JP6284418B2 - ガラス融液の攪拌機構、ガラス溶解用スターラーのカバー及びガラスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス融液の攪拌機構、ガラス溶解用スターラーのカバー及びガラスの製造方法に関する。

ガラスの製造工程において、ガラスを溶融する溶解炉内は、例えば１４００〜１６００℃の高温酸素含有ガス雰囲気となる。ガラス溶解用のスターラーに使用する材料には、高温酸素含有ガス雰囲気で高い強度を有すること、寿命が長いことが求められる。１０００℃以上の高温で使用できる材料としては、白金、イリジウムが知られている。白金は１０００℃以上の酸素含有ガス雰囲気であっても極めて安定であり、酸化揮発消耗が少ない。しかし、１５００℃を超える高温域では粒成長しやすく、強度が低下する問題がある。一方、イリジウムは、１０００℃以上の高温域において白金よりも高い強度を有する。しかし、イリジウムの酸化揮発量は白金の約１００倍であり、高温酸素含有ガス雰囲気で使用すると寿命が短いという問題がある。

本出願人は、ガラス溶融に使用できる部材として、イリジウム又はイリジウム基合金からなる構造体の表面を、白金又は白金ロジウム合金からなる外側層と金属種を含む白金又は白金ロジウム合金からなる内側層とが接合されてなり、かつ、内側層は外側層側とは反対側の表面に、金属種の酸化物粒子が分散状態で析出している二層構造のカバーで被覆した複合構造体を提案している（例えば、特許文献１を参照。）。特許文献１の複合構造体では、構造体のイリジウムとカバーの白金との接触によって電位差が生じ、ガラス融液中で白金側から気泡が発生する問題があった。そこで、本出願人は、構造体とカバーとの間に生じる電位差を、逆電位を印加して打ち消すガラス融液の均質化方法を提案している（例えば、特許文献２を参照。）。

特開２０１１−３７２４４号公報 特開２０１１−５１８５８号公報

ガラス溶解用のスターラーの回転軸を、耐熱温度の向上及び高温域での強度向上を目的として白金からイリジウムに替えると、イリジウムの酸化揮発の問題が生じる。そこで、イリジウムからなる回転軸の表面を白金からなるカバーで被覆すると、回転軸のイリジウムとカバーの白金との間で拡散や起電力の発生が問題となる。特許文献１では、拡散の問題を、内側層の外側層側とは反対側の表面に、金属種の酸化物粒子を分散状態で析出させることで解決してきた。しかし、特許文献１では起電力が発生する場合があった。特許文献２では、起電力発生の問題を、回転軸とカバーとの間に生じる電位差を逆電位で打ち消すことで解決してきた。しかし、特許文献２の方法では、スターラーの形状によっては均一に逆電位をかけることができず、ガラス融液中での気泡の発生を防止することができない場合があった。そこで、本発明者は、拡散の問題及び起電力発生の問題を生じさせずに、イリジウムの酸化揮発を抑制する手段を鋭意検討した。

本発明の目的は、イリジウム又はイリジウム基合金からなるガラス溶解用スターラーを、拡散及び起電力の問題を生じさせずに、高温酸素含有ガス雰囲気に長時間暴露される環境であっても、高い強度を保ちながら長寿命で使用できるガラス融液の攪拌機構、ガラス溶解用スターラーのカバー及びガラスの製造方法を提供することである。

本発明に係るガラス融液の攪拌機構は、イリジウム又はイリジウム基合金からなり、回転軸と該回転軸の下端部に設けられた攪拌部とを有するガラス溶解用スターラーと、前記回転軸の表面のうち前記攪拌部よりも上方の表面領域を包囲するカバーとを備えるガラス融液の攪拌機構であって、前記カバーは、前記回転軸を非接触で挿通させる白金又は白金基合金からなる内管と、前記内管の側面を覆う白金又は白金基合金からなる外管と、前記内管と前記外管との間に設けられたガス流路とを有する二重管構造をなし、前記内管は、該内管内と前記ガス流路とを連通させる横孔を有することを特徴とする。

