(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器を用いないで耐火物内張りガラス溶融装置でガラス形成原料から精製ガラスを生産する方法であって、
ガラス溶融装置が、側壁により底部に連結されると共にこれらの間に溶融部及びその下流側の清澄部を有する細長いチャネルを構成した屋根を有しており、
前記方法は、
ガラス形成原料をガラス溶融装置に投入する工程と、
ガラス溶融装置の屋根中に設けられているバーナブロック内に引っ込んで取り付けられている少なくとも一つの酸素バーナを準備する工程とを有し、
酸素バーナは、ガス状燃料を提供する内側の中央円筒形ガス状燃料導管及び該中央燃料出口と同心であって、酸素を提供する外側の円筒形酸素導管を有し、
前記方法は、
酸素バーナからのガス状燃料及び酸素の速度を制御し、ガス状燃料の速度と酸素の速度が実質的に等しくなるようにして全体として層状のガス状燃料流と全体として層状の酸素流を生じさせ、ガラス形成原料の頂面の近くで燃焼させてほぼ柱状の形をした中間部分を有する火炎を生じさせ、前記火炎がガラス形成原料の表面に当たるようにする工程と、
蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器を用いないで少なくとも一つの酸素バーナからの火炎で覆うことよりガラス形成原料を溶融部内で溶融する工程と、
精製されたガラスを清澄部から引き出す工程とを更に有することを特徴とする方法。
【請求項２】
酸素バーナからのガス状燃料の速度と酸素の速度の偏差が、２０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも一つの酸素バーナが、溶融部の上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
少なくとも一つの酸素バーナが、下流側清澄部の上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
下流側清澄部上の少なくとも一つの酸素バーナが、ガラス溶融装置の長さの2/3から3/4のところに位置していることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記バーナブロックが、内径が２インチから８インチ（５．０８cmから２０．３２cm）の開口部を有していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
少なくとも一つの酸素バーナが、前記バーナブロックの前記開口部内に３インチから１８インチ（７．６２cmから４５．７２cm）の距離、引っ込んだところに設けられていることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項８】
バーナブロックの端とガラス形成原料との間の距離の半分のところの火炎直径が、次の関係式IIで規定されており、
1.5ｉd≦Ｄ２≦ｉd＋0.15Ｈ ・・・II
ここに、ｉd＝バーナブロックの開口部の内径、Ｈ＝バーナブロックの端からガラス形成原料の頂面までの距離、Ｄ２＝バーナブロックの端とガラス形成原料の頂面との間の距離の1/2のところにおける火炎直径である、
請求項１に記載の方法。
【請求項９】
蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器を用いないで耐火物内張りガラス溶融装置でガラス形成原料から精製ガラスを生産する方法であって、
ガラス溶融装置が、側壁により底部に連結されると共にこれらの間に溶融部及びその下流側の清澄部を有する細長いチャネルを構成した屋根を有しており、
前記方法は、
ガラス形成原料をガラス溶融装置に投入する工程と、
ガラス形成原料を溶融部内で溶融する工程と、
下流側の清澄部の上で、ガラス溶融装置の屋根中に設けられているバーナブロック内に引っ込んで取り付けられている少なくとも一つの酸素バーナを準備する工程とを有し、
前記下流側の清澄部の上の少なくとも一つの酸素バーナは、ガス状燃料を提供する内側の中央円筒形ガス状燃料導管及び前記中央燃料出口と同心であって、酸素を提供する外側の円筒形酸素導管を有し、
前記方法は、前記下流側の清澄部の上の少なくとも一つの酸素バーナからのガス状燃料及び酸素の速度を制御し、ガス状燃料の速度と酸素の速度が実質的に等しくなるようにして全体として層状のガス状燃料流と全体として層状の酸素流を生じさせ、ガラス形成原料の頂面の近くで燃焼させてほぼ柱状の形をした中間部分を有する火炎を生じさせ、前記火炎がガラス形成原料の表面に当たるようにする工程と、
