Этапы развития стекловаренных печей

Регенеративная ванная печь для производства листового стекла.

     Это наиболее распространенный тип крупных печей для производства листового стекла. Печь отапливается высокоэффективным природным газом. Печь представляет собой непрерывно действующий тепловой агрегат , состоящий из бассейна, наполненного стекломассой, и пламенного пространства 7 над ним, где за счет сгорания топлива происходит выделение теплоты, необходимой для процесса стекловарения. Бассейн печи имеет прямоугольную форму с сужением – пережимом между зоной осветления и студочной частью.     Ширина  пережима зависит от размеров варочного бассейна печи и составляет 2500-3800 мм.Высота сниженного экрана между зоной осветления и студочной частью над зеркалом стекла 50-100 мм. Пережим и сниженный экран позволяют поддерживать заданный температурный режим по длине печи и интенсифицировать процесс варки. Шихта загружается в печь через загрузочный карман 4 , расположенный в торце варочной части 3 бассейна. На одном конце ванны происходит непрерывная загрузка шихты и боя, а на другом – выработка изделий. К ванной песи примыкает выработочный канал 1 с машинами для вертикального вытягивания лент стекла.

Рис. Регенеративная ванная печь с неразделенным бассейном для выработки листового стекла: а — план, б — продольный разрез, в — поперечный разрез; 1— загрузочный карман. 2 — варочная часть, 3 — студочная часть. 4 — выработочные каналы, 5 — горелки, 6 — регенератор, 7 — пламенное пространство, 8 — свод, 9 — подвесные стены, 10 — дно бассейна, 11 — стены бассейна

Под воздействием высоких температур шихта превращается в расплавленную стекломассу , которая непрерывно движется из варочной части бассейна в студочную , откуда распределяется по выработочным каналам и с помощью машин ВВС в виде непрерывной ленты вытягивается вверх, где раскраивается на листы заданных размеров.Для регулирования в широких пределах температур и газовой среды по длине бассейна печь снабжена 7-9 парами последовательно расположенных горелок. Для подогрева воздуха, поступающего на горение , печь снабжена вертикальным регенератором .

      Крупные ванные печи для выработки листового стекла методом формования на расплаве метfлла отличаются от описанных печей только устройством выработочной части.

Электрическая энергия в качестве тепловой используется в пламен­ных ванных печах для получения дополнительного количества стекло­массы или для повышения качества стекломассы. С этой целью в стек­ломассе варочного бассейна пламенных ванных печей в зоне максималь­ных температур устанавливают электроды, обеспечивающие выделение тепла, расходуемого для нагрева стекломассы бассейна и усиление сы-почного конвекционного потока. При установке вертикальных электро­дов через дно печи создается восходящий конвекционный поток стекло­массы, образующий тепловой барьер, препятствующий прохождению не­проверенной стекломассы в выработочный бассейн. Дополнительное тепло, полученное сыпочным конвекционным потоком, передается ниж­ней поверхности слоя шихты, что совместно с общим повышением темпе­ратуры стекломассы в бассейне способствует ускорению процесса стек­лообразования и повышению производительности печи. В некоторых печах для увеличения теплового потока к нижней поверхности слоя шихты устанавливают дополнительно горизонтальные электроды.

Применение дополнительного электронагрева на действующих пла­менных ванных печах обеспечивает увеличение производительности пе­чи на 30—100 % при высоком коэффициенте использования тепла допол­нительного электронагрева. Введение дополнительного электронагрева незначительно увеличивает потери тепла через ограждения по сравне­нию с потерями только при пламенном отоплении печи. Условно можно считать, что дополнительное тепло расходуется только на получение стекломассы (в действительности наблюдается перераспределение тепло­вых потоков). Удельный расход электроэнергии для получения 1 кг до­полнительной стекломассы зависит от удельной и общей производи­тельности печи и от количества введенного дополнительного тепла и ко­леблется от 0,6 до 1,2 кВт'Ч/кг дополнительной стекломассы.

Конструктивное решение пламенно-электрических ванных печей со­ответствует обычным решениям пламенных ванных печей, отличаясь только установкой электродов для дополнительного электронагрева.

