ガラスの革新溶融技術・研究最前線

NEDO 革新的ガラス溶融プロセス技術
開発プロジェクトの進捗状況! ニューガラスフォーラム

伊 勢 田徹Progress report of NEDO’s Project“Development of Innovative Process Technology for Glass Melting”
Toru Iseda
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ガラスの製造方法を根本的に変革する可能性を秘めた「気中溶解技術」の実用化を加速する

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ためにスタートした国家プロジェクトが開発目標に向け着実に成果を挙げつつある。８月の

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NEDO 中間評価分科会では進捗状況の詳細が

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公表され，１１月の国際会議 ICC３では特別セッションが設置されて最新の研究開発成果が報告された。ここでは NEDO 分科会での発表内

図１ インフライトメルティングによるガラス製造プロセスの工程フロー

容をもとに成果の概要を述べる。

１．はじめに３年にわたる NEDO 技術開発機構先導研究１）

例であり，開発対象はガラス原料の造粒〜気中溶融，および，カレットの予熱〜溶融〜撹拌である。に続きスタートした NEDO 国家プロジェクト「革新的ガラス溶融プロセス技術開発」（２００８〜

開発課題は，次の通りである。

２０１２年）は，インフライトメルティング技術（１）インフライトメルティング技術の実用化に向けた課題克服とガラス溶融炉の大１−１）溶融しにくいガラスのプラズマ支幅な省エネの実証を目的としている。図１は同援インフライトメルティング

技術に基づくガラス製造プロセスの工程フロー

１−２）汎用ガラスの酸素燃焼炎インフラ
イトメルティング

〒１６９―００７３ 東京都新宿区百人町３―２１―１６TEL ０３―６２７９―２６０５
FAX ０３―５３８９―５００３
E―mail : iseda-t@mgf.or.jp

４６１−３）インフライトメルティング特有の現象・挙動把握
１−４）溶融プロセスシミュレーション

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２５ No．
４ ２０１０（２）ガラスカレットの高効率加熱技術

ከ┦䜰䞊䜽㟁ᴟ఩⨨ㄪᩚ䝝䜲䝤䝸䝑䝗ᙧᡂ（３）ガラス原料融液とカレット融液との高これらの課題を井上悟プロジェクトリーダー
独 物質・材料研究機構）のもと，#
国 東京工業（#大学（渡辺隆行研究室，矢野哲司研究室），旭硝子!，東洋ガラス!，"ニューガラスフォー
ラムの５機関が分担し開発にあたっている。

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8060400でに述べたので２），今回は本年８月末に開催さ発表内容３）に基づき，各課題の進捗状況を以下ᐇ㦂᮲௳ከ┦䜰䞊䜽ฟຊ䠖㻢㻜㻌㼗㼃⇞↝⅖ฟຊ䠖㻌㻥㻌㼗㼃ཎᩱ䠖↓䜰䝹䜹䝸䜺䝷䝇㻔㻣㻜㻡㻥㻙㼅㻙㻝㻜㻝㻕౪⤥㏿ᗘ䠖㻟㻜㻌㼓㻛㼙㼕㼚㟁ᴟ㓄⨨䠖㻭

20

本プロジェクトの背景・目的等についてはす
れた NEDO 中間評価分科会（公開）におけるᾘᏙ䜺䝷䝇໬ฎ⌮1000510152025303540᫬㛫 [ min ]図２ 多相プラズマ・酸素燃焼炎ハイブリッド加熱時の多相アーク出力の時間変動に述べる。

