いまさら聞けないガラス講座

ガラス溶融条件と品質
旭硝子株式会社田 中

千禾夫

Melting Conditions and Quality of Glass
Chikao Tanaka
Asahi Glass Co., LTD

１．緒論
ガラス製造において製品品質の作り込みは最には以下の機能が期待される。
調合：均質な原料混合体（バッチ）を作製し，異相の生成・残存を抑える。

重要課題である。ガラス溶融プロセスの目標は溶解：加熱によりガラス化反応を進行させ未効率的に所定の製品を製造することにある。こ溶融物が残らず均質なメルトを作る。気泡を効

こでは，品質と量産の両立を目指すガラス溶融果的に消滅させる条件を備えたメルトを次工程条件について私見を記す。に供給する。

先ずガラス製品への品質要求をガラスの特徴

清澄：気泡の除去が本来の機能であるが，脱から考える。ガラスは色々な成分を取り込めるガスによる過飽和ガスの解消や浮上気泡による過冷却液体であり，本体と異なる相の物質を含融液の均質化も進行する。

むこともある。例えば，ガラス中の固体は結晶コンディショニング：スターラー等を用いた化ガラスとして商品化される一方，失透という機械的な攪拌により組成的・温度的な均質化を欠点になる。意図的に異なる組成相に分離させ図り，成形に適合する粘度のメルトを成形工程た分相ガラスは特殊機能を発現する材料を生むに供給する。

が，組成の異なるガラスの混入は脈理欠点となる。気体はガラス中に溶解して潜在するか気泡の形で顕在化して欠点となるかである。

２．ガラス品質に影響を与える与件的因子
溶融条件は狭義には溶解・清澄工程での制御

またガラスは透明なので，バルク体内部に存因子を指し，用いられる原料や溶融炉は前提条在する異相も検知され欠点となる。特に表面に件として与えられ，現場技術者にはプロセス条存在する場合は目に付きやすく重欠点となる。

件設定の自由度だけしか残されないことが多ガラス溶融プロセスは調合，溶解，清澄，コい。品質改善は材料や設備の設計的要素も考慮ンディショニングの工程よりなるが，その課題して総合的に進めるべきである。

は「透明溶媒中の異相」の消去にあり，各工程
２．
１ 調合原料（材料設計的要素）〒２３０−００４５ 横浜市鶴見区末広町１−１０３―７１５２Tel ０４５―５０３―５１７９Fax ０４５―５co．
jp
E―Mail : chikao―tanaka@agc．

４０

ガラス原料バッチの調製過程は，組成，原料構成，混合の三要素からなる。
ガラス組成：ガラス組成は商品特性の要求をNEW GLASS Vol．
２５ No．
２２０１０満たすように設計されるが，その段階で製造しに沿って時間の関数として空間的に移動しそれやすさの条件を加味する必要がある。に応じた熱履歴を経験する。操作因子の調整で原料構成：原料バッチを構成する各原料の銘

この溶融単位の存在環境（温度，雰囲気，場柄，粒度，純度等を選択する。溶融促進剤，清所）を整えることでプロセスの機能を有効に発澄剤等の助剤の選定，カレット率の決定も重要揮させることができる。

である。
混合：古来，「混合は溶解の第一歩」として３．
１ 品質保持の条件

その大切さが認識されてきたが，近年管理がお欠点フリーのガラスを得るには，!残さなろそかにされがちの感がある。ハンドリング及い，"消し去る，#新たに作らない，の三条件

び溶解過程での構成成分の分離を軽減するたを満たさねばならない。

め，調湿，造粒加工等の工夫を加え，炉に投入するバッチの均質度を確保する。

残さない：ガラス化反応に由来する欠点（未溶融物とガス成分）をなくすことである。清澄剤から発生するガスはメルト中に溶存し，気泡２．
２ 溶融炉（設備設計的要素）の挙動に大きく影響する。温度・雰囲気といっ調合組成と溶融規模の仕様に適うよう溶融炉た説明変数に依存するので，操作条件調整のを選定する。原料・燃料の入力条件を操作するキーとなる。ガス成分は残れば泡の源だが，適ことで場の状況を調整し品質を作りこむ。例え

正な条件下でのガスの放出作用及び気泡浮上のば，タンク窯では，上部空間の温度分布により際のメルト均質化効果は大きく，ガス成分のなガラス素地流れを調整することで，注目する溶い原料によるバッチ調製のアイディアは非現実