本発明に係るガラス融液の攪拌機構では、前記ガラス融液の攪拌機構は、前記内管の内表面と前記回転軸の外表面との間に介在する介在部材を備えることが好ましい。ガス流路からガスが漏れることを抑制することができる。また、カバーが回転軸に接触することを防止することができる。

本発明に係るガラス融液の攪拌機構では、前記カバーは、前記回転軸の表面のうち使用時にガラス融液に浸漬されない表面領域を包囲することが好ましい。回転軸のイリジウムが酸化揮発することを抑制することができる。

本発明に係るガラス融液の攪拌機構では、前記カバーは、ガラス溶解炉に固定するための固定手段を有することが好ましい。カバーを回転軸に対して非接触の状態で配置することができる。

本発明に係るガラス溶解用スターラーのカバーは、本発明に係るガラス融液の攪拌機構に用いられることを特徴とする。

本発明に係るガラスの製造方法は、本発明に係るガラス融液の攪拌機構を用いたガラスの製造方法であって、前記カバーの下端の位置をガラス融液の液面から所定の高さに調整する工程と、前記ガス流路に不活性ガスを供給し、前記横孔から前記回転軸に向けて不活性ガスを吹き付ける工程と、を有することを特徴とする。

本発明は、イリジウム又はイリジウム基合金からなるガラス溶解用スターラーを、拡散及び起電力の問題を生じさせずに、高温酸素含有ガス雰囲気に長時間暴露される環境であっても、高い強度を保ちながら長寿命で使用できるガラス融液の攪拌機構、ガラス溶解用スターラーのカバー及びガラスの製造方法を提供することができる。

本実施形態に係るガラス融液の攪拌機構の一例を示す正面図であり、カバー及び炉体は断面図で示した。

次に本発明について実施形態を示して詳細に説明するが本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。本発明の効果を奏する限り、実施形態は種々の変形をしてもよい。

図１は、本実施形態に係るガラス融液の攪拌機構の一例を示す正面図である。本実施形態に係るガラス融液の攪拌機構１は、イリジウム又はイリジウム基合金からなり、回転軸１１と回転軸１１の下端部に設けられた攪拌部１２とを有するガラス溶解用スターラー１０と、回転軸１１の表面のうち攪拌部１２よりも上方の表面領域Ｓ１を包囲するカバー１００とを備えるガラス融液の攪拌機構であって、カバー１００は、回転軸１１を非接触で挿通させる白金又は白金基合金からなる内管１０１と、内管１０１の側面を覆う白金又は白金基合金からなる外管１０２と、内管１０１と外管１０２との間に設けられたガス流路１０３とを有する二重管構造をなし、内管１０１は、内管１０１内とガス流路１０３とを連通させる横孔１０４を有する。

ガラス融液の攪拌機構１は、ガラス溶解炉２に取付けられ、ガラス溶解用スターラー１０とカバー１００とを備える。

ガラス溶解炉２は、例えば、光学ガラスの溶解炉、液晶ディスプレイ用ガラスの溶解炉である。

ガラス溶解用スターラー１０は、ガラス融液を攪拌するための攪拌棒であり、回転軸１１と攪拌部１２とを有する。

回転軸１１は、図１に示すように筒状であるか、又は棒状であってもよい（不図示）。回転軸１１を筒状とする場合は、筒の内部が酸素含有ガスに晒されないように筒内を真空封じしておくか、又は密封化しておくことが好ましい。回転軸１１の下端部には攪拌部１２が設けられ、回転軸１１の上端部にはモーター（不図示）が接続される。

