JP5867413B2 - ガラス溶融装置、ガラス繊維製造装置及びガラス繊維製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、ガラス原料を溶融するガラス溶融装置、このガラス溶融装置を用いてガラス繊維を製造するガラス繊維製造装置及びガラス繊維製造方法に関する。
ガラス繊維を製造するガラス繊維製造装置は、ガラス原料を溶融するガラス溶融炉と、ガラス溶融炉の引出口から引き出された溶融ガラスが導入されるフォアハースと、フォアハースに導入された溶融ガラスを繊維化してガラス繊維を紡糸する繊維化装置と、を備えている。このガラス溶融炉には、一般的にクロム煉瓦やジルコニア煉瓦等の耐火煉瓦が用いられている。近年、ガラス溶融エネルギー効率の向上を目的に、一般的なガラスの溶融温度である１４００〜１５００℃と比べ、より高温で短時間に溶融することで消費エネルギーを抑えようと検討が進められている。しかし、このような高温域では、ガラス溶融炉の炉材として用いている煉瓦が溶融ガラスに著しく侵食されるため、従来の溶融炉のままでは、炉内温度を高温にすることで溶融効率を上げることができない。
ガラス組成の主成分であるシリカは融点が高く溶融し難いため、１４００〜１５００℃の加熱ではシリカを溶融するのに長時間を要し、更には、溶け残りの問題も発生する。
また、特許文献１では、ＭｇＯ（マグネシア）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＳｉＯ２（シリカ）を主成分とする高強度ガラスの溶融に１５５０〜１６００℃の加熱が必要との記載がある。しかしながら、この温度域による加熱でも溶融に数時間を要し、溶融効率を高めることができない。
本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、シリカの融点である１７２３℃以上に加熱することで劇的に溶融効率が高められることを見出した。
そこで、本発明は、シリカの融点以上に加熱してガラス原料の溶融時間を短縮するとともにガラス原料の溶け残りを低減することができるガラス溶融装置、ガラス繊維製造装置及びガラス繊維製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係るガラス溶融装置は、底壁と側壁とを備え、底壁に溶融ガラスの引出口が形成されたガラス溶融炉と、ガラス溶融炉を覆い、ガラス溶融炉の鉛直方向上方にガラス原料の投入口が形成されるとともに、引出口の鉛直方向下方に引出口から引き出された溶融ガラスを排出する排出口が形成されたケーシングと、ケーシングの天井からガラス溶融炉内に差し込まれて通電によりガラス溶融炉内の溶融ガラスを加熱する加熱用電極と、を有し、底壁及び側壁の内面は、窒化ホウ素で被覆されていることを特徴とする。
本発明に係るガラス溶融装置によれば、底壁及び側壁の内面が非導電性を備えた窒化ホウ素で被覆されているため、ガラス溶融炉内のガラス原料を溶融するために電極に通電して溶融ガラス（ガラス融体）へ電流を流したときに、溶融ガラスから炉体およびケーシングを構成している導電材料へ誤って電流が流れることを防ぐことができる。また、底壁及び側壁の内面が窒化ホウ素で被覆されているため、ガラス溶融炉内の溶融ガラスを高温に加熱しても、投入口から供給されるガラス原料がガラス化する際に発生する炭酸などの酸素源と底壁内面および側壁内面との反応によってガラス溶融炉が酸化して昇華することを抑制することができる。そして、通常、ガラス溶融炉は非酸化性雰囲気において２０００℃以上の融点を持った材料で構成されているので、ガラスの主原料であるシリカの融点以上の温度でガラス原料を溶融することができるため、ガラス原料の溶融時間を短縮することができ、省エネルギー化を図ることができるとともに、ガラス原料の溶け残りを低減することができる。しかも、ガラス溶融炉に挿入された加熱用電極を通電することで、ガラス溶融炉の溶融ガラスを直接加熱することができるとともに、ガラス溶融炉の任意の位置で溶融ガラスを加熱することができる。このため、ガラス溶融炉の形状や大きさに関わらず、溶融ガラスを効率的に加熱することができ、特に、大型のガラス溶融炉にも適用することができる。
この場合、不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を更に有し、ケーシングは、不活性ガス供給手段から供給された不活性ガスをケーシング内に導入する不活性ガス導入口と、ケーシング内に導入された不活性ガスを排出する不活性ガス排出口と、が形成されていることが好ましい。このように、ケーシング内に不活性ガスを導入することで、ガラス溶融炉全体が大気から隔離されるため、底壁及び側壁や、加熱用電極なども、酸化して昇華するのを抑制することができる。このため、溶融ガラスを高温に加熱しても、ガラス溶融炉の耐用年数が低下するのを抑制することができる。
