(57)【要約】【課題】ガラス原料バッチの熔融を促進させることによって、ガラス原料バッチの熔融に要するエネルギーを低減し、その結果、ガラスの製造コストを低減することができるガラスの製造方法を提供する。【解決手段】本発明のガラスの製造方法は、（Ｉ）所定のガラス組成を有するように調製されたガラス原料バッチに水ガラスを添加して混合し、得られた混合物を熔融する工程と、（II）熔融された前記混合物を冷却してガラスを得る工程と、を含む。工程（Ｉ）において、前記水ガラスは、前記混合物全体における前記水ガラスの溶質の含有率が０．５質量％を超え、且つ５質量％以下であって、さらに前記混合物全体における水の含有率が５質量％以上１８質量％以下となるように、前記ガラス原料バッチに添加される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ｉ）所定のガラス組成を有するように調製されたガラス原料バッチに水ガラスを添加して混合し、得られた混合物を熔融する工程と、
（II）熔融された前記混合物を冷却してガラスを得る工程と、
を含み、
前記工程（Ｉ）において、前記水ガラスは、前記混合物全体における前記水ガラスの溶質の含有率が０．５質量％を超え、且つ５質量％以下であって、さらに前記混合物全体における水の含有率が５質量％以上１８質量％以下となるように、前記ガラス原料バッチに添加される、
ガラスの製造方法。
【請求項２】
前記工程（Ｉ）において、前記水ガラスは、前記混合物全体における前記水ガラスの溶質の含有率が０．９質量％以上５質量％以下となるように、前記ガラス原料バッチに添加される、
請求項１に記載のガラスの製造方法。
【請求項３】
前記工程（Ｉ）において、前記水ガラスは、前記混合物全体における水の含有率が９質量％以上１５質量％以下となるように、前記ガラス原料バッチに添加される、
請求項１又は２に記載のガラスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常のガラス製造では、原料を秤量・混合してガラス原料バッチを調製し、そのガラス原料バッチを熔融炉内に投入して熔融する。原料の混合時には、熔融炉内へ原料を投入した後のキャリーオーバー（原料の飛散）による炉内劣化防止等の目的で、ガラス原料バッチに水を加えることが一般的である。ガラス製造において、ガラス原料バッチの熔融に要するエネルギーコストは、ガラス製造コスト全体の多くを占める。したがって、ガラス原料バッチの熔融のためのエネルギーを低減できれば、ガラス製造コストを下げることができ、さらにＣＯ2排出量も大幅に抑制できるという利点がある。
【０００３】
ガラス原料バッチの熔融のためのエネルギーを低減する方法として、ガラス原料バッチ及びカレットを予熱したり、粉末原料を造粒して顆粒状にしたりすることなどが知られている。例えば、特許文献１には、粉末状の原料バッチを第１部分及び第２部分の２つに分けて、まずは液体バインダーを使用して原料バッチの第１部分を混合及び造粒することによって湿った顆粒を作製し、さらにこの湿った顆粒に原料バッチの第２部分を加えて混合及び造粒することによって乾燥した顆粒を作製する方法が開示されている。この方法によれば、乾燥工程を別途実施することなく、湿潤度の低い顆粒状のガラス原料バッチの作製が可能となる。
【０００４】
熔融炉に投入されるガラス原料バッチに含まれる水分量が多い場合、炉内での激しい水の蒸発によりバッチが破裂するという問題が生じ、また、水の蒸発のためにエネルギーが必要になるのでエネルギー利得が減少するという問題も生じる。したがって、一般に、ガラス製造で通常用いられるガラス原料バッチの含水量は２〜６質量％が適するとされている。したがって、特許文献１に開示された方法で顆粒を作製し、それをガラス原料バッチとして用いることで、上記問題をある程度改善することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２０１２−５２８７７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、たとえ特許文献１に開示された方法で作製された顆粒をガラス原料バッチとして用いた場合でも、やはり、ガラス原料バッチを加熱熔融するために多大なエネルギーを必要とする。したがって、ガラス原料バッチの加熱熔融のためには、重油や天然ガスを大量に燃焼させなければならず、大量に排出されるＣＯ2により環境への負荷が大きい。
