JP6292090B2

JP6292090B2 - 溶解窯、溶解方法、および無アルカリガラス板の製造方法

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Publication number: JP6292090B2
Application number: JP2014179187A
Authority: JP
Inventors: 元之広瀬; 英樹櫛谷
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2014-09-03
Filing date: 2014-09-03
Publication date: 2018-03-14
Anticipated expiration: 2034-09-03
Also published as: KR102260096B1; TWI670241B; JP2016052964A; KR20160028374A; CN105384325A; TW201615567A; CN105384325B

Description

本発明は、溶解窯、溶解方法、および無アルカリガラス板の製造方法に関する。

溶解窯は、無アルカリガラスの原料を溶融させるものである。溶解窯は、原料が投入される第１室、第１室の上部空間に火炎を形成する第１室バーナ、原料を溶融させてなる溶融ガラスが第１室から供給される第２室、第２室の上部空間に火炎を形成する第２室バーナ、および第１室の下部と第２室の下部とをつなぐスロートとを備える。

第１室バーナや第２室バーナは、天然ガスや重油などの燃料をガスと混合して燃焼することで火炎を形成する。ガスとして主に空気を用いるバーナを空気燃焼バーナ、ガスとして主に酸素を用いるバーナを酸素燃焼バーナという。

空気燃焼バーナの場合、空気の大部分を占める窒素ガスが燃焼に寄与することなく溶解窯の外に排気される。一方、酸素燃焼バーナの場合、空気燃焼バーナの場合よりも、排気量が少ないので、熱効率が高く、ＣＯ_２排出量やＮＯ_ｘ排出量が少ない。

空気と酸素ガスとを混合した混合ガスを用いるバーナも使用可能である（例えば、特許文献１参照）。この場合、酸素燃焼バーナの場合は勿論、空気燃焼バーナの場合と比較しても、ＮＯ_ｘ排出量が多くなることがある（例えば、非特許文献１参照）。詳細には、混合ガス中の酸素濃度が９３体積％未満であって２５体積％を超える場合に、空気燃焼バーナの場合と比較して、ＮＯ_ｘ排出量が多くなる。

特開２０００−１２８５４９号公報

Ｒ＆Ｄ神戸製鋼技報、Ｖｏｌ．５１、Ｎｏ．２（Ｓｅｐ．２００１）、ｐ．８〜１２、「酸素富化空気による省エネルギと低ＮＯｘ燃焼に関する研究」

無アルカリガラスの場合、一般的なソーダライムガラスの場合に比べて、原料の溶解温度が高く、第１室内の溶融ガラスの液面に泡層が張りやすい。泡層は小さな気泡の集合体であり、気泡は原料の熱分解によるガスの生成などに起因する。泡層は、無アルカリガラスのＳｉＯ_２含有量が５４〜７３質量％の場合に特に形成されやすい。

泡層があると、溶融ガラス表面が上部空間の雰囲気に直接曝されにくくなる。そのためバーナの火炎から溶融ガラスへの熱輻射が遮られ、溶融ガラスの加熱効率が低かった。

一般的なアルカリ成分を含有するガラスの場合、溶融ガラス中のアルカリ含有量が多いほど、溶融ガラス中のＢ_２Ｏ_３が揮発しやすい。Ｂ_２Ｏ_３は、例えばナトリウム化合物として揮発する。

これに対し、溶融ガラス中にＮａ等のアルカリ成分がほとんど含まれていない無アルカリガラスの場合、上部空間の雰囲気中の水分濃度が高いほど溶融ガラス中のＢ_２Ｏ_３が揮発しやすい。