また、投入口の鉛直方向下方に配置されるガラス溶融炉の第一領域と引出口が形成されるガラス溶融炉の第二領域との間に配置されて、ガラス溶融炉の炉内上部を仕切る上部仕切板を更に有することが好ましい。このように、ガラス溶融炉に上部仕切板を設けることで、未溶融ガラスが炉内上部の早流れに乗って引出口から引き出されるのを防止して、ガラス溶融炉内における溶融ガラスの移動経路を延ばすことができるため、ガラス溶融炉内における溶融ガラスの滞留時間を長くすることができる。これにより、ガラス原料の溶け残りを更に低減することができるため、高品質なガラス繊維を製造することができる。
本発明に係るガラス繊維製造装置は、上記の何れかのガラス溶融装置と、ガラス溶融炉の下方に配置されて引出口から引き出された溶融ガラスが導入される貯留槽と、貯留槽に導入された溶融ガラスを繊維化して紡糸する繊維化装置と、を有することを特徴とする。
本発明に係るガラス繊維製造装置によれば、上述したガラス溶融装置を備えることで、ラス溶融装置においてガラス原料を溶融する時間が短縮されるとともに、ガラス原料の溶け残りを低減することができるため、迅速かつ高品質なガラス繊維を製造することができる。
本発明に係るガラス繊維製造方法は、上記のガラス繊維製造装置を用いたガラス繊維の製造方法であって、ガラス原料を投入口からガラス溶融炉内に投入し、加熱用電極を通電してガラス溶融炉内に投入されたガラス原料を溶融し、引出口から溶融ガラスを引き出して貯留槽に導入し、貯留槽に導入された溶融ガラスを繊維化装置により繊維化してガラス繊維を製造することを特徴とする。
本発明に係るガラス繊維製造方法によれば、ガラス溶融装置においてガラス原料を溶融する時間が短縮されるとともに、ガラス原料の溶け残りを低減することができるため、迅速かつ高品質なガラス繊維を製造することができる。
この場合、ケーシング内を不活性ガス雰囲気にすることが好ましい。このように、ケーシング内を不活性ガス雰囲気とすることで、ガラス溶融炉全体が大気から隔離されるため、ガラス溶融炉および電極が酸化して昇華するのを抑制することができる。このため、溶融ガラスを高温で加熱しても、ガラス溶融炉の耐用年数が低下するのを抑制することができる。
また、加熱用電極の通電により、溶融ガラスを１７００〜２０００℃に加熱することもできる。このように溶融ガラスを１７００〜２０００℃に加熱することで、ガラスの主成分であるシリカ単体で溶融されるため、ガラス原料の溶融時間を飛躍的に短縮することができる。
本発明によれば、ガラス溶融装置をシリカの融点以上に加熱することができるため、ガラス原料の溶融時間を短縮するとともにガラス原料の溶け残りを低減することができる。
以下、図面を参照して、本発明に係るガラス溶融装置、ガラス繊維製造装置及びガラス繊維製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、全図中、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係るガラス繊維製造装置の模式図である。図１に示すように、第１の実施形態に係るガラス繊維製造装置１は、床２に載置されるガラス溶融装置１０と、床２の下方に配置される繊維化設備３０と、を備える。
図１は、第１の実施形態に係るガラス繊維製造装置の模式図である。図１に示すように、第１の実施形態に係るガラス繊維製造装置１は、床２に載置されるガラス溶融装置１０と、床２の下方に配置される繊維化設備３０と、を備える。
ガラス溶融装置１０は、ガラス原料粉末やガラス塊などのガラス原料を溶融するガラス溶融炉１１と、ガラス溶融炉１１を覆うケーシング１８と、を備える。なお、ガラス原料粉末は、クレー、ライムストーン、ドロマイト、コレマナイト、シリカサンド、アルミナ、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウムなどの粉状の混合物であり、ガラス塊は、ガラス原料粉末を溶融した溶融ガラスを一旦冷却固化したマーブル状やカレット状のものである。
ガラス溶融炉１１は、底壁１２と、底壁１２に立設された側壁１３とにより、上方に開口された箱状に形成されている。この底壁１２及び側壁１３は、モリブデンなどの炉材で構成されており、底壁１２及び側壁１３の内面には、窒化ホウ素が被覆されている。