精製されたガラスを前記清澄部から引き出す工程とを更に有することを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記下流側の清澄部の上の少なくとも一つの酸素バーナからのガス状燃料の速度と酸素の速度の偏差が２０％以下であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記下流側清澄部の上の少なくとも一つの酸素バーナが、ガラス溶融装置の長さの2/3から3/4のところに位置していることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記バーナブロックが、内径が２インチから８インチ（５．０８cmから２０．３２cm）の開口部を有していることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記下流側の清澄部の上の少なくとも一つの酸素バーナが、前記バーナブロックの前記開口部内に３インチから１８インチ（７．６２cmから４５．７２cm）の距離、引っ込んだところに設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器を用いないで耐火物内張りガラス溶融装置でガラス形成原料から精製ガラスを生産する方法であって、
ガラス溶融装置が、側壁により底部に連結されると共にこれらの間に溶融部及びその下流側の清澄部を有する細長いチャネルを構成した屋根を有しており、
前記方法は、
ガラス形成原料をガラス溶融装置に投入する工程と、
ガラス溶融装置の屋根中に設けられているバーナブロック内に引っ込んで取り付けられている少なくとも一つの酸素バーナを準備する工程とを有し、
前記酸素バーナは、ガス状燃料を提供する内側の中央円筒形ガス状燃料導管及び前記中央燃料出口と同心であって、酸素を提供する外側の円筒形酸素導管を有し、
前記方法は、バーナブロックの出口のところでの前記酸素バーナからのガス状燃料及び酸素の最大速度を、以下の４次線形多項式Ｉで規定される上動作曲線、及び、前記４次線形多項式Ｉの次にある４次線形多項式Ｉで表される下動作曲線によって規定される動作域内で制御し、溶融状態のガラス形成原料の頂面の近くで燃焼させてほぼ柱状の形をした中間部分を有する火炎を生じさせる工程と、
ＶBb＝ａ＋ｂ（Ｈ／ｉd）＋ｃ（Ｈ／ｉd）2
＋ｄ（Ｈ／ｉd）3＋ｅ（Ｈ／ｉd）4・・・Ｉ
ここに、Ｈ／ｉd＝６から２０、ＶBb＝１９０フィート/sから５５０フィート/s（５９．９ｍ/sから１６７．６ｍ/s）、ａ＝５７１．０８０１、ｂ＝−１８７．２９５７、ｃ＝３０．１１６４、ｄ＝−１．８１９８、ｅ＝０．０４であり、
ＶBb＝ａ＋ｂ（Ｈ／ｉd）＋ｃ（Ｈ／ｉd）2
＋ｄ（Ｈ／ｉd）3＋ｅ（Ｈ／ｉd）4 ・・・Ｉ
ここに、Ｈ／ｉd＝６から３０、ＶBb＝５０フィート/sから３００フィート/s（１５．２ｍ/sから９１．４ｍ/s）、ａ＝−１０３．６１１１、ｂ＝３８．９９３９、ｃ＝−２．８７７２、ｄ＝０．１０３３、ｅ＝−０．００１２５であり、
蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器を用いないで少なくとも一つの酸素バーナからの火炎を覆うことによりガラス形成原料を溶融部内で溶融する工程と、
溶融状態のガラス形成原料を清澄部内で精製する工程と、
精製されたガラスを清澄部から引き出す工程とを更に有することを特徴とする方法。
【請求項１５】
下流側清澄部上でガラス溶融装置の屋根中に設けられているバーナブロック内に引っ込んで取り付けられている少なくとも一つの酸素バーナを準備する工程を更に有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔発明の分野〕
本発明は、屋根内にガラス形成原料（これは「バッチ」とも呼ばれる）を溶融する少なくとも一つの酸素バーナが設けられたガラス溶融窯及び酸素バーナの使用方法に関する。特に、本発明は、蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器を用いないでガラス形成原料を溶融し、それにより溶融速度及びガラス製品の品質を向上させる少なくとも一つの酸素バーナを屋根内に有するガラス溶融窯及び酸素バーナの使用方法に関する。
【０００２】
〔発明の背景〕
ガラスを製造するために一般に溶融部及び清澄部を有する熱交換形又は復熱形の窯又は炉が用いられている。熱交換形又は復熱形窯は、他形式の窯とは異なり、空気バーナ（air-fuel burner ）の動作にあたって少なくとも一つの蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器を用いている。少なくとも一つの蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器（これは、多種多様な形状及び寸法のものがある）は、空気バーナに用いられる空気を予熱するのに役立つ。伝熱式熱交換器では、予熱は一般に、溶融室からの流出廃ガス中の熱を碁盤目状に積み重ねられた耐火レンガに伝えることにより達成される。