JP2002508295A - ガラス溶融窯の屋根取付け形酸素バーナ及び酸素バーナの使用方法 - Google Patents

ガラス溶融窯の屋根取付け形酸素バーナ及び酸素バーナの使用方法

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Abstract

(57)【要約】 本発明によれば、屋根（22）内に設けられたバーナブロック（38）の中に収納されている少なくとも１つの酸素バーナ（34）を用いてガラス生成原料（30）から精製ガラスを生産する耐火物内張りガラス溶融窯（10）及びバーナ（34）の使用方法が提供される。酸素バーナ（34）からの気体燃料の速度及び酸素の速度を制御して、気体燃料の速度及び酸素の速度が、ガラス生成原料（30）の頂面の近傍で燃焼を起こしてガラス生成原料（30）の頂面に当たる火炎を生じさせる全体として層状の気体燃料と酸素から成る流れをもたらすよう実質的に等しくなるようにし、かかる火炎は、柱の形をした中間部分を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 〔発明の分野〕 本発明は、屋根内にガラス形成原料（これは「バッチ」とも呼ばれる）を溶融
する少なくとも一つの酸素バーナが設けられたガラス溶融窯及び酸素バーナの使
用方法に関する。特に、本発明は、蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器を用いな
いでガラス形成原料を溶融し、それにより溶融速度及びガラス製品の品質を向上
させる少なくとも一つの酸素バーナを屋根内に有するガラス溶融窯及び酸素バー
ナの使用方法に関する。
【０００２】 〔発明の背景〕 ガラスを製造するために一般に溶融部及び清澄部を有する熱交換形又は復熱形
の窯又は炉が用いられている。熱交換形又は復熱形窯は、他形式の窯とは異なり
、空気バーナ（air-fuel burner ）の動作にあたって少なくとも一つの蓄熱式熱
交換器又は伝熱式熱交換器を用いている。少なくとも一つの蓄熱式熱交換器又は
伝熱式熱交換器（これは、多種多様な形状及び寸法のものがある）は、空気バー
ナに用いられる空気を予熱するのに役立つ。伝熱式熱交換器では、予熱は一般に
、溶融室からの流出廃ガス中の熱を碁盤目状に積み重ねられた耐火レンガに伝え
ることにより達成される。次に、耐火レンガは、熱を燃料の燃焼に用いられるこ
とになる流入空気に渡す。通常、伝熱式熱交換器は、主要構成要素として二重壁
管を有し、かかる装置では、溶融室からの排ガスがアニュラス部を通って流れて
いる空気に対して向流又は並流状態で中央の管内を流れる。しかしながら、蓄熱
式熱交換器又は伝熱式熱交換器の性能は、経時的に劣化する場合がある。という
のは、蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器は、長期間にわたって廃ガスを含有し
た化学汚染要因物の作用を受けると部分的に詰まったり又は壊れることがあるか
らである。部分的に詰まりを生じた状態又は壊れた状態の蓄熱式熱交換器又は伝
熱式熱交換器は、空気バーナの性能を低下させ、それによりガラス生産量及び燃
料効率を低下させる。
【０００３】 したがって、多くの窯では、空気バーナを補完するために又は空気バーナを全
て置き換えて酸素バーナ（oxygen-fuel burner）を用いることが知られている。
酸素バーナは、従来型空気バーナの火炎及び熱伝達特性とほぼ等しい火炎及び熱
伝達特性を生じるよう設計されている。具体的に説明すると、酸素バーナは、ガ
ラス表面に平行に又は実質的に平行に火炎を放出するよう設計されている。これ
ら酸素バーナは、熱をガラスだけでなく、窯頂部及びその周囲の耐火物中へも上
方に伝達する。熱伝達は、火炎からの直接的な熱放射及びガラス溶融窯の耐火性
上部構造体からの再放射によって達成される。対流又は伝導によりガラスに伝達
される熱は殆ど無い。ガラス溶融窯の性能又は容量は、溶融室内の最も高い耐火
物温度によって制約される。したがって、酸素バーナの使用にあたっての一つの
関心は、酸素バーナの高温と関連した危険及びガラス溶融窯の耐火性屋根及び壁
の過熱にどのように対処するかである。
【０００４】 本発明は、耐火物温度を動作限度内に維持した状態でガラス中への熱伝達量を
著しく増大するために酸素による燃料の燃焼で達成できる高い火炎温度及び低い
質量流量を利用している。これを達成するため、従来型の火炎平行放出方式では
なく、ガラス表面に垂直に又は実質的に垂直に火炎を放出する少なくとも一つの
酸素バーナを利用する。バーナをガラス表面に垂直に向けることにより、放射に
よる熱伝達だけでなく、火炎の対流及び放射特性を利用してエネルギをガラス形
成原料に伝える。したがって、火炎の発光及び高温部分は、ガラス形成原料に密
接して又はもしそうでなければこれに直に接触して配置される。放射は熱源から
の距離の指数関数なので、放射による熱伝達量は、従来型のガラス溶融窯よりも
本発明のガラス溶融窯のほうが非常に多い。加うるに、高温の火炎がガラス形成
原料に当たることにより、火炎の衝突領域での対流による熱伝達量が実質的に増
える。その結果、ガラス及びバッチへの熱伝達量の増加の結果として、ガラスの
溶融及び清澄速度が実質的に非常に増大する。さらに、熱伝達の大部分が耐火物
からではなく高温の衝炎から直接得られるので、ガラス溶融窯の溶融性能が増大
し、この場合、耐火物の熱による劣化が生じない。
【０００５】 したがって、本発明の目的は、ガラス溶融窯の屋根及び壁を過熱させる恐れを
