Варка стекол в ванных печах. Стекловаренные печи классификация Стекловаренные печи: назначение, общая классификация, показатели эффективности работы

При варке стекла в ванных печах непрерывного действия все процессы превращения шихты в осветленную и гомогенизированную стекломассу протекают на поверхности расплава стекла, заполняющего бассейн печи. Конструкции и размеры современных ванных печей непрерывного действия весьма разнообразны и определяются составом и свойствами вырабатываемой стекломассы, способом формования изделий, масштабом производства.

Конструктивно ванную печь делят на отапливаемую (зоны варки и осветления) и не отапливаемую (зону студки и выработки) части. В отапливаемой части происходит провар шихты, осветление, гомогенизация и начальное охлаждение стекломассы.

В неотапливаемой части охлаждение стекломассы завершается, и к ней примыкают устройства для её выработки. По производительности ванные печи делят на малые (2-15т\сут), средние (до 100 т\сут) и крупные (100- 450 т\сут.). Малые стекловаренные печи имеют площадь отапливаемой части 10 – 50 м 2 , они применяются для механизированного производства крупных стеклоизделий, стеклянной тары. Крупные печи с площадью отапливаемой части от 90 до 300 м 2 предназначены для производства листового стекла.

Рис.7. Схема зон в ванной печи листового стекла с машинным каналом: отапливаемая часть – зоны варки (1 ) и осветления (2 ) и неотапливаемая часть – зоны студки (3 ) и выработки (4 )

Загрузка шихты и боя в печь осуществляется механическими загрузчиками стольного или роторного типа на поверхность расплавленной стекломассы через загрузочный карман. Шихта и бой образуют на поверхности стекломассы слегка погруженный в неё слой толщиной около 150-200 мм. Шихта нагревается снизу расплавом стекла и сверху за счёт излучения пламени. Поверхность шихты спекается, затем на ней образуется слой вспененного расплава, который стекает, обнажая свежую поверхность шихты. Процесс спекания, плавления и удаления расплава с поверхности шихты идёт до тех пор, пока последний слой шихты не превратиться в расплав, покрытой варочной пеной. Провариваясь, слой шихты распадается на изолированные участки, окружённые пеной, которые затем полностью растворяются, и остается одня пена. Часть ванной печи, покрытая слоем шихты, образует границу шихты; примыкающая к ней часть, покрытая пеной – границу пены. Эти две части вместе называют зоной варки, которая расположена между засыпочным концом ванной печи и квельпунктом (максимум на кривой изменения температур по длине печи). Следующая за квельпунктом часть печи называется зоной осветления; для этой зоны характерно выделение пузырьков газа, вследствие чего поверхность стекломассы бывает покрыта скоплениями пузырьков и кажется «рябой». К зоне осветления примыкает зона студки, поверхность которой должна быть зеркальной, так как выделение газов должно закончиться. Студка продолжается и в зоне выработки, где стекломасса остывает, приобретая вязкость, необходимую для выработки.

Для обеспечения стабильности работы печи следует добиваться устойчивости длины каждой из зон. Изменение границ зоны варки вызывает нарушение режима обогрева глубинных слоёв, что может привести к вовлечению в выработочной поток дефектной по термической и химической однородности стекломассы. Устойчивость протяжности зон по длине печи достигается за счёт четкого поддержания температурного максимума по стекломассе на границе зоны варки и зоны осветления; постоянство состава шихты и соотношения шихты и боя; стабилизации удельных съёмов стекломассы; стабильных теплового и газового режимов.

