熔窑玻璃液流及卡脖深层水包的节能作用

玻璃 熔窑 卡脖

熔窑玻璃液流及卡脖深层水包的节能作用


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发表日期：2008年9月24日 已经有374位读者读过此文



山西青耀玻璃厂



摘 要：通过系统阐述玻璃熔窑中玻璃液的流动状态， 结合浮法玻璃熔窑实际操作经验，为熔化工艺指标的调整提供了理论依据。对设置卡脖水包有了更进一步的认识，尤其对其节能作用的观点在生产实践方面得到了验证。

关键词：熔窑 玻璃液流 卡脖水包 节能



１ 引言

浮法玻璃熔窑中玻璃液纵向和横向方向都存在温度差，由于各处的温度不均匀，必然导致玻璃液的密度不均匀，根据流体力学的原理，产生了池窑中玻璃液的流动，在投料机的连续给料和锡槽的连续取料的共同作用下，窑池中玻璃液存在着复杂的流动，对熔化的影响很大，正确掌握池窑中玻璃液的流动状态及规律并予以有效控制是生产优质浮法玻璃的保证，同时也为延长窑龄，节约能耗方面起到积极作用。作者正是在对池窑中玻璃液流分析研究的基础上，通过在生产线上实践，对卡脖水包的功效有了更深刻的了解，它的节能效果是在原来认识基础上的突破，尤其是生产透热性差的颜色玻璃时，其节能更为显著。

２ 熔窑中玻璃液流的研究

２.１池窑内玻璃液流的成因

众所周知，窑池内玻璃液流动是由温度差所引起，而玻璃液的密度与温度成反比，因此，温度差必然造成密度差，窑池内各部位存在不同密度玻璃液的情况下，就难免产生玻璃液的流动，从理论上作以解释：（见图一）











设Ａ是温度高的部位，其密度为＆Ａ，Ｂ是温度低的部位，其密度为＆Ｂ，显然＆Ａ〈＆Ｂ，假设在Ａ、Ｂ两处玻璃液之间用隔板将其隔开，使其不能相互流通，但仍保持它们对窑底的静压强相等，则有：

Ｐ＝ＨＡ＆Ａg＝ＨＢ＆Ｂg

式中：Ｐ──静压强

ＨＡ、ＨＢ──分别为Ａ、Ｂ两处的液面高度

＆Ａ、＆Ｂ──分别为Ａ、Ｂ两处玻璃液的密度

g──重力加速度

因为＆Ａ〈＆Ｂ，所以ＨＡ>ＨＢ，密度差越大，其高度差也越大，如果将隔板移开，在高度差的作用下，Ａ处上部的玻璃液必然
要向Ｂ处流动，由于高度差的变化，会造成对池底的静压强变化，在ＯＯ"平面以上，玻璃液由Ａ流向Ｂ，而在ＯＯ"平面以下，玻璃液又从Ｂ流回Ａ，在不考虑外界影响因素的情况下，Ａ、Ｂ要达到相同的液面，从Ａ流向Ｂ的玻璃液量和由Ｂ回到Ａ的玻璃液量是相同的，只有这样玻璃液的高度才处于稳

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定，由此，可以得出结论：熔窑中玻璃液上部是由高温区流向低温区，而下部是由低温区流回高温区。我们把这种循环流动称为对流，玻璃液的温度梯度越大，其对流越激烈。

２.２ 影响池窑玻璃液对流的因素

２.２.１ 玻璃液的温差

前面已经论述，由于温度差引起玻璃液的密度差和静压差，随着静压差的增大，其对流增强。

２.２.２ 玻璃液的粘度

玻璃液的流动必须要克服各层之间的相互滑动摩擦力，这就与玻璃液的粘度有关，粘度越大，相应摩擦力增大，对流减弱，玻璃液的粘度除与温度有关外，还与玻璃的化学成分有关，粘度随温度的提高而减小，所以，池窑中玻璃液表面温度较高，故流速也最大，越往池底温度越低，其流动性也变差，靠近池底，玻璃液几乎成了“不动层”。

２.２.３ 玻璃液的颜色

玻璃液的颜色不同，其透热性也不同，透热性差的玻璃液，延深度方向上温降也大，流动层也减薄，对流也随之减弱，如生产透热性较好的白玻璃时，池窑液面附近玻璃液的温降为5－15℃／厘米，而生产透热性较差的绿色玻璃时，在液面附近的温降一般为10－20℃／厘米。故一般生产透热性较差的玻璃时，容易出现投料口处“冻料”以及流道处玻璃液温度下降的现象，这是窑中纵向对流减弱的原因。

２.２.４ 池窑的结构

由于池窑结构不同而造成散热条件的不同，相应造成对流的变化，尤其是玻璃液的分隔装置──卡脖大水包影响更大。

２.２.５ 投料推力、成型引力、火焰长度及油枪角度等都会不同程度地影响对流。

３ 池窑中玻璃液流的组成

池窑中玻璃液的对流，按成因可分为生产流和热对流，按流动方向可分为纵向对流和横向对流。

生产流是由于锡槽不间断地取用玻璃液和投料口不停地投料所形成的流动，我们也可称之为强制对流；热对流是由于窑中各处玻璃液的温度差所造成的流动，也可称为自然对流，这两种对流在浮法玻璃池窑中是同时发生作用的。根据模拟研究资料表明：投料循环液流是熔窑总体标准澄清潜力值的５０％-７０％，为池窑总体标准均化值的７０％－９０％，由此可以看出玻璃液的澄清和均化大部分是在投料对流中进行，所以，投料对流在浮法生产中起到很重要的作
用。

３.１ 横向对流

横向对流是在池窑宽度方向上由于温度差的存在而引起的玻璃液流动。





见图二，以化料区为例对玻璃液的横向对流状态予以概述：

化料区的主要作用是将入窑的配合料熔化成熔融的硅酸盐，由于盐类的分解需要的热量很大，中间的料层较厚，吸收的热

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量必然也更多，造成料堆下面的玻璃液温度下降，密度增高往下移动，而受到料堆覆盖较少的池窑两侧温度较高，这就形成了玻璃的横向对流。这里需要强调的是，上面所述是一种理想的状态，它的先决条件是投料的严格控制和窑中温度制度保持稳定，而实际熔窑操作中，很难实现窑两侧对流的对称分布，往往是配合料偏斜到窑的一侧，而另一侧很少甚至没有配合料，造成的危害很大，一是可降低玻璃质量，如果料堆接触池壁，必然加剧池壁砖的熔蚀，因为池壁砖一般使用的是电熔ＡＳＺ砖，它的主要矿物组成是：斜锆石、玻璃相和刚玉，其中玻璃相的比例约为２０％，析出温度一般大于1400℃，砖中玻璃相的析出进入玻璃液就会造成玻璃板上出现结石，刚玉和斜锆石受玻璃液的侵蚀后也会发生如下反应：

ＺrＯ2＋ＳiＯ2=ＺrＯ2.ＳiＯ2

３Ａl2Ｏ3＋２ＳiＯ2=３Ａl2Ｏ3.２ＳiＯ2

尤其值得注意的是配合料接触池壁使池壁砖处于三相界面处，比单纯玻璃液接触池壁对ＡＺＳ砖的侵蚀严重得多，ＡＺＳ砖中Ａl2Ｏ3 溶入玻璃液形成莫来石的速度很慢，粘度极大，可使玻璃板产生波筋和小波纹，而ＺrＯ2溶入玻璃液形成的锆英石不熔物，在板成上可产生白色夹杂物。

二是可缩短熔窑的寿命，如果配合料经常靠近池壁，必然会加剧对ＡＺＳ砖的侵蚀，减少池壁的厚度，一般偏料严重的池壁一年半左右就要进行绑砖，绑砖次数一般不能超过两次，作者曾对国内１３家玻璃熔窑迫使冷修的原因进行调查了解，其中８家是由于池壁砖受侵严重而引起的，由此可看出严格控制“料偏”在延长窑龄方面起到了至关重要的作用。

关于对池壁砖的保护，美国比较常用的办法是在池壁砖的内侧增设沉入式石墨条，这样必须解决石墨材质的高温氧化和正常生产阶段的更换问题；英国一般在池壁砖的上部采用水包的方法，但对水质和水压的保证提出了更严格的要求。国内也进行了卓有成效的探索，并在生产实践中进行了验证，一种办法是在投料池中间穿入引料水包，一般是在两台斜毯式投料机中间设置，其理论依据是上述的横向对流原理，增加横向对流强度，将料堆集中到中部，以减轻对池壁的侵蚀，但通过生产使用，它并不能
根本解决偏料问题，而且也相应增加了部分能耗，故原来使用的厂家多数已弃之不用。另一种办法是沿化料区池壁内侧（距池壁100－200mm）两侧各伸入一支挡料水包，其主要目的是降低池壁处的温度，增大玻璃液的粘度以减少该处玻璃液的流动性，同时水包也阻挡住了料堆紧靠池壁的现象，减轻了对ＡＺＳ砖的侵蚀

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，起到了较为理想的效果。总之，无论采用那种措施，要解决偏料的根本问题，必须要加强熔化操作人员的责任心，在控料技术和前脸密封方面还要下大功夫。

３.２ 纵向对流

浮法池窑在长度方向上的温度是成山形分布，最高温度处我们称之为“热点”，从热点到投料口以及从热点到出料口存在很大温度差，再加上连续地投料和取料，这就在纵向形成两大对流，在这里我们称它们为投料流和成型流。（见图三）




图三

３.２.１ 投料流

该流股分布在投料口和热点之间，其深度是逐渐减浅的，即化料区较深，热点处较浅，配合料入窑后，漂浮在玻璃液的上表面，在空间火焰辐射热和回流玻璃液传导热的共同作用下，进入硅酸盐形成阶段，伴随着大量的气泡排出，料堆逐渐变小，直至消失，在配合料中分离出的初步排出气体的玻璃液，由于温度较低，密度较大，就要向下运行，上表面存在有一部分融熔物，还会有相当多的气体残留在其中，密度较小，仍然漂浮在玻璃液面上形成多孔状的熔融物在投料推力的作用下往热点处移动，生产中常称之为“泡沫区”，虽然该区域已看不到料堆，但仍然存在着剩余ＳiＯ2的溶入和气泡的排出。投料流的上层运动方向是与配合料的运行方向相反，这样从热点处返回的高温玻璃液进一步促使了泡沫区中末熔硅质颗粒以及配合料的熔化。在上表面返回流股和泡沫区之间就形成泡沫与镜面之间的明显的抛物线形状的分界线，生产中称之为“泡界线”，投料流的下层流股在接近泡界线时逐渐上升，在泡界线处大部分流股从上表面又返回到投料口，一部分进入成型流，在生产正常情况下进入成型流的玻璃液量与投料量是一致的。从以上分析可以看出，泡界线在熔化作业中起到了相当重要的作用，从表面上看它是泡沫区与镜面区的分界线，同时也是投料流与成型流的分界线，它是衡量熔化工况好坏的主要标志，我们常看到的泡界线“前移”、“后移”、“偏斜”、“不突出”等都是熔化作业不正常的表现，如果泡界线“很活”必然会在玻璃板上出现夹杂物，影响玻璃板面质量，这一点早已引起同行们的共识，故“泡界线稳”被列为熔化操作的“四小稳”之一。作者认为，其它“三稳”
也是为“泡界线稳”而服务的。

３.２.２ 成型流

由于流道口的不间断取料以及热点与流道口处的温差造成了成型流的存在，在玻璃液表面层是由热点流向流槽口，而下部的回流是由流槽口至热点，在热点处逐渐上升到上表面又与投料流进入的流股汇合，再一同流向流道口，形成这样一个循环流动过程，通

