Сосуда для варки стекла

Варку стекла проводят в печах разных конструкций с газовым или электрическим обогревом. По режиму работы различают печи периодического и непрерывного действия.

Периодические печи бывают горшковые и ванные. При варке стекла в печах периодического действия все стадии процесса стекловарения осуществляются последовательно одна за другой в объеме горшка или ванны, а варка и выработка стекломассы разделяются во времени: в разогретый горшок или ванну засыпают шихту и бой стекла, затем стекломассу проваривают, охлаждают и вырабатывают. Цикл варки включает: разогрев печи, засыпку боя, засыпку шихты, варку, бурление, осветление, студку и выработку. Затем цикл повторяется. Продолжительность цикла для сортового стекла составляет 24—32 ч, для технического — 24—48 ч. После провара стекломасса содержит значительное количество газовых включений. Ускорение осветления достигается искусственными приемами бурления стекломассы. Для бурления используют сжатый воздух или старинный прием — бурление посредством пропитанного водой куска дерева (чурки). Выделяющиеся при бурлении газы (воздух, пары воды) образуют в стекломассе крупные пузыри, которые по пути к поверхности стекломассы захватывают более мелкие пузыри из расплава.

Горшковые печи используют для производства стекол, требующих высокой однородности и светопрозрачности (оптических стекол) и специальных режимов варки (цветные и глушеные стекла), а также при малых объемах производства. Варят такие стекла в специальных огнеупорных сосудах — горшках, помещенных в печь. В одной печи устанавливают несколько горшков, поэтому можно варить сразу стекла нескольких составов (например, отличающиеся по цвету или компоненты для многослойных стекол). Однако горшковые печи работают периодически и для них характерен большой расход теплоты. Их КПД не превышает 8%. Кроме того в них происходит высокий износ горшков, так как велика поверхность контакта стекломассы и огнеупора.

Ванные печи периодического действия используют для варки тугоплавких стекол, требующих высоких температур и большой длительности варки. Основными недостатками таких печей являются периодичность действия и высокие затраты теплоты на разогрев.

В непрерывно действующих ванных печах (рис. 6.9) сырьевая шихта загружается в один конец ванны, а с другого конца идет

Рис. 6.9. Ванная печь непрерывного действия: 1,2,3 – выработочные каналы; 4 – разделительные устройства; 5 – студочная часть печи; 6 – регенераторы; 7 – горелки; 8 – загрузочный карман; 9 – варочная часть печи; 10 – свод печи

непрерывная выработка стекломассы. Все стадии варки совершаются одновременно, но на разных участках печи.

Конструктивно ванную печь делят на отапливаемую (зоны варки и осветления) и неотапливаемую (зоны 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 ее выработки.

Конструкции и размеры современных ванных печей непрерывного действия разнообразны и определяются составом и свойствами вырабатываемой стекломассы, способом формования изделий, масштабом производства.

По производительности ванные печи делят на малые (2—15 т/сут.), средние (до 100 т/сут.) и крупные (100—450 т/сут.). Малые имеют площадь отапливаемой части 10—50 м2, их применяют для производства штучных стеклоизделий, в средних площадь отапливаемой части составляет 50—150 м2. Их применяют для механизированного производства крупных стеклоизделий, стеклянной тары, крупные печи с площадью отапливаемой части от 90 до 300 м2 предназначены для производства листового стекла.

Загрузку шихты и боя в печь осуществляют механическими загрузчиками на поверхность расплавленной стекломассы через загрузочный карман. Шихта и бой образуют на поверхности стекломассы слегка погруженный в нее слой толщиной около 150—200 мм. Шихта нагревается снизу расплавом стекла и сверху за счет излучения пламени. Поверхность шихты спекается, затем на ней образуется тонкий слой вспененного расплава, который стекает, обнажая, свежую поверхность шихты. Процесс спекания, плавления и удаления расплава с поверхности шихты идет до тех пор, пока последний слой шихты не превратится в расплав, покрытый варочной пеной. Провариваясь, слой шихты распадается на изолированные участки, окруженные пеной, которые затем полностью растворяются, и остается одна 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 квельпунк- том (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 скоплением пузырьков и кажется «рябой». К зоне осветления примыкает зона студки с зеркальной поверхностью, так как выделение газов заканчивается. Студка продолжается и в зоне выработки, где стекломасса остывает, приобретая вязкость, необходимую для выработки.

