と、徐冷炉の内部においてガラスを所望の方向に搬送する搬送ローラとを有する。搬送ローラは、例えば水平方向に間隔をおいて複数配列される。ガラスは、徐冷炉の入口から出口まで搬送される間に、徐冷される。ガラスを徐冷すれば、残留歪みの少ないガラスが得られる。
　加工装置５は、徐冷装置４で徐冷したガラスを所望の形状に加工する。加工装置５は、例えば切断装置、研削装置、研磨装置、及びコーティング装置から選ばれる１つ以上であってよい。切断装置は、徐冷装置４で徐冷したガラスを切断する。切断装置は、例えば、徐冷装置４で徐冷したガラスにスクライブ線を形成し、スクライブ線に沿ってガラスを割断する。スクライブ線は、カッター又はレーザー光線を用いて形成される。研削装置は、徐冷装置４で徐冷したガラスを研削する。研磨装置は、徐冷装置４で徐冷したガラスを研磨する。コーティング装置は、徐冷装置４で徐冷したガラスに所望の膜を形成する。
　なお、ガラスの製造装置１は、清澄装置をさらに有してもよい。清澄装置は、ガラス溶解装置２で得られた溶融ガラスを成形装置３で成形する前に、溶融ガラス中に含まれる気泡を除去する。気泡を除去する方法として、例えば、溶融ガラスの周辺雰囲気を減圧する方法、及び溶融ガラスを高温に加熱する方法から選ばれる１つ以上が用いられる。
　次に、図２を参照して、本実施形態に係るガラスの製造方法について説明する。図２に示すように、ガラスの製造方法は、溶解（ステップＳ１１）と、成形（ステップＳ１２）と、徐冷（ステップＳ１３）と、加工（ステップＳ１４）とを含む。ガラス溶解装置２が溶解（ステップＳ１１）を実施し、成形装置３が成形（ステップＳ１２）を実施し、徐冷装置４が徐冷（ステップＳ１３）を実施し、加工装置５が加工（ステップＳ１４）を実施する。なお、ガラスの製造方法は、清澄をさらに含んでもよい。清澄は、溶融ガラス中に含まれる気泡を除去することであり、溶融ガラスの製造（ステップＳ１１）の後、成形（ステップＳ１２）の前に実施される。
　次に、図３及び図４を参照して、本実施形態に係るガラス溶解装置２について説明する。図３に示すように、ガラス溶解装置２は、溶解槽１０と、電極２０と、冷却器３０と、投入機５０とを有する。溶解槽１０は、ガラス原料Ｍを溶解した溶融ガラスＧを溜める。電極２０は、溶解槽１０の底壁１１の貫通穴１２を通り、底壁１１の上方に突出し、溶融ガラスＧを通電加熱する。冷却器３０は、水冷ジャケット等であり、底壁１１の貫通穴１２にて電極２０を囲み、溶融ガラスＧを固化させ、貫通穴１２をシールする。投入機５０は、溶解槽１０の側壁１３の上方から溶解槽１０の内部にガラス原料Ｍを投入する。
　投入機５０は、例えばブランケットチャージャーであり、ホッパー５１と、搬送パン５２と、進退機構５３とを含む。ホッパー５１は、ガラス原料Ｍを溜める。搬送パン５２は、ホッパー５１から投下されるガラス原料Ｍを載せる。進退機構５３は、コンピュータによる制御下で、搬送パン５２を溶解槽１０に向けて進退させ、搬送パン５２上のガラス原料Ｍを溶解槽１０に投入し、溶融ガラスＧの液面Ｇａに原料山Ｍａを形成する。原料山Ｍａは、溶融ガラスＧに浮かびながら、溶融ガラスＧの熱によって溶解する。
　溶解槽１０は、ガラス原料Ｍを溶解した溶融ガラスＧを収容する。溶解槽１０の底壁１１には、電極２０を通す貫通穴１２が複数形成される。複数の貫通穴１２が溶解槽１０の側壁１３に沿って複数（例えば２つ）の列を形成し、図４に示すように複数の電極２０が溶解槽１０の側壁１３に沿って複数（例えば２つ）の列を形成する。複数の電極２０は、それぞれ、溶解槽１０の底壁１１から上方に突出し、溶融ガラスＧを通電加熱する。電極２０の材質は、特に限定されないが、例えばＭｏ（モリブデン）である。溶融ガラスＧは、加熱されることによって対流を生じ、溶解槽１０の全体に熱を運ぶ。
