フロートガラス溶解炉における溶融コランダムレンガの応用

溶融コランダムレンガ電気アーク炉で溶融したアルミナを特定の形状の所定の型に鋳造し、焼きなましと保温を行い、その後加工して目的の製品を得る。一般的な製造工程は、高純度焼成アルミナ（95%以上）と少量の添加剤を使用し、原料を電気アーク炉に入れ、2300℃以上の高温で溶融した後、あらかじめ用意された型に鋳造し、その後保温して焼きなましを行い、取り出し、取り出したブランクを精密な冷間加工、仮組み、検査を経て、要求を満たす完成品とする。

溶融コランダムレンガは、アルミナの結晶形態と含有量の違いにより、3種類に分類されます。1つ目は、α-Al2O3を主結晶相とするα-コランダムレンガ、2つ目は、α-Al2O3とβ-Al2O3の結晶相がほぼ同量含まれるαβコランダムレンガ、3つ目は、β-Al2O3の結晶相が主となるβコランダムレンガです。フロートガラス溶解炉で一般的に使用される溶融コランダムレンガは、2番目と3番目のタイプ、すなわち溶融αβコランダムレンガとβコランダムレンガです。本稿では、溶融αβコランダムレンガとβコランダムレンガの物理的および化学的特性、ならびにフロートガラス溶解炉におけるそれらの応用について重点的に解説します。

1. 溶融コランダムレンガの性能分析

1. 1 溶融αβコランダムレンガ

溶融αβコランダムレンガは、約50%のα-Al2O3とβ-Al2O3で構成されており、2つの結晶が絡み合って非常に緻密な構造を形成し、優れた強アルカリ腐食耐性を有しています。高温（1350℃以上）での耐食性は溶融AZSレンガよりやや劣りますが、1350℃以下の温度では溶融ガラスに対する耐食性は溶融AZSレンガと同等です。Fe2O3、TiO2などの不純物を含まないため、母材ガラス相が非常に小さく、溶融ガラスと接触しても気泡などの異物が発生しにくく、母材ガラスが汚染されることはありません。

溶融αβコランダムレンガは結晶密度が高く、1350℃以下の溶融ガラスに対する耐食性に優れているため、ガラス溶解炉の作業槽内および周辺部、特に樋、縁レンガ、門レンガなどに広く使用されています。世界最高水準の溶融コランダムレンガは、日本の東芝が製造しています。

1.2 溶融βコランダムレンガ

溶融βコランダムレンガは、ほぼ100%β-Al2O3で構成され、大きな板状のβ-Al2O3結晶構造を有しています。サイズが大きく強度は劣ります。しかし一方で、剥離抵抗性に優れ、特に強アルカリ蒸気に対する耐食性が非常に高いため、ガラス溶解炉の上部構造に使用されます。ただし、アルカリ含有量の少ない雰囲気で加熱すると、SiO2と反応し、β-Al2O3が容易に分解して体積収縮を起こし、ひび割れや亀裂が生じるため、ガラス原料の飛散から離れた場所で使用されます。

1.3 溶融αβおよびβコランダムレンガの物理的および化学的性質

溶融α-βおよびβコランダムレンガの化学組成は主にAl2O3であり、違いは主に結晶相組成にあり、微細構造の違いが嵩密度、熱膨張係数、圧縮強度などの物理的および化学的特性の違いにつながります。

2．ガラス溶解炉における溶融コランダムレンガの応用

プールの底面と壁面はどちらもガラス液と直接接触しています。ガラス液と直接接触するすべての部分において、耐火材料の最も重要な特性は耐食性、すなわち耐火材料とガラス液との間で化学反応が起こらないことです。

近年、溶融ガラスと直接接触する溶融耐火材料の品質指標を評価する際には、化学組成、物理化学指標、鉱物組成に加えて、ガラス侵食抵抗指数、析出気泡指数、析出結晶化指数という3つの指標も評価する必要がある。

ガラス品質に対する要求が高まり、炉の生産能力が大きくなるにつれて、溶融電気レンガの使用範囲が広がります。ガラス溶解炉で一般的に使用される溶融レンガは、AZS シリーズ (Al 2 O 3 -ZrO 2 -SiO 2) 溶融レンガです。AZS レンガの温度が 1350℃ を超えると、耐食性は α β -Al 2 O 3 レンガの 2 ～ 5 倍になります。溶融 αβ コランダムレンガは、α-アルミナ (53%) と β-アルミナ (45%) の微粒子が密に千鳥状に配列したもので、結晶間の細孔を埋める少量のガラス相 (約 2%) を含み、高純度で、冷却部プール壁レンガ、冷却部底舗装レンガ、継ぎ目レンガなどに使用できます。

溶融αβコランダムレンガの鉱物組成は、少量のガラス相しか含まないため、使用中にガラス液が浸出して汚染されることはなく、1350℃以下で優れた耐食性と高温耐摩耗性を有しています。ガラス溶解炉の冷却部であり、フロートガラス溶解炉のタンク壁、タンク底、および樋に理想的な耐火材です。フロートガラス溶解炉のエンジニアリングプロジェクトでは、溶融αβコランダムレンガは、ガラス溶解炉の冷却部のプール壁レンガとして使用されます。さらに、溶融αβコランダムレンガは、冷却部の舗装レンガおよびカバー目地レンガとしても使用されます。

溶融βコランダムレンガは、92%〜95%のAl2O3を含むβ-Al2O3粗結晶からなる白色製品で、ガラス相は1%未満であり、結晶格子が緩いため構造強度は比較的弱く、見かけの気孔率は15%未満です。Al2O3自体は2000℃以上でナトリウムで飽和するため、高温でのアルカリ蒸気に対して非常に安定しており、熱安定性も優れています。しかし、SiO2と接触すると、β-Al2O3に含まれるNa2Oが分解してSiO2と反応し、β-Al2O3は容易にα-Al2O3に変化し、大きな体積収縮を引き起こし、ひび割れや損傷の原因となります。したがって、ガラス溶解炉の作業プールの上部構造、溶解ゾーン後方の注ぎ口とその近傍の欄干、小型炉の水平調整部など、SiO2の飛散粉塵から離れた上部構造にのみ適しています。

揮発性アルカリ金属酸化物と反応しないため、レンガ表面から溶融物が滲み出てガラスを汚染することはありません。フロートガラス溶解炉では、冷却部の流路入口が急激に狭くなるため、ここでアルカリ蒸気の凝縮が起こりやすいため、この流路はアルカリ蒸気による腐食に強い溶融βレンガで作られています。

3．結論

溶融コランダムレンガは、ガラス侵食耐性、発泡耐性、石材付着耐性といった優れた特性に加え、独自の結晶構造を有しており、溶融ガラスをほとんど汚染しません。そのため、清澄ベルト、冷却部、ランナー、小型炉などの重要な用途があります。