(57)【要約】  溶融区画１１及び清澄区画１２を含むガラス溶融窯１００を運転する方法において、溶融区画は向かい合った蓄熱室４１、４２の対を備えている。燃料の少なくとも１つのガス性流又は噴霧流体流及び少なくとも１つのオキシダント流が、たとえば注入器３２、３３を通って注入され、溶融ガラス製造材料の上の清澄区画の中へ燃焼させられて、前記清澄区画における前記浴の表面近くの雰囲気の平均酸素濃度を１から６０ｖｏｌ％高める。前記蓄熱室ポートのそれぞれの燃料及び燃焼気流の速度は、溶融区画１１におけるスプリング区画と清澄区画１２の間に配置された前記蓄熱室ポートのそれぞれを出る煙道ガスの酸素濃度を２から１０ｖｏｌ％の間にするように調整される。酸化ガラスを作ることができ、頂部腐食のリスクが減少する。
2016525055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
向かい合った側壁、後壁、天井、及び前壁によって画定されるガラス溶融室を含むガラス溶融窯を運転する方法であって、
（Ａ）溶融ガラス製造材料の浴を確立するために、ガラス製造材料を前記ガラス溶融室の溶融区画において溶融させるステップであって、前記溶融が、前記溶融区画の前記側壁にある２対以上の向かい合った蓄熱室ポートからの燃料及び予熱されたオキシダントの燃焼によって前記浴の上で前記溶融区画に供給される熱によるものであり、前記燃焼が、燃焼生成物を含む雰囲気を前記溶融区画の前記浴の上に形成し、スプリング区画が前記浴の中に存在する、ステップと、
（Ｂ）前記溶融区画からの溶融ガラス製造材料を、前記ガラス溶融室の清澄区画の中へ送り、そこを通過させ、次いで前記前壁のポートを通って前記ガラス溶融室の外へ送るステップと、
（Ｃ）前記清澄区画における前記浴の表面近くの雰囲気の平均酸素濃度を１から６０ｖｏｌ％高めるために、燃料及び少なくとも１つのオキシダント流の少なくとも１つのガス性流又は噴霧流体流を、前記溶融ガラス製造材料の上の前記清澄区画に注入し、前記清澄区画において前記燃料及びオキシダントを燃焼させるステップと、
（Ｄ）前記スプリング区画と前記清澄区画の間に配置された前記蓄熱室ポートのそれぞれから出る煙道ガスの酸素濃度を２から１０ｖｏｌ％の間にするように、前記蓄熱室ポートのそれぞれの燃料及び燃焼気流の速度を調整するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
ステップ（Ｃ）において注入される前記少なくとも１つのオキシダント流が、２１ｖｏｌ％から１００ｖｏｌ％の酸素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ステップ（Ｃ）において注入される前記少なくとも１つのオキシダント流が３５ｖｏｌ％から１００ｖｏｌ％の酸素を含み、ステップ（Ｃ）において、前記燃料が、ステップ（Ｃ）において注入される前記オキシダントに対して１１０％から２０００％の理論空燃比で注入される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ステップ（Ｃ）において注入される前記少なくとも１つのオキシダント流と前記燃料の前記理論空燃比が１５０％から１５００％である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
ステップ（Ｃ）において注入される前記少なくとも１つのオキシダント流と前記燃料の前記理論空燃比が２００％から１０００％である、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記溶融区画の底面からのガスを前記溶融区画における前記溶融ガラスの中に泡立たせるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
（Ｅ）ガス流を、前記前壁における前記ポートを通すか、又は前記前壁における少なくとも１つの別個のガス注入ポートを通して、前記溶融ガラス製造材料の上の前記溶融区画に向けて前記清澄区画の中へ流すステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
溶融ガラス製造材料が前記清澄区画から出て調整区画の中へ流れ、冷却空気が、前記調整区画に送り込まれて、前記調整区画において前記溶融ガラス製造材料を冷却し、前記冷却空気の一部が、前記調整区画から前記清澄区画の中へ流れ、且つ、前記清澄区画の中へ流れ込む前記ガス流を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記清澄区画における前記浴の表面近くの前記雰囲気の酸素濃度が、前記溶融区画における前記浴の表面近くの前記雰囲気の酸素濃度よりも高い、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記清澄区画における前記浴の表面近くの前記雰囲気の前記平均酸素濃度が、２と６０ｖｏｌ％に間である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記清澄区画における前記浴の表面近くの前記雰囲気の前記平均酸素濃度が、１から６０ｖｏｌ％増加させられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記ガラス溶融窯から製造されるガラスの第一鉄対第二鉄の比として表される酸化還元比が、０．０１から０．２０減少させられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
