JPS5832030A - ガラスの電気溶融炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は溶融ガラス自体に直接通電し、そのジニール熱
によって原料ガラスバッチを溶融し、そして均質化及び
清澄化する縦型の電気溶融炉、さらに詳しくは方形の横
断面形状とそれに適合した特定の電極配置を持つそのよ
うな電気溶融炉に廚する。

ガラス製品、例えばガラス繊維は工業的には一般に粉末
の原料ガラスバッチを耐火材料から構成される溶融平炉
において火炎によシ溶融、清澄化し、その溶融ガラスを
チャンネルを介して耐火材料よ構成るフォーハースに導
びき、コンディショニングを行いつつそのフォーハース
の底部に配設された複数の白金製ブッシングからその構
成白金材料の通電による抵抗発熱によって温度制御しつ
つ紡糸することによって製造される（例えば、特公昭ろ
９−５２１９号及び同４６−６４９４１号公報を参照）
。

このような溶融平炉とフォーハースよ構成る溶融、清澄
、成形糸に対して、近年縦型の電気溶融炉が開発された
。この縦型電気溶融炉は電極を炉の比較的上部に適正に
配置し、炉内溶融ガラスに直接通電するとき、溶融ガラ
スに適当な縦方向の温度分布が生ずるとともに、そのと
き炉内上方の相対的に高温、低密度の溶融ガラスは下方
の相対的に低温、高密度の溶融ガラス領域には重力に逆
ってまでは混入し難いことから同一炉内の相対的に上方
においては溶融ガラスの加熱対流領域が、一方相対的に
下方においては溶融ガラスの層流清澄領域が形成される
という単純な原理に基づくものである。このように、電
気溶融炉はガラスバッチの溶融−攪拌−拡散を同一炉内
で自然に、かつ機能的に達成し、そして炉底近傍におい
て均質、清澄化された溶融ガラスを得るという従来の平
炉系には認められない溶融理論の明解さとプロセス上の
単純さを持ち、かくして装置の小型化と熱効率の向上を
達成している。電気エネルギーの使用はかつてその効率
を考慮に入れても化石燃料に比較して割高であったが、
電気溶融炉におけるプロセスの単純性、高効率性は近年
の化石燃料の高騰とあいまってその有利性を次第に高め
、新しいガラス溶融技術としてその地位を確立しつつあ
る。

このような電気溶融炉として、例えば特公昭５２−２６
８８４号公報は溶解タンクの上方部分内の少なくとも１
つの溶解帯域で少なくとも２つの複数レベルにおいて溶
融ガラスに通電することによって熱エネルギーを発生さ
せ、それによって前記複数レベルにおいて方向が相反す
る溶融ガラスの循環流を生成、維持する三相交流電極配
置を持つ電気溶融炉及び溶解方法を開示している。

また、特開昭４７−１３６１８号公報は炉内複数平面に
電極群を持つガラス電気溶融炉において、１平面の電極
群の内端部をその上方及び下方の平面の電極群の端部間
の間隙に位置せしめ、かくして各下位平面の上昇ガラス
流を上位平面との境界面において各上位平面の下降ガラ
ス流と会合させ、各ガラス流が他方の平面内に浸入する
のを阻止する電気溶融炉と溶融方法を開示している。

さらに、特公昭５６−９４５５号公報は電気溶融炉にお
いて溶融ガラスの上に堆積する未溶融のガラスバッチあ
るいは不完全溶融バッチが電極付　。

近の炉壁に向って対流するのを最小限に抑制するために
、溶融ガラスに浸漬されている電極の上方で、かつ溶融
ガラスと接触しない位置において炉壁にバッチ邪摩板手
段を装着した電気溶融炉を開示している。

