JP2018095485A - 溶解炉 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガラス生成物の生産効率を向上させることができる溶解炉を提供する。【解決手段】 溶解炉１０は、原料の粉体を溶解させるためのるつぼ１４と、るつぼ１４内に投入された粉体を加熱する加熱手段と、るつぼ１４の底板１４ｂを貫通して上下方向に延び、管壁に設けられた開口１１２を介してるつぼ１４内に滞留する融液を排出することにより、開口１１２を越える液面の上昇を制限する液面調整管１１とにより構成される。液面調整管１１は、管軸方向に伸縮可能な蛇腹形状部１１３を有し、蛇腹形状部１１３が開口１１２よりも下側に配置される。【選択図】 図２

Description

本発明は、溶解炉に係り、さらに詳しくは、原料の粉体をるつぼ内で溶解させる溶解炉の改良に関する。

医療用又は光学用のガラスには、耐熱性や化学的な安定性等、一定の品質が求められるものがある。この様なガラスは、原料となる粉体を加熱により溶解させた後、融液を急冷して粉砕することによって得られる。原料の粉体は、例えば、るつぼ式の溶解炉を用いて加熱溶解される。

この種の溶解炉には、バッチ式のものと連続式のものとがあるが、連続式の溶解炉の場合、るつぼ内における融液の滞留時間によってガラス生成物の品質が大きく変化する。例えば、融液の滞留時に、融液成分の一部を蒸発させることによって所望の組成を形成することができる。このため、融液の滞留時間が長過ぎても短過ぎても、所定の品質が得られない。

連続式の溶解炉では、原料の粉体をるつぼ内に投入する際の単位時間当たりの投入量と、るつぼのサイズ及びオーバーフロー管の高さとによって融液の滞留時間が決定される。オーバーフロー管は、るつぼの底板を貫通して上下方向に延びる融液排出用の配管であり、上部管口を介してるつぼ内に滞留する融液を排出することにより、上部管口を越える液面の上昇を制限する。例えば、１日当たりの生産量から原料の投入量が決定され、るつぼのサイズと融液の滞留時間とからオーバーフロー管の高さが定められる。

融液の適切な滞留時間は、融液成分や溶解炉によって異なる。このため、従来の溶解炉では、小型のテスト炉を使用して試行錯誤的に適切な滞留時間を推定し、オーバーフロー管の高さを決定することが行われていた。ところが、テスト炉と実際の生産炉とではるつぼのサイズが大きく異なることから、オーバーフロー管を設計通りに設置しても、所望のガラス生成物が得られないことが多く、生産効率が良くないという問題があった。

また、オーバーフロー管は、るつぼの底板に設置されることから、原料の投入量やるつぼのサイズを変えることなく、融液の滞留時間を変更することができないという問題もあった。例えば、原料の投入量を減らせば、滞留時間を長くすることができるが、ガラス生成物の生産量が減少してしまう。一方、原料の投入量を増やせば、滞留時間を短くすることができるが、加熱溶解時のエネルギー消費量が増大し、また、生産過剰に陥ってしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ガラス生成物の生産効率を向上させることができる溶解炉を提供することを目的とする。特に、テスト炉を使用しなくても所望のガラス生成物を得ることができる溶解炉を提供することを目的とする。また、溶解処理を中断することなく、融液の滞留時間の調整を行うことができる溶解炉を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様による溶解炉は、原料の粉体を溶解させるためのるつぼと、前記るつぼ内に投入された前記粉体を加熱する加熱手段と、前記るつぼの底板を貫通して上下方向に延び、管壁に設けられた開口を介して前記るつぼ内に滞留する融液を排出することにより、前記開口を越える液面の上昇を制限する液面調整管とを備える。前記液面調整管は、管軸方向に伸縮可能な蛇腹形状部を有し、前記蛇腹形状部が前記開口よりも下側に配置される。

この様な構成によれば、液面調整管の蛇腹形状部を管軸方向に伸縮させることにより、液面高さの上限が変化するため、融液の滞留時間を制御することができる。特に、融液成分やガラス生成物に応じて液面高さの上限を容易に変更することができる。従って、テスト炉を使用しなくても所望のガラス生成物を得ることができる。また、原料の投入量やるつぼのサイズを変えることなく、融液の滞留時間を調整することができる。