【０００７】
また、上述のとおり、ガラス原料バッチの高い混合度の確保やキャリーオーバーを防止するためには、ガラス原料バッチへの水の添加が必要であり、ガラス原料バッチの含水量は通常２〜６質量％程度である。したがって、ガラス原料バッチの熔融では、予めバッチに含まれる水分を蒸発させなければならず、ガラス原料バッチ自体の熔融以外に余分な熱エネルギーも必要である。
【０００８】
そこで、本発明は、ガラス原料バッチの熔融を促進させることによって、ガラス原料バッチの熔融に要するエネルギーを低減し、その結果、ガラスの製造コストを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、
（Ｉ）所定のガラス組成を有するように調製されたガラス原料バッチに水ガラスを添加して混合し、得られた混合物を熔融する工程と、
（II）熔融された前記混合物を冷却してガラスを得る工程と、
を含み、
前記工程（Ｉ）において、前記水ガラスは、前記混合物全体における前記水ガラスの溶質の含有率が０．５質量％を超え、且つ５質量％以下であって、さらに前記混合物全体における水の含有率が５質量％以上１８質量％以下となるように、前記ガラス原料バッチに添加される、
ガラスの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のガラスの製造方法では、工程（Ｉ）においてガラス原料バッチを熔融する際に水ガラスが添加される。このとき添加される水ガラスは、ガラス原料バッチ及び水ガラスを含む混合物全体における水ガラスの溶質の含有率が特定の範囲内となり、且つ混合物全体における水の含有率が特定の範囲内となるように、調整される。これにより、ガラス原料バッチの熔融が促進されるので、ガラス原料バッチの熔融に要するエネルギーを低減し、その結果、ガラスの製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１のサンプルの顕微鏡写真である。
【図２】比較例１のサンプルの顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明のガラスの製造方法の実施形態について説明する。本実施形態のガラスの製造方法は、
（Ｉ）所定のガラス組成を有するように調製されたガラス原料バッチに水ガラスを添加して混合し、得られた混合物を熔融する工程と、
（II）熔融された前記混合物を冷却してガラスを得る工程と、
を含む。工程（Ｉ）において、水ガラスは、混合物全体における水ガラスの溶質の含有率が０．５質量％を超え、且つ５質量％以下であって、さらに混合物全体における水の含有率が５質量％以上１８質量％以下となるように、ガラス原料バッチに添加される。本実施形態の製造方法によれば、ガラス原料バッチの熔融が促進される。
【００１３】
工程（Ｉ）では、ガラス原料バッチを熔融する。ガラス原料バッチは、珪砂、曹達灰、ドロマイト、長石、石灰石、酸化マグネシウム、芒硝及び／又はカーボン等の原料が、所定のガラス組成を実現できるように特定の比率で混合されたものである。本実施形態で用いられるガラス原料バッチの組成は特に限定されないが、ソーダライムシリケートガラス及びソーダアルミノシリケートガラス等のソーダシリカ系ガラスの組成を有するガラス原料バッチに本実施形態の方法を適用すれば、ガラス原料バッチの熔融促進についての高い効果が得られる。
【００１４】
本実施形態の方法に適したガラス組成の一例は、以下のとおりである。
ＳｉＯ2：６０〜７５質量％
Ａｌ2Ｏ3：０〜１１質量％
ＭｇＯ：５〜１５質量％
ＣａＯ：０〜１０質量％
Ｎａ2Ｏ：１２〜２１質量％
Ｋ2Ｏ：０〜５質量％
【００１５】