これらの公報を含めて従来の電気溶融炉はその水平断面
形状としてｎ　＝　’１以上の正６ｎ角形、普通は６〜
１２角形、典形的には６角形の構造を取る点で共通して
いる。例えば、前記特公昭５２−２６８８４号公報は６
角形の上方垂直部とこれに連接する倒立６角錐形の漏斗
形底部から成る炉構造を開示し、また前記特開昭４７−
１３６１８号及び特公昭５６−９４５５号公報は共に６
角形の角柱構造を開示している。

ガラス溶融炉はガラスバッチの溶融に十数百度の温度が
必要とされることから、そのような温度に耐え得る耐火
レンガ等の耐火材料で構成されるが、これらの耐火材料
は周知のように溶融ガラスによる侵蝕を避けられず、そ
の耐用年数は２〜６年程度といわれている。耐用年数経
過後、炉は改修を受け、あるいは新たに建造されるが、
その炉コストはガラス製品の生産コストのかなシ大きな
部分を占める。一方、耐火材料の溶融ガラスによる侵蝕
は操業初期には実際上問題にならないが、操業後期に近
ずくにつれて炉の安全操業にとって大きな問題になる。

従って、炉形態の単純さと炉構造の安定さけ炉建造、あ
るいは炉に対する支持、補強工作の容易さを保証するの
みならず、炉の耐久性を高め、且つ炉の操業安全性を確
保する意味においても重要なファクターである。これら
の観点から従来の電気溶融炉を検討すると、その多角形
態は炉建造の技術的困難さを増し、また外部からの支持
、補強工作を複雑、困難にするとともに、多角形態に基
づく耐火材料相互間の接合目地部の多さは溶融ガラスに
よる侵蝕がよシ激しく進行する侵蝕部位の増大につなが
シ、炉の深さが平炉の数倍に及ぶことと相まって炉の総
合的な構造安定性を阻害する要因となっている。

このような正多角形の炉構造は給電系の本電源が位相が
互いに１２００　ずつずれている三相交流電源であるこ
とに関連している。すなわち、炉の下部における層流清
澄領域のガラスに影響を及はさない適正な対流を生起さ
せるには電極を含む平面内のガラスを電流が均等に流れ
る必要があるが、三相のパワーシステムを用いる場合に
この電流の均等な流れを達成するにはパワーシステムの
３つの相に接続される各電極を同一平面内において正三
角形を形成するように配置するのが最も合理的であって
、前記多角炉構造はこの電極配置に対してｎ　＝　’１
以上の、正６ｎ角形の横断面構造が合目的であることに
由来している。

しかし、このような三相電極配置によって均等加熱と適
正対流の形成を達成するにはかなシ複雑な通電パターン
、例えば前記特公昭５２−２６８８４号公報に典形的に
開示されるように、炉壁に配設された電極を含むレベル
の面内において各電極を頂点とする三角形の辺に最短電
流通路を形成する三角形の通電パターンや、隣シ合う電
極間で炉壁周辺に最短電流通路を形成する炉壁周囲通電
パターン、あるいは複数のレベＪしにおいて前記両パタ
ーンを重ね合わせたパターンのような複雑な通電パター
ンを取る必要があυ、これに伴ってその制御技術も複雑
になる。そして、特に電気溶融炉が大型になると、この
ような通電パターンによって広い面積の全面にわたって
均等な、加熱と適正な対流形成及びその制御を達成する
のは非常に困難で、この加熱制御の面からも炉の大きさ
には制限がある。

従って、本発明は単純な炉形態を持ち、構造安定性の高
い、そして単純な通電パターンによって均等加熱と適正
対流の形成を可能にし、しかも任意の規模の炉に適用可
能な電極配置を持つ縦型電気溶融炉を提供することを目
的とする。