本発明の第２の態様による溶解炉は、上記構成に加え、前記るつぼの上部開口に対向する断熱蓋を更に備え、前記液面調整管が、前記断熱蓋を上下方向に移動可能に貫通するように構成される。

この様な構成によれば、液面調整管における断熱蓋よりも上側の部位を上下させることにより、蛇腹形状部を伸縮させることができる。特に、断熱蓋がるつぼ上に配置された状態で蛇腹形状部を伸縮させることができる。このため、溶解処理を中断することなく、融液の滞留時間の調整を行うことができる。

本発明の第３の態様による溶解炉は、上記構成に加え、前記開口よりも上側の前記液面調整管内に配置される補強用のセラミック管を更に備えて構成される。この様な構成によれば、開口よりも上側について強度が確保されるため、液面調整管の上端部を上下させる際の液面調整管の破損を防止することができる。

本発明の第４の態様による溶解炉は、上記構成に加え、前記液面調整管が、前記るつぼの前記底板よりも下側に配置される小径部と、前記底板よりも上側に配置され、前記小径部よりも径が大きい大径部とにより構成され、前記蛇腹形状部及び前記開口が前記大径部に形成される。

この様な構成によれば、小径部への流出量を超える融液は大径部に貯留される。このため、原料の投入量のばらつきに起因して、開口を介し液面調整管内に流入する融液の量に時間的なばらつきがあっても、小径部に流入する融液が途切れるのを防止することができる。

本発明の第５の態様による溶解炉は、上記構成に加え、前記るつぼが、前記粉体が投入される第１溶解室と融液を滞留させる第２溶解室とを仕切るための仕切り板を有し、前記仕切り板の下端部に設けられた開口を介して前記第１溶解室及び前記第２溶解室が互いに連通し、前記液面調整管が、前記第２溶解室に配置されるように構成される。この様な構成によれば、蛇腹形状部を伸縮させることにより、融液が第２溶解室内で滞留する時間を制御することができる。

本発明の第６の態様による溶解炉は、上記構成に加え、前記るつぼ及び前記液面調整管が、いずれも白金製であるように構成される。この様な構成によれば、蛇腹形状部を有する液面調整管について、るつぼと同程度の耐熱性を確保することができる。

本発明によれば、液面調整管の蛇腹形状部を管軸方向に伸縮させることにより、液面高さの上限が変化するため、融液成分やガラス生成物に応じて液面高さの上限を容易に変更することができ、テスト炉を使用しなくても所望のガラス生成物を得ることができる。また、液面調整管における断熱蓋よりも上側の部位を上下させることにより、蛇腹形状部が伸縮するため、溶解処理を中断することなく、融液の滞留時間の調整を行うことができる。従って、ガラス生成物の生産効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態による溶解炉１０を含むガラス溶解システム１の一構成例を示したシステム図である。 図１の溶解炉１０の構成例を示した断面図であり、Ａ−Ａ切断線により溶解炉１０を切断した場合の切断面が示されている。 図２の溶解炉１０の構成例を示した断面図であり、Ｂ−Ｂ切断線により溶解炉１０を切断した場合の切断面が示されている。 図２の溶解炉１０における溶解処理時の動作の一例を模式的に示した説明図である。

＜ガラス溶解システム１＞
図１は、本発明の実施の形態による溶解炉１０を含むガラス溶解システム１の一構成例を示したシステム図である。図中の（ａ）には、ガラス溶解システム１の正面が示され、（ｂ）には、ガラス溶解システム１の右側面が示されている。

このガラス溶解システム１は、原料の粉体を加熱により溶解させて所望のガラス生成部を得るための装置であり、溶解炉１０、原料投入装置２０及び粉砕装置３０により構成される。溶解炉１０及び原料投入装置２０は、架台２に設置されている。

原料の粉体は、例えば、目標とするガラス組成に合うように調合された原料の粉末からなり、ガラス溶解システム１のガラス生成物は、医療用ガラス、光学用ガラス等に用いられる。原料投入装置２０は、原料の粉体を溶解炉１０に連続的に供給するための粉体供給装置である。原料の粉体は、原料供給管２１を介して溶解炉１０内に供給される。

