Стекловаренные печи: назначение, общая классификация, показатели эффективности работы. Варка стекла в пламенных ванных печах непрерывного действия Температура варки стекол

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.

В стекловаренной печи при высокой температуре в шихте происходят различные процессы и разнообразные превращения. При сравнительно низких температурах (около 400˚ С) между мат-ми шихты нач-ся хим. реакции, ведущие к образованию силикатов. По мере дальнейшего нагревания шихта превращается в расплав различных солей. Образовавшиеся силикаты и остатки непрореагировавших компонентов спекаются в плотную массу. Это первая стадия варки стекла – силикатообразование (температурный режим – 800-900° С).

При последующем повышении темп-ры силикаты расплавляются и растворяются одни в других. Образуется пенистый и непрозрачный расплав, пронизанный частицами мат-лов шихты и пузырьками газов, выделяющихся во время реакций.

Постепенно твёрдые остатки шихты растворяются в расплаве, пена исчезает, образуется прозрачная стекломасса. Это вторая стадия стекловарения – стеклообразование (1150-1200° С).

Полученная стекломасса содержит в себе газообразные вкл-я различных размеров и неоднородна по хим. составу. Поэтому она ещё непригодна для выработки изделий.

Процесс удаления из стекломассы пузырей (дегазация) называется осветлением (1400-1500° С). Заключается в выделении газообразных включений из стекломассы при дальнейшем её нагреве за счёт снижения вязкости последней. Для ускорения процесса через стекломассу могут пропускать сжатый воздух или пары воды (барботирование), добавлять осветлители. Принцип ускорения процесса в том, чтобы насытить стекломассу крупными газообразными включениями. Такие пузыри сравнительно легко поднимаются к поверхности. При этом они захватывают по пути мелкие пузыри, которые самостоятельно поднимаются очень медленно или не поднимаются вовсе по причине довольно высокой вязкости стекломассы.

Процесс выравнивания хим. состава стекломассы называется гомогенизацией . Представляет собой длительную выдержку стекломассы при высоких температурах (около 1500° С). При этом в результате диффузии расплава стекломасса становится химически однородной.

Полученная однородная стекломасса охлаждается до вязкости, необходимой для формования из неё изделий (около 1200° С). Процесс называется студкой.

Таким образом, в процессе варки стекла можно условно выделить пять основных этапов: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизация и студка. На практике только первая и последняя стадии протекают в разное время и в разных местах ванной печи. Вторая, третья четвёртая стадии начинаются практически одновременно. Для варки стекла используют горшковые и ванные печи. Последние могут быть периодического и непрерывного принципа действия.

6. Окраска стекла, обесцвечивание стекла, прозрачность стекла

Окраску стекла осуществляют введением в него оксидов некоторых металлов или образованием коллоидных частиц определенных элементов. Так, золото и медь при коллоидном распределении окрашивают стекло в красный цвет. Такие стекла называют золотым и медным рубином соотв-но. Серебро в коллоидном состоянии окрашивает стекло в желтый цвет. Хорошим красителем является селен. В коллоидном состоянии он окрашивает стекло в розовый цвет, а в виде соединения CdS·3CdSe – в красный. Такое стекло называют селеновым рубином. При окраске оксидами металлов цвет стекла зависит от его состава и от количества оксида-красителя. Например, оксид кобальта (II) в малых количествах дает голубое стекло, а в больших – фиолетово-синее с красноватым оттенком. Оксид меди (II) в натрий-кальциевом стекле дает голубой цвет, а в калиево-цинковом – зеленый. Оксид марганца (П) в натрий-кальциевом стекле дает красно-фиолетовую окраску, а в калиево-цинковом – сине-фиолетовую. Оксид свинца (II) усиливает цвет стекла и придает цвету яркие оттенки. Бутылочное стекло низкого сорта, как правило, имеет окраску, которая зависит от присутствия в нем ионов Fe 2+ и Fe 3+ . Стекольное сырье трудно очищается от железа и поэтому в дешевых сортах оно всегда присутствует. Поскольку в стекле одновременно содержатся как ионы Fe 2+ , так и ионы Fe 3+ , они и придают стеклу зеленоватую окраску (бутылочный цвет).Существуют хим. и физ-е способы обесцвечивания стекла. В химическом способе стремятся все содержащееся железо перевести в Fe 3+ . Для этого в шихту вводят окислители – нитраты щелочных металлов, диоксид церия СеO 2 , а также оксид мышьяка (III) As 2 O 3 и оксид сурьмы (III) Sb 2 O 3 . Хим. обесцвеченное стекло лишь слегка окрашено (за счет ионов Fe 3+) в желтовато-зеленоватый цвет, но обладает хорошим светопропусканием. При физ. обесцвечивании в состав стекла вводят «красители», т.е. ионы, которые окрашивают его в дополнительные тона к окраске, создаваемой ионами железа, – это оксиды никеля, кобальта, редкоземельных элементов, а также селен. Диоксид марганца MnO 2 обладает св-ми как хим., так и физ-го обесцвечивания. В результате двойного поглощения света стекло становится бесцветным, но его светопропускание понижается. Таким образом, следует различать светопрозрачные и обесцвеченные стекла, поскольку эти понятия различны.Следует также отметить, что окрашенное стекло иногда предохраняет содержимое бутылок от нежелательного фотохим-го воздействия. Поэтому окраску бутылочного стекла иногда специально усиливают.Одним из важнейших св-в стекла является прозрачность . Однако в ряде случаев стеклу специально придают непрозрачность путем его «глушения». В-ва, способствующие помутнению стекла, называют глушителями. Глушение происходит вследствие распределения по всей массе стекла мельчайших кристаллических частиц. Они представляют нерастворившиеся частицы глушителя или частицы, выделившиеся из жидкой массы при охлаждении стекла. В настоящее время для этой цели применяют криолит Na 3 , плавиковый шпат CaF 2 и другие фторидные соединения. Сильно заглушенное стекло (белого цвета) называют молочным. Для его изготовления чаще всего используют криолит. Молочное стекло используют главным образом для изготовления осветительной арматуры.