　溶解槽１０の上方には、溶融ガラスＧを加熱する不図示のバーナー等が設けられる。バーナー等は、溶融ガラスＧの素地替え時に、溶融ガラスＧを加熱する。バーナー等は、バーナーの他、炭化ケイ素または二ケイ化モリブデン等による電気ヒータでもよい。バーナー等はガラスの生産時にも使用してもよい。一方、電極２０は、ガラスの生産時には溶融ガラスＧを加熱するが、溶融ガラスＧの素地替え時には溶融ガラスＧを加熱しなくてもよい。
　ところで、溶融ガラスＧの素地替えでは、図５に示すように、先ず、溶解槽１０に溜めた溶融ガラスＧを溶解槽１０の外部に排出し、溶解槽１０に溜めた溶融ガラスＧの液面を低下させる。その後、溶融ガラスＧとは異なる第２溶融ガラスのガラス原料が、溶解槽１０の内部に投入される。その結果、第２溶融ガラスの液面が上昇する。
　溶融ガラスＧの素地替え中に、溶融ガラスＧの液面が低下させられることで、電極２０が溶融ガラスＧの液面の上に突出し、突出した部分が大気中の酸素ガスとの反応によって昇華してしまい、電極２０の有効長さＬ（図３参照）が短くなってしまう。電極２０の有効長さＬとは、電極２０の溶融ガラスＧを加熱する部分の長さのことであり、電極２０の底壁１１から突出する部分の長さことである。そこで、第２溶融ガラスのガラス原料の投入によって第２溶融ガラスの液面が上昇し予め設定された高さに達した後で、電極２０が上方に差し込まれ、電極２０の有効長さＬが元の長さに戻される。
　ところで、電極２０を上方に差し込む前に、電極２０の通る貫通穴１２にて固化した溶融ガラスＧを軟化させるべく、冷却器３０への冷媒供給が一旦停止される。そして、電極２０の差し込みを終えた後で、冷却器３０への冷媒供給が再開される。冷却器３０への冷媒供給が停止されたり再開されたりするので、電極２０の周囲では、大きな温度変化が生じる。
　特許文献２によれば、電極の周囲には、電鋳レンガが配置される。そして、最も好ましい電鋳レンガとして、ジルコニア質電鋳レンガが挙げられている。ジルコニア（ＺｒＯ２）は、溶融ガラスに対する耐食性に優れる。但し、ジルコニアは、１０００℃～１２００℃の温度域において、可逆的な変態を生じる。その変態は大きな体積変化を伴い、大きな応力が内部に発生してしまう。
　本実施形態の溶解槽１０の底壁１１は、図６に示すように、溶融ガラスＧに接触する表層１５を形成する第１レンガ１６と、表層１５の貫通穴１２にて電極２０と冷却器３０を囲む第２レンガ１７とを含む。そして、第１レンガ１６は、第２レンガ１７よりも耐食性に優れる。第２レンガ１７は、１０００℃～１２００℃の温度域において、可逆的な変態が生じない。例えば、第１レンガ１６は電鋳レンガであり、第２レンガ１７はデンスジルコン焼成レンガである。本実施形態と、特許文献２とでは、電鋳レンガと、デンスジルコン焼成レンガの配置が逆である。なお、図示しないが、底壁１１は、表層１５の下に、更に保温層を含んでもよい。保温層は、保温性に優れたレンガによって形成される。
　本実施形態によれば、電極２０の周囲に、デンスジルコン焼成レンガが配置される。デンスジルコン焼成レンガは、主にジルコン（ＺｒＳｉＯ４）を含む。デンスジルコン焼成レンガは、ジルコンの含有率が例えば９５質量％である。ジルコンは、ジルコニアとは異なり、１０００℃～１２００℃の温度域において、可逆的な変態を生じない。それゆえ、冷却器３０への冷媒供給を停止したり再開したりすることによって、電極２０の周囲で大きな温度変化が生じても、内部に発生する応力を低減できる。
