Варка стекла в пламенных ванных печах непрерывного действия. Стекловаренные печи классификация Ванная печь для варки стекла

В печах непрерывного действия провар шихты, освет­ление и студка стекломассы протекают в различных зо­нах бассейна (рис. 7.2).

Самые большие отечественные ванные печи (для листового стекла) имеют ширину бассей­на до 10 м, общую длину 60-70 м и глубину 1,5 м. Бас­сейны таких печей вмещают 2000-2500 т стекломассы. Их суточная производительность 350-450 т. В послед­нее время в производстве флоат-стекла за рубежом введены в действие печи листового стекла производи­тельностью свыше 600 т/сут. Большая единичная мощ­ность печей экономически более выгодна, так как с рос­том производительности снижаются удельные расходы топлива и трудозатраты на обслуживание печей. Вместе с тем в производстве прокатного, строительного, техни­ческих и других видов стекла используют ванные печи небольших размеров производительностью от 5-10 до 100-120 т/сут (большие суточные съемы относятся к печам, производящим листовое стекло методом непре­рывного проката).

Современные высокопроизводительные ванные печи работают при 1500- 1600 °С, а печи тугоплавких техни­ческих стекол - при 1650- 1680 °С. Для удлинения сро­ка службы печей и получения стекла высокого качества их выкладывают из огнеупорных материалов, устойчи­вых к воздействию стекломассы, а также пыли и газов шихты при высокой температуре.

Конструктивно печь делят на отапливаемую (вароч­ную) и неотапливаемую (студочную и выработочную) части. В производстве листового оконного, прокатного и полированного стекла используют регенеративные печи с поперечным направлением пламени и пятью - семью парами горелок. Небольшие печи в производстве строи­тельного и технического стекол часто строят по принци­пу печей прямого нагрева, а также с подковообразным направлением пламени. В отапливаемой части происхо­дят провар шихты, осветление, гомогенизация и началь­ное охлаждение стекломассы, в неотапливаемой (студоч - ной) части завершается охлаждение стекломассы. К сту - дочной части примыкают устройства для выработки из­делий.

Опорная колонна обвязки печи; 15 - поднасадочный канал; - регулировочный шнбер простравство

Части и выработочиые отделения печей конструктивно отделяют одни от других. Чем полнее разделены вароч­ные и студочные части, тем больше и быстрее охлажда­ется стекломасса и тем выше может быть температура в варочной части. Наиболее радикальное разделение ва­рочных и студочных частей имеется в проточных печах (рис. 7.3), предназначенных для получения небольших изделий. Ввиду большой поверхности охлаждения в про­токе рабочий поток стекломассы в таких печах неодноро­ден по температуре. Поэтому в больших высокопроизво­дительных печах, где температура стекломассы должна быть одинакова по широкому фронту ее выработки, ва­рочные и студочные части до недавнего времени разде­ляли только по газовой среде - экраном или сниженным сводом. В последнее время в связи с повышением тем­пературы и ростом производительности печей листового стекла в них потребовалось более интенсивно студить стекломассу. В этих целях по всей ширине суженного начального участка студочной части в стекломассу опус­кают заграждения: трубы, охлаждаемые проточной водой (петлевые холодильники), внутренним диамет­ром 70 - 80 мм с регулируемой глубиной погружения в стекломассу (рис. 7.4); огнеупорные стеклоустойчивые преграды разных конструкций. Они могут быть в виде плоской арки - моста в стекломассе с экраном по газо­вой среде («погруженный экран» системы А. Н. Герма - нова), причем мост и экран охлаждают воздухом. Дру­гой вид преграды имеет вид двухарочного моста с про­межуточной опорой, выполняемого с охлаждением или без него (например, преграда конструкции Института стекла). Преграды снижают температуру стекломассы не столько потому, что они охлаждаются, сколько в силу их тормозящего влияния на циркуляцию стекломассы. Петлевые двухъярусные холодильники снижают среднюю температуру рабочего потока стекломассы на 40 - 50 °С, а огнеупорные преграды в зависимости от глубины по­гружения и интенсивности охлаждения - на 50 - 80°С.

Тепловой КПД современных мощных печей листово­го стекла составляет 22- 30%. Его значение тем боль­ше, чем выше удельная цроизводительность стекловарен­ной печи, т. е. чем больше стекломассы можно получить при одной и той же поверхности, через которую теряет­ся теплота. В отечественных печах по производству лис­тового стекла, вырабатываемого методом вертикального вытягивания, удельные съемы стекломассы сім2 отап­ливаемой площади печи составляют 1000-1500 кг/cyf.. На печах по производству листового полированного стекла удельный съем сім2 отапливаемой площади пе­чи возрастает до 1800 - 2000 кг/сут. Соответственна удельные расходы теплоты двух названных типов печей составляют на 1 кг сваренной стекломассы порядка 14 000 кДж и 10500- 10 600 кДж.

Износ огнеупоров вынуждает останавливать печи на капитальный ремонт. Отечественные печи листового стекла, выложенные из новейших стойких огнеупоров, с использованием методов их эффективной защиты рабо­тают между ремонтами 48 - 60 мес.

Наварка ванной печи стекломассой. Перед варкой стекла во вновь построенной или отремонтированной ван­ной печи производят наварку бассейна печи свежей стек­ломассой. От чистоты и тщательности наварки зависит качество готового стекла. Наварку начинают тогда, когда в ванной печи установился режим с температу­рой, превышающей заданную на 10 - 15°С. Вначале в печь загружают смесь: 15 % шихты и 85 % стеклобоя, смешанного с отсортированными кусками охлажденной стекломассы (эрклеза), выпущенной из печи после ее ос­тановки на ремонт. Загрузку ведут в таком количестве, чтобы стекломасса заполнила печь на высоту двух ниж­них рядов брусьев бассейна (600 мм) со скоростью не бо­лее 2-2,5 мм/ч. После этого скорость наварки увеличи­вают сначала до 5, а затем до 10 мм/ч, одновременно по­вышая содержание шихты в ее смеси с боем до заданно­го. При назначении скорости наварки следят за тем, что­бы в пробах стекломассы из студочной части печи было немного крупных пузырей и не было пузырей диаметром менее 1 мм.

Движение стекломассы в непрерывнодействующих ванных печах. В таких печах расплав и плавающая на нем шихта находятся в непрерывном движении. Провар шихты, стеклообразование и осветление протекают в по­верхностном слое стекломассы, заполняющей бассейны печей. Непрерывный отбор стекломассы из выработоч - ной части печи вызывает понижение ее уровня в местах выработки, восполняемое постоянным притоком распла­ва из варочной части печи. Так образуется прямой «вы - работочный» или «производственный» поток. Весь ос­тальной объем стекломассы, за исключением некоторых застойных участков, вовлечен в конвекционное движение, которое вызывается различной температурой массы рас­плава в отдельных районах бассейна, а следовательно, различиями в плотности и удельном давлении стекло­массы по длине и ширине печи.

В наиболее нагретой зоне печи стекломасса имеет са­мую низкую плотность (т. е. самый большой удельный объем) и образует небольшую возвышенность (холмик) высотой порядка 1 мм и более, с которой расплав сте­
кает по направлению к бо - а) , імакс

Лее холодным участкам печи.

Обычно участок с самой высокой температурой стек­ломассы расположен при­мерно на середине варочной части печи, и отсюда стекло­масса движется по направ­лению к местам, где самая низкая температура: к зоне загрузки холодной шихты, к выработочным устройствам и к стенам печи, охлаждае­мым снаружи воздухом для уменьшения износа огнеупо­ров. Таким образом, в печах создаются продольные пото­ки с двумя ветвями (цикла­ми), направленными к загру­зочному и выработочному концам печи, и поперечные потоки, направленные к сте­нам бассейна. Плоскость, проходящая через холмик по­перек бассейна печи, перпендикулярно дну, и является местом раздела потоков, называемым квельпунктом (ис­точником потоков). Достигнув конечных участков, рас­плав опускается в глубь бассейна и движется в обратном направлении, создавая непрерывную циркуляцию.

У сыпочной стены печи охлажденная шихтой стекло­масса опускается, течет вблизи дна в обратном направ­лении и, постепенно нагреваясь, поднимается к поверх­ности в плоскости квельпункта, замыкая так называе­мый сыпочный цикл продольных потоков. Аналогичное происходит и в выработочной части печи, где формиру­ется выработочный цикл конвекционных потоков. Попе­речные потоки также опускаются вблизи стен, а затем на некотором расстоянии от них поднимаются и вовле­каются в продольную циркуляцию.

Упрощенно схема движения потоков стекломассы в печах с пре­градой и протоком показана на рис. 7.5. Поднимающаяся ветвь 1 сы - почного цикла А вливается в квельпункте в выработочный цикл Б, который перед преградой П разделяется на ветвь 2, возвращающую­ся в варочную часть, и ветвь 3, проходящую под преградой в сту- Дочную часть печи. Из возвратной ветви 2 поднимаются струйки 4, 5, включающиеся в прямой поток Б. От глубинной возвратной ветви потока Б за преградой в прямой поток вливается ветвь 6. Преграда как бы частично «-разрывает» выработочный конвекционный поток на два цикла (рис. 7.5, а).

На рис. 7.5, б видио, что в проточной печи существует один главный цикл потоков А, стекломасса же в цикле £ тормозится стен­кой и передает в общую циркуляцию лишь отдельные нисходящие струйки. Если производительность печи высокая и рабочий поток стекломассы сильно развит, он может полностью нейтрализовать кон­векционную циркуляцию; движение расплава становится прямоточ­ным (рис. 7.5, е).

Мощность и скорость потока стекломассы на данном участке печи тем больше, чем больше разница темпера­тур стекломассы в его горячем и холодном концах, а также чем больше глубина печи и меньше длина участ­ка. При снижений общего уровня температуры стекло­массы и повышении ее вязкости скорость и мощность по­токов уменьшаются.

Из этого следует, что характер и скорости движения стекломассы в каждой конкретной ванной печи зависят от уровня температуры печи, положения зон, где разви­вается самая высокая температура стекломассы по дли­не и ширине печи; размеров и производительности печи; способа загрузки шихты, от которого зависит толщина и длина шихтового слоя, охлаждающего стекломассу и влияющего на мощность сыпочного цикла потоков; ха­рактера разделения варочного и студочного бассейнов; степени равномерности нагрева стекломассы по поверх­ности и глубине, зависящей от способа отопления, ха­рактера факелов и лучепрозрачности стекломассы.

Отношение п количества стекломассы, переносимой конвекци­онными потоками б/, к вырабатываемому количеству Gu т. е. п= = G/Gі, характеризует мощность конвекционного обмена стекломас­сы и называется коэффициентом потоков (или числом Новаки). В современных больших ванных печах листового и полированного стекла п близко к 5, в печах низкой производительности, работаю­щих без преград, п составляет 7-8, в проточных печах - 2-4; при подавленной конвективной циркуляции

Скорость различных потоков стекломассы в ванных печах ориентировочно составляет (в м/ч):

Верхних продольных потоков сыпочного цикла. нижних продольных потоков сыпочного цикла. верхних продольных потоков выработочного цик­ла (средняя в варочной части печи)................................

В студочной части печи..................................................

В протоке.........................................................................

Под преградой (на промежуточной опоре) . . . нижних продольных потоков выработочного цикла

В студочной части печи................................

Поперечных потоков вблизи стен (опускание) . . поверхностных потоков в каналах вертикального вытягивания листового стекла

Потоки стекломассы оказывают решающее влияние на тепловую и технологическую подготовку расплавов в ванной печи. Стекломасса имеет низкую теплопровод­ность и низкую лучепрозрачность; поэтому без конвекци­онной циркуляции было бы невозможно передать теплоту в глубинные слои расплава. Кроме того, сыпочная кон­векция, направленная к загрузочной стенке печи, тормо­зит движение прямого выработочного потока и замедля­ет продвижение шихты по поверхности расплава в зоне варки, благодаря чему создаются более благоприятные условия для прогрева и провара шихты.

Однако положительный эффект конвекционных пото­ков можно в полной мере использовать лишь при усло­вии рациональной их организации. Следует помнить, что направление, мощность и скорость потоков зависят от распределения температуры в стекломассе, которое, как будет изложено далее, не во всех зонах совпадает с рас­пределением температуры кладки печи. Рациональная организация потоков требует прежде всего обеспечения максимальной активности потоков сыпочного цикла. Для этого нужно поддерживать высокую температуру стекломассы в квельпункте и более низкую вблизи за­грузочного кармана. Активный сыпочный цикл конвек­ции создается при электроподогреве стекломассы в квельпункте. Что же касается потоков выработочного цикла, то их скорость в отапливаемой части печей под­держивают на умеренном уровне, чтобы стекломасса успела стать химически и термически однородной. В этих целях температуру расплава во второй половине варочной части печи после квельпункта понижают пос­тепенно, а в начале зоны быстрого охлаждения устанав­ливают преграду, тормозящую выработочный поток.

Вместе с тем развитая циркуляция стекломассы соз­дает и большие трудности в работе ванных печей. Она сообщает печам большую инерцию: случайно «испорчен­ная» стекломасса удаляется из бассейна не сразу, но долго в нем обращается, постепенно разбавляясь. Выра- боточные потоки уносят теплоту из варочной части печи в студочную, поэтому в современных высокотемператур­ных ванных печах предусматривают большие студочные части или применяют искусственное охлаждение стекло­массы. Это ведет к увеличению бесполезных потерь те­плоты и к повышению стоимости кладки печей.

Любое изменение трасс движения и режима конвек­ционных потоков стекломассы может привести к нару­шению температуры, состава и качества стекломассы, поступающей на выработку, к изменению выработочных свойств стекла и появлению пороков. Для нормально протекающего производства необходимо, чтобы трассы, скорости и мощности потоков стекломассы не изменялись во времени, что возможно лишь при строжайшем поддер­жании постоянства всех параметров режима печи. Это основное правило эксплуатации ванных печей непрерыв­ного действия.

Теплообменные процессы. В рабочем режиме шихту и бой стекла загружают в ванные печи на подслой разо­гретого расплава. Загруженные холодные материалы начинают получать теплоту от излучения пламени и кладки печи (сверху) и от стекломассы (снизу). Вслед­ствие очень низкой теплопроводности шихты - 0,25 - 0,27 Вт /(м-К) ее слой быстро разогревается на самой поверхности, шихта спекается сверху и снизу, а затем спек покрывается пленкой первичного силикатного рас­плава, пронизанного растворяющимися зернами песка и выделяющимися пузырями газов.

Средняя часть слоя нагревается медленно и долго остается сыпучей. Из-за малой плотности (- 1000 кг/м3) шихта погружается в стекломассу на 30 - 60 мм, т. е. все процессы в ней идут вблизи поверхности стекломас­сы. Пенистый первичный расплав с растворяющимися зернами песка (варочная пена) постоянно стекает с ших­ты, открывая свежую поверхность, на которой вновь об­разуется пена: слой шихты как бы постепенно тает свер­ху и снизу. По мере провара шихта разделяется на ост­ровки, окруженные пеной. Зона варочного бассейна, в которой провариваются шихта и варочная пена, носит название зоны варки.

Варочная пена отличается тем, что в ней содержатся зерна нерастворившегося кварца. Дальше по длине печи, там, где кончается шихта, зерна кварца провариваются и в пене остаются газовые пузырьки. Это - пена осветле­ния, или рафинажная пена; зона, где она располагается, называется зоной осветления. Рафинажная пена, вначале высокая и плотная, к концу зоны осветления утоняется и исчезает: поверхность стекломассы становится зеркаль­ной. Поверхность стекломассы в отапливаемой части пе­чи условно показана на рис. 7.6.

На этом же рисунке приведены также параметры теплообмена, протекающего на различных участках по длине отапливаемой части печи. Сверху теплота переда­
ется шихте и стекломассе главным образом (на 75 - 85%) за счет излучения факелов пламени и раскален­ной кладки печи, а также посредством конвекции движу­щихся пламенных газов (на 15 - 25%). Снизу, от стек­ломассы, шихта получает теплоту за счет теплопровод­ности и собственного теплового излучения расплава. Ко­личество теплоты, воспринимаемое шихтой снизу при пламенном нагреве, в 2,5 - 3 раза меньше, чем сверху.

Теплофизические свойства (теплопроводность, тепло­емкость, способность поглощать тепловые излучения) шихты, пены и стекломассы значительно различаются, поэтому теплообмен в варочной части стекловаренных печей имеет сложный характер. Наибольшей тепловос - принимающей способностью обладает свежая холодная
шихта; тепловосприятие варочной и плотной рафинаж - ной пены наполовину меньше, чем холодной шихты. От­крытая чистая поверхность стекломассы способна вос­принять примерно 40 % теплоты, поглощаемой ших­той, так как нагретый расплав сам излучает теплоту (см. кривую 1). Излучение, поглощаемое шихтой, не переда­ется ею подслою стекломассы: шихта является непроз­рачным тепловым экраном. Пена - полупрозрачный эк­ран и пропускает около половины поглощаемого ею из­лучения, а чистая стекломасса прозрачна для излучений на глубину до 100- 150 мм.

Внутри расплава теплота передается благодаря то­му, что каждый нагретый слой стекломассы, в свою оче­редь, становится излучателем. Важную роль в процессе передачи теплоты в бассейне печи играют потоки стекло­массы: циркулирующая нагретая стекломасса передает свою теплоту омываемым ею холодным слоям расплава.

Эти свойства шихты, пены и чистой стекломассы объ­ясняют распределение температуры стекломассы по дли­не ванной печи (см. кривые <3, 4). Шихта не только отни­мает от стекломассы теплоту, необходимую для ее физи­ческого нагрева и протекания эндотермических реакций, но и экранирует стекломассу от проникновения тепло­ты, излучаемой сверху. Поэтому расплав имеет самую низкую температуру вблизи загрузочного кармана, куда поступает холодная шихта, а самую высокую - в конце зоны рафинажной пены, где он хорошо прогревается и отдает мало теплоты.

Позонные температуры верхнего строения печи (см. кривую 2) распределяются по длине печи иначе, чем тем­пературы стекломассы. Температура кладки печей явля­ется результатом баланса теплоты, устанавливающегося на том или ином участке печи. Она тем выше, чем боль-" ше теплоты поступает на этот участок и чем меньше тра­тится на технологический процесс и на покрытие потерь. Поэтому, несмотря на то что в зону варки шихты под­водится большое количество теплоты, температура клад­ки печи в этой зоне ниже, чем в зоне осветления: провар шихты отбирает много теплоты, а в зоне осветления этот отбор вдвое меньше и, кроме того, прогретая плотная пена сама излучает теплоту на верхние стены и свод пе­чи. Если в силу каких-либо причин слой пены становит­ся более плотным, температура кладки печи на этом уча­стке повышается, а температура расплава понижается вследствие более сильного экранирования. Из сказанно­го следует, что температура стекломассы и температура кладки печи в сильнейшей степени зависят от состояния поверхности стекломассы. Характер изменения темпера­туры стекломассы и температуры кладки печи совпада­ет лишь в районе чистого зеркала стекломассы. Однако следует иметь в виду, что в конце варочной части печи, где расход теплоты уменьшают, чтобы охладить стекло­массу, а также дальше, в неотапливаемой студочной ча­сти печи, температура стекломассы выше температуры кладки верхнего строения печи (см. кривые 2, 3 на рис. 7.6).

Благодаря сыпочному циклу конвекционных потоков границы расположения шихты и плотной пены (вароч­ной и рафинажной) удерживаются на определенном рас­стоянии от загрузочного кармана, что определяет длину зоны варки. Чем длиннее зона варки, тем меньше тепло­ты проникает в стекломассу и тем труднее расплав ос­ветляется и гомогенизируется. Поэтому чтобы обеспе­чить постоянное и высокое качество стекломассы, в зону варки следует подавать такое количество теплоты, чтобы шихта и плотная пена не заходили дальше определенных границ: так, в печах листового и строительного стекла длина зоны варки должна составлять не более 50 % дли­ны отапливаемой части печи.

Положение границ шихты и пены - важнейший кон­трольный показатель режима работы печи. Установлен­ные границы должны выдерживаться. Если они сдвинут­ся к загрузочному карману, часть поверхности стекло­массы откроется и расплав прогреется; это может привести к повышению температуры стекломассы в потоке выработки, к подъему глубинных слоев стекломассы и их вовлечению в рабочий поток; последнее обычно со­провождается появлением пузырьков и химической не­однородности, а иногда и нарушением процесса выработ­ки изделий. Когда зона варки удлиняется (вследствие замедленного провара шихты и более обильной пены), температура стекломассы понижается; холмик, разделя­ющий сыпочный и выработочный циклы потоков, стано­вится менее выраженным. В этом случае часть недоста­точно осветленной и гомогенизированной стекломассы может перетечь по поверхности в область выработочно­го цикла потоков и попасть на выработку.

Для стабилизации положения границ зоны варки не­обходимо, чтобы состав шихты, ее соотношение с боем стекла, режим их загрузки в печь, а также количество

Вырабатываемой стекломассы (съем) были строго посто­янными. Газовый режим печи не должен изменяться, а количество теплоты, вносимой в печь, должно соответст­вовать ее производительности. При снижении производи­тельности печи нужно уменьшать расход теплоты. В про­изводстве листового и полированного стекла обычно снимают 2800- 1850-103 Дж на каждый килограмм сни­жения производительности печи.

Загрузка шихты и боя. В настоящее время для загруз­ки шихты и стеклобоя в ванные печи используют исклю­чительно механические загрузчики; при установлении режимов их работы стремятся к тому, чтобы загружае­мые материалы не задерживались в загрузочном карма­не, но и не проталкивались далеко в печь. Загрузчики должны распределять шихту по поверхности стекломас­сы таким образом, чтобы обеспечить ей возможно боль­шую тепловоспринимающую поверхность и такую фор­му загружаемого слоя, при которой образующаяся ва­рочная пена может свободно стекать.

В этих целях шихту загружают максимально широ­ким фронтом в виде гряд высотой 120 - 200 мм. В по­следние годы увеличивают ширину загрузочных карма­нов до 70 % и более ширины бассейна печи; длина кар­мана зависит от типа загрузчика.

Ванные печи в производстве листового и строитель­ного стекла оснащают загрузчиками стольными ЗШ-С и роторными (рис. 7.7). Столы загрузчиков ЗШ-С закан­чиваются гребками, опущенными близко к стекломассе, и имеют возвратно-поступательное движение. При ходе назад (от печи) на столы поступают шихта и бой стекла из бункеров; при ходе вперед материалы высыпаются в загрузочный карман и проталкиваются в печь. По шири­не кармана устанавливают несколько столов параллель-" но друг другу с промежутками между ними не более 200 мм (рис. 7.7,а). При стольной загрузке шихта и бой поступают в печь продольными грядами.

Роторные загрузчики (рис. 7.7, б) предназначены для загрузки в печь почти непрерывно шихты, лежащей на подслое из боя. Для этого каждый загрузчик имеет два отдельных бункера и два ротора (один для боя, дру­гой для шихты) с вращающимися секторными питателя­ми под ними. По ширине кармана устанавливают два роторных загрузчика. Длину карманов увеличивают, так как для подачи боя под слой шихты нужна открытая по­верхность кармана длиной не менее 1200 мм.

Осуществляемая роторными загрузчиками загрузка шихты ши­роким фронтом на подслой из боя позволяет увеличить количество теплоты, воспринимаемой шихтой сверху, и обеспечивает точное не­прерывное пропорционирование шихты и боя.

Ритм работы механических загрузчиков управляется уровнемерами - специальными устройствами для изме­рения и поддержания постоянного уровня стекломассы в бассейне печи. Колебания уровня допустимы в очень ог­раниченных пределах, так как они вызывают изменение условий формования стекла и интенсивное разруше­ние огнеупоров; заданный уровень поддерживают с точ­ностью ±0,2 мм. Для этого по сигналу уровнемера изме­няют скорость хода столов стольных загрузчиков или скорость вращения роторных питателей при непрерыв­ной работе загрузчиков.

Уровнемеры бывают поплавковые, электроконтактные, оптиче­ские и др. В производстве листового стекла преимущественно исполь­зуют «клюющие» электроконтактные уровнемеры с водоохлаждаемым рычагом, несущим вертикальный платиновый электрод, непрерывно движущийся вверх и вниз. Сигнал от электрода возникает в момент контакта электрода со стекломассой, так как на электрод подается небольшой ток.

Тепловой режим печи. Тепловой режим характеризу­ется общим расходом топлива и воздуха, их распределе­нием по горелкам печи и уровнем температур кладки пе­чи и стекломассы по длине печи. Особое значение для технологического процесса имеет температура стекло­массы, но ввиду трудностей ее измерения руководству­ются температурой кладки печи. Исключение составляет температура стекломассы в студочной и выработочной частях, которая является важнейшим контрольным пара­метром и должна поддерживаться строго постоянной. Контролируют также температуру стекломассы в загру­зочном кармане (на 250 - 300 мм ниже уровня распла­ва) : в печах листового стекла она должна быть не ниже 1200 °С.

При настройке тепловых режимов задаются значени­ем максимальной температуры кладки печи, температу­рой стекломассы в студочной и выработочной частях и положением границ шихты и пены при заданной произ­водительности печи. Положение границ устанавливают, подбирая необходимый расход топлива в горелках зо­ны варки, где потребляется самое большое количество теплоты. В зону плотной пены (варочной и рафинажной) также подают большое количество теплоты для создания выраженного максимума температур стекломассы. Сум­марный расход топлива в горелках зон варки и осветле­
ния должен составлять 75 - 85 % общего его расхода на печь.

Максимальная температура кладки печи соответству­ет зоне плотной пены. В современных печах, отапливае­мых газом, поддерживают максимальную температуру в пределах 1560- 1580°С, а в печах, отапливаемых жид­ким топливом, - 1550+Ю °С.

Чем выше температура стекломассы в зоне варки, тем меньше топлива расходуют в последних одной-двух парах горелок. Если для поддержания заданной темпе­ратуры стекломассы в студке в этих горелках приходит­ся расходовать много топлива, значит в зону варки пода­ется недостаточно теплоты. При таком режиме в стекло­массе могут появиться газовые пузыри и может нарушиться ее температурная однородность. Повышенный расход топлива в последних парах горелок (для поддер­жания заданной температуры студки) требуется, если печь оборудована хальмовочными карманами или пре­градами по газовой среде и стекломассе. Однако это де­лают не за счет перераспределения расхода газа по го­релкам, а увеличивая общий расход газа на печь.

Воздух для горения топлива в современные ванные печи подают принудительно вентилятором в строго уста­новленном соотношении с общим расходом топлива. Об­щий и погорелочные расходы топлива и воздуха - важ­нейшие контрольные показатели режима печи. Пример­ный расход топлива по горелкам в % от общего расхода представлен на рис. 7.6.

Температура стекломассы и кладки печи по ее сторо­нам должна быть одинаковой; поэтому следует строго соблюдать одинаковый расход газа и воздуха в проти­воположных горелках печи.

Газовый режим. В ванных печах непрерывного дейст­вия поддерживают определенное давление и состав га­зовой среды. Печи необходимо хорошо герметизировать. На уровне стекломассы давление газов должно быть сла­бо положительным.

В отдельных горелках по длине печи устанавливают определенное соотношение расходов топлива и воздуха. Это соотношение характеризуют коэффициентом избыт­ка воздуха а, определяемым как отношение объемного содержания кислорода к горючим газам топлива.