上部空間の雰囲気中の水分量は、バーナの種類に依存する。酸素燃焼バーナの場合、空気燃焼バーナの場合よりも、燃焼後のガスに含まれる水分濃度が高く、溶融ガラス中のＢ_２Ｏ_３が揮発しやすい。Ｂ_２Ｏ_３は、水素化合物として揮発すると考えられる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、泡層を介して溶融ガラスを効率的に加熱でき、且つ、溶融ガラス中のＢ_２Ｏ_３の揮発を抑制できる、溶解窯などの提供を主な目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様によれば、
ＳｉＯ_２含有量が５４〜７３質量％、Ｂ_２Ｏ_３含有量が０．１〜１２質量％の無アルカリガラスの原料を溶解する溶解窯であって、
前記原料が投入される第１室と、
前記第１室の上部空間に火炎を形成する第１室バーナと、
前記原料を溶融させてなる溶融ガラスが前記第１室から供給される第２室と、
前記第２室の上部空間に火炎を形成する第２室バーナと、
前記第１室の下部と前記第２室の下部とをつなぐスロートとを備え、
各前記第１室バーナおよび各前記第２室バーナには、酸素燃焼バーナおよび空気燃焼バーナのいずれかが用いられ、
全ての前記第１室バーナの１時間当たりの総燃焼熱量の５０〜１００％が前記酸素燃焼バーナによるものであって、
全ての前記第２室バーナの１時間当たりの総燃焼熱量の７５〜１００％が前記空気燃焼バーナによるものである、溶解窯が提供される。

本発明の一態様によれば、泡層を介して溶融ガラスを効率的に加熱でき、且つ、溶融ガラス中のＢ_２Ｏ_３の揮発を抑制できる、溶解窯が提供される。

本発明の一実施形態による無アルカリガラス板の製造方法を示すフローチャートである。図１の溶解工程において用いられる溶解窯を示す断面図である。第１変形例による溶解窯を示す断面図である。第２変形例による溶解窯を示す断面図である。第３変形例による溶解窯を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。各図面において、同一の又は対応する構成には、同一の又は対応する符号を付して説明を省略する。本明細書において、数値範囲を表す「〜」はその前後の数値を含む範囲を意味する。

図１は、本発明の一実施形態による無アルカリガラス板の製造方法を示すフローチャートである。無アルカリガラス板の製造方法は、溶解工程Ｓ１２と、成形工程Ｓ１４とを有する。

無アルカリガラスは、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｌｉ_２Ｏなどのアルカリ金属酸化物を実質的に含有しないガラスである。本発明に係る無アルカリガラスは、アルカリ金属酸化物の含有量の合量が０．２質量％以下である。

無アルカリガラスは、例えば酸化物基準の質量百分率表示で、
ＳｉＯ_２：５４〜７３％
Ａｌ_２Ｏ_３：１０〜２３％
Ｂ_２Ｏ_３：０．１〜１２％
ＭｇＯ：０〜１２％
ＣａＯ：０〜１５％
ＳｒＯ：０〜１６％
ＢａＯ：０〜１５％
ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ：８〜２６％
を含有する。

無アルカリガラスのＢ_２Ｏ_３含有量は、高い歪点を得る場合、好ましくは９質量％以下、より好ましくは５質量％以下、さらに好ましくは３質量％以下、特に好ましくは２質量％以下である。

また、無アルカリガラスのＢ_２Ｏ_３含有量は、高い溶解性を得る場合、好ましくは０．３質量％以上、より好ましくは０．５質量％以上、さらに好ましくは１質量％以上である。

無アルカリガラスの歪点は、好ましくは６５０℃以上、より好ましくは６７０℃以上、さらに好ましくは７００℃以上である。

無アルカリガラスのＴ_２（溶解の目安となる温度であって、粘度１０^２ｄＰａ・ｓに相当する温度）は、一般的なソーダライムガラスのＴ_２よりも１００℃以上高い。無アルカリガラスのＴ_２は、好ましくは１６００〜１８２０℃、より好ましくは１６１０〜１７７０℃、さらに好ましくは１６２０〜１７２０℃である。