　また、デンスジルコン焼成レンガは、電鋳レンガに比べて、気孔率が低く、電気抵抗率が高い。電極２０の周囲に、電気抵抗率の高いデンスジルコン焼成レンガを配置することによって、底壁１１への漏電を抑制できる。
　デンスジルコン焼成レンガは、温度が１５００℃を超えると、ジルコンが分解されてしまい、溶融ガラスＧによる侵食が生じやすい。本実施形態によれば、冷却器３０の近傍にデンスジルコン焼成レンガを配置するので、デンスジルコン焼成レンガの温度上昇を抑制でき、結果ジルコンの分解を抑制できる。
　また、本実施形態によれば、溶融ガラスＧに接触する表層１５を形成する第１レンガ１６として、電鋳レンガが用いられる。電鋳レンガは、デンスジルコン焼成レンガよりも、溶融ガラスＧに対する耐食性に優れている。それゆえ、溶融ガラスＧに対する溶解槽１０の底壁１１の耐食性を向上できる。
　第１レンガ１６は、例えば、アルミナ・ジルコニア・シリカ質電鋳レンガ、アルミナ質電鋳レンガ、又はジルコニア質電鋳レンガである。これらの中でも、溶融ガラスＧに対する耐食性の観点から、ジルコニア質電鋳レンガが好ましく、特に高ジルコニア質電鋳レンガが好ましい。高ジルコニア質電鋳レンガは、ジルコニアの含有率が例えば９０質量％以上のものである。
　製造するガラスがアルカリ含有アルミノケイ酸塩ガラスである場合、ソーダライムガラスである場合に比べて、ガラス原料Ｍの溶解温度が高いので、第１レンガ１６として高ジルコニア質電鋳レンガが用いられることが好ましい。
　図６に示すように、溶解槽１０の底壁１１は、第２レンガ１７の上面の少なくとも一部を覆う第３レンガ１８を更に含む。第３レンガ１８は、第１レンガ１６と同様に、電鋳レンガである。電鋳レンガによってデンスジルコン焼成レンガの上面の少なくとも一部を覆うことにより、溶融ガラスＧに対する耐食性を向上できる。第３レンガ１８は、好ましくはジルコニア質電鋳レンガであり、より好ましくは高ジルコニア質電鋳レンガである。
　溶解槽１０の底壁１１は、複数種類のレンガによって構成される。熱上げの際に、複数種類のレンガの熱膨張差等により、底壁１１を構成するレンガ同士がずれることがある。レンガ同士がずれても、電極２０の挿入が可能となるように、上方視にて、第３レンガ１８は、第２レンガ１７よりも、電極２０から離れて配置される。その結果、第２レンガ１７の上面は、電極２０の周囲の部分が、溶融ガラスＧに露出している。第２レンガ１７の溶融ガラスＧに露出した部分は、ジルコンの分解を抑制すべく、冷却器３０によって１５００℃以下に冷却される。
　図７及び図８に示すように、溶解槽１０の底壁１１は、表層１５の上面に段差面を形成する溝１９を含む。溝１９の側面１９ａが、段差面であり、第３レンガ１８を押さえる。溝１９の底面１９ｂには、図８に示すように、貫通穴１２が形成される。
　図６に示すように、第２レンガ１７は、溝１９の底面１９ｂよりも上方に突出している。そして、第３レンガ１８は、溝１９に嵌め込まれる嵌め込み部１８ａと、第２レンガ１７の上面を押さえる押さえ部１８ｂとを含む。第３レンガ１８は、例えば側方視Ｌ字状である。第１レンガ１６と、第２レンガ１７と、第３レンガ１８とを、互いに嵌め合わせることにより、レンガの位置ずれを抑制できる。