溶解炉１０は、連続式の生産炉であり、原料供給管２１を介して炉内に投入された粉体を加熱して溶解させ、所定時間滞留した融液を炉底から排出する。粉砕装置３０は、溶解炉１０から排出された融液を急冷してガラス化するとともに、ガラス生成物を粉砕するための装置である。

溶解炉１０から排出された融液は、２組のローラ３１を通過することにより、ローラ３１との接触によって急速に冷却され、ローラ３１からの応力によって粉砕される。溶解炉１０の上面から突出する操作部１１１は、後述する液面調整管の一部であり、融液の滞留時間を調整するのに使用される。

＜溶解炉１０＞
図２は、図１の溶解炉１０の構成例を示した断面図である。この図２には、図１に示すＡ−Ａ切断線によって表される平面により溶解炉１０を切断した場合の切断面が示されている。図３は、図２の溶解炉１０の断面図である。この図３には、図２に示すＢ−Ｂ切断線によって表される平面により溶解炉１０を切断した場合の切断面が示されている。図２及び図３では、大気等の雰囲気ガスを各部へ供給し、或いは、雰囲気ガスを排出するための配管類と、冷却用の水を各部へ供給するための配管類とが省略されている。

この溶解炉１０は、電気加熱方式の溶解炉であり、外装１０ａ、液面調整管１１、ノズル加熱ヒータ１３、るつぼ１４、鞘るつぼ１５、発熱体１６、断熱材１７、仕切り板１８及び融液排出管１９により構成される。外装１０ａは、円筒形状のハウジングであり、るつぼ１４、鞘るつぼ１５及び断熱材１７が収容されている。

るつぼ１４は、原料の粉体を溶解させるための白金製の容器であり、上方に向かって開口する有底円筒形状からなる。このるつぼ１４は、粉体が投入される溶解室１４ｃと融液を滞留させる溶解室１４ｄとを仕切るための仕切り板１８を有する。

仕切り板１８は、水平な平面により切断した場合の切断面が円弧状であり、るつぼ１４の側壁の内面と対向するように配置されている。溶解室１４ｃ及び溶解室１４ｄは、仕切り板１８の下端部に設けられた開口１８ａを介して互いに連通している。鞘るつぼ１５は、るつぼ１４を収容し、るつぼ１４を保護する保護容器であり、耐火材からなる。

断熱材１７は、るつぼ１４及び鞘るつぼ１５を外囲する円筒状の部材である。鞘るつぼ１５は、断熱材１７の底部上に設置されている。また、断熱材１７の天蓋部は、るつぼ１４の上部開口１４ａに対向する断熱蓋である。

発熱体１６は、るつぼ１４内に投入された粉体を加熱するための加熱手段であり、電気抵抗式の加熱ヒータからなる。この発熱体１６は、上下方向に延びるＵ字形状であり、鞘るつぼ１５の外周面と断熱材１７の内周面との間に配置されている。また、複数の発熱体１６が鞘るつぼ１５の外周面に沿って周方向に概ね一定の間隔を空けて配置されている。

るつぼ１４には、液面高さの上限を調整するための液面調整管１１と、残留する融液を排出するための融液排出管１９とが取り付けられている。液面調整管１１は、るつぼ１４の底板１４ｂを貫通して上下方向に延びるオーバーフロー管であり、管壁に設けられた開口１１２を介してるつぼ１４内に滞留する融液を排出することにより、開口１１２を越える液面の上昇を制限する。開口１１２は、管壁を貫通する貫通孔であり、例えば、円形状からなる。複数の開口１１２が周方向に概ね一定の間隔を空けて配置されている。

この液面調整管１１は、水平な平面により切断した場合の切断面が円環状の白金製パイプからなり、外装１０ａの上面から突出する操作部１１１と、管軸方向に伸縮可能な蛇腹形状部１１３と、底板１４ｂよりも下側に配置される排出ノズル部１１４とを有する。操作部１１１、蛇腹形状部１１３及び排出ノズル部１１４は、一体的に形成される。

