Общие сведения . В стекольной промышленности наиболее распространены непрерывно действующие ванные печи. Их применяют для варки и выработки листового, сортового, бутылочного, тарного и другого массового промышленного стекла. Эти печи более экономичны, производительны и легко поддаются механизации и автоматизации.
Рис. 20. Ванные печи: а - регенеративная печь с поперечным направлением пламени, б - то же с подковообразным, в - рекуперативная печь с продольным направлением пламени, г - то же с комбинированным, д, е - то же, с подковообразным.
В ванных печах (рис. 20, а-е) газы могут двигаться в поперечном, продольном, подковообразном и комбинированном направлениях по отношению к направлению движения стекломассы. Поперечное направление газов понимается как перпендикулярное потоку стекломассы, продольное - как параллельно или совпадающее с ним. В регенеративных печах применяют поперечное и подковообразное направление газов, в рекуперативных, кроме того, продольное и комбинированное.
В средних и крупных ванных печах обычно применяют поперечное направление газов, и горелки располагают на продольных сторонах печи. Такое расположение горелок позволяет регулировать распределение температур, давлений и состава газовой среды по длине печи.
В ванных печах непрерывного действия все стадии процесса варки протекают в определенной последовательности непрерывно и одновременно в различных частях бассейна печи. Зоны варки 1 (рис. 21), осветления 2, студки 3 и выработки 4 располагаются одна за другой на различных участках по длине бассейна печи. Так как обычно зоны варки, осветления и гомогенизации конструктивно не разделяются, то та часть печи, где протекают эти процессы, называется варочным бассейном. Это отапливаемая часть печи. Студочная часть печи либо не отапливается, либо имеет самостоятельную систему отопления. Зона выработки отделяется от остальной части бассейна глухой стеной с протоком или подвесным мостом, заглубленным и стекломассу.
Смесь шихты и боя, непрерывно загружаемая в одном конце печи, постепенно проходит к другому концу печи через зоны бассейна с различными температурными условиями и превращается в однородную стекломассу. В каждой зоне поддерживают определенный температурный режим.
Рис. 21. Расположение зон в ванной печи: 1 - варки, 2 - осветления, 3 - студки, 4 - выработки
Рис. 22. Бассейны ванных печей: а - регенеративной печи с лодками (или охлаждаемыми водой трубами), газовым пространством, разделенным сплошным экраном, и с поперечным направлением пламени, б - регенеративной печи с полностью разделенным газовым пространством и поперечным направлением пламени, в - регенеративной печи с газовым пространством, разделенным решетчатым экраном, и с поперечным направлением пламени, г - регенеративной печи с решетчатым экраном и подковообразным направлением пламени, д, е - рекуперативной печи с продольным направлением пламени, ж - рекуперативной печи с продольным направлением пламени и двойным сводом, з - рекуперативной печи с противоточным движением газов, и - трехзонной печи с поперечным направлением пламени, к - печи с выделенной варочной зоной (дуплекс - печь) и поперечным направлением пламени; 1 - загрузочный карман, 2- горелки, 3 - проток, 4 - лодка, 5 - зона осветления, 6 - варочная часть, 7 - решетчатый экран, 8 - рекуператор
Для выделения отдельных зон с различными температурными режимами газовое пространство рабочей камеры (рис. 22, а - к) разделяют перегородками различной конструкции из огнеупорных материалов. Лучше всего режим варки регулируется при разделении газового пространства рабочей камеры сплошными или решетчатыми экранами 7, шиберами или сниженными арками. Поддержанию температурного режима по длине бассейна способствуют и устанавливаемые в стекломассе разделительные приспособления - заградительные мосты, пороги, протоки 3. Устройство протоков и других разделительных приспособлений позволяет изменить характер движения потоков стекломассы и отбирать для выработки более охлажденную и проваренную стекломассу. Отбор стекломассы из варочной части печи через проток обеспечивает поступление на выработку хорошей по качеству стекломассы. Чем полнее варочная часть печи отделена от студочной, тем интенсивнее охлаждается стекломасса и тем меньшей может быть площадь зоны студки. Это уменьшает бесполезный расход тепла и позволяет увеличить производительность печей. Проточные ванные печи для производства штучных изделий характеризуются высоким удельным съемом стекломассы с 1 м 2 площади варочного бассейна (превышает 2700 кг/сут).
В зависимости от размеров ванны печи бывают малые, средние и крупные.
В стекловаренной печи при высокой температуре в шихте происходят различные процессы и разнообразные превращения. При сравнительно низких температурах (около 400˚ С) между мат-ми шихты нач-ся хим. реакции, ведущие к образованию силикатов. По мере дальнейшего нагревания шихта превращается в расплав различных солей. Образовавшиеся силикаты и остатки непрореагировавших компонентов спекаются в плотную массу. Это первая стадия варки стекла – силикатообразование (температурный режим – 800-900° С).
При последующем повышении темп-ры силикаты расплавляются и растворяются одни в других. Образуется пенистый и непрозрачный расплав, пронизанный частицами мат-лов шихты и пузырьками газов, выделяющихся во время реакций.
Постепенно твёрдые остатки шихты растворяются в расплаве, пена исчезает, образуется прозрачная стекломасса. Это вторая стадия стекловарения – стеклообразование (1150-1200° С).
Полученная стекломасса содержит в себе газообразные вкл-я различных размеров и неоднородна по хим. составу. Поэтому она ещё непригодна для выработки изделий.
Процесс удаления из стекломассы пузырей (дегазация) называется осветлением (1400-1500° С). Заключается в выделении газообразных включений из стекломассы при дальнейшем её нагреве за счёт снижения вязкости последней. Для ускорения процесса через стекломассу могут пропускать сжатый воздух или пары воды (барботирование), добавлять осветлители. Принцип ускорения процесса в том, чтобы насытить стекломассу крупными газообразными включениями. Такие пузыри сравнительно легко поднимаются к поверхности. При этом они захватывают по пути мелкие пузыри, которые самостоятельно поднимаются очень медленно или не поднимаются вовсе по причине довольно высокой вязкости стекломассы.
Процесс выравнивания хим. состава стекломассы называется гомогенизацией . Представляет собой длительную выдержку стекломассы при высоких температурах (около 1500° С). При этом в результате диффузии расплава стекломасса становится химически однородной.
Полученная однородная стекломасса охлаждается до вязкости, необходимой для формования из неё изделий (около 1200° С). Процесс называется студкой.
Таким образом, в процессе варки стекла можно условно выделить пять основных этапов: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизация и студка. На практике только первая и последняя стадии протекают в разное время и в разных местах ванной печи. Вторая, третья четвёртая стадии начинаются практически одновременно. Для варки стекла используют горшковые и ванные печи. Последние могут быть периодического и непрерывного принципа действия.
