(57)【要約】  提供されるのは、バーナーがガラス溶融面よりも高く持ち上げて、かつガラス溶融面に対して上方向の角度に向けられているガラス溶融炉である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）互いに向かい合う後壁及び前壁、並びに互いに向かい合う２枚の側壁であって、包囲空間を画定する４枚の壁と；前記包囲空間の上方を覆い、前記４枚の壁と接するクラウンと；前記包囲空間に、ガラス製造材料がそれを通して送り込まれて溶融される少なくとも１つの開口部と；前記前壁に設けた少なくとも１つの開口部であって、それを通じて溶融ガラスが前記包囲空間から出ることが可能な開口部と；前記包囲空間内にあり、前記４枚の壁の内側に接触し、その最上層から前記側壁と前記クラウンとの接合部までの距離が、１．１〜１．７ｍ（３．５〜５．５フィート）である溶融ガラスの層と；
（Ｂ）前記溶融ガラスの最上層から前記側壁の最上部までの距離の３５〜６５％の位置にあり、側壁に設けられる開口部内に位置する、少なくとも１つのバーナーであって、前記クラウンに向かって前記包囲空間の中に延び、前記バーナーを通過する水平面に対して、最大１５度の角を形成する線に沿って存在する炎を生成することが可能になるように配向されるバーナーと；を備える炉。
【請求項２】
（Ａ）互いに向かい合う後壁及び前壁、並びに互いに向かい合う２枚の側壁であって、包囲空間を画定する４枚の壁と；前記包囲空間の上方を覆い、前記４枚の壁と接するクラウンと；前記包囲空間に、材料がそれを通して送り込まれて溶融される少なくとも１つの開口部と；前記前壁に設けた少なくとも１つの開口部であって、それを通じて溶融ガラスが前記包囲空間から出ることが可能な開口部と；前記包囲空間内にあり、前記４枚の壁の内側に接触し、その最上層から前記側壁と前記クラウンとの接合部までの距離が、１．１〜１．７ｍ（３．５〜５．５フィート）である溶融ガラスの層とを備える炉の中に、ガラス製造材料を提供することと、
（Ｂ）前記溶融ガラスの最上層から前記側壁の最上部までの距離の３５〜６５％の位置にあり、側壁に設けられる開口部内に位置するバーナーであって、前記クラウンに向かって前記包囲空間の中に延び、前記バーナーを通過する水平面に対して、最大１５度の角を形成する線に沿って存在する炎を生成するように配向されるバーナーの中で、燃料及びガス状の酸化剤を燃焼させることと、を含むガラス溶融方法であって、前記炎のうちの可視部位が、前記反対側の側壁にも、前記溶融ガラスにも、かつ前記クラウンにも接触しない、ガラス溶融方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガラスの製造に関し、特に、ガラス溶融炉の構造及び動作における改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明が有用となるガラス溶融炉では、包囲空間内で燃料を燃焼させて燃焼熱を発生させ、この燃焼熱が、ガラス溶融炉内に存在する、ガラスを製造するための材料を溶融させるようになっている。このようなガラス溶融炉は、その動作においていくつかの欠点のいずれかを抱えている場合がある。そのような欠点の１つは、ガラス溶融炉内での燃焼により、窒素酸化物が生成することである。別の１つの欠点は、炉の上方にある屋根（「クラウン」）の内面が、溶融したガラス製造材料から発出される揮発性物質と相互作用することによって引き起こされると考えられる、クラウン内面の劣化が発生する可能性があるということである。本発明は、これらの欠点を抑制し、又は回避するのを可能にするような、独特の炉構造体及びその運転方法を提供するものである。
【０００３】
米国特許第６，２５３，５７８号は、炉のクラウンに損傷を与える恐れを減少させる炉構造体を開示している。この構造体は有用であるが、現実のガラス製造業務には、その用途があまりにも限られてしまう可能性があるものである。