なお、水ガラスによるガラス原料バッチの熔融促進効果は、上記の原料によって調製されたガラス原料バッチに対してのみ得られるわけではなく、上記以外の原料を用いた場合にも得ることができる。例えば、Ａｌ2Ｏ3源に、長石ではなくアルミナや水酸化アルミニウムなどを用い、マグネシア源に、ドロマイトや酸化マグネシウムではなく水酸化マグネシウムなどを用いてもよい。
【００１６】
ガラス原料バッチでは、珪砂の熔融速度がバッチの熔融性を決定する。珪砂が融液に溶けやすいと、バッチは速やかに熔融する。珪砂は、バッチの熔融反応において、曹達灰と反応することで熔融する。本実施形態では、バッチの熔融時に水ガラスを添加することで、水ガラスがバインダーとして作用するとともに、珪砂と曹達灰との反応性を高めるので、珪砂が融液により速く溶けることができる。
【００１７】
水ガラスは、珪酸ナトリウムの水溶液である。したがって、水ガラスの溶質とは、水溶媒に溶解している、珪酸ナトリウムを含む固形分である。本実施形態で使用される水ガラスは特に限定されず、したがって、水ガラスにおける二酸化珪素と酸化ナトリウムとの混合比率等も特に限定されない。ただし、ガラス原料バッチと水ガラスとを含む混合物全体に占める水ガラスの溶質の割合が低すぎると、水ガラスの添加によりもたらされる熔融促進の効果が乏しくなる。一方、水ガラスの溶質の割合が高すぎると、水ガラスとガラス原料バッチとの混合時に混合物の粘性が上がりすぎて混合が阻害されるため、珪砂と曹達灰との反応性が落ちる。したがって、添加される水ガラスは、混合物全体における水ガラスの溶質の含有率が０．５質量％を超え、且つ５質量％以下となるように、その濃度や量が適宜調整される。混合物全体における水ガラスの溶質の含有率の下限値は、好ましくは０．６質量％以上、より好ましくは０．９質量％以上であり、混合物全体における水ガラスの溶質の含有率の上限値は、好ましくは４質量％以下である。なお、水ガラスの添加により、通常のガラス製造で添加されるよりも多くの水がガラス原料バッチに投入されることになる。従来の常識では、ガラス原料バッチに水が多く添加されると、溶解性が悪くなる。しかし、水ガラスの添加による熔融促進効果は、水ガラスの添加による混合物全体に占める水の割合の上昇に伴う溶解性の悪化を上回るということが、本発明者らによって明らかとなった。ただし、混合物全体に占める水の割合が高すぎると溶解性の悪化が顕著になるため、本実施形態では、混合物全体における水の含有率を５質量％以上１８質量％以下とする。溶解性を向上させるため、混合物全体における水の含有率の下限値は、好ましくは、６質量％以上、より好ましくは８質量％以上、特に好ましくは９質量％以上であり、また、混合物全体における水の含有率の上限値は、好ましくは１７質量％以下、より好ましくは１６質量％以下、特に好ましくは１５質量％以下である。
【００１８】
より高い熔融促進効果を得るためには、工程（Ｉ）において、混合物全体における水ガラスの溶質の含有率が０．９質量％以上５質量％以下となるように、水ガラスをガラス原料バッチに添加することが好ましい。また、同様の理由から、工程（Ｉ）において、混合物全体における水の含有率が９質量％以上１５質量％以下となるように、水ガラスをガラス原料バッチに添加することが好ましい。
【００１９】
なお、工程（Ｉ）で用いられるガラス原料バッチの状態は、特には限定されず、粉体であってもよいし、粉体が造粒された顆粒状であってもよい。また、例えば顆粒状のガラス原料バッチに予め水分が含まれている場合は、その水分量も考慮した上で、水ガラスの添加によってガラス原料バッチに添加される水の量を調整する。すなわち、ガラス原料バッチ及び水ガラスを含む混合物全体における水の含有率は、添加される水ガラスの水溶媒のみで決定されるのではなく、ガラス原料バッチに別途添加される水や予め含まれている水分なども含めて決定される。
【００２０】
なお、ガラス原料バッチを熔融するための具体的な手順や使用される装置等は、公知の手順や装置等を適宜利用することが可能であるため、特には限定されない。例えば、大型の熔融槽に原料を投入し、バーナーの輻射熱により加熱しながら熔融してもよいし、るつぼに原料を投入し、電気炉などで熔融してもよい。