Стекломасса в ванной печи находятся в непрерывном движении, главной причиной которого является разность уровней, возникающая в условиях отбора стекломассы на выработочной конце печи. По этой причине в ванной печи постоянно существует выработочной поток, который питается за счёт свежих порций шихты, превращаемых в стекломассу. Кроме этого главного рабочего потока, вся стекломасса вовлекается в конвекционное движение из-за разности температур расплава по зонам бассейна печи. Особую роль в организации конвекционных потоков играет квельпункт, создавая термическую преграду на пути рабочего и тепловых потоков стекломассы. Тепловой барьер по линии температурного максимума образует в ванной печи границу раздела потоков стекломассы. От этой границы наиболее горячая стекломасса стекает к обоим концам печи, охлаждается, опускается вниз, и движется в придонной области обратно, создавая круговые потоки. Температурный градиент возникает также и в поперечном направлении, так как всегда существует разница температур у стен бассейна и в продольной осевой части печи. Поэтому кроме продольных тепловых потоков имеются и поперечные круговые потоки.

Продольные тепловые потоки имеют сыпочный и выработочный цикл. Сыпочный цикл образуется потоком охлаждающейся стекломассы у засыпочного конца печи, которая опускается вниз, течет в придонной области до линии квельпункта, где поднимается вверх и возвращается обратно к концу загрузки шихты.

Рис.8. Траектория движения продольных конвекционных потоков стекломассы в ванной печи листового стекла: А – сыпочный цикл; Б – выработочный цикл

Выработочный цикл образуется рабочим потоком стекломассы, который частично используется на формование, а часть, охлаждаясь, опускается в придонные слои и возвращается обратно, замыкая круг в области квельпункта. Мощность потоков зависит от разности температур на отдельных участках ванной печи, от количества вырабатываемой стекломассы, глубины бассейна и других причин. Скорости потоков зависят от конструкции печи и от места их циркуляции и составляют для выработочного цикла 8-15 м\ ч, для сыпачного цикла 5-7 м. ч и для поперечного (у стен) – порядка 1м\ч.

Правильно организованные потоки стекломассы способствуют более полному протеканию всех стадий стекловарения. Сыпочные потоки улучшают условия для провара, осветления и гомогенезации стекломассы. Потоки выработочного цикла способствуют поступлению температурно-однородной стекломассы на выработку. Вместе с тем потоки могут отрицательно влиять на качество стекломассы при изменении их направления и скорости, поэтому главное условие нормальной работы ванной печи – строгое саблюдение постоянства теплового режима, при этом потоки стекломассы сохраняют стабильность, их интенсивность и трассы остаются неизменными.

Для каждой печи в зависимости от её конструкции и вида стекла устанавливается определённый технологический режим варки стекла, который включает: тепловой режим по длине печи и температурный режим по длине печи вплоть до зоны формования.

Существующие способы интенсификации процесса стекловарения можно разделить на две группы: физико-химические и теплотехнические. К физико-химическим способам относятся: тонкое измельчение компонентов шихты, гранулирование шихты, применение ускорителей варки и осветителей, механическое перемешивание и бурление стекломассы. К теплотехническим способам относятся: повышение температуры в зоне варки, применение электроподогрева.

По источнику тепловой энергии различают пламенные, электрические и пламенно-электрические стекловаренные печи.

В пламенных печах обогрев осуществляется путём сжигания природного газа в пламенном пространстве печи. Максимальная температура газового пространства достигает 1650 0 С. Удельный расход теплоты составляет 10-14 МДж/кг стекломассы. Удельный съем стекломассы с площади варочного бассейна в зависимости от вида стекла достигает 900 – 3000 кг/(м 2 сут). Тепловой КПД пламенных печей 16- 25 %.