上記目的を達成する本発明によれば、基本的（は、頂部
に原料ガラスバッチの受容開口を有する原料ガラスバッ
チの溶融対流区域と；炉底区域に溶融ガラスの取出開口
を有し、前記溶融対流区域に対して垂直下方に連接する
溶融ガラスの層流清澄区域と；少なくとも前記溶融対流
区域に少なくとも１つの水平レベルにおいて該区域を画
成している周壁に貫通、配設されている電極群とから成
シ；そして前記溶融ガラスの取出開口は任意の流通路を
介してフィーダーに接続されているガラスの電気溶融炉
において：前記炉は方形の横断面形状１組の周壁に１そ
れら周壁に対して実質的に垂直に、かつ等間隔に、そし
て対向関係で、隣シ合う電極間では相互に位相を異にし
、−力対向する電極間では相互に位相を同じくして配置
されていることを特徴とする電気溶融炉が提供される。

この本発明によれば、その方形横断面構造は炉の建造と
その支持、補強工作を容易にし、また溶融ガラスによる
′侵蝕がよシ激しく進行する耐火材相間の接合目地部を
減少させ、かくして炉の総合的な構造安定性を著しく向
上させるとともに、周壁に垂直に、かつ等間隔に配列さ
れる電極配置は複雑な加熱制御技術を要することなしに
、そして炉の大／ｈに係わらず、電極を含む平面内に均
等な通電パターンを形成し、かくして溶融対流区域にバ
ランスのよい熱対流を形成することを可能にする０ 以上の本発明を図面を参照してさらに説明すもしかし、
図示電気溶融炉は本発明の好ましい実施態様であって、
本発明がこれらに限定されないことはもちろんである。

添附図面において、第１図は本発明の方形電気溶融炉の
側断面図を、また第２図は電極配置とこれに対するパワ
ーシステムを示す第１図の■−■面における横断面図を
それぞれ示す。これらの図において、電気溶融炉１は耐
火レンガがら成る周壁２及び炉底壁３によって画成され
、そしてその相対的に上部は溶融ガラスの溶融対流区域
４を構成し、相対的に下部は溶融ガラスの層流清澄区域
５を構成する。

溶融対流区域４の頂部は原料ガラスバッチを受容し、炉
内溶融ガラス６の上にガラスバッチの堆積層７を形成す
るために全面的に解放されている。

この頂部開放口の上方には、図示しないが、原料ガラス
バッチの供給装置が配置され、ガラスバラ１ チがその開放口に連続的に、又は断続的に供給、好まし
くは散布、供給されるようになっている。

この溶融対流区域４においてガラスバッチが溶融され、
熱対流下である程度の清澄、均質化が行われる。

一方、層流清澄区域５は前記溶融対流区域４がら垂直下
方に直接連接し、炉底壁３によって閉じられている。こ
の層流清澄区域５において溶融対流区域４から連続供給
される溶融が２スは実質的に完全に均質化及び清澄化さ
れる。均質、清澄化されたガラスは１つの周壁の底端部
に形成される取出開口８から取シ出される。との取出開
口８には、図示されないが、通常はライず−あるいは他
の任意の流通路を介して、成形装置を備えるフィーダー
が接続されている。取出開口８は本図のように１個に限
定されず、複数の周壁に複数個形成することもできる。

本発明の電気溶融炉１は方形の横断面構造を取る。この
方形炉において、その横断面形状は長方形及び正方形を
取り得る。長方形の横断面形状を２ 取る場合、その短辺対長辺の長さの比は大幅に変えるこ
とができ、例えば短辺を長辺のｌ／３又はそれ以下にす
ることもできる。これは通電される溶融ガラスの電気伝
導度がガラス組成によってかなシ大幅に変わることなど
による。

第１図及び第２図において、数字９は主電極群を表わし
、これら電極を介して炉内溶融ガラスに直接通電し、発
生するジュール熱によって溶融ガラス上のガラスバッチ
層のガラスバッチを溶融ガラスとの接触界面において順
次溶融ガラス化し、かつ溶融ガラスに熱対流を引き起す
。電極群９がこのように機能するために、これら電極−
は典形的には溶融ガラスの液面下１０〜６０１程度の深
さの１つの水平レベルに配置されるが、本発明において
は従来法と同様にこの一次電極群を含めて主電極群を複
数レベルに配設することもできる。