6. Окраска стекла, обесцвечивание стекла, прозрачность стекла
Окраску стекла осуществляют введением в него оксидов некоторых металлов или образованием коллоидных частиц определенных элементов. Так, золото и медь при коллоидном распределении окрашивают стекло в красный цвет. Такие стекла называют золотым и медным рубином соотв-но. Серебро в коллоидном состоянии окрашивает стекло в желтый цвет. Хорошим красителем является селен. В коллоидном состоянии он окрашивает стекло в розовый цвет, а в виде соединения CdS·3CdSe – в красный. Такое стекло называют селеновым рубином. При окраске оксидами металлов цвет стекла зависит от его состава и от количества оксида-красителя. Например, оксид кобальта (II) в малых количествах дает голубое стекло, а в больших – фиолетово-синее с красноватым оттенком. Оксид меди (II) в натрий-кальциевом стекле дает голубой цвет, а в калиево-цинковом – зеленый. Оксид марганца (П) в натрий-кальциевом стекле дает красно-фиолетовую окраску, а в калиево-цинковом – сине-фиолетовую. Оксид свинца (II) усиливает цвет стекла и придает цвету яркие оттенки. Бутылочное стекло низкого сорта, как правило, имеет окраску, которая зависит от присутствия в нем ионов Fe 2+ и Fe 3+ . Стекольное сырье трудно очищается от железа и поэтому в дешевых сортах оно всегда присутствует. Поскольку в стекле одновременно содержатся как ионы Fe 2+ , так и ионы Fe 3+ , они и придают стеклу зеленоватую окраску (бутылочный цвет).Существуют хим. и физ-е способы обесцвечивания стекла. В химическом способе стремятся все содержащееся железо перевести в Fe 3+ . Для этого в шихту вводят окислители – нитраты щелочных металлов, диоксид церия СеO 2 , а также оксид мышьяка (III) As 2 O 3 и оксид сурьмы (III) Sb 2 O 3 . Хим. обесцвеченное стекло лишь слегка окрашено (за счет ионов Fe 3+) в желтовато-зеленоватый цвет, но обладает хорошим светопропусканием. При физ. обесцвечивании в состав стекла вводят «красители», т.е. ионы, которые окрашивают его в дополнительные тона к окраске, создаваемой ионами железа, – это оксиды никеля, кобальта, редкоземельных элементов, а также селен. Диоксид марганца MnO 2 обладает св-ми как хим., так и физ-го обесцвечивания. В результате двойного поглощения света стекло становится бесцветным, но его светопропускание понижается. Таким образом, следует различать светопрозрачные и обесцвеченные стекла, поскольку эти понятия различны.Следует также отметить, что окрашенное стекло иногда предохраняет содержимое бутылок от нежелательного фотохим-го воздействия. Поэтому окраску бутылочного стекла иногда специально усиливают.Одним из важнейших св-в стекла является прозрачность . Однако в ряде случаев стеклу специально придают непрозрачность путем его «глушения». В-ва, способствующие помутнению стекла, называют глушителями. Глушение происходит вследствие распределения по всей массе стекла мельчайших кристаллических частиц. Они представляют нерастворившиеся частицы глушителя или частицы, выделившиеся из жидкой массы при охлаждении стекла. В настоящее время для этой цели применяют криолит Na 3 , плавиковый шпат CaF 2 и другие фторидные соединения. Сильно заглушенное стекло (белого цвета) называют молочным. Для его изготовления чаще всего используют криолит. Молочное стекло используют главным образом для изготовления осветительной арматуры.
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.
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.
Процесс перехода порошкообразной шихты при нагревании в стекломассу сопровождается сложными физико- химическими превращениями и проходит в несколько стадий. Важнейшие из них; силикатообразование, стек- лообразование, дегазация (осветление), гомогенизация и студка стекломассы. На первой стадии - силикатооб- разования - при нагреве шихты до 800-900 °С происходит испарение влаги шихты, диссоциация углекислых и сернокислых солей кальция, магния и натрия с выделением газообразных продуктов (С02, S02 и Н20), взаимодействие между компонентами шихты с образованием силикатов, при этом появляется жидкая фаза за счет плавления соды и эвтектических смесей, и шихта превращается в спекшуюся массу.
На второй стадии - стеклообразования - при повышении температуры до 1150-1200 °С завершаются реакции силикатообразования, образуется неоднородная по составу, пронизанная большим количеством газовых пузырьков стекломасса, а не прореагировавшие зерна кварца, количество которых достигает 25 %, и другие компоненты растворяются в силикатном расплаве. Процесс стеклообразования протекает в 8-9 раз медленнее, чем силикатообразование.
На третьей стадии - дегазации - при повышении температуры до 1400-1500°С за счет снижения вязкости стекломассы до 10 Па-с происходит ее дегазация и осветление, при этом устанавливается равновесие между растворенными газами и стекломассой, а мельчайшие газовые пузырьки перестают быть видимыми. Эта стадия наиболее продолжительна по времени, так как газы из стекломассы удаляются медленно.
На четвертой стадии - гомогенизации - происходит усреднение состава стекломассы за счет интенсивного перемешивания поднимающимися к поверхности пузырьками воздуха, что необходимо для выработки стек- лоизделий. Процесс гомогенизации происходит параллельно с дегазацией, но по времени несколько дольше.
На последнем этапе варки стекла - студке стекломассы - происходит равномерное снижение ее температуры на 200-300 °С. Этот этап является подготовительной операцией к выработке стекломассы. При выработке стекла вязкость стекломассы должна быть не менее 100 Па-с, что соответствует температуре 1150-1200 °С.
Для варки стекла применяют печи периодического действия (горшковые и ванные малой емкости) и непрерывного действия (ванные печи с большой производительностью). В печах периодического действия все стадии стекловарения протекают в одном и том же рабочем объеме последовательно одна за другой (в различное время), а в ванных печах непрерывного действия все процессы стекловарения происходят одновременно, причем каждому из них соответствует определенная часть рабочего объема печи.
В стекольной промышленности широко применяют ванные печи различных конструкций и размеров (6.3), зависящих от состава стекла, способа выработки, производительности и др. По способу передачи теплоты стекломассе различают ванные печи пламенные с различным направлением пламени, электрические и пламен- но-электрические, в которых сочетается верхний пламенный нагрев с глубинным электропрогревом стекломассы. Применение электропечей для варки стекла основано на свойстве стекломассы при высоких температурах (свыше 1000-1100 °С) проводить электрический ток с выделением тепла.
Ванные печи непрерывного действия применяют для варки и выработки листового, сортового, тарного, посудного и другого стекла. Они оборудованы механическими загрузчиками и системами автоматического контроля и регулирования. Особенностями варки стекла в ванных печах непрерывного действия являются постоянное перемещение шихты и стекломассы от загрузочной части к выработочной, а также варка стекломассы в поверхностных слоях.
Бассейны ванных печей могут быть разнообразными по конструкции, но в любом бассейне имеются зоны загрузки, варки стекла, осветления, студки и выработки, в которых поддерживается определенный температурный режим (6.4). Максимальную температуру (1450- 1500°С) стекломасса имеет в начале зоны осветления, расположенной в средней части варочного бассейна. Регулирование режима варки стекла облегчается при разделении бассейна печи сплошными или решетчатыми перегородками (экранами), заградительными лодками и др., преграждающими путь непроваренной стекломассе.
Для поддержания постоянного уровня стекломассы в бассейне в целях обеспечения надлежащего режима питания выработочных машин и предотвращения преждевременного разрушения огнеупорного материала бассейна загрузка шихты в ванную печь осуществляется непрерывным способом. После варки и осветления стекломасса поступает в студочную часть и далее в выработоч- ные каналы, ведущие к подмашинным камерам. Передвижение стекломассы в бассейнах происходит в связи с непрерывной выработкой стекла, различными плотностями проваренной и непроваренной стекломассы, разницей температуры по длине и ширине бассейна, приводящей к возникновению конвекционных потоков.
Для варки листовых стекол применяют, как правило, регенеративные печи непрерывного действия большой производительности (до 250 т стекломассы в сутки) с поперечным направлением пламени, с разделением между варочной и выработочной частями заградительными лодками. В электрических и пламенно-электрических печах варка стекла осуществляется также в несколько стадий (как в пламенных печах), но все процессы протекают последовательно в вертикальном направлении, и в результате сильных конвекционных потоков процесс варки протекает более интенсивно. Коэффициент полезного действия электрических печей в 3-5 раз выше, чем пламенных, вследствие лучшего использования тепла и уменьшения тепловых потерь, удельный съем стекломассы высок - 1200-3000 кг/м2 сут.