燃焼用の予熱されたオキシダントが、前記ガラス溶融室の前記側面における２対から１０対の蓄熱室ポートから前記浴の上の前記溶融区画に供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
ステップ（Ｅ）に従って前記清澄区画に流れ込む前記ガス流が空気である、請求項７に記載の方法。
【請求項１５】
ステップ（Ｅ）に従って前記清澄区画に流れ込む前記ガス流が２１ｖｏｌ％から１００ｖｏｌ％の酸素を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１６】
ステップ（Ｅ）に従って前記清澄区画に流れ込む前記ガス流が、５０ｖｏｌ％から１００ｖｏｌ％までの酸素を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１７】
前記ガラス溶融窯が、酸化された板ガラスを製造する、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部でガラス製造材料を溶融させて、固体のガラスを生成可能な溶融ガラス製造材料の浴を作り出すガラス溶融窯の運転に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラスの製造では、酸素で燃料を燃焼させるバーナから与えられる熱によって、ガラス製造材料がガラス溶融窯の中で溶融させられる。燃料は、酸素源としての空気で、又は空気流よりも多くの酸素含量を含む気流で燃焼させることができる。窯は、窯の中を支配する極めて高い温度に耐えられる材料で製造されなければならない。しばしば使用される構造の材料は、典型的にはＡＺＳ及びシリカ耐火物並びに関連する材料が含まれ、よく知られている。
【０００３】
しかしながら、ガラス溶融窯内の状態によって、窯の内側面、特にガラス製造材料の上の天井（「頂部」）に腐食が生じることが知られている。頂部に最も広く使用される材料は、ソーダ石灰珪酸塩ガラスの窯に対する珪石れんがである。ガラス溶融窯の中でガラス・バッチ材料及び溶融ガラスから生成されるアルカリ蒸気（大半はＮａＯＨ及びＫＯＨ）が、シリカ耐火れんがと反応し、頂部の内側面にガラス質の珪酸塩材料を経時的に形成する。十分な濃度のアルカリ酸化物（主としてＮａ２Ｏ及びＫ２Ｏ）がガラス質の珪酸塩層内に蓄積したとき、ガラス質の材料は、窯内の溶融ガラスの中に直接的にしたたり落ちるか、又はシリカ耐火物面に沿って、また窯内の他の耐火物面の上を進む程度の流体になることがあり、溶融ガラスの中に落ちる耐火物粒子の一部を溶かすか又ははがすことがある。この腐食は、頂部の材料の喪失を招き、最後には頂部の高額な修理又は交換に至るため、また、腐食生産物は、窯内の溶融ガラス材料のプール内に落ち、ガラス製品に欠陥を生じさせることが知られているので、望ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，９２４，８４８号
【特許文献２】米国特許第５，６０１，４２５号
【特許文献３】米国特許第５，２６６，０２４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、耐火材料の腐食を低減し、ガラスの品質を向上させるため、特に、ガラスの酸化状態を高めるため、すなわち、第一鉄対第二鉄のモル比である酸化還元比を低減し、透明な板ガラスやガラス食器などの用途のための高い光透過性を特徴とするガラスを製造するために窯内雰囲気を制御する方法体系を提供する。好ましくは、酸化還元比は０．０１から０．２０減少させられる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、向かい合った側壁、後壁、天井、及び前壁によって画定されるガラス溶融室を含むガラス溶融窯を運転する方法であって、
（Ａ）溶融ガラス製造材料の浴を確立するために、ガラス製造材料を前記ガラス溶融室の溶融区画において溶融させるステップであって、この溶融が、前記溶融区画の前記側壁にある２対以上の向かい合った蓄熱室ポートからの燃料及び予熱されたオキシダントの燃焼によって前記浴の上で溶融区画に供給される熱によるものであり、前記燃焼が、燃焼生成物を含む雰囲気を前記溶融区画の前記浴の上に形成し、スプリング区画が前記浴の中に存在する、ステップと、
（Ｂ）溶融区画からの溶融ガラス製造材料を、ガラス溶融室の清澄区画の中へ送り、そこを通過させ、次いで前記前壁のポートを通って前記ガラス溶融室の外へ送るステップと、
（Ｃ）前記清澄区画における前記浴の表面近くの雰囲気の平均酸素濃度を１から６０ｖｏｌ％高めるために、燃料及び少なくとも１つのオキシダント流の少なくとも１つのガス性流又は噴霧流体流を、溶融ガラス製造材料の上の清澄区画に注入し、前記清澄区画において前記燃料及びオキシダントを燃焼させるステップと、
（Ｄ）スプリング区画と清澄区画の間に配置された前記蓄熱室ポートのそれぞれから出る煙道ガスの酸素濃度を２から１０ｖｏｌ％、好ましくは２から６ｖｏｌ％の間にするように、前記蓄熱室ポートのそれぞれの燃料及び燃焼気流の速度を調整するステップと
を含む方法である。
【０００７】
本発明の好ましい態様において、ステップ（Ｃ）において注入される前記少なくとも１つのオキシダント流が３５ｖｏｌ％から１００ｖｏｌ％の酸素を含み、ステップ（Ｃ）において、前記燃料が、ステップ（Ｃ）において注入されるオキシダントに対して１１０％から２０００％の理論空燃比で注入される。
【０００８】