このようなガラス溶融炉１１は、上部仕切板１６によって仕切られた、ガラス原料が投入される投入口１９の鉛直方向下方に配置されて投入されたガラス原料を溶融するための第一領域Ａと、底壁１２にガラス溶融炉１１から溶融ガラスを引き出すための引出口１５が形成された第二領域Ｂと、が形成されている。第二領域Ｂは、炉体底部に溜まる不純物を堰き止めるため、また、溶融ガラスの移動経路を長くするため、第一領域Ａよりも全体的もしくは部分的に高くなっている。このため、ガラス溶融炉１１の底壁１２は、第一領域Ａと第二領域Ｂとの境界において、第一領域Ａから第二領域Ｂに立ち上がる立ち上がり部１２ａが形成されている。なお、引出口１５の内面も窒化ホウ素で被覆されている。
上部仕切板１６は、上面を溶融ガラス液面より高く、かつ、下面を底壁１２に触れないように、ガラス溶融炉１１の上部に設置されて、溶融ガラスの液面付近（ガラス溶融炉１１の炉内上部）を仕切りガラス溶融炉１１の炉内底部からのみ溶融ガラスを通過させる仕切板である。上部仕切板１６は、ガラス溶融炉１１の底壁１２及び側壁１３と同様にモリブデンなどの炉材で構成されており、上部仕切板１６の表面には、窒化ホウ素が被覆されている。この上部仕切板１６は、対向する一対の側壁１３に当接されて第一領域Ａと第二領域Ｂとを仕切る平板状に形成されており、底壁１２との間に空間が形成されている。このため、第一領域Ａで溶融された溶融ガラスは、上部仕切板１６の下方に形成された空間を潜ることで、第二領域Ｂに移動することが可能となっている。
このガラス溶融炉１１には、上方から複数本の加熱用電極１４が差し込まれている。この加熱用電極１４は、モリブデンやタングステンなどの高温に耐えうる素材（高耐温性素材）で構成されており、電気を供給する電源１７が接続されている。なお、加熱用電極１４は、ガラス溶融装置１０に対する挿抜性の観点から円柱形が好ましいが、特に制限されることなく様々な形状に変形させることができる。そして、この加熱用電極１４によりガラス原料を直接通電することで、ガラス溶融炉１１に投入されたガラス原料を加熱して溶融することが可能となっている。なお、このガラス溶融炉１１は、ガラス溶融炉１１内に挿入された加熱用電極１４により加熱することからブースティング炉とも呼ばれ、主に、ガラス原料粉末を溶融するダイレクトメルト法（ＤＭ法）に用いられる。但し、このガラス溶融炉１１を、ガラス魂のガラス原料を溶融するマーブルメルト法（ＭＭ法）などに用いてもよい。
加熱用電極１４は、２本以上あれば、その数や配置は任意に選定することができる。但し、加熱用電極１４に囲まれた領域が最も加熱されることに鑑みて、水平方向において加熱用電極１４が投入口１９を囲むように選定することが好ましい。図２は、図１に示すガラス溶融炉の上面図である。例えば、図２（ａ）に示すように、第一領域Ａにおいて投入口１９を挟む位置に２本の加熱用電極１４を配置してもよく、図２（ｂ）に示すように、第一領域Ａにおいて投入口１９を囲む位置に３本の加熱用電極１４を配置してもよく、図２（ｃ）に示すように、第一領域Ａにおいて投入口１９を挟む位置に２本の加熱用電極１４を配置し、更に、第二領域Ｂにおいて２本の加熱用電極１４を配置してもよい。このように、投入口１９を挟む位置に加熱用電極１４を配置することで、投入口１９からガラス溶融炉１１に投入されたガラス原料を効率的に加熱溶融することができる。また、第二領域Ｂにも加熱用電極１４を配置することで、他の加熱手段を用いなくても、第二領域Ｂにおいて溶融ガラスの温度が低下するのを防止することができるため、引出口１５から引き出す溶融ガラスの温度を調整することができる。
また、加熱用電極１４は、その先端部において電気が流れ易い性質を有するため、投入するガラス原料が溜まる位置に、加熱用電極１４の先端部を配置することが好ましい。例えば、ガラス原料粉末のガラス原料は溶融ガラスの液面付近に溜まるため、加熱用電極１４の先端部を溶融ガラスの液面付近に配置することが好ましく、ガラス魂のガラス原料はガラス溶融炉１１の炉内底部に沈むため、加熱用電極１４の先端部をガラス溶融炉１１の炉内底部に配置することが好ましい。
ケーシング１８は、ガラス溶融炉１１の鉛直方向上方に配置されてケーシング１８の天井となる天壁１８ａと、ガラス溶融炉１１の周囲を覆う側壁１８ｂと、ガラス溶融炉１１の鉛直方向下方に配置される底壁１８ｃとにより、箱状に形成されて、床２に載置されている。
天壁１８ａは、ガラス溶融炉１１内に差し込まれる複数の加熱用電極１４を保持しており、天壁１８ａを取り替えることで、加熱用電極１４の数及び配置を容易に変更することができる。