本発明において、電極群９は本発明の方形横断面炉の対
向する１組の周壁に、少なくとも１つの水平レベルにお
いて、それら周壁に対して垂直に、かつ実質的に等間隔
に、そして対向関係でそれら周壁に貫通、配設される。

長方形の横断面炉の場合、電極群は長辺をなす周壁に配
設するのが好ましいが、小型炉の場合はその短辺をなす
周壁に配設することができる。

上記の電極配置において、電極は隣シ合う電極間におい
ては相互に異なる位相を持つように、−力対向する電極
間においては同じ位相を持つように配置される。電極間
の位相差は９０°　又は１２０゜とするのが最も一般的
である。

本発明において、電極は棒状電極で構成される。

これらの棒状電極は加熱を広い領域に及ぼす意味から炉
の中央部附近まで延在、配置するのが好ましい。また、
それぞれの周壁に複数配置されている電極群において、
両端の電極ではさまれる内側の各相の電極は両側に位相
が異なる電極を持つことから電流密度が高くな９．電極
の消耗が大きいことから、これを防ぐために後述する第
３図および第４図の実施例に示す如くそれぞれ２本の電
極で構成するのが好ましい。

本発明において、電極自体は公知の材質よシ成るものが
使用し得、例えばモリブデン電極がちも上記の電極配置
において、電極間の位相差が、例えば９０°　又は１２
０°　である位相関係は公知の二相又は三相のパワーシ
ステムを用いることによって達成することができる。

すなわち、第２図は隣シ合う電極間において位相が互い
に９０°異なシ、一方対向する電極は同じ位相を持って
いる、二相のパワーシステムによる棒状電極群９の配置
を示し、そのパワーシステムは三相電源に接続されてい
るレギュレーター１０とスコツト結線による二相出力の
変圧器１１よ構成る。このパワーシステムによる溶融ガ
ラス中の電流密度、従ってガラス温度の制御はレギュレ
ータ−１０によって行われる。

第６図は二相電極配置のもう１つの例を示し、第２図と
同様に二相のパワーシステムと電極間の相互位相関係を
持つが、両端の電極を除いて内側の各位相の電極がそれ
ぞれ２本の電極で構成されている。

また、第４図はレギュレーター１０′と三相出力５ の変圧器１１′よ）成る三相のパワーシステムによる転
極配置を示し、各電極９′は図示のようにそれぞれ位相
が相互に１２０°異なっているＲ、Ｓ、Ｔの相を持って
いる。

以上説明した本発明の縦型方形電気溶融炉によるガラス
の溶融、清澄過程を第１図及び第２図を主に参照して説
明する。

第１図及び第２図の電気溶融炉１において、原料ガラス
バッチは炉の頂部開放口に散布、供給され、炉内溶融ガ
ラス６の上に堆積してバッチ層７を形成する。このバッ
チ層７は炉内溶融ガラスからの放熱を遮断する。層１の
ガラスバッチは溶融ガラス６との接触界面において溶融
ガラスから熱を受けて徐々に溶融及びガラス化される。

このときガラス化反応によ多発生するガスは大部分バッ
チ層１を抜け、大気中に散逸する。

炉内溶融ガラス６の加熱は炉の長辺を形成する対向する
周壁のそれぞれに対して垂直に、かつ等間隔に、炉の中
央部附近まで延在、配置された棒状電極群９に対する二
相パワーシステム１０゜６ １１からの通電によって達成される。電極は隣シ合う電
極間で位相を９０°異にし、一方対向する電極間では同
じ位相を持っている。このような配置の電極に通電する
と、平行な隣シ合う電極間に最短電流通路が形成され、
かつ各電極を中心に、隣接電極方向に減少する電流密度
勾配を持ち、その電極に沿って帯状に均一な最高電流密
度領域が形成される。そしてその最高電流密度領域の形
成に伴ってその近傍に同様に帯状の最高温度領域が形成
され、かくして電極間において電極近傍で高く、電極を
離れるにつれて低くなる温度分布が現われる。最高電流
密度、従って最高温度はレギュレーター１０によって行
われる。