　図７に示すように、上方視にて、溝１９の内部で、矩形状の２枚の第３レンガ１８－１、１８－２と、Ｔ字状の２枚の第３レンガ１８－３、１８－４とが噛み合わされている。上方視にて、Ｔ字状の２枚の第３レンガ１８－３、１８－４には、それぞれ、Ｌ字状の切り欠き１８ａが２つずつ形成される。２つの切り欠き１８ａには１つの第３レンガ１８－１が嵌め込まれ、残り２つの切り欠き１８ａには別の第３レンガ１８－２が嵌め込まれる。４枚の第３レンガ１８－１、１８－２、１８－３、１８－４を互いに噛み合わせることにより、レンガの位置ずれを抑制できる。互いに噛み合わされる４枚の第３レンガ１８－１、１８－２、１８－３、１８－４で、１つの第３レンガ群が構成される。複数の第３レンガ群が、Ｙ軸方向に間隔をおいて一列に配列される。
　図７に示すように、上方視にて、矩形状の２枚の第３レンガ１８－１、１８－２は、Ｘ軸方向に対向しており、溝１９のＸ軸方向に対向する２つの側面１９ａで押さえられている。一方、上方視にて、Ｔ字状の２枚の第３レンガ１８－３、１８－４は、Ｙ軸方向に対向している。第３レンガ１８－４のＸ軸方向両端面が、溝１９のＸ軸方向に対向する２つの側面１９ａで押さえられている。また、第３レンガ１８－３のＹ軸負方向端面が、溝１９の側面１９ａで押さえられている。なお、図示しないが、第３レンガ１８－３のＸ軸方向両端面が、溝１９のＸ軸方向に対向する２つの側面１９ａで押さえられていてもよい。また、第３レンガ１８－４のＹ軸正方向端面が、溝１９の側面１９ａで押さえられていてもよい。
　熱上げでのレンガの膨張を考慮して、第３レンガ１８の側面の一部は、溝１９の側面１９ａと接さないようにしてもよい。
　次に、図９を参照して、本実施形態に係る溶融ガラスＧの素地替え方法について説明する。図９に示すように、溶融ガラスＧの素地替え方法は、例えばステップＳ２１～Ｓ２７を含む。先ず、ステップＳ２１では、電極２０への電力供給を停止する。続いて、ステップＳ２２では、溶解槽１０に溜めた溶融ガラスＧを溶解槽１０の外部に排出し、溶解槽１０に溜めた溶融ガラスＧの液面レベルを低下させる。その結果、電極２０が溶融ガラスＧの液面の上に突出し、突出した部分が大気中の酸素ガスとの反応によって昇華してしまい、電極２０の有効長さＬが短くなってしまう。
　次に、ステップＳ２３では、溶融ガラスＧとは異なる第２溶融ガラスのガラス原料を溶解槽１０の内部に投入し、溶解槽１０に第２溶融ガラスを溜める。第２溶融ガラスの液面レベルが予め設定された高さに達すると、ステップＳ２４が行われる。ステップＳ２４では、冷却器３０への冷媒供給を停止する。続いて、ステップＳ２５では、電極２０を上方に差し込む。電極２０の有効長さＬが元の長さに戻される。
　次に、ステップＳ２６では、冷却器３０への冷媒供給を再開する。最後に、ステップＳ２７では、電極２０への電力供給を再開し、電極２０によって第２溶融ガラスを通電加熱する。その後、ガラスの製造を再開する。
　本実施形態によれば、上記の通り、電極２０の周囲に、デンスジルコン焼成レンガが配置される。それゆえ、冷却器３０への冷媒供給を停止したり再開したりすることによって、電極２０の周囲で大きな温度変化が生じても、内部に発生する応力を低減できる。
　また、本実施形態によれば、溶融ガラスＧに接触する表層１５を形成する第１レンガ１６として、電鋳レンガが用いられる。電鋳レンガは、デンスジルコン焼成レンガよりも、溶融ガラスＧに対する耐食性に優れている。それゆえ、溶融ガラスＧに対する溶解槽１０の底壁１１の耐食性を向上できる。
　以上、本開示に係るガラス溶解装置、ガラスの製造方法、及び溶融ガラスの素地替え方法について説明したが、本開示は上記実施形態等に限定されない。特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更、修正、置換、付加、削除、及び組み合わせが可能である。それらについても当然に本開示の技術的範囲に属する。