この天壁１８ａには、ガラス溶融炉１１における第一領域Ａの鉛直方向上方に、ガラス原料をガラス溶融炉１１に投入するための投入口１９が形成されている。そして、この投入口１９には、ガラス溶融炉１１に投入するガラス原料を供給するスクリューチャージャー２０が連結されている。
側壁１８ｂには、溶融ガラスの液面よりも高い位置に、ケーシング１８内に不活性ガスを導入するための不活性ガス導入口２１が形成されている。そして、この不活性ガス導入口２１には、ケーシング１８内に導入する不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置２２が連結されている。なお、不活性ガス供給装置２２から供給されるガスは、非酸化性ガスであれば特に限定されず、例えば、アルゴンガスや窒素ガスなどが使用可能であり、その中でも、低コストで連続的に安定供給できる点で窒素ガスが好ましい。
底壁１８ｃには、ガラス溶融炉１１の引出口１５の鉛直方向下方に、引出口１５から引き出された溶融ガラスを排出するための排出口２３が形成されている。また、排出口２３は、溶融ガラスの排出と同時に、不活性ガスを排出することもできる。
なお、ケーシング１８内には、ガラス溶融炉１１を断熱する耐火煉瓦や耐熱ボードなどの断熱材が挿入されている。
そして、床２には、ガラス溶融炉１１の引出口１５から引き出された溶融ガラスを各繊維化設備３０に導入するための床穴３が形成されている。
繊維化設備３０は、ガラス溶融炉１１の引出口１５から引き出された溶融ガラスを繊維化する設備である。この繊維化設備３０は、引出口１５から引き出された溶融ガラスが導入されるフォアハース３１と、フォアハース３１内の溶融ガラスから多数本のフィラメントを形成するブッシング３２と、ブッシング３２からフィラメントを引き出して高速で巻き取る回転ドラム３３と、ブッシング３２から引き出された各フィラメントに集束剤を塗布するアプリケータ３７と、各フィラメントを集束する集束ローラ３４と、を備えている。
フォアハース３１は、引出口１５から引き出された溶融ガラスが導入されるとともに、溶融ガラスの温度を調節して溶融ガラスを繊維化しやすい粘度に調整する貯留槽である。そして、フォアハース３１は、床穴３の鉛直方向下方に配置されており、引出口１５から引き出された溶融ガラスが導入される上部開口３５が形成されている。なお、フォアハース３１は、この上部開口３５により大気開放されている。また、フォアハース３１は、溶融ガラスの温度を調節するための加熱手段を備えている。この加熱手段は、例えば、フォアハース３１の天井面に吊り下げられた電気ヒータ３６でよく、また、電気ヒータ３６の代わりにガスバーナ等の溶融ガラスの温度を調節できる加熱手段であればどのようなものを用いてもよい。
ブッシング３２は、フォアハース３１の底部に設けられており、紡糸のための多数（例えば、１００〜４０００程度）のノズル（不図示）が形成されている。このブッシング３２は、溶融ガラスの温度を調節するための加熱手段（不図示）を備えている。この加熱手段は、通電により抵抗発熱させるものである。このため、ブッシング３２は通電により発熱する電熱部材で形成されており、例えば白金や白金合金から構成されている。
次に、本実施形態に係るガラス繊維製造装置１によりガラス繊維を製造する方法について説明する。
まず、真空ポンプでケーシング１８内を真空状態もしくは少なくとも減圧状態にしてケーシング１８内に存在する酸素を排除した後、不活性ガス供給装置２２から供給される不活性ガスを不活性ガス導入口２１からケーシング１８内に導入する操作をケーシング１８内の酸素濃度が少なくとも１％以下になるまで数回繰り返して、ケーシング１８内を不活性ガス雰囲気とする。なお、不活性ガスを導入する前にケーシング１８内に充満していた気体やケーシング１８内に導入された不活性ガスは、排出口２３から排出される。
次に、スクリューチャージャー２０からガラス原料を供給して、投入口１９からガラス溶融炉１１の第一領域Ａにガラス原料を投入し、電源１７から電気を供給して加熱用電極１４を通電し、第一領域Ａに投入されたガラス原料を加熱溶融する。なお、ガラス溶融装置１０のヒートアップ時（起動時）は、ガラス溶融炉１１内に溶融ガラスが満たされていないことから加熱用電極１４が通電され難いため、他の加熱手段を併用してガラス溶融炉１１に投入されたガラス原料を溶融することが好ましい。このとき、加熱用電極１４による通電により、溶融ガラスを１７００〜２０００℃に加熱する。これにより、ガラス原料に含まれるシリカの溶融が促進されて、ガラス原料が迅速に溶融されるとともに、ガラス原料の溶け残りも無くなる。なお、ガラス溶融炉１１およびケーシング１８内が不活性ガス雰囲気となっているため、溶融ガラスを１７００〜２０００℃に加熱しても、ガラス溶融炉１１及び加熱用電極１４が酸化して昇華するのを抑制することができ、更に、底壁１２及び側壁１３の内面が窒化ホウ素で被覆されているため、ガラス溶融炉１１及び加熱用電極１４が投入されたガラス原料から発生する炭酸ガス等の酸素源によって酸化され昇華するのを抑制することができる。