Обогрев электрических печей основан на свойствах расплавленной стекломассы проводить электрический ток, при температурах выше 1000 0 С и выделять теплоту по закону Джоуля-Ленца. Электрические печи для варки стекла по сравнению с пламенными имеют следующие преимущества: отсутствие потерь тепла с уходящими газами, уменьшение потерь из шихты и стекломассы летучих соединений, создание необходимой газовой среды над зеркалом стекломассы. Температура стекломассы достигает высоких значений (до 1600 0 С) по сравнению с пламенными печами(1450-1480 0 С). Производительность наиболее распространённых электрических печей находится в пределах 0,4-4,0 т/сут. Крупные наиболее современные печи имеют производительность 150 – 200 т/сут. Максимальные удельные съемы выше, чем в пламенных печах и составляют от 6000 до 10000 кг/(м 2 сут). Расход электроэнергии составляет 1-2 кВт/кг стекломассы. Тепловой КПД электрических печей 60 – 70 %. К недостаткам электрических печей следует отнести высокую стоимость электроэнергии и электродов. КПД пламенных печей может быть повышено до 45-50% при использовании дополнительного электроподогрева (ДЭП). Роль ДЭП – усиление теплового барьера печи (линия квельпункта) и подача теплоты к шихте снизу, что ускоряет процесс провара. Преимущества ДЭП: уменьшение температуры в подсводовом пространстве и увеличение кампании печи; стабилизация теплового режима и улучшение качества стекломассы. Введение ДЭП позволяет доводить удельные съемы до 3000-4000 кг/(м 2 сут) и повышает производительность печи на 10-60%.

К атегория:

Шлифование и полирование стекла

Варка стекла и стекловаренные печи

Стадии варки. Варка стекла - это протекающий при высоких температурах процесс превращения сыпучей шихты в расплав стекломассы, который при охлаждении становится готовым стеклом; процесс протекает в стекловаренных печах. Условно процесс варки разделяют на пять стадий: силикатообразова-ние, стеклообразование, осветление, усреднение или гомогенизация состава, охлаждение.

Силикатообразование - начальная стадия варки, во время которой в результате физических и химических процессов, в твердом состоянии образуются сложные силикатные соединения. Протекает эта стадия при температурах 800…1000 °С.

Сырьевые материалы (компоненты шихты) при прохождении этой стадии претерпевают ряд превращений: влага испаряется; гидраты, соли, низшие оксиды разлагаются и теряют летучие соединения; кремнезем меняет свое кристаллическое строение. Кроме того, на этой стадии выделяется большое количество углекислого газа С02. Этот газ в виде пузырей поднимается на поверхность вязкого расплава, где пузыри лопаются, поэтому поверхность такого расплава выглядит как бы кипящей (отсюда и происхождение термина - варка стекла). На этой стадии образуется неоднородная частично остеклованная масса, пронизанная большим числом пузырей и содержащая множество непроваренных зерен песка.

Стеклообразование - вторая стадия варки, во время которой происходит физический процесс растворения зерен избыточного песка в расплаве силикатов и стеклобоя. На этой стадии заканчиваются все химические реакции. В результате взаимодействия между гидратами, карбонатами, сульфатами окончательно формируются сложные силикаты; зерна кварца полностью растворяются и переходят в расплав. Температура 500…1400 °С на этой стадии недостаточна для плавления кварцевого песка, поэтому он не плавится, а растворяется; стекломасса становится относительно однородной и прозрачной без непроваренных частиц шихты.

В результате подъема температуры увеличивается подвижность атомов и молекул, составляющих стекломассу, что ведет к ускорению взаимного растворения кремнезема и силикатов. Благодаря этому выравнивается концентрация растворов силикатов на различных участках. Все эти превращения сопровождаются выделением большого количества газообразных продуктов. Вязкость расплава еще достаточно высока, поэтому газообразные продукты не успевают улетучиваться, и стекломасса бывает насыщена большим количеством пузырей.

В результате на второй стадии образуется неоднородная стекловидная масса, пронизанная большим количеством мелких газовых пузырьков, но уже не содержащая включений непроваренных зерен песка.

Осветление - третья стадия варки стекла. Она характеризуется тем, что происходит удаление газовых включений в виде видимых пузырей и в результате между стекломассой (жидкой фазой) и газами, растворенными в ней (газовая фаза), устанавливается равновесие. Из всех стадий процесса варки осветление и следующая за ней стадия усреднение (гомогенизация) - наиболее ответственные и сложные. Качество стекломассы зависит от того, насколько полно и интенсивно проходят эти стадии.

