ボトルガラスの溶解

ガラスの溶解は非常に複雑なプロセスです。バッチ材料は、高温で一連の物理的、化学的、および物理的および化学的変化と反応を経験します。これらの変化と反応の結果、さまざまな原材料の機械的混合物が複雑な溶融材料、つまりガラス液体に変わります。
ガラス溶融プロセス中のバッチ材料の変化と反応に応じて、ガラス溶融プロセスは、ケイ酸塩形成、ガラス形成、清澄化、均質化、冷却の 5 つの段階に分けられます。

一般的なボトルガラスのほとんどはケイ酸塩で構成されており、ケイ酸塩の形成反応は主に固体状態で行われます。この段階では、粉末材料の組成が一連の物理的および化学的変化を起こします。粉末材料内の大量のガス状物質が蒸発します。次に、二酸化ケイ素と他の成分が互いに相互作用し始めます。この段階の終わりに、主な固体状態反応が終了し、粉末材料はケイ酸塩と酸化ケイ素で構成される焼結物になります。ほとんどのガラスでは、この段階は基本的に800〜900度で終了します。

加熱を続けると、ケイ酸塩形成段階で生成された焼結物が溶け始め、低融点混合物が最初に溶け始め、同時にケイ酸塩と残りの二酸化ケイ素が互いに溶けて拡散し、焼結物は透明なガラス液体になります。このプロセスはガラス形成段階と呼ばれます。この時点では、未反応のバッチ材料はありませんが、ガラスにはまだ多数の気泡と筋があり、化学組成と特性も不均一です。この段階での通常のガラスの温度は1200〜1250度です。

ガラス形成段階の最後には、ガラスにはまだ多くの気泡と筋が残っています。加熱を続けると、ガラス液の粘度が低下します。ガラス液内の目に見える気泡を除去するプロセスが、ガラス液の清澄化プロセスです。
ケイ酸塩形成およびガラス形成段階では、バッチ材料の分解、一部の成分の揮発、酸化物の酸化還元反応、ガラスとガス媒体および耐火材料との相互作用により、大量のガスが沈殿します。これらのガスのほとんどは空間に逃げ、残りのガスのほとんどはガラス液に溶解しますが、少量のガスは泡の形でガラス液に残ります。ガラス内のガスの主な状態は、目に見える泡、溶解したガス、ガラス成分と化学結合するガスの3つです。最後の2つは目に見えず、ガラスの外観品質に影響を与えません。ガラス液の清澄化プロセスは、主に目に見える泡を除去するプロセスです。
清澄化の過程で、目に見える泡の除去は次の 2 つの方法で行われます。1. 泡の体積を増やし、泡の上昇を加速し、ガラス表面から浮かび上がった後に破裂して消えます。2. 小さな泡内のガス成分をガラス液に溶解させ、泡を吸収して消えます。
ガラス液の清澄化を早めるために、バッチに特定の清澄剤を添加することに加えて、ガラス液の温度を上げる方法が一般的に採用されています。ほとんどのガラスのこの段階は1400〜1500度で完了し、これはガラス溶融における最も高い温度領域であることがよくあります。清澄化プロセス中のガラス液の粘度はn≈10Pa·sです。

均質化の役割は、ガラス液中の縞模様やその他の不均一性を排除し、ガラス液の各部分の化学組成を均一にすることです。この段階では、ガラス液の熱移動と相互拡散により、ガラス液中の縞模様が徐々に消え、ガラス液の各部分の化学組成が徐々に一定になる傾向があります。この均一性は、ガラス液の各部分の屈折率が同じかどうかによって特徴付けられることが多いです。ほとんどのガラスは、温度が清澄段階の温度よりわずかに低いこの段階で完成します。

均質化されたガラス液は、この時点ではガラス液の温度が高く、粘度が成形時よりも低いため、すぐに製品に成形することはできません。ガラス成形作業には適していません。成形のニーズを満たすには、冷却してガラス液の温度を徐々に下げ、ガラス液の粘度を高める必要があります。ガラス液の温度低下の値は、ガラスの組成と成形方法によって異なります。一般的に、ソーダ石灰ガラスは通常200〜300度冷却する必要があります。冷却されたガラス液は、成形を容易にするために均一な温度が必要です。
冷却中、清澄化されたガラス液は泡が再沈殿するのを防ぐ必要があります。この段階で現れる小さな泡は、二次泡または再生泡と呼ばれます。二次泡は冷却されたガラス液全体に均等に分散しており、直径は通常 0.1mm 未満です。その数はガラス 1 立方センチメートルあたり数千に達することがあります。この段階ではガラス液の温度が下がっているため、二次泡を除去するのは非常に困難です。したがって、冷却プロセス中は二次泡の発生を特に防ぐ必要があります。
上記のガラス溶融プロセスの 5 つの段階はそれぞれ異なりますが、相互に関連しています。これらの段階は実際には厳密な順序で実行されるわけではなく、同時に実行されることがよくあります。