また、繊維化設備３０のフォアハース３１及びブッシング３２も加熱して、製造するガラス繊維のガラス組成に応じて溶融ガラスが繊維化しやすい温度となるように、適宜フォアハース３１及びブッシング３２の加熱温度を調整しておく。
すると、第一領域Ａで溶融された溶融ガラスは、上部仕切板１６の下方に形成された空間を潜るとともに底壁１２の立ち上がり部１２ａを越えて第一領域Ａから第二領域Ｂに移動し、第二領域Ｂの底壁１２に形成された引出口１５から鉛直方向下方に引き出される。この引出口１５から引き出された溶融ガラスは、ケーシング１８に形成された排出口２３、床２に形成された床穴３及び繊維化設備３０のフォアハース３１に形成された上部開口３５を通ってフォアハース３１内に導入され、更に、フォアハース３１の底部に設けられたブッシング３２の多数のノズルからガラスフィラメントとして引き出される。そして、ブッシング３２の多数のノズルから引き出されたガラスフィラメントにアプリケータ３７で集束剤を塗布し、集束ローラ３４で多数のガラスフィラメントを集束しながら高速回転する回転ドラム３３で巻き取ることで、細長いガラスフィラメントが集束されたガラス繊維が製造される。
以上説明したように、第１の実施形態によれば、底壁１２及び側壁１３の内面が窒化ホウ素で被覆されているため、ガラス原料を溶融するために加熱用電極１４に通電して溶融ガラスへ電流を流したときに、溶融ガラスからガラス溶融炉１１およびケーシング１８を構成している導電材料へ誤って電流が流れることを防ぐことができる。また、底壁１２及び側壁１３の内面が窒化ホウ素で被覆されているため、ガラス溶融炉１１内の溶融ガラスを高温に加熱しても、投入口１９から供給されるガラス原料がガラス化する際に発生する炭酸などの酸素源と底壁１２内面および側壁１３内面との反応によってガラス溶融炉１１が酸化して昇華することを抑制することができる。そして、ガラス溶融炉１１は非酸化性雰囲気において２０００℃以上の融点を持った材料で構成されているので、ガラス溶融炉１１が溶融ガラスで侵食されることなく、ガラスの主原料であるシリカの融点以上の温度でガラス原料を溶融することができるため、ガラス原料の溶融時間を短縮することができ、省エネルギー化を図ることができるとともに、ガラス原料の溶け残り（ガラス原料の未溶融物）を低減することができる。
そして、ガラス溶融炉１１に挿入された加熱用電極１４を通電することで、ガラス溶融炉１１の溶融ガラスを直接加熱することができるとともに、ガラス溶融炉１１の任意の位置で溶融ガラスを加熱することができる。このため、ガラス溶融炉１１の形状や大きさに関わらず、溶融ガラスを効率的に加熱することができ、特に、大型のガラス溶融炉１１にも適用することができる。
更に、ケーシング１８内に不活性ガスを導入することで、ガラス溶融炉１１全体が大気から隔離されるため、ガラス溶融炉１１および加熱用電極１４なども、酸化して昇華するのを抑制することができる。このため、溶融ガラスを高温に加熱しても、ガラス溶融炉１１の耐用年数が低下するのを抑制することができる。
そして、ガラス溶融炉１１において溶融ガラスを１７００〜２０００℃に加熱することで、ガラスの主成分であるシリカ単体で溶融されるため、ガラス原料の溶融時間を飛躍的に短縮することができる。
また、第二領域Ｂを第一領域Ａよりも全体的もしくは部分的に高くして第一領域Ａと第二領域Ｂとの間に底壁１２の立ち上がり部１２ａを形成することで、炉体底部に溜まる不純物を堰き止め、また、ガラス溶融炉１１内における溶融ガラスの移動経路を延ばすことができるため、ガラス溶融炉１１内における溶融ガラスの滞留時間を長くすることができる。これにより、ガラス原料の溶け残りを更に低減することができるため、高品質なガラス繊維を製造することができる。
同様に、ガラス溶融炉１１の投入口１９と引出口１５との間に上部仕切板１６を設けることで、ガラス溶融炉１１内における溶融ガラスの移動経路を延ばすことができるため、ガラス溶融炉１１内における溶融ガラスの滞留時間が長くなり、ガラス原料の溶け残りが更に低減される。更に、この上部仕切板１６により、溶融ガラスの液面付近に浮上してきた気泡を堰き止め、第二領域Ｂに移動することを防ぐことができるため、気泡を含んだ溶融ガラスが第二領域Ｂに移動して引出口１５から引き出されるのを抑制することができる。これにより、ガラス原料の溶け残りや気泡のない高品質なガラス繊維を製造することができる。
［第２の実施形態］
図３は、第２の実施形態に係るガラス繊維製造装置の模式図である。図３に示すように、第２の実施形態に係るガラス繊維製造装置４０は、基本的に第１の実施形態に係るガラス繊維製造装置１と同じであり、フォアハースの構成のみ第１の実施形態に係るガラス繊維製造装置１と相違する。このため、以下の説明では、第１の実施形態と異なる点のみ説明し、第１の実施形態と同じ点の説明を省略する。
図３は、第２の実施形態に係るガラス繊維製造装置の模式図である。図３に示すように、第２の実施形態に係るガラス繊維製造装置４０は、基本的に第１の実施形態に係るガラス繊維製造装置１と同じであり、フォアハースの構成のみ第１の実施形態に係るガラス繊維製造装置１と相違する。このため、以下の説明では、第１の実施形態と異なる点のみ説明し、第１の実施形態と同じ点の説明を省略する。
第２の実施形態のフォアハース４１は、第１の実施形態のフォアハース３１と同様に、ガラス溶融炉１１の引出口１５から引き出された溶融ガラスが導入されるとともに、溶融ガラスの温度を調節して溶融ガラスを繊維化しやすい粘度に調整する貯留槽である。このため、フォアハース４１は、床穴３の鉛直方向下方に配置されており、引出口１５から引き出された溶融ガラスが導入される上部開口３５が形成されて、溶融ガラスの温度を調節するための加熱手段（電気ヒータ３６）を備えている。
そして、フォアハース４１の側壁には、フォアハース４１内に不活性ガスを導入するための不活性ガス導入口４２が形成されており、この不活性ガス導入口４２には、フォアハース４１内に導入する不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置４３が連結されている。なお、不活性ガス供給装置４３から供給されるガスは、非酸化性ガスであれば特に限定されず、例えば、アルゴンガスや窒素ガスなどが使用可能であり、その中でも、低コストで連続的に安定供給できる点で窒素ガスが好ましい。この場合、フォアハース４１の上部開口３５は、ケーシング１８内に導入された不活性ガスを排出するための不活性ガス排出口としても機能する。
このように構成されるガラス繊維製造装置４０によりガラス繊維を製造する際は、不活性ガス供給装置４３から供給される不活性ガスを、不活性ガス導入口４２からフォアハース４１内に導入して、フォアハース４１内を不活性ガス雰囲気としておく。なお、不活性ガスを導入する前にフォアハース４１内に充満していた気体やフォアハース４１内に導入された不活性ガスは、上部開口３５から排出される。
このように、真空ポンプでフォアハース４１内を真空状態もしくは少なくとも減圧状態にしてフォアハース４１内に存在する酸素を排除した後、不活性ガスをフォアハース４１内に導入する操作をフォアハース４１内の酸素濃度が少なくとも１％以下になるまで数回繰り返すことで、フォアハース４１内が大気から隔離されるため、ガラス溶融炉１１からフォアハース４１に導入された溶融ガラスも酸素と隔離されるため、溶融ガラスの酸素による劣化を抑制することができる。これにより、繊維化に至るまでの非酸化性雰囲気が要求されるオキシナイトライドガラスのようなガラス種の製造などに好適に用いることができる。
［第３の実施形態］
図４は、第３の実施形態に係るガラス繊維製造装置の模式図である。図４に示すように、第３の実施形態に係るガラス繊維製造装置５０は、基本的に第１の実施形態に係るガラス繊維製造装置１と同じであり、ガラス溶融炉の構成のみ第１の実施形態に係るガラス繊維製造装置１と相違する。このため、以下の説明では、第１の実施形態と異なる点のみ説明し、第１の実施形態と同じ点の説明を省略する。
図４は、第３の実施形態に係るガラス繊維製造装置の模式図である。図４に示すように、第３の実施形態に係るガラス繊維製造装置５０は、基本的に第１の実施形態に係るガラス繊維製造装置１と同じであり、ガラス溶融炉の構成のみ第１の実施形態に係るガラス繊維製造装置１と相違する。このため、以下の説明では、第１の実施形態と異なる点のみ説明し、第１の実施形態と同じ点の説明を省略する。
