玻璃熔化用燃烧器、玻璃熔化炉、玻璃熔化方法及玻璃制造方法与流程

本发明涉及无碱玻璃等的熔化槽所使用的玻璃熔化用燃烧器以及适用了该玻璃熔化用燃烧器的玻璃熔化炉、玻璃熔化方法及玻璃制造方法。

背景技术：

以往，作为玻璃熔化用燃烧器已知有例如日本国特开平8-261663号公报记载的结构。该气体熔化用燃烧器使氧与燃料气体混合进行燃烧。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本国特开平8-261663号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

在高温下熔化的玻璃例如液晶显示器基板用的无碱玻璃等与通常的钠钙玻璃相比，熔化温度高至约100℃以上，在熔化槽内来自熔融玻璃的挥发多。尤其是玻璃含有硼酸等的情况下，处于容易挥发的倾向。

从熔融玻璃产生的挥发物附着于玻璃熔化用燃烧器的燃料气体孔的周边时，会妨碍从燃料气体喷嘴喷射的燃料气体的流动，存在燃烧不良，进而存在因燃烧的火焰而使燃烧喷嘴自身烧损的情况，有时会导致燃烧不良、燃烧喷嘴的寿命的缩短。而且由于来自熔化槽内的辐射热而燃料气体喷嘴前端也处于容易烧损的倾向。当燃料气体喷嘴烧损时，也容易发生燃烧不良。

本发明鉴于这样的实际情况而提出，其目的在于提供一种高效率的玻璃熔化用燃烧器以及适用了这样的玻璃熔化用燃烧器的玻璃熔化炉、玻璃熔化方法及玻璃制造方法。

用于解决课题的方案

为了解决上述的课题，本申请的玻璃熔化用燃烧器设置于玻璃熔化槽，具有：耐火块，包括朝向玻璃熔化槽内的喷射面、在所述喷射面开口而向所述玻璃熔化槽内喷射燃料气体的燃料气体孔、及与所述燃料气体孔相邻且在所述喷射面开口而向所述玻璃熔化槽内喷射氧气的氧气孔；及燃料气体喷嘴，设置在所述燃料气体孔内，经由所述燃料气体孔而喷射燃料气体，在所述玻璃熔化槽内，使从所述燃料气体孔喷射出的燃料气体与从所述氧气孔喷射出的氧气一起燃烧，所述燃料气体孔具有规定的倒角部。

本申请的玻璃熔化炉设置有所述玻璃熔化用燃烧器。本申请的玻璃熔化方法及玻璃制造方法使用所述玻璃熔化炉。

发明效果

根据本发明，能够提供一种不但减少挥发物向玻璃熔化用燃烧器的燃料气体孔的周边的附着及由辐射热引起的燃料气体喷嘴的烧损，而且高效率的玻璃熔化用燃烧器。而且，根据本发明，能够高效率地使玻璃熔化，并高效率地制造玻璃。

附图说明

图1是表示氧燃烧器的结构的图，(a)是立体图，(b)是剖视图，(c)是将燃料气体孔的燃料气体出口的附近放大后的局部放大剖视图，(d)是说明燃料气体出口附近的构造的其他实施方式的局部放大剖视图。

图2是表示比较例的图，是表示以往的氧燃烧器的燃料气体出口附近的局部放大剖视图。

图3是表示设置氧燃烧器的玻璃熔化炉的结构的图，(a)是将玻璃熔化炉利用(b)及(c)所示的水平面n剖切后的剖视图，(b)是将玻璃熔化炉利用(a)及(c)所示的垂直面m剖切后的剖视图，(c)是将玻璃熔化炉利用(a)及(b)所示的垂直面l剖切后的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图，详细说明本发明的玻璃熔化用燃烧器、玻璃熔化炉、玻璃熔化方法及玻璃制造方法的实施方式。在本实施方式中，玻璃熔化用燃烧器假定为燃料气体使用天然气且氧气使用93体积％以上的氧的氧燃烧器。以下，说明该实施方式，但是本发明的玻璃熔化用燃烧器没有限定为氧燃烧器。

