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. 22. Бассейны ванных печей: а - регенеративной печи с лодками (или охлаждаемыми водой трубами), газовым пространством, разделенным сплошным экраном, и с поперечным направлением пламени, б - регенеративной печи с полностью разделенным газовым пространством и поперечным направлением пламени, в - регенеративной печи с газовым пространством, разделенным решетчатым экраном, и с поперечным направлением пламени, г - регенеративной печи с решетчатым экраном и подковообразным направлением пламени, д, е - рекуперативной печи с продольным направлением пламени, ж - рекуперативной печи с продольным направлением пламени и двойным сводом, з - рекуперативной печи с противоточным движением газов, и - трехзонной печи с поперечным направлением пламени, к - печи с выделенной варочной зоной (дуплекс - печь) и поперечным направлением пламени; 1 - загрузочный карман, 2- горелки, 3 - проток, 4 - лодка, 5 - зона осветления, 6 - варочная часть, 7 - решетчатый экран, 8 - рекуператор
Для выделения отдельных зон с различными температурными режимами газовое пространство рабочей камеры (рис. 22, а - к) разделяют перегородками различной конструкции из огнеупорных материалов. Лучше всего режим варки регулируется при разделении газового пространства рабочей камеры сплошными или решетчатыми экранами 7, шиберами или сниженными арками. Поддержанию температурного режима по длине бассейна способствуют и устанавливаемые в стекломассе разделительные приспособления - заградительные мосты, пороги, протоки 3. Устройство протоков и других разделительных приспособлений позволяет изменить характер движения потоков стекломассы и отбирать для выработки более охлажденную и проваренную стекломассу. Отбор стекломассы из варочной части печи через проток обеспечивает поступление на выработку хорошей по качеству стекломассы. Чем полнее варочная часть печи отделена от студочной, тем интенсивнее охлаждается стекломасса и тем меньшей может быть площадь зоны студки. Это уменьшает бесполезный расход тепла и позволяет увеличить производительность печей. Проточные ванные печи для производства штучных изделий характеризуются высоким удельным съемом стекломассы с 1 м 2 площади варочного бассейна (превышает 2700 кг/сут).
В зависимости от размеров ванны печи бывают малые, средние и крупные.
В 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.
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.
Каждый из нас ежедневно имеет дело со стеклянными изделиями. Но мало кто интересовался тем, из чего они состоят. А процесс создания данного материала очень увлекателен и интересен. Область использования его очень велика.
Основным компонентом, из которого получают стекло, является кварцевый песок. И чтобы из данного непрозрачного сыпучего материала получился чистый монолит, его нагревают до очень большой температуры в печах непрерывной работы.
Варка стекла является самым сложным и ответственным процессом. На этом этапе песчинки начинают сплавляться между собой. В связи с тем, что остывание стеклянной массы происходит довольно быстро, то они не успевают возвратиться в свое изначальное состояние.
Помимо этого, в состав стекла еще входят следующие ингредиенты:
А для получения цветного изделия, в расплавленную стеклянную массу добавляют оксиды различных металлов.
Варка стекла состоит из следующих процессов:
В связи с тем, что стекло имеет маленькую теплопроводность, возникают большие перепады температуры. Это приводит к напряжению внутри самого стеклянного изделия. В связи с этим, после формирования обязательным процессом идет отжиг. Данный процесс основывается на охлаждении полученного изделия по специальному режиму. Это быстро до момента затвердевания. Медленное, когда стекло начинает переходить из пластичного состояния в хрупкое. И затем опять быстрое охлаждение, до достижения уже нормальной температуры.
Отжиг можно осуществлять сразу после формирования изделия либо после повторного нагревания (до температуры размягчения стеклянной массы).
Толщина материала напрямую связана с количеством расходного вещества, которое попадает в ванную. Чем его меньше, тем тоньше получается стекло.
После обрезки полученного листа стекла до необходимых размеров, остатки помещаются обратно в печь. Таким образом, данный процесс является безотходным производством.
Для варки стекла используются печи с периодическим действием горшкового и ванного типа с не большой емкостью. Принцип их действия непрерывный. Периодическая печь для варки стекла имеет последовательные процессы. Они протекают один за другим через определенный промежуток времени. Печь для варки стекла с непрерывным принципом работы и основанная на ванном типе, включает в себя одновременные процессы, каждый из которых сопровождается определенным объемом работы.
В стеклянной промышленности очень часто применяются ванные печи для варки стекла различной конфигурации и размеров.
Все эти параметры напрямую связаны со следующими особенностями:
В зависимости от вида передаваемого тепла, печи для варки стекла могут быть пламенными, с разным направлением самого пламени, электрическими и пламенно-электрическими. Последний тип основан на верхнем пламенном и глубоком электрическом прогреве стекла.
Принцип варки в электрической печи основывается на самих особенностях стекломассы, которые проявляются при сильно высокой температуре, более 1100°С. В результате выделения тепла стекло может проводить ток.
Печи ванного типа с постоянной работой используют для варки и производства: листового, тарного, сортового, посудного и других типов стекла. В таких установках присутствует механическая загрузка и автоматическая проверка, с регулированием самого процесса.
Особенностью данных устройств является непрерывное движение стекломассы и самой шихты от загрузочного блока к выработочному. В таких печах варка стекла происходит в верхних слоях.
Бассейн печи может иметь произвольное построение, но обязательно должен быть обустроен стандартными зонами, такими как: загрузка, варка, осветление, охлаждение и выработка. Обладают такие конструкции и стандартными тепловыми режимами.
Температуры стекла в таких печах (в самом начале зоны осветления) составляет порядка 1450 – 1500 градусов. Благодаря специальному разграничению бассейна цельными либо же решетчатыми перегородками, существенно улучшается регулировка режима варки стекла. Такие заградительные конструкции способствуют преграждению пути плохо проваренной массы.
Для того, чтобы уровень стекла в бассейне был на постоянном уровне, загрузка выполняется в постоянном режиме. Это позволяет:
Для изготовления листового стекла используются регенеративные печи с постоянной работой и большой производительностью. Они способны вырабатывать до 250 тонн стекла за один день.
В электрических и пламенно-электрических печах варочный процесс основывается на нескольких этапах (аналогично пламенным установкам). Но в данном случае они осуществляются подряд друг за другом в вертикальном направлении. Благодаря мощным конвекционным потокам, процесс варки стекла проходит быстрее.
Стоит помнить, что КПД электрических установок в несколько раз (от 3 до 5) больше, по сравнению с пламенными печами. Тепловые потери тут меньше.
Крупнейшая выставка стеклянной промышленности, которая пройдёт в ЦВК «Экспоцентр» каждый год позволяет производителям данной сферы проявить себя. В павильонах демонстрируется продукция от разных стран мира.
Здесь можно заключить очень выгодные контракты сотрудничества с одной из сотни иностранных компаний-производителей стекла. А может даже и с несколькими.
Представленное оборудование отвечает всем международным нормам и стандартам. Оно способно усовершенствовать и ускорить производство. Это позволит сэкономить существенные материальные затраты и привести к росту качества продукции, что не останется не замеченным клиентами.
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:
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.
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
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%
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
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
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
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
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
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.
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.