В расплаве стекломассы находятся газы, образовавшиеся в результате разложения и взаимодействия компонентов шихты; газы, механически внесенные вместе с шихтой; летучие вещества, специально введенные в шихту; газы, попадающие в расплав из атмосферы. Наибольшее количество газов заносится в стек- ‘ ломассу с сырьевыми материалами. При осветлении удаляются только видимые пузыри. Часть газов остается в стекломассе, растворяясь в ней. Они невидимы глазом, а поэтому не искажают оптических характеристик стекла. Чтобы эти невидимые газообразные включения не могли перейти в видимые пузыри и тем самым испортить стекло, в процессе осветления устанавливают равновесие между газами, растворенными в стекломассе и заключенными в пузырях, создавая в печи определенные условия.

Осветление происходит следующим образом: крупные пузы-ри поднимаются к поверхности и лопаются. По законам физики внутри крупных пузырей давление ниже, чем внутри более мелких. Поднимаясь более легко к поверхности, крупные пузыри по пути всасывают содержимое более мелких пузырей, в результате стекломасса осветляется. Совсем мелкие пузырьки растворяются в расплаве.

Углекислота, парциальное давление которой невысоко, стремясь выровнять свое давление, переходит в образовавшиеся от разложения осветлителя пузырьки. Они укрупняются, подъемная сила их увеличивается, вследствие чего они поднимаются к поверхности и лопаются. Газ, содержащийся в них, переходит в атмосферу печи. В свою очередь, газы, образующиеся при разложении осветлителя, переходят в мелкие пузырьки углекислого газа, укрупняют их, чем способствуют их подъему и тем самым осветлению стекломассы.

Усреднение (гомогенизация) состава - четвертая стадия процесса стекловарения - характеризуется тем, что к ее концу стекломасса освобождается от пузырей, свилей и становится однородной. Несмотря на то, что в печь поступает однородная, хорошо перемешанная шихта, физические и химические процессы протекают в шихте между ее компонентами неоднородно, поэтому и состав стекломассы в различных участках печи оказывается неоднородным. При повышенных температурах составляющие части стекломассы находятся в непрерывном естественном движении, поэтому локальные порции стекломассы различного состава вытягиваются в направлении движения, образуя переплетенные жгуты, нити, которые называются свилями. Если такое стекло резко охладить, то из-за различия в показателях преломления граница раздела между участками с разным химическим составом становится видимой невооруженным глазом. Свиль, таким образом, является пороком стекла, ухудшающим эстетический вид изделия.

Гомогенизация осуществляется в основном за счет интенсивного движения (диффузии) веществ, составляющих стекломассу. Чем выше температура варки и, как следствие, ниже вязкость расплава стекла, тем лучше условия диффузии, и, наоборот, диффузия в вязкой среде, при пониженных температурах, протекает медленно и до конца варки не заканчивается. Поэтому при гомогенизации температура стекломассы играет решающую роль.

Значительно ускоряет гомогенизацию выделение пузырей. Поднимаясь к поверхности, они растягивают пограничные пленки стекла разного состава в тончайшие нити с сильно развитой Удельной поверхностью и облегчают взаимную диффузию стекломассы соседних участков. Таким образом, процесс усреднения стекла тесно переплетается с осветлением. При варке стекла в промышленных печах стадии осветления и гомогенизации протекают одновременно в одинаковых условиях, поэтому зону ос. ветления невозможно отделить от зоны гомогенизации.

Важное значение для получения однородной стекломассы имеет ее искусственное перемешивание. При варке хрустальных стекол используют керамические мешалки.

Для получения однородной массы при гомогенизации большое значение имеет однородность и тонкость помола шихты. Оказывает влияние на однородность стекломассы и бой стекла загружаемый с шихтой в печь. Обычно бой стекла несколько отличается по химическому составу от основного стекла, так как в процессе предыдущей варки он теряет часть летучих компонентов, обогащается растворенными газами и пр. Поэтому, бой стекла измельчают и равномерно распределяют в шихте.

После осветления и гомогенизации стекломасса по своему качеству полностью отвечает предъявляемым к ней требованиям, однако из-за высокой температуры расплава и низкой вязкости формировать его невозможно. Поэтому задача заключительной стадии стекловарения - подготовить стекломассу к формированию.

