Этапы развития стекловаренных печей

Скорость стек­лообразования также зависит от:

свойств кварцевых зерен — размеров, формы и наличия включений в зернах. Так, например, угловатые и мелкие зерна растворяются быст­рее по сравнению с округлыми и крупными. Включения в зерно разрых­ляют его и способствуют растворению;

свойств расплава — состав стекла, в особенности повышенная кон­центрация щелочных оксидов и свободного сульфата натрия, изменяет вязкость расплава и его поверхностное натяжение, и, следовательно, увеличивают скорость растворения кварцевых зерен;

условий растворения — в которых главную роль играет температура процесса: с повышением температуры значительно возрастает скорость стеклообразования (считают, что до 1600°С на каждые 10° увеличения температуры скорость стеклообразования увеличивается на 10%); дав­ление газов над расплавом и их состав также влияют на этот процесс;

интенсивности обмена растворителя: растворение зерен возрастает с увеличением обмена растворителя в пограничных зонах, когда ускоряет­ся удаление избытка диоксида кремния из этой зоны; обмен ускоряют с помощью перемешивания с применением механических мешалок или бурления.

Осветление

В готовом стекле всегда содержится некоторое количество газов. Эти газы находятся в стекле в двух видах: в растворенном (невидимом) и в свободном (видимом) состоянии.

В видимом состоянии газы образуют в стекле крупные и мелкие пу­зыри. Задача процесса стекловарения на этапе осветления состоит в том, чтобы свести к допустимому минимуму число пузырей в готовом стекле.

Существуют три источника газа в стекле: химически связанные газы шихты; адсорбированные газы шихты; газы пламенного пространства стекловаренной печи. В шихте для обычного стекла заключено в карбо­натных и других компонентах около 20 % химически связанных газов (СО2 и др.) и некоторая часть адсорбированных газов (02, N2 и др.). В процессе силикатообразования большая часть газов поступает в печ­ное пространство и удаляется с дымовыми газами в атмосферу. Мень­шая часть газов остается в расплаве стекла.

Газы пламенного пространства стекловаренной печи при определен­ных условиях могут частично растворяться в расплаве стекла (S02, Н20 и др.).

Концентрация газов. Количество газов, остающихся в стекле и из­влекаемых из него под вакуумом при использовании специальных ме­тодов анализа, значительно изменяется в зависимости от состава стек­ла и условий варки (температура, давление). Объем газов, извлекаемых из стекол под вакуумом, колеблется в пределах 20—400 % (при обычном давлении) по отношению к объему исследуемого стекла. Обычные про­мышленные стекла содержат около одного объема газов на один объем стекла.

Состав газов. Разными исследователями в стекле обнаружены сле­дующие газы: Н20 [наибольшее количество содержится в боратных и боросиликатных стеклах (до 90% по объему), в стеклах оконного ти­па—30—40%]; С02 — в газах обычных (оконных) стекол содержится до 60, в боратных—10—20% по объему; S02 — в обычных стеклах до 30—35 %; 02 — в разных стеклах от 2 до 50 %; N2 — в некоторых стек­лах 4—6 %. Наличие других газов, обнаруженных отдельными исследо­вателями (Н2, N02, NO, СО), по-видимому, недостоверно и может быть объяснено ошибками в технике анализа.

По составу газы в пузырьках отличаются от газов в стекле. Установлено, что состав газов в крупных пузырьках (более 0,5 мм) отличается от состава газа в мелких (менее 0,2 мм) пузырьках. В круп­ных пузырьках преобладает азот, а в мелких — кислород и диоксид уг­лерода. Срок жизни крупных пузырьков мал, и равновесие между составом газов в стекле и пузырьках установиться не успевает, малые же пузырьки находятся в стекле долго, и указанное равновесие устанавливается.