このように高温に加熱された溶融ガラスは相対的に高温
、低密度の最高温度領域のガラスが主に大きな上昇流を
形成してバッチ層Ｔに向い、その熱の一部をガラスバッ
チの溶融、ガラス化反応に供給し、自身は熱を失って冷
え、低温、高密度となる。この低温、高密度のガラスは
ガラスバッチの溶融、ガラス化反応の結果生成した粗溶
融状態のガラスと混じｐ合い、下降流となって下方に向
い、そして電極近傍に到達すると再び加熱されて上昇す
る。この一連のザイクルが存在することによシミ極近傍
とガラスバッチ層との間に熱対流としての、激しい循環
流Ａが形成される。

この電気溶融炉１は電極群９による加熱だけを熱源とし
ているので、電極群９の近傍を境に下方に向うにつれて
ガラス温度は徐々に低下する。このため前記循環流人は
電極群よシ下方のある一定の位置までしかその影響を及
ぼさない。このガラスの熱対流領域が前記溶融対流区域
４に対応すらこのガラスの熱対流領域の深さはいろいろ
な因子、例えば設定温度によって変わシ、ケースバイケ
ースであるが、通常は炉の深さの１／２〜３１５程度の
位置となるように設定される。

前記粗溶融ガラスはこの溶融対流区域４のガラスにおけ
る循環流人にまき込まれ、循環する間にその不均質部分
は引き伸ばされ、物理的攪拌、混合及び拡散を受けて均
質化が進むとともに、バッチ層近傍で脱泡されなかった
残存ガスの大部分がこの循環中に浮上、脱気される。

上記第１図及び第２図の方形炉と電極配置に対して、第
６図及び第４図の電極配置を持つ方形炉によるときも、
基本的には第１図及び第２図と同じ通電パターンと熱対
流が形成される。

かくして、本発明の方形電気溶融炉によれば、互いに平
行な炉の対向する１組の周壁に垂直に、かつ等間隔に、
そして対向関係で配設された、隣シ合う平行な電極間に
自然で、かつ単純な、各電極間で相互に均等な平面内通
電パターンを形成することができ、従って溶融対流区域
の全域をカバーしてバランスのよい熱対流を形成するこ
とができる。また、この平面内通電パターンは基本的に
は１つの水平レベルにだけ電極を配置することによって
全水平面をカバーして形成することができ、従ってまた
炉の大型化に対しては電極数の増加で対応することがで
きる。

この溶融対流区域４において溶融、混合されたガラスは
かなシの程度まで清澄化されているが、しかしなお若干
の泡、不均一な脈理及び温度むら９ スは次に順次層流清澄区域５に移行し、炉底まで進む間
に完壁な均質、清澄化と温度の均一化が達成される。

すなわち、層流清澄区域５における溶融ガラスには大量
の溶融ガラスに対して十分に少ないガラスの引出量に基
づいて下方に向う極めて緩慢な、層流としての流れＢの
みが存在している。溶融対流区域４からの溶融ガラスは
この層流Ｂに乗って層流清澄区域５に長時間滞在し、下
方に移行する間に拡散及び熱伝導に基づいて不均質部分
と温度むらが解消される。また、溶融対流区域４からの
溶融ガラス中に残存する小泡のうちジンプ（Ｌａｍｐ）
の式 ％式％ （式中、■は層流Ｂの流速であシ、 ｇは重力加速度であり、 ｄは泡の径であ）、 ρは溶融ガラスの密度であシ、そして ηは溶融ガラスの粘度である） ０ で与えられる径よシ大きいものは溶融ガラスが層流清澄
区域を移行する間に上方に浮上、脱泡され一方それ以下
の微小な泡はガラスが下方に進むにつれて増加する圧力
を受けて、気−液平衡の法則に従いその大半がガラス中
に溶は込む。実際、炉底において溶融ガラスには気泡は
実質的に存在しないことが見い出されている。かくして
、炉底近傍には化学組成的に、及び熱的に均一で、且つ
泡のない、実質的に完全に均質、清澄化された加圧状態
の溶融ガラスが存在し、完全に精製されたガラスがガラ
スの取出開口８に供給される。