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过流道流入锡槽的玻璃液量是由该处设置的流量调节闸板进行调节，其流量与从投料流进入成型流的玻璃液量相一致，同样也与投料量相一致，但流股中的大部分会被暂时阻挡在流槽口前，由于温度的逐渐降低随之密度的提高，还要逐渐下沉，参与玻璃液下层的回流中去。投料流和成型流下部流股都是在热点附近逐步上升，这样就会在热点下部形成一个三角形的滞流区，在生产正常情况下，其流速极慢，该区会沉积一部分由投料流带来的个别末熔硅质颗粒，滞流三角区随两纵向对流的增强而减小，滞流三角区变化时，难免要将部分末熔颗粒引入成型流，影响玻璃质量，从这个角度看，保持两纵向对流的稳定，相对也保持了滞流三角区的稳定，是稳定泡界线，提高玻璃质量的前提。

４. 卡脖水包的节能效果

４.１ 我厂浮法一线熔窑简况

熔窑运行时间：一年半

日熔化量：３００吨／日

熔化部池深：１.５米

冷却部池深：１.２米

玻璃液分隔装置：卡脖对穿深层方水包

存在的缺陷：由于窑炉基础的问题，熔化部北２＃小炉处池壁砖上平面比流道的上平面低５５mm。

４.２ 我厂卡脖水包的使用情况

我厂浮法一线在充分市场调查的基础上决定转产绿玻璃，转产时已考虑到该玻璃液的透热性较差，流动层会减薄，对流减弱，必然会引起流道口处的玻璃液温度下降，再加上浮法一线熔窑池壁的现状又不适宜生产绿玻璃，所以，我们除对熔化工艺指标进行调整和冷却部保温外，为增加成型流还将卡脖水包上抬，由原来沉入玻璃液2/3改为1/3。

色料入窑后，流道口温度逐步下降，导致调节闸板脱离玻璃液无法实现流量的控制，我们又采取加大５＃、６＃小炉的油流量，让泡界线后移来提高冷却部的温度，通过调整起到了一定的作用，但泡界线长期在５＃、６＃小炉之间，不但生产难以控制，还时有末熔颗粒越过泡界线，影响玻璃质量。虽然在投绿玻璃料前已将水包上提，但该水包属悬壁式结构，没有水包车而且固定结构不合理，调整后不到三天，前端已经下沉，头部已几乎全部沉入玻璃液中，最后考虑到增加成型流的强度，将卡脖水包抽出，效果明显。

４.３ 效果对比

水包没抽前油
耗５４吨，抽出水包后油耗５９吨，每天油耗相差５吨。

抽出水包后冷却部温度提高４３℃，熔化作业制度恢复了正常，流道口温度达到了工艺要求。

５ 原因分析

我厂一线熔窑由于前端下沉５５mm，故流道玻璃液很浅，只有１２５mm，再加上生产透热差的绿玻璃，所以造成玻璃液的流出困难，

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采取的办法只有提高流道玻璃液温度来降低其粘度，以便于玻璃液顺利流出，而抽出卡脖水包正是为了增大回流量使熔化部的热量更多地带到流道口而实现升温之目的。由于大量的回流在熔化部受到二次加热，必然会消耗大量的热量，造成油耗增加。

６ 结束语

我厂是由于池窑本身存在缺陷（前端下沉），流道玻璃液较浅，冷却部温度较低不能满足绿玻璃生产的情况下才利用对流的原理，抽出卡脖水包，增加回流量，目的是提高熔窑后端的温度，相应也增加了油耗。而对于其它熔窑如果在卡脖处增加深层水包，必将减少能耗，为企业创造更多的经济效益，为此，我厂二线和三线熔窑在运行之初，就已在卡脖处穿入深层水包，使用效果良好，值得在行业内推广应用。

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