　本出願は、２０２０年１０月８日に日本国特許庁に出願した特願２０２０－１７０７５６号に基づく優先権を主張するものであり、特願２０２０－１７０７５６号の全内容を本出願に援用する。
２　　ガラス溶解装置
１０　溶解槽
１１　底壁
１２　貫通穴
１５　表層
１６　第１レンガ
１７　第２レンガ
２０　電極
３０　冷却器

Claims (9)

  1. 　溶融ガラスを溜める溶解槽と、
    　前記溶解槽の底壁の貫通穴を通り、前記底壁の上方に突出し、前記溶融ガラスを通電加熱する電極と、
    　前記底壁の前記貫通穴にて前記電極を囲む冷却器と、を備え、
    　前記溶解槽の前記底壁は、前記溶融ガラスに接触する表層を形成する第１レンガと、前記表層の前記貫通穴にて前記電極と前記冷却器を囲む第２レンガとを含み、
    　前記第１レンガは、前記第２レンガよりも耐食性に優れ、
    　前記第２レンガは、１０００℃～１２００℃の温度域において、可逆的な変態が生じない、ガラス溶解装置。
  2. 　前記第１レンガは、電鋳レンガであり、
    　前記第２レンガは、デンスジルコン焼成レンガである、請求項１に記載のガラス溶解装置。
  3. 　前記第１レンガは、ジルコニア質電鋳レンガである、請求項１又は２に記載のガラス溶解装置。
  4. 　前記溶解槽の前記底壁は、前記第２レンガの上面の少なくとも一部を覆う第３レンガを更に含み、
    　前記第３レンガは、電鋳レンガである、請求項１～３のいずれか１項に記載のガラス溶解装置。
  5. 　上方視にて、前記第３レンガは、前記第２レンガよりも、前記電極から離れて配置される、請求項４に記載のガラス溶解装置。
  6. 　前記溶解槽の前記底壁は、前記表層の上面に段差面を形成する溝を含み、
    　前記溝の側面が前記段差面であり、前記溝の底面に前記貫通穴が形成され、
    　前記第２レンガは、前記溝の前記底面よりも上方に突出しており、
    　前記第３レンガは、前記溝に嵌め込まれる嵌め込み部と、前記第２レンガの上面を押さえる押さえ部とを含む、請求項４又は５に記載のガラス溶解装置。
  7. 　上方視にて、前記溝の内部で、矩形状の２枚の前記第３レンガと、Ｔ字状の２枚の前記第３レンガとが噛み合わされている、請求項６に記載のガラス溶解装置。
  8. 　請求項１～７のいずれか１項に記載のガラス溶解装置を用いて、前記溶融ガラスのガラス原料を溶解することと、
    　前記溶解した前記溶融ガラスを成形することと、
    　前記成形したガラスを徐冷することと、
    　を含む、ガラスの製造方法。
  9. 　請求項１～７のいずれか１項に記載のガラス溶解装置で得られる溶融ガラスの素地替え方法であって、
    　前記溶解槽に溜めた前記溶融ガラスを前記溶解槽の外部に排出し、前記溶解槽に溜めた前記溶融ガラスの液面レベルを低下させることと、
    　前記溶融ガラスとは異なる第２溶融ガラスのガラス原料を前記溶解槽の内部に投入し、前記溶解槽に前記第２溶融ガラスを溜めることと、
    　前記第２溶融ガラスの液面レベルが予め設定された高さに達すると、前記冷却器への冷媒供給を停止し、前記電極を上方に差し込むことと、
    　を含む、溶融ガラスの素地替え方法。
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