無アルカリガラス板の水分量を示すβ−ＯＨは、好ましくは０．２〜０．４ｍｍ^−１、より好ましくは０．２〜０．３５ｍｍ^−１である。β−ＯＨの値が高いほど、水分量が多いことを意味する。水分濃度の高い雰囲気で溶解されるとこの値が高くなる。β−ＯＨの値Ｂは、無アルカリガラス板の板厚Ｃおよび透過率Ｔを測定し、該測定結果を下記式に代入して算出される。無アルカリガラス板の透過率の測定には、一般的なフーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）が用いられる。
Ｂ＝（１／Ｃ）ｌｏｇ_１０（Ｔ１／Ｔ２）
Ｔ１：参照波数４０００／ｃｍにおける無アルカリガラス板の透過率（単位：％）
Ｔ２：水酸基吸収波数３５７０／ｃｍ付近における無アルカリガラス板の最小透過率（単位：％）
無アルカリガラス板は、液晶ディスプレイなどのディスプレイ用の基板、磁気ディスク用の基板などとして用いられる。無アルカリガラス板の用途は、多種多様であってよい。詳しくは後述するが本実施形態によれば泡等の欠点の少ない、均質な無アルカリガラス板が得られるため、特に高い品質が求められる液晶ディスプレイ用の基板に好適である。

図１に示す溶解工程Ｓ１２では、無アルカリガラスの原料を溶解窯に投入し、原料を溶解して溶融ガラスを得る。

図１に示す成形工程Ｓ１４では、溶融ガラスを板状に成形する。成形方法は一般的なものであってよく、例えばフロート法、フュージョン法などが挙げられる。

フロート法は、溶融金属（例えば溶融スズ）の上に溶融ガラスを連続的に供給し、溶融金属の上で溶融ガラスを水平方向に流動させることにより帯板状に成形する。

フュージョン法は、オーバーフローダウンドロー法とも呼ばれ、樋から左右両側に溢れ出した溶融ガラスを樋の左右両側面に沿って流下させ、樋の下端において合流させた溶融ガラスをさらに下方向に流動させることにより帯板状に成形する。

尚、溶解工程Ｓ１２と成形工程Ｓ１４との間に、清澄装置（例えば減圧脱泡装置）や撹拌装置（例えば撹拌用スターラ−）が設けられていてもよい。

図２は、図１の溶解工程において用いられる溶解窯を示す断面図である。溶解窯は、第１室２１、第１室バーナ２６、第２室３１、第２室バーナ３６、およびスロート４１などを有する。

第１室２１は、無アルカリガラスの原料１２が投入されるものである。第１室２１は、原料１２を溶解し、溶融ガラス１４を蓄える。第１室２１は、水平な底壁２２と、底壁２２に対して垂直な上流側壁２３、上流側壁２３に対して平行な下流側壁２４、天井２５（例えばアーチ状の天井）などで囲まれる。下流側壁２４は、図２に示すように天井２５まで達しているが、泡層１６よりも高ければよく、図３に示すように天井２５まで達していなくてもよい。上流側壁２３には、原料１２の投入口２３ａが形成される。

第１室バーナ２６は、天然ガスや重油などの燃料をガスと混合して燃焼させることで火炎を形成する。第１室バーナ２６は、第１室２１の上部空間に火炎を形成し、投入口２３ａから投入された原料１２などを加熱する。原料１２は、第１室バーナ２６が形成する火炎の輻射熱などによって溶解され、溶融ガラス１４に徐々に溶け込む。

第１室バーナ２６は、上流側壁２３と下流側壁２４とをつなぐ左右両側壁の開口部から第１室２１に火炎を噴出する。第１室バーナ２６は、火炎を連続的に噴出してもよいし、火炎を断続的に噴出してもよい。

第１室バーナ２６は、前記左右両側壁のそれぞれに配設される。第１室バーナ２６は、第１室２１を挟んで左右対称に配置されてもよいし、第１室２１を挟んで千鳥配置されてもよいし、一部が左右対称に配置され一部が千鳥配置されてもよい。