Первая-вторая третья-чет - пятая и горелки зоны вертая горелки следующие варкн зоны варкн горелки

1,03-1,05 1,08-1,1 1,15-1,25

Принимаются на 10 % больше, чем для природного газа

При варке стекол высокой светопрозрачности во всех горелках зоны варки а должен быть 1,1 - 1,15.

Коэффициент избытка воздуха при горении оказывает большое влияние на температуру и светимость (излучательную способность) факела. Если бы топливо и воздух поступали в печь идеально пере­мешанными, самая высокая температура горения отвечала бы тео­ретическому расходу воздуха, т. е. а=1. Однако в практике смеши­вание топлива и воздуха не бывает идеальным, поэтому самые высокие температуры факелов горения природного газа соответст­вуют значению а, несколько больше теоретического.

Излучательная способность факела зависит главным образом от концентрации взвешенных в нем раскаленных микроскопических частиц сажистого углерода. Их количество тем больше, чем меньше а. Однако чтобы одновременно реализовать максимальную свети­мость факела и наивысшую его температуру, а должен составлять для природного газа 1,05-1,06, а для мазута- 1,06-1,07. При этих услониях от факелов можно получить наибольшее количество теплоты.

Поддержание постоянства режима. При производ­стве листового стекла (оконного и полированного) тем­пература стекломассы в рабочей части печи, измеренная с помощью термопары, не должна отклоняться более чем на ±1 °С; суточное изменение плотности стекла по методу свободного осаждения не должно превышать ±0,0005-0,0007 г/см3. Для этого следует поддерживать строго постоянными составы стекла и шихты, соотноше­ние шихты и боя в загрузке печи, производительность печи и все контрольные параметры режима, особенно положение границ зоны варки.

Необходимая при изменении производительности пе­чи коррекция расхода топлива уточняется для каждой отдельной печи. Допускаются колебания температуры кладки печи: ±10 °С в зоне варки и ±5 °С в зоне чисто­го зеркала стекломассы.

Производительность печи должна быть постоянной во времени и одинаковой по ее сторонам во избежа­ние перекоса в положении границ зоны варки. Чтобы
избежать эпизодических колебаний температуры печи, следует поддерживать постоянные условия теплоотдачи от кладки печи во внешнюю среду. Поэтому вокруг стек­ловаренных печей, регенераторов, выработочных уст­ройств и под дном печей не следует допускать проник­новения холодного или горячего воздуха.

Изменение соотношения в стекломассе двух - и трех­валентного железа, а также суммарного содержания (FeO+Fe2Os) влечет за собой изменение пропускания стекломассой тепловых лучей, а следовательно, и темпе­ратуры расплава. Для стабилизации этих параметров в шихту специально добавляют чистый оксид железа, а постоянство соотношения Fe0/Fe203 достигают тем, что выдерживается заданный режим печи. В современном производстве стекла постоянство режима печи поддер­живают автоматически. Однако автоматика не может устранить недостатки режима, поэтому ее следует ис­пользовать тогда, когда режим печи полностью отрабо­тан и настроен.

При варке стекла в ванных печах нужно наблюдать за состоянием шихты и пены, положением границ зоны варки, характером факелов пламени, а также за качест­вом провара и осветления стекломассы в пробах, отоб­ранных в конце варочной части печи с помощью пробни­ка-ложки.

При нормальной, активной варке шихта оплавляется тотчас по выходе из загрузочного кармана. По перифе­рии гряд или островков шихты выделяются крупные пу­зыри газообразных продуктов реакции. При проваре шихты, содержащей сульфат натрия и восстановитель, в зоне варки и за ее пределами не должно наблюдаться выделения щелоков или появления плотной варочной пены с включениями Si02 в виде кристобалита. В случае, если они появились, нужно проверить содержание вла­ги, песка, сульфата и восстановителя в шихте и скор­ректировать их в случае необходимости; если шихта не­качественная, ее прекращают подавать в печь. Необхо­димо также проверить и, если нужно, откорректировать тепловой и газовый режимы в зоне варки.

Рафинажная пена (сплошная или в виде рыхлых хлопьев) должна иметь четкую границу, после которой поверхность стекло­массы должна быть зеркальной. Если на чистой поверхности поян - ляется тонкая пленка пены, это означает, что в стекломассе про­должается образование пузырей, которые не могут выйти из рас­плава, потому что поверхность стекломассы имеет низкую температуру (возможно, вследствие подсосов воздуха). В этом слу­
чае необходимо подать больше теплоты в зону шихты и плотной пе­ны, чтобы улучшить осветление стекломассы, проверить, - поддержи­вается ли в печи положительное давление на уровне стекломассы и нет ли в печи подсосов воздуха или его задувания из рожков системы охлаждения огнеупоров. Все замеченные отклонения ог нормы следует устранять.

Необходимо следить за распределением шихты по ширине печи, не допускать скопления шихты и пены на одной стороне при открытой поверхности стекломассы на другой. При таком явлении возникает перекос в рас­положении границ шихты и пены, ведущий к различно­му прогреву стекломассы по ширине рабочего потока. Перекос вызывается чаще всего низкой температурой печи и стекломассы на стороне, где скапливается ших­та, но в ряде случаев перекос возникает из-за непра­вильной установки загрузчиков или когда они работают в разном режиме (на одну сторону печи подается ших­ты больше, чем на другую). Следует проверить и на­строить работу загрузчиков, а главное - наладить теп­ловой режим печи. Для выравнивания температуры по сторонам печи, выравнивают расходы топлива и воздуха в противостоящих горелках, а также разрежение и тем­пературу насадок регенераторов.

При наблюдении за факелами проверяют их длину и внешний вид. Струи газа из сопел, расположенных в щечках или в зубе горелки (при нижней подаче газа), должны встречаться в плоскости влета и образовывать сплошной факел. Последний должен покрывать всю ши­рину печи и в зоне варки стелиться как можно ближе к поверхности шихты и плотной варочной и рафинаж - ной пены. Пламя факелов не должно перелетать во вле­ты противоположных горелок, а также касаться чистого зеркала стекломассы. Оно должно быть светлым и рав­номерно светящимся: при недостатке воздуха факел длинный и темный, при избытке -прозрачный и корот­кий; при плохом смешивании топлива и воздуха на фа­келе видны темные полосы или пятна.

Условия оттяжки дымовых газов оказывают большое влияние на газовый и тепловой режимы ванных печей. При недостатке тяги в какой-либо горелке факел пламени на отходящей стороне клубит­ся, завихряется, поднимается к своду, теплоотдача от него умень­шается, снижается температура регенератора и каналов; факел мо­жет перекоситься и оттянуться в соседнюю горелку, вызывая «пере­кос» температуры насадок и температурную неоднородность стекломассы. Поэтому очень важно, кроме визуального наблюдения за факелами, постоянно следить за температурами в регенераторах и дымовых каналах.

Правильность пропорционирования топлива и возду­ха контролируют с помощью анализа дымовых газов по каждой горелке печи; в случае необходимости, расход воздуха в отдельных горелках корректируют. Качество смешивания зависит от конструкции горелок, методов подачи топлива в воздушную струю, скоростей газа и воздуха. При отоплении печей природным газом его скорость зависит от диаметра газового сопла, поэтому при увеличенном расходе газа для создания нужной скорости применяют сопла большего диаметра. При отоплении печи жидким топливом для получения хоро­шего факела необходимо хорошее распыление топлива. Поэтому необходимо строго соблюдать такие заданные параметры, как температура топлива, давление топлива и распылителя перед форсункой, а также следить за со­стоянием и чистотой сопел форсунок.

Методы контроля режимов печей и управления ре­жимами. Режим стекловаренных печей контролируют непрерывно (стационарно) и периодически. На основе стационарного контроля работают системы автоматичес­кого управления режимами печей.

Непрерывно измеряют:

А) уровень стекломассы уровнемером;

Б) расходы топлива и воздуха в целом на печь и по ее зонам при помощи измерительных диафрагм и объем­ных датчиков, а по отдельным горелкам, соплам и фор­сункам с помощью тех же средств и дозаторов (для жидкого топлива);

В) температуру стен печи радиационными пирометра­ми или сквозными термопарами; температуру свода в варочной части несквозными термопарами, в студочной части печи и в выработочных каналах сквозными термо­парами; температуру стекломассы по всей печи сквоз­ными термопарами, расположенными в стенах и в дне бассейна печи и каналов выработки; температуру реге­нераторов радиационными пирометрами, визированны­ми на верх насадок и термопарами в выходных боровах секций регенераторов; температуру в дымоходах термо­парами, находящимися за дымовоздушными клапанами, перед шиберами и в основании дымовой трубы;

Г) давление газовой среды в студочной части печи микротягонапорометром; разрежение за подстроечными шиберами, перед регулирующим шибером тягомером; давление топлива и воздуха подаваемых на всю печь и на отдельные горелки манометрами.

Все приборы стационарного контроля работают с ре­гистрацией показаний.

Периодически измеряют:

А) температуру топлива и воздуха термометрами ртутными и сопротивления;

Б) разрежение у основания дымовой трубы тягоме­ром;

В) состав дымовых газов в горизонтальных каналах всех горелок (1 раз в двое сут) с помощью переносного газоанализатора типа Орса с газозаборной трубкой-хо­лодильником. К периодическому контролю относится также систематическая по графику проверка работы стационарных приборов и состояния измерительных диа­фрагм. В сменный журнал цеха заносят результаты пе­риодического контроля, равно как и данные загрузки шихты и боя, результаты химических анализов шихты и стекла, сведения о положении границ шихты и пены и о качестве проб стекломассы.