２．インフライトメルティング技術
２．
１ 溶融しにくいガラスのプラズマ支援イン制することに成功した。噴霧乾燥法で作製されフライトメルティング

た原料造粒体が空気搬送等の過程で破壊される

液晶用無アルカリガラス等の溶融しにくいガ

ことが硼酸成分揮発の主原因であることを突き

ラスにインフライトメルティング技術を適用す

止め，造粒体の強度を向上させることにより改るため，その熱源として多相プラズマと酸素燃

３）。図中のガラス化率とは，善を図った（図３）

焼炎とを複合化したハイブリッド加熱技術を開

原料中の珪砂に着目して X 線回折を行ったと発するとともに，プラズマ適用によるガラス品きの結晶成分の消滅割合から求めた数値であ質への影響評価を検討している。

る。ガラス融液中の気泡低減も課題となっていハイブリッド加熱技術は東京工業大学の渡辺研究室が担当している。

たが，清澄プロセスを経れば消滅可能なレベルまで低減できる見通しを得た。

同研究室は，１２相の交流プラズマと酸素燃焼炎とを複合化させたハイブリッド熱源を世界

㻝㻜㻜で初めて稼働させることに成功し，目標時間以ラズマ放電現象の緻密な観察・解析と電極冷却構造，放電順序，電極配列位置等の適正化などによる電極消耗量の抑制と放電の安定化により４）もたらされた 。図２にハイブリッド加熱における多相アーク出力の時間変動の様子３）を示す。

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上の安定した運転を実現させた。この成果はプ

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プラズマ適用によるガラス品質への影響評価は旭硝子が担当している。
同社は，液晶ディスプレイ用無アルカリガラ
スのインフライトメルティングにおいて障害となっていた硼酸成分の揮発を実用レベルまで抑㻢㻜
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図３ 無アルカリガラスのインフライトメルティング
における硼酸残存率とガラス化率 ỗ⏝࢞ࣛࢫࡢ㓟⣲⇞↝⅖࢖ࣥࣇࣛ࢖ࢺ࣓ࣝࢸ࢕ࣥࢢ

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４ ２０１０２．
２ 汎用ガラスの酸素燃焼炎インフライトメ
ルティング
汎用ガラス（ソーダ石灰ガラス）にインフライトメルティング技術を適用するには安価な設備で，かつ，少ない消費エネルギーでガラスを溶かす必要がある。一般にガラス溶融技術の実用性を評価するには実用炉規模での試験が不可欠とされるが，本プロジェクトではその前段階として１ton/day の試験炉を建設して評価を行
図４ １ton/day の試験炉の概念図っている。
試験炉の建設・運転・改良およびガラス評価㻠㻡㻝㻢㻜㻜

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１ton/day の試験炉の概念図を図４に示す。
原料の造粒体は酸素燃焼バーナに投入されて火炎中で溶け落下して融液を形成する。カレットの溶融・撹拌もこの炉で行う。当年（２０１０年）
度末に達成す べ き 溶 融 エ ネ ル ギ ー 値 と し て䜶䝛䝹䜼䞊ຠ⋡䠄䠂䠅㻠㻜㻝㻡㻡㻜䝞䞊䝘㧗㻤㻜㻜㼙㼙䠄ཎཎᩱண⇕䚸㻝㻝㻜㻜䃛㼙⢏䠅㻟㻡㻞㻡䝞䞊䝘㧗㻝㻜㻜㻜㼙㼙䝞䞊䝘㧗㻤㻜㻜㼙㼙ᗘᏳᐃᛶ୙㊊䛾䛯䜑ᩘ್䛿ཧ⪃⛬ᗘ㻟㻜㻝㻠㻡㻜㻝㻠㻜㻜䝞䞊䝘㧗㻤㻜㻜㼙㼙䝞䞊䝘㧗㻤㻜㻜㼙㼙䠄ཎཎᩱண⇕䚸㻝㻝㻜㻜䃛㼙⢏䠅㻞㻜㻝㻟㻡㻜䝞䞊䝘㧗㻝㻜㻜㻜㼙㼙㻝㻡㻝㻟㻜㻜㻝㻜

１０００kcal/"­glass をめざして開発を進めており，７月の時点で図５に示す通り目標に近い条件での運転も実施した３）。供給エネルギーが下がる（造粒体の投入量が増す）につれて融液温㻝㻡㻜㻜ᾮ㠃ୗ㻞㻡㼙㼙䛾⼥ᾮ ᗘ䠄䉝䠅は東洋ガラスが担当している。