融単位に所期の場（温度・雰囲気）を経験させ，的である。

要求品質の製品が産出されるよう炉の構造及び消し去る：これには欠点をシステムの外に追諸元が決定される。この流れ場の解明にはシミい出すか，溶かし込むしかない。気泡の場合，ュレーションが有力な武器となる。

!成長―浮上加速―崩壊と"収縮―消滅の二方プロセスの定式化の際，バッチの被熱挙動の法しかない。

複雑さが障害になる。多くの場合ガラス化反応

高粘度液体中を気泡が浮上する速度は速度は十分速く，現象の進行は加熱律速と考えStokes の式で与えられる。浮上速度は気泡径

ら れ る。バ ッ チ の 熱 伝 導 率 は０．
２〜０．
３（W/の２乗に比例するので効果は絶大である。ガラmK）程度で小さい。従って想定される溶融単スの溶融温度はメルトの粘度が１００dPa．
s にな位には，表皮と内部とに温度差が生じ，反応進る温度とされるが，この状態で直径１mm の気展度が異なる部位が存在することになる。

泡は５０cm/h の浮上速度を有する。従って深初期過程での現象は複雑でシミュレーション

さ１ｍの窯でも２時間で浮上できる。直径０．
１が難しいので，初期メルトのキャラクタリゼー

mm の 気 泡 の 浮 上 速 度 は５mm/h な の で２００ションにより初期条件を与え，以後溶融単位の時間も掛かることになる。小さな泡は!の機構履歴を追跡・評価するのが現実的な対応であでは消去するのが難しい。

る。ルツボでの溶融試験の結果を実窯に当ては

清澄剤はメルト中に清澄ガスを放出し，気泡める際にも，溶融単位と与えられる環境条件径の拡大（成長）を図るものである。清澄ガス（温度・雰囲気）を考慮する必要がある。

としては酸素，酸化硫黄，ハロゲンがある。こ３．ガラス品質に影響を与える溶融条件
注目する溶融単位のガラスはガラス素地流れ

れらのガスの放出は温度に強く依存するので，温度・雰囲気場の調整が重要である。逆に清澄剤の投与量は想定される環境履歴に応じて調整
４１

NEW GLASS Vol．
２５ No．
２２０１０する必要がある。

スとのガスのやり取りが起こる。原料バッチ山

メルト中の気泡の内圧は P=Px+ρgh＋２σ/dの大きさ（溶融単位）によって内部ガスのこもで決まるが，第３項の表面張力項は気泡直径 d

りやすさが変化し，メルトのレドックスに影響が小さくなると大きくなる。ガラスの表面張力する。雰囲気及びメルト中のガスの構成，特に００dyn/cm なので，１０µｍで 気 泡 のσ は２５０―３

清澄ガス量，酸素分圧，水分がこの過程の説明

内圧は２気圧に達する。気泡内のガス分圧が周変数として重要である。

辺メルトより高いため，気泡中のガスはメルト

雰囲気・メルト間のガスの物質移動は界面でへと拡散し気泡は収縮する。収縮すると表面張の拡散により進行する。ガラスメルト表面での力で内圧は更に高まるというスパイラル過程をガス拡散は制限的であり，メルトに含まれるガ経て気泡は消滅に至る。

スの構成・レドックスはバッチの溶け落ち段階新たに作らない：異物との接触による欠点発と気泡の成長・吸収過程で大略決定される。溶生のほか，一度消滅したかに見える欠点が再出

融雰囲気の水蒸気分圧が高いとメルト中の硫黄現することがある。製品に近い溶融炉の前の部の残量が低下することが知られているが，この分で新たな欠点を作りにくい条件を用意するこ場合もバッチ溶け落ち段階の雰囲気の効果が決とが必要で，メルトと接触する材料の選択，ガ定的である。

ス過飽和状態の解消等の方策でリボイル泡発生の抑制が図られる。

場の温度条件の変化はガラス素地流れに大きな変化をもたらし，これを通じて製品品質に大きく影響する。操窯条件とタンク素地流れとの３．
２ 狭義の現場制御因子＝溶融条件

関係はシミュレーションで大筋の理解がされる溶融現象は溶融単位が曝される環境の変化にようになった。溶融分離や揮発によって生じた応じて進行する。この環境を作る真の操作因子

異質素地が些細な流れの変化により製品流に乗は原料・エネルギーの投入条件であり，温度やることも多く，製品品質に大きな影響を与え雰囲気等の場の状況は製品品質評価の中間変数る。

