JP5605767B2 - 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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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。
加熱手段により形成される、ガラス原料粒子を液状ガラス粒子とする気相部を、以下加熱気相部ともいう。
ガラスカレット片は、ガラスカレット片投入部の投入手段によって上記加熱気相部に投入される。平面視でガラスカレット片投入部の周囲に複数の前記ガラス原料粒子投入部が配置され、各ガラス原料粒子投入部の下方に加熱気相部が形成されていることより、加熱気相部はガラスカレット片投入部の直下には存在せず、斜め下方に存在し、かつ、ガラスカレット片投入部の周囲の下方に複数存在する。このような加熱気相部に向かってガラスカレット片投入部からガラスカレット片を投入するために、ガラスカレット片投入部は加熱気相部に向けてガラスカレット片を放射状に投入する投入手段を有する。
本発明によれば、ガラスカレット片を上記加熱気相部で十分加熱することができ、好ましくはその少なくとも一部を溶融させることができる。すなわち、1粒のガラスカレット片の一部(例えば表面部分)ないし全部を溶融することができ、また、多数のガラスカレット片の少なくとも一部の数の粒子を溶融させることができる。これら2つの溶融状態を総合した平均として、投入直後のカレット片の体積に対する溶融したカレット部分の体積の割合を、以下溶融部分体積比率という。本発明は、投入したカレット片のこの溶融部分体積比率を増大させることができる利点がある。
なお、本発明におけるガラス溶融炉の上部の炉壁部とは、ガラス溶融炉の天井部及び天井部の内壁から1m以内の範囲をいう。
一方、ガラス原料粒子投入部下方に形成された上記加熱気相部中に投入されたガラスカレット片は、ガラス原料粒子と同様に加熱され、好ましくは少なくとも一部が溶融した粒子となり、液状ガラス粒子と共に炉底に落下して集積し、ガラス融液を形成する。
液状ガラス粒子と加熱されたガラスカレット片は、加熱気相部中やその下方の空間中で混合される。この際、液状ガラス粒子の少なくとも一部は加熱されたガラスカレット片に付着してガラスカレット片と一体化してもよい。また、液状ガラス粒子の少なくとも一部が合体化してより大きな液状ガラス粒子となってもよく、ガラスカレット片もその一部が合体化してもよい。このように、加熱気相部中などで液状ガラス粒子と加熱されたガラスカレット片が混合された状態となって落下し集積してガラス融液となることにより、ガラス融液中における両者の混合物の均一性が向上する。
また、ガラスカレット片の投入量が多い場合には、ガラスカレット片を間欠的に投入することが好ましい。ガラスカレット片の投入量が多い場合、ガラスカレット片が放射状に散らばってもガラス融液表面の円形状の同一箇所に加熱されたガラスカレット片が連続的に落下する傾向が高くなり、ガラス融液の均質性が低下するおそれが生じるからである。ガラスカレット片を間欠的に供給することにより、たとえ加熱されたガラスカレット片が同一箇所に落下しても時間的に不連続に落下することにより、ガラス融液の均質性が低下するおそれが低下する。
図示したガラス溶融炉において、加熱気相部を形成する加熱手段は酸素燃焼バーナからなる。加熱気相部は、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。
加熱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、ガラス原料粒子加熱ユニットという。
なお、図1や図3において火炎32中および火炎32の下方に示されている粒子38は、ガラス原料粒子がすでに液状ガラス粒子となった粒子や液状ガラス粒子になる途中の粒子を示している。少なくとも火炎下方の粒子は液状ガラス粒子に変化していると考えられる。以下この図示されている粒子38を液状ガラス粒子38という。
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、溶融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揮散など)、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38、38…は、個々の粒子として炉底部64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、加熱気相中でその2つ以上が融着して炉底部64ないしガラス融液G表面に着地してもよい。
ガラス原料粒子の平均粒径(重量平均)は30〜1000μmが好ましい。より好ましくは、平均粒径(重量平均)が50〜500μmの範囲内のガラス原料粒子が使用され、さらに70〜300μmの範囲内のガラス原料粒子が好ましい。ガラス原料粒子が溶融した液状ガラス粒子38、38…の平均粒径(重量平均)は、通常ガラス原料粒子の平均粒径の80%程度となることが多い。
なお、図1や図3において火炎32中および火炎32近傍に示されている粒子30は、ガラスカレット片がすでに溶融した液状ガラスとなった粒子や液状ガラスになる途中の粒子を示している。下記のように、ガラスカレット片は、加熱気相中で少なくとも表面が液状化していることが好ましい。したがって、図示されている粒子30は、固体ガラスカレット片(溶融槽16に投入前のものも含む)、表面が液状化したガラスカレット片、ガラスカレット片全体が液状化したものなどを表わしている。以下これらを総称してガラスカレット片30という。
ガラスカレット片は炉底のガラス融液に達する前に少なくともその表面部が液状化することが好ましいが、液状化することなくガラス融液に達してもよい。
ガラスカレット片投入筒42から投入されるガラスカレット片30においては、ガラスカレット片自体が飛散することが少ないこと、及びガラスカレット片を工程内或いは市場から回収、貯蔵し、ガラスカレット片投入口まで搬送する観点における取扱上の効率を考慮して、溶融槽16に投入するために、その粒径は規定されたものであることが好ましい。すなわち、ガラスカレット片の短径(a)を0.1mm<a<50mmとすることが好ましい。短径(a)を有するガラスカレット片は、網目の目開き(Opening)の大きさを変えて、篩に残り、或いは通過させて選別する。すなわち、本発明における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が好ましい。短径(a)は、0.5mm<a<30mmが、ガラスカレット片の上記取扱いの観点からより好ましい。短径(a)は、5mm<a<20mmが、ガラスカレット片の上記取扱いの観点からさらに好ましい。
ガラスカレット片がガラス原料粒子加熱ユニット14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。
前述の如くガラスカレット片30をガラス原料粒子加熱ユニットによる加熱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34、34…を配置することによりガラスカレット片30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34の本数を増加させることにより、ガラスカレット片30、30…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30を、酸素燃焼バーナ30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30に使用する燃料を節約することができる。
なお、2009年7月27日に出願された日本特許出願2009−174324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 (8)
- 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ガラスカレット片投入部、
平面視で前記ガラスカレット片投入部の周囲に配置され、かつ、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、
前記ガラスカレット片投入部が、前記気相部に向けてガラスカレット片を放射状に投入する投入手段を含むことを特徴とするガラス溶融炉。 - 前記投入手段は、投入筒と、該投入筒の下部開口部にガラスカレット片が通過可能な隙間を介して連結されるとともに上部に頂部が配置された円錐形のガイド部材と、を備えている請求項1に記載のガラス溶融炉。
- 前記投入手段は、鉛直方向に対し所定の角度をなして開口した投入口を有する投入筒と、該投入筒を鉛直方向を回転軸として回転させる回転手段と、を備えている請求項1に記載のガラス溶融炉。
- 前記ガラス溶融炉は、平面視で前記ガラスカレット片投入部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1〜3のいずれか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1〜4のいずれかに記載のガラス溶融炉。
- 請求項1〜5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1〜5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6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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