回転軸１１は、イリジウム又はイリジウム基合金からなる。イリジウム基合金は、主成分をイリジウムとする合金である。イリジウム基合金においてイリジウムと合金を構成する金属成分は、ロジウム（Ｒｈ）、レニウム（Ｒｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、Ｔａ（タンタル）、Ｚｒ（ジルコニウム）及びＨｆ（ハフニウム）から選択される少なくとも１種であることが好ましい。イリジウム基合金中のイリジウムの含有量は、例えば９０質量％以上である。

攪拌部１２は、図１では一例として複数本の丸棒状の攪拌翼１２ａを有する形態を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、らせん状の攪拌翼を有する形態（不図示）、ヘリカルリボン状の攪拌翼を有する形態（不図示）であってもよい。

攪拌部１２は、イリジウム又はイリジウム基合金からなる。イリジウム基合金は、主成分をイリジウムとする合金である。イリジウム基合金においてイリジウムと合金を構成する金属成分は、ロジウム（Ｒｈ）、レニウム（Ｒｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、Ｔａ（タンタル）、Ｚｒ（ジルコニウム）及びＨｆ（ハフニウム）から選択される少なくとも１種であることが好ましい。イリジウム基合金中のイリジウムの含有量は、例えば９０質量％以上である。回転軸１１と攪拌部１２とは、一体であるか、又は別体であってもよい。回転軸１１と攪拌部１２とが別体であるとき、回転軸１１及び攪拌部１２は、同じ材質で形成することが好ましい。

カバー１００は、ガラス溶解用スターラー１０のカバーであり、回転軸１１の外側に全周にわたって配置される。カバー１００は、内管１０１と外管１０２とガス流路１０３とを有する二重管構造をなす。

内管１０１は、上端及び下端が開口した筒状である。内管１０１は、回転軸１１の外側に非接触で配置される。内管１０１の内表面と回転軸１１の外表面との間隔は、５〜３０ｍｍであることが好ましく、５〜１０ｍｍであることがより好ましい。内管１０１と回転軸１１との間の空間５０を効率的に不活性ガス雰囲気とすることができる。

内管１０１は、内管１０１の側面を貫通して設けられた横孔１０４を有する。横孔１０４は、内管１０１の周方向に間隔をあけて複数個配置されるとともに、内管１０１の軸方向に沿って複数段配置されることが好ましい。回転軸１１の周囲に不活性ガス雰囲気を効率的に作り出すことができる。本発明は、横孔１０４の形状、個数及び配置に限定されない。例えば、横孔１０４は内管１０１の軸方向に延びるスリット（不図示）であってもよい。

内管１０１は、白金又は白金基合金からなる。白金基合金は、主成分を白金とする合金である。白金基合金において白金と合金を構成する金属成分は、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、Ｔａ（タンタル）、Ｚｒ（ジルコニウム）及びＨｆ（ハフニウム）から選択される少なくとも１種であることが好ましい。白金基合金中の白金の含有量は、７０質量％以上であることが好ましく、９０質量％以上であることがより好ましい。また、白金又は白金基合金は、酸化物分散強化型であってもよい。酸化物分散強化型白金又は白金基合金とは、分散粒子として酸化物粒子を含む白金又は白金基合金をいう。酸化物粒子は、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）である。本実施形態では、内管１０１は、カバー１００をより長寿命とすることができる点で、酸化物分散強化型白金又は白金基合金であることが好ましく、酸化物分散強化型白金ロジウム合金であることがより好ましい。

外管１０２は、内管１０１の外側に非接触で配置されることが好ましく、内管１０１に対して同心状に配置されることがより好ましい。外管１０２の上端と内管１０１の上端とは、上端接合部１０８ａで接合されていることが好ましい。また、外管１０２の下端と内管１０１の下端とは、下端接合部１０８ｂで接合されていることが好ましい。外管１０２の上端と内管１０１の上端との間又は外管１０２の下端と内管１０１の下端との間から不活性ガスが漏れることを防止し、不活性ガスを横孔１０４から回転軸１１に向けてより効率的に吹き付けることができる。また、内管１０１と外管１０２との間を所定の間隔であけてガス流路１０３を形成することができる。内管１０１の外周面と外管１０２の内周面との間隔は、内管１０１と外管１０２との間に設けられたガス流路１０３内に不活性ガスを流通させることができればよく、特に限定されないが、１〜１０ｍｍであることが好ましく、２〜５ｍｍであることがより好ましい。

