溶融シリカ ローラーは、高温環境でガラスを搬送するために広く使用されており、焼き戻し炉は最も要求の厳しい作業の 1 つです。

Gilbert Rancoule 氏によると、SO2 噴射の開発により、ロールの動作に影響を与える特殊な作業条件が生み出されており、発生する化学反応の理解が必要です。

熱強化のプロセスでは、ガラスは軟化点直下の温度まで加熱され、その後空気中で急速に急冷されます。ガラスの外側は急速に冷却されますが、内側は収縮してゆっくりと冷却されます。ガラスが最終的に均一な温度に達すると、表面に圧縮応力が生じ、それを補う内部引張応力が発生します。

表面圧縮応力の実際の値は、ガラスの厚さ、熱伝達係数、熱処理スケジュールなどの要因によって異なります。ガラス表面の品質を変える可能性のある外部要因を制限することは、プロセスの柔軟性を可能にすることと同様に、常に業界の目標でした。

Na イオンと注入された SO2 の間の反応により、通常の作業条件下では安定した硫酸塩表面がガラス表面に形成されます。ガラスシートの取り扱い中に、硫酸ナトリウム粉末がガラスシート環境に移動します。

金属硫酸塩の蓄積によるロール表面の劣化。

ガラスとコンベアロールの界面に硫酸塩の堆積が観察されますが、これは接触面の寿命に有利になる可能性があると考えられます。実際、硫酸ナトリウムは、ガラス化学に対して中性反応性の連続界面でゆっくりと進化します。継続的なガス相互作用により、ガラス熱処理の標準的な温度で安定した固体潤滑剤 Na2SO4 が生成されます。焼き戻しまたは焼きなましゾーン。

Na2SO4 生成の収量は、水分レベル、濃度、温度に直接関係します。硫酸ナトリウムの作用がよく知られている場合、一部の反応生成物は、主に低温過渡領域においてガラス接触品質にマイナスの側面を示す可能性があります。準安定形態の硫酸ナトリウムは環境条件に応じて生成され、温度の関数で予期せぬ結果を引き起こす可能性のある複雑な反応を引き起こす可能性があります。

不安定な硫酸ナトリウム種が形成され、炉環境およびガラスと相互作用して、望ましくない動作条件を回避するための是正措置が講じられない場合、ガラスの欠陥を引き起こす可能性のある粒子や塵を捕捉する可能性があります。ガラスの品質と ZYAROCK® ロールの効率は、炉の調整を観察することによって向上します。

ガラス欠陥モード

ガラス表面を観察すると、炉の作業環境や運転条件に関する高度な情報が得られます。時間と温度の経過に伴う炉の劣化は、炉またはガラスのいずれかに見られる品質への影響につながります。炉のメンテナンスはガラス品質の鍵ですが、最も要求の厳しい用途に応じてガラス要件の進化を分析することもできます。

効果的なガラス洗浄手順、炉や工場の清浄度、メンテナンス条件とガラス表面の品質との関係は、作業を分析する際に必ず行われる繰り返しの調査です。

(1) ガラス堆積物。(2) 機械的圧痕。(3) 塗料の付着

接触面の損傷を避けるために作業環境を厳密に管理することで、良好な溶融シリカ ローラー表面が維持されます。ロールの取り扱い、搬送、洗浄だけでなく、焼き戻し前のガラスの準備にも関連するナトリウム汚染を避けるために、重要な規則を遵守する必要があります。

ロールの清浄度が達成されたら、次のステップは、炉の熱安定性に移る前に、発塵と空気流制御によって炉内への粒子の侵入を回避する必要があります。

温度と大気相対湿度による硫酸ナトリウムの安定性関数。

硫酸ナトリウム系の熱力学解析 – 300,000°C での Na-OS 相安定性図。

SO2 蒸気環境下でのガラス化学の熱力学的平衡。

熱プロファイルとガラスの相互作用

炉内の熱安定性の質は、炉環境からガラスへの熱伝達速度だけでなく、炉内での伝達中のガラスシートの相対的な物理的安定性も決定します。炉入口での最適な動作条件を定義するには、ガラスの種類と化学的性質、およびガラスの厚さを考慮する必要があります。

ロールの温度と炉入口の熱流量は、上下のガラス表面で最高の均一性を確保するために定義される重要な作業パラメータです。ガラスシートの最小変形は、加熱プロファイルの初期段階での熱流の適応を通じて考慮する必要があります。

・ガラスの熱吸収（厚さ、化学的性質、コーティング、質感）。

· 底部/上部温度勾配 (静的または乱流熱流、対流モード、ロール タイプ)。

・反射熱伝達（耐火物）。

・ガラス強化型の炉設計（エンジニアリングと熱制御）。

・ガラスエッジ効果。

ガラスの熱膨張はガラスの導電率と IR 吸収に依存するため、ガラスの幾何学的安定性は熱プロファイルに直接関係します。ガラスシートの端では困難な平衡が達成され、そこでは対流と放射熱伝導によりより高い熱伝達が得られます。

断熱品質は、炉の作業環境を考慮する際の主な目的です。これは、多くの場合、発塵繊維や粒子に関連しているためです (炉雰囲気との潜在的な反応を調べるときに化学変化を含まない場合)。