Происхождение газов. Газы в стекле находятся в состоянии хими­ческого и физического растворения. В расплаве всегда находятся остат­ки непрореагировавших карбонатов и сульфатов. Эти остатки малы, но они способны при разложении выделить весьма большие объемы газа и образовать много пузырей. Разложение остатков карбонатов и сульфа­тов происходит в процессе растворения зерен кремнезема и глинозема, на поверхностях раздела, например огнеупор — стекломасса, и при из­менении установившегося равновесия (перемешивание, температура, давление и пр.).

Удаление газов. Развитие процесса освобождения стекломассы от пу­зырьков зависит от температуры, вязкости стекломассы, поверхностного натяжения, давления газа.

В процессе осветления пузырьки поднимаются к поверхности стекло­массы и исчезают. Чем больше размер пузырька, тем быстрее идет про­цесс осветления.

Для увеличения размеров пузырька, от которого в квадратичной за­висимости находится скорость его удаления, необходимо понизить вяз­кость стекломассы. С этой целью при осветлении поддерживают наибо­лее высокую температуру, которая вызывает усиленное выделение газов при уменьшенной вязкости. В этих условиях ускоряется рост пузырьков за счет выделения газов, пересыщающих стекломассу в полости уже су­ществующих пузырьков.

Для ускорения осветления применяют добавки осветлителей (нитра­ты, сульфаты, аммонийные соли, хлориды, соединения мышьяка и др.), которые образуют при высоких температурах крупные пузыри и пони­жают поверхностное натяжение на границе раздела газ — расплав.

Для осветления используют также приемы механического перемеши­вания, бурление с помощью воздуха, других газов и паров воды. Осветле­нию способствуют вибрация и центрифугирование.

Гомогенизация

Гомогенизация протекает одновременно с осветлением. Приемы уско­рения осветления в большинстве своем ускоряют также и гомогениза­цию стекломассы. Неоднородность стекломассы может возникать вслед­ствие недостаточно однородной шихты в результате плохого перемеши­вания компонентов или их расслоения при транспортировании к месту загрузки в стекловаренную печь. Однако и при отсутствии такой началь­ной неоднородности только что сваренная стекломасса представляет со­бой сотообразную структуру, каждая ячейка которой отличается от дру­гой по составу и свойствам. Ячеистая структура стекломассы возникает в результате особенностей процесса стеклообразования. Стекольная ших­та почти на 3/4 состоит из кварцевых зерен со средним размером около 0,2—0,5 мм. Реакции силикатообразования идут на поверхности кварце­вых зерен, вокруг каждого зерна возникает сферическая зона раство­рения, состоящая из расплава силикатов переменного состава. После завершения реакций силикатообразования наступает очередь растворе­ния в силикатном расплаве остатка непрореагировавшего кварцевого зерна. В силу ряда причин — различия в размерах зерен, высокой вяз­кости расплава, замедленности диффузионных процессов — образуются сферические зоны — ячейки, ограничивающие реакционную область ис­чезнувшего кварцевого зерна со своей границей раздела, созданной не­сколько отличным от соседних ячеек поверхностным натяжением. Яче­истая структура вследствие пограничных натяжений может быть обна­ружена при наблюдении в поляризованном свете, ее можно также проявить с помощью травления поверхности стекла смесью плавиковой и серной кислот.

На этапе гомогенизации происходит разрушение ячеистой структуры стекломассы и ее усреднение по составу до степени, определяемой стан­дартами. Так, например, степень однородности оптического стекла дол­жна быть выше степени однородности оконного стекла примерно в 5 раз.

К появлению однородности может привести выделение из стекломассы газо­вых пузырей, повышение температуры и связанные с этим понижение вяз­кости, повышение скорости диффузии и массообмена, а также механиче­ское перемешивание и бурление стекломассы с помощью сжатых газов (воздух, азот, кислород и др.).

