工業的なガラス製造プロセスでは、ガラス原料を数百トン規模の巨大な炉の中に投入し、数日間かけて溶融・清澄させるため大量のエネルギーを消費している。一方、ガラス原料を小型のルツボに入れてガラスを作製する場合には2時間程度の加熱でガラス化が完了する。工業的なプロセスが長時間化する要因として、炭酸塩などの易溶融成分が先に溶融して難溶融成分であるSiO2が濃縮し、溶融後の融液を均質化する時間が必要であるためと、ガラス化反応中に発生した融液内のCO2の脱泡、清澄に時間がかかるためであると考えられる。消費エネルギー削減のために新しいガラス製造プロセスの確立が望まれており、ガラス原料の組成を持つ粒子を造粒して、これを高温場でインフライト溶融し、ガラス化する方法が提案されている。粒子単位でガラス化するため、融液を形成する段階ですでに均質化されている。また、気泡の原因となるCO2が飛翔中に放出されることで清澄時間が短縮され、大幅な消費エネルギーの削減が期待できる。一例として、酸素バーナーを用いたインフライト溶融によるガラス製造が実現した場合、エネルギー削減率は現行技術の60％であると推算されている。

本研究の目的はインフライト溶融プロセスの工業的なガラス製造への応用の可能性を調査することと、インフライト溶融では粒子への熱移動が重要であるためプラズマ中の粒子の挙動を明らかにすることである。インフライト溶融プロセスでは、ごく短時間に粒子を昇温しガラス化させるためプラズマなどの高温場を用いる必要がある。本研究ではRFプラズマ装置、多相アーク装置、酸素バーナーを用いた。

実験の結果、各装置でインフライト溶融により高いガラス化率を得ることができた。また回収したガラス粒子を分析し、粒子内にCO2を含まないことを確認した。インフライト溶融後はガラスの成分の一部が揮発しガラスの組成が変化していたが、蒸発しやすい成分を造粒段階で多く入れることによって組成の変動を抑えることができると考えられる。さらに滞留時間によって原料粒径を選択することで粒子への伝熱量を制御し、組成の変動を抑えることが可能であるという結果を得た。よって、インフライト溶融プロセスが工業的なガラス製造に応用可能であることがわかった。

数値解析では溶融後の粒径分布や粒子への熱移動量を求め、実験とほぼ同じ傾向の結果が得られた。よって、今後ガラス製造に適切な溶融条件の設定や、スケールアップの検討に数値解析を用いることができると考えられる。

新聞掲載

• 化学工業日報　2006年2月3日　「新ガラス生産技術　気中溶解で大幅省エネ化　あらかじめ原料造粒　時間1/10に短縮」
• 日経産業新聞　2006年9月28日　「板ガラスの製造工程　6割省エネ実現　東工大など新技術」
• 日経産業新聞　2006年12月5日　「先端技術　未来プロジェクト　ガラスの省エネ製法術（上）　プラズマで短時間処理」
• 日経産業新聞　2006年12月6日　「先端技術　未来プロジェクト　ガラスの省エネ製法術（下）　歩留まり・品質向上期待」

研究論文

• Md. Mofazzal Hossain, Yaochun Yao, Yasuko Oyamatsu, Takayuki Watanabe, Fuji Funabiki, and Tetsuya Yano: Determination of the Melting Mechanism of Granular Powders for Vitrification by Argon-Oxygen Induction Thermal Plasmas, WSEAS Transactions on Heat and Mass Transfer, 6 (1), p.625-631 (2006.6).
• Yaochun Yao, Md. Mofazzal Hossain, Yasuko Oyamatsu, Takayuki Watanabe, Fuji Funabiki, and Tetsuya Yano: In-Flight Melting of Granulated Powders in Thermal Plasmas for Glass Production, Transactions of Materials Research Society of Japan, 32 (2) p.509-512 (2007.6).

国際学会

• Yaochun Yao, Md. Mofazzal Hossain, Yasuko Oyamatsu, Takayuki Watanabe, Fuji Funabiki, and Tetsuya Yano: In-Flight Melting of Granulated Powders in Thermal Plasmas for Glass Production, Abstracts of The 17th Symposium of The Materials Research Society of Japan, H-10-G, p.175 (2006.12 Tokyo).
• Md. Mofazzal Hossain, Yaochun Yao, Yasuko Oyamatsu, Takayuki Watanabe, Fuji Funabiki, and Tetsuya Yano: Numerical and Experimental Investigation to the Melting Mechanism of Granular Powders for Vitrification by Induction Thermal Plasmas, Proceedings of 4th WSEAS International Conference on Heat and Mass Transfer, p.48-53 (2007.1 Gold Coast, Australia).
• Md. Mofazzal Hossain, Yaochun Yao, Yasuko Oyamatsu, Takayuki Watanabe, Fuji Funabiki, and Tetsuji Yano: In-Flight Melting Mechanism of Granulated Powders for Glass Production by Argon-Oxygen Induction Thermal Plasmas, Proceedings of 18th International Symposium on Plasma Chemistry, 30P-163 (2007.8 Kyoto).
• Yaochun Yao, Yasuko Oyamatsu, Takayuki Watanabe, Fuji Funabiki, and Tetsuji Yano: In-Flight Melting of Granulated Powders in Multi-Phase Arc for Glass Production, Proceedings of 18th International Symposium on Plasma Chemistry, 30P165 (2007.8 Kyoto).
• Yaochun Yao, Md. Mofazzal Hossain, Yasuko Oyamatsu, Takayuki Watanabe, Fuji Funabiki, and Tetsuya Yano: Plasma-Particle Heat Transfer Mechanism for In-Flight Melting of Granulated Powders in Induction Thermal Plasmas, The 2007 Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow, Paper No. ASCHT2007-069 (2007.10 Xi’an, China).

国内学会

• 親松泰子, 姚耀春, 渡辺隆行, 船曳富士, 矢野哲司: エネルギー削減のための高周波熱プラズマによるガラス原料粒子のインフライト溶融, 化学工学会第38回秋季大会研究発表講演要旨集, Vb103 (2006.9 福岡大学).
• 渡辺隆行, 親松泰子, 姚耀春, 船曳富士, 矢野哲司: 高周波熱プラズマを用いたインフライト溶融によるガラス製造, 無機マテリアル学会第113回学術講演会講演要旨集, p.30-31 (2006.11 名古屋大学).
• 渡辺隆行, 親松泰子, 姚耀春, 船曳富士, 矢野哲司: エネルギー削減のための熱プラズマによるガラス原料粒子のインフライト溶融, 化学工学会第72年会研究発表講演要旨集, T303 (2007.3 京都大学).