【０００４】
米国特許第８，２５６，２４５号は、バーナーがガラス製造材料の方向に向けられているガラス溶融炉を開示している。本発明は、上の開示とは異なっており、業務上より優れた利点を提供すると考えられるものである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つの態様は、炉であるが、その炉は、
（Ａ）互いに向かい合う後壁及び前壁、並びに互いに向かい合う２枚の側壁であって、包囲空間を画定する４枚の壁と；包囲空間の上方を覆い、４枚の壁と接するクラウンと；包囲空間に、ガラス製造材料がそれを通して送り込まれて溶融される少なくとも１つの開口部と；前壁に設けた少なくとも１つの開口部であって、それを通じて溶融ガラスが包囲空間から出ることが可能な開口部と；包囲空間内にあり、４枚の壁の内側に接触し、その最上層から側壁とクラウンとの接合部までの距離が、１．１〜１．７ｍ（３．５〜５．５フィート）である溶融ガラスの層と；
（Ｂ）溶融ガラスの最上層から側壁の最上部までの距離の３５〜６５％の位置にあり、側壁に設けられる開口部内に位置する、少なくとも１つのバーナーであって、クラウンに向かって包囲空間の中に延び、バーナーを通過する水平面に対して、最大１５度の角を形成する線に沿って存在する炎を生成することが可能になるように配向されるバーナーと；を備える炉である。
【０００６】
本発明の別の１つの態様は、ガラスを溶融させる方法であり、
（Ａ）互いに向かい合う後壁及び前壁、並びに互いに向かい合う２枚の側壁であって、包囲空間を画定する４枚の壁と；包囲空間の上方を覆い、４枚の壁と接するクラウンと；包囲空間に、材料がそれを通して送り込まれて溶融される少なくとも１つの開口部と；前壁に設けた少なくとも１つの開口部であって、それを通じて溶融ガラスが包囲空間から出ることが可能な開口部と；包囲空間内にあり、４枚の壁の内側に接触し、その最上層から側壁とクラウンとの接合部までの距離が、１．１〜１．７ｍ（３．５〜５．５フィート）である溶融ガラスの層と；を備える炉の中に、ガラス製造材料を提供することと、
（Ｂ）溶融ガラスの最上層から側壁の最上部までの距離の３５〜６５％の位置にあり、側壁に設けられる開口部内に位置するバーナーであって、クラウンに向かって包囲空間の中に延び、バーナーを通過する水平面に対して、最大１５度の角を形成する線に沿って存在する炎を生成するように配向されるバーナーの中で、燃料及びガス状の酸化剤を燃焼させることと、を含むガラス溶融方法であって、炎のうちの可視部位が、反対側の側壁にも、溶融ガラスにも、かつクラウンにも接触しない、ガラス溶融方法。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明が実践され得るガラス溶融炉の模式的斜視図である。
【図２】図１の炉の上面図である。
【図３】図１の炉の、バーナー１１を通る垂直平面に沿って切り開いた断面図である。
【図４Ａ】本発明において有用なバーナーの斜視図である。
【図４Ｂ】図４Ａのバーナーの上面図である。
【図５】本発明において有用な別の１つのバーナーの前面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１、２、及び３を参照すると、炉１は、炉内での燃焼により提供される非常に高い温度に、炉内に装入されたものがさらされる、ガラス溶融炉又は任意の他種類の炉である。本発明が実践され得る他の炉の例としては、焼却炉、例えば銅やアルミニウムのような非鉄金属を溶融させるための炉、又は、例えば棒状、竿状、及びインゴットのような、鉄又は鋼の物体を、加熱又は再加熱する炉が挙げられる。
【０００９】
ガラス溶融炉では、例えばソーダ灰、硝石、シリカ、ケイ酸ナトリウム、及び／又はガラス破砕片（「カレット」）のようなガラス製造材料が、供給口３１（図２）を通じて炉の中に送り込まれ、炉内で溶融されて、溶融ガラス液６が形成される。炉１は、側壁２Ａ及び２Ｂ、奥壁３、並びに前壁４を備えており、前壁４には、開口部９が含まれており、この開口部９を通して、炉１の内部に存在する溶融ガラスが、炉１の外に流れ出せるようになっている。図３にはクラウン５が示されているが、このクラウン５は、側壁２Ａ及び２Ｂ、奥壁３、並びに前壁４に当接している。側壁２Ａ及び２Ｂの上部は、炉の内部が、側壁２Ａ及び２Ｂ（通常は垂直である）の斜面２１から遠ざかり、クラウン内側面２３の向きに変化する場であると考えられ、このクラウン内側面２３は、（図３に示されるように）湾曲した面であることも、又は、水平な平面若しくは垂直方向に対して斜めに角度がついた平面であることも可能である。なおクラウン５は、炉１の内部を見やすくするため、図１及び２には図示されていない。
【００１０】
炉１には、１つのバーナー１１を設けることが可能であるが、しかし、好ましくは複数のバーナー１１を、側壁２Ａ及び２Ｂに設けられている。図１及び２は、そのような複数のバーナー１１の配列の多くの可能な実施形態のうちの１つを図示しており、対向する側壁にバーナー１１が、互いに真っ直ぐ直接向かい合うことがないように、千鳥状に設けられている。
【００１１】
各バーナー１１は、ガス状の酸化剤１５と、燃料１６とを供給される。好適な酸化剤及び燃料は、本明細書内に更に説明される。
【００１２】
図３を参照すると、バーナー１１（既に述べたように、存在する唯一の上述のようなバーナーであり得るが、好ましくは、炉の側壁の一方又は好ましくはその両方に設けられた多くのバーナー１１のうちの１つである）は、側壁２Ａに存在し、溶融ガラス６の上面８から側壁の開口部３９までの距離が、溶融ガラス８の上面から開口部３９が配置される側壁２Ａの上端まで全体の距離の３５〜６５％である。
【００１３】
本発明による１つ又は複数のバーナー１１は、バーナー１１からクラウン５に向かって上向きに、側壁の開口部３９に又はそれを通じて、線Ａ−Ａに沿って延びる炎を、バーナー１１が作り出すように設けられ、この線Ａ−Ａは、バーナーを通る水平面Ｈ−Ｈに対して、（好ましくは、０度よりも大きい）最大１５度の角度Ｇを形成する。線Ａ−Ａは、炎の最も外側の縁部から等距離で（等しく離れた）、バーナーの火口から炉の中に向かう方向に延びる、架空の線であると考えられる。例えば、バーナーが、幅の広い平坦な形状の炎を形成する場合には、線Ａ−Ａは、炎の平面上に存在し、その平面上の炎の外側の縁部から等距離にある架空の線であると考えられ、バーナーが円錐形の炎を形成する場合、線Ａ−Ａは、その円錐形上の回転軸線である架空の線であると考えられる。線Ａ−Ａは、そこから燃料及び酸素が出て燃焼するバーナーの開口部で、バーナーと出会うものと考えられる。
【００１４】
バーナーから炎がそれに沿って延びる線Ａ−Ａは、好ましくは、そこから炉の中に炎が延びる側壁に対して直交する垂直面上に存在する。すなわち、４つの壁が矩形を形成する炉内で、炎は、好ましくは、炉内を「真っ直ぐ横切って」、向かい側の側壁に向かって延びる。しかしながら、この垂直平面は、炎がそこから延びる側壁に対して、最大３０度の角度を形成することが可能である。
【００１５】
稼働中、各バーナー１１は、ガス状の酸化剤１５と燃料１６とを、炉１の内部で燃焼させる。ガス状の酸化剤１５は、各バーナー１１の中に送り込まれる。酸化剤１５は、酸素を含有する任意のガス又はガス状の混合物である。１つの好適な酸化剤１５は空気であるが、空気は、２０．９体積％の酸素含有量を有している。好ましくは、ガス状の酸化剤１５は、少なくとも２１体積％の、より好ましくは、５０体積％超の、更により好ましくは、８５体積％超の酸素含有量を有する。
【００１６】