Все эти приемы в конечном счете приводят к тому, что неоднородная, сотоподобной структуры стекломасса превращается в более или менее однородную. При подъеме пузырей к поверхности расплава они при сво­ем движении разрывают и растягивают пограничные пленки ячеек, пе­ремешивают неоднородные микроучастки и облегчают взаимную диффу­зию, выравнивая концентрацию химических компонентов.

Наиболее интенсивно процесс гомогенизации осуществляется при ис­пользовании механического перемешивания с помощью огнеупорных ме­шалок пропеллерного типа. Широкое распространение механическое пе­ремешивание стекломассы получило на заводах оптического стекла. Оп­тическое стекло является наиболее однородным по сравнению с другими типами стекол, и это достигается с помощью механических мешалок. Сравнительно недавно механическое перемешивание стекломассы ста­ли применять в производстве сортового стекла, а также на некоторых ванных печах при изготовлении массовых типов листовых стекол (окон­ного, термически полированного и др.).

Студка

Завершающим этапом стекловарения является студка. При этом температура стекломассы снижается (на 300—400°С) до температуры, необходимой для формования.

Главное условие во время охлаждения—непрерывное медленное сни­жение температуры без изменения состава и давления газовой среды. Нарушение этого условия может вызвать сдвиг установившегося равно­весия газов и образование так называемой вторичной мошки.

Для усиления охлаждения стекломассы применяют разные преграды по стекломассе и по газовому пространству ванной печи. Назначение преград — ослабить конвекционные потоки и ограничить передачу теп­ла из варочной в студочную часть печи. Эти приемы не должны вызы­вать термическую неоднородность стекломассы, которая может явиться причиной расстройства работы формующих машин и нарушения произ­водства.

                     Печи стекольного производства.

Процесс получения из шихты годной к выработке стекломассы про­исходит в стекловаренных печах, обеспечивающих необходимые темпера­турные условия и тепловые потоки к материалам.

В промышленности используют два типа стекловаренных печей, отли­чающихся характеристиками теплового режима и технологического про­цесса: печи периодического действия — горшковые и ванные; печи не­прерывного действия — ванные.

Рис. 20. Ванные печи: а — регенеративная печь с поперечным направлением пламени, б — то же с подковообразным, в — рекуперативная печь с продольным направлением пламени, г — то же с комбинированным, д, е — то же, с подковообразным.

В ванных печах (рис.) газы могут двигаться в поперечном, продольном, подковообразном и комбинированном направлениях по отношению к направлению движения стекломассы. Поперечное направление газов понимается как перпендикулярное потоку стекломассы, продольное — как параллельно или совпадающее с ним. В регенеративных печах применяют поперечное и подковообразное   направление газов, в рекуперативных, кроме того, продольное и комбинированное.

В ванных печах непрерывного действия все стадии процесса варки протекают в определенной последовательности непрерывно и одновременно в различных частях бассейна печи.

Рис. 21. Расположение зон в ванной печи: 1— варки, 2 — осветления, 3 — студки, 4 — выработки

Зоны варки 1 (рис. ), осветления 2, студки 3 и выработки 4 располагаются одна за другой на различных участках по длине бассейна печи. Так как обычно зоны варки, осветления и гомогенизации конструктивно не разделяются, то та часть печи, где протекают эти процессы, называется варочным бассейном. Это отапливаемая часть печи. Студочная часть печи либо не отапливается, либо имеет самостоятельную систему отопления. Зона выработки отделяется от остальной части бассейна глухой стеной с протоком или подвесным мостом, заглубленным и стекломассу.

Наиболее распространены пламенные стекловаренные печи, отапли­вающиеся газообразным или жидким топливом. Далее дается краткое описание конструкции электрических печей, а затем подробное описание ванной печи для листового стекла.

Электрические печи.

Электрические печи для варки стекла по сравнению с пламенными печами имеют следующие преимущества: отсутствие продуктов горения топлива в рабочей камере печи и потерь тепла с газами, выходящими из камеры; уменьшение потерь тепла через ограждения рабочей камеры печи, как результат уменьшения площади ограждений и более эффек­тивной тепловой изоляции кладки; создание оптимального теплового ре­жима для процесса стекловарения; создание любой газовой среды над зеркалом стекломассы; уменьшение потерь из шихты и стекломассы ле­тучих соединений.