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図５ 試験炉のエネルギー効率・融液温度と供給エネ
ルギーの関係度は低下するが，エネルギー効率は向上した。
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造粒体の予熱は効率向上と融液温度低下の抑制に有効であった。今後は酸素燃焼バーナの更な２．
３ インフライトメルティング特有の現象・ ࢖ࣥࣇࣛ࢖ࢺ࣓ࣝࢸ࢕ࣥࢢ≉᭷ࡢ⌧㇟㺃ᣲືᢕᥱ

る改良と炉構造の最適化により，最終年度目標

挙動把握値９００kcal/"­glass の達成をめざす。

インフライトメルティング特有の現象と挙動

試験炉に投入する造粒体の作製，組成分析および品質評価は旭硝子が担当している。の解明は東京工業大学の矢野研究室が担当している。

ガラス原料（SiO２−Na２CO３−CaO­Al２O３−Na２１ton/day 試験炉のガラス融液中に存在する

SO４）はボールミルで湿式混合後，処理能力７０

微細な気泡に含まれるガス成分について質量分"/h 前後の噴霧乾燥装置で造粒する。試験炉

析器による定量分析を行った。それぞれの気泡で得られる粗溶解段階のガラスを分析した結によって多い成分と少ない成分の違いはある

果，Na２O 成分および SO３ 成分の揮発はそれぞが，ほとんどの気泡から，CO２，O２，N２，H２O

れ１０％ 以下および６０％ 以下であった。残存気のほかに燃料ガス成分，CO２ 分子の O の一つ１!以下であり，通常の泡はほとんどが直径０．

が硫黄 S に置き換わった COS などが検出され清澄プロセスを経れば除去可能と判断された。

た。インフライトメルティング中の粒子の飛翔

均質性についてはシュリーレン像と EPMA 測速度は２０〜３０m/sec 前後であった。

定によりマクロおよびミクロの両面から評価

試験炉で得られたガラスを再溶融したときにし，実用ガラスレベルの均質性であればごく短発生する気泡を観測し，保持温度と発生個数と時間の溶融で到達可能なことを確認した。の関係のほかに，気泡径の経時変化などインフ

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４ ２０１０ライトメルティングガラス特有の現象が幾つか観察された。効率的な清澄を行うにはインフラ

３．ガラスカレットの高効率加熱技術

イトメルティングガラスに溶存しているガス成ガラス製造プロセスにはガラス原料（珪砂，分を注視し解析する必要があると判断された。

石灰石など）のほかに，市中からリサイクルされたカレット（ガラス片）や工場内の循環カレ

２．
４ 溶融プロセスシミュレーション

ットの利用が不可欠である。インフライトメル

インフライトメルティングによるガラス溶融

ティングを実用化するにはカレットが併用できプロセスのシミュレーションモデルの開発およるプロセスにすることが大前提となり，インフびシミュレーションの高精度化・迅速化についライトメルティングにマッチングした高速高効てはニューガラスフォーラムが担当している。

率なカレット溶融の技術が必要である。この開先導研究において開発した気体燃料燃焼と熱発は東洋ガラスが担当している。

伝達，原料造粒体の加熱・溶解，ガラス融液の高速溶融の手法として先ず瞬時に昇温できる

熱流動，気泡清澄，均質化などの諸モデルに加インフライトメルティングを検討した。その結ࣉࣟࢭࢫࢩ࣑࣮ࣗࣞࢩࣙࣥ

え，液体燃料燃焼，多相プラズマ加熱，撹拌，果，カレットを粒径１!以下まで粉砕すれば予耐火物侵食等の諸モデルを新たに開発し，それ熱なしでも，２０００kcal/"­glass 以下のエネルらを組み合わせて図６に示す１ton/day 試験炉

ギー供給で融液温度を１３００℃ 程度に保持したのシミュレーションを開始した。今後，試験３）。
まま溶融が可能であった（図７）

データを対比させてモデルの精度を高め，炉内カレットを効率的に加熱するには溶融炉の廃のガラス融液の挙動，熱の出入等が定量的に推熱を有効利用する予備加熱が不可欠である。廃測できるように仕上げてゆく。

熱利用を想定した間接加熱式ロータリーキルンから成る加熱装置を開発し，粒径１!以下のカレットを４３０℃ の高温まで互いに融着させることなく加熱することに成功した。これは世界初の成果といえ，微粉カレットによる粉塵の問題も解消できた。

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図６ １ton/day 試験炉における燃焼炎のシミュレーション㻝㻟㻜㻜㻝㻞㻜㻜㻝㻝㻜㻜⏕ᆅ⾲㠃䜘䜚㻞㻡㼙㼙ୗ䜺䝷䝇 ᗘ⏕ᆅ⾲㠃䜘䜚㻝㻡㻜㼙㼙ୗ䜺䝷䝇 ᗘ䠄୰ኸ䠅⏕ᆅ⾲㠃䜘䜚㻞㻣㻡㼙㼙ୗ䜺䝷䝇 ᗘ䜹䝺䝑䝖ண⇕䛺䛧㻝㻜㻜㻜
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図７ カレットのインフライトメルティングにおける融液温度の推移

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今後は，予備加熱を併用したインフライトメを定量的に評価するために，泡の大きさと個数ルティング等の手段により，粒径１!以上のカ分布の評価，シュリ−レン像の輝度分布によるレットを対象とした高速高効率溶融技術の開発

脈理の定量化，フーリエ変換シュリ−レン像のを進める。

動径分布による脈理の定量化などを提案し，そ４．ガラス原料融液とカレット融液との高速混合技術れらの有効性を確認した。

５．今後の計画等

カレット併用のインフライトメルティングを当面はプロジェクト中間目標の年度末達成に実用化するには，インフライトメルティングに向け全力を挙げる。これにより，インフライト合致した速さでガラス原料融液とカレット融液メルティング技術が大幅な省エネとガラス品質とを高速に混合する技術が必要である。また，の要求を満たし，かつ，カレット併用プロセス㸲㸬࢞ࣛࢫཎᩱ⼥ᾮ࡜࢝ࣞࢵࢺ⼥ᾮ࡜ࡢ㧗㏿ΰྜᢏ⾡
清澄プロセスを経ていない段階で混合の度合いにおいても利点を十分に発揮するかどうかにつを定量的に評価する技術も必要となる。

いて基本的な見通しを立てる。その上で，来年高速混合技術は東洋ガラスが担当している。

度からスタートするプロジェクト後半の２年間

びんガラスの生産工程で使われているスクリで，実用化に向けた事業判断ができるところまュータイプの撹拌子を３対設置した撹拌装置をで技術を仕上げてゆく予定である。

１ton/day 試験炉に接続して試験を実施した。
ガラス原料融液単体を撹拌子１対で撹拌することにより図８に示すように脈理が改善されることを確認した３）。今後は，原料融液とカレット融液との混合を対象に，今年度末には４時間以内，２０１２年度には２時間以内の均質化をめざして諸条件を検討する。
混合融液の均質性を評価する技術は物質・材料研究機構が担当している。

引用文献
１）NEDO，平成１７〜１９年成果報告書「直接ガラス化による革新的省エネルギーガラス溶解技術の研究開発」，２００８年３月．
２）伊勢田徹，NEW GLASS，２４（１）（２００９）５５．
３）NEDO ホ ー ム ペ ー ジ http : //www．nedo．go．jp/
iinkai / kenkyuu / bunkakai /２２ h / chuukan /１５/１/
index．html４）たとえば T．Watanabe，et al．
，Pure and Applied
Chemistry，８２（６），p．
１３３７（２０１０）．

気泡が存在する粗溶解段階のガラスの均質性

３hr 撹拌後（右）のガラスのシュリーレン像
図８ 撹拌前（左）および撹拌子１対で１．

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