（説明変数）に位置づけられる。従ってある操些細な流れの変化を抑制するため，現場技術

作の品質への効果を考える場合，まず中間変数

者は操窯条件の一定化に努めるが，欠点の発生に効果が現れているかどうかを確認すべきであを遮断するか欠点を含む素地を系外に排除しなる。

い限り，欠点は蓄積し，それが解放される際に温度には水準と分布の側面がある。温度水準は大きなロスを生じる。

はガラスの溶解・清澄の過程で，現象の進展をまた，ジョブチェンジ，素地替え等，意図的決定付ける。例えば，ソーダ石灰ガラスの清澄に操窯条件を変更する際には非定常状態として剤として使われる硫酸塩は１，４５０℃ 以下の温度

窯の状況の変化を予測し対処しなければならなでの粗溶融段階で保持された硫黄分がそれ以上い。引き出し量の変更，比重の異なる組成ガラの温度に設定された清澄段階で分解してガスをスへの素地替え等の場合にメルト温度が予想外発生することで清澄効果を発現する。一方，タに大きく変化することがある。

ンク窯における温度分布は素地流れを通じて注目する溶融単位の経過温度を支配する。

４．ガラス品質問題への対応のヒント

溶け落ち段階のメルト中のガスは原料から放窯の操作条件と品質の関係をどのように考え出されるガス（主として炭酸ガス）とバッチ空たらよいのか，プロセス開発に携わってきたも隙に巻き込まれた雰囲気ガスとから成り，以降のとして感じたことを記しまとめとする。の過程でガラス素地面を通じての上部雰囲気ガ
４２

NEW GLASS Vol．
２５ No．
２２０１０４．
１ 現象発現条件の認識務と考えられる。

現場でアクションを取ると，プラスとマイナスの結果が同時に生じる場合が多い。例えば，

４．
３ 決定論的思考

温度を上げる操作は反応が促進するので溶解・的確な現象の理解には，精確な現象の記述＝清澄にプラスに，炉材の侵食・揮発の進行によ定式化が必要である。それには再現性のある事り不均質を発生にマイナスに働く。現場には永例の蓄積が欠かせない。現象に対する機構は年の経験から「製造のツボ」が存在するが，比色々考え尽くされており，それ自体正しい（こ較的狭い範囲でのルールであり，条件を変えるとが多い）。個別のケースで，その機構が作動と大きな変化が起こるため Don'ts の蓄積がさするか否かを判断することが必要である。このれている。しかし Don'ts を増やすと動きが取場合，想定した場の条件で議論することが肝要れなくなる。

で，例えば，高温メルトにおける酸化還元現象

ここで，脱トレードオフの考えが必要になの指標としては酸素分圧が妥当である。

る。その切り口の一つは「条件が重なった時にまた，系をどの範囲で捕らえるかで現象の見しか起こらない現象」の認識である。例えば，え方が変わる。気泡の変成を考える場合，気泡火が燃えるためには燃料・酸化剤・温度の三条と周辺メルトとの間のガスのやり取りと上部雰件を同時に満たす必要があり，これを起こさせ囲気を含む全体系の平衡の議論は混同されがちないためにはどれか一つの条件を外せばよい。

なので注意を要する。

リボイル泡の発生はメルトからの過飽和ガスの定式化に際しては再現性のチェックが重要で放出であり，ガス存在量・温度・圧力が必要三ある。再現性が得られないのはすべての条件を条件である。要は，見逃している因子でマイナ合わせ切れていないと認識するべきで，これにス効果の発現条件を回避することである。

より新たな現象の発見もありうる。

４．
２ 欠点発生源の認識

４．
４ プロセス・品質情報の活用

欠点の発生には複数の機構が考えられるた

対象の新旧によって情報の活用のされ方は異め，的確な対応には発生源の同定が重要であなる。新しいプロダクトは新しいプロセスを要る。現場での歩留向上には先ず，欠点の内訳を求することからニューガラスの登場はプロセス把握することが大切である。欠点の発生原因の開発の好機である。しかし，モノが新しいから的確な診断には日頃集積したデータとの照合がといって現象が新しいとは限らず，無駄な失敗必要である。

を避けるために蓄積技術をうまく利用する温故残念ながら，解析しても発生源を特定できな知新の態度も必要である。

い場合も多い。例えば，気泡内のガス構成は平旧来からのガラスに対しては，現場の技術蓄衡組成へ向けて変化するため，ある時間以上経積と経験を言語化してコミュニケーションを図

過すると発生時の個性が失われる。また，硫酸ることが大切である。特に，近年技術者の流動

塩清澄の場合，気泡内のガス構成は分析に掛かが激しくなったので，技術を伝承するには文書らない硫黄と水が主体である場合が多く，現状化が欠かせない。

では気泡の内圧を考慮した診断体系の構築が急

４３