各第１室バーナ２６には、空気燃焼バーナ、酸素燃焼バーナのいずれかを用いる。複数の第１室バーナ２６のうち、全てが酸素燃焼バーナでもよいし、一部が酸素燃焼バーナであり残部が空気燃焼バーナでもよい。

本明細書において、空気燃焼バーナとは、燃料に混合するガスとして主に空気を用いるものをいい、ガスの酸素濃度が２５体積％以下のものをいう。ガスの酸素濃度が２５体積％以下であれば、空気と酸素ガスとの混合ガスを用いるものでもよいし、空気のみを用いるものでもよい。

また、本明細書において、酸素燃焼バーナとは、燃料に混合するガスとして主に酸素ガスを用いるものをいい、ガスの酸素濃度が９３体積％以上のものをいう。ガスの酸素濃度が９３体積％以上であれば、酸素ガスと空気との混合ガスを用いるものでもよいし、酸素ガスのみを用いるものでもよい。

各第１室バーナ２６には空気燃焼バーナ、酸素燃焼バーナのいずれかが用いられるため、ＮＯ_ｘ排出量が低減できる。

第１室バーナ２６による溶融ガラス１４の加熱を補助する目的で、溶融ガラス１４を通電加熱する電極が第１室２１の溶融ガラス１４内に設けられてもよい。

第１室２１の上部空間には、窒素ガスなどの乾燥気体を導入しないことが好ましい。熱効率の低下や、排ガス量の増加が防止できる。

第２室３１は、原料１２を溶融させてなる溶融ガラス１４が第１室２１から供給されるものである。第２室３１は、溶融ガラス１４を清澄したり、温度調節したりする。第２室３１は、水平な底壁３２と、底壁３２に対して垂直な上流側壁３３、上流側壁３３に対して平行な下流側壁３４、天井３５などで囲まれる。下流側壁３４の下部には、溶融ガラス１４の取出口３４ａが形成される。

第２室３１の底壁３２と、第１室２１の底壁２２とは、図２に示すように一体化されているが、図４に示すように一体化されていなくてもよい。また、図４に示すように第２室３１の底壁３２と、第１室２１の底壁２２に段差Ｄがあってもよい。尚、第２室３１の底壁３２と、第１室２１の底壁２２とはどちらが高くてもよい。

第２室３１の上流側壁３３と、第１室２１の下流側壁２４とが一体化されているが、図５に示すように一体化されていなくてもよい。

第２室の天井３５と、第１室２１の天井２５とが一体化されているが、一体化されていなくてもよい。第２室の天井３５と、第１室２１の天井２５とが一体化されない場合としては、例えば、図５に示すように第１室２１の下流側壁２４と第２室３１の上流側壁３３が一体化されていない場合が挙げられる。

第２室バーナ３６は、天然ガスや重油などの燃料をガスと混合して燃焼させることで火炎を形成する。第２室バーナ３６は、第２室３１の上部空間に火炎を形成し、第１室２１から供給される溶融ガラス１４を加熱する。

第２室バーナ３６は、上流側壁３３と下流側壁３４とをつなぐ左右両側壁の開口部から第２室３１に火炎を噴出する。第２室バーナ３６は、火炎を連続的に噴出してもよいし、火炎を断続的に噴出してもよい。

第２室バーナ３６は、上流側壁３３と下流側壁３４とをつなぐ左右両側壁のそれぞれに配設される。第２室バーナ３６は、第２室３１を挟んで左右対称に配置されてもよいし、第２室３１を挟んで千鳥配置されてもよいし、一部が左右対称に配置され一部が千鳥配置されてもよい。

各第２室バーナ３６には、空気燃焼バーナ、酸素燃焼バーナのいずれかを用いる。複数の第２室バーナ３６のうち、全てが空気燃焼バーナでもよいし、一部が空気燃焼バーナであり残部が酸素燃焼バーナでもよい。

