（机械工程专业论文）超小型间歇式电熔玻璃窑炉的结构及控制系统设计.pdf

摘要 摘要 随着人们生活水平的日益提高，人们对生活有了越来越高的要求，对生活环境 有了更深刻的认识，近些年全球环境日渐恶化，酸雨、干旱、洪水等时有发生，人 们越来越认识到环境保护的重要性，政府也加大了环境治理的力度。我们在日常生 活中经常看到各种各样的玻璃制品，玻璃工艺品。在我国有很多家庭作坊式的玻璃 制品厂，使用的小型玻璃熔化窑炉都是以煤、汽、油作为能源，热效率低、污染大， 开发一种新型、环保、节能的窑炉迫在眉睫，也是使这些小企业能够生存下去的唯 一途径。人们发现用电作为能源是可行的，随后小型间歇式电熔玻璃窑应运而生， 这种窑炉在不改变企业原有生产方式的前提下，解决了环保、节能等问题，具有非 常重要实际意义。 本文通过对企业传统玻璃熔窑的研究，找出了污染环境和浪费能源的因素，决 定以电能做为熔化玻璃的能源，经过分析和计算，确定用电为能源的窑炉的主要结 构为耐火材料结构、钢支架、电极及电极冷却、电控系统等。耐火材料主要进行了 与玻璃液直接接触的材料的选择，外部保温材料的选择；钢支架主要是支撑耐火材 料部分的，主要选择了q 2 3 5 a 的钢材，并通过研究解决了其所支撑的耐火材料的膨 胀所产生的一系列问题；选择了对玻璃进行加热的电极的材料，确定了电极结构及 其安装，冷却方式选择了水冷却；通过研究确定电控方案，采用干式变压器供电， 可控硅调压，采用恒流控制。 超小型间歇式电熔玻璃窑炉预期可以解决环保排放的问题，各部分方便操作控 制，窑炉使用寿命大大延长，其所熔化玻璃液品质大幅提高。 关键词电熔玻璃窑炉；耐火材料；电极；三维立体设计；电控系统；可控硅； 恒流控制。 河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl i f e i t sr a i s i n gt ot h er e q u i r e m e n to fq u a l i t yo fl i f e i t sa l l i m p o r t a n tm a t t e ro i lt h ee n v i r o n m e n to fl i f e w ea l lk n o wt h a tv a r i o u sw e a t h e rd i s a s t e r i n f l u e n c eu s ，s u c h 舔，a c i dr a i n , a r i d i t y , b l o o da n ds oo n m e nf e e lt h es i g n i f i c a n c eo n e n v i r o n m e n t g o v e r n m e n ta m p l i f i e sp o w e ro fi m p r o v e m e n to ne n v i r o n m e n t y o uc a nf i n d av a r i e t yo fg l a s s w o r ka n dg l a s sh a n d i c r a f ti no u rl i f e i no u rc o u n t r y , t h e r ea r em a n y t r a d i t i o n a lg l a s sf a c t o r i e s t h e s ew e r em a d eb ys m a l lm e l t i n gf u r n a c e i tw a su s e dc o a l ， g a s ，o i l i tc a nm a k el i t t l eh e a t , b u tl o t so fp o l l u t i o n s ot h en e wf u r n a c ei sn e e d e d e m e r g e n c yw h i c hc a np r o t e c te n v i r o n m e n ta n ds a v ee n e r g y i t st h eo n l yw a yt os u r v i v a l w i 也t h i sk i n do fs m a l le n t e r p r i s e s e l e c t r i c i t yi sa v a i l a b l ee n e r g ys o u r c e g r a d u a l l y , i ti s r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tt ou l t r a - s m a l lb a t c h - t y p eg l a s sf u s e df u r n a c e g l a s sm e l t i n g f u r n a c ei sau s a b l ew a yw h i c hn o to n l ys o l v e dt h ep r o b l e mo ne n e r g y - s a v i n g ， e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nu s e f u l l y , b u ta l s ow i t h o u tc h a n g i n gt h ee x i s t e dm o d eo f p r o d u c t i o n g l a s sm e l t i n gf u r n a c ei st h eo b j e c to fs t u d ya b o u tt h i st h e s i s i