(氧燃烧器)

图1是表示本实施方式的氧燃烧器的结构的图。如图1(a)的立体图所示，氧燃烧器包含具有大致长方体的形状的耐火块10。耐火块10可以由砖等耐火物制成。

耐火块10具有：形成有燃料气体出口13a及氧出口14a的喷射面11；形成有燃料气体入口13b及氧入口14b且与喷射面11相对的背面12。喷射面11为大致平坦的形状，朝向收容熔融玻璃的熔化槽内配置。在喷射面11中，燃料气体出口13a与氧出口14a相邻形成。燃料气体出口13a与氧出口14a的各自的中心间距离优选为80～180mm，更优选为100～150mm。该中心间距离为80mm以上的话，在成形耐火块10时，能够防止耐火块10发生破裂。该中心间距离为180mm以下的话，能够使燃料气体与氧充分混合，能够使氧燃烧稳定。由此，使氧燃烧的热效率提高，也能减少氮氧化物的产生。

在耐火块10形成有规定直径的燃料气体孔13，所述燃料气体孔13使形成于喷射面11的燃料气体出口13a与形成于背面12的燃料气体入口13b连通，并将从燃料气体入口13b供给的燃料气体向燃料气体出口13a输送。

如图1(b)的剖视图所示，在燃料气体孔13内，在与该燃料气体孔13同轴上，设置具有规定直径的燃料气体喷嘴17。而且，在燃料气体喷嘴17与燃料气体孔13的壁面之间形成有规定的间隙。燃料气体喷嘴17例如使用坝塔尔合金(kanthal)或因科镍合金(inconel)那样的耐热合金制成。

从燃料气体入口13b向氧燃烧器供给的燃料气体通过燃料气体孔13内的燃料气体喷嘴17而被输送。而且，优选将向氧燃烧器供给的氧的一部分的规定量沿着燃料气体喷嘴17向燃料气体喷嘴17与燃料气体孔13的壁面的间隙输送。从燃料气体出口13a将向燃料气体入口13b供给的燃料气体，优选将所述燃料气体和规定量的氧的混合物的燃料气体沿着与喷射面11大致垂直的方向喷射。

本发明的氧燃烧器可以在400～1500kw的燃烧区域(32～120nm³/h)使用，但是发现了挥发物附着、喷嘴烧损尤其是在875kw以下的低燃烧区域(70nm³/h以下)使用时容易发生的情况。即，在从燃料气体喷嘴喷射的燃料气体的流速慢的条件下使用时，容易发生挥发物附着或喷嘴烧损。

因此，在本实施方式的氧燃烧器中，在从燃料气体喷嘴17喷射的燃料气体的流速较慢的条件即在燃料气体喷嘴17的前端优选为90m/s以下、更优选为80m/s以下、进一步优选为70m/s以下的范围中使用时，特别有效。在此，为了有效地抑制喷嘴烧损，所述流速优选为40m/s以上，更优选为45m/s以上，进一步优选为50m/s以上。

另外，在耐火块10形成有具有规定直径的氧孔14或氧气孔，所述氧孔14或氧气孔使形成于喷射面11的氧出口14a与形成于背面的氧入口14b连通并将从氧入口14b供给的氧向氧出口14a输送。该氧孔14具有实质上比燃料气体孔13大的直径。这是因为，相对于燃料气体，氧需要2.0～2.5倍的流量。由此，能够使燃料气体与氧充分混合，使氧燃烧稳定，也能减少氮氧化物的产生。

该氧孔14也可以具有直至氧出口14a为止朝向燃料气体出口13a倾斜的倾斜部14c、及从氧入口14b至倾斜部14c为止与燃料气体孔13大致平行的水平部14d。从氧出口14a沿倾斜部14c的轴向的方向喷射氧，所述倾斜部14c从与喷射面11垂直的方向朝向燃料气体出口13a的方向稍弯曲。也可以不具备水平部14d而仅为倾斜部14c。倾斜部14c的相对于水平的倾斜角优选超过0°且为7°以下，更优选为1～6°，进一步优选为2～5°。该倾斜角超过0°的话，能够使燃料气体与氧充分混合，能够使氧燃烧稳定。该倾斜角为7°以下的话，能够适当地控制火焰的长度，能够提高氧燃烧的热效率。