各第２室バーナ３６には空気燃焼バーナ、酸素燃焼バーナのいずれかが用いられるため、ＮＯ_ｘ排出量が低減できる。

第２室バーナ３６による溶融ガラス１４の加熱を補助する目的で、溶融ガラス１４を通電加熱する電極が第２室３１の溶融ガラス１４内に設けられてもよい。

第２室３１の上部空間に、窒素ガスなどの乾燥気体は導入しないことが好ましい。熱効率の低下や、排ガス量の増加が防止できる。

スロート４１は、第１室２１の下部と、第２室３１の下部とをつなぐものである。スロート４１は、溶融ガラス１４で満たされる。スロート４１は複数設けられてもよい。第１室２１の溶融ガラス１４は、スロート４１を介して第２室３１に供給される。

スロート４１の入口は、図２では第１室２１の下流側壁２４に形成されるが、第１室２１の底壁２２に形成されてもよい。同様に、スロート４１の出口は、図２では第２室３１の上流側壁３３に形成されるが、第２室３１の底壁３２に形成されてもよい。

ところで、無アルカリガラスのＴ_２は、一般的なソーダライムガラスのＴ_２よりも１００℃以上高い。そのため、本実施形態では、第１室バーナ２６と第２室バーナ３６の両方を用いて溶融ガラス１４を加熱する。

無アルカリガラスの場合、一般的なソーダライムガラスの場合に比べて、原料１２の溶解温度が高く、第１室２１内の溶融ガラス１４の液面に泡層１６が張りやすい。泡層１６は小さな気泡の集合体であり、気泡は原料１２の熱分解によるガスの生成などに起因する。泡層１６は、無アルカリガラスのＳｉＯ_２含有量が５４〜７３質量％の場合に特に形成されやすい。泡層１６は、第１室バーナ２６の火炎から溶融ガラス１４への熱輻射を遮る。

そこで、本実施形態では、全ての第１室バーナ２６の１時間当たりの総燃焼熱量の５０〜１００％（好ましくは５５〜１００％、より好ましくは６０〜１００％）が酸素燃焼バーナによるものとする。

全ての第１室バーナ２６の１時間当たりの総燃焼熱量の５０〜１００％が酸素燃焼バーナによるものであれば、泡層１６を介しても溶融ガラス１４を効率的に加熱でき、少ない燃料で溶融ガラス１４を所望の温度に加熱できる。総燃焼熱量は各バーナで使用する燃料が完全燃焼した場合に発生する熱量を合算する事で求められる。

第１室２１で溶解された溶融ガラス１４が第２室３１に供給される。第２室３１にはスロート４１を通って溶融ガラス１４が供給されるため、第１室２１の泡層１６の影響をほとんど受けることなく第２室３１に均質な溶融ガラス１４が供給されるため、第２室３１では第１室２１と異なり泡層１６がほとんど形成されない。

第２室３１では溶融ガラス１４の液面が露出しており、溶融ガラス１４が第２室３１の上部空間の雰囲気に曝される。第２室３１の上部空間の雰囲気中のガスが溶融ガラス１４に溶け込む。

ところで、一般的なアルカリ含有ガラスの場合、溶融ガラス中のアルカリ含有量が多いほど、溶融ガラス中のＢ_２Ｏ_３が揮発しやすい。Ｂ_２Ｏ_３は、例えばナトリウム化合物として揮発する。

上部空間の雰囲気中の水分量は、バーナの種類に依存する。酸素燃焼バーナの場合、空気燃焼バーナの場合よりも、燃焼後のガスに含まれる水分濃度が高く、溶融ガラス中のＢ_２Ｏ_３が揮発しやすい。