望ましい酸素含有量を有する酸化剤１５は、さまざまな方法のうちの任意の方法によって提供され得るものである。上のような酸化剤１５は、既に望ましい酸素含有量である別個の市販のソースから入手可能である。上のような酸化剤１５は、空気と、より酸素含有量の高い、具体的には、酸化剤１５の望ましい最終酸素含有量よりも、その酸素含有量が高い流れとを組み合わせて得ることが可能であり、この場合には、その酸素含有量の高い流れは、別個の市販のソースにより得ることが可能であり、あるいは、現場で、市販の空気分離ユニットにより作り出すことが可能であり、その空気分離ユニットは、酸化剤１５の望ましい全体的な酸素含有量よりも高い酸素含有量を有する生成物の流れを作り出すものである。
【００１７】
好適な燃料１６は、例えば油、又は１種類の炭化水素若しくは標準状態（すなわち、２５℃かつ０．１メガパスカル（１大気圧））では液体である複数種類の炭化水素の混合物のような、任意のガス状又は液体の炭化水素を含む。好ましい燃料は、例えば、天然ガス、メタン、プロパン等のような、標準状態でガス状の炭化水素である。
【００１８】
酸化剤１５若しくは燃料１６、又はその両方を、各バーナー別の供給ラインを通じて、そのソースから各バーナー１１に送り出すことができる。あるいは、酸化剤１５若しくは燃料１６、又はその両方を、そのソースから１つの供給ラインを通じて供給する、１つのマニフォールドを通じて、複数のバーナー１１に送り出すことができる。
【００１９】
酸化剤及び燃料が、１つ又は複数のバーナー１１に送り出され、燃焼される。その速度、及び化学量論的比率は、本発明の利益を実現するために本明細書において開示されているようにする。
【００２０】
酸化剤及び燃料を各バーナー１１に送り出す速度としては、酸化剤及び燃料がバーナーで燃焼する場合に、その燃焼の結果得られる炎の、いかなる目に見える部分も、炉１の、当該バーナーが位置している側壁の反対側にある側壁に接触しないような速度であるべきである。これは、反対側の側壁を、過剰な劣化から保護する助けとなるものである。
【００２１】
また、酸化剤及び燃料をバーナー１１に送り出す速度としては、酸化剤及び燃料の燃焼により形成される炎の、いかなる目に見える部分も、溶融ガラス６の表面８に接触しないような速度であるべきである。目に見える炎は、図３においては炎４１として描かれている。
【００２２】
更に、酸化剤及び燃料をバーナー１１に送り出す速度としては、酸化剤及び燃料の燃焼により形成される炎の、いかなる目に見える部分も、クラウン５の内側面に接触しないような速度であるべきである。
【００２３】
これらの条件は、酸化剤及び燃料のそれぞれの速度を適切なものとすることによって、満たされるものである。バーナーのガス供給の中央パイプにおける、好適な速度の典型的な例としては、酸化剤の速度が２１〜１０７（ｍ／秒）（７０〜３５０（フィート／秒））の範囲であり、かつ燃料の速度が、２１〜６１（ｍ／秒）（７０〜２００（フィート／秒））の範囲である。
【００２４】
本発明によってバーナー１１で作り出される炎は、炎の上面（図３中、符号８１で示す）からのいかなる所与の距離においても、その炎の上面からクラウン５に向けて放射される熱流束が、炎の下面（図３中、符号８２で示す）から先に述べた所与の距離と同じ距離において、炎の下面から溶融ガラス６に向けて放射される熱流束よりも少ないということを特徴とするものである。
【００２５】
この条件は、炎の上面に又はその近傍に、層８３が形成されるのを促すような条件の下で燃焼を実施することにより実現され得るものであるが、この層８３は、未燃焼の燃料、部分燃焼した燃料、及び燃料の部分燃焼の副生成物の総量が、炎中のその層８３よりも下にある領域での当該量よりも高くなっている。そのような未燃焼の燃料、部分燃焼した燃料、及び部分燃焼の副生成物はまた、「すす」と呼ぶことも可能である。上のような条件は、いわゆる「段階燃焼」を採用することによって実現可能であるが、それは、燃料を完全燃焼させるために必要な酸素の総量の一部しか炉の中に送り込まれない場所に隣接した炉の中のエリアに、燃料が送り込まれ、燃料の完全燃焼に必要な酸素の量の残りの部分が、燃料が送り込まれる場所からより遠く離れた場所で、炉の中に送り込まれるという燃焼方法である。