Примерная схема цеха по производству листового листа с использованием регенеративной ванной печи будет выглядеть следующим образом:

Рис. . Ванная стекловаренная печь: 1 — бассейн, 2— загрузочный карман, 3 — здание цеха, 4 — главный свод, 5 — колонны обвязки печи, 6—машина вертикального вытягивания, 7 — отломщик рамного типа, 8 — роликовый конвейер, 9 — горелки, 10— регенераторы, 11 —воздушный шибер, 12 — боров для отвода отходящих газов, 13 — котел-утилизатор, 14 — дымовая труба

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

При варке стекла все процес­сы превращения шихты в осветленную и гомогенизированную стекломас­су протекают на поверхности расплава стекла, заполняющего бассейн печи. Течение этих процессов осуществляется в условиях непрерывного смещения поверхностных слоев расплава. Главной причиной движения стекломассы в ванной печи является разность уровней, которая возника­ет в условиях отбора стекломассы на выработочном конце печи. По этой причине в ванной печи постоянно существует выработочный поток, ко­торый питается за счет свежих порций шихты, превращаемых в стекло­массу. Кроме этого главного рабочего потока, вся остальная стекломас­са вовлекается в конвекционное движение, причиной которого является разность температур расплава по зонам бассейна печи. Тепловые пото­ки совершают движение по весьма сложным трассам, которые затрудня­ют управление процессами тепло- и массопередачи в ванных печах.

В направлении продольной оси ванной печи от загрузочного карма­на к выработке изменение температуры проходит через максимум. Этот максимум (квельпункт) образует пограничную линию, разделяющую зону варки от зоны осветления. Квельпункт выполняет особую роль в свекловарении, 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 ванной печи, там охлаждается, опускаясь вниз, и движется в придонной области обратно, создавая круговые потоки. Температурный градиент возникает не толь­ко в продольном направлении (квельпункт — концы ванной печи), но и в поперечном направлении, поскольку всегда существует некоторая разница температур у стен бассейна и в продольной осевой части ван­ной печи. Поэтому кроме продольных тепловых потоков имеются также 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 засыпки шихты. Выработочный цикл образуется рабочим потоком стекломассы, которая частью использует­ся на формование, а частью, 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. Кроме этого, на интенсивность потоков влияют многие другие факторы: теплопрозрачность стекломассы, способ загрузки шихты, режим отопления печи, разделение варочной и студочной зон и др.

Коэффициент потока для разных печей колеблется в значительных пределах—-от единицы (проточные печи для тарного стекла) до 7—10 (большие печи листового стекла).

Считают, что потоки приносят пользу, передавая тепло в глубинные слои стекломассы и способствуя термическому усреднению. Однако по­токи могут оказывать и отрицательное влияние на процесс стекловаре­ния, поскольку возможно перемещение дефектных слоев стекла в зону выработки, передача избыточного тепла в зону студки и вовлечение в рабочий поток термически неоднородного стекла при изменении пути движения потока по вертикали и горизонтали.

Главное условие нормальной работы ванной печи — строгое соблюде­ние постоянства теплового режима, при этом потоки стекломассы сохра­няют стабильность, их интенсивность и трассы остаются неизменными.

       Процесс стекловарения.

Шихта и бой, загружаемые в ванную печь, 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. Под действием нагревания 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, возобновляясь, 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 квельпунктом. Следующая за квель-пунктом 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, поскольку в нормальных условиях выделение газов закан­чивается в предыдущей зоне.

Признаки продолжающейся дегазации указывают на незавершен­ность осветления или на образование вторичных пузырей. В том и дру­гом случае это свидетельствует о нарушении нормального хода варки (сдвиг границы осветления, перегрев стекломассы и др.).

Границы шихты и пены следует постоянно контролировать, посколь­ку неизменность этих границ свидетельствует о стабильности условий варки стекла. Положение границ шихты и пены должно быть постоян­ным, что обеспечивается строгим соблюдением контрольных парамет­ров режима работы печи: максимальной температуры, общего и позонного расхода топлива, температуры верхнего строения по длине варочной части печи, температуры студки, производительности печи по съемам стекломассы. Колебания температуры верхнего строения печи в зо­не открытого зеркала не должны превышать ±5°, в варочной зоне — ±10°, в студке—±1°С. При нарушении этих условий необходимо не­медленно выявить и устранить дефекты технологического, теплового или газового режима.