本明細書で使用される「ガラス製造材料」は、以下の材料、及びその混合物のうち任意のものを含む：砂（大半はＳｉＯ２）、ソーダ灰（大半はＮａ２ＣＯ３）、石灰岩（大半はＣａＣＯ３及びＭｇＣＯ３）、長石、ホウ砂（ホウ酸ナトリウム水和物）、他のナトリウム及びカリウムの酸化物、水酸化物及び／又は珪酸塩、並びに上記のいずれかを溶融及び固化することによって既に製造されたガラス（再利用ガラス固体物など）。ガラス製造材料はまた、芒硝（ナトリウム硫酸塩、Ｎａ２ＳＯ４）及び／又は硝石（硝酸ナトリウム、ＮａＮＯ３、及び／又は硝酸カリウム、ＫＮＯ３）などのバッチ酸化剤、並びに酸化アンチモン（Ｓｂ２Ｏ３）などの清澄剤といった機能的添加剤を含んでいてもよい。
【０００９】
本明細書で使用される「アルカリ種」は、ナトリウム、カリウム及び／又はリチウムの原子を含む化合物を意味し、限定はしないが、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、１２００℃より高い温度で水酸化ナトリウム又は水酸化カリウムを分解して形成される生成物、及びその混合物が含まれる。
【００１０】
本明細書で使用される「酸素バーナ（ｏｘｙ−ｆｕｅｌ  ｂｕｒｎｅｒ）」は、燃料と、空気の酸素含量よりも多くの酸素含量を有し、好ましくは少なくとも５０体積％、より好ましくは９０体積％を超える酸素含量を有するオキシダントとが供給されるバーナを意味する。
【００１１】
本明細書で使用される「酸素燃焼（ｏｘｙ−ｆｕｅｌ  ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）」は、空気の酸素含量よりも多くの酸素含量を有し、好ましくは少なくとも５０体積％、より好ましくは９０体積％を超える酸素含量を有するオキシダントで燃料の燃焼を意味する。
【００１２】
本明細書で使用される「前記浴の表面近くの雰囲気」は、浴の表面から浴の表面より３０．５センチメートル（１フィート）上に延びるガス性の層を意味する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明が実施できるガラス溶融窯を上から見た平面図である。
【図２】本発明なしで運転したときの図１の窯内におけるガス流のグラフである。
【図３】本発明の一実施例を用いて運転したときの図１の窯内におけるガス流のグラフである。
【図４】図２に表したように、本発明なしで運転したときの図１の窯内におけるガラス溶融面近くの窯内雰囲気（ｖｏｌ％、湿基準）の酸素濃度プロファイルのグラフである。
【図５】図３に表したように、本発明の実施例を用いて運転したときの図１の窯内におけるガラス溶融面近くの窯内雰囲気（ｖｏｌ％、湿基準）の酸素濃度プロファイルのグラフである。
【図６】本発明の別の実施例による、図１の窯内にガスを注入する代替構成を示す、ガラス溶融窯を上から見た平面図である。
【図７】溶融ガラス内に気泡を任意に送り込むことによる動作を示す、ガラス溶融窯を横から見た断面図である。
【図８】溶融ガラスの流れ及びスプリング区画を示すガラス溶融窯を横から見た断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
まずガラス製造窯自体を参照すると、図１は、本発明を実施できる蓄熱室を備えた典型的なクロスファイア式のフロート・ガラス窯１００を上から見た平面図を示す。本発明はフロート・ガラス窯には限定されず、たとえば、食器ガラス、板ガラス、陳列ガラス、及び容器ガラスを製造する他のタイプのガラス溶融窯において実施できる。窯１００は、溶融区画１１及び清澄区画１２を含む。溶融区画１１及び清澄区画１２は、後壁２１、前壁２３、及び側壁２２の中に囲まれている。頂部又は天井（図示せず）が、側壁２２、後壁２１、及び前壁２３につながっている。窯１００はまた、後壁２１、側壁２２及び前壁２３並びに頂部又は天井とともに、溶融ガラス製造材料を保持する囲いを形成する底面も有する。
【００１５】
調整区画１３は、側壁２４、前壁２５、端壁２６、並びに側壁２４、前壁２５、及び端壁２６につながっている頂部又は天井（図示せず）、さらには底面及び頂部又は天井によって囲まれている。調整区画１３（存在する場合）は、この分野で既に馴染みのあるやり方で溶融材料をさらに調整するために、清澄区画１２からの流れる溶融ガラス製造材料を受けるように清澄区画１２を基準に配置されている。ウエスト区画１４は、清澄区画１２と調整区画１３をつなぐ狭い通路である。
【００１６】
底面の特定の形状は重要でないが、一般の慣行では、底面の少なくとも一部は平らであり、水平であるか、又は窯の中を通る溶融ガラスの流れの方向に傾斜しているのが好ましい。底面のすべて又は一部は、代わりに湾曲していることがある。壁に、所望の量の溶融ガラスを保持し、溶融ガラスの上に、ガラス製造材料を溶融し、その溶融状態を保つ燃焼が生じ得るスペースを（頂部の下に）設けられる高さがあれば、壁によって画定される窯の特定の形状もまた重要ではない。
【００１７】
窯１００はまた、少なくとも１つの材料投入口（図示せず）を、典型的には後壁２１の内側面に沿って、又は他のタイプのガラス窯では後壁２１の近くの側壁２２に有し、そこを通ってガラス製造材料を溶融区画１１の中に送り込むことができる。燃料と酸素の燃焼（溶融区画１１内）による生成物が窯の内部から流れ出ることができる１つ又は複数の煙道があってもよい。１つ又は複数の煙道は、典型的には後壁２１に、又は１つ又は複数の側壁に配置される。
【００１８】