Стабильность работы печи обеспечивается устойчивостью длины каждой из зон. Изменение границ зоны варки вызывает нарушение режима обогрева глубинных слоев, что может привести к вовлечению в выработочный поток дефектной по термической и химической однородности стекломассы. Устойчивость протяженности зон по длине печи достигается за счет четкого поддержания температурного максимума по стекломассе на границе зоны варки и зоны осветления; постоянства состава шихты и соотношения шихты; стабилизации удельных съемов стекломассы; теплового и газового режимов.

Стекломасса в ванной печи находится в непрерывном движении, главной причиной которого является разность уровней, которая возникает при отборе стекломассы на выработочном конце печи. Кроме того, вся стекломасса вовлекается в конвекционное движение из-за разности температур расплава по зонам бассейна печи. Особую роль в организации конвекционных потоков играет квельпункт, создавая тепловой барьер на пути рабочего и тепловых потоков стекломассы. От этой границы наиболее горячая стекломасса стекает к обоим концам печи, охлаждается, опускаясь вниз, и, создавая круговые потоки, движется в придонной области обратно. 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 имеют два цикла: сыпочный и выработочный. 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. Выработочный цикл образуется рабочим потоком стекломассы, которая 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 сыпочного цикла 5—7 м/ч и для поперечного у стен порядка 1 м/ч.

Правильно организованные потоки стекломассы способствуют более полному протеканию всех стадий стекловарения. Сыпочные улучшают условия для провара, осветления и гомогенизации стекломассы; выработочные способствуют поступлению на выработку температурно-однородной стекломассы. Вместе с тем, потоки могут и отрицательно влиять на качество стекломассы при изменении их направления и скорости. Главное условие нормальной работы ванной печи — строгое соблюдение постоянства теплового режима, когда потоки стекломассы сохраняют стабильность, а их интенсивность и трассы остаются неизменными.

По источнику тепловой энергии различают пламенные, электрические и пламенно-электрические стекловаренные печи.

В пламенных печах обогрев осуществляют путем сжигания природного газа в пламенном пространстве печи. Максимальная температура газового пространства достигает 1650°С. Удельный расход теплоты составляет 10—14 МДж/кг стекломассы. Удельный съем стекломассы с площади варочного бассейна в зависимости от вида стекла достигается 900—3000 кг / (м2 сут). Тепловой КПД пламенных печей стекловаренных печей очень низок, так как топливо в них расходуется в основном (до 80—85%) не на варку, а на нагрев кладки печи и компенсацию потерь теплоты с дымовыми газами, уходящими через ограждающие конструкции.

Стремление избежать чрезмерного износа огнеупоров и повысить КПД печей привело к мысли, что целесообразнее нагревать стекломассу не сверху, а изнутри, пропуская через нее электрический ток. Так появились электрические стекловаренные печи — печи сопротивления, где нагревателем служит сама стекломасса. Электроды размещают в стенах на дне печи. Бассейн загружают боем стекла, расплавляют с помощью газового обогрева, а затем подают шихту. При этом КПД таких печей возрастает в 3 раза по сравнению с пламенными и составляет до 40—60%. Их преимущества также в отсутствии потерь теплоты с уходящими газами и через ограждения рабочей камеры; создании оптимального теплового режима для процесса стекловарения; уменьшении потерь из шихты и стекломассы летучих соединений; создании необходимой газовой среды над зеркалом стекломассы. Температура стекломассы достигает высоких значений (до 1600°С) по сравнению с пламенными печами (1450—1480 °С). Производительность наиболее распространенных электрических печей находится в пределах 0,4—4,0 т/сут. Крупные 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.). К недостаткам электрических печей следует отнести высокую стоимость электроэнергии и электродов.