Печи в производстве листового оконного и полиро­ванного стекла в настоящее время оснащают системами и средствами автоматического управления режимами. Информация о текущих параметрах режима печей, на­капливаемая и обрабатываемая ЭВМ, служит исходным сигналом для изменения расходов топлива и воздуха и разрежения дымовой трубы с таким расчетом, чтобы они соответствовали заданным. В настоящее время на стекловаренных печах работают автоматические систе­мы перевода направления пламени, загрузки шихты и боя, поддержания постоянных расходов топлива и соот­ношения топлива и воздуха, а также постоянного давле­ния газов в студочной части печи и режима бурления стекломассы (в случае его применения). Чтобы давле­ние газов в студочной части печи не изменялось, приме­няют искусственное вдувание воздуха по сигналу термо­пары, установленной в стекломассе в выработочной отделении печи. Постоянное соотношение топлива и воз­духа поддерживают путем регулирования объема по­ступающего воздуха, при этом вносят поправки на тем­пературу газа и воздуха, так как ее колебания вызыва­ют изменения их плотности, т. е. удельных объемов.

Наша фирма разрабатывает проекты электрических плавильных печей для варки стекла различных марок, базальта, фритт, ... Изготавливаем все нестандартное оборудование для них (электроды, холодильники, загрузчики шихты и боя). Производим пуск печей, наладку и вывод на рабочие режимы. Представляем Вам некоторые варинты электрических печей:

Печь электрическая производительностью 24 т/сутки для варки тарного стекла

В августе 2012 г. в г. Токмок (Кыргызская Республика) на предприятии «Чуй-Гласс» по проекту ЗАО НПЦ «Стекло-Газ» пущена в эксплуатацию электрическая печь производительностью 24 т/ сутки для стеклотары

Варочный бассейн печи квадратной формы обогревается 12-ю молибденовыми донными электродами, расположенными в углах.

Электрическая стекловаренная печь выполнена со съемным сводом. Загрузка шихты и боя осуществляется специальным загрузчиком по всей поверхности варочной части. Печь имеет два питателя стекломассы, для косвенного обогрева которых используются карбидкремниевые нагреватели.

Расчетная мощность электрообогрева 1000 кВА, фактическая мощность 850-900 кВА..

Удельный съем с 1 м2 варочной площади 2500 кг.

Пуск печи осуществлялся специалистами ЗАО НПЦ «Стекло-Газ». Как показали пуско-наладочные работы производительность печи может варьироваться от 15 до 30 т/сутки без изменения качества стекла.

Печь электрическая для варки эмали производительностью 1,0 т/сутки

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА:

Производительность - 1 т/сутки;

Габаритные размеры:

длина - 2,8 м

ширина - 1 м

высота - 2,1 м

Удельный съем расплава - 1000 кг/кв.м в сутки;

Расход электроэнергии - 160 кВт;

Тип электродов - молибденовые;

Верхний обогрев - силитовые нагреватели

Печь для варки сортового бесцветного стекла

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА:

Производительность печи - 1,5 т/сутки;

Удельный съем стекломассы - 2143 кг/кв.м в сутки;

Площадь варочного бассейна - 0,7 кв.м;

Глубина варочного бассейна - 1 м;

Площадь выработочного бассейна - 0,72 кв.м;

Глубина выработочного бассейна - 0,4 м;

Способ выработки - ручной;

Расход жидкого топлива на отопление выработочного бассейна - 15 кг/час;

Расход на отопление варочного бассейна на период выводки - 80 кг/час;

Электроэнергия - 1ф, 380 В, 50 Гц;

Мощность системы электроподогрева варочного бассейна - 100 кВт;

Удельный расход жидкого топлива на 1кг стекломассы - 0,24 кг/кг;

Удельный расход электроэнергии на 1кг стекломассы - 1,6 кВт/кг;

КПД печи (общий) - 16%;

КПД варочного бассейна - 43,6%

Печь электрическая для варки хрусталя производительностью 3 т/сутки

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА:

Производительность печи - 3 т/сутки;

Габаритные размеры:

Длина - 5 м

Ширина - 3,4 м

Высота - 4,2 м

Удельный съем стекломассы - 2220 кг/кв.м в сутки;

Энергопотребление - электроэнергия, 1ф, 380 В, 50 Гц;

Расход электроэнергии - 150 кВт;

Количество оксидно-оловянных электродов - 28;

Расход газа на отпление выработочного бассейна - 14,5 куб.м/час

Печь электрическая для варки боросиликатного стекла

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА:

Габаритные размеры:

Длина - 4,25 м

Ширина - 2,7 м

Высота - 3 м

Удельный съем стекломассы - 1500 кг/кв.м в сутки;

Энергопотребление - электроэнергия, 1ф, 380 В. 50 Гц;

Расход электроэнергии - 540 кВт;

Количество молибденовых электродов

пластины - 12

стержни - 6

Максимальная температура варки - 1600 град.С;

Температура выработки - 1400 град.С;

Расход охлаждающей воды - 7 куб.м/час;

Жесткость охлаждающей воды - до 2,5 мг-экв/л

Печь электрическая для варки хрусталя производительностью 6 т/сутки

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА:

Производительность печи - 6 т/сутки;

Габаритные размеры:

Длина - 6 м

Ширина - 4,2 м

Высота - 5,3 м

Удельный съем стекломассы - 2560 кг/кв.м в сутки;

Энергопотребление - электроэнергия, 1ф, 380 В, 50 Гц;

Расход электроэнергии - 326 кВт;

Количество оксидно-оловянных электродов - 44 шт.;

Расход газа на отопление выработочного бассейна - 54 куб.м/час

Печь электрическая для варки тарного стекла производительностью 25 т/сутки

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА:

Производительность печи - 25 т/сутки;

Габаритные размеры:

Длина - 9,3 м

Ширина - 4 м

Высота - 4,5 м

Удельный съем стекломассы - 2500 кг/кв.м в сутки;

Энергопотребление - электроэнергия, 1ф, 380 В, 50 Гц;

Расход электроэнергии - 1200 кВт;

Тип электродов - молибденовые

Стекловаренная печь периодического действия для ручной выработки стекломассы

Печь предназначена для варки боросиликатных, свинецсодержащих, цветных и бесцветных натрий-кальций-силикатных стекол. С целью получения однородной стекломассы в конструкции печи предусмотрены электроды. Кроме того, печь оснащена регулируемым сливом расплава, что позволяет менять состав стекол без замены или промывки горшка. При варке боросиликатного расплава слив используется в качестве дренажа для удаления вязких придонных слоев, снижающих качество вырабатываемых изделий.

Конструктивно печь состоит из бассейна, выполненного из бакорового огнеупора в форме многогранника, систем отопления, автоматизации и контроля, электрообогрева, воздухоподачи на горение топлива, регулируемого слива расплава.

Производительность печи - 500 - 1500 кг/сутки;

Габаритные размеры:

Диаметр - 2120 мм;

Высота - 2800 мм

Печь электрическая для варки базальта производительностью 70 кг/час

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА:

Производительность печи - 70 кг/час;

Габаритные размеры:

Длина - 2,75 м

Ширина - 1,3 м

Высота - 1,25 м

Удельный съем стекломассы - 2240 кг/кв.м в сутки;

Энергопотребление - электроэнергия, 1ф, 380 В, 50 Гц;

Расход элетроэнергии - 150 кВт;

Количество молибденовых электродов - 6 шт.;

Количество ланатермовых нагревателей - 30 шт.

Печь рекуперативная с дополнительным электроподогревом для плавки базальта производительностью 650 кг/час

Данная печь была спроектирована нами и пущена в Казани в 2007 году. Былb установлены четыре донных электрода в варочном бассейне для ускорения плавки базальта. Способ подвода топлива выбран верхний с использованием уникальных в своем роде плоскопламенных горелочных устройств ГПП-5. Загрузчики сырья в печь - вибрационные для точного поддержания уровня расплава в печи. Для подогрева до 300 град.С воздуха, идущего на горение используется воздухоподогреватель. Расплав из данной печи использовался для получения базальтовой изоляции в виде матов.

Габариты печи:

Длина вместе с фидером - 8 м;

Ширина - 3 м;

Высота печи - 2,5 м.

Удельный съем расплава - 1500 кг/кв.м в сутки;

Расход электроэнергии - 250 кВт.

Каждый из нас ежедневно имеет дело со стеклянными изделиями. Но мало кто интересовался тем, из чего они состоят. А процесс создания данного материала очень увлекателен и интересен. Область использования его очень велика.

Компоненты для варки стекла

Основным компонентом, из которого получают стекло, является кварцевый песок. И чтобы из данного непрозрачного сыпучего материала получился чистый монолит, его нагревают до очень большой температуры в печах непрерывной работы.

Варка стекла является самым сложным и ответственным процессом. На этом этапе песчинки начинают сплавляться между собой. В связи с тем, что остывание стеклянной массы происходит довольно быстро, то они не успевают возвратиться в свое изначальное состояние.