【００２１】
また、熔融された混合物を冷却してガラスを得る工程（工程（II））も、公知のガラス冷却方法を適宜利用することが可能であるため、特には限定されない。例えば、冷却時の割れを防ぐため徐冷炉を使用して温度調節しながら冷却してもよい。また、フロート法、ダウンドロー法、プレス成型などの公知の方法により各種形状に成形した後に冷却してもよい。
【００２２】
本実施形態の製造方法によれば、ガラス原料バッチの熔融を促進させることによって、ガラス原料バッチの熔融に要するエネルギーを低減できる。したがって、ガラスの製造コストを低減できるだけでなく、ガラス原料バッチの加熱熔融のための重油や天然ガスの燃焼量が低減されてＣＯ2排出量の低減も可能となる。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明について実施例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明は、本発明の要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【００２４】
（実施例１〜７、比較例１及び２）
珪砂、曹達灰、ドロマイト、長石、石灰石、酸化マグネシウム、芒硝及び／又はカーボン等を、ガラス化後の組成が表１の「組成１」となり、ガラス化後の重量が１５０ｇになるように秤量し、小型のアイリッヒ型ミキサーに投入して混合してガラス原料バッチを調製した。ミキサーで混合中に、このガラス原料バッチに水ガラスを添加して、ガラス原料バッチと水ガラスとを含む混合物を得た。水ガラスには、富士化学（株）製の水ガラス１号、３号及び５号を用いた。水ガラス１号は、３２％のＳｉＯ2と１６％のＮａ2Ｏを、水ガラス３号は、２９％のＳｉＯ2と１０％のＮａ2Ｏを、水ガラス５号は２６％のＳｉＯ2と７％のＮａ2Ｏを含む。各実施例及び比較例において、水ガラスは、混合物全体における水ガラスの溶質の含有率と、混合物全体における水の含有率とが表２に示すとおりとなるように、その濃度及び量が適宜調整されて添加された。表２には、添加した水ガラスについて、その濃度及び混合物全体における含有率も示されている。なお、本実施例及び比較例では、ガラス原料バッチに添加される水は、水ガラスに含まれる水溶媒のみであった。そのため、混合物全体における水の含有率は、添加する水ガラスの水溶媒の量によって決定された。得られた混合物を白金るつぼの中で１４５０℃の温度で３０分熔融し、ガラス化反応が終了する前の状態で融液をキャストしてサンプルを得た。サンプルを６５０℃で１時間保持し、炉内電源をスイッチオフして降温し、室温まで冷却した。顕微鏡でサンプル内に未熔融として残存した珪砂を観察し、水ガラスによる熔融促進効果を評価した。評価結果は表２に示されたとおりである。ここでの評価は、比較例１の結果を基準とした。比較例１よりも溶け残りが少なければ○とし、特に溶け残りが少なかったものを◎とし、比較例１と同等であれば×とした。なお、図１は実施例１のサンプルの顕微鏡写真であり、図２は比較例１のサンプルの顕微鏡写真である。これらの顕微鏡写真において、白い部分が未熔解の珪砂部分である。
【００２５】
（実施例８〜１２、比較例３〜５）
珪砂、曹達灰、ドロマイト、長石、石灰石、酸化マグネシウム、芒硝及び／又はカーボン等を、ガラス化後の組成が表１の「組成２」となるように混合したことと、水ガラスを、混合物全体における水ガラスの溶質の含有率と、混合物全体における水の含有率とが表３に示すとおりとなるように、その濃度及び量を適宜調整して添加したことと、混合物の１４５０℃での熔融時間を１７分としたこととを除いては、実施例１〜７及び比較例１、２と同じ方法で、実施例８〜１２及び比較例３〜５のサンプルを作製して評価した。評価結果は表３に示されているとおりである。ここでの評価は、比較例３の結果を基準とした。比較例３よりも溶け残りが少なければ○とし、特に溶け残りが少なかったものを◎とし、比較例３と同等であれば×、比較例３より溶け残りが増えれば××とした。なお、ガラス原料バッチに添加した水ガラスについて、その濃度及び混合物全体における含有率も表３に示されている。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