Существуют также и комбинированные газоэлектрические печи, в которых электроды устанавливают только в самых горячих зонах осветления и гомогенизации, при этом можно повысить температуру варки без существенного вреда для огнеупорной кладки печи. Дополнительный электропрогрев позволяет повысить КПД пламенных печей до 40—50%, увеличить длительность кампании печи; стабилизировать тепловой режим, улучшить качество стекломассы, довести удельные съемы до 3000—4000 кг/(м2 • сут.) и повысить производительность печи на 10—60 %.

Существующие способы интенсификации процесса стекловарения можно разделить на две группы: физико-химические и теплотехнические. К физико-химическим относятся:тонкое измельчение компонентов, гранулирование шихты, применение ускорителей варки и осветлителей, механическое перемешивание и бурление стекломассы. К теплотехническим относятся: повышение температуры в зоне варки и применение дополнительного электроподогрева.

Шихта – смесь предварительно подготовленных, отвешенных при определенном соотношении и перемешаны до полной однородности стекломатериала. Часть компонентов шихты при нагреве улетучивается, иногда полностью. Некоторые прибавляются из-за частичного растворения стенок сосуда (горшка) в котором варят стекло. Набор материалов выбирают оценивая их технологичность, чистоту и цену. Технологичность определяют малой гигроскопичностью, зернистостью и сыпучестью. Степень чистоты стекломатериалов для стекловаренных заводов определяется возможностью получения природных материалов, препаратов химических производств, требующей кондиции и их экономически выгодной ценой. Смесь стекломатериала до засыпки должна быть сыпучей и не цементироваться. Проваривание составляющих шихты должен наступать одновременно при близких значениях температур, чтобы легко образовывались нужные химические соединения. Содержание и состав газовых сред должен способствовать осветлению стекла. Окислам в смеси отдается предпочтение, но они имеют высокую температуру варки и затрудняют осветление – в шихту добавляют соли. Расчетом устанавливают стекломатериалы, которые необходимо ввести в состав смеси, приготавливаемой для варки. Переход от окисла в синтетическом составе стекла к химическим соединениям которым он вводится через так называемые шихтные множители сведенные в справочные таблицы. Этот расчет учитывает как улетучивание так и прибавление некоторых соединений в процессе варки стекла. Расчет шихты служит основной для получения заданных значений оптических постоянных и допустимых значений светопоглощения и цветовой окрашенности стекла. Взвешивание в количествах установленных расчетом шихты с точностью до 0,1%. Взвешивание и смешивание в определенном порядке в зависимости от сыпучести и комкования материалов. Смешивание происходит в барабанах, вращающихся с частотой 20-40 об/мин. Контроль качества перемешивания определяется пробами, которые берут из смеси в различных участках ее объема, допустимое отклонение от среднего состава не должно превышать 3%.

Рис.6.1 Технологическая линия подготовки кварцевой муки

Таблица 6.1 Химические соединения и компоненты стёкол

Продолжение таблицы 6.1

Лекция 7. Способы и оборудование для варки оптического стекла

Горшковые печи.

Горшковые печи для варки оптических стёкол должны выдерживать длительный срок нагрева до 1000°С, обеспечивать возможность оперативного регулирования температуры в печи с точностью , иметь окислительный или восстановительный характер атмосферы в печи. Для реализации технологического процесса варки оптических стёкол высокого качества и широкой номенклатуры марок требуются печи с манёвренным тепловым режимом в пределах температур 700 -900°С и 1500 – 1600°С. В одной печи нельзя варить одновременно стёкла двух марок, т. к. они имеют различные тепловые режимы варки. Тепловая горшковая стекловарная печь показана на Рис. 7.1 состоит из верхней рабочей части размерами 3500´3000´3000 мм, находящейся над уровнем цеха, и нижней, размерами 7000´3000´3000 мм, состоящей из регенераторов, расположенных над полом цеха.

Печь имеет четыре симметрично расположенных шахты 2 и 3 регенератора, заполненные кирпичной кладкой и периодически переключающиеся две шахты 2работают для подогрева воздуха и две шахты 3 – для подогрева горючего газа горячими газами из отходящей камеры печи. Шахты регенератора через насадные шахты 1 связаны с дымоходом 10. Карманы 4 служат для очистки печи от расплавленной шихты, не попавшей в горшок, или выплеснувшейся из него при спенивании, и снятия пенки.