Помимо этого, в состав стекла еще входят следующие ингредиенты:

• вода;


• известняк;


• сода.

А для получения цветного изделия, в расплавленную стеклянную массу добавляют оксиды различных металлов.

Процессы варки стекла

Варка стекла состоит из следующих процессов:

1. Тщательное перемешивание всех ингредиентов, которые вымерены при помощи точных весов.


2. Отправление полученной массы в печь, где происходит их нагрев до температуры в 1600°С. Во время данного процесса, расплавляются самые тугоплавкие компоненты.


3. Формирование однородной массы (гомогенизация). Тут удаляются все пузырьки газа. Получается однородный расплав.


4. «Купание» стеклянной массы в расплавленном олове. Его температура достигает 1000°С. Благодаря тому, что олово имеет меньшую плотность, стекло не перемешивается с ним, оставаясь на поверхности. Оно так быстрее остывает и становится идеально гладким.


5. Варка стекла завершается охлаждением стекломассы. После «оловянной ванны» температура его снижается до 600°С, но для затвердевания это еще очень много. Поэтому стеклянное изделие охлаждают еще раз, помещая на вращающиеся ролики. Остается оно там до температуры в 250 градусов. Для того, чтобы стекло не треснуло, процесс его охлаждения должен происходить медленно.


6. Фиксация формы стеклянного изделия осуществляется при помощи быстрого охлаждения.

В связи с тем, что стекло имеет маленькую теплопроводность, возникают большие перепады температуры. Это приводит к напряжению внутри самого стеклянного изделия. В связи с этим, после формирования обязательным процессом идет отжиг. Данный процесс основывается на охлаждении полученного изделия по специальному режиму. Это быстро до момента затвердевания. Медленное, когда стекло начинает переходить из пластичного состояния в хрупкое. И затем опять быстрое охлаждение, до достижения уже нормальной температуры.

Отжиг можно осуществлять сразу после формирования изделия либо после повторного нагревания (до температуры размягчения стеклянной массы).

Толщина материала напрямую связана с количеством расходного вещества, которое попадает в ванную. Чем его меньше, тем тоньше получается стекло.

После обрезки полученного листа стекла до необходимых размеров, остатки помещаются обратно в печь. Таким образом, данный процесс является безотходным производством.

Печи для варки стекла

Для варки стекла используются печи с периодическим действием горшкового и ванного типа с не большой емкостью. Принцип их действия непрерывный. Периодическая печь для варки стекла имеет последовательные процессы. Они протекают один за другим через определенный промежуток времени. Печь для варки стекла с непрерывным принципом работы и основанная на ванном типе, включает в себя одновременные процессы, каждый из которых сопровождается определенным объемом работы.

Конфигурации и размеры ванн печей для варки стекла

В стеклянной промышленности очень часто применяются ванные печи для варки стекла различной конфигурации и размеров.

Все эти параметры напрямую связаны со следующими особенностями:

• составом стекла;


• способом его выработки;


• производительностью и многим другим.

В зависимости от вида передаваемого тепла, печи для варки стекла могут быть пламенными, с разным направлением самого пламени, электрическими и пламенно-электрическими. Последний тип основан на верхнем пламенном и глубоком электрическом прогреве стекла.

Принцип варки стекла в печах

Принцип варки в электрической печи основывается на самих особенностях стекломассы, которые проявляются при сильно высокой температуре, более 1100°С. В результате выделения тепла стекло может проводить ток.

Печи ванного типа с постоянной работой используют для варки и производства: листового, тарного, сортового, посудного и других типов стекла. В таких установках присутствует механическая загрузка и автоматическая проверка, с регулированием самого процесса.

Особенностью данных устройств является непрерывное движение стекломассы и самой шихты от загрузочного блока к выработочному. В таких печах варка стекла происходит в верхних слоях.

Бассейн печи может иметь произвольное построение, но обязательно должен быть обустроен стандартными зонами, такими как: загрузка, варка, осветление, охлаждение и выработка. Обладают такие конструкции и стандартными тепловыми режимами.

Температуры стекла в таких печах (в самом начале зоны осветления) составляет порядка 1450 – 1500 градусов. Благодаря специальному разграничению бассейна цельными либо же решетчатыми перегородками, существенно улучшается регулировка режима варки стекла. Такие заградительные конструкции способствуют преграждению пути плохо проваренной массы.

Для того, чтобы уровень стекла в бассейне был на постоянном уровне, загрузка выполняется в постоянном режиме. Это позволяет:

• обеспечить надлежащий уровень питания;


• предотвратить своевременный износ огнеупорной конструкции самого бассейна.

Для изготовления листового стекла используются регенеративные печи с постоянной работой и большой производительностью. Они способны вырабатывать до 250 тонн стекла за один день.

В электрических и пламенно-электрических печах варочный процесс основывается на нескольких этапах (аналогично пламенным установкам). Но в данном случае они осуществляются подряд друг за другом в вертикальном направлении. Благодаря мощным конвекционным потокам, процесс варки стекла проходит быстрее.

Стоит помнить, что КПД электрических установок в несколько раз (от 3 до 5) больше, по сравнению с пламенными печами. Тепловые потери тут меньше.

Печи для варки стекла на выставке

Крупнейшая выставка стеклянной промышленности, которая пройдёт в ЦВК «Экспоцентр» каждый год позволяет производителям данной сферы проявить себя. В павильонах демонстрируется продукция от разных стран мира.

Здесь можно заключить очень выгодные контракты сотрудничества с одной из сотни иностранных компаний-производителей стекла. А может даже и с несколькими.

Представленное оборудование отвечает всем международным нормам и стандартам. Оно способно усовершенствовать и ускорить производство. Это позволит сэкономить существенные материальные затраты и привести к росту качества продукции, что не останется не замеченным клиентами.

Термический процесс, в результате которого из шихты (смеси сырьевых материалов) образуется однородный расплав – стекломасса, называется стекловарением. Варка стекломассы осуществляется в стекловаренных печах при температуре 1350–1500°С. Различают пять стадий варки.

1. Силикатообразование – стадия твердофазных химических реакций. Компоненты шихты под воздействием Т = 900–950°С претерпевают физические и химические изменения, происходят реакции в твердой фазе с образованием двойных карбонатов и силикатов, появляется жидкая фаза за счет плавления эвтектических смесей. В результате образуется плотная спекшаяся масса.

2. Стеклообразование – стадия получения расплава – стекломассы без твердых включений. На этом этапе с повышением температуры до 1200–1250°С завершаются процессы силикатообразования, плавится спекшаяся масса, происходит постепенное растворение избыточного кремнезема (SiO 2) в расплаве силикатов. К концу этой стадии образуется неоднородный по химическому составу расплав, включающий много пузырей.

3. Осветление (дегазация) – стадия освобождения стекломассы от видимых газовых включений. На этом этапе с повышением температуры до Т max = 1400–1500°C снижается вязкость расплава (η = 100 пз), из расплава удаляются видимые мелкие и крупные пузыри газов. В результате получаем прозрачный расплав без газовых включений.

4. Гомогенизация – стадия приобретения стекломассой химической, физической и температурной однородности. Эта стадия протекает одновременно с осветлением при тех же температурах. В ходе процессов конвекции и диффузии происходит выравнивание химического состава расплава и его свойств. В результате получаем однородный расплав – стекломассу.

5. Студка – стадия охлаждения стекломассы. На данном этапе происходит подготовка стекломассы к формованию. Температура стекломассы снижается до 1000–1100°C, в результате чего повышается вязкость расплава (η = 104–108 пз).

В действительности разделение процесса варки стекломассы на пять этапов является условным. Первые четыре стадии накладываются друг на друга и идут практически одновременно, они отделены от пятой стадии (студки) по времени и пространству. Первая, вторая, третья и четвертая стадии происходят в варочной, а пятая – в выработочной зоне печи.

Таким образом, варка стекломассы является сложным физико-химическим процессом. Физические процессы включают нагревание шихты, испарение влаги, плавление компонентов шихты, растворение компонентов шихты в расплаве, полиморфные превращения, улетучивание компонентов; химические процессы – образование силикатов, диссоциацию карбонатов, сульфатов, нитратов, удаление химически связанной воды.

Остановимся подробно на каждой стадии варки.

Силикатообразование занимает 10% от времени варки стекломассы. Подъем температуры внутри слоя шихты происходит очень медленно, поэтому остается достаточно времени для протекания твердофазных реакций.

Основными сырьевыми материалами для натрий-кальций-силикатных стекол являются сода, доломит, известняк, кварцевый песок, которые взаимодействуют друг с другом в твердой фазе и образуют двойные карбонаты и силикаты по реакциям (3):

Na 2 CO 3 + MgCO 3 = Na2Mg(CO 3) 2 Т > 300°C

Na 2 CO 3 + CaCO 3 = Na 2 Ca(CO 3) 2 Т > 550°C

Na 2 Ca(CO 3) 2 + 2SiO 2 =

Na 2 SiO 3 + CaSiO 3 + CO 2 ­ Т = 600–800°C

Na 2 CO 3 + SiO 2 =Na 2 SiO 3 + 2CO 2 ­ Т > 700–850°C

2CaCO 3 + SiO 2 =Ca 2 SiO 3 + 2CO 2 ­ Т > 600°C

Происходит плавление эвтектики CaNa 2 (CO 3) 2 –Na 2 CO 3 при Т = 740–800°C и плавление соединений: CaNa 2 (CO 3) 2 при Т = 813°C и Na 2 CO 3 при Т = 850°C. Полученный расплав обволакивает зерна SiO 2 .

Идут процессы диссоциация карбонатов (4):

MgCO 3 = MgO + CO 2 ­ (P = 1 бар) Т = 540°C

CaCO 3 = CaO + CO 2 ­ (P = 1 бар) Т = 910°C

Na 2 Ca(CO 3) 2 = CaO + Na 2 O + 2CO 2 ­ (P = 1 бар) Т = 960°С

Выделившиеся газы СО 2 делают спек пористым. Идут модификационные превращения зерен кварца.

Превращение α кварц ® β кварц имеет принципиальное значение, так как при этом происходит уменьшение прочности зерен, в них возникают микротрещины, в результате чего повышается их реакционная способность.

Реакции в свинцово-поташной шихте несколько отличаются от содовой шихты. Основными сырьевыми материалами для хрусталя являются кварцевый песок, поташ и свинцовый сурик. Реакции силикатообразования осуществляются в следующем порядке (6):

K 2 CO 3 + SiO 2 = K 2 SiO 3 + CO 2 ­ Т = 300°C

2Pb 3 O 4 = 6PbO 2 + 2O 2 ­ Т = 445–597°C

PbO = SiO 2 = PbSiO 3 Т = 480–580°C

2K 2 CO 3 + 3SiO 2 = K 2 SiO 3 + K 2 Si 2 O 5 + 2CO 2 ­ Т = 600–800°C

плавление Pb 3 O 4 Т = 830°C

плавление PbO Т = 886°C

двойной силикат свинца PbO + SiO 2 = PbSi 2 O 5

Процессы силикатообразования изучают с использованием методов ДТА – дифференциальнотермического анализа, ДТG – термогравиметрии; с помощью газового анализатора устанавливают качественный и количественный состав образующихся газов; с помощью РФА – рентгенофазового анализа – качественный и количественный состав твердого спека.

К способам ускорения стадии силикатообразования относятся:

а) повышение содержания в шихте легкоплавких компонентов (щелочных и щелочноземельных оксидов, боратов);

б) введение в шихту 1% ускорителей варки (фторидов, хлоридов, солей аммония), снижающих температуру реакций силикатообразования на 80–100°C;

в) увлажнение шихты до 3–5%;

г) силикатообразование – эндотермический процесс, который идет с поглощением тепла и требует больших затрат теплоты. При повышении температуры на 100–150°C силикатообразование ускоряется в 2 раза.

Стеклообразование занимает 80% времени варки стекломассы. После завершения стадии силикатообразования в спеке в твердом виде присутствует примерно 30% избыточного количества зерен кварца. На стадии стеклообразования происходит растворение кварца в расплаве силикатов. Этот процесс очень медленный, идет в диффузионном режиме (с энергией активации Е а = 43,7 ккал/моль).

Процесс растворения твердого SiO 2 в расплавах сводится к двум этапам: разрушение кристаллической решетки твердого тела и переход частиц в расплав; диффузия перешедших в расплав частиц SiO 2 .

На скорость стеклообразования влияют следующие условия:

а) размер и форма кварцевых зерен: угловатые и мелкие зерна растворяются быстрее, чем округлые и крупные (оптимальный размер частиц r = 0,1–0,7 мм);

б) чем выше концентрация щелочных оксидов в расплаве, тем меньше время растворения SiO 2 ;

в) чем выше температура варки, тем быстрее идет растворение SiO 2: при увеличении температуры на каждые 10°С скорость стеклообразования увеличивается на 10%;

г) дополнительное введение поверхностно-активных веществ, снижающих поверхностное натяжение расплава, способствует увеличению скорости растворения (например, введение сульфидов в количествах 0,1–0,3% увеличивает скорость стеклообразования на 30%);

д) высокая вязкость затрудняет диффузию, для снижения вязкости стекломассы требуется повышение температуры. Оптимальной температурой является Т = 1550–1600°C, кроме того, при этом весь SiO 2 переходит в аморфную модификацию;

е) конвективные потоки стекломассы ускоряют процессы диффузии, поэтому механическое перемешивание с помощью пропеллерных керамических мешалок в зоне варки увеличивает скорость удаления продуктов растворения зерен SiO 2 из диффузионной зоны и уменьшает время растворения.

Осветление – освобождение стекломассы от видимых газовых включений. Источниками газов в стекломассе являются:

а) воздух, адсорбированный частицами шихты;

б) влажность шихты – 3–7% H 2 O;

в) возгонка лекголетучих компонентов шихты As 2 O 3 , NH 4 Cl, СаF 2 и др.;

г) разложение компонентов шихты: Н 3 ВО 3 = 3Н 2 О + В 2 О 3 ; Ме 2 СО 3 = Ме 2 О + СО 2 ; MeSO 4 = MeO + SO 3 ;

д) взаимодействие стекломассы с атмосферой печи, которая содержит 88% N 2 , 12% CO 2 , в результате чего угар шихты составляет 17–20%.

Освобождение стекломассы от газовых включений имеет большое практическое значение для борьбы с дефектами стекла – пузырями. Между газами, высвобождающимися при разложении компонентов шихты, газами печной атмосферы и стекломассой происходит взаимодействие, вследствие чего газы растворяются в стекломассе.

Следует различать физическое и химическое растворение газов. При физическом растворении газ переходит в расплав, не изменяя химической формы:

О 2 атм. ® О 2 расп.

В отсутствие поливалентных ионов кислород О 2 и инертные газы растворяются в основном физически. При химическом растворении газ переходит в расплав, изменяя химическую форму:

СО 2 атм. ® (СО 3) 2 расп.

Вода Н 2 О, азот N 2 , сернистые газы SO 2 , углекислый газ СО 2 , кислород О 2 (в присутствии поливалентных ионов) растворяются в основном химически. Отношение количества физически растворимых газов к химически растворимым 1/1000…10000.

Растворимость газов зависит от состава стекломассы. В боратных расплавах растворимость Н 2 О выше, чем в силикатных. Это объясняется большей устойчивостью группировок =В–ОН по сравнению с ≡Si–OH. С увеличением кислотности расплава растворимость SO 3 падает.

Растворимость газов зависит от температуры. С ростом температуры увеличивается растворимость всех газов за исключением сернистых. При повышении Т пузыри SO 3 сжимаются, поэтому сульфатное осветление проводят при более низкой температуре.

Растворенные газы влияют на свойства стеклообразующего расплава. Понижение вязкости стекломассы связано с разрушением мостиковых кислородов, понижением степени связанности каркаса и повышением подвижности частиц. Например, поверхностное натяжение стекломассы уменьшается, так как SO 4 2– , CO 3 2– , OH – вытесняются в поверхностный слой и играют роль поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Процессы выравнивания концентрации газа в расплаве или между расплавом и атмосферой печи определяются диффузией растворенного газа. Коэффициент диффузии всех газов увеличивается с ростом температуры.

Осветление стекломассы протекает следующим образом. Газовый пузырь образуется на дне бассейна и удерживается на твердой поверхности за счет сил поверхностного натяжения. На газовый пузырь в расплаве действует подъемная сила Архимеда и сила Стокса, которая препятствует движению пузыря вверх. В условии равновесия силы Архимеда и Стокса равны, можно рассчитать скорость подъема пузыря:

http://investobserver.info/wp-content/uploads/stroimat/image004.png" width="93" height="37">

где V – скорость подъема пузырьков; r – радиус газового пузырька; ρ c , ρ г – плотность стекломассы и газа; η – вязкость стекломассы.

Уравнение справедливо для пузырей с радиусом более 0,4 мм. Исследования кинетики газовыделения показывают, что при 175°C происходит удаление влаги и гидратной воды, при 525°C – удаление химически связанной воды, при 300°C – CO 2 из MgCO 3 , при 700°C – CO 2 из BaCO 3 , K 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , при 675°C – разложение нитратов и выделение O 2 , NO 2 , NO, при 1050°C – выделение O 2 из осветлителя: Sb 2 O 5 = Sb 2 O 3 + O 2 .

На скорость осветления стекломассы влияют:

а) механическое перемешивание (стекломассу перемешивают с помощью механических мешалок или ультразвука, что позволяет увеличить скорость осветления на 30–60%);

б) бурление стекломассы сжатым воздухом через дно печи, что особенно эффективно для удаления СО 2 ;

в) повышение температуры в зоне осветления на 10°С, приводящее к увеличению скорости осветления на 5%. При этом понижается вязкость расплава и повышается скорость подъема газовых пузырьков;

г) дополнительный электроподогрев стекломассы в зоне осветления, что позволяет ускорить процесс в 3 раза, так как подогрев индуцирует конвекцию;

д) дополнительное введение в шихту 1% осветлителей – веществ, которые при высокой температуре (более 1200°С) разлагаются и выделяют крупные пузыри газов. Благодаря различию парциальных давлений газов-осветлителей и попутных газов, а также диффузии газов из области с высоким парциальным давлением в область с низким парциальным давлением, маленькие пузырьки попутных газов исчезают, а пузырьки газов-осветлителей растут, захватывая другие газовые включения, и поднимаются на поверхность. Таким образом, осуществляется процесс дегазации стекломассы.

Гомогенизация – это процесс повышения однородности стекломассы. Причинами неоднородности стекломассы являются: неоднородность состава стекла (так как содержание отдельных оксидов различно: SiO 2 – 50–70%, Ме 2 О – 15%, МеО – 10%, то в стекломассе образуются различные по составу силикаты); неоднородность сырьевых материалов от партии к партии; различный гранулометрический состав сырьевых компонентов; неоднородность или расслоение шихты.

После стадии осветления неоднородная по химическому составу стекломасса имеет ячеистую структуру. Задача стадии гомогенизации – разрушение ячеистой структуры, усреднение химического состава, повышение ее однородности.

Конвективные потоки оказывают существенное влияние на скорость осветления. Под влиянием конвективных потоков стекломассы в печи, обусловленных градиентным распределением температуры, ячейки растягиваются в свили, тонкие нитевидные включения другого химического состава. Свили, обогащенные SiO 2 , имеют меньшее поверхностное натяжение по сравнению со стекломассой и поэтому легко растворяются в ней. Свили, обогащенные Al 2 O 3 , имеют большее поверхностное натяжение по сравнению со стекломассой и потому плохо растворяются. Наличие свилей свидетельствует о плохом качестве стекломассы.

Движущей силой конвекции является градиент температуры и плотности стекломассы. Движение стекломассы в печи смешанное, число Рейнольдса (Re) изменяется от 1–2 до 20–30. Скорость стекломассы в производственном потоке составляет 2–30 м/ч. Существуют также поперечные конвективные потоки (V = 1,5 м/ч). В результате возникновения продольных и поперечных конвективных потоков стекломасса совершает сложное винтообразное движение.

Также важную роль в процессах гомогенизации играет диффузия. Движущей силой диффузии является градиент химического потенциала (градиент концентрации компонента), направленный в сторону его уменьшения. Коэффициент диффузии (D) зависит от природы катиона: коэффициент диффузии у катионов модификаторов (Nа, Li, К) на порядок выше, чем у катионов стеклообразователей Si, В, Р, кроме того, с ростом радиуса катиона D уменьшается, а с ростом температуры – увеличивается.

На скорость гомогенизации влияют:

а) бурление стекломассы сжатым воздухом, что создает дополнительные конвективные потоки и увеличивает скорость гомогенизации в 2 раза;

б) механическое перемешивание, которое увеличивает скорость конвекции и диффузии и на 12–15% повышает скорость гомогенизации;

в) дополнительный электроподогрев, увеличивающий скорость конвекции и диффузии на 20%.

Степень однородности стекломассы влияет на выход годных изделий в соответствии с уравнением

у = ах 2 + вх + с,

где у – выход годных изделий; х – степень однородности; а, в, с – постоянные, зависящие от состава стекломассы.

Однородность стекломассы непосредственно определяет долговечность стеклоизделий и влияет на их механические, химические свойства и термостойкость. Определяют ее электрохимическим методом по падению потенциала на концах платиновых электродов. Для химически однородной стекломассы ЭДС < 3 мВ. Однородность стекла определяют по разбросу значений показателя преломления и плотности стекла, допускаются отклонения Δn и Δd соответственно 0,005 и 0,01 г/см 3 .

Студка – это подготовка стекломассы к формованию. В результате студки стекломасса должна обладать вязкостью: 4,8·10 8 дПа·с – для ручного формования изделий; 10 9 –10 8 дПа·с – для механического формования; 10 9 –10 8 дПа·с – для механического выдувания электролампового стекла.

Главное условие студки – постепенное непрерывное и медленное снижение температуры стекломассы без изменения состава и давления газовой атмосферы печи, чтобы не спровоцировать образование вторичных газовых включений – «мошки», а также без нарушения термической однородности стекломассы, которая может вызвать разнотолщинность листового стекла и колебания веса капель для штучных изделий.

К способам охлаждения стекломассы относятся:

а) преграды по газовому пространству в виде экрана, моста, сужения свода для ослабления подачи тепла излучением из варочной в выработочную зону печи;

б) преграды по стекломассе в виде керамических лодочек, пережима, протока, которые способствуют потерям тепла стекломассой.

Контроль качества стекломассы проводится на протяжении всего времени варки. За положением границы пены и зеркалом стекломассы следят телевизионные камеры. Стекловар каждый час берет пробы стекломассы из всех зон варки, контролирует цвет, наличие твердых и газовых включений. Контроль за постоянством уровня стекломассы осуществляется автоматически уровнемером, который заблокирован с загрузчиком шихты. Контроль за состоянием кладки печи осуществляется из смотровых окон в торцах стен печи. Контроль за постоянством химического состава стекла и его свойств осуществляется химическими методами в заводской лаборатории.

Варка стекломассы осуществляется в стекловаренных печах. По принципу действия они делятся на печи периодического и непрерывного действия. Горшковые печи – это печи периодического действия, в одном и том же объеме последовательно во времени протекают все пять стадий варки. Их используют для варки оптических, цветных стекол и хрусталя. Производительность горшковых печей 0,6–4 т/сут, КПД 6–8%.

Ванные печи – это печи непрерывного действия, в отдельных частях печи в одно и то же время протекают пять стадий варки. Производительность 4–400 т/сут, КПД 17–28%. Их используют для варки листового, тарного и сортового стекла. Они классифицируются:

а) по виду топлива – газовые, электрические и с жидким топливом;

б) по типу теплообменника – рекуперативные и регенеративные;

в) по конструкционным особенностям – с протоком, с пережимом;

г) газовые по направлению пламени – с поперечным, продольным и подковообразным;

д) электрические печи по принципу передачи тепла – прямого нагрева, косвенного нагрева и высокочастотные.

Контроль работы стекловаренной печи достигается соблюдением установленных теплового и технологического режимов работы печи, зависящих от типа печи, ее размеров, производительности, состава стекла и шихты, от вида топлива, автоматизации и механизации.

Тепловой режим зависит от расхода топлива, давления и состава природного газа. Давление и состав газов в печи определяются соотношением газа и воздуха, интенсивностью тяги (разрежением в дымовой трубе). Состав газов в печи может меняться в зависимости от условий сгорания.

Характер газовой атмосферы в печи определяется концентрацией СО и О 2: окислительная – О 2 > 2%, восстановительная – СО = 0,3–0,4%, нейтральная – СО = 0%.

В теплообменниках – регенераторах и рекуператорах – используется тепло отходящих дымовых газов для подогрева рабочих газов (природного газа и воздуха). В керамических рекуператорах (труба в трубе) температура газов достигает 1000°С. Преимуществом рекуператора являются низкая стоимость и постоянство температуры подогрева холодного воздуха (600–700°С). К недостаткам относится низкий КПД.

Регенератор обычно состоит из высокой камеры. Располагаются регенераторы попарно с обеих сторон ванной печи, камера регенератора заполнена огнеупорным материалом, решетка регенератора выкладывается с учетом наибольшей поверхности соприкосновения газов. Горячие дымовые газы, проходя по свободным каналам, нагревают кладку регенератора. Когда огнеупоры нагрелись до определенной температуры (1100°С), направление пламени автоматически переключается. В подогретую камеру подается холодный воздух, который нагревается до 300–500°С. Преимуществом регенератора является более полное использование тепла дымовых газов, более высокий КПД по сравнению с рекуператором.

Для строительства стекловаренных печей необходимы огнеупорные материалы. К ним предъявляются следующие требования:

а) высокая огнеупорность (жаростойкость). Огнеупоры должны быть устойчивы к температурам выше 1500°С;

б) высокая коррозийная устойчивость. Низкая растворимость огнеупоров в стекломассе. Существует правило: кислые огнеупоры – для кислых расплавов стекломассы, основные огнеупоры – для основных расплавов;

в) термостойкость – устойчивость огнеупоров к колебаниям температур. Огнеупоры с высокой пористостью обладают высокой термостойкостью, но незначительной прочностью;

г) достаточная механическая прочность;

д) низкая теплопроводность огнеупоров, которая играет важную роль для распределения температур и потерь тепла в печах;

е) электросопротивление огнеупоров должно быть выше, чем у расплава стекломассы, с тем чтобы при варке в электрических печах огнеупоры не плавились.

Исходя из перечисленных требований, для стекловаренной печи используют разные огнеупоры, отличающиеся по составу и свойствам.

По способу получения огнеупоры делятся на керамические, получаемые спеканием, и плавленные, формируемые литьем.

Керамические огнеупоры используют для кладки стен и свода печи. Это шамот (Al 2 O 3 30–43%, SiO 2 51–66%), динас (SiO 2 94–98%), муллит (Al 2 O 3 60–75%, SiO 2 21–40%). Преимущества керамических огнеупоров: высокая термостойкость, высокая пористость, высокая огнеупорность.

Плавленые огнеупоры используют для кладки стен и дна ванны бассейна. Это бакор 33 (Al 2 O 3 49–50%, ZrO 2 32–34%, SiO 2 12–13%), плавленый кварц (SiO 2 99%). Преимущества плавленых огнеупоров: низкая пористость, высокая механическая прочность, высокая коррозийная устойчивость, высокая огнеупорность. Недостатки: низкая термостойкость и радиационная опасность.

Важнейшими критериями для подбора огнеупоров являются долговечность, безопасность и надежность, коррозийная стойкость; цена огнеупоров принимается во внимание в последнюю очередь.