Охлаждение - пятая, заключительная стадия процесса стекловарения. Она характеризуется тем, что температуру стекломассы понижают для создания вязкости, позволяющей формовать из нее изделия. Температура стекломассы на этой стадии поддерживается около 1200 °С.

Стекломассу охлаждают плавно и постепенно - при резком охлаждении может нарушиться равновесие между жидкой и газовой фазой, что приведет к новому образованию газовых включений в виде мельчайших пузырьков (вторичной мошки). Освободить стекломассу от подобных газовых включений трудно из-за ее повышенной вязкости. Чтобы избежать появления пороков стекла на заключительной стадии, необходимо строго придерживаться установленного режима давления газовой атмосферы печи и понижения температуры.

Стекловаренные печи. Стекловаренная печь - это теплотехнический агрегат периодического или непрерывного действия, в котором варят стекло и готовят его к формованию. Печи обогревают либо газом, либо электричеством. По режиму работы печи бывают периодического (горшковые) или непрерывного (ванные) действия. В некоторых случаях применяют ванные печи периодического действия.

Работу печи характеризуют такие показатели, как производительность (съем стекломассы в единицу времени, т/сут; удельный съем, кг/м2 в сутки), коэффициент полезного действия и расход теплоты на одну варку или единицу количества стекла. Коэффициент полезного действия (КПД ) печей периодического действия невысок (): горшковых - 6…8, ванных - 10… 15, непрерывных ванных печей-17…28. Наиболее эффективны электрические печи - КПД 50-70 , однако более высо-

я стоимость электроэнергии по сравнению со стоимостью присного газа или жидкого топлива сдерживает широкое применение электрических печей.

Для варки стекол художественного назначения, отработки новых видов стекол, проведения экспериментальных работ и выработки высокохудожественных изделий используют гор ш ковы е печи, в которых одновременно варят в огнеупорных тиглях (горшках) стекломассу разных составов или цветов. Недостатки этих печей - низкий КПД , ручная засыпка горшков, необходимость замены лопнувших тиглей на ходу, повышенный расход топлива и т. д. В производстве сортовых изделий высокого качества из цветного и свинецсодержащего (хрустального) стекла применяют многогоршковые регенеративные печи с нижним подводом теплоты. Такие печи имеют до 16 горшков полезной вместимостью 300…500 кг и КПД до 8%.

Горшки, как правило, бывают круглые, реже овальные; в поперечном вертикальном сечении в форме усеченного конуса, реже цилиндра. Размеры горшка подбирают в соответствии с размером вырабатываемого изделия.

Шихта в стекловаренном горшке получает теплоту главным образом за счет излучения от свода печи и частично за счет теплопроводности через стенки горшка. Поэтому для горшковых печей особое значение имеет высота свода печи: чем ниже свод, тем интенсивнее прогреваются горшки и находящаяся в нем шихта.

Отличительная особенность варки стекла в горшковых печах- периодичность всех технологических процессов, которые чередуются в строгой последовательности: разогрев печи после выработки изделий, засыпка шихты и стеклобоя, варка стекла, студка стекломассы и выработка стеклоизделий.

Перед тем как использовать горшки для варки, их обжигают и постепенно, плавно вываривают до температуры 1500… 1540 °С.

Шихту и бой стекла в соотношении 50: 50 загружают в прогретые горшки в несколько приемов: сначала бой, потом шихту, причем последующие порции подают после того, как оплавились порции, загруженные ранее. После провара последней порции температуру в печи поднимают до максимальной и проводят осветление и гомогенизацию, которые могут продолжаться до 6 ч. Для интенсификации этих процессов применяют бурление стекломассы, для чего при помощи металлического стержня в стекломассу вносят кусок замоченной древесины. Под действием высоких температур из дерева бурно выделяется влага и продукты горения, что приводит стекломассу в интенсивное движение, способствуя ее перемешиванию и осветлению от газовых пузырей. Этот же эффект достигается при бурлении сжатым в°здухом, который вводят в стекломассу под давлением. После т°го как закончена варка, стекломассу охлаждают до температур рабочей вязкости, а затем начинают выработку стеклоизделий.