次に、耐火レンガは、熱を燃料の燃焼に用いられることになる流入空気に渡す。通常、伝熱式熱交換器は、主要構成要素として二重壁管を有し、かかる装置では、溶融室からの排ガスがアニュラス部を通って流れている空気に対して向流又は並流状態で中央の管内を流れる。しかしながら、蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器の性能は、経時的に劣化する場合がある。というのは、蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器は、長期間にわたって廃ガスを含有した化学汚染要因物の作用を受けると部分的に詰まったり又は壊れることがあるからである。部分的に詰まりを生じた状態又は壊れた状態の蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器は、空気バーナの性能を低下させ、それによりガラス生産量及び燃料効率を低下させる。
【０００３】
したがって、多くの窯では、空気バーナを補完するために又は空気バーナを全て置き換えて酸素バーナ（oxygen-fuel burner）を用いることが知られている。酸素バーナは、従来型空気バーナの火炎及び熱伝達特性とほぼ等しい火炎及び熱伝達特性を生じるよう設計されている。具体的に説明すると、酸素バーナは、ガラス表面に平行に又は実質的に平行に火炎を放出するよう設計されている。これら酸素バーナは、熱をガラスだけでなく、窯頂部及びその周囲の耐火物中へも上方に伝達する。熱伝達は、火炎からの直接的な熱放射及びガラス溶融窯の耐火性上部構造体からの再放射によって達成される。対流又は伝導によりガラスに伝達される熱は殆ど無い。ガラス溶融窯の性能又は容量は、溶融室内の最も高い耐火物温度によって制約される。したがって、酸素バーナの使用にあたっての一つの関心は、酸素バーナの高温と関連した危険及びガラス溶融窯の耐火性屋根及び壁の過熱にどのように対処するかである。
【０００４】
本発明は、耐火物温度を動作限度内に維持した状態でガラス中への熱伝達量を著しく増大するために酸素による燃料の燃焼で達成できる高い火炎温度及び低い質量流量を利用している。これを達成するため、従来型の火炎平行放出方式ではなく、ガラス表面に垂直に又は実質的に垂直に火炎を放出する少なくとも一つの酸素バーナを利用する。バーナをガラス表面に垂直に向けることにより、放射による熱伝達だけでなく、火炎の対流及び放射特性を利用してエネルギをガラス形成原料に伝える。したがって、火炎の発光及び高温部分は、ガラス形成原料に密接して又はもしそうでなければこれに直に接触して配置される。放射は熱源からの距離の指数関数なので、放射による熱伝達量は、従来型のガラス溶融窯よりも本発明のガラス溶融窯のほうが非常に多い。加うるに、高温の火炎がガラス形成原料に当たることにより、火炎の衝突領域での対流による熱伝達量が実質的に増える。その結果、ガラス及びバッチへの熱伝達量の増加の結果として、ガラスの溶融及び清澄速度が実質的に非常に増大する。さらに、熱伝達の大部分が耐火物からではなく高温の衝炎から直接得られるので、ガラス溶融窯の溶融性能が増大し、この場合、耐火物の熱による劣化が生じない。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、ガラス溶融窯の屋根及び壁を過熱させる恐れを大きくしないでガラス溶融窯の溶融性能を高めることにある。本発明の別の目的は、蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器を用いないで特定のガラス生産速度を維持することにある。本発明の別の目的は、ガラス溶融中のＮＯｘの生成量を減少させることにある。本発明の更に別の目的は、従来型空気バーナ利用ガラス溶融窯又はれは利用ガラス溶融窯と比べて所与の容量当たりのガラス溶融窯サイズを小さくすることにある。本発明の更に別の目的は、従来型空気バーナ利用ガラス溶融窯と比べて溶融ガラス１トン当たりの全所要エネルギを減少させることにある。本発明の別の目的は、性能を一層活用すると共に作動の融通性を一層もたせることができ、それにより生産されたガラスの１トンあたりのガラス溶融装置の資本費を減少させるガラス溶融装置を提供することにある。
【０００６】
〔発明の概要〕
概要を述べると、本発明によれば、ガラス形成原料から精製ガラスを生産する耐火物内張りガラス溶融装置が提供される。ガラス溶融装置は、側壁により底部に連結されていて、溶融部と清澄部との間にチャネルを構成する屋根と、ガラス溶融装置の屋根中に設けられたバーナブロック内に引っ込んで取り付けられた少なくとも一つの酸素バーナとを有する。酸素バーナは、ガス状燃料を提供する内側の中央円筒形ガス状燃料導管及び該中央燃料出口と同心であって、酸素を提供する外側の円筒形酸素導管を有する。酸素バーナは、酸素バーナからのガス状燃料及び酸素の速度を制御し、ガス状燃料の速度と酸素の速度が実質的に等しくなるようにして全体として層状のガス状燃料流と全体として層状の酸素流を生じさせ、ガラス形成原料の頂面の近くで燃焼させてほぼ柱状の形をした中間部分を有する火炎を生じさせ、該火炎がガラス形成原料の表面に当たるようにするよう設計されている。
【０００７】
本発明は又、蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器を用いないで耐火物内張りガラス溶融装置でガラス形成原料から精製ガラスを生産する方法を提供する。この方法は、ガラス形成原料をガラス溶融装置に投入する工程と、ガラス溶融装置の屋根中に設けられているバーナブロック内に引っ込んで取り付けられていて、ガス状燃料を提供する内側の中央円筒形ガス状燃料導管及び該中央燃料出口と同心であって、酸素を提供する外側の円筒形酸素導管を有する少なくとも一つの酸素バーナを準備する工程とを有する。酸素バーナからのガス状燃料及び酸素の速度を制御し、ガス状燃料の速度と酸素の速度が実質的に等しくなるようにして全体として層状のガス状燃料流と全体として層状の酸素流を生じさせ、ガラス形成原料の頂面の近くで燃焼させてほぼ柱状の形をした中間部分を有する火炎を生じさせ、該火炎がガラス形成原料の表面に当たるようにする。蓄熱式熱交換器又は伝熱式熱交換器を用いないで少なくとも一つの酸素バーナからの火炎で覆うことより火炎はガラス形成原料を溶融部内で溶融する。次に、精製されたガラスを清澄部から引き出す。
【０００８】
本発明の別の特徴及び他の目的並びに利点は、図面を参照して行われる以下の詳細な説明から明らかになろう。
【０００９】
〔好ましい実施形態の詳細な説明〕
図面を参照すると、溶融ガラスをガラスフォアハース１２に供給するガラス溶融窯１０が示されており、かかる溶融窯内では、溶融ガラスが一段と精製され、次に１又は２以上のガラス製造機器、例えば容器、繊維化装置等（図示せず）に送られる。図面を検討すると、分かりやすくするために、或る特定の構造上の細部は、従来型のものであって、本発明を開示して説明すれば、これらは当業者の通常の知識に属するものであることを考えて図示していないことは理解されよう。
【００１０】
ガラス溶融窯１０は代表的には、上流側端壁１４、下流側端壁１６、側壁１８、フロア又は底部２０及び屋根２２を有し、これらは全て、適当な耐火物、例えばアルミナ、シリカ、アルミナ−シリカ、ジルコン、ジルコニア−アルミナ−シリカ等で作られている。屋根２２は全体として、チャネルの長手方向軸線に対し横方向の弧状の形をしたものとして図示されているが、屋根は大抵の任意適当な設計のものであってよい。ガラス溶融窯１０の屋根２２は、ガラス形成原料よりも約３〜１０フィート（約０．９〜３．０ｍ）上のところに位置している。当該技術分野では周知のように、ガラス溶融窯１０は、一以上の気泡発生装置２４及び／又は電気ブースト電極を有するのがよいが、これらを設けるかどうかは任意である。気泡発生装置及び／又は電気ブースト電極は、バルクガラスの温度を上昇させてバッチカバーの下の溶融ガラスの循環量を増加させる。
【００１１】
ガラス溶融窯１０は、２つの連続した部分、即ち溶融部２６及びこの下流側の清澄部２８を有している。溶融部２６は、ガラス溶融窯１０の上流側区分として考えられ、かかる区分において、ガラス形成原料３０が当該技術分野では周知のタイプの投入装置３２を用いて窯内へ投入される。ガラス形成原料３０は、ガラスの製造に通常用いられる原料の混合物であるのがよい。ガラス形成原料３０の補給量は、製造対象のガラスのタイプで決まることは理解されよう。通常、かかるガラス形成原料はとりわけ、カレットと通称されている微粉砕したスクラップガラスを含むシリカ含有材料から成る。他のガラス形成原料も使用することができ、かかる原料としては、長石、石灰石、ドロマイト、ソーダ灰、ポッタース、硼砂及びアルミナが挙げられる。ガラスの性質を変えるために、微量の砒素、アンチモン、スルフェート、炭素及び／又は弗化物（フルオリド）も添加される場合がある。さらに、所望の色を得るために、発色金属酸化物を添加する場合がある。
【００１２】
ガラス形成原料３０は、ガラス溶融窯１０の溶融部２６内の溶融ガラスの表面上に固体粒子から成るバッチ層を形成する。浮遊状態のガラス形成原料３０からなる固体バッチ粒子は、ガラス溶融窯１０の屋根２２内に設けられている制御された衝炎形状及び長さの少なくとも一つの酸素バーナ３４によって大部分が溶融される。少なくとも一つの酸素バーナ３４を本発明に従ってガラス形成原料３０上でガラス溶融窯１０の屋根２２内に据え付けることにより、固体ガラス形成原料の溶融速度が増大すると同時にその周りの耐火物の動作温度が動作上の許容限度内に保たれる。
【００１３】
本明細書で用いる「少なくとも一つの酸素バーナ」という用語は、１又は２以上の酸素バーナを意味している。さらに、本明細書で用いる「少なくとも一つの酸素バーナによって大部分が」という用語は、ガラス形成原料を溶融するためのエネルギのうち少なくとも７０％が少なくとも一つの酸素バーナから得られることを意味している。
【００１４】
特定の一実施形態では、図１、図２及び図４に示すように、ガラス溶融窯１０は、３つの酸素バーナ３４を有している。単一の酸素バーナ３４が、２つの互いに隣接して設けられた下流側の酸素バーナの上流側に設けられている。しかしながら、ガラス形成原料３０を溶融させるために任意の数の酸素バーナ３４を窯１０の屋根２２内のほぼ任意適当な位置に設けてもよいことは理解されよう。例えば、２つの酸素バーナ３４を並置関係で設けてもよく（図３）、或いは単一の酸素バーナを用いてもよい（図４）。それにもかかわらず、本発明によれば、ガラス溶融窯の屋根２２内における各酸素バーナ３４の角度の向きは、生じた火炎３６がガラスバッチ表面に実質的に垂直に差し向けられてガラス表面に衝突する火炎を生じさせるようなものでなければならない。好ましい実施形態では、酸素バーナ３４は、ガラス形成原料３０に対し約９０±１０°の角度をなして設けられている。衝炎形状及び長さを有する本発明の少なくとも一つの下向き発射形酸素バーナ３４でガラス形成原料３０を溶融すればガラス生産速度及び製造されるガラスの品質が向上することが判明した。
【００１５】
図５を参照すると、ガラス溶融窯１０の屋根２２内の少なくとも一つの酸素バーナ３４は、ガス状燃料を供給する内側の中央円筒形ガス状燃料導管４０及び中央燃料出口と同心状に設けられていて、酸素の流れを供給する外側の円筒形酸素導管４２を有している。酸素バーナ３４は、ガラス溶融窯１０のサイズ及び所望の引上げ速度に応じて約１〜１０ＭＭ・Ｂｔｕ／ｈの範囲にわたる容量を有するのがよい。酸素バーナ３４は、空気中に存在する酸素の割合よりも高い割合の酸素を用いるよう設計されており、かくして酸素バーナ３４からの火炎３６の衝炎領域上の温度は、空気バーナを利用した従来型ガラス溶融窯の場合よりも実質的に高い。それにもかかわらず、当業者には周知のように、酸素バーナ３４によって得られる火炎３６の温度は、燃料の品質及び酸素と燃料の比で決まる。好ましい実施形態では、酸素バーナ３４の酸素濃度は代表的には、燃料を燃焼させるのに必要な酸素の理論量の約９５〜１２５％のレベルにある。しかしながら、ガラス溶融窯１０内にある範囲の動作条件を生じさせて例えばレドックス（redox ）レベル、シード（seed）レベル及び／又は大抵の任意他のガラス性質を含む１又は２以上の所望の性質を得るために酸素に対する燃料の比を変えるのがよい。
【００１６】
酸素バーナ３４は、ガラス溶融窯１０の屋根２２内に設けられたバーナブロックから下方に延びている。各バーナブロック３８は、円筒形酸素導管４２の外径と少なくともほぼ同じ大きさの内径（ｉd）を備える開口部を有している。バーナブロック３８の開口部の内径（ｉd）は約２〜８インチ（約５．０８〜２０．３２cm）の範囲内にあるのがよい。酸素バーナ３４の端部は、バーナブロック３８の端部から約３〜１８インチ（約７．６２〜４５．７２cm）の距離（ＬBb）引っ込んでいる。酸素バーナ３４の端部とバーナブロックの端部との間に位置したバーナブロック３８の開口部は、バーナ火炎を合焦させてバーナの火炎が外方に広がらないようにするよう働くことは理解されよう。バーナブロック３８は、当該技術分野で周知のように耐火物で作られており、大抵の任意適当な形状、例えば矩形等のものであるのがよい。
【００１７】
バーナブロック３８の底面は、屋根２２の内面と面一をなすのがよく、或いは底面は屋根の内面から２〜１８インチ（約５．０８〜４５．７２cm）下に突出するのがよく、それにより屋根が保護されると共にガラス形成原料への衝炎の際に制御された火炎速度を有する衝炎パターンの生成が促進される。さらに、図５に示すように、酸素バーナ３４の燃料導管４０及び酸素導管４２は、バーナブロック３８内を下方に延び、ガラス形成原料３０の表面から実質的に同一の垂直方向高さ位置で終わっている。
【００１８】
本発明によれば、少なくとも一つの酸素バーナ３４によって得られる下向きの衝炎３６は、熱エネルギを原料成分３０及び溶融ガラスの表面に向かって差し向けると共にその周りの耐火物から遠ざけるよう差し向け、それによりガラス溶融窯１０の屋根２２及び側壁１８が過熱する恐れを減少させるよう正確に制御される。衝炎３６は、化学的方法で従来標準的に用いられているような制御装置によって制御することができる。例えば、弁、熱電対、適当なサーボ回路と結合されたサーミスタ、ヒータ制御装置等が容易に入手でき、そして酸素バーナ３４からの燃料及び酸素の量及び速度を制御するために従来通り使用される。ガラス溶融窯１０内で結果的に得られる温度分布は、空気バーナを用いるガラス溶融窯又は側壁内に設けられていて、ガラスの表面に平行に火炎を放出する酸素バーナを備える従来型酸素・燃料窯とは対照的に、ガラス溶融窯の長さ全体にわたって全体としていっそう一様である。代表的には、少なくとも一つの酸素バーナ３４を用いるガラス溶融窯１０内の温度は、約２３００OF〜３１００OF（約１２６０℃〜１７０４℃）の範囲にある。衝炎３６は、少なくとも一つの酸素バーナ３４からの燃料及び酸素の相対速度と最大及び最小速度の両方を制御することによって正確に制御される。
【００１９】
相対速度、即ちガス状燃料の速度と酸素の速度は、ガラス形成原料３０の表面に向かって下向きの全体として層状のガス状燃料の流れと全体として層状の酸素の流れをもたらすよう互いに実質的に等しいものでなければならない。好ましい実施形態では、酸素バーナ３４からのガス状燃料と酸素の相対速度の偏差は、約２０％以下であるのがよい。さらに、酸素バーナ３４の出口のところにおける酸素の流速と燃料の流速の最大差は、約５０標準フィート/sを越えないものである。理解されるように、層状の燃料流と酸素流は、燃料と酸素の時期尚早な混合を防止してガラス形成原料３０の頂面の近くでの混合及び燃焼を遅らせることができ、それにより適当な柱状の形をした中間部分を有し、ガラス形成原料の表面に当たる火炎３６を生じさせ、それによりガラス形成原料への最適な熱伝達を行わせる。「中間部分」という用語は、本明細書にさらに説明するように自由ジェット領域５４を意味している。
【００２０】
実質的に等しい酸素流速と燃料流速が得られるようにすることに加えて、ガラス形成原料３０の表面に衝突する燃料と酸素の流れの最大及び最小速度を制御してガラス形成原料の表面への最適な対流による熱伝達を維持しながら、ガラスバッチ材料の同伴又は側壁１８及び屋根２２へのガラスバッチ材料の跳ねかけを防止する必要がある。側壁１８及び屋根２２に対するガラスバッチ材料の跳ねかけは、耐火物に悪影響を及ぼし、場合によってはガラス溶融窯１０の動作寿命を短くすることは理解されよう。
【００２１】
酸素バーナ３４の燃料の最大及び最小速度並びに酸素の最大速度及び最小速度もまた、周囲の耐火物を損傷させないで衝炎３６からの最大エネルギを利用するよう制御される。衝炎３６からの最大エネルギは、ガラス溶融窯１０の燃焼空間に放出される熱の量を最小限に抑えると共にガラス形成原料３０への熱伝達の量を最大にすることによって達成される。酸素バーナ３４が耐火物で作られた溶融窯の壁及び上部構造体を損傷させないでガラス形成原料３０への許容限度内の熱伝達速度を生じさせるための最大及び最小動作速度範囲は、酸素バーナの同心状チューブインチューブ（tube-in-tube）設計、バーナブロック開口部の幾何学的形状及び酸素バーナ３４からの燃料及び酸素の速度の関数である。
【００２２】
図６を参照すると、上動作曲線４４及び下動作曲線４６を含むグラフが示されている。グラフのｘ軸は、無次元パラメータ（Ｈ／ｉd）を表し、グラフのｙ軸は、バーナブロックの先端のところにおける最大火炎速度（ＶBb）を表している。上動作曲線４４及び下動作曲線４６は、（Ｈ／ｉd）が所与の場合におけるバーナブロック３８の先端部のところの最大及び最小許容速度（ＶBb）を表していて、３つの動作域、即ち上動作域４８、中間動作域５０及び下動作域５２を定めている。上動作域４８は、過剰高速又は危険動作域を表し、下動作域５２は、熱効率不良域を表している。中間動作域５０は、本発明の酸素バーナ３４の許容動作領域を定めている。図６に示すように、（Ｈ／ｉd）パラメータの範囲は、約６〜３０であり、バーナブロックの先端部のところにおける最大許容速度（ＶBb）は、５５０フィート/sである。中間動作域５０は、火炎３６の所要の柱状形状をもたらすと共にガラス形成原料３０への所望の熱伝達特性をもたらすことは理解されよう。
【００２３】
酸素バーナ３４についての上動作曲線４４及び下動作曲線４６は、４次線形多項式によって説明できる。
【００２４】
ＶBb＝ａ＋ｂ（Ｈ／ｉd）＋ｃ（Ｈ／ｉd）2
＋ｄ（Ｈ／ｉd）3＋ｅ（Ｈ／ｉd）4  ・・・Ｉ
上式において、ＶBbは、バーナブロックの端のところでの最大速度（フィート/s）、Ｈは、バーナブロックの端からガラス形成原料の頂面までの距離、ｉdは、バーナブロックの開口部の内径、である。
【００２５】
図６に示すような上動作曲線４４の場合、比Ｈ／ｉdは、約６〜２０であり、ＶBbの範囲は、約１９０〜５５０フィート/sであり、係数の値は次の通りである。即ち、ａ＝５７１．０８０１、ｂ＝−１８７．２９５７、ｃ＝３０．１１６４、ｄ＝−１．８１９８、ｅ＝０．０４である。図６に示すような下動作曲線４６の場合、比Ｈ／ｉdは、約６〜３０であり、ＶBbの範囲は、約５０〜３００フィート/sであり、係数の値は次の通りである。即ち、ａ＝−１０３．６１１１、ｂ＝３８．９９３９、ｃ＝−２．８７７２、ｄ＝０．１０３３、ｅ＝−０．００１２５である。上述の特定の（Ｈ）及び（ｉd）の場合、（Ｈ／ｉd）パラメータは、ガラス形成原料３０を溶融させるのに必要な衝炎３６の柱状形状及び所望の熱伝達特性をもたらすために上動作曲線４４と下動作曲線４６との間に位置しなければならないバーナブロックの先端部のところにおける酸素バーナ３４の最大速度（ＶBb）（グラフのｙ軸）を定める集合（グラフのｘ軸）である。
【００２６】
図５を参照すると、本発明によれば、図６の中間動作位置５０内で動作する時の衝炎３６の柱状形状が示されている。衝炎３６は、３つの別々の流れ領域、即ち自由ジェット領域５４、淀み領域５６及び壁ジェット領域５８を有する軸対称の柱状火炎である。
【００２７】
自由ジェット領域５４は、障害物のない衝炎領域である。自由ジェット領域５４内では、火炎３６は柱状の形状となり、その後ガラス形成原料３０の表面に当たる。柱状火炎形状は、酸素流と燃料流の制御された出口速度の結果として生じる。具体的に説明すると、自由ジェット領域５４内では、酸素流と燃料流はバーナブロック３８の開口部から流出して２つの流れの間に制御された剪断応力を生じさせ、この剪断応力は、２つの流れの正確に制御された混合及び制御された部分燃焼を行うよう長い距離にわたって制御された層状の流れを生じさせる。自由ジェット領域５４内で得られる制御された部分燃焼は、生じる火炎３６の熱伝達特性にとって重要である。柱状の自由ジェット火炎形状は、バーナブロック３８の端部とガラス形成原料３０の表面との間の距離の半分Ｈ／２のところで火炎直径Ｄ２を有しており、これは以下の関係式で定まる。
【００２８】
1.5ｉd≦Ｄ２≦ｉd＋0.15Ｈ    ・・・II
上式において、ｉd＝バーナブロックの開口部の内径、Ｈ＝バーナブロックの端からガラス形成原料の頂面までの距離、Ｄ２＝バーナブロックの端とガラス形成原料の頂面との間の距離の1/2のところにおける火炎直径である。
【００２９】
第２の領域、即ち淀み領域５６は、火炎３６が熱境界層を貫通してガラス形成原料３０の表面に衝突する領域である。この領域５６内では、火炎３６は熱境界層を貫通してガラス形成原料の表面に当たり、その表面のところに、偏向火炎の水平方向流れを加速して火炎が衝突面に沿って半径方向外方に広がるようにする急な圧力勾配を生じさせる。淀み領域５６の端は、火炎３６によって生じる圧力勾配がゼロまで下がるガラス形成原料の表面上の位置として定義される。淀み領域５６内では、火炎３６の運動量を注意深く制御することにより、ガラス形成原料３０の表面のところに自然に存在する熱境界層が貫かれて無くなり、かくしてその強い熱抵抗特性が減衰される。したがって、衝炎３６により生じる熱は、部分的に溶融状態のガラス形成原料３０内へ一層容易に侵入する。さらに、淀み領域５６内では、火炎３６の明るさは、著しく増し、これにより比較的低温のガラス形成原料３０内への放射による熱伝達が促進される。
【００３０】
淀み領域５６の半径方向限度のところで壁ジェット領域５８が始まる。この領域では、火炎３６は、衝突面に対して本質的に平行に流れ、熱境界層は衝突面に沿って且つ淀み領域５６から外方に成長し、かくして熱境界層は大きくなり始めてガラス形成原料の表面への熱の流れに対する表面抵抗を回復する。
【００３１】
自由ジェット領域５４内での制御された火炎による熱の発生は、酸素バーナ３４のチューブインチューブ同心設計、バーナブロック３８の開口部の内径（ｉd）及び酸素流及び燃料流の相対速度と最大及び最小速度の結果である。酸素バーナ３４の設計、バーナブロック３８の幾何学的設計及び酸素流及び燃料流の速度を選択的に制御することにより、酸素流とガス流との間の剪断応力が減少し、それにより制御された部分燃焼が可能になると共に熱放射による放出物が減少する。酸素バーナ３４を上述の中間動作位置５０内で動作させることにより、自由ジェット領域５４内で生じた火炎による熱及び淀み領域５６内におけるガラス形成原料の表面のところでの伝熱抵抗は最小限に抑えられ、それにより淀み領域内における熱の発生量が最大になる。
【００３２】
自由ジェット領域５４内で生じる熱は、以下のプロセスの結果である。第一に、自由ジェット領域５４内の制御された部分燃焼により、ガラス形成原料３０の表面のところでの制御された燃焼が可能になり、それによりガラス形成原料の表面の近くで燃焼プロセスが生じる。燃焼プロセスをガラス形成原料３０の表面の近くで生じさせることにより、ガラス形成原料の表面のところで生じる温度勾配が大きくなり、それにより対流による熱伝達が向上する。第二に、自由ジェット領域５４内における制御された部分燃焼により、燃焼ガス及び燃焼生成物の化学的解離にとって許容レベルの温度が得られる。これら解離した化学種は、ガラス形成原料３０の比較的温度の低い表面上にいったん当たると、発熱を伴なって部分的に再燃焼し、ガラス形成原料の表面のところに相当多くの熱を生じさせる。発熱反応からの熱は、対流による熱伝達プロセスを更に促進する。