窯の底面、側面及び頂部は、さらされる温度、すなわち典型的には１３００℃から１７００℃においてその固体の構造上の保全性を保つことができる耐火材料から作られるべきである。そのような材料は、高温装置の構造の分野では広く知られている。実例としては、シリカ、溶融アルミナ、及びＡＺＳが挙げられる。
【００１９】
頂部の内側面、すなわち窯内雰囲気と接する表面は、頂部の構造の元の材料で構成されていてもよく、また場所によっては、頂部の腐食していない表面だったところに形成されたスラグの層を代わりに含んでいてもよい。そのようなスラグ層は、典型的には揮発性蒸気とガラス製造材料及び溶融ガラスからの塵の反応によって形成され、既に使用されている窯に見られることが多い。典型的には、スラグ層は、シリカ、アルカリ酸化物、アルカリ土類酸化物、及びその化合物、たとえば、酸化カルシウム並びに／又は酸化カルシウムとシリカ及び／若しくはアルカリ酸化物の化合物を含む。したがって、本発明は、頂部の内側面が表面とアルカリ水酸化物の反応によって形成された腐食生成物を含む窯において、また頂部の内側面が表面とアルカリ水酸化物の反応によって形成された腐食生成物を含まない窯において実施できる。
【００２０】
溶融区画１１は、側壁２２に２対以上の向かい合った蓄熱室ポートを含む。「向かい合った」によって、所与の対の蓄熱室ポートにおいて、各側壁２２に１つのポートが存在し、互いに向かい合い、且つ両方とも溶融区画１１の内部を向いていることが意味される。向かい合ったポートは、好ましくは本質的に同軸であり、すなわち、直接的に互いに向い合っている。各ポートの軸が他方の軸と同軸でないオフセットされているポートは、使用することはできるが、好ましくはない。燃焼は、これらのポートが溶融区画１１に通じている位置、又はその近くで注入される天然ガス又は燃料油が、蓄熱室４１及び４２からの熱い燃焼空気と混合して炎を形成し、且つ溶融区画において熱を生成してガラス製造材料を溶融し、ガラス製造材料を溶融状態に維持する際に、溶融区画１１において生じる。蓄熱室ポートは、以下でさらに述べるように、蓄熱室４１及び４２と連通している。図１は６対のポートを示し、各対のポートが互いに向かい合い、溶融区画の一方の側面のポートには１Ｌから６Ｌが付けられ、溶融区画の他方の側面のポートには１Ｒから６Ｒが付けられている。任意の数のポートが、窯の所望のガラス溶融容量に応じて、２から１０又はさらに最高で２０以上まで使用できる。各ポートの出口又はその近くに、燃料を注入して炎（図示せず）を形成し、溶融区画１１において熱を生成するために、１つ又は複数の燃料注入器（図示せず）が配置されている。溶融区画１１は、後壁２１と、前壁２３に最も近い最後の対の蓄熱室ポートか、又は燃料注入器がポート自体よりも前壁２３に近い場合、前壁２３に最も近い最後の対の蓄熱室ポート用の燃料注入器との間の区画として画定されている。
【００２１】
場合により、追加の熱回収及び他の目的で煙道ガスの一部を排出するために、蓄熱室４１及び４２に接続されていない１つ又は複数の煙道ガス・ポート（図示せず）が、溶融区画１１又は清澄区画１２の１つ又は複数の壁に配置されてもよい。
【００２２】
後壁２１とポート１Ｌ及び１Ｒの間の矢印３０及び３１は、ガラス窯において生成量及び／又はガラス品質を高めるためにしばしば使用される任意の酸素バーナを表す。
【００２３】
図７を参照すると、溶融区画１１は、溶融ガラスの循環を高めるために、場合により、窯の底面を介して設置されたガス・バブラを有する。源７４（貯蔵タンク又はシリンダなど）からの空気又は酸素が、溶融ガラスの表面で破裂する直径７．６２から２０．３２センチメートル（３から８インチ）の大きい気泡７１を作り出すために、典型的には各バブラ７２を介して注入される。好ましくは、酸素は、バブラを介して注入されるガスである。バブラを通るガスの流れは、０．０２８〜０．２８３ｍ３／ｈ（１〜１０ＳＣＦＨ）の速度など、運転者がガスの流れを調節できるようにする制御装置７３によって制御される。
【００２４】
清澄区画１２は、溶融ガラス製造材料の上で追加の燃料及びオキシダントを燃焼させる装置を場合により有していてもよいことを特徴とする。ただし、好ましくは、蓄熱室ポートは、清澄区画を含む側壁及び端壁には存在しない。
【００２５】
溶融区画１１及び清澄区画１２における溶融ガラス製造材料は、窯内において複雑な再循環流パターンを受け、溶融区画１１から、清澄区画１２を介して、前壁２３のポート２８に向かい、且つ中を通り、好ましくは調整区画１３に入る方向への正味の段階的な流れを有する。図８を参照すると、典型的なガラス窯において、溶融ガラスの２つの大きい再循環流８２及び８３が、窯の長手方向に形成され、典型的には窯の最も熱い区画の近くに見られる、いわゆるスプリング区画８１によって分けられる。第１の循環ループ８２は、スプリング区画８１と後壁２１の間に形成される。上面近くの溶融ガラスは、スプリング区画８１から後方に流れ、後壁２１に向かい、次いで後壁２１近くで下方に流れ、次いでスプリング区画８１に向かって前方に移動する。スプリング区画８１の近くでは、溶融ガラスは上方に流れ、ガラスの大半は後壁２１に向かって後方に循環する。多くの気泡は、スプリング区画においてガラス浴上面に浮かび、除去される、すなわち、ガラスは精錬される。精錬ガラスの一部８４は、スプリング区画８１から前壁２３に向かって前方に移動し、ウエスト区画１４を通って調整区画１３に入る。第２のガラス循環ループ８３において、調整区画１３からのガラスの一部が、ウエスト区画１４の底面近くで後方に流れて清澄区画１２に入り、スプリング区画８１に向かう。スプリング区画８１の近くで、ガラスは上方に流れ、後壁２１から流れるガラスと合流し、ガラスの一部は前壁２３に向かって前方に循環する。したがって、「スプリング区画」は、ガラス溶融窯内の溶融ガラスにおける、窯の後壁の隣を通る溶融ガラスの循環流８２と、窯の前壁２３の隣を通る溶融ガラスの循環流８３との間の領域である。溶融ガラスが溶融区画１１及び清澄区画１２にある間、溶解ガスは、浴の表面に上がり、浴を出ることができ、揮発性の劣る材料は、浴内でより均一に分散した状態になり得る。
【００２６】
運転に際して、ガラス製造材料が溶融区画１１に送り込まれる。溶融区画１１における燃焼は、溶融区画においてガラス製造材料を溶融し、得られる溶融ガラス製造材料の浴を溶融状態に維持する熱を生じさせる。この燃焼は、典型的には空気として、又は場合により酸素が豊富な空気若しくは５０ｖｏｌ％から最大９９ｖｏｌ％の酸素を含む流れとして供給される酸素で、燃料、好ましくは天然ガス又は油を燃焼させることによって実施される。送り込まれ、燃焼させられる燃料及び酸素の量は、溶融区画１１に送り込まれるガラス製造材料を溶融するだけの熱を生じさせるのに十分でなければならない。
【００２７】
蓄熱室を使用して溶融区画１１において燃焼が実施されるとき、燃料（図１には示さず）は、典型的には、窯へのポート出口又はその近くの各ポートの下又は横から、対向するポートに向かって注入される。燃焼空気は、溶融区画１１の同じ側の蓄熱室（蓄熱室４１など）において予熱され、溶融区画１１に流れ込み、注入された燃料と混合し、炎を形成し、その間、極めて熱い燃焼のガス生成物が溶融区画１１から溶融区画１１の他方の側壁２２のポートを通って、また他方の蓄熱室（この図では、蓄熱室４２）を通って回収される。流れ４３によって表されるオキシダント・ガス（すなわち空気、酸素が豊富な空気、又はより高い純度の酸素）は、蓄熱室を通過し、前のサイクルにおいてその蓄熱室を介して回収された燃焼による熱いガス生成物から既に吸収された熱の伝達によって加熱され、その後、オキシダントは溶融区画１１において燃料で燃焼させられる。溶融区画１１において、蓄熱室４１と連通したポートで、又はそこを通って送り込まれる燃料及びオキシダントで燃焼が生じている間、蓄熱室４２と連通したポートを介して回収される熱いガス生成物が、他方の蓄熱室４２を加熱する。蓄熱室は、典型的には、存在する高い温度で熱を吸収できる耐火れんが又は他の材料でできている（場合により、蓄熱室は、熱い燃焼ガスからの熱を吸収する耐火材料のボール又はブロックなどの追加のものを含んでいてもよい）。
【００２８】
典型的には１０から３０分ごとの期間が経過すると、運転は逆にされ、その結果、他方の蓄熱室（すなわち蓄熱室４２）からの燃焼用のオキシダント・ガス（たとえば空気）が溶融区画１１に流れ込み、蓄熱室４２と同じ側から注入される燃料で燃焼が生じ、得られる熱いガス燃焼生成物が、蓄熱室４１につながるポートを介して回収される。溶融区画１１での燃焼のこの時点において加わるオキシダントは、蓄熱室４２を通過し、前のサイクルにおいて蓄熱室４２に蓄えられた熱からの熱伝達によって加熱される。またこの期間が経過すると、燃焼気流及び燃料噴射の方向が再び逆にされる。数字４１及び４２によって表される蓄熱室は、溶融区画４１の各側面における１つの共通する室であってもよいし、それぞれが、窯の溶融区画１１につながった１つだけのポートと連通するいくつかの個別且つ別個の室であってもよい。
【００２９】
あるタイプのガラス溶融窯では、ガス（典型的には、空気）の流れ５０が、溶融区画１１に向かう方向に流れ、前壁２３のポート２８を介して清澄区画１２に流れ込む。この流れ５０は、典型的には、調整区画１３において溶融ガラスの浴を冷却する空気の一部である。本発明を使用しない従来の慣行では、流れ５０は、清澄区画１２を介して溶融区画１１に流れ込む。調整区画１３は好ましいが、本発明において必須ではない。調整区画１３が使用されるとき、冷却ガスの流れ５２は、たとえば４つの矢印で示されるように壁２４の４つの開口部を介して調整区画１３に送り込まれるか、又は注入され、次いで、冷却ガス５２の一部が、調整区画１３を介し、ウエスト区画１４のポート２８を通ってガス流５０として清澄区画１２に流れ込む。冷却ガス５２の残りは、調整区画１３又はウエスト区画１４にある排出ポート（図示せず）を介して排出される。
【００３０】
他のタイプのガラス溶融窯では、溶融ガラスのみがポート２８を介して流れるようにポート２８が溶融ガラスの下に沈んでいるので、ポート２８を介して清澄区画１２にガスが流れ込まない。これらのタイプの窯では、一部の空気が、他方の開口部を介して清澄区画に入ることができる。
【００３１】
清澄区画１２の矢印３２及び３３は、本発明に従って少なくとも１つのガス流が注入される位置を示す。これらの位置は清澄区画１２にある。好ましい位置は、前壁２３と前壁２３に最も近い蓄熱室ポートとの間（又は燃料噴射ポートの方が関連する蓄熱室ポートよりも前壁２３に近い場合、前壁２３と前壁２３に最も近い燃料噴射ポートとの間）の一方又は両方の側壁である。より好ましい位置は、その蓄熱室ポート又は燃料噴射ポートの近くである。対向する対の注入器３２及び３３の両注入器からの連続的なガス注入が本発明の好ましい実施例にあたるが、本発明は、一度に注入器１つだけから、好ましくは所与の任意の時間に火入れをしている蓄熱室が位置する側壁の反対側の側壁にある注入器から、周期的な注入を行って実施することもできる。すなわち、ガスは、蓄熱室４２が火入れサイクルにあるとき、注入器３２から注入され、その後周期的に、蓄熱室４１が火入れサイクルにあるとき、注入器３３から注入される。各注入器３２又は３３は、燃料（天然ガスなど）及び清澄区画１２において燃焼して窯内に炎を形成する酸素が送り込まれる酸素バーナであり得る。各注入器は、単一の注入器を含んでいても、異なるガス又は噴霧油が注入され得る側壁２２に配置された複数の注入ノズル又はポートを含んでいてもよい。好ましい注入器は、互いに垂直に取り付けられた２つの注入ポートを有する（米国特許第５，９２４，８４８号に図示及び記載されている）。或いは、各注入器３２及び３３は、（燃焼させられない）酸素のみ、空気のみ、酸素が豊富な空気、又は任意の適切な組成の混合ガスを注入することができる。ガスが注入器３２及び３３などの２つ以上の注入器から注入されるとき、任意の注入器から注入されるガスは、任意の他の注入器から注入されるガスとは異なるか、又は同じ組成を有することができる。場合により、パージ・ガス５５から５８の１つ又は複数の流れは、前壁２３及び／又は側壁２２に設けられた開口部を通って清澄区画１２に流れ込む。このパージ・ガス流は、酸化ガラスが製造されるとき、好ましくは酸素、酸素が豊富な空気、又は空気であり、清澄区画１２における雰囲気の酸素濃度を高める。
【００３２】
図１に描かれているようなクロスファイア式の蓄熱ガラス溶融窯では、溶融区画１１における窯ガス循環パターンは、溶融区画１１に注入される燃焼オキシダント（空気）及び燃料の運動量によって主に駆動される。本発明が行われていないとき、溶融区画におけるオキシダント及び燃料の燃焼（及び清澄区画１２に流れ込むガス性流５０の影響、又は他のガス流があればその影響）は、最後の対の蓄熱室ポート、すなわち、図１におけるポート６Ｌ及び６Ｒと前壁２３間の大きな再循環ガス流パターンを確立し、溶融区画の領域内を循環し、溶融区画１１から出て清澄区画１２に入り、溶融区画１１に戻る効果を有する。蓄熱室４１が火入れサイクルにあるとき、清澄区画１２において、（図２に円６１で示す）再循環流の方向は反時計回りの方向であり、他方の蓄熱室が代わりに火入れサイクルにあるとき、パターンは逆になり、再循環流の方向は時計回りになる。他のガスが清澄区画１２に注入されないとき、この再循環ガス流パターンにおけるガスの組成は、典型的には、体積で１〜３％のＯ２を含むガス性燃焼生成物のものに極めて近くなる（すなわち、上記のように蓄熱室ポートを介して回収される）。本明細書に記載するように冷却ガス５０が清澄区画に流れ込むとき、清澄区画における雰囲気１２の組成は、清澄区画１２に流れ込む冷却空気と、清澄区画に循環する窯ガスとの混合パターンによって決定される。
【００３３】
図３は、側壁２２に配置された対向する対の酸素−油バーナを用いて本発明を実施したときのガス流パターンを示す。噴霧燃料油及び酸素は、２つの対向する噴出として同時に注入される。図２に６１として示すような清澄区画１２を循環するガス流の代わりに、溶融区画１１から清澄区画１２に循環するガスの流れはほとんどない。溶融区画から清澄区画へのガスの流れは、少なくとも１０％、好ましくは少なくとも２０又は２５％、より好ましくは少なくとも４０又は５０％減少し得る。減少量は、本発明の実施前と実施後の清澄区画における雰囲気の酸素含量を比較することによって求められる。本発明の実施によって、溶融区画雰囲気が清澄区画に流れ込み、（酸素含量について）清澄区画雰囲気の希薄化を生じさせることができない程度に比例して、清澄区画雰囲気の酸素含量が上昇する。
【００３４】
本発明なしで運転するとき、図１に示すタイプの典型的な６００メトリックｔｐｄのフロート・ガラス窯（主な窯の幅１２．２ｍ×長さ３８．２ｍ）に計算流体力学解析を適用して、図４に示されるようにガラス溶融面の近くでの窯内雰囲気（ｖｏｌ％、湿基準）の酸素濃度プロファイルを予測した。清澄区画１２における局所的なＯ２濃度は、１，７１９Ｎｍ３／ｈｒの流れ５０（空気）が清澄区画１２に流れ込んでいたとき、側壁２２と前壁２３がなす角において４％まで減少し、壁２３のポート２８で約２１％のＯ２であった。この実例では任意のパージ・ガス流５５〜５８を注入した。清澄区画１２における低い局所的なＯ２濃度は、約２％のＯ２を含んだ循環する窯ガスと混合することによって生じさせた。壁２３のポート２８近くの小さいエリアを除き、清澄区画１２の大半における酸素濃度は１０％未満であった。清澄区画における平均酸素濃度は約５％であると推定された。清澄区画１２における窯ガス循環パターンは、ポート６及びポート５からの溶融区画１１に注入される燃焼オキシダント（空気）及び燃料の運動量によって主に駆動された。ポート６で火入れされる燃焼オキシダント及び燃料の総運動量は５．５８ｋｇ  ｍ／ｓ２であった。
【００３５】
図５は、図３に示した本発明の実施例を用いて運転したときの図１の窯内における、ガラス溶融面近くの窯内雰囲気（ｖｏｌ％、湿基準）の酸素濃度プロファイルのグラフである。米国特許第５，６０１，４２５号に記載されているタイプの対向する対の酸素バーナを、ポート６の軸（これによって、ポート６Ｌ及び６Ｒの軸が意味される）から清澄区画における注入器の軸まで２．４７５ｍのところに、注入器３２及び３３として側壁２２内に配置した。ポート６の火入れ速度が減少して、これがポート６の総運動量を３．４ｋｇ  ｍ／ｓ２に減少させた。注入器３２及び３３のそれぞれから火入れされる燃焼オキシダント並びに燃料油及び霧化空気の総運動量は、８．３ｋｇ  ｍ／ｓ２であった。燃料油対オキシダントと霧化空気の燃焼理論空燃比は、湿基準で体積が２％超過のＯ２を含む燃焼生成物を生成するように設定された。（ポート６＋注入器３２）／（注入器３３）の運動量比はこの実例では１．４であった。
【００３６】
ガラス窯の計算流体力学モデルでは、清澄区画の側壁２２と前壁２３がなす角近くで最も低い局所的なＯ２濃度は約１０ｖｏｌ％であることが判明した。壁２３のポート２８近くの小さいエリアを除き、清澄区画の大半における酸素濃度は、１０ｖｏｌ％と１６ｖｏｌ％の間である。清澄区画における平均酸素濃度は約１４％であると推定され、本発明なしで運転したときの図１に示した条件において推定される約５％の平均濃度に比べて、驚くべき大きな増加であった。湿基準で２％超過のＯ２を含む燃焼生成物を作り出すように酸素バーナの燃焼理論空燃比を設定したので、酸素バーナからの燃焼生成物の単純な混合によって、清澄区画における平均酸素濃度が減少したはずである。特定の理論に縛られることなく、これらの観測結果は、注入器３２及び３３からの２つの対向する噴出又は炎の噴出運動量がポート６Ｌ及び６Ｒからの炎のものに比べて十分に大きいことで、溶融区画１１から清澄区画１２へのガス性燃焼生成物の通常の循環パターンを低減し、清澄区画における雰囲気の平均酸素濃度を増加させるという説と一致している。
【００３７】
注入器３２及び３３からの各ガス流の位置及び運動量は、溶融区画１１から清澄区画１２へのガス性燃焼生成物の循環が減少する、好ましくは最小限になるように選択している。好ましくは、ポート６の総運動量と注入器３２の総運動量の和の、注入器３３の総運動量に対する比は、０．２５と３．０の間、より好ましくは０．５と２．０の間である。
【００３８】
前記ガス性燃焼生成物は、高い濃度のアルカリ蒸気（大半はＮａＯＨ及びＫＯＨ）を含んでいるので、清澄区画の状態がアルカリ蒸気の揮発を最小限にするように設定されている限り、溶融区画１１から清澄区画１２へのこれらの生成物の循環の減少によって、清澄区画１２におけるアルカリ蒸気の濃度は減少する。このように本発明は、頂部構造のシリカ系材料のアルカリ腐食によって生じるガラス欠陥を低減するのに役立つ。本発明はまた、清澄区画の平均酸素濃度の高まりによってガラスの酸化状態を向上させ、清澄区画における低いＯ２濃度によって生じるガラスの色欠陥を減少させる。ガラスがより酸化され、酸化還元比が本発明によって減少するので、本発明は、たとえば太陽電池板用途及びガラス食器に有用な板ガラスなどの高程度に酸化したガラスの製造に有利である。
【００３９】
本発明は、溶融区画１１から清澄区画１２への窯ガスの混合を減少させるか又は最小限にし、清澄区画１２に入る（存在する場合、すなわち調整区画１３からの）ガス流５０（たとえば空気）及び任意のパージ・ガス流５５〜５８のパージ効果を高める。
【００４０】
対向する対の酸素バーナなどの２つの連続的に流れる注入器３２及び３３を使用する代わりに、その一方のみから一度にガスが流れるように、注入器３２と３３から交互に流すこともでき、流れはポート６から炎が流出する側とは対向する窯の側の単一の噴流からのものである。単一の噴流の運動量は、ポート６からの炎の運動量の好ましくは２５から３００％の間であり、より好ましくは５０から２００％である。単一の噴流の角度は、好ましくは、ポート６の火入れ側に向かって、又は前壁２３に対して平行である。
【００４１】
本発明の好ましい実施例は、注入器３２と３３がともに注入しているか交互に注入しているかにかかわらず、体積が２１から１００％のＯ２を含む空気又はオキシダントを注入することになる。より好ましくは、オキシダントの酸素濃度は３３から１００ｖｏｌ％であり、最も好ましくはオキシダントの酸素濃度は８５から１００ｖｏｌ％である。注入器３２と３３から注入されるガスの組成及び／又は注入器３２と３３から注入される炎の理論空燃比は、清澄区画１２における温度及びＯ２濃度プロファイルに影響を及ぼすために、互いに異なっていてもよい。燃焼反応によって酸素を消費する燃料を注入することなく、清澄区画の平均Ｏ２濃度よりも高い濃度のＯ２を含むオキシダントを注入することによって、清澄区画の酸素濃度は本発明により著しく高まる。たとえば、板ガラスを作るガラス窯の清澄区画における酸素の典型的な平均酸素濃度は、湿基準で体積が１％から６％のＯ２の範囲である。本発明の好ましい実施例は、注入器３２と３３がともに注入しているか交互に注入しているかにかかわらず、オキシダントを注入して、体積が１から６０％のＯ２によって清澄区画における酸素の平均濃度を高めることで、湿基準で体積が２％から６０％のＯ２を含む雰囲気を作り出す。より好ましくは、場合により予熱した、体積が２１から１００％のＯ２を含む空気又はオキシダントを注入して、体積が１から４０％のＯ２によって清澄区画における酸素の平均濃度を高めることで、湿基準で体積が２％から４０％のＯ２を含む雰囲気を作り出す。最も好ましくは、場合により予熱した、体積が２１から１００％のＯ２を含む空気又はオキシダントを注入して、体積が２から２０％のＯ２によって清澄区画における酸素の平均濃度を高めることで、湿基準で体積が３％から２０％のＯ２を含む雰囲気を作り出す。浴の表面近くなどの任意の所与の領域における酸素の平均濃度は、所与の領域における２つ以上の位置で酸素濃度の値を測定し、測定値の平均をとることによって求められる。
【００４２】
多量のオキシダントが注入されると、これが清澄区画に冷却効果をもたらす。清澄区画が冷却されると、清澄区画の窯壁及び天井における揮発性アルカリ種の凝縮を加速させることがあり、凝縮材料が落ちてガラス溶融体の中に入ることによって、潜在的にガラス欠陥を生じさせることがある。したがって、注入前に、好ましくは＋／−２６０℃（５００°Ｆ）の清澄区画温度でオキシダントを予熱することが望ましい。清澄区画の典型的な温度は１３７１．１〜１５９３．３℃（２５００〜２９００°Ｆ）なので、従来のガス予熱システムの温度限界により、オキシダントを清澄区画の温度まで、又はそれを超える温度に予熱するのは困難である。従来の間接的熱交換器を使用せずに高い濃度の酸素を含む熱い流れを作り出す好ましい方法が米国特許第５，２６６，０２４号に記載されており、これは、流れる酸素流と同列で少量の燃料を燃焼させて、窯内に注入され得る熱い酸素ガスの流れを作り出すことを開示している。
【００４３】
冷却効果を防ぐために、別の好ましい方法は、多量のオキシダントを含む少量の燃料をバーナから注入すること、すなわち、上昇した理論空燃比の条件下で、熱を生成し、高いＯ２濃度の雰囲気もまた作り出すことである。たとえば、天然ガス及び酸素が５００％（すなわち、モル基準でＯ２対燃料が５：１）の理論空燃比で、すなわち、およそ１体積の天然ガス対１０体積の純Ｏ２の比で注入されるとき、断熱火炎温度は約１８７１．１℃（約３４００°Ｆ）であり、燃焼生成物におけるＯ２濃度は湿基準で約７２％になる。清澄区画の温度は典型的には１５３７．８℃（２８００°Ｆ）より低いため、高められた理論空燃比の燃焼条件下での燃料及びオキシダント・ガス注入のような実例は、軽度の加熱効果を生じさせるはずである。理論空燃比を調整することによって、ガス注入の加熱効果及び冷却効果は、清澄区画における雰囲気のＯ２濃度を実質的に高めながら、最適なガラス品質を維持するように制御することができる。好ましい範囲の上昇した理論空燃比は１１０％から２０００％である。より好ましい範囲の上昇した理論空燃比は１５０％から１５００％である。最も好ましい範囲の上昇した理論空燃比は２００％から１０００％である。
【００４４】
清澄区画１２における雰囲気条件は、溶融区画１１から清澄区画１２への窯ガス循環を高めないように、場合により追加のパージ・ガスを清澄区画１２に注入することによってさらに高めることができる。たとえば、前壁２３又は前壁２３近くの側壁２２に配置された１つ又は複数のパージ・ガス注入器５５〜５８から追加の酸素を注入することができる。好ましい実施例は、パージ・ガス注入器５５と５６がともに注入しているか交互に注入しているかにかかわらず、溶融区画１１からの窯ガス循環を低減するように、適切な運動量で、前壁２３から注入器５５及び５６によりパージ・ガスを注入することである。好ましくは、各注入器５５及び５６から注入されるパージ・ガスの総運動量は、ポート６から注入される燃料及び空気のものよりも少ない。パージ・ガスは、好ましくは、体積が２１から１００％のＯ２を含む空気又はオキシダントである。より好ましくは、オキシダントの酸素濃度は３３から１００ｖｏｌ％であり、最も好ましくは、オキシダントの酸素濃度は８５から１００ｖｏｌ％である。パージ・ガス注入器５５と５６から注入されるガス流の速度及び組成は、清澄区画１２における温度及びＯ２濃度プロファイルに影響を及ぼすために、互いに異なっていてもよい。
【００４５】
任意のパージ・ガス又は注入器３２及び３３からのオキシダント注入によって本発明を実施するとき、蓄熱室ポートから出る煙道ガスにおける平均超過酸素は増加するはずである。予熱なしでのオキシダント、特に空気の注入によって、窯内の熱負荷が高まる。窯のエネルギー効率を維持又は改善し、ＮＯｘの排出を最小限にするために、各蓄熱室ポートの燃料及び燃焼気流の速度は、各蓄熱室ポートから出る煙道ガスにおける酸素濃度を、最適な値、典型的には約１から６ｖｏｌ％、より典型的には約１から３ｖｏｌ％にするように、好ましくは調整される。清澄区画に注入されるガスの大半は、清澄区画に近い蓄熱室ポートから出るので、２から３つの蓄熱室ポートの燃料及び燃焼気流の速度は、各蓄熱室ポートから出る煙道ガスにおける酸素濃度を最適な値にするように好ましくは調整される。
【００４６】
ただし、太陽電池板用途の板ガラスなどの高程度に酸化したガラスを製造するとき、特にスプリング区画の上、また窯にバブラが備わっている場合はバブラの上のエリアで、清澄区画だけでなく溶融区画も高いＯ２濃度の雰囲気にすることが有利と考えられる。典型的な６ポートのフロート・ガラス窯内では、溶融区画におけるポート３とポート６の間にスプリング区画が配置される。そのような場合には、ポート４〜６エリアの上のＯ２濃度を高めるために、ポート４〜６の理論空燃比を通常の超過空気レベルに維持するか、又は１１０％から１２０％に上昇させるのが好ましい。スプリング区画近くでのＯ２濃度のさらなる増加は、火入れしているポート６を閉じ、清澄区画の高いＯ２雰囲気がポート５のラインまで広がるようにすることによって実現される。場合によりポート６及びポート５の両方、さらにはポート４まで含めて閉じることができる。スプリング区画近くの雰囲気のＯ２濃度を高めるために、これらのポートを閉じるとき、残りのポートでの燃料投入及び場合により注入器３２及び３３から注入される燃料の量を増加させて、適切な窯内温度プロファイルを維持する。
【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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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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