从燃料气体孔13的燃料气体出口13a喷射出的燃料气体及规定量的氧的混合物与从氧孔14的氧出口14a喷射出的氧在熔化槽内逐渐交叉并依次燃烧。因此，在本实施方式的氧燃烧器中，能抑制高热的产生，也能减少氮氧化物的产生。

也可以在与燃料气体孔13连接的流路上设置节流部(节流孔)，以使从氧的供给源(未图示)向氧燃烧器供给的氧的规定比例朝向燃料气体孔13。当节流孔的直径大时，朝向燃料气体孔13的氧的流量增多。而且，与设有节流孔的情况相比，不设置节流孔的情况的氧的流量多。

图1(c)是将燃料气体孔13的燃料气体出口13a的附近放大后的局部放大剖视图。本实施方式的氧燃烧器在燃料气体出口13a处具有对喷射面11与燃料气体孔13相交的部分进行了倒角的倒角部18。

包含倒角部18的燃料气体出口13a附近的构造可以使用燃料气体孔13的直径d、倒角部18的倒角宽度c及倒角角度α、燃料气体喷嘴17的内径d、从喷射面11至燃料气体喷嘴17的距离l来规定。在此，倒角宽度c是燃料气体孔13的径向的倒角部18的尺寸，可以规定作为如下间隔：将燃料气体孔13延长而与喷射面11交叉形成的直径d的第一圆周和倒角部18与喷射面11交叉而在所述第一圆周的外周侧形成的第二圆周之间的间隔。而且，倒角角度α是倒角部18与燃料气体孔13的壁面所成的角度，在包含燃料气体孔13的轴的面内可以规定作为倒角部18的壁面与燃料气体孔13的壁面所成的锐角。

本实施方式的氧燃烧器优选处于c/d为0.05～0.35，d为30～50mm，c为1～15mm，l为40～60mm，倒角角度α为30～60°的范围内。而且，更优选处于c/d为0.1～0.3进而为0.15～0.25，d为30～40mm，c为4～12mm进而为6～10mm进而为7～9mm，l为45～55mm，倒角角度α为40～50°的范围内。

当c/d过小时，在成为燃料气体孔13的前端的燃料气体出口13a附近容易附着挥发物。而且，当c/d过大时，来自后述的由熔化槽110构成的熔化室100的辐射容易到达燃料气体孔13的内部，燃料气体喷嘴17存在烧损的风险。当c/d处于上述范围时，气体的流动的淤积消失，能抑制从熔融玻璃产生的挥发物的附着，因此优选。

另外，当d处于上述范围时，能抑制来自熔化室100的辐射热直接到达燃料气体喷嘴17的情况，且在基于燃料气体喷嘴17的燃料气体及规定量的氧的冷却中，能够抑制喷嘴的烧损，因此优选。当c处于上述范围时，容易受到来自熔化室100的辐射热，能抑制从熔融玻璃产生的挥发物的附着，因此优选。当l处于上述范围时，难以直接受到来自熔化室100的辐射热，因此优选。当倒角角度α处于上述范围时，容易受到来自熔化室100的辐射热，能抑制从熔融玻璃产生的挥发物的附着，因此优选。

另外，c/l为0.05～0.25，优选为0.1～0.2，更优选为0.12～0.18。当c/l过小时，燃料气体的流速下降，在燃料气体孔13的燃料气体出口13a附近容易附着挥发物。而且，当c/l过大时，来自熔化室100的辐射容易到达燃料气体孔13的内部，燃料气体喷嘴17存在烧损的风险。

本实施方式的氧燃烧器通过具有这样的倒角部18，而辐射热容易从收容熔融玻璃的熔化室100进入燃料气体孔13。因此，燃料气体孔13的燃料气体出口13a附近的温度升高，能减少来自熔融玻璃的挥发物的附着。