Обычно цикл работы горшковой печи длится одни сутки ежедневно повторяясь в течение года, иногда более - до остановки печи на ремонт.

Рис. 1. Горшковая печь с нижним подводом пламени: 1 - нижняя часть стены (окружка), 2 - рабочие окна, 3 - свод, 4 - рабочая камера, 5 - под регенератор, 7 - отверстия для обслуживания горшков, 8 - стекловаренные горшки, 9 - горелочные отверстия (кади), 10 - отверстия для загрузки горшков

Рассмотрим устройство горшковой печи. Главный элемент печи - рабочая камера, в которой устанавливают необходимое для работы количество горшков. В верхней части боковых стен расположены рабочие окна. В окружке против каждого горшка есть отверстие через которое обслуживают горшки. Для загрузки от выемки горшков в окружке и над ней сделано отверстие, которое во время работы закрывают плитами. К Промежуточное положение между горшковыми и ванными ечами занимают секционные печи. Их применяют в основном при производстве художественных изделий. Так же, как и в горшковых, в секционных печах можно варить стекломассу нескольких составов или цветов - по числу секций, представляющих собой примыкающие один к другому «карманы», выполненные из огнеупорного кирпича и имеющие общее пламенное пространство.

Ванные печи непрерывного действия - более совершенные и производительные теплотехнические агрегаты, они наиболее распространены в стекольной промышленности. При варке стекла в ванных печах все стадии стекловарения протекают одновременно и непрерывно. Это позволяет максимально механизировать и автоматизировать весь процесс, начиная от засыпки шихты и кончая выработкой стеклоизделий.

Главная часть печи - бассейн (ванна), выложенный из огнеупорных брусьев, поэтому печи называются ванными. Варочная часть бассейна (ванны) обычно имеет прямоугольную конфигурацию в плане. С одного торца ванны через загрузочный карман непрерывно автоматически загружается в печь шихта, доставляемая в контейнерах. Уровнемеры регистрируют уровень зеркала стекломассы. Если он поднимается выше заданного предела, то загрузчик шихты автоматически отключается. По мере выработки уровень стекломассы понижается, срабатывает система автоматического включения загрузчика и в ванну поступает новая порция шихты. В производстве сортовой посуды преимущественно применяют ванные печи с протоком, который располагается ниже уровня дна варочной чести. Из протока отбирают лучше проваренную и более охлажденную стекломассу.

Различные стадии стекловарения протекают одновременно в разных зонах печи. Оптимальные температуры в зонах варки 1420 °С, осветления - 1430, выработки - 1260 °С.

При варке стекол в ванной печи постоянно поддерживают окислительный характер газовой среды, в варочной части над зеркалом стекломассы устанавливают нейтральное давление атмосферы, а в выработочной части - слабоположительное. Производительность печи 6… 12 т стекломассы в 1 сут, удельный съем стекла в зависимости от интенсивности выработки 450 кг/м2 в 1 сут. Печь может отапливаться как природным газом, так и жидким топливом.

Одним из недостатков печей, обогреваемых газом, в том, что Улетучивание оксидов свинца приводит к обеднению ими поверхностных слоев стекломассы и загрязнению окружающее среды. В электрических печах в качестве источников теплоту устанавливают пристенные блочные оксидно-оловянные элект. роды. Процесс стекловарения осуществляется в вертикальном потоке под слоем холодной шихты сверху вниз. Наличие над расплавленной стекломассой холодного слоя шихты уменьшает улетучивание оксидов свинца, способствует получению однород. ной стекломассы.

При работе такой печи нет потерь теплоты с отходящими дымовыми газами. Удельные затраты энергии для получения 1 кг стекла меньше, чем в пламенных ванных печах. Кроме того, электропечи с электродами на основе диоксида олова Sn02 не оказывают никакого красящего действия на стекломассу.