大きくしないでガラス溶融窯の溶融性能を高めることにある。本発明の別の目的
は、蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器を用いないで特定のガラス生産速度を維
持することにある。本発明の別の目的は、ガラス溶融中のＮＯｘの生成量を減少
させることにある。本発明の更に別の目的は、従来型空気バーナ利用ガラス溶融
窯又はれは利用ガラス溶融窯と比べて所与の容量当たりのガラス溶融窯サイズを
小さくすることにある。本発明の更に別の目的は、従来型空気バーナ利用ガラス
溶融窯と比べて溶融ガラス１トン当たりの全所要エネルギを減少させることにあ
る。本発明の別の目的は、性能を一層活用すると共に作動の融通性を一層もたせ
ることができ、それにより生産されたガラスの１トンあたりのガラス溶融装置の
資本費を減少させるガラス溶融装置を提供することにある。
【０００６】 〔発明の概要〕 概要を述べると、本発明によれば、ガラス形成原料から精製ガラスを生産する
耐火物内張りガラス溶融装置が提供される。ガラス溶融装置は、側壁により底部
に連結されていて、溶融部と清澄部との間にチャネルを構成する屋根と、ガラス
溶融装置の屋根中に設けられたバーナブロック内に引っ込んで取り付けられた少
なくとも一つの酸素バーナとを有する。酸素バーナは、ガス状燃料を提供する内
側の中央円筒形ガス状燃料導管及び該中央燃料出口と同心であって、酸素を提供
する外側の円筒形酸素導管を有する。酸素バーナは、酸素バーナからのガス状燃
料及び酸素の速度を制御し、ガス状燃料の速度と酸素の速度が実質的に等しくな
るようにして全体として層状のガス状燃料流と全体として層状の酸素流を生じさ
せ、ガラス形成原料の頂面の近くで燃焼させてほぼ柱状の形をした中間部分を有
する火炎を生じさせ、該火炎がガラス形成原料の表面に当たるようにするよう設
計されている。
【０００７】 本発明は又、蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器を用いないで耐火物内張りガ
ラス溶融装置でガラス形成原料から精製ガラスを生産する方法を提供する。この
方法は、ガラス形成原料をガラス溶融装置に投入する工程と、ガラス溶融装置の
屋根中に設けられているバーナブロック内に引っ込んで取り付けられていて、ガ
ス状燃料を提供する内側の中央円筒形ガス状燃料導管及び該中央燃料出口と同心
であって、酸素を提供する外側の円筒形酸素導管を有する少なくとも一つの酸素
バーナを準備する工程とを有する。酸素バーナからのガス状燃料及び酸素の速度
を制御し、ガス状燃料の速度と酸素の速度が実質的に等しくなるようにして全体
として層状のガス状燃料流と全体として層状の酸素流を生じさせ、ガラス形成原
料の頂面の近くで燃焼させてほぼ柱状の形をした中間部分を有する火炎を生じさ
せ、該火炎がガラス形成原料の表面に当たるようにする。蓄熱式熱交換器又は伝
熱式熱交換器を用いないで少なくとも一つの酸素バーナからの火炎で覆うことよ
り火炎はガラス形成原料を溶融部内で溶融する。次に、精製されたガラスを清澄
部から引き出す。
【０００８】 本発明の別の特徴及び他の目的並びに利点は、図面を参照して行われる以下の
詳細な説明から明らかになろう。
【０００９】 〔好ましい実施形態の詳細な説明〕 図面を参照すると、溶融ガラスをガラスフォアハース１２に供給するガラス溶
融窯１０が示されており、かかる溶融窯内では、溶融ガラスが一段と精製され、
次に１又は２以上のガラス製造機器、例えば容器、繊維化装置等（図示せず）に
送られる。図面を検討すると、分かりやすくするために、或る特定の構造上の細
部は、従来型のものであって、本発明を開示して説明すれば、これらは当業者の
通常の知識に属するものであることを考えて図示していないことは理解されよう
。
【００１０】 ガラス溶融窯１０は代表的には、上流側端壁１４、下流側端壁１６、側壁１８
、フロア又は底部２０及び屋根２２を有し、これらは全て、適当な耐火物、例え
ばアルミナ、シリカ、アルミナ−シリカ、ジルコン、ジルコニア−アルミナ−シ
リカ等で作られている。屋根２２は全体として、チャネルの長手方向軸線に対し
横方向の弧状の形をしたものとして図示されているが、屋根は大抵の任意適当な
設計のものであってよい。ガラス溶融窯１０の屋根２２は、ガラス形成原料より
も約３〜１０フィート（約０．９〜３．０ｍ）上のところに位置している。当該
技術分野では周知のように、ガラス溶融窯１０は、一以上の気泡発生装置２４及
び／又は電気ブースト電極を有するのがよいが、これらを設けるかどうかは任意
である。気泡発生装置及び／又は電気ブースト電極は、バルクガラスの温度を上
昇させてバッチカバーの下の溶融ガラスの循環量を増加させる。
【００１１】 ガラス溶融窯１０は、２つの連続した部分、即ち溶融部２６及びこの下流側の
清澄部２８を有している。溶融部２６は、ガラス溶融窯１０の上流側区分として
考えられ、かかる区分において、ガラス形成原料３０が当該技術分野では周知の
タイプの投入装置３２を用いて窯内へ投入される。ガラス形成原料３０は、ガラ
スの製造に通常用いられる原料の混合物であるのがよい。ガラス形成原料３０の
補給量は、製造対象のガラスのタイプで決まることは理解されよう。通常、かか
るガラス形成原料はとりわけ、カレットと通称されている微粉砕したスクラップ
ガラスを含むシリカ含有材料から成る。他のガラス形成原料も使用することがで
き、かかる原料としては、長石、石灰石、ドロマイト、ソーダ灰、ポッタース、
硼砂及びアルミナが挙げられる。ガラスの性質を変えるために、微量の砒素、ア
ンチモン、スルフェート、炭素及び／又は弗化物（フルオリド）も添加される場
合がある。さらに、所望の色を得るために、発色金属酸化物を添加する場合があ
る。
【００１２】 ガラス形成原料３０は、ガラス溶融窯１０の溶融部２６内の溶融ガラスの表面
上に固体粒子から成るバッチ層を形成する。浮遊状態のガラス形成原料３０から
なる固体バッチ粒子は、ガラス溶融窯１０の屋根２２内に設けられている制御さ
れた衝炎形状及び長さの少なくとも一つの酸素バーナ３４によって大部分が溶融
される。少なくとも一つの酸素バーナ３４を本発明に従ってガラス形成原料３０
上でガラス溶融窯１０の屋根２２内に据え付けることにより、固体ガラス形成原
料の溶融速度が増大すると同時にその周りの耐火物の動作温度が動作上の許容限
度内に保たれる。
【００１３】 本明細書で用いる「少なくとも一つの酸素バーナ」という用語は、１又は２以
上の酸素バーナを意味している。さらに、本明細書で用いる「少なくとも一つの
酸素バーナによって大部分が」という用語は、ガラス形成原料を溶融するための
エネルギのうち少なくとも７０％が少なくとも一つの酸素バーナから得られるこ
とを意味している。
【００１４】 特定の一実施形態では、図１、図２及び図４に示すように、ガラス溶融窯１０
は、３つの酸素バーナ３４を有している。単一の酸素バーナ３４が、２つの互い
に隣接して設けられた下流側の酸素バーナの上流側に設けられている。しかしな
がら、ガラス形成原料３０を溶融させるために任意の数の酸素バーナ３４を窯１
０の屋根２２内のほぼ任意適当な位置に設けてもよいことは理解されよう。例え
ば、２つの酸素バーナ３４を並置関係で設けてもよく（図３）、或いは単一の酸
素バーナを用いてもよい（図４）。それにもかかわらず、本発明によれば、ガラ
ス溶融窯の屋根２２内における各酸素バーナ３４の角度の向きは、生じた火炎３
６がガラスバッチ表面に実質的に垂直に差し向けられてガラス表面に衝突する火
炎を生じさせるようなものでなければならない。好ましい実施形態では、酸素バ
ーナ３４は、ガラス形成原料３０に対し約９０±１０°の角度をなして設けられ
ている。衝炎形状及び長さを有する本発明の少なくとも一つの下向き発射形酸素
バーナ３４でガラス形成原料３０を溶融すればガラス生産速度及び製造されるガ
ラスの品質が向上することが判明した。
【００１５】 図５を参照すると、ガラス溶融窯１０の屋根２２内の少なくとも一つの酸素バ
ーナ３４は、ガス状燃料を供給する内側の中央円筒形ガス状燃料導管４０及び中
央燃料出口と同心状に設けられていて、酸素の流れを供給する外側の円筒形酸素
導管４２を有している。酸素バーナ３４は、ガラス溶融窯１０のサイズ及び所望
の引上げ速度に応じて約１〜１０ＭＭ・Ｂｔｕ／ｈの範囲にわたる容量を有する
のがよい。酸素バーナ３４は、空気中に存在する酸素の割合よりも高い割合の酸
素を用いるよう設計されており、かくして酸素バーナ３４からの火炎３６の衝炎
領域上の温度は、空気バーナを利用した従来型ガラス溶融窯の場合よりも実質的
に高い。それにもかかわらず、当業者には周知のように、酸素バーナ３４によっ
て得られる火炎３６の温度は、燃料の品質及び酸素と燃料の比で決まる。好まし
い実施形態では、酸素バーナ３４の酸素濃度は代表的には、燃料を燃焼させるの
に必要な酸素の理論量の約９５〜１２５％のレベルにある。しかしながら、ガラ
ス溶融窯１０内にある範囲の動作条件を生じさせて例えばレドックス（redox ）
レベル、シード（seed）レベル及び／又は大抵の任意他のガラス性質を含む１又
は２以上の所望の性質を得るために酸素に対する燃料の比を変えるのがよい。
【００１６】 酸素バーナ３４は、ガラス溶融窯１０の屋根２２内に設けられたバーナブロッ
クから下方に延びている。各バーナブロック３８は、円筒形酸素導管４２の外径
と少なくともほぼ同じ大きさの内径（ｉd）を備える開口部を有している。バー ナブロック３８の開口部の内径（ｉd）は約２〜８インチ（約５．０８〜２０． ３２cm）の範囲内にあるのがよい。酸素バーナ３４の端部は、バーナブロック３
８の端部から約３〜１８インチ（約７．６２〜４５．７２cm）の距離（ＬBb）引
っ込んでいる。酸素バーナ３４の端部とバーナブロックの端部との間に位置した
バーナブロック３８の開口部は、バーナ火炎を合焦させてバーナの火炎が外方に
広がらないようにするよう働くことは理解されよう。バーナブロック３８は、当
該技術分野で周知のように耐火物で作られており、大抵の任意適当な形状、例え
ば矩形等のものであるのがよい。
【００１７】 バーナブロック３８の底面は、屋根２２の内面と面一をなすのがよく、或いは
底面は屋根の内面から２〜１８インチ（約５．０８〜４５．７２cm）下に突出す
るのがよく、それにより屋根が保護されると共にガラス形成原料への衝炎の際に
制御された火炎速度を有する衝炎パターンの生成が促進される。さらに、図５に
示すように、酸素バーナ３４の燃料導管４０及び酸素導管４２は、バーナブロッ
ク３８内を下方に延び、ガラス形成原料３０の表面から実質的に同一の垂直方向
高さ位置で終わっている。
【００１８】 本発明によれば、少なくとも一つの酸素バーナ３４によって得られる下向きの
衝炎３６は、熱エネルギを原料成分３０及び溶融ガラスの表面に向かって差し向
けると共にその周りの耐火物から遠ざけるよう差し向け、それによりガラス溶融
窯１０の屋根２２及び側壁１８が過熱する恐れを減少させるよう正確に制御され
る。衝炎３６は、化学的方法で従来標準的に用いられているような制御装置によ
って制御することができる。例えば、弁、熱電対、適当なサーボ回路と結合され
たサーミスタ、ヒータ制御装置等が容易に入手でき、そして酸素バーナ３４から
の燃料及び酸素の量及び速度を制御するために従来通り使用される。ガラス溶融
窯１０内で結果的に得られる温度分布は、空気バーナを用いるガラス溶融窯又は
側壁内に設けられていて、ガラスの表面に平行に火炎を放出する酸素バーナを備
える従来型酸素・燃料窯とは対照的に、ガラス溶融窯の長さ全体にわたって全体
としていっそう一様である。代表的には、少なくとも一つの酸素バーナ３４を用
いるガラス溶融窯１０内の温度は、約２３００OF〜３１００OF（約１２６０℃〜
１７０４℃）の範囲にある。衝炎３６は、少なくとも一つの酸素バーナ３４から
の燃料及び酸素の相対速度と最大及び最小速度の両方を制御することによって正
確に制御される。
【００１９】 相対速度、即ちガス状燃料の速度と酸素の速度は、ガラス形成原料３０の表面
に向かって下向きの全体として層状のガス状燃料の流れと全体として層状の酸素
の流れをもたらすよう互いに実質的に等しいものでなければならない。好ましい
実施形態では、酸素バーナ３４からのガス状燃料と酸素の相対速度の偏差は、約
２０％以下であるのがよい。さらに、酸素バーナ３４の出口のところにおける酸
素の流速と燃料の流速の最大差は、約５０標準フィート/sを越えないものである
。理解されるように、層状の燃料流と酸素流は、燃料と酸素の時期尚早な混合を
防止してガラス形成原料３０の頂面の近くでの混合及び燃焼を遅らせることがで
き、それにより適当な柱状の形をした中間部分を有し、ガラス形成原料の表面に
当たる火炎３６を生じさせ、それによりガラス形成原料への最適な熱伝達を行わ
せる。「中間部分」という用語は、本明細書にさらに説明するように自由ジェッ
ト領域５４を意味している。
【００２０】 実質的に等しい酸素流速と燃料流速が得られるようにすることに加えて、ガラ
ス形成原料３０の表面に衝突する燃料と酸素の流れの最大及び最小速度を制御し
てガラス形成原料の表面への最適な対流による熱伝達を維持しながら、ガラスバ
ッチ材料の同伴又は側壁１８及び屋根２２へのガラスバッチ材料の跳ねかけを防
止する必要がある。側壁１８及び屋根２２に対するガラスバッチ材料の跳ねかけ
は、耐火物に悪影響を及ぼし、場合によってはガラス溶融窯１０の動作寿命を短
くすることは理解されよう。
【００２１】 酸素バーナ３４の燃料の最大及び最小速度並びに酸素の最大速度及び最小速度
もまた、周囲の耐火物を損傷させないで衝炎３６からの最大エネルギを利用する
よう制御される。衝炎３６からの最大エネルギは、ガラス溶融窯１０の燃焼空間
に放出される熱の量を最小限に抑えると共にガラス形成原料３０への熱伝達の量
を最大にすることによって達成される。酸素バーナ３４が耐火物で作られた溶融
窯の壁及び上部構造体を損傷させないでガラス形成原料３０への許容限度内の熱
伝達速度を生じさせるための最大及び最小動作速度範囲は、酸素バーナの同心状
チューブインチューブ（tube-in-tube）設計、バーナブロック開口部の幾何学的
形状及び酸素バーナ３４からの燃料及び酸素の速度の関数である。
【００２２】 図６を参照すると、上動作曲線４４及び下動作曲線４６を含むグラフが示され
ている。グラフのｘ軸は、無次元パラメータ（Ｈ／ｉd）を表し、グラフのｙ軸 は、バーナブロックの先端のところにおける最大火炎速度（ＶBb）を表している
。上動作曲線４４及び下動作曲線４６は、（Ｈ／ｉd）が所与の場合におけるバ ーナブロック３８の先端部のところの最大及び最小許容速度（ＶBb）を表してい
て、３つの動作域、即ち上動作域４８、中間動作域５０及び下動作域５２を定め
ている。上動作域４８は、過剰高速又は危険動作域を表し、下動作域５２は、熱
効率不良域を表している。中間動作域５０は、本発明の酸素バーナ３４の許容動
作領域を定めている。図６に示すように、（Ｈ／ｉd）パラメータの範囲は、約 ６〜３０であり、バーナブロックの先端部のところにおける最大許容速度（ＶBb ）は、５５０フィート/sである。中間動作域５０は、火炎３６の所要の柱状形状
をもたらすと共にガラス形成原料３０への所望の熱伝達特性をもたらすことは理
解されよう。
【００２３】 酸素バーナ３４についての上動作曲線４４及び下動作曲線４６は、４次線形多
項式によって説明できる。
【００２４】 ＶBb＝ａ＋ｂ（Ｈ／ｉd）＋ｃ（Ｈ／ｉd）2 ＋ｄ（Ｈ／ｉd）3＋ｅ（Ｈ／ｉd）4 ・・・Ｉ 上式において、ＶBbは、バーナブロックの端のところでの最大速度（フィート/s
）、Ｈは、バーナブロックの端からガラス形成原料の頂面までの距離、ｉdは、 バーナブロックの開口部の内径、である。
【００２５】 図６に示すような上動作曲線４４の場合、比Ｈ／ｉdは、約６〜２０であり、 ＶBbの範囲は、約１９０〜５５０フィート/sであり、係数の値は次の通りである
。即ち、ａ＝５７１．０８０１、ｂ＝−１８７．２９５７、ｃ＝３０．１１６４
、ｄ＝−１．８１９８、ｅ＝０．０４である。図６に示すような下動作曲線４６
の場合、比Ｈ／ｉdは、約６〜３０であり、ＶBbの範囲は、約５０〜３００フィ ート/sであり、係数の値は次の通りである。即ち、ａ＝−１０３．６１１１、ｂ
＝３８．９９３９、ｃ＝−２．８７７２、ｄ＝０．１０３３、ｅ＝−０．００１
２５である。上述の特定の（Ｈ）及び（ｉd）の場合、（Ｈ／ｉd）パラメータは
、ガラス形成原料３０を溶融させるのに必要な衝炎３６の柱状形状及び所望の熱
伝達特性をもたらすために上動作曲線４４と下動作曲線４６との間に位置しなけ
ればならないバーナブロックの先端部のところにおける酸素バーナ３４の最大速
度（ＶBb）（グラフのｙ軸）を定める集合（グラフのｘ軸）である。
【００２６】 図５を参照すると、本発明によれば、図６の中間動作位置５０内で動作する時
の衝炎３６の柱状形状が示されている。衝炎３６は、３つの別々の流れ領域、即
ち自由ジェット領域５４、淀み領域５６及び壁ジェット領域５８を有する軸対称
の柱状火炎である。
【００２７】 自由ジェット領域５４は、障害物のない衝炎領域である。自由ジェット領域５
４内では、火炎３６は柱状の形状となり、その後ガラス形成原料３０の表面に当
たる。柱状火炎形状は、酸素流と燃料流の制御された出口速度の結果として生じ
る。具体的に説明すると、自由ジェット領域５４内では、酸素流と燃料流はバー
ナブロック３８の開口部から流出して２つの流れの間に制御された剪断応力を生
じさせ、この剪断応力は、２つの流れの正確に制御された混合及び制御された部
分燃焼を行うよう長い距離にわたって制御された層状の流れを生じさせる。自由
ジェット領域５４内で得られる制御された部分燃焼は、生じる火炎３６の熱伝達
特性にとって重要である。柱状の自由ジェット火炎形状は、バーナブロック３８
の端部とガラス形成原料３０の表面との間の距離の半分Ｈ／２のところで火炎直
径Ｄ２を有しており、これは以下の関係式で定まる。
【００２８】 1.5ｉd≦Ｄ２≦ｉd＋0.15Ｈ ・・・II 上式において、ｉd＝バーナブロックの開口部の内径、Ｈ＝バーナブロックの端 からガラス形成原料の頂面までの距離、Ｄ２＝バーナブロックの端とガラス形成
原料の頂面との間の距離の1/2のところにおける火炎直径である。
【００２９】 第２の領域、即ち淀み領域５６は、火炎３６が熱境界層を貫通してガラス形成
原料３０の表面に衝突する領域である。この領域５６内では、火炎３６は熱境界
層を貫通してガラス形成原料の表面に当たり、その表面のところに、偏向火炎の
水平方向流れを加速して火炎が衝突面に沿って半径方向外方に広がるようにする
急な圧力勾配を生じさせる。淀み領域５６の端は、火炎３６によって生じる圧力
勾配がゼロまで下がるガラス形成原料の表面上の位置として定義される。淀み領
域５６内では、火炎３６の運動量を注意深く制御することにより、ガラス形成原
料３０の表面のところに自然に存在する熱境界層が貫かれて無くなり、かくして
その強い熱抵抗特性が減衰される。したがって、衝炎３６により生じる熱は、部
分的に溶融状態のガラス形成原料３０内へ一層容易に侵入する。さらに、淀み領
域５６内では、火炎３６の明るさは、著しく増し、これにより比較的低温のガラ
ス形成原料３０内への放射による熱伝達が促進される。
【００３０】 淀み領域５６の半径方向限度のところで壁ジェット領域５８が始まる。この領
域では、火炎３６は、衝突面に対して本質的に平行に流れ、熱境界層は衝突面に
沿って且つ淀み領域５６から外方に成長し、かくして熱境界層は大きくなり始め
てガラス形成原料の表面への熱の流れに対する表面抵抗を回復する。
【００３１】 自由ジェット領域５４内での制御された火炎による熱の発生は、酸素バーナ３
４のチューブインチューブ同心設計、バーナブロック３８の開口部の内径（ｉd ）及び酸素流及び燃料流の相対速度と最大及び最小速度の結果である。酸素バー
ナ３４の設計、バーナブロック３８の幾何学的設計及び酸素流及び燃料流の速度
を選択的に制御することにより、酸素流とガス流との間の剪断応力が減少し、そ
れにより制御された部分燃焼が可能になると共に熱放射による放出物が減少する
。酸素バーナ３４を上述の中間動作位置５０内で動作させることにより、自由ジ
ェット領域５４内で生じた火炎による熱及び淀み領域５６内におけるガラス形成
原料の表面のところでの伝熱抵抗は最小限に抑えられ、それにより淀み領域内に
おける熱の発生量が最大になる。
【００３２】 自由ジェット領域５４内で生じる熱は、以下のプロセスの結果である。第一に
、自由ジェット領域５４内の制御された部分燃焼により、ガラス形成原料３０の
表面のところでの制御された燃焼が可能になり、それによりガラス形成原料の表
面の近くで燃焼プロセスが生じる。燃焼プロセスをガラス形成原料３０の表面の
近くで生じさせることにより、ガラス形成原料の表面のところで生じる温度勾配
が大きくなり、それにより対流による熱伝達が向上する。第二に、自由ジェット
領域５４内における制御された部分燃焼により、燃焼ガス及び燃焼生成物の化学
的解離にとって許容レベルの温度が得られる。これら解離した化学種は、ガラス
形成原料３０の比較的温度の低い表面上にいったん当たると、発熱を伴なって部
分的に再燃焼し、ガラス形成原料の表面のところに相当多くの熱を生じさせる。
発熱反応からの熱は、対流による熱伝達プロセスを更に促進する。
【００３３】 ガラス形成原料３０の表面の淀み領域５６のところでの熱抵抗の最小化は、以
下の要因の結果である。第一に、熱境界層は、火炎３６の制御される運動量及び
ガラス形成原料３０の表面のところでの注意深く制御された燃焼特性によって生
じる乱流により無くなる。第二に、局部表面発熱は、熱伝導作用が著しく良好な
溶融ガラス材料への熱伝導が低いガラス形成原料３０の変換を可能にする。この
変換により、表面のところに生じた熱はガラス形成原料中の深いところまで一層
効率的に侵入する。この熱侵入度の向上により、溶融ガラスの表面温度が下がり
、それにより火炎３６と溶融ガラス表面との間の温度勾配が大きくなり、対流に
よる熱伝達プロセスが促進される。
【００３４】 溶融ガラスは、ガラス溶融窯１０の溶融部２６から清澄部２８に流れる。好ま
しい実施形態では、清澄部２８は、ガラス溶融窯１０の屋根２２内に設けられた
少なくとも一つの下流側酸素バーナ３４を有している。下流側酸素バーナ３４は
、上述したのと同一設計のものであり、衝炎の所望の正味の効果を達成するため
にばらつきが管理された同一条件のもとで動作する必要がある。例えば、溶融特
性に影響を及ぼすために衝炎３６を調節して一層明るくするのがよい。下流側酸
素バーナ３４は、通常の対流による流れが上昇する傾向のある位置、例えばガラ
ス溶融窯の長さの2/3〜3/4のところに下方に火炎を放出するよう位置決めされて
いる。
【００３５】 理解されるように、少なくとも一つの酸素バーナ３４は、表面欠陥、例えば反
応が不完全なガラス形成原料又は混合が不十分な表面材料を除去し、ガラス表面
温度を実質的に上昇させて溶融及び混合を促進することにより形成領域中へ前方
に移動しているガラスの品質を向上させることが判明した。さらに、少なくとも
一つの下流側酸素バーナ３４は、材料の前方への流れに対する障害物となり、溶
融ガラス内での自然な対流による流れを促進して高温のガラスがガラス形成原料
の下で後方に流れるようにし、それにより溶融ガラスの前向きのサージの発生を
阻止し、溶融効果を高め、そして清澄部内でのガラス温度を高くすることができ
る。前方に移動しているガラスも又、高温であり、これにより清澄が一層迅速に
なると共に前方領域中での燃料消費量が減少する。加うるに、フォーム層が下流
側ガラス表面上に存在するのが通例であるガラス溶融窯の場合、下流側の酸素バ
ーナ３４はフォームを減少させることが判明した。フォームを減少させることに
より、ガラス材料中への熱伝達量が増大し、それによりガラス溶融窯１０で必要
な熱エネルギ（本発明の酸素バーナを用いない場合の所要熱エネルギ）が減少し
、ガラス溶融窯の動作効率が向上することは理解されよう。
【００３６】 少なくとも一つの屋根取付け形酸素バーナ３４は、新たに建造されるガラス溶
融窯１０内に設置され又は既存のガラス溶融窯中にレトロフィットされ、それに
よりプラントスペースを実質的に減少させて空気バーナ利用窯又は「従来型」側
部燃焼式酸素バーナ利用窯の場合と比較してガラス品質を向上させることができ
る。本発明は、実質的な引き上げ速度の増大、ガラス溶融窯１０の壁温度の減少
、本明細書に記載したのと同種類の空気バーナ利用窯又は少なくとも一つの屋根
取付け形酸素バーナをレトロフィットできない従来型酸素バーナ利用窯と比較し
てガラス品質の向上を容易にすることは理解されよう。さらに、当業者であれば
容易に理解されるように、少なくとも一つの酸素バーナを利用することにより、
全てが空気バーナのシステムとは対照的に、ＮＯｘの放出量が相当減る。
【００３７】 本明細書に記載した特許文献の内容は、本明細書の一部を構成するものとして
ここに援用する。
【００３８】 本発明を特定の実施形態により詳細に説明したが、当業者であれば請求の範囲
に記載された本発明の精神及び範囲内で他の実施形態を想到できよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるガラス溶融窯の縦断面図である。
【図２】 図１のガラス溶融窯の２−２線矢視断面平面図てある。
【図３】 図１のガラス溶融窯の３−３線矢視断面図であり、ガラス溶融窯の上流側端壁
に隣接して設けられた２つの酸素バーナを示す図である。
【図４】 図１のガラス溶融窯の３−３線矢視断面図であり、ガラス溶融窯の上流側端壁
に隣接して設けられた１つの酸素バーナを示す図である。
【図５】 酸素バーナからのバーナ火炎の略図を含む酸素バーナの断面図である。
【図６】 本発明による酸素バーナについての上動作曲線と下動作曲線を示すグラフ図で
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ， ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，Ｌ Ｔ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ， ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，Ｕ Ａ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 レブランク ジョン アール アメリカ合衆国 オハイオ州 43551 ペ リーズバーグ サンダルウッド ロード ウェスト 886 (72)発明者 アルチャラビー リファット エム カー リル アメリカ合衆国 ニュージャージー州 07023 ファンウッド チトウッド テラ ス 93 (72)発明者 ベイカー ディヴィッド ジェイ アメリカ合衆国 オハイオ州 43055 ニ ューアーク ゴールデン ドライヴ 770 (72)発明者 アダムス ハリー ピー アメリカ合衆国 オハイオ州 43023 グ ランヴィル ランベリス ドライヴ 215 (72)発明者 ヘイワード ジェームズ ケイ アメリカ合衆国 オハイオ州 43055 ニ ューアーク ストーンウォール ドライヴ 1700 Ｆターム(参考） 3K023 JA01 4G014 AF00 4K045 AA03 BA08 RA11 RB13 RB14 4K063 AA04 AA13 BA06 CA03 DA06 DA14 DA32

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器を用いないで耐火物内張
    りガラス溶融装置でガラス形成原料から精製ガラスを生産する方法であって、 ガラス溶融装置が、側壁により底部に連結されると共にこれらの間に溶融部及
    びその下流側の清澄部を有する細長いチャネルを構成した屋根を有しており、 前記方法は、 ガラス形成原料をガラス溶融装置に投入する工程と、 ガラス溶融装置の屋根中に設けられているバーナブロック内に引っ込んで取り
    付けられている少なくとも一つの酸素バーナを準備する工程とを有し、 酸素バーナは、ガス状燃料を提供する内側の中央円筒形ガス状燃料導管及び該
    中央燃料出口と同心であって、酸素を提供する外側の円筒形酸素導管を有し、 前記方法は、酸素バーナからのガス状燃料及び酸素の速度を制御し、ガス状燃
    料の速度と酸素の速度が実質的に等しくなるようにして全体として層状のガス状
    燃料流と全体として層状の酸素流を生じさせ、ガラス形成原料の頂面の近くで燃
    焼させてほぼ柱状の形をした中間部分を有する火炎を生じさせ、該火炎がガラス
    形成原料の表面に当たるようにする工程と、 蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器を用いないで少なくとも一つの酸素バーナ
    からの火炎で覆うことよりガラス形成原料を溶融部内で溶融する工程と、 精製されたガラスを清澄部から引き出す工程とを更に有することを特徴とする
    方法。
  2. 【請求項２】 酸素バーナからのガス状燃料の速度と酸素の速度の偏差が、
    約２０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記少なくとも一つの酸素バーナが、溶融部の上に配置され
    ていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 少なくとも一つの酸素バーナが、下流側清澄部の上に配置さ
    れていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 下流側清澄部上の少なくとも一つの酸素バーナが、ガラス溶
    融装置の長さの約2/3〜3/4のところに位置していることを特徴とする請求項４に
    記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記バーナブロックが、内径が約２〜８インチ（約５．０８
    〜２０．３２cm）の開口部を有していることを特徴とする請求項１に記載の方法
    。
  7. 【請求項７】 少なくとも一つの酸素バーナが、前記バーナブロックの前記
    開口部内に約３〜１８インチ（約７．６２〜４５．７２cm）の距離、引っ込んだ
    ところに設けられていることを特徴とする請求項５に記載の方法。
  8. 【請求項８】 バーナブロックの端とガラス形成原料との間の距離の半分の
    ところの火炎直径が、次の関係式IIで規定される請求項１に記載の方法。 1.5ｉd≦Ｄ２≦ｉd＋0.15Ｈ ・・・II ここに、ｉd＝バーナブロックの開口部の内径、Ｈ＝バーナブロックの端から ガラス形成原料の頂面までの距離、Ｄ２＝バーナブロックの端とガラス形成原料
    の頂面との間の距離の1/2のところにおける火炎直径である。
  9. 【請求項９】 ガラス形成原料から精製ガラスを生産する耐火物内張りガラ
    ス溶融装置であって、 側壁により底部に連結されていて、溶融部と清澄部との間にチャネルを構成す
    る屋根と、 ガラス溶融装置の屋根中に設けられたバーナブロック内に引っ込んで取り付け
    られていて、ガス状燃料を提供する内側の中央円筒形ガス状燃料導管及び該中央
    燃料出口と同心であって、酸素を提供する外側の円筒形酸素導管を有する少なく
    とも一つの酸素バーナと、 酸素バーナからのガス状燃料及び酸素の速度を制御し、ガス状燃料の速度と酸
    素の速度が実質的に等しくなるようにして全体として層状のガス状燃料流と全体
    として層状の酸素流を生じさせ、ガラス形成原料の頂面の近くで燃焼させてほぼ
    柱状の形をした中間部分を有する火炎を生じさせ、該火炎がガラス形成原料の表
    面に当たるようにするための手段とを有することを特徴とするガラス溶融装置。
  10. 【請求項１０】 酸素バーナからのガス状燃料の速度と酸素の速度の偏差は
    、約２０％以下であることを特徴とする請求項９に記載のガラス溶融装置。
  11. 【請求項１１】 前記少なくとも一つの酸素バーナは、溶融部の上に配置さ
    れていることを特徴とする請求項９に記載のガラス溶融装置。
  12. 【請求項１２】 少なくとも一つの酸素バーナが、下流側清澄部の上に配置
    されていることを特徴とする請求項９に記載のガラス溶融装置。
  13. 【請求項１３】 下流側清澄部上の少なくとも一つの酸素バーナが、ガラス
    溶融装置の長さの約2/3〜3/4のところに位置していることを特徴とする請求項１
    ２に記載のガラス溶融装置。
  14. 【請求項１４】 前記バーナブロックが、内径が約２〜８インチ（約５．０
    ８〜２０．３２cm）の開口部を有していることを特徴とする請求項９に記載のガ
    ラス溶融装置。
  15. 【請求項１５】 少なくとも一つの酸素バーナが、前記バーナブロックの前
    記開口部内に約３〜１８インチ（約７．６２〜４５．７２cm）の距離、引っ込ん
    だところに設けられていることを特徴とする請求項９に記載のガラス溶融装置。
  16. 【請求項１６】 バーナブロックの端とガラス形成原料との間の距離の半分
    のところの火炎直径が、次の関係式IIで規定される請求項９に記載のガラス溶融