1.Назначение печи.

В данном курсовом проекте будет рассмотрена ванная печь непрерывного действия. Тип печи-регенеративная,проточная с подковообразным направлением пламени. Конструктивно печь имеет варочный и выработочный бассейн, соединенные между собой по стекломассе протоком.

Для загрузки шихты и стеклобоя печь оборудована двумя герметизированными загрузочными карманами,расположенными по ее боковым сторонам.

Варочный бассейн печи отапливается природным газом. Для отопления варочного бассейна, печь оборудована шестью горелками, расположенными с торцевой стены ванной печи, противоположной ее выработочной части.

Удаление дымовых газов из варочного бассейна стекловаренной печи осуществляется через систему дымовых каналов, оснащенных дымовоздушными клапанами, отсечным, поворотным шиберами и металлической дымовой трубой при помощи основного и резервного дымососов ДН-9У.

Для использования тепла отходящих дымовых газов, печь оборудована регенераторами с насадкой типа «Лихте» с ячейками 170х170.

Тепло отходящих газов используется также в котле-утилизаторе.

Производительность печи-70 тонн в сутки.Вырабатываемый ассортимент-бутылка из темнозеленого стекла.

2.Обоснование производительности.

Тип печи-регенеративная, проточная с подковообразным направлением пламени. Производительность печи-70 тонн в сутки. Форма и размеры выработочного бассейна приняты конструктивно из условия размещения одной машинолинии АЛ-118-2 (восьми секционная, двух-капельная). Автомат обслуживается одной бригадой из трех человек в смену(два машиниста и один наладчик стеклоформующей машины). Всего смены три. Вырабатываемый ассортимент- бутылка из темнозеленого стекла. Масса бутылки- 340 грамм. Количество резов составляет-80(в минуту). Коэффициент использования стекломассы (КИС)-0,95.

Данная стекловаренная печь предусматривает эффективную тепловую изоляцию стен и днабассейна,стен пламенного пространства, горелок, сводов варочного, выработочного бассейнов, горелок и регенераторов, что заметно увеличит производительность стеклотары на данном участке производства.

3.Выбор удельного съема и расчет основных геометрических размеров печи.

Химический состав стекла:

SiO 2 -72 %

Fe 2 O 3 +AL 2 O 3 -2,3 %

Na 2 O +К 2 О-14%

CaO+MgO-11,5%

SO 3 -0 ,2 %

Максимальная температура варки-1500˚ C

В температурном интервале от 23 до 1500˚С вязкость стекол изменяется на 18 порядков. В твердом состоянии вязкость составляет примерно 10 19 Па с, в расплавленном состоянии-10 Па с. Температурный ход вязкости показан на рисунке. При низких температурах вязкость меняется незначительно. Наиболее резкое снижение вязкости происходит в интервале 10 15 -10 7 Пас.

Кривая температурного хода вязкости.

Определяем основные размеры рабочей камеры.

Площадь варочной части печи, м 2 :

F=G* 10 3 /g ;

Где G -производительность печи, кг/сутки;

g -удельный съем стекломассы с зеркала варочной

части, кг/(м 2 *сут).

Принимаем g =1381 кг/(м 2 *сут.).

Тогда F =70000/1381=50,68 м 2 .

Длина варочной части для печи с подковообразным направлением пламени рассчитывается из соотношения

L:B=1,2:1

L * B =50,68

1,2*х*х=50,68

х2=50,68:1,2

х=6,5м (ширина B )

6,5*1,2=7,8 м (длина L )

Соотношение длины и ширины L / B =7,8/6,5=1,2

Ширина пламенного пространства на 120 мм больше ширины бассейна, т.е. 6,5+0,12=6,62 м

Высота подъема свода f =6,62/8=0,83 м.

Длина пламенного пространства 7,8+0,2=8 м.

Глубина бассейна: студочного мм, варочного мм.

Площадь студочной части при температуре варки 1500С принята равной площади варочной части: F ст= 50,68м 2 .