Цветные стекла можно варить одновременно с бесцветным. Для этого на одном участке одновременно располагают ванную печь для варки бесцветного стекла и возле нее печи-спутники для варки цветного.

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.

Для выработки изделий из стекла с различными заданными свойствами служат стекловаренные печи разных типов, отличающиеся по конструкции, производительности и режиму работы.

Стекловаренная печь - основной агрегат стекольного производства. В ней протекают процессы тепловой обработки сырьевых материалов, получения стекломассы и выработки из нее изделий.

Для варки стекла применяют стекловаренные печи периодического и непрерывного действия.

По устройству рабочей камеры стекловаренные печи разделяются на горшковые и ванные.

Горшковые печи - периодического действия, их применяют для варки высококачественных оптических, светотехнических, художественных и специальных стекол.

Ванные печи бывают непрерывного и периодического действия. Ванные печи непрерывного действия имеют ряд преимуществ перед горшковыми и ванными печами периодического действия: они более экономичны, производительны и удобны в обслуживании.

По способу обогрева стекловаренные печи подразделяют на пламенные, электрические и газоэлектрические (комбинированный газовый и электрический обогрев).

В пламенных печах источником тепловой энергии служит сжигаемое топливо. Шихта и стекломасса в этих печах получают тепло от сжигания жидкого или газообразного топлива. Коэффициент полезного действия пламенных печей 18-26%. так как топливо в них расходуется главным образом на нагревание огнеупорной кладки печи и компенсацию потерь тепла. Электрические печи по сравнению с пламенными имеют ряд преимуществ: меньшие размеры, большую производительность. Они экономичны, легко регулируются. При их эксплуатации нет теплопотерь с отходящими газами и лучше условия труда. Коэффициент полезного действия электрических печей достигает 50-60%.

По способу передачи тепла стекломассе электрические печи подразделяются на дуговые; печи сопротивления (прямого и косвенного) и индукционные. В дуговых печах тепло передается материалу излучением от вольтовой дуги. Наибольшее распространение получили печи прямого сопротивления, в которых нагревательным элементом служит непосредственно стекломасса. В этих печах тепло выделяется в самом материале, который служит сопротивлением в цепи.

Использование стекломассы в качестве нагревательного сопротивления основано на том, что стекло при повышенных температурах проводит электрический ток, причем электропроводность его с повышением температуры увеличивается. Проходя через стекломассу, электрическая энергия превращается в тепловую, происходит нагревание и варка стекла. Для питания электрических печей прямого нагрева используется однофазный или трехфазных ток, который подводят к стекломассе через молибденовые или графитовые электроды.

Электрические печи прямого сопротивления имеют различные конструкции, однако большинство из них представляет собой горизонтальные ванны прямоугольного сечения. Применяют эти печи для варки технических стекол, а при наличии дешевой электроэнергии и в производстве массовой продукции.

В печах косвенного сопротивления тепло передается материалу излучением или теплопроводностью от введенного в печь сопротивления.

В индукционных печах в материале, включенном во вторичную цепь, индуцируется ток.

Газоэлектрические печи имеют комбинированный нагрев: бассейн для плавления шихты обогревается газообразным топливом, а бассейн для осветления стекломассы - электрическим током. Отходящие из печей газы имеют температуру 1350-1450° С. Тепло их используют для подогрева воздуха и газа, поступивших для горения.

По способу использования тепла отходящих газов стекловаренные печи подразделяют на регенеративные и рекуперативные.

Регенеративные печи получили большее распространение из-за их простого устройства и удобства в эксплуатации.

Работа стекловаренных печей оценивается производительностью, расходом тепла на варку стекла и коэффициентом полезного действия (КПД) печи, который представляет собой отношение количества тепла, полезно затраченного на варку стекла, к общему расходу тепла на печь.

Производительность печи характеризуют двумя показателями: общей (суточной) и удельной производительностью. Общая производительность равна количеству тонн стекломассы (или годной продукции), снимаемой с печи в сутки. Удельная производительность измеряется отношением суточной производительности к площади бассейна печи и выражается в кг/м 2 /сут.