【００２６】
この望ましい層８３の形成は、燃料及び酸化剤を、溶融ガラス６の上方で異なる高さに送り込むバーナーを用いて燃焼を実施することによって、促進され得るものであるが、そこでは、燃料（及び、好ましくは、その燃料を完全燃焼させるための酸化剤の一部のみ）が送り込まれるのが、化学量論的に残りの酸化剤が送り込まれる場所より上にある高さである。このような動作に好適なバーナーの例が、図４Ａ、４Ｂ、及び５に示されている。図４Ａ及び４Ｂのバーナーは、米国特許第６，１３２，２０４号に記載のタイプのものであり、その典型的に作り出す炎が幅広で比較的平坦であることから、ワイドフレームバーナーとしばしば呼ばれるものである。
【００２７】
図４Ａでは、バーナー１１は、オリフィス６４、６６、及び６８を有する上列６２と、オリフィス６５、６７、及び６９を有する下列６３とを含む、バーナー６１の形態を採用している。オリフィス６４は、酸化剤又は燃料のうちの一方又は他方、好ましくは酸化剤が、それを通じて送り込まれる通路の端部に位置する。オリフィス６４ｂは、酸化剤又は燃料の他方、好ましくは燃料が、それを通じて送り込まれる通路の端部に位置する。オリフィス６４ｂは、オリフィス６４の中にあり、好ましくはオリフィス６４内で同心円状に位置して、環状の空間６４ｃを形成している。
【００２８】
同様に、オリフィス６６は、酸化剤又は燃料のうちの一方又は他方、好ましくは酸化剤が、それを通じて送り込まれる通路の端部に位置する。オリフィス６６ｂは、酸化剤又は燃料の他方、好ましくは燃料が、それを通じて送り込まれる通路の端部に位置する。オリフィス６６ｂは、オリフィス６６の中にあり、好ましくはオリフィス６６内で同心円状に位置して、環状の空間６６ｃを形成している。オリフィス６８は、酸化剤又は燃料のうちの一方又は他方、好ましくは酸化剤が、それを通じて送り込まれる通路の端部に位置する。オリフィス６８ｂは、酸化剤又は燃料の他方、好ましくは燃料が、それを通じて送り込まれる通路の端部に位置する。オリフィス６８ｂは、オリフィス６８の中にあり、好ましくはオリフィス６８内で同心円状に位置して、環状の空間６８ｃを形成している。
【００２９】
好ましくは、図４Ｂにより良く示されているように、オリフィス６４及び６８は、それぞれの軸線６４ａ及び６８ａの各々が、オリフィス６６の軸線６６ａに対して、放射状に広がる角度を形成するような向きに配向されている。オリフィス６５及び６９は同様に、それぞれの軸線（図４Ｂの上面図では不可視である）の各々が、オリフィス６７の軸線に対して放射状に広がる角度を形成するような向きに配向されている。
【００３０】
本発明による、図４Ａ及び４Ｂのバーナーの好ましい動作においては、燃料は、オリフィス６４ｂ、６６ｂ、及び６８ｂに送り込まれ、それらを通じて炉１に送り込まれるが、酸化剤は、環状の空間６４ｃ、６６ｃ、及び６８ｃに送り込まれ、それらを通じて炉１に送り込まれる。酸化剤は、オリフィス６５、６７、及び６９に送り込まれ、それらを通じて炉１に送り込まれるが、燃料及び酸化剤は互いに燃焼する。
【００３１】
本発明による望ましい層８３は、好ましくは、送り込まれる酸素の量が、酸素よりも燃料がモル過剰になるような量となるように、オリフィス６４ｂ、６６ｂ、及び６８ｂを通じて燃料を送り込み、かつオリフィス６４、６６、及び６８を通じて酸化剤を送り込むことによって実現される。好ましくは、オリフィス６４、６６、及び６８を通じて送り込まれる酸素の総量は、送り込まれる燃料を完全燃焼させるのに必要な酸素の総量の３０％未満であるべきである。燃料を完全燃焼させるのに必要とされる酸素のうちの追加的な量は、オリフィス６５、６７、及び６９を通じて送り込まれる酸化剤中に存在する。この追加的な酸素により、層８３中の未燃焼の材料は、炉内で燃焼することになる。
【００３２】