ライニングの劣化は時間と温度の問題でもあります。ロールのシールの一貫性は、熱安定性を最大限に高め、機械的磨耗や熱漏れから生じる粉塵を軽減するための重要なパラメータです。完璧な絶縁により、ローラーエンドキャップの過熱を防ぎ、輸送や高温 TIR の問題を引き起こします。

大気とガスの相互作用

影響を与えるパラメーターは、硫酸ナトリウムの安定性を理解するための鍵となります。硫酸ナトリウムの生成がアプリケーションにとって真の利点であると考える場合、環境と濃度の変更が Na2SO4 の生成にどのような影響を与えるかを理解することが重要です。

Na2SO4 の形成に関するさまざまなパラメータには、水分、低温処理、高濃度 SO2、ガラス化学相互作用、ロールのコンディショニングなどの集合的な影響が含まれます。

湿気と低温

水分は炉内の SO2 の安定性に直接影響を与えますが、温度と水分の二重作用は SO2 の濃度に直接影響を与えます。炉内のSO2に湿気（空気中の水分最大10％）が混ざると、低温域で硫酸ナトリウム水酸基が生成します。これにより、高温で Na2SO4 に解離する前に、中程度の温度範囲で準安定な Na2S2O7 相が生成される可能性があります。

同じ反応において、ヒドロキシルの変化と同時に、低温ゾーンで硫酸が生成する可能性が見られます。

SO2 濃度

より高い酸化状態の硫酸ナトリウムへの変換を減らすには、低濃度の SO2 と高温操作が必要です。重曹は最低温度範囲でのみ安定しており、粘稠な挙動を示し、作業環境からガラスやロールに酸化物や金属が付着する条件を作り出します。

大気中の高い硫黄濃度と同時に水分が存在することは、硫酸塩相の安定性にとって最も望ましくない構成です。クリーンな操作を確保するには、Na2SO4 の形成を他のナトリウム相よりも優先する必要があります。

ガラスの化学相互作用

炉内のナトリウム蒸気は、温度とガラスの化学的性質に明らかに依存します。Na2SO4 の形成のための安定した動作条件を達成するには、SO2 の拡散と炉内で生成される温度勾配を介して炉の雰囲気分布とガス流を制御することをお勧めします。

ガラスの元素も SO2 と反応しますが、さまざまな硫酸塩は高温でも安定であることが確認できます。ただし、ナトリウムイオンの移動度に比べてイオン種の安定性により、この反応性をガラス内部で得るのは困難です。

最も一般的な反応では、炉内に存在する遊離金属元素を、炉の格納壁または硫黄と水分の交換を伴う低温凝縮ゾーン反応によって生成される粉塵として考慮する必要があります。

セラミック ロールは蓄積の条件を生み出さないため、ほとんどの条件下で中立的な表面と見なされます。高温および安定した大気条件は、クリーンな操作を説明するための部分的な状況にすぎず、炉のメンテナンス ルーチンに取って代わるべきではありません。

SO2 環境での金属ロールを考慮すると、高温で金属が不安定になり、金属種 (Fe、Ni) の硫黄相が生成する多数の反応が発生する可能性があります。湿気が関与すると、金属の腐食作用によりロールの反応性が指数関数的に増加します。

硫酸ナトリウムの化学的性質が実現される場合、溶融シリカセラミックロールの表面にナトリウムが存在しても、セラミックに悪影響を与えることはありません。ただし、動作環境が準安定の硫酸ナトリウム、硫黄水素、重硫酸塩、または酸化ナトリウムの条件を作り出すと、物理的な劣化を伴う遅いセラミック表面反応のための要素がすべて揃っています。

溶融シリカの結晶変態は、ロールの表面に不可逆的な損傷を引き起こすため、ラインサービスの初期段階で、セラミック表面から酸化ナトリウムを除去するように設計されたロールの適切なメンテナンスによって防止する必要があります。ロールの観察は、硫酸ナトリウム以外の堆積物が見つかった場合に、予期せぬ堆積物を除去することで実現されます。

ロール上に蓄積した塵や酸化物は、反応性酸化ナトリウムの内部に強く付着する前に取り除く必要があります。このような操作は、セラミック表面の化学的性質を安定させ、公称ロールの状態に戻すために必要な回数だけ、炉の外側で清水洗浄することによって実行されます。

結論

ガラスの品質は炉環境の清浄度に関係します。ローラーシールと炉に導入される空気の流れによる優れた断熱特性により、粉塵の制御が可能になります。焼き戻し環境の熱的一貫性は、ガラスの特性を炉の能力と製品の柔軟性の要件に結び付けます。

操作条件が最適化されている場合、炉内に SO2 を導入することで硫酸ナトリウム中間層の形成による接触特性の最後の仕上げを行い、ガラスの寸法や種類による極端な条件を回避します。

硫酸塩の高い酸化レベルの形成を避けるために、炉内の雰囲気閉じ込めとガス流を厳密に制御する必要があります。これにより、粘性液体が発生し、操業の移行段階でサービス上の問題が発生する可能性があります。

炉の環境は、通常の運転条件ではガラスの品質に悪影響を与える、ライニングからの塵や粒子、酸化物の還元、腐食などの二次反応を考慮する必要があります。
 

著者: Gilbert Rancoule、R&D ベスビオ溶融シリカ部門ディレクター

この記事は、GLASS WORLDWIDE MAGAZINE - 2011 年 7 月/8 月に初めて掲載されました。