t e x p l o r e dt h e f a c t o r sa b o u te n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g y - s a v i n gt h r o u g h s t u d y i n gw i t ht h en e e d e d o fp r o d u c ea n de n v i r o n m e n tw h i c hn a m e du l t r a - s m a l lb a t c h - t y p e g l a s sf u s e df u r n a c e a n dt h e n , i ti sd e c i d e dt oc h o o s et h ee l e c t r i ct ob et h eo n l ys o u r c eo f m e l t i n gg l a s s w i t ht h ea n a l y z i n ga n dc a l c u l a t i n g ，i t sm a i ns t r u c t u r e sa r eo r g a n i z e dw i t h r e f r a c t o r ys t r u c t u r e ，s t e e ls u p p o r t e r s ，e l e c t r o d ea n de l e c t r o d ec o o l i n g ，e l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e ma n ds oo n r e f r a c t o r ys t r u c t u r e sa r ec h e c k i n gb yt h em a t e r i a lw h i c hc o n t a c t i n g 晰仕1v i t r e o u sh u m o ra n de x t e r i o ra d i a b a t o r s t e e ls u p p o r t e r ss u p p o r ta d i a b a t o r s o ，i tw a s c h o s e nq 2 3 5 as t e e l i ts o l v e dal i s to ft r o u b l e sa f t e re x p a n s i o n e l e c t r o d es t r u c t u r ea n d s t y l eo ns e t u pa r ed e m a n d e db ys p e c i f y i n gt oh e a tg l a s s t h es a m et ow a t e rc o o l i n g e l e c t r i cc o n t r o lm o d ea d o p t sd r yt y p et r a n s f o r m e r , s c r ( s i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e o ， c o n s t a n t c u r r e n tc o n t r 0 1 u l t r a - s m a l lb a t c h t y p e g l a s s f u s e df u r n a c ec a nn o to n l ys o l v et h ep r o b l e mo n e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dm a k ee a s i e rf o re v e r yp a r t so p e r a t i n g ，b u ta l s o i n c r e a s e w o r k i n gl i f ea n dq u a l i t yo f v i t r e o u sh u m o r k 呵w o r d s ：e l e c t r i cm e l t i n gg l a s sf u r n a c e ；f i r e r e t a r d i n gm a t e r i a l ；e l e c t r o d e ， t r i d i m e n s i o n a l i t yd e s i g n ；e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m ；s c r ( s i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e r ) ； c o n s t a n t - c u r r e n tc o n t r o l u 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 随着社会的进步，我国经济实力的进一步增强，从城市到乡村都在发生着翻天 覆地的变化，人们的生活水平也在不断的提高，除了满足吃、穿、用的基本要求外， 还有了更高层次的追求，谁家都会或多或少的有几件玻璃制品，包括杯子、餐具、 烟缸、花瓶、艺术品、装饰品，这些玻璃制品有机制的，还有手工制作的： 1 ) 机制就是利用机器制作，又分为压制、吹制、甩制等。压制就是将熔化好的玻 璃液放到模具里，模具又分为上模和下模，玻璃液放入下模内，然后用上模去压， 就会压出模具形状的玻璃制品；吹制就像是吹肥皂泡那样，在一个空心的管子端部 沾上玻璃液，放到模具里，然后从另一端向管子内吹气，将玻璃液吹成一个玻璃泡， 玻璃泡受到模具的限制变成了模具的形状；甩制就是将玻璃液放到一个快速旋转的 圆盘上，利用离心力将玻璃液甩成圆形或椭圆形。 