外管１０２は、白金又は白金基合金からなる。白金又は白金基合金は、内管１０１の材質で例示したものを使用できる。外管１０２は、カバー１００をより長寿命とすることができる点で、酸化物分散強化型白金又は白金基合金であることが好ましく、酸化物分散強化型白金ロジウム合金であることがより好ましい。また、外管１０２は、内管１０１と同じ材質であることが好ましい。

ガス流路１０３は、内管１０１の外周面と外管１０２の内周面との間に形成された空間である。ガス流路１０３には、ガス導入管１０７から不活性ガスが供給される。ガス導入管１０７は、例えば、外管１０２の外周面に取付けられる。より好ましくは、図１に示すように外管１０２の上端部の外周面に取付けられる。ガス流路１０３内の上部から下部までよどみなく不活性ガスを流すことができ、ガス流路１０３内に不活性ガスをより効率的に充満させることができる。内管１０１内の空間５０とガス流路１０３とは、横孔１０４で連通しており、ガス流路１０３に不活性ガスが供給されると、横孔１０４から回転軸１１に向かって不活性ガスが吹き付けられる。

カバー１００が設けられる表面領域Ｓ１は、回転軸１１の表面のうち攪拌部１２よりも上方の表面領域である。本明細書において、「上方」とは、回転軸１１のモーター（不図示）が接続された側の端部に向かう方向をいう。また、「下方」とは、回転軸１１の攪拌部１２が設けられた側の端部に向かう方向をいう。

表面領域Ｓ１は、図１に示すように、回転軸１１の表面のうち使用時にガラス融液の液面Ｌ１よりも上方に配置される表面領域であることが好ましい。回転軸１１の表面のうち使用時にガラス融液の液面Ｌ１よりも上方の表面領域は、例えば１０００℃以上の高温であり、かつ、酸素ガス雰囲気、大気雰囲気、酸素分圧が調整されたガス雰囲気などの酸素含有ガス雰囲気に晒される。高温酸素ガス含有雰囲気に晒されると回転軸１１のイリジウムが酸化揮発するところ、表面領域Ｓ１を二重管構造のカバー１００で包囲して、横孔１０４から回転軸１１に向けて不活性ガスを吹き付けることで、回転軸１１の周辺に局部的に不活性ガス雰囲気を作り出し、イリジウムの酸化揮発消耗を最小限とすることができる。また、カバー１００を液面Ｌ１に浸漬させると、カバー１００の白金と回転軸１１のイリジウムとが接触したときに電位差によってカバー１００側から電解泡（気泡）が発生してガラス融液中に混入するおそれがあるところ、カバー１００をガラス融液に浸漬させないことで、ガラス融液中に気泡が混入することを防止し、ガラスを均質化することができる。

カバー１００の下端から液面Ｌ１までの高さｄは、１０ｍｍ以下であることが好ましく、６ｍｍ以下であることがより好ましい。ｄを１０ｍｍ以下とすることで、不活性ガスの吹き出しによって、回転軸１１の表面のうちカバー１００で包囲されておらず、ガラス融液の液面Ｌ１から出ている部分が酸素含有ガス雰囲気に晒されることを防止することができる。カバー１００の下端から液面Ｌ１までの高さｄは、２ｍｍ以上であることが好ましく、４ｍｍ以上であることがより好ましい。ｄが２ｍｍ未満では、カバー１００の下方に存在するガラス融液の温度が下がって、ガラス融液の粘度が局所的に高くなる場合がある。本実施形態に係るガラス融液の攪拌機構１では、不活性ガスの加熱手段を備えることが好ましい。カバー１００の下方に存在するガラス融液の温度が下がりにくくすることができる。不活性ガスの加熱手段は、特に限定されないが、例えば、ガス導入管１０７内に配置した発熱体（不図示）である。また、不活性ガスの流量を少なく制御することで、ガラス融液の温度低下を抑制してもよい。不活性ガスの流量は、１〜２０ＮＬ／ｍｉｎであることが好ましく、３〜５ＮＬ／ｍｉｎであることがより好ましい。この範囲とすることで，ガラス融液の温度低下を抑制しつつ、回転軸１１の周辺に局部的に不活性ガス雰囲気を効率的に作り出すことができる。ここで、ＮＬはノルマルリットルであり、基準状態（温度０℃、大気圧１０１３ｈＰａ、相対湿度０％）での体積をいう。

本実施形態に係るガラス融液の攪拌機構１では、カバー１００と回転軸１１とが接触しない構造を有することが好ましい。異種金属同士の接触をなくすことで、電位差が生じず、ガラス融液中に気泡が混入することを防止し、ガラスを均質化することができる。また、カバー１００が回転軸１１の表面のうち使用時に高温となる部分に接触すると、例えばカバー１００の白金と回転軸１１のイリジウムとが相互拡散によって合金化し、回転軸１１が破損するおそれがあるところ、カバー１００と回転軸１１とが接触しない構造とすることで、回転軸１１をより長寿命とすることができる。

本実施形態に係るガラス融液の攪拌機構１は、内管１０１の内表面と回転軸１１の外表面との間の隙間に介在する介在部材１０５を備えることが好ましい。介在部材１０５は、内管１０１の上端から所定の長さにおいて内管１０１の内表面と回転軸１１の外表面との間に介在する環状部１０５ａと環状部１０５ａの上端から外側に延出するフランジ部１０５ｂとを有することが好ましい。環状部１０５ａを内管１０１の上部に嵌合させ、フランジ部１０５ｂをカバー１００の上端に係止させることで、介在部材１０５を容易に取付けることができる。介在部材１０５の材質は、特に限定されないが、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などのセラミックスである。

介在部材１０５は、カバー１００のがたつきを制限し、カバー１００が回転軸１１に接触することを防止するスペーサーとしての役割をもつ。また、介在部材１０５は、ガス流路１０３からのガス漏れを減少させるシール材としての役割ももつ。介在部材１０５を設けることで、回転軸１１の周辺に不活性ガス雰囲気をより効率的に作り出すことができる。

本実施形態に係るガラス融液の攪拌機構１では、カバー１００は、ガラス溶解炉２に固定するための固定手段１０６を有することが好ましい。固定手段１０６は、ガラス溶解炉２の構造に応じて適宜設計すればよく、その形状は特に限定されず、例えば、図１に示すように、外管１０２の外周面から外側に突出するフランジ状とし、炉体に係止させる。カバー１００をガラス溶解炉２に固定することで、カバー１００を回転軸１１に固定せずとも攪拌機構１をガラス溶解炉２に取付けることができ、カバー１００を回転軸１１に対して非接触の状態で配置することができる。固定手段１０６は、図１に示すように外管１０２と一体であるか、又は別体であってもよい（不図示）。固定手段１０６を外管１０２と別体とする場合は、固定手段１０６の材質は、特に限定されず、外管１０２と同じ材質で形成するか、又は外管１０２とは異なる材質で形成してもよい。固定手段１０６を外管１０２と異なる材質で形成する場合は、固定手段１０６の材質を、例えば、耐熱金属（ステンレス、インコネル（登録商標）、パラジウムなど）とし、固定手段１０６を外管１０２に例えば溶接によって接合する。

本実施形態に係るガラスの製造方法は、本実施形態に係るガラス融液の攪拌機構１を用いたガラスの製造方法であって、カバー１００の下端の位置をガラス融液の液面Ｌ１から所定の高さに調整する工程と、ガス流路１０３に不活性ガスを供給し、横孔１０４から回転軸１１に向けて不活性ガスを吹き付ける工程と、を有する。

カバー１００の下端の位置をガラス融液の液面Ｌ１から所定の高さに調整する工程では、高さ調整手段で、ガラス融液の液面Ｌ１に対するカバー１００の下端の高さを調整する。カバー１００の下端の高さは、ガラス融液の液面Ｌ１よりも上方になるように調整することが好ましい。高さ調整手段は、例えば、ガラス溶解用スターラー１０の上下取付位置の調整機構、ガラス融液の液量の調整機構、ガラス溶解炉の高さ調整機構である。このうち、ガラス溶解用スターラー１０の上下取付位置の調整機構及び／又はガラス融液の液量の調整機構であることが好ましい。

ガス流路１０３に供給される不活性ガスは、例えば、窒素ガス、アルゴンガスである。ガス流路１０３に供給された不活性ガスは、横孔１０４から回転軸１１に向けて吹き付けられて、内管１０１内の空間５０を局部的に不活性ガス雰囲気とする。回転軸１１に吹き付けられた不活性ガスは、内管１０１の下端から吹き出してカバー１００の下端とガラス融液の液面Ｌ１との間を通って炉内に放出される。

１ ガラス融液の攪拌機構
２ ガラス溶解炉
１０ ガラス溶解用スターラー
１１ 回転軸
１２ 攪拌部
１２ａ 攪拌翼
５０ 内管と回転軸との間の空間
１００ カバー
１０１ 内管
１０２ 外管
１０３ ガス流路
１０４ 横孔
１０５ 介在部材
１０５ａ 環状部
１０５ｂ フランジ部
１０６ 固定手段
１０７ ガス導入管
Ｓ１ 回転軸の表面のうち攪拌部よりも上方の表面領域
Ｌ１ ガラス融液の液面

Claims (6)

1. イリジウム又はイリジウム基合金からなり、回転軸と該回転軸の下端部に設けられた攪拌部とを有するガラス溶解用スターラーと、
   前記回転軸の表面のうち前記攪拌部よりも上方の表面領域を包囲するカバーとを備えるガラス融液の攪拌機構であって、
   前記カバーは、前記回転軸を非接触で挿通させる白金又は白金基合金からなる内管と、前記内管の側面を覆う白金又は白金基合金からなる外管と、前記内管と前記外管との間に設けられたガス流路とを有する二重管構造をなし、前記内管は、該内管内と前記ガス流路とを連通させる横孔を有することを特徴とするガラス融液の攪拌機構。
2. 前記ガラス融液の攪拌機構は、前記内管の内表面と前記回転軸の外表面との間の隙間に介在する介在部材を備えることを特徴とする請求項１に記載のガラス融液の攪拌機構。
3. 前記カバーは、前記回転軸の表面のうち使用時にガラス融液に浸漬されない表面領域を包囲することを特徴とする請求項１又は２に記載のガラス融液の攪拌機構。
4. 前記カバーは、ガラス溶解炉に固定するための固定手段を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のガラス融液の攪拌機構。
5. 請求項１〜４のいずれか一つに記載されたガラス融液の攪拌機構に用いられることを特徴とするガラス溶解用スターラーのカバー。
6. 請求項１〜４のいずれか一つに記載されたガラス融液の攪拌機構を用いたガラスの製造方法であって、
   前記カバーの下端の位置をガラス融液の液面から所定の高さに調整する工程と、
   前記ガス流路に不活性ガスを供給し、前記横孔から前記回転軸に向けて不活性ガスを吹き付ける工程と、を有することを特徴とするガラスの製造方法。

Images