連続操作タンク窯の長さに沿った各点の温度は異なりますが、時間的に固定されているため、安定した温度システムを確立できます。溶融プロセスシステムの正確さは、溶融ガラスの品質に影響を与えるだけでなく、溶融ガラスの出力も決定します。図 2-10 に示すように、連続操作タンク窯のボトルガラスの溶融温度システム。
横火タンク窯でも馬蹄砲タンク窯でも、その温度システムはガラス液の溶融速度、ガラス液の流れ、成形操作、燃料消費量、窯の寿命に影響を与えます。 瓶用ガラスの場合、市販のガラス瓶と缶は、色によって主に無色、水色、エメラルドグリーン、茶色の4種類に分類されます。 ガラスの色が変わったり、ガラスの色の濃度が変わったりすると、熱伝達形式と効率に大きな影響を与えます。 溶融プロセスに関して言えば、ガラスの着色がプロセス条件に与える影響は、ガラスの組成変化の影響よりもはるかに明白で深刻です。 炉内の異なる色のガラスの温度分布には大きな違いがあります。 2-24 は、炉内のさまざまな色のガラスの温度パラメータです。

表 2-24 から、同じ溶融温度でも、色の異なるガラスの液面温度とプール底温度には明らかな違いがあることがわかります。ガラス溶解炉では、放射、対流、伝導という 3 つの熱伝達形式があります。異なる色のガラスでは、放射光を吸収する能力が強いほど、つまり高温の放射熱を吸収する能力が強いほど、ガラス表面が吸収する熱が多くなり、放射の形でガラス体を通して伝達される熱が少なくなります。液面温度の観点から見ると、茶色のガラスは熱吸収能力が最も強く、液面温度が最も高く、エメラルドグリーンのガラスが 2 番目、ライトブルーのガラスが 3 番目です。プール底温度の観点から見ると、問題は少し複雑になります。ライトブルーのガラスは放射光を吸収する能力が低く、放射の形でガラス体を通してプール底に伝達される熱が多いため、プール底温度が高くなります。 エメラルドグリーンのガラスは放射光を吸収する能力が強く、放射の形でガラス体を通してプールの底に伝わる熱が少ないため、プールの底の温度が低くなります。しかし、茶色のガラスは放射光を吸収する能力が強く、プールの底の温度はエメラルドグリーンのガラスよりもはるかに高くなります。その理由は、プール内のガラスがいくつかの液体層に分かれていることが考えられます。

茶色のガラスは光透過率が弱いため、液体層間の温度差が大きく、プールの深さに沿って大きな温度勾配があるはずです。しかし、茶色のガラスの強力な熱吸収能力により、上部のガラス液体が熱を吸収した後、温度が上昇し、体積が膨張し、周囲に向かって水平方向に推力が発生します。この推力はプールの壁によって変化し、下部の液体層に伝達され、対流力を形成します。対流熱伝達の強化は放射熱伝達の不足を補うため、茶色のガラスプールの底部の温度は高くなります。

一般的に言えば、同じプロセス条件と温度システムの下で、同じ成分で色の異なるガラスの場合、茶色のガラスを溶融すると、ガラスの均一性が向上し、溶融速度が速くなります。その理由は、茶色のガラスの強力な熱吸収能力によって引き起こされる強力な対流によるものです。もちろん、バブリング装置の介入により、熱伝達条件が変わります。エメラルドグリーンのガラスを溶融する場合、底部温度、ガラスの均一性、溶融効率を向上させたい場合は、バブリング装置を設置することが効果的な対策です。同じ炉内で異なる色の液体を変更する場合は、溶融部、作業部、供給チャネルのプロセス要素を適宜調整して、ガラスの色の「熱伝達差」によって引き起こされるプロセス状態の変化に適応する必要があります。