そこで、本実施形態では、全ての第２室バーナ３６の１時間当たりの総燃焼熱量の７５〜１００％（好ましくは８０〜１００％、より好ましくは８５〜１００％）が空気燃焼バーナによるものとする。

全ての第２室バーナ３６の１時間当たりの総燃焼熱量の７５〜１００％が空気燃焼バーナによるものであれば、第１室２１の上部空間の水分濃度に比べて第２室３１の上部空間の水分濃度が低い。そのため、溶融ガラス中のＢ_２Ｏ_３の揮発が抑制できる。

第１室２１の上流端と下流端との流れ方向（図２中左右方向）における距離Ｌ１は、好ましくは基準距離Ｌ０の５０〜７５％、より好ましくは基準距離Ｌ０の５５〜７０％である。また、第２室３１の上流端と下流端との流れ方向（図２中左右方向）における距離Ｌ２は、好ましくは基準距離Ｌ０の１０〜４０％、より好ましくは基準距離Ｌ０の１５〜３５％である。基準距離Ｌ０は、第１室２１の上流端と第２室３１の下流端との流れ方向における距離である。

距離Ｌ１が基準距離Ｌ０の５０〜７５であり、且つ、距離Ｌ２が基準距離Ｌ０の１０〜４０％であれば、第１室２１および第２室３１において溶融ガラス１４をバランス良く加熱することができる。

以上、溶解窯、溶解方法、無アルカリガラス板の製造方法、無アルカリガラスの実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述の実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。

例えば、上記実施形態の溶解窯は、第１室２１および第２室３１を有するが、第２室３１から溶融ガラス１４が供給される第３室をさらに有してもよい。溶解窯の部屋の数は４つ以上でもよい。また、ガラスの溶解や均質性を促進させるために、第１室２１および／または第２室３１の底壁に、例えばバブラーなどが設けられていてもよい。

１２無アルカリガラスの原料
１４溶融ガラス
１６泡層
２１第１室
２２第１室の底壁
２３第１室の上流側壁
２３ａ原料の投入口
２４第１室の下流側壁
２５第１室の天井
２６第１室バーナ
３１第２室
３２第２室の底壁
３３第２室の上流側壁
３４第２室の下流側壁
３５第２室の天井
３６第２室バーナ
４１スロート

Claims

ＳｉＯ_２含有量が５４〜７３質量％、Ｂ_２Ｏ_３含有量が０．１〜１２質量％の無アルカリガラスの原料を溶解する溶解窯であって、
前記原料が投入される第１室と、
前記第１室の上部空間に火炎を形成する第１室バーナと、
前記原料を溶融させてなる溶融ガラスが前記第１室から供給される第２室と、
前記第２室の上部空間に火炎を形成する第２室バーナと、
前記第１室の下部と前記第２室の下部とをつなぐスロートとを備え、
各前記第１室バーナおよび各前記第２室バーナには、酸素燃焼バーナおよび空気燃焼バーナのいずれかが用いられ、
全ての前記第１室バーナの１時間当たりの総燃焼熱量の５０〜１００％が前記酸素燃焼バーナによるものであって、
全ての前記第２室バーナの１時間当たりの総燃焼熱量の７５〜１００％が前記空気燃焼バーナによるものである、溶解窯。
前記無アルカリガラスは、酸化物基準の質量％表示で、
ＳｉＯ_２：５４〜７３％
Ａｌ_２Ｏ_３：１０〜２３％
Ｂ_２Ｏ_３：０．１〜１２％
ＭｇＯ：０〜１２％
ＣａＯ：０〜１５％
ＳｒＯ：０〜１６％
ＢａＯ：０〜１５％
ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ：８〜２６％
を含有する、請求項１に記載の溶解窯。
請求項１または２に記載の溶解窯を用いる、溶解方法。
請求項１または２に記載の溶解窯を用いる溶解工程と、
前記溶解工程で溶解された溶融ガラスを板状に成形する成形工程とを有する、無アルカリガラス板の製造方法。