【００３３】
ガラス形成原料３０の表面の淀み領域５６のところでの熱抵抗の最小化は、以下の要因の結果である。第一に、熱境界層は、火炎３６の制御される運動量及びガラス形成原料３０の表面のところでの注意深く制御された燃焼特性によって生じる乱流により無くなる。第二に、局部表面発熱は、熱伝導作用が著しく良好な溶融ガラス材料への熱伝導が低いガラス形成原料３０の変換を可能にする。この変換により、表面のところに生じた熱はガラス形成原料中の深いところまで一層効率的に侵入する。この熱侵入度の向上により、溶融ガラスの表面温度が下がり、それにより火炎３６と溶融ガラス表面との間の温度勾配が大きくなり、対流による熱伝達プロセスが促進される。
【００３４】
溶融ガラスは、ガラス溶融窯１０の溶融部２６から清澄部２８に流れる。好ましい実施形態では、清澄部２８は、ガラス溶融窯１０の屋根２２内に設けられた少なくとも一つの下流側酸素バーナ３４を有している。下流側酸素バーナ３４は、上述したのと同一設計のものであり、衝炎の所望の正味の効果を達成するためにばらつきが管理された同一条件のもとで動作する必要がある。例えば、溶融特性に影響を及ぼすために衝炎３６を調節して一層明るくするのがよい。下流側酸素バーナ３４は、通常の対流による流れが上昇する傾向のある位置、例えばガラス溶融窯の長さの2/3〜3/4のところに下方に火炎を放出するよう位置決めされている。
【００３５】
理解されるように、少なくとも一つの酸素バーナ３４は、表面欠陥、例えば反応が不完全なガラス形成原料又は混合が不十分な表面材料を除去し、ガラス表面温度を実質的に上昇させて溶融及び混合を促進することにより形成領域中へ前方に移動しているガラスの品質を向上させることが判明した。さらに、少なくとも一つの下流側酸素バーナ３４は、材料の前方への流れに対する障害物となり、溶融ガラス内での自然な対流による流れを促進して高温のガラスがガラス形成原料の下で後方に流れるようにし、それにより溶融ガラスの前向きのサージの発生を阻止し、溶融効果を高め、そして清澄部内でのガラス温度を高くすることができる。前方に移動しているガラスも又、高温であり、これにより清澄が一層迅速になると共に前方領域中での燃料消費量が減少する。加うるに、フォーム層が下流側ガラス表面上に存在するのが通例であるガラス溶融窯の場合、下流側の酸素バーナ３４はフォームを減少させることが判明した。フォームを減少させることにより、ガラス材料中への熱伝達量が増大し、それによりガラス溶融窯１０で必要な熱エネルギ（本発明の酸素バーナを用いない場合の所要熱エネルギ）が減少し、ガラス溶融窯の動作効率が向上することは理解されよう。
【００３６】
少なくとも一つの屋根取付け形酸素バーナ３４は、新たに建造されるガラス溶融窯１０内に設置され又は既存のガラス溶融窯中にレトロフィットされ、それによりプラントスペースを実質的に減少させて空気バーナ利用窯又は「従来型」側部燃焼式酸素バーナ利用窯の場合と比較してガラス品質を向上させることができる。本発明は、実質的な引き上げ速度の増大、ガラス溶融窯１０の壁温度の減少、本明細書に記載したのと同種類の空気バーナ利用窯又は少なくとも一つの屋根取付け形酸素バーナをレトロフィットできない従来型酸素バーナ利用窯と比較してガラス品質の向上を容易にすることは理解されよう。さらに、当業者であれば容易に理解されるように、少なくとも一つの酸素バーナを利用することにより、全てが空気バーナのシステムとは対照的に、ＮＯｘの放出量が相当減る。
【００３７】
本明細書に記載した特許文献の内容は、本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。
【００３８】
本発明を特定の実施形態により詳細に説明したが、当業者であれば請求の範囲に記載された本発明の精神及び範囲内で他の実施形態を想到できよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるガラス溶融窯の縦断面図である。
【図２】  図１のガラス溶融窯の２−２線矢視断面平面図てある。
【図３】  図１のガラス溶融窯の３−３線矢視断面図であり、ガラス溶融窯の上流側端壁に隣接して設けられた２つの酸素バーナを示す図である。
【図４】  図１のガラス溶融窯の３−３線矢視断面図であり、ガラス溶融窯の上流側端壁に隣接して設けられた１つの酸素バーナを示す図である。
【図５】  酸素バーナからのバーナ火炎の略図を含む酸素バーナの断面図である。
【図６】  本発明による酸素バーナについての上動作曲線と下動作曲線を示すグラフ図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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