Eガラス（無アルカリガラス繊維）タンク炉での生産は、複雑な高温溶融プロセスです。溶融温度プロファイルは重要なプロセス制御ポイントであり、ガラスの品質、溶融効率、エネルギー消費量、炉寿命、そして最終的な繊維の性能に直接影響を及ぼします。この温度プロファイルは、主に炎の特性と電気ブーストの調整によって実現されます。
I. Eガラスの融点
1. 融点範囲：
Eガラスの完全な溶融、清澄化、均質化には通常、極めて高い温度が必要です。典型的な溶融部（ホットスポット）温度は、一般的に1500℃から1600℃の範囲です。
具体的な目標温度は、以下の要素によって異なります。
* バッチ構成: 特定の配合 (例: フッ素の存在、ホウ素含有量の高低、チタンの存在) は溶融特性に影響します。
* 炉の設計: 炉の種類、サイズ、断熱効果、バーナーの配置。
* 生産目標: 望ましい溶融速度とガラスの品質要件。
* 耐火物: 高温での耐火物の腐食速度により、上限温度が制限されます。
清澄ゾーンの温度は通常、気泡の除去とガラスの均質化を促進するために、ホットスポットの温度よりもわずかに低く（約 20 ～ 50°C 低く）なります。
作業端（前炉）の温度は大幅に低く（通常 1200°C ～ 1350°C）、溶融ガラスの粘度と安定性が適切な状態になり、引き抜きが可能になります。
2. 温度管理の重要性：
* 溶融効率：バッチ材料（石英砂、パイロフィライト、ホウ酸／コールマナイト、石灰石など）の完全な反応、砂粒の完全な溶解、そしてガスの完全な放出を確保するには、十分に高い温度が不可欠です。温度が不十分だと、「原料」の残留物（溶融していない石英粒子）、石、そして気泡の増加につながる可能性があります。
* ガラスの品質：高温処理によりガラス溶融物の清澄化と均質化が促進され、筋、気泡、石などの欠陥が減少します。これらの欠陥は、繊維の強度、破損率、連続性に深刻な影響を与えます。
* 粘度：温度はガラス溶融物の粘度に直接影響します。ファイバーの線引きには、ガラス溶融物が特定の粘度範囲内にあることが必要です。
* 耐火物の腐食: 温度が高すぎると、炉の耐火物 (特に電融 AZS レンガ) の腐食が急激に加速され、炉の寿命が短くなり、耐火石が発生する可能性があります。
* エネルギー消費：高温維持はタンク炉におけるエネルギー消費の主な原因であり（通常、総生産エネルギー消費量の60%以上を占めます）、過度の温度上昇を避けるための正確な温度制御が省エネの鍵となります。
II. 炎の制御
炎制御は、溶融温度分布を制御し、効率的な溶融を実現し、炉体（特に炉頂部）を保護するための中核的な手段です。その主な目的は、理想的な温度場と雰囲気を作り出すことです。
1. 主要な規制パラメータ:
* 燃料対空気比（ストイキオメトリック比）/酸素対燃料比（酸素燃料システムの場合）：
* 目標：完全燃焼を達成する。不完全燃焼は燃料を無駄にし、炎の温度を低下させ、黒煙（煤）を発生させてガラス溶融物を汚染し、再生器／熱交換器を詰まらせます。過剰な空気は大量の熱を奪い、熱効率を低下させ、クラウン酸化腐食を悪化させる可能性があります。
* 調整: 排気ガス分析(O₂、CO含有量)に基づいて空燃比を正確に制御します。Eガラスタンク炉では通常、排気ガスの O₂ 含有量を約 1 ～ 3% に維持します (わずかに正圧の燃焼)。
* 雰囲気の影響：空気と燃料の比率は炉内の雰囲気（酸化または還元）にも影響を与え、特定のバッチ成分（鉄など）の挙動やガラスの色に微妙な影響を与えます。ただし、無色透明性が求められるEガラスの場合、この影響は比較的小さいです。
* 炎の長さと形状:
* 目標: 溶融表面を覆い、一定の剛性を持ち、広がりの良い炎を形成する。
* 長い炎と短い炎:
* ロングフレーム：広い範囲をカバーし、温度分布が比較的均一で、クラウンへの熱衝撃が少ない。ただし、局所的な温度ピークが十分に高くない場合があり、バッチの「ドリリング」ゾーンへの浸透が不十分になる可能性がある。
* 短炎：剛性が高く、局所的に高温になり、バッチ層への浸透が強く、「原料」の急速な溶融につながります。しかし、炎の広がりが不均一であるため、局所的な過熱（ホットスポットの顕著化）が発生しやすく、頭頂部と胸壁に大きな熱衝撃を与えます。
* 調整：バーナーガンの角度、燃料/空気の出口速度（運動量比）、およびスワール強度を調整することで実現します。現代のタンク炉では、多段調整式バーナーが採用されることが多いです。
* 炎の方向（角度）:
* 目標: クラウンまたは胸壁への炎の直接衝突を回避しながら、バッチとガラス溶融表面に熱を効果的に伝達します。
* 調整: バーナーガンのピッチ(垂直)角度とヨー(水平)角度を調整します。
* ピッチ角：炎とバッチパイルの相互作用（「バッチを舐める」）と溶融金属表面の被覆率に影響します。角度が低すぎる（炎が下向きすぎる）と、溶融金属表面またはバッチパイルが削られ、キャリーオーバーが発生して胸壁が腐食する可能性があります。角度が高すぎる（炎が上向きすぎる）と、熱効率が低下し、クラウンが過度に加熱されます。
* ヨー角: 炉の幅全体にわたる炎の分布とホットスポットの位置に影響します。
2. 炎制御の目的：
* 合理的なホットスポットの形成：溶融タンクの後部（通常はドッグハウスの後部）に最高温度帯（ホットスポット）を形成します。この領域はガラスの清澄化と均質化に不可欠な部分であり、ガラス溶融体の流れ（ホットスポットからバッチチャージャーおよび作業端に向かう流れ）を制御する「エンジン」として機能します。
* 均一な溶融表面加熱: 局所的な過熱や過冷却を回避し、温度勾配によって生じる不均一な対流や「デッドゾーン」を減らします。
* 炉構造の保護: 炉頂部と胸壁への炎の衝突を防ぎ、耐火物の腐食を加速させる局所的な過熱を回避します。
* 効率的な熱伝達: 炎からバッチおよびガラス溶融表面への放射および対流熱伝達の効率を最大化します。
* 安定した温度場: 変動を減らして安定したガラス品質を確保します。
III. 溶融温度と炎制御の統合制御
1. 温度が目的、炎が手段: 炎の調節は、炉内の温度分布、特にホットスポットの位置と温度を制御する主な方法です。
2. 温度測定とフィードバック：炉内の主要箇所（バッチチャージャー、溶融帯、ホットスポット、清澄帯、前炉）に設置された熱電対、赤外線高温計、その他の計測機器を用いて、連続的に温度をモニタリングします。これらの測定値は、炎の調整の基礎となります。
3. 自動制御システム：現代の大型タンク炉では、DCS/PLCシステムが広く採用されています。これらのシステムは、設定された温度曲線とリアルタイムの測定値に基づいて、燃料流量、燃焼空気流量、バーナー角度／ダンパーなどのパラメータを調整することで、炎と温度を自動制御します。
4. プロセスのバランス: ガラスの品質 (高温溶融、良好な清澄化および均質化) を確保することと、炉を保護すること (過度の温度や炎の衝突を回避すること) と、エネルギー消費量を削減することの間で最適なバランスを見つけることが重要です。
投稿日時: 2025年7月18日