この濁流清澄区域５には炉の始動時における底部区域の
ガラスの加熱及び／又は炉の運転時に取出開口に供給さ
れる精製ガラスの温度補正のために周壁″に補助電極群
１２を貫通、配設することができる。この補助電極群１
２による加熱は層流状態にある溶融ガラスに新たな熱対
流を引き起すことのないように制御されなければならな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電気溶融炉の側断面図であり、第２図
は電極配置と電極に対するパワーシステムを示す第１図
の■−■面の横断面図であり、第３図及び第４図は他の
電極配置とそれに対するパワーシステムを示す炉の横断
面図である。 １・・・電気溶融炉、２・・・周壁、３・・・底壁、４
・・・溶融対流区域、５・・・層流清澄区域、６・・・
溶融ガラス、７・・・ガラスバッチ堆積層、８・・・溶
融ガラス取山開口、９．９′・・・主電極群、１０　、
１０’・・・レギュレーター、１１　、１１’・・・変
圧器、１２・・・補助電極群、Ａ・・・循環流、Ｂ・・
・層流。 代理人　浅　村　　　皓 外４名 オア　図 １２園 ２−３図 才４図 ・　Ｒ２Ｒ −１−／

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）頂部に原料ガラスバッチの受容開口を有する原料
   ガラスバッチの溶融対流区域と；炉底区域に溶融ガラス
   の取出開口を有し、前記溶融対流区域に対して垂直下方
   に連接する溶融ガラスの層流清澄区域と；少なくとも前
   記溶融対流区域に少なくとも１つの水平レベルにおいて
   該区域を画成している周壁に貫通、配設されている電極
   群とから成シ；そして前記溶融ガラスの取出開口は任意
   の流通路を介してフィーダーに接続されているガラスの
   電気溶融炉において：前記炉は方形の横断面形状に形成
   され；そして前記電極群は棒状電極で構成され、そして
   各電極は前記方形横断面炉の対向する１組の周壁に、そ
   れら周壁に対して実質的に垂直に、かつ等間隔に、そし
   て対向関係で、隣シ合う電極間では相互に位相を異にし
   、一方対向する電極間では相互に位相を同じくして配置
   されていることを特徴とするガラスの電気溶融炉。
2. （２）炉の横断面形状が長方形である前記特許請求の範
   囲第（１）項に記載の電気溶融炉。
3. （３）電極群が炉の長辺をなす周壁に配設されている前
   記特許請求の範囲第（２）項に記載の電気溶融炉。
4. （４）隣シ合う電極間の位相差が９０°　である前記特
   許請求の範囲第（１）項から第（３）項のいずれか１項
   に記載の電気溶融炉。
5. （５）隣り合う電極間の位相差が１２００　である前記
   特許請求の範囲第（１）項から第（３）項のいずれか１
   項に記載の電気溶融炉。 ・　（６）電極が炉の中央部附近まで延在、配置されて
   いる前記特許請求の範囲第（３）項から第（５）項のい
   ずれか１項に記載の電気溶融炉。 （力　両端の電極ではさまれる内側の各相の電極がそれ
   ぞれ２本の電極で構成されている前記特許請求の範囲第
   （１）項から第（６）項のいづれか１項に記載の電気溶
   融炉。