Шихта и пена должны плотно закрывать зеркало стекломассы в ва­рочной зоне. Свидетельством нормальной варки служит выделение круп­ных пузырей на поверхности шихты. Граница варочной пены должна быть четко обозначена, а сама пена — рыхлой. Площадь зеркала, покры­того шихтой и пеной, должна быть в пределах 40—50 % отапливаемой части печи, а зона варочной пены короче зоны шихты. Изменение гра­ниц зоны варки вызовет нарушение режима обогрева глубинных слоев, что может привести к вовлечению в выработочный поток дефектной по термической и химической однородности стекломассы.

Для загрузки шихты и боя применяют стольные или роторные меха­нические загрузчики.

Загрузчики роторного типа обеспечивают раздельную подачу шихты и боя в ванную печь, причем шихту загружают на слой боя. Размер кусков боя 30—60 мм. Количество боя в шихте устанавливается в пре­делах 15—20% (отклонения в пределах ±2,5%). В отдельных случа­ях количество боя может быть увеличено до 30 %. Шихта в бункерах роторных загрузчиков должна иметь температуру не ниже 35°С и вла­жность 4—5 %. Стольные загрузчики работают по принципу проталкива­ния определенных порций шихты при возвратно-поступательном движе­нии гребка, расположенного под бункером шихты. При стольной загруз­ке шихту и бой предварительно смешивают.

Фронт загрузки должен обеспечивать подачу шихты почти по всей ширине бассейна (не менее 80 % ширины). Для этого устанавливают несколько загрузчиков (до 3—5). При такой ширине загрузки соблюда­ется равномерная подача шихты, малая скорость ее продвижения и не­большая толщина слоя. Для поддержания постоянного уровня стекло­массы с точностью ±0,2 мм загрузчики работают в автоматическом ре­жиме и связаны с уровнемером, установленным в студочной части печи. Это позволяет создать стабильные условия выработки стекла и умень­шить коррозию огнеупоров.

Тепловой режим. Температура максимума больших ванных печей, отапливаемых природным газом, должна составлять 1580±10, а жидким топливом—1550±10°С. В зависимости от производительности печи ус­танавливают расход топлива и воздуха. Система регулирования должна позволять увеличивать подачу топлива и воздуха на 30 %.

Наибольшее количество тепла в ванной печи расходуется в зоне вар­ки. Расход газа по горелкам и зонам контролируют и поддерживают постоянным при помощи автоматических систем регулирования. Общий расход топлива на первые две пары горелок должен составлять не менее 30 %, а на всю зону варки, включая область максимума температуры, — около 75—85 % всего расхода топлива. Горелки, обеспечиваю­щие максимум температуры, имеют наибольший расход топлива. Расход топлива возрастает от первой горелки до горелки квельпункта, а за­тем постепенно убывает.

В качестве контрольных точек зоны варки принимают температуру стекломассы в загрузочном кармане (250—300 мм ниже уровня). Эта температура должна быть не ниже 1200 °С. Второй точкой избирают тем­пературу стен между первой и второй парами горелок, она должна быть не ниже 1440 °С.

Основа газового режима — постоянство давления и состава газовой среды в пламенном пространстве печи. На уровне зеркала стекломассы необходимо поддерживать слабоположительное давление как в самой печи, так и в машинном канале.

Постоянство давления в полости печи устанавливают автоматически по сигналу дифманометра изменением положения шибера дымовой тру­бы. Колебания уровня давления в студочной зоне не должны превышать ±0,5 Па.

Введению в действие автоматического поддержания постоянства дав­ления должна предшествовать тщательная герметизация кладки печи и машинных каналов.

Химический состав газов в печи характеризуют избытком воздуха в отходящих газах каждой горелки. Воздух для горения подают вентиля­тором, и его избыток дозируют в зависимости от температурных условий. Природный газ сжигают с коэффициентом избытка: первые две горел­ки а=1,03—1,05; в других горелках зоны варки о=1,08—1,10; в горел­ках зоны чистого зеркала а = 1,15—1,25. Отклонения а в пределах ±0,01—0,05.

Удаление продуктов сгорания должно происходить, в основном, через противоположные горелки без засасывания в соседние, что может вы­звать перекос тепловых напряжений.