Эти преимущества повышают КПД печи до 0,6 (для пламенных пе­чей 0,05—0,25), уменьшают удельные расходы тепла и шихты, повыша­ют удельный съем и при рациональной конструкции печи и теплового режима повышают качество стекломассы.

В варочных бассейнах электрических ванных печей по глубине стек­ломассы,.на некотором расстоянии от поверхности стекла, существует зона максимальных температур. К дну бассейна и к зеркалу стекла или к нижней поверхности слоя шихты температура стекломассы понижает­ся. Положение максимума и температурная кривая по глубине бассейна зависят от формы и размеров электродов и их расположения в бассей­не. От этих же причин зависит распределение температур по длине и ширине бассейна, причем температурная кривая может иметь или не иметь.максимум.

В электрических ванных печах, где зеркало стекла варочной части печи полностью закрыто шихтой, тепло, необходимое для нагрева и расплавления шихты и для прохождения первых стадий стеклообразова­ния, передается от газов, проходящих через слой шихты, и от нижеле­жащих слоев расплавленной стекломассы через нижнюю поверхность слоя шихты. Процессы первых стадий стеклообразования и плавления происходят в промежуточном слое между шихтой и расплавленной стекломассой. Последующие процессы стеклообразования и дальнейший нагрев вновь образовавшейся стекломассы происходят в объеме бассей­на, находящегося под шихтой.

Процесс передачи тепла от расплавленной стекломассы нижней по­верхности шихты аналогичен тепловому процессу в пламенных ванных печах, но является более интенсивным, так как через эту поверхность передается все или почти все количество теплоты, необходимое для пер­воначальных стадий стеклообразования.

Электрические печи первой группы применяют в большинстве случа­ев при производстве сортовых и технических стекол при малой произ­водительности печи; второй группы — при производстве плоского и тар­ного стекла, при значительной производительности ванной печи.

Материал электродов, служащих для подвода тока, должен быть стеклоустойчивым при температурах до 1500—1700 °С, обладать малым удельным сопротивлением по сравнению с сопротивлением стекломас­сы и быть механически прочным при температуре работы. В промышлен­ных электрических ванных печах используют электроды из молибдена,графита и из оксиднооловянной керамики (на основе Sn02). Форма элек­тродов — пластины, стержни и блоки из Sn02.

Материал для электродов выбирают в зависимости от состава стекла. Для обычных составов листового и тарного стекла используются молиб­деновые и графитовые электроды. Для свинцовых стекол — электроды на основе Sn02. На рис. показана электрическая ванная печь для варки профильного стекла производительностью 32 т/сут.

Удельный расход электроэнергии в электрических ванных печах ко­леблется от 0,8 до 3 кВт-ч/кг сваренной стекломассы, уменьшаясь с увеличением общей и удельной производительности печи. Удельная про­изводительность в зависимости от состава стекла и мощности печи 1000—5000 кг с 1 м2 зеркала стекла варочной части печи в сутки.

В выработочных частях электрических ванных печей тепловой режим поддерживается за счет тепла, выделяемого при сжигании газообразного или жидкого топлива или за счет электроэнергии, превращенной в тепловую. В первом случае в варочном пространстве выработочного бассей­на устанавливают газовые горелки или форсунки для жидкого топлива, а продукты горения отводят через дымовые каналы, устроенные в сте­нах. Во втором случае в стекломассе выработочного бассейна устанав­ливают электроды, аналогичные электродам в варочной части печи, или в газовом пространстве устанавливают электрические нагреватели, пе­редающие тепло стекломассе лучеиспусканием. Конструктивное решение выработочной части электрических ванных печей диктуется выработочными приспособлениями.