蛇腹形状部１１３は、液面の底板１４ｂからの高さを調整することによって融液の滞留時間を制御するためのベローズ部であり、外径及び内径を管軸方向の位置に応じて所定のピッチで変化させることによって形成される。この蛇腹形状部１１３は、開口１１２よりも下側に配置されている。

液面調整管１１は、断熱材１７の天蓋部（断熱蓋）及び外装１０ａを上下方向に移動可能に貫通し、操作部１１１を上下させることにより、蛇腹形状部１１３を伸縮させることができる。特に、断熱蓋がるつぼ１４上に配置された状態で蛇腹形状部１１３を伸縮させることができる。このため、溶解処理を中断することなく、融液の滞留時間の調整を行うことができる。

排出ノズル部１１４は、鞘るつぼ１５の底部及び断熱材１７の底部を貫通して下端部が外装１０ａの下面から突出し、下部管口がガラス融液を流出するための流出口１１６になっている。この排出ノズル部１１４は、液面調整管１１の底板１４ｂよりも上側の部位に比べ、径が小さい小径部である。一方、液面調整管１１の底板１４ｂよりも上側の部位は、排出ノズル部１１４よりも径が大きい大径部である。蛇腹形状部１１３及び開口１１２は、この大径部に形成されている。

この様な構成を採用することにより、小径部への流出量を超える融液は大径部に貯留される。このため、原料の投入量のばらつきに起因して、開口１１２を介し液面調整管１１内に流入する融液の量に時間的なばらつきがあっても、小径部に流入する融液が途切れるのを防止することができる。

開口１１２よりも上側の液面調整管１１内には、補強用のセラミック管１２が配置されている。セラミック管１２は、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）からなり、るつぼ１４の上部開口１４ａを横切り、断熱材１７の天蓋部及び外装１０ａを貫通して操作部１１１に到達している。操作部１１１を上方向又は下方向に移動させることにより、蛇腹形状部１１３を伸張又は収縮させることができる。また、開口１１２よりも上側について強度が確保されるため、液面調整管１１の操作部１１１を上下させる際の液面調整管１１の破損を防止することができる。

排出ノズル部１１４には、ノズル内の融液を加熱するためのノズル加熱ヒータ１３及び直通電部１１５が設けられている。ノズル加熱ヒータ１３は、電気抵抗式の発熱体であり、断熱材１７の底部内において、排出ノズル部１１４の外周面を取り囲むように配置されている。直通電部１１５は、排出ノズル部１１４の一部に直接電流を流して発熱させる加熱手段であり、断熱材１７の底部と外装１０ａとの間に形成されている。

融液排出管１９は、上部管口がるつぼ１４の底板１４ｂから露出する一方、鞘るつぼ１５の底部及び断熱材１７の底部を貫通して上下方向に延びる配管であり、下端部が外装１０ａの下面から突出し、下部管口が残留ガラスを排出するための排出口１９２になっている。この融液排出管１９は、水平な平面により切断した場合の切断面が円環状の白金製パイプからなる。

融液排出管１９には、管内の融液を加熱するための加熱ヒータ１９０及び直通電部１９１が設けられている。加熱ヒータ１９０は、電気抵抗式の発熱体であり、断熱材１７の底部内において、融液排出管１９の外周面を取り囲むように配置されている。直通電部１９１は、融液排出管１９の一部に直接電流を流して発熱させる加熱手段であり、断熱材１７の底部と外装１０ａとの間に形成されている。

原料供給管２１は、外装１０ａ及び断熱材１７の天蓋部を上下方向に貫通してるつぼ１４の上部開口１４ａまで延び、下部管口が原料の粉体をるつぼ１４内に投入するための原料投入口２２になっている。

るつぼ１４や液面調整管１１のサイズを例示すると、るつぼ１４は、直径が２００ｍｍ程度、容積が１４Ｌ程度である。蛇腹形状部１１３は、管軸方向と平行な平面により切断した場合の切断面が概ね正弦波形状であり、山部の外径が４６ｍｍ程度、谷部の外径が４１ｍｍ程度である。また、蛇腹形状部１１３の管壁の厚さは、０．５ｍｍ程度で概ね均一である。また、蛇腹のピッチは、５ｍｍ程度である。