另外，利用倒角部18而使从燃料气体孔13喷射的燃料气体及规定量的氧没有淤积地流动，能进一步减少来自熔融玻璃的挥发物的附着。但是，倒角部18的倒角宽度c及倒角角度α设定为避免辐射热直接到达燃料气体喷嘴17而燃料气体喷嘴17烧损的范围。

另外，燃料气体喷嘴17的内径d优选为8～15mm。内径d更优选为10mm以上且12mm以下。内径d为8mm以上的话，燃料气体与氧良好地混合，燃烧火焰的加热效率升高。内径为15mm以下的话，燃烧火焰稳定，能够减少燃料气体喷嘴17的烧损。

图1(d)是说明氧燃烧器的燃料气体出口13a附近的构造的其他实施方式的局部放大剖视图。在图1(d)所示的其他实施方式中，在燃料气体出口13a具有对喷射面11与燃料气体孔13相交的部分进行了倒角的倒角部(以下，也称为圆角部19)。

包含圆角部19的燃料气体出口13a附近的构造可以使用燃料气体孔13的直径d、倒角宽度c、燃料气体喷嘴17的内径d、从喷射面11至燃料气体喷嘴17的距离l来进行规定。在此，倒角宽度c是燃料气体孔13的径向的倒角部的尺寸，可以规定作为如下间隔：将燃料气体孔13延长而与喷射面11交叉所形成的直径d的第一圆周和圆角部19与喷射面11交叉而在所述第一圆周的外周侧形成的第二圆周之间的间隔。

在其他实施方式的氧燃烧器中，也与本实施方式同样，优选处于c/d为0.05～0.35，d为30～50mm，c为1～15mm，l为40～60mm的范围。而且，c优选为圆角部19的大致半径。而且，更优选c/d为0.1～0.3进而为0.15～0.25，d为30～40mm，c为4～12mm进而为6～10mm进而为7～9mm，l为45～55mm的范围。而且，c/l为0.05～0.25，优选为0.10～0.20，更优选为0.12～0.18。

在这样设置圆角部19的其他实施方式中，也与图1(c)所示的设有倒角部18的氧燃烧器同样，会带来由辐射热引起的燃料气体孔13的燃料气体出口13a附近的挥发物的附着的减少、及没有圆角部19处的淤积的流动引起的挥发物的附着的减少。

图2作为比较例而示出未设置规定的倒角部或规定的圆角部的以往的氧燃烧器的燃料气体出口附近的局部放大剖视图。在未设置倒角部等的情况下，从燃料气体出口13a到达燃料气体孔13的辐射热的量受到限制，燃料气体孔13的燃料气体出口13a附近的温度难以上升。而且，从燃料气体孔13喷射的燃料气体及规定量的氧在燃料气体出口13a附近而流动会产生紊乱。因此，存在来自熔融玻璃的挥发物附着于燃料气体孔13的燃料气体出口13a附近的倾向。

(玻璃熔化炉)

图3是表示具备设置本实施方式的氧燃烧器的熔化槽的玻璃熔化炉的结构的图。图3(a)是将玻璃熔化炉利用图3(b)及图3(c)所示的水平面n剖切后的剖视图。图3(b)是将玻璃熔化炉利用图3(a)及图3(c)所示的垂直面m剖切后的剖视图。图3(c)是将玻璃熔化炉利用图3(a)及图3(b)所示的垂直面l剖切后的剖视图。

该玻璃熔化炉90是对玻璃原料进行加热熔化而形成为熔融玻璃的熔化炉。优选使用于平板显示器(fpd)用的玻璃基板所使用的实质上不包含碱金属离子(例如na2o等的碱金属氧化物优选为0.1质量％以下)的无碱玻璃的熔化。

在无碱玻璃中，包含例如以氧化物基准的质量百分率表示计，含有sio2：54～73％、al2o3：10～23％、b2o3：0.1～12％、mgo：0～12％、cao：0～15％、sro：0～16％、bao：0～10％、mgo+cao+sro+bao：8～26％的结构。