【表２】
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【００２８】
【表３】
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【００２９】
「組成１」のガラス原料バッチを用いた実施例１〜７及び比較例１、２について検討する。実施例１〜７では、混合物全体における水ガラスの溶質の含有率が０．５５〜３．８質量％、すなわち０．５質量％を超え、且つ５質量％以下の範囲内であった。さらに、実施例１〜７では、混合物全体における水の含有率が８．５〜１２．１質量％、すなわち、５質量％以上１８質量％以下の範囲内であって、且つ通常のガラス製造における水の含有率（２〜６質量％）よりも多かった。一方、比較例１では水ガラスは添加されず、比較例２では水ガラスの溶質の含有率が０．２７質量％と、０．５質量％以下であった。実施例１〜７と比較例１の結果を比較すると、実施例１〜７は比較例１よりも水の含有率が多く、水の蒸発のために比較例１よりも余分なエネルギーが必要となるにも関わらず、比較例１よりも珪砂の未熔解量が極めて少なく、熔融が進んで熔融状態が良好であった。この結果から、水ガラスを添加することにより、ガラス原料バッチの熔融に要するエネルギーが低減できることが確認された。また、比較例２では、水ガラスが添加されたにも関わらず、熔融が促進されなかった。これは、比較例２では水ガラスの溶質の含有率が低すぎたため、水ガラスの添加による熔融促進効果が得られなかったと考えられる。
【００３０】
次に、「組成２」のガラス原料バッチを用いた実施例８〜１２及び比較例３〜５について検討する。実施例８〜１２では、混合物全体における水ガラスの溶質の含有率が０．７〜１．７質量％、すなわち０．５質量％を超え、且つ５質量％以下の範囲内であった。さらに、実施例８〜１２では、混合物全体における水の含有率が５．６〜１４．６質量％、すなわち、５質量％以上１８質量％以下の範囲内であって、且つ通常のガラス製造における水の含有率（２〜６質量％）よりも多かった。一方、比較例３では水ガラスは添加されず、比較例４では水ガラスの溶質の含有率が０．４質量％と、０．５質量％以下であった。さらに、比較例５では、水ガラスの溶質の含有率が５．６質量％と、５質量％を超えており、水の含有率も１７．５質量％と比較的高かった。実施例８〜１２と比較例３の結果を比較すると、実施例８〜１２は比較例３よりも水の含有率が多く、水の蒸発のために比較例３よりも余分なエネルギーが必要となるにも関わらず、比較例１よりも珪砂の未熔解量が極めて少なく、熔融が進んで熔融状態が良好であった。また、比較例４では、水ガラスが添加されたにも関わらず、熔融が促進されなかった。これは、比較例４では水ガラスの溶質の含有率が小さすぎたため、水ガラスの添加による熔融促進効果が得られなかったと考えられる。また、比較例５では水ガラスの添加量が多すぎたため混合が適切に行われず、水ガラスの溶質の含有率が５．６％と高かったにも関わらず水ガラスの添加による熔融促進効果が得られなかった。
【００３１】
以上の結果から、混合物全体における水ガラスの溶質の含有率が０．５質量％を超え、且つ５質量％以下であって、さらに混合物全体における水の含有率が５質量％以上１８質量％以下となるように、ガラス原料バッチに水ガラスを添加することにより、ガラス原料バッチの熔融が促進されることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明のガラスの製造方法は、ガラスの組成に関わらずガラスの製造コストを低減することができるので、あらゆる分野のガラスの製造に利用できる。
【図１】
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【図２】
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