Смесь воздуха и газа образуется угарелок. Далее пламя попадает в рабочую камеру 6, в которой установлен стекловаренный горшок. В передней стенке печи имеется проем, через который вставляется и вынимается горшок, закрываемая заслонкой 9. В задней стенке печи есть окно 7 для засыпки шихты, через которое также ведут наблюдение за варкой и осветлением при перемешивании стекломассы. В центре свода по оси печи расположено отверстие для ввода и вывода пропеллерной мешалки. Через это отверстие по трубам8 подают и отводят воду для охлаждения мешалки. Вся внутренняя поверхность рабочей камеры футеруется огнеупорной керамической массой выдерживающей длительное время при 1600¸1700°С.

Ванные печи.

Ванные печи применяют для варки стёкол одной марки в больших количествах. В ванных печах всегда есть два бассейна: варочный и выработочный, которые разделены брусом и протоком под ним. Схема типовой ванной печи показана ниже на рисунке 7.2.

Стекломасса перемещается вдоль печи под действием веса загружаемой шихты и понижения уровня расплава из-за выработки стекломассы с противоположной стороны. Ванные печи действуют непрерывно. Стекломасса перемешивается в них только за счёт конвекционных потоков. Для варки небольших порций стекла применяют малые ванные печи, которые действуют периодически, и стекломасса перемешивается в них принудительно. Верхняя часть печи находится над полом 10 стекловаренного цеха. Шихта поднимается через загрузочный карман1 в варочный бассейн, в котором температура примерно 1450°С поддерживается из регенератора подогретого воздуха.

Температура регулируется термопарами 3. Брусья 5 служат для направления конвекционных потоков стекломассы. Через трубы 15 при необходимости бурлят стекломассу. Через проток 14 стекломасса попадает в выборочный бассейн, находясь на общем уровне 12. Стекломассу перемешивают с частотой 40 об/мин двумя мешалками 6, которые можно переставлять по высоте. Наблюдение за работой печи и состоянием стекломассы ведут через люк 7. Вдоль направления движения стекломассы можно условно выделить следующие участки:

А – засыпка;

Б – варка;

В – осветление;

Г – проток;

Д – перемешивание и гомогенизация;

Е – выработка.

Стекловаренные сосуды.

Сосуды (горшки) для варки оптических стёкол большинства марок делают из высокоогнеупорных материалов. К стекловаренным горшкам предъявляются следующие требования:

1) Огнеупорность до 1700°С на протяжении нескольких сотен часов;

2) Механическая прочность в холодном и горячем состоянии;

3) Устойчивость против разъедания стенок горячей стекломассой.

Горшки керамические для варки оптического стекла имеют ёмкость от 0,3 – 0,9 и конструкцию, показанную ниже на рисунке 7.3. Диаметр горшка 900 – 1500 мм, толщина кромки 100 – 200 мм, а толщина дна и стенок внизу в полтора раза больше. Сырьевым материалом для изготовления горшков служат огнеупорные глины и каолин. Глины огнеупорные с температурой плавления 1750°С состоят из полиминеральных смесей гидросиликатов. Такие глины измельчают до частиц 0,001 мм.

Каолин (белая глина) с температурой плавления 1800°С отличается меньшей загрязнённостью и большей дисперсностью. Смесь глины и каолина в соотношении 1:1 называют шамотом, который обжигают до полной усадки для изготовления горшков.

Стекловаренные мешалки.

Стекловаренные мешалки делают пропеллерные или стержневые шлинерным литьём или металлическим трамбованием. Высота мешалки на 50 – 60 мм меньше высоты горшка.

Формообразования мешают литьём шлинера в гипсовые формы позволяет организовать поточную механизированную линию большого числа мешалок в крупносерийном производстве.

Шликер – это полоиднодисперсная смесь твёрдых частиц и электролита, которую при влажности 20 % заливают в гипсовые формы. Электролит – это 5%-й раствор жидкого стекла или карбоната натрия, который разжижает смесь и увеличивает текучесть массы. Процесс застывания шлинера длится четверо суток, затем мешалки обжигают и хранят в муфельных печах при температуре 900 – 1200°С.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: