Ванная печь для варки стекла. Варка стекломассы. Компоненты для варки стекла

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%.

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.

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.

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.

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

Печь электрическая производительностью 24 т/сутки для варки тарного стекла

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

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

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

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

Удельный съем с 1 м2 варочной площади 2500 кг.

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

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

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА:

Производительность - 1 т/сутки;

Габаритные размеры:

длина - 2,8 м

ширина - 1 м

высота - 2,1 м

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

Расход электроэнергии - 160 кВт;

Тип электродов - молибденовые;

Верхний обогрев - силитовые нагреватели

Печь для варки сортового бесцветного стекла

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА:

Производительность печи - 1,5 т/сутки;

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

Площадь варочного бассейна - 0,7 кв.м;

Глубина варочного бассейна - 1 м;

Площадь выработочного бассейна - 0,72 кв.м;

Глубина выработочного бассейна - 0,4 м;

Способ выработки - ручной;

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

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

Электроэнергия - 1ф, 380 В, 50 Гц;

Мощность системы электроподогрева варочного бассейна - 100 кВт;

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

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

КПД печи (общий) - 16%;

КПД варочного бассейна - 43,6%

Печь электрическая для варки хрусталя производительностью 3 т/сутки

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА:

Производительность печи - 3 т/сутки;

Габаритные размеры:

Длина - 5 м

Ширина - 3,4 м

Высота - 4,2 м

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

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

Расход электроэнергии - 150 кВт;

Количество оксидно-оловянных электродов - 28;

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

Печь электрическая для варки боросиликатного стекла

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА:

Габаритные размеры:

Длина - 4,25 м

Ширина - 2,7 м

Высота - 3 м

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

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

Расход электроэнергии - 540 кВт;

Количество молибденовых электродов

пластины - 12

стержни - 6

Максимальная температура варки - 1600 град.С;

Температура выработки - 1400 град.С;

Расход охлаждающей воды - 7 куб.м/час;

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

Печь электрическая для варки хрусталя производительностью 6 т/сутки

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА:

Производительность печи - 6 т/сутки;

Габаритные размеры:

Длина - 6 м

Ширина - 4,2 м

Высота - 5,3 м

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

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

Расход электроэнергии - 326 кВт;

Количество оксидно-оловянных электродов - 44 шт.;

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

Печь электрическая для варки тарного стекла производительностью 25 т/сутки

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА:

Производительность печи - 25 т/сутки;

Габаритные размеры:

Длина - 9,3 м

Ширина - 4 м

Высота - 4,5 м

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

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

Расход электроэнергии - 1200 кВт;

Тип электродов - молибденовые

Стекловаренная печь периодического действия для ручной выработки стекломассы

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

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

Производительность печи - 500 - 1500 кг/сутки;

Габаритные размеры:

Диаметр - 2120 мм;

Высота - 2800 мм

Печь электрическая для варки базальта производительностью 70 кг/час

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА:

Производительность печи - 70 кг/час;

Габаритные размеры:

Длина - 2,75 м

Ширина - 1,3 м

Высота - 1,25 м

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

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

Расход элетроэнергии - 150 кВт;

Количество молибденовых электродов - 6 шт.;

Количество ланатермовых нагревателей - 30 шт.

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

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

Габариты печи:

Длина вместе с фидером - 8 м;

Ширина - 3 м;

Высота печи - 2,5 м.

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

Расход электроэнергии - 250 кВт.