    装置。 1.5ｉd≦Ｄ２≦ｉd＋0.15Ｈ ・・・II ここに、ｉd＝バーナブロックの開口部の内径、Ｈ＝バーナブロックの端から ガラス形成原料の頂面までの距離、Ｄ２＝バーナブロックの端とガラス形成原料
    の頂面との間の距離の1/2のところにおける火炎直径である。
  17. 【請求項１７】 蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器を用いないで耐火物内
    張りガラス溶融装置でガラス形成原料から精製ガラスを生産する方法であって、 ガラス溶融装置が、側壁により底部に連結されると共にこれらの間に溶融部及
    びその下流側の清澄部を有する細長いチャネルを構成した屋根を有しており、 前記方法は、 ガラス形成原料をガラス溶融装置に投入する工程と、 ガラス形成原料を溶融部内で溶融する工程と、ガラス溶融装置の屋根中に設け
    られているバーナブロック内に引っ込んで取り付けられている少なくとも一つの
    酸素バーナを準備する工程とを有し、 酸素バーナは、ガス状燃料を提供する内側の中央円筒形ガス状燃料導管及び該
    中央燃料出口と同心であって、酸素を提供する外側の円筒形酸素導管を有し、 前記方法は、酸素バーナからのガス状燃料及び酸素の速度を制御し、ガス状燃
    料の速度と酸素の速度が実質的に等しくなるようにして全体として層状のガス状
    燃料流と全体として層状の酸素流を生じさせ、ガラス形成原料の頂面の近くで燃
    焼させてほぼ柱状の形をした中間部分を有する火炎を生じさせ、該火炎がガラス
    形成原料の表面に当たるようにする工程と、 精製されたガラスを清澄部から引き出す工程とを更に有することを特徴とする
    方法。
  18. 【請求項１８】 酸素バーナからのガス状燃料の速度と酸素の速度の偏差が
    約２０％以下であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 下流側清澄部上の少なくとも一つの酸素バーナが、ガラス
    溶融装置の長さの約2/3〜3/4のところに位置していることを特徴とする請求項１
    ７に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記バーナブロックが、内径が約２〜８インチ（約５．０
    ８〜２０．３２cm）の開口部を有していることを特徴とする請求項１９に記載の
    方法。
  21. 【請求項２１】 少なくとも一つの酸素バーナが、前記バーナブロックの前
    記開口部内に約３〜１８インチ（約７．６２〜４５．７２cm）の距離、引っ込ん
    だところに設けられていることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器を用いないで耐火物内
    張りガラス溶融装置でガラス形成原料から精製ガラスを生産する方法であって、 ガラス溶融装置が、側壁により底部に連結されると共にこれらの間に溶融部及
    びその下流側の清澄部を有する細長いチャネルを構成した屋根を有しており、 前記方法は、 ガラス形成原料をガラス溶融装置に投入する工程と、 ガラス溶融装置の屋根中に設けられているバーナブロック内に引っ込んで取り
    付けられている少なくとも一つの酸素バーナを準備する工程とを有し、 酸素バーナは、ガス状燃料を提供する内側の中央円筒形ガス状燃料導管及び該
    中央燃料出口と同心であって、酸素を提供する外側の円筒形酸素導管を有し、 前記方法は、バーナブロックの出口のところでの酸素バーナかのガス状燃料及
    び酸素の最大速度を、次の４次線形多項式Ｉで規定される上動作曲線及び次の４
    次線形多項式Ｉで表される下動作曲線によって規定される動作域内で制御し、溶
    融状態のガラス形成原料の頂面の近くで燃焼させてほぼ柱状の形をした中間部分
    を有する火炎を生じさせる工程と、 ＶBb＝ａ＋ｂ（Ｈ／ｉd）＋ｃ（Ｈ／ｉd）2 ＋ｄ（Ｈ／ｉd）3＋ｅ（Ｈ／ｉd）4・・・Ｉ ここに、Ｈ／ｉd＝約６〜２０、ＶBb＝約１９０〜５５０フィート（約５９． ９〜１６７．６ｍ）/s、ａ＝５７１．０８０１、ｂ＝−１８７．２９５７、ｃ＝
    ３０．１１６４、ｄ＝−１．８１９８、ｅ＝０．０４であり、 ＶBb＝ａ＋ｂ（Ｈ／ｉd）＋ｃ（Ｈ／ｉd）2 ＋ｄ（Ｈ／ｉd）3＋ｅ（Ｈ／ｉd）4 ・・・Ｉ ここに、Ｈ／ｉd＝約６〜３０、ＶBb＝約５０〜３００フィート（約１５．２ 〜９１．４ｍ）/s、ａ＝−１０３．６１１１、ｂ＝３８．９９３９、ｃ＝−２．
    ８７７２、ｄ＝０．１０３３、ｅ＝−０．００１２５であり、 蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器を用いないで少なくとも一つの酸素バーナ
    からの火炎を覆うことによりガラス形成原料を溶融部内で溶融する工程と、 溶融状態のガラス形成原料を清澄部内で精製する工程と、 精製されたガラスを清澄部から引き出す工程とを更に有することを特徴とする
    方法。
  23. 【請求項２３】 下流側清澄部上でガラス溶融装置の屋根中に設けられてい
    るバーナブロック内に引っ込んで取り付けられている少なくとも一つの酸素バー
    ナを準備する工程を更に有することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
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