Варка стекол в ванных печах
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 м2 , они применяются для механизированного производства крупных стеклоизделий, стеклянной тары. Крупные печи с площадью отапливаемой части от 90 до 300 м2 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). Далее 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 0С. 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/(м2 сут). Тепловой КПД пламенных печей 16- 25 %.
Обогрев электрических печей основан на свойствах расплавленной стекломассы проводить электрический ток, при температурах выше 10000С 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 16000С) по сравнению с пламенными печами(1450-14800С). 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/(м2 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/(м2 сут) и повышает производительность печи на 10-60%.