玻璃电熔坩埚窑运行工艺探讨

玻璃电熔坩埚窑运行工艺探讨

摘要

电熔化作为玻璃生产的主要方式之一，具有很高的应用价值，能节约能源，有利环境保护，熔化的玻璃品质高。用优质的电熔锆刚玉砌筑熔化部代替普通坩埚，并应用电熔技术来改造坩埚窑结构和生产方式，是改善坩埚窑使用性能的有益尝试。通过电熔坩埚窑的实际运行来探讨其烤窑、熔制、换料等工艺。

关键字：电熔化，坩埚窑，电熔锆刚玉，烤窑，熔制，换料

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 玻璃电熔窑炉的历史和发展

1.3 几种典型的玻璃电熔窑炉

    1.3.1 熔制铅玻璃的全电熔炉

    1.3.2 熔制硼硅酸盐玻璃的全电熔炉

    1.3.3 熔制有色玻璃的全电熔炉

    1.3.4 熔制氟乳浊玻璃的全电熔炉

1.4 电坩埚窑的分类和特点

    1.4.1 电热坩埚窑的特点

1.4.2 电熔坩埚窑的特点

1.5 电熔坩埚窑的现状

1.6 本课题的研究内容

1.7 本课题面临的难题

2 实验

2.1 实验试剂和仪器

2.1.1 玻璃原料和配方

2.1.2 实验设备和仪器

2.2 实验方法

2.2.1 烤窑曲线安排

2.2.2 熔制工艺安排

2.2.3 换料工艺安排

2.2.4 注意事项

3 分析与讨论

3.1烤窑工艺讨论

3.1.1 烤窑曲线和制度的确定

3.1.2 烤窑效果与讨论

3.2 熔制工艺探讨

3.2.1 熔制曲线和制度的确定

3.2.2 加料制度讨论

3.2.3 熔制效果与讨论

3.3 换料工艺探讨

3.3.1 换料制度讨论

3.3.2 换料效果与讨论

3.4  AZS砖的抗侵蚀结果讨论

3.5 运行经济指标分析

4 结论

参考文献

致谢

译文及原文

1 绪论

1.1 引言

坩埚窑是玻璃窑炉的一种，其特点是玻璃熔制的各个过程——熔融、澄清、均化、冷却都在同一坩埚中，随时间推移逐步完成，可连续也可间歇地作业。它有很多优点，如玻璃品种易调换，生产组织灵活，玻璃质量较高。因此，坩埚窑常被用于熔制光学玻璃、颜色玻璃、晶质玻璃、仪器玻璃以及各种特种玻璃。

传统的坩埚窑通常采用粘土或高铝质坩埚，以火焰加热。其存在的不足是效率低下、坩埚侵蚀严重、玻璃质量不高等。如何有效地发挥坩埚窑的优点，改进它的不足，是摆在我们面前的问题。

从各种可选的方法中，我们决定把坩埚窑和电熔技术结合起来，从而做成了电熔坩埚窑。采用电熔技术主要有以下几个优点：能耗低，热效率高，产品质量高，生产过程易于自动化操作等^[1]。并且，用电熔锆刚玉直接砌筑成熔化池代替粘土或高铝坩埚来熔制玻璃会大大增强抗侵蚀能力，延长坩埚使用寿命。