図５においては、バーナー１１は、上側オリフィス７２と下側オリフィス７３とを含むバーナー７１の形態を採用している。本発明による、図５のバーナーの好ましい動作においては、燃料は、オリフィス７２ｂに送り込まれ、それを通じて炉１に送り込まれるが、酸化剤は、オリフィス７２及び７３に送り込まれ、それらを通じて炉１に送り込まれて、燃料及び酸化剤は互いに燃焼する。オリフィス７２ｂを通じて送り込まれる燃料は、オリフィス７２を通じて送り込まれる酸化剤中に存在する酸素に対して、化学量論的に燃料過剰となっているが、その化学量論的な残りの部分は、他のオリフィスを通じて炉内に送り込まれる。
【００３３】
このような燃焼の結果、クラウンを炎８１から移転される放射熱の一部からクラウンを遮断する層８３が生じる一方で、炎の下側の部分（すなわち、クラウン５から遠い部分）は、望ましい、妨げられることのない放射熱の移転を溶融ガラス６に提供する。このことに加えて、炎が上向きの角度であるために、溶融ガラス面では炉内大気が減速することで、クラウンは過剰な熱により損傷を受けるのから保護され、それは、クラウンを、炉内大気中の（例えば、溶融ガラスから放出されたような）種の衝突から保護するが、このような種は、クラウン内側面と反応し得るもので、その面の望ましくない劣化を加速するものである。
【００３４】
本発明による作業により、燃焼ガス中に、窒素酸化物及び粒子状の汚染物質が生成されるのを減らすことができるという利点も提供される。
【図１】
2018500266.tif 000003
【図２】
2018500266.tif 000004
【図３】
2018500266.tif 000005
【図４Ａ】
2018500266.tif 000006
【図４Ｂ】
2018500266.tif 000007
【図５】
2018500266.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成28年9月27日(2016.9.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
【図１】本発明が実践され得るガラス溶融炉の模式的斜視図である。
【図２】図１の炉の上面図である。
【図３】図１の炉の、バーナー１１を通る垂直平面に沿って切り開いた断面図である。
【図４Ａ】本発明において有用なバーナーの斜視図である。
【図４Ｂ】図４Ａのバーナーの上面図である。
【図４Ｃ】本発明において有用な別の１つのバーナーの前面図である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
図４Ｃにおいては、バーナー１１は、上側オリフィス７２と下側オリフィス７３とを含むバーナー７１の形態を採用している。本発明による、図４Ｃのバーナーの好ましい動作においては、燃料は、オリフィス７２に送り込まれ、それを通じて炉１に送り込まれるが、酸化剤は、オリフィス７２及び７３に送り込まれ、それらを通じて炉１に送り込まれて、燃料及び酸化剤は互いに燃焼する。オリフィス７２を通じて送り込まれる燃料は、オリフィス７２を通じて送り込まれる酸化剤中に存在する酸素に対して、化学量論的に燃料過剰となっているが、その化学量論的な残りの部分は、他のオリフィスを通じて炉内に送り込まれる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2018500266.tif 000009
【図２】
2018500266.tif 000010
【図３】
2018500266.tif 000011
【図４Ａ】
2018500266.tif 000012
【図４Ｂ】
2018500266.tif 000013
【図４Ｃ】
2018500266.tif 000014
【国際調査報告】
2018500266.tif 000015
2018500266.tif 000016
2018500266.tif 000017