第３の実施形態のガラス溶融炉５１は、第１の実施形態と同様に、上方から複数本の加熱用電極１４が差し込まれた所謂ブースティング炉である。このガラス溶融炉５１は、平板状の底壁５２と、底壁５２に立設された側壁５３とにより、上方に開口された箱状に形成されている。この底壁５２及び側壁５３は、モリブデンなどの炉材で構成されており、底壁５２及び側壁５３の内面には、窒化ホウ素が被覆されている。
このようなガラス溶融炉５１は、第１の実施形態のガラス溶融炉１１と同様に、上部仕切板５５によって仕切られた、ガラス原料が投入される投入口１９の鉛直方向下方に配置されて投入されたガラス原料を溶融するための第一領域Ａと、溶融ガラスが引き出される第二領域Ｂと、が形成されている。
そして、第二領域Ｂの底壁５２には、ガラス溶融炉５１から溶融ガラスを引き出すための引出口５４が形成されており、第一領域Ａと第二領域Ｂとは上部仕切板５５で仕切られており、第二領域Ｂの上部仕切板５５と引出口５４との間に下部仕切板５６が配置されている。なお、引出口５４の内面も窒化ホウ素で被覆されている。
上部仕切板５５は、第１の実施形態の上部仕切板１６と同様に、ガラス溶融炉５１の上部であって溶融ガラスの液面付近を仕切りガラス溶融炉５１の炉内底部からのみ溶融ガラスを通過させる仕切板である。上部仕切板５５は、ガラス溶融炉５１の底壁５２及び側壁５３と同様にモリブデンなどの炉材で構成されており、上部仕切板５５の表面には、窒化ホウ素が被覆されている。この上部仕切板５５は、対向する一対の側壁５３に当接されて第一領域Ａと第二領域Ｂとを仕切る平板状に形成されており、底壁５２との間に空間が形成されている。このため、第一領域Ａで溶融された溶融ガラスは、上部仕切板５５の下方に形成された空間を潜ることで、第二領域Ｂに移動することが可能となっている。
下部仕切板５６は、ガラス溶融炉５１の炉内底部を仕切りガラス溶融炉５１の上部からのみ溶融ガラスを通過させる仕切板である。下部仕切板５６は、ガラス溶融炉５１の底壁５２及び側壁５３と同様にモリブデンなどの炉材で構成されており、下部仕切板５６の表面には、窒化ホウ素が被覆されている。この下部仕切板５６は、対向する一対の側壁５３と底壁５２とに当接されて第一領域Ａと第二領域Ｂとを仕切る平板状に形成されており、溶融ガラスの液面高さよりも低くなっている。このため、第一領域Ａで溶融された溶融ガラスは、下部仕切板５６の上方を越えることで、第二領域Ｂに移動することが可能となっている。
そして、下部仕切板５６は、第二領域Ｂの引出口５４から見て上部仕切板５５側に配置されている。このため、第一領域Ａで溶融された溶融ガラスは、まず上部仕切板５５の下方に形成された空間を潜り、その後、下部仕切板５６の上方を越えることで、第二領域Ｂ内の引出口５４側に移動して引出口５４から引き出される。
このように構成されるガラス繊維製造装置５０によりガラス繊維を製造する際は、第１の実施形態と同様に、ケーシング１８内を不活性ガス雰囲気として、投入口１９からガラス溶融炉５１の第一領域Ａにガラス原料を投入するとともに、加熱用電極１４を通電して第一領域Ａに投入されたガラス原料を加熱溶融する。
すると、第一領域Ａで溶融された溶融ガラスは、上部仕切板１６の下方に形成された空間を潜り、第一領域Ａから第二領域Ｂに移動し、第二領域Ｂ内で下部仕切板５６の上方を越えて第二領域Ｂの底壁５２に形成された引出口５４から鉛直方向下方に引き出されて、フォアハース３１に導入される。
このように、ガラス溶融炉５１に下部仕切板５６を設けることで、第１の実施形態のように、ガラス溶融炉５１の底壁５２自体に段差を設けなくても、炉体底部に溜まる不純物を堰き止めて引出口５４から引き出されるのを防止し、また、ガラス溶融炉５１内における溶融ガラスの移動経路を延ばすことができる。これにより、ガラス溶融炉内においてガラス原料を十分に溶融する時間を確保することができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
例えば、上記実施形態では、ガラス溶融炉１１がケーシング１８に覆われるものとして説明したが、ガラス溶融炉１１や加熱用電極１４などの酸化の問題が許容でき、ガラス溶融炉１１や加熱用電極１４を不活性ガス雰囲気に晒す必要が無い場合は、必ずしもケーシング１８でガラス溶融炉１１を覆う必要はない。
また、上記実施形態では、引出口１５から引き出された溶融ガラスを直接フォアハース３１に導入するものとして説明したが、図５に示すガラス繊維製造装置６０のように、引出口１５から引き出された溶融ガラスを、溶融ガラス貯留槽６１及び減圧脱泡炉６２などの中間槽を介してフォアハース３１に導入してもよい。なお、減圧脱泡炉６２は、溶融ガラスが導入される炉６３をケーシング６４で気密に覆うとともに、このケーシング６４内を減圧ポンプ６５により減圧することで、炉６３に導入された溶融ガラスの脱泡を促すものである。
また、第３の実施形態では、下部仕切板５６がガラス溶融炉５１に固定されるものとして説明したが、下部仕切板５６は鉛直方向上方に移動可能となるようにガラス溶融炉５１に取り付けられるものとしてもよい。そして、ガラスの組成を入れ替える際に、下部仕切板５６を鉛直方向上方に移動させることで、第一領域Ａの溶融ガラスがガラス溶融炉５１の底面を伝って引出口５４に移動することが可能となるため、ガラス組成を入れ替える時間を飛躍的に向上させることができる。
本発明は、ガラス原料を溶融するガラス溶融装置、このガラス溶融装置を用いてガラス繊維を製造するガラス繊維製造装置及びガラス繊維製造方法として利用可能である。
１…ガラス繊維製造装置、２…床、３…床穴、１０…ガラス溶融装置、１１…ガラス溶融炉、１２…底壁、１２ａ…立ち上がり部、１３…側壁、１４…加熱用電極、１５…引出口、１６…上部仕切板、１７…電源、１８…ケーシング、１８ａ…天壁、１８ｂ…側壁、１８ｃ…底壁、１９…投入口、２０…スクリューチャージャー、２１…不活性ガス導入口、２２…不活性ガス供給装置（不活性ガス供給手段）、２３…排出口（不活性ガス排出口）、３０…繊維化設備、３１…フォアハース、３２…ブッシング（繊維化装置）、３３…回転ドラム（繊維化装置）、３４…集束ローラ（繊維化装置）、３５…上部開口、３６…電気ヒータ、３７…アプリケータ、４０…ガラス繊維製造装置、４１…フォアハース、４２…不活性ガス導入口、４３…不活性ガス供給装置、５０…ガラス繊維製造装置、５１…ガラス溶融炉、５２…底壁、５３…側壁、５４…引出口、５５…上部仕切板、５６…下部仕切板、６０…ガラス繊維製造装置、６１…溶融ガラス貯留槽、６２…減圧脱泡炉、６３…炉、６４…ケーシング、６５…減圧ポンプ、Ａ…第一領域、Ｂ…第二領域。
Claims (7)
- 底壁と側壁とを備え、前記底壁に溶融ガラスの引出口が形成されたガラス溶融炉と、
前記ガラス溶融炉を覆い、前記ガラス溶融炉の鉛直方向上方にガラス原料の投入口が形成されるとともに、前記引出口の鉛直方向下方に前記引出口から引き出された溶融ガラスを排出する排出口が形成されたケーシングと、
前記ケーシングの天井から前記ガラス溶融炉内に差し込まれて通電により前記ガラス溶融炉内の溶融ガラスを加熱する加熱用電極と、
を有し、
前記底壁及び前記側壁の内面は、窒化ホウ素で被覆されていることを特徴とするガラス溶融装置。 - 不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を更に有し、
前記ケーシングは、
前記不活性ガス供給手段から供給された不活性ガスを前記ケーシング内に導入する不活性ガス導入口と、
前記ケーシング内に導入された不活性ガスを排出する不活性ガス排出口と、
が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガラス溶融装置。 - 前記投入口の鉛直方向下方に配置される前記ガラス溶融炉の第一領域と前記引出口が形成される前記ガラス溶融炉の第二領域との間に配置されて、前記ガラス溶融炉の炉内上部を仕切る上部仕切板を更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載のガラス溶融装置。
- 請求項１〜３の何れか１項に記載のガラス溶融装置と、
前記ガラス溶融炉の下方に配置されて前記引出口から引き出された溶融ガラスが導入される貯留槽と、
前記貯留槽に導入された溶融ガラスを繊維化して紡糸する繊維化装置と、
を有することを特徴とするガラス繊維製造装置。 - 請求項４に記載のガラス繊維製造装置を用いたガラス繊維の製造方法であって、
ガラス原料を前記投入口から前記ガラス溶融炉内に投入し、
前記加熱用電極を通電して前記ガラス溶融炉内に投入されたガラス原料を溶融し、
前記引出口から溶融ガラスを引き出して前記貯留槽に導入し、
前記貯留槽に導入された溶融ガラスを前記繊維化装置により繊維化してガラス繊維を製造することを特徴とするガラス繊維製造方法。 - 前記ケーシング内を不活性ガス雰囲気にすることを特徴とする請求項５に記載のガラス繊維製造方法。
- 前記加熱用電極の通電により、溶融ガラスを１７００〜２０００℃に加熱することを特徴とする請求項５又は６に記載のガラス繊維製造方法。
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