无碱玻璃与通常的钠钙玻璃等的含有碱的玻璃相比具有玻璃熔化温度高至100℃以上的性质，具有无碱玻璃所含有的硼酸等的成分容易挥发的性质。

玻璃熔化炉90具有在内部收容熔融玻璃101的熔化槽110。熔化槽110是利用底壁部51和侧壁部52而在熔融玻璃上部设有空间的箱状，熔融玻璃101在熔化槽110内形成水平的液面102。

熔化槽110与覆盖上部的拱形状的顶棚部53一起构成一体地形成的熔化室100。底壁部51、侧壁部52及顶棚部53由砖等耐火物制成。

在熔化槽110的上游侧的侧壁部52的熔融玻璃101的液面102的上方设有供给玻璃原料103的原料供给口56。而且，在熔化槽110的下游侧的侧壁部52的液面102的下方形成有排出熔融玻璃101的排出口57。

在熔化槽110，作为对熔化槽110内进行加热的加热源，在侧壁部52中的熔融玻璃101的液面102的上方设有多个燃烧器31～40，所述多个燃烧器31～40相对于熔融玻璃101在一方侧沿从上游向下游的方向朝向熔化槽110内形成火焰(flame)。而且，相对于熔融玻璃101在熔化槽110的另一方侧也同样地设有多个燃烧器41～50。这多个燃烧器31～40、41～50优选使用前述的氧燃烧器。

在本实施方式的熔化槽110中，使用具有上述的倒角部18的氧燃烧器，减少硼等挥发成分向燃烧器31～40、41～50的堆积。由此，抑制燃烧器31～40、41～50的故障，延长寿命，并确保稳定的燃烧。

在熔化槽110，在侧壁部52的熔融玻璃101的液面102的上方，在燃烧器31的上游设置第一排气口54，在燃烧器41的上游设置第二排气口55。上述第一排气口54和第二排气口55将在熔化槽110内因火焰的燃烧等而产生的废气向外部排出。

此外，在熔化槽110内，在底壁部51的从上游侧朝向下游侧的大致中央设置有在熔融玻璃101中生成气泡113的起泡器59。起泡器59通过由喷出的气体产生的气泡113而在熔融玻璃101形成循环流115、117，实现熔融玻璃101的均质化。

需要说明的是，也可以不在燃烧器31～40、41～50的全部使用氧燃烧器。也可以在燃烧器31～40、41～50的一部分使用作为空气燃烧器已知的属于现有技术的燃烧器。

空气燃烧器将燃料气体与空气混合喷射，并使其一起燃烧。空气燃烧器在耐火块的喷射面上形成与空气供给孔连通的喷射口，在该喷射口的内部设有燃料气体喷嘴。从喷射口喷射混合物，所述混合物是从空气供给孔供给的空气与从燃料气体喷嘴供给的燃料气体的混合物。

通过将这样的空气燃烧器使用于熔化槽110的燃烧器31～40、41～50的一部分，能够控制熔融玻璃101所含有的水分的量。而且，空气燃烧器供给大流量的空气，与氧燃烧器相比，喷射面的开口的直径大，从开口喷射的燃料气体与空气的混合物的流速也较大。因此，挥发物难以附着于空气燃烧器的喷射口、燃料气体喷嘴的周边。

(玻璃制造方法及玻璃熔化方法)

本实施方式的玻璃制造方法包括：熔化工序，使向玻璃熔化炉90的熔化槽110供给的玻璃原料103熔化而得到熔融玻璃；澄清工序，将熔融玻璃的气泡除去而对熔融玻璃进行澄清；及成形工序，将澄清后的熔融玻璃成形为规定形状。

上述的工序中的熔化工序包括使用燃烧器31～40、41～50对从熔化槽110的原料供给口56供给的玻璃原料103进行加热而形成熔融玻璃101的玻璃熔化方法。在熔化工序中得到的熔融玻璃101被从熔化槽110的排出口57取出而向接下来的澄清工序传送。

根据该玻璃熔化方法，熔化槽110具备的燃烧器31～40、41～50使用所述氧燃烧器，减少挥发成分的堆积，因此能够使玻璃原料103稳定且高效地熔化。

澄清工序是将在熔化工序中得到的熔融玻璃向澄清槽供给，使熔融玻璃内的气泡上浮而将气泡除去的工序。作为促进气泡的上浮的方法，存在例如对澄清槽内进行减压而脱泡的方法等。成形工序是将澄清后的熔融玻璃成形为规定的板厚的板状的工序。作为成形为板状的方法，存在例如周知的浮法、熔解法。

该玻璃制造方法在利用熔化槽110将玻璃原料103形成为熔融玻璃101的熔化工序中，熔化槽110具备的燃烧器31～40、41～50使用所述氧燃烧器，减少挥发成分的堆积。因此，能够使玻璃原料103稳定并高效地熔化，进而能够高效地制造玻璃。

实施例

(实施例)

说明适用了本实施方式的氧燃烧器的实施例1～3。该实施例1～3适用于前述的在熔化槽110设置的燃烧器31～40、41～50中的至少一个。

本实施例1的氧燃烧器设置图1(c)所示的倒角部18，倒角角度α为45°，倒角宽度c为8mm。而且，燃料气体孔13的直径d为37mm，从燃料气体出口13a至燃料气体喷嘴17的距离l为52mm，燃料气体的天然气的供给量为40nm³/h(流速为47m/s)。其他的规格如表1的实施例1的部分记载所述。实施例2的燃料气体的天然气的供给量为50nm³/h(流速为59m/s)，其他的规格与实施例1相同。而且，实施例3的燃料气体的天然气的供给量为70nm³/h(流速为83m/s)，其他的规格与实施例1相同。需要说明的是，使用条件的流速是燃料气体喷嘴17的前端部的燃料气体的流速。流速[m/s]使用燃料气体供给量和燃料气体喷嘴径d[m]，通过以下的式子算出。

流速[m/s]＝供给量[nm³/h]/(3600×π×d²×0.25×3)

使这样的氧燃烧器在规定期间运转时，挥发物向燃料气体孔13的燃料气体出口13a附近的附着少于规定量，也能避免燃料气体喷嘴17的烧损。因此，在本实施方式的氧燃烧器中，确认到通过设置本发明的倒角部18而挥发物的附着及燃料气体喷嘴17的烧损减少的情况。

【表1】

表1

(比较例)

在此，在表1的比较例1～5的部分示出为了比较而未设置倒角部的氧燃烧器的例子。燃料气体孔13的直径d、从燃料气体出口13a至燃料气体喷嘴17的距离l与实施例1相同。

在表1的使用条件的节流孔中，在未记载数值的例子(比较例3～5)中未设置节流孔。

比较例5虽然减少了燃料气体喷嘴17的烧损，但是挥发物向燃料气体孔13的燃料气体出口13a附近的附着的减少不良。比较例1～4的挥发物向燃料气体孔13的附着的减少和燃料气体喷嘴17的烧损的减少都不良。

需要说明的是，在上述的实施方式中，作为氧燃烧器，示出燃料气体孔13及氧孔14分别为1个的结构，但是本发明没有限定为这样的结构。燃料气体孔13及氧孔14都只要为1个以上即可，例如也可以是燃料气体孔13为3个且氧孔14为2个。

另外，在上述的实施方式的玻璃熔化炉90的熔化槽110中，如图3所示在燃烧器31～40、41～50配置了氧燃烧器，但是本发明没有限定为这样的结构。只要适合于无碱玻璃的熔化即可，也可以使空气燃烧器及氧燃烧器为其他的配置。

此外，在上述的实施方式的氧燃烧器中，假定了燃料气体使用天然气，氧气使用氧的情况，但是本发明没有限定为这样的结构。也可以使用其他的燃料气体、氧气。

本申请基于在2014年12月10日提出申请的日本专利申请特愿2014-249562，并将其内容作为参照而援引于此。

标号说明

10耐火块

11喷射面

12背面

13燃料气体孔

13a燃料气体出口

13b燃料气体入口

14氧孔

14a氧出口

14b氧入口

17燃料气体喷嘴

31～40、41～50燃烧器

90玻璃熔化炉

101熔融玻璃

110熔化槽