Ширина студочной части составляет 80% ширины варочной части: 6,5*0,8=5,2 м. Принимаем ширину загрузочных карманов (6,5-0,9)/2=2,8 м, где 0,9 м – ширина разделительной стенки. Длина загрузочного кармана 1 м.

4.Обоснование распределения температур в печи.

Термический процесс, в результате которого смесь разнородных компонентов образует однородный расплав, называется стекловарением.

Сыпучую или гранулированную шихту нагревают в ванной печи, в результате чего она превращается в жидкую стекломассу, претерпевая сложные физико-химические взаимодействия компонентов, происходящие на протяжении значительного температурного интервала.

Различают пять этапов стекловарения: силикатообразование, стеклообразование, осветление (дегазация), гомогенизация (усреднение), студка (охлаждение).

Отдельные стадии процесса стекловарения следуют в определенной последовательности по длине печи и требуют создания необходимого температурного режима газовой среды, который должен быть строго неизменным во времени. Распределение температур по длине и ширине ванной печи зависит от свойств стекла и условий варки. При варке темнозеленого стекла температура в начале зоны варки (у загрузочного кармана) 1400-1420˚С, так как в этой части бассейна печи происходят нагрев, расплавление и провар шихты, т. е. завершение стадий силикатообразования, стеклообразования и частичное осветление стекломассы. Температура стекломассы у загрузочного кармана 1200-1250˚С. В зоне осветления температура газовой среды поддерживается максимальной-1500˚С, так как при такой температуре вязкость стекломассы снижается, происходит интенсивное осветление и завершается гомогенизация. В зоне студки температура газовой среды плавно понижается до 1240˚С, что приводит к увеличению вязкости стекломассы. В зоне выработки температурный режим устанавливается в зависимости от требований, необходимых для нормальной выработки стекломассы и формования из нее стеклоизделий.

Для установления стационарного температурного режима газовой среды в печи необходимо регулировать количество и соотношение топлива и воздуха, подаваемого в печь, тщательно их смешивать и своевременно отводить отходящие дымовые газы.

Возможность установления определенного температурного режима предусматривается конструкцией ванной печи.

На изменение температурного режима оказывает влияние давление газов в рабочей камере печи. Повышение давления до определенных пределов способствует более равномерному прогреву отдельных частей печи, так как объем рабочей камеры максимально заполняется пламенем. Создание разряжения в печи приводит к уменьшению распространения пламени и присосу холодного воздуха через отверстия. Это ухудшает равномерность распределения температур и вызывает понижение температур в тех участках печи, куда проникает холодный воздух.

Температурный режим печи зависит также и от температуры факела пламени и ее распределения по длине факела. Температура факела регулируется подачей воздуха.

5.Расчет горения топлива, действительной температуры факела и минимальной температуры подогрева воздуха.

Теплоту сгорания топлива определяют по его составу:

Q н =358CH 4 +637C 2 H 6 +912C 3 H 8 +1186C 4 H 10 ;

Q н=358*93,2+637*0,7+912*0,6+1186*0,6=35200 кДж/м 3

Уравнения реакций горения составных частей топлива:

CH 4 +2O 2 =CO 2 +2H 2 O+Q;

C 2 H 6 +3,5О 2 =2СО 2 +3Н 2 О+ Q ;

C 3 H 8 +5O 2 =3CO 2 +4H 2 O+Q;

C 4 H 10 +6,5O 2 =4CO 2 +5H 2 O+Q.

Коэффициент избытка воздуха L =1,1.

Расчет горения сводим в таблицу:

Состав топлива, %	Содержание газа, м 3 /м 3	Расход воздуха на 1м 3 топлива, м 3				Выход продуктов горения на 1 м 3 топлива,м 3
		О 2Т	О 2Д	N 2 Д	V L	CO 2	H 2 O	N 2	O 2	V Д
CH 4 -93,2	0,932	1,8 6 4	1,96х1,1	2,16х х3,76	2,16+ +8,10	0,932	1,864	-	-	2,796
С 2 Р 6 -0,7	0,007	0,025				0,014	0,021	Из воздуха	Из воздуха	0,035
С 3 H 8 -0,6	0,006	0,030				0,018	0,024	8,1	0,2	8,142
C 4 H 10 -0,6	0,006	0,039				0,024	0,030	-	-	0,054
N 2 -4,4	0,044	-	-	-	-	-	-	0,044	-	0,044
СО 2 -0,5	0,005	-	-	-	-	0,005	-	-	-	0,205
Сумма-100	1	1,96	2,16	8,1	10,26	0,993	1,939	8,144	0,2	11,276

О 2Т иО 2Д -расход кислорода соответственно теоретический и действительный, при L =1,1; N 2Д - действительный объем азота из воздуха; V L -действительный расход воздуха для горения 1 м 3 газа; V Д -объем продуктов горения на 1 м 3 газа.

Объемный состав продуктов горения, %:

CO2=0,993*100/11,28=8,80

H2O=1,939*100/11,28=17,20

N 2=8,144*100/11,28=72,23

O 2=0,2*100/11,28=1,77

_________________________

Сумма-100

Определим расход топлива:

Составим тепловой баланс варочной части печи.

Приходная часть

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%.

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.