＜蛇腹形状部１１３の製造方法＞
蛇腹形状部１１３は、例えば、所定の肉厚のパイプを作製し、内金型を用いたパイプの絞り成形加工によって形成される。このため、パイプの蛇腹部分には溶接等の接合箇所がなく、強度や耐久性を確保することができる。

図４は、図２の溶解炉１０における溶解処理時の動作の一例を模式的に示した説明図である。るつぼ１４の溶解室１４ｃに投入された粉体３は、１５００℃〜１７００℃程度の温度まで加熱されて溶解する。溶解室１４ｃ内に溜まったガラス融液４は、仕切り板１８とるつぼ１４の底板１４ｂとの間の空隙を介して溶解室１４ｄへ移動し、溶解室１４ｄ内で滞留する。

溶解室１４ｄ内で滞留するガラス融液４は、液面調整管１１の開口１１２の高さまで上昇し、開口１１２を介して液面調整管１１の管内に流入し、蛇腹形状部１１３及び排出ノズル部１１４を通過して流出口１１６から排出される。液面調整管１１が溶解室１４ｄに配置されるため、蛇腹形状部１１３を伸縮させることにより、ガラス融液４が溶解室１４ｄ内で滞留する時間を制御することができる。

本実施の形態によれば、液面調整管１１の蛇腹形状部１１３を管軸方向に伸縮させることにより、液面高さの上限が変化するため、ガラス融液４の滞留時間を制御することができる。特に、融液成分やガラス生成物に応じて液面高さの上限を容易に変更することができる。また、原料の投入量やるつぼ１４のサイズを変えることなく、ガラス融液４の滞留時間を調整することができる。

なお、本実施の形態では、るつぼ１４内が仕切り板１８で仕切られた小型の溶解炉の例について説明したが、本発明は、るつぼの構成をこれに限定するものではない。例えば、溶解室１４ｃと溶解室１４ｄとが別個のるつぼにそれぞれ形成され、配管等によって互いに連通されるような構成の溶解炉にも本発明は適用可能である。

１ ガラス溶解システム
１０ 溶解炉
１１ 液面調整管
１１１ 操作部
１１２ 開口
１１３ 蛇腹形状部
１１４ 排出ノズル部
１１５ 直通電部
１３ ノズル加熱ヒータ
１４ るつぼ
１４ａ 上部開口
１４ｂ 底板
１４ｃ，１４ｄ 溶解室
１５ 鞘るつぼ
１６ 発熱体
１７ 断熱材
１８ 仕切り板
１９ 融液排出管
２０ 原料投入装置
２１ 原料供給管
３０ 粉砕装置
３１ ローラ

Claims (6)

1. 原料の粉体を溶解させるためのるつぼと、
   前記るつぼ内に投入された前記粉体を加熱する加熱手段と、
   前記るつぼの底板を貫通して上下方向に延び、管壁に設けられた開口を介して前記るつぼ内に滞留する融液を排出することにより、前記開口を越える液面の上昇を制限する液面調整管とを備え、
   前記液面調整管は、管軸方向に伸縮可能な蛇腹形状部を有し、前記蛇腹形状部が前記開口よりも下側に配置されることを特徴とする溶解炉。
2. 前記るつぼの上部開口に対向する断熱蓋を更に備え、
   前記液面調整管は、前記断熱蓋を上下方向に移動可能に貫通することを特徴とする請求項１に記載の溶解炉。
3. 前記開口よりも上側の前記液面調整管内に配置される補強用のセラミック管を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の溶解炉。
4. 前記液面調整管は、前記るつぼの前記底板よりも下側に配置される小径部と、前記底板よりも上側に配置され、前記小径部よりも径が大きい大径部とにより構成され、前記蛇腹形状部及び前記開口が前記大径部に形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の溶解炉。
5. 前記るつぼは、前記粉体が投入される第１溶解室と融液を滞留させる第２溶解室とを仕切るための仕切り板を有し、前記仕切り板の下端部に設けられた開口を介して前記第１溶解室及び前記第２溶解室が互いに連通し、
   前記液面調整管は、前記第２溶解室に配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の溶解炉。
6. 前記るつぼ及び前記液面調整管は、いずれも白金製であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の溶解炉。

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