我们期望通过电熔坩埚窑炉的实际运行来探讨其操作工艺，评价其运行效果，以研究电熔坩埚窑的实用价值。

1.2 玻璃电熔窑炉的历史和发展

1907年法国的索维吉昂(Savegeon)获得了一个电熔炉的专利——利用电流通过玻璃配合料产生的热量来熔化玻璃。1920至1925年期间，挪威的雷德(Raeder)使用碳电极，成功地实现了熔窑全电熔。1925年，瑞典的科尼利矶斯(Comeljus)已使用这种熔窑生产琥珀色玻璃和绿色玻璃。其效率颇好，可达到1.40千瓦小时公斤玻璃。但这种熔窑只能用于熔化有色玻璃和钠硅玻璃。在第二次世界大战期间，瑞士的波来耳(Borel) 在解决电熔燃料短缺方面做了大量的研究发展工作并获得了成功，由法国圣戈班(St.Gobain)公司加以推广。该公司对电助熔做了实际的工作。战后人们对钼电极感兴趣，佩恩伯瑟(Penberthy)设计的电极系统使用钼棒，1952年玻璃工业开始广泛采用这种电极系统。它已用于电助熔和全电熔。另一种钼电极系统使用钼板，是英国的格耳和汉恩(Gel和Hann)于1956年提出的。过去二十年中，使用电加热熔化玻璃的方法获得迅速推广。近十年来，电熔领域不断出现了一些新概念及发展，如混合熔化，电熔窑熔化铅晶质玻璃，电加热料道，微型电熔炉等。我国玻璃电熔技术是在20世纪80年代引进国外玻璃电熔炉的基础上起步从而发展和丰富起来的。

1.3 几种典型的玻璃电熔窑炉

1.3.1 熔制铅玻璃的全电熔炉

铅晶制玻璃多在单坩埚窑、多坩埚窑或日池窑中熔制的缺点在于氧化铅的挥发污染。日池窑中玻璃液面波动冲刷耐火材料引起严重的耐火材料结石和条纹。用电熔炉可以减少这些危害。我国铅玻璃电熔窑使用的窑型主要有^[4]：

(a) Ｔ型窑：即上大下小的形状，氧化锡电极垂直安装在两边的台阶上，采用单相供电或三相ＳＣＯＴ供电。

(b) 矩形窑：上下大小一样，氧化锡电极水平安装在两边的池壁上，采用单相供电或三相ＳＣＯＴ供电。

1.3.2 熔制硼硅酸盐玻璃的全电熔炉

硼硅玻璃的熔制温度高：粘度在10pa.s时其温度约为1600摄氏度。Ｂ_２Ｏ_３的挥发使玻璃液表层形成一层富硅氧玻璃，且Ｂ_２Ｏ_３的挥发量随着温度的升高而增加。传统的火焰池窑熔制无法避免硼的挥发逸散损失，玻璃质量不理想。全电熔窑可将玻璃液加热到1680摄氏度以上，大幅度降低了硼的挥发。国外对这种玻璃的熔制已经普遍采用了电助熔和全电熔两种熔化方式^[5]。熔制硼硅酸盐玻璃的电熔炉多为小型炉，冷顶，节能、成本低、玻璃质量好。火焰窑和热顶电熔窑，硼的挥发严重腐蚀上部结构，不但缩短了窑炉寿命，且碹滴落入玻璃液内，影响玻璃质量。冷顶电熔窑可以避免上述弊病，获得高质量的玻璃^[6]。

1.3.3 熔制有色玻璃的全电熔炉

深色玻璃对热射线有强烈吸收作用，采用常规表面辐射加热方法熔化深色玻璃时常常会出现热渗透的问题，降低了玻璃熔体的透热性，使之难以均匀加热。在电熔炉中，热能是从玻璃体内释放出来的，电流可以相当均匀地通过玻璃，出现温度差很小。国内小型电熔炉（0.5－4t/d）已经投入应用。随着电熔炉结构和工艺的不断改进，小型电熔炉将越来越多的应用于品种多、批量小、质量要求高、色调稳定的颜色玻璃的生产。

1.3.4 熔制氟乳浊玻璃的全电熔炉

熔化乳白玻璃的特点^[7]：乳白玻璃中大量极易挥发的氟化物在常规火焰窑中挥发出去，使得表层玻璃在成分上与其下面的深层玻璃差异很大，造成了玻璃成分不均匀，既污染环境又损失原料。且氟化物玻璃对电极及耐火材料有严重的侵蚀。电熔窑熔化乳白玻璃时，热量是从配合料下面释放出来，配合料组分产生的气体通过配合料层向上逸出，凝聚在冷顶部分，使流出的玻璃液与投入的配合料在成分上保持一致，从而稳定了产品的化学成分^[8]，且降低了原料成本。

1.4 电坩埚窑的分类和特点

    电坩埚窑又分为电热坩埚窑和电熔坩埚窑两种。

1.4.1电热坩埚窑的结构和特点

电热坩埚窑通常采用整体式坩埚，在坩埚底部四周进行电加热^[9]，加热元件主要是硅碳棒或硅钼棒。硅碳棒一般水平或垂直固定在窑体上，硅钼棒一般自由悬挂于窑墙的凹入处。加热元件应布置得不使它直接由出料口向外辐射，凹槽要相当深，以避免加热导线的机械损伤和污染，使凹槽能沿着窑炉的长度方向配合得非常精确，耐火材料之间常用楔口结合。电热坩埚窑加热方式是利用硅碳棒或硅钼棒的空间辐射加热，加热效率不高，能耗较大。

1.4.2 电熔坩埚窑的结构和特点

该种窑炉采用坩埚窑的作业方式，利用电熔锆刚玉砖砌筑成以六角（或八角、四角等）形状的熔化池，与池窑不同的是，该窑炉没有流液洞和上升道结构，加料和出料都在该熔化池进行，整个操作工艺与开口坩埚相同。其热量来源于二氧化锡或钼电极，电极的插入方式有底插、顶插和侧差。熔化池上方还可安置硅碳棒或硅钼棒进行恒温加热。

电熔坩埚窑的加热方式是利用玻璃液自身导电产生的焦耳热进行加热，同时辅以及硅碳棒或硅钼棒的空间辐射加热，因此，其热效率高，寿命长，熔制玻璃质量好，操作也很方便。

1.5 电熔坩埚窑的现状

    玻璃电熔窑炉已经有近百年的历史了，但是基本上都是以池窑或日池窑的结构出现。以电为能源的坩埚窑主要为电热坩埚窑，电熔坩埚窑极少。国内近几年才稍有这方面的研究和尝试，相关的文献更是凤毛麟角。在2004年第二期《建筑玻璃与工业玻璃》中，秦皇岛玻璃研究院介绍了他们研制的电熔坩埚窑。其使用寿命在1年以上，每公斤玻璃耗电1.8度。并且具有效率高，污染少，玻璃质量高，操作方便等优点。东华大学材料学院于2006年研制了一个坩埚窑工艺和日池窑工艺兼具的窑炉。该窑炉熔化区用电熔锆刚玉-33号无缩孔砖砌筑而成，呈六边形，上小下大，上部采用硅碳棒空间辐射恒温加热，下部采用6根氧化锡电极三相配电恒流控制加热。在加料池处有一对电极恒流单相控制加热。该窑炉熔制温度1420～1460摄氏度，可熔制铅玻璃或颜色玻璃，熔化面积0.072 m²，日出料60-80kg，熔化率0.8-1.1 t/m²·d。 其结构简图如下：

1.6 本课题的研究内容

(1) 电熔坩埚窑的烤窑工艺

(2) 电熔坩埚窑的熔制工艺

(3) 电熔坩埚窑的换料工艺

(4)  AZS砖在不同玻璃生产中的抗侵蚀能力

(5) 电熔坩埚窑的经济指标计算

1.7 本课题要面临的难题

(1) 电熔锆刚玉砖的开裂

(2) 砖缝的渗料

(3) 钼电极的氧化

(4) 窑炉加热元件电功率的分配

2 实验

2.1 实验试剂和仪器

2.1.1 玻璃原料和配方

石英砂(纯度,来源)

碳酸钠(  )

碳酸钾(  )

碳酸钙(  )

碳酸钡(  )

碳酸锂(  )

硝酸钠(  )

硝酸钾(  )

氧化铝(  )

氧化锌(  )

氧化铒(  )

石灰石(  )

硼酸(  )

钛白粉(  )

硫化镉(  )

硒粉(  )

氟硅酸钠(  )

实验所用配方

2.1.2 实验设备和仪器

(1) 窑炉

窑炉呈正方形，熔化部坩埚体用五块41号电熔锆刚玉砖砌筑而成，上部空间使用硅钼棒空间辐射恒温加热，下部采用钼电极三相配电恒流加热。该窑炉熔化面积0.25m²,设计出料量200kg/d,熔化率为0.8t/m²·d。其结构照片如下：

窑炉全貌　　　　　　　　             电熔锆刚玉熔化池

硅钼棒安装孔                                   底插电极

(2) 温度控制装置

硅钼棒温控( 来源 )

主熔部温控(  )

(3) 硅钼棒.钼电极及热电偶

(4) 风冷装置

            离心式交流吹风机