2 ) 手工制作就是利用简单的工具小批量生产，包括：人工吹制、人工压制、人工 甩制、还有手工工艺品等。生产出的玻璃产品有杯子、烟缸、烛台、手工制作适合 小型企业，几个至几十个工人守着一台小型玻璃窑炉，日生产几百至几千公斤玻璃。 手工制作尤其适合生产各种花色的玻璃制品，可以有几个小型的玻璃窑炉，熔化几 种不同颜色的玻璃，可以实现玻璃在颜色上的搭配。 机制的成型方式一般都是大型玻璃生产企业所采用的，产品批量大，产量高， 一般都生产白色玻璃，每天生产几十至上百吨玻璃，所使用的窑炉是池炉( 以煤、 汽、油等为燃料) 、电炉或电助熔等，这类企业都是自动化生产，从玻璃原料的配制、 熔化、成型、退火等全部由机器完成，企业用工少，机械化程度高，但是不适合生 产形状复杂的产品，不适合小批量生产，这类企业一般都是一种产品定单可以生产 几个月甚至几年。 手工制作的方式正好可以弥补机制成型方式的不足，这类企业产品批量小、产 量少，产品种类更换方便，机动灵活，它是市场不可缺少的一部分。但是这类企业 规模小、设备落后、技术落后，它们所使用的玻璃熔窑大多是传统的坩埚窑，加热 方式为火焰加热，这类窑炉对环境的污染比较严重，正是国家环境治理的主要对象， 这类企业只有两条路可走，要么关停，要么使环保达标。在山西一个祁县就有2 0 0 多家这样的小玻璃厂，关停不是国家所希望的，也不利于经济的发展和社会的稳定。 使环保达标也不是在短时间内可以实现的，需要投入大量的资金上处理设备，对于 一个小玻璃厂来说，不是它所能承受的。 1 河北科技大学硕士学位论文 本文所研究的对象正是为了解决上面所述的环保不达标的小企业的环保问题， 经过对小型玻璃厂生产方式的研究，综合对比大型玻璃生产企业，得出结论：研究 一种结能环保的小型玻璃窑炉才是小型玻璃厂的唯一出路。小型间歇式电熔玻璃窑 炉的问世是一场重大的技术革新，使环保不达标的小玻璃厂重新有了希望。 传统的坩埚炉，如图1 1 所示，它存在严重的环境污梁，和能源浪费问题，操作 工人在高温环境下工作，工作环境恶劣。 图卜1 传统的坩埚炉 f i g 1 - 1 t r a d i t i o n a lc r u c i b l ef u r n a c e 图1 - 2 小型连续式电加热窑炉 f i g 卜2 s m a l lc o n t i n u o u se l e c t r i c a lh e a t i n gf u r n a c e 小型连续式电加热窑炉，如图i - 2 所示此窑炉是以电为能源利用焦耳热在玻璃 2 第1 章绪论 液内部对其进行加热，因为是内部的加热方式所以热量损失很小，同时不会产生因 燃烧产生的废气、烟尘等，解决了环保问题，同时使工人的工作环境大大改善，用 电作为能源是今后玻璃窑炉的主要发展方向。 本文所述的研究内容正是要在小型连续式电加热窑炉的基础上，开发一种适合 小型玻璃生产企业的间歇式的电加热窑炉，实现节能、环保的目的。玻璃制品的生 产过程如图1 - 3 所示，首先将所需的原材料采购齐全，然后按比例配制玻璃配合料， 将配合料投入熔窑中进行熔化，熔化好玻璃液后就要进行玻璃制品的成型操作，制 品成形后还要进行退火以减小应力( 防止炸裂) ，有的产品还需要有后序加工，然后 就可以清洗、包装，成品制作完成。 图卜3 玻璃制品的生产过程 f i g i - 3 t h ep r o d u c t i o no f # a s s 1 2 国内外研究状况 1 2 1 国外研究状况 玻璃电熔技术起源于国外，早在1 8 8 2 年就有人提出利用电能来熔制玻璃。1 9 0 5 年法国s a v e g e i b 试验石墨电极熔化窑玻璃，并在1 9 0 7 年取得专利。1 9 2 5 年瑞典 o o r n e l e u s 父子曾用纯铁作为电极熔制琥珀色和绿色玻璃。同年挪威奥斯森开始试制 水冷钼电极。直到1 9 4 2 年美国c o r n i n g 公司开始推广钼电极才使电熔技术发展到一 个新阶段。1 9 6 0 年德国s o r g 公司和美国c o r n i n g 公司同时研制成功v s m 垂直熔化全 电熔炉，仅2 0 世纪7 0 年代就建造了2 0 余座，1 9 8 1 年s o r g 深澄清电助熔炉已建造 1 2 座，e m d r 深澄清全电熔炉较v s m 六角形炉更适合于大型熔炉，造价相对较低。 近年来，s o r g 公司又推出了f l e x 及l o n o 新型混熔炉及顶插电极技术。截至1 9 9 8 年1 0 6 6 t d 全电熔炉3 0 余座，合计产量7 5 0 t d ，占总产量的4 8 ，电助熔炉合计 产量1 0 6 6 t d ，占总产量的9 5 ，其中瓶罐玻璃1 4 4 0 t d ，特种玻璃1 5 0 t d ，平板 玻璃5 0 t d ，乳白玻璃3 5 t d 。在前苏联建有一定数量的7 0 t d 的电助熔炉和3 0 t d 的全电熔炉等，特别是从2 0 世纪7 0 年代以来在颜色玻璃小型电熔炉方面做了大量 的研究开发工作。日本的电熔技术，最早是从德国等欧洲国家引进的，但到2 0 世纪 。 3 河北科技大学硕士学位论文 8 0 年代中竟有7 0 余座，一般在l o t d 左右，最大为7 0 t d ，产品多为铅玻璃、硼硅 玻璃、乳白玻璃。英国的电熔技术世界著名，原k t g 公司的t v s m 炉型至今仍被人们 广为运用。在2 0 世纪8 0 年代，仅次于英国的s u r o f u s i o n 公司提供了全电小型电熔 炉，能生产钠钙玻璃、硼硅玻璃和高铅玻璃。 现在国外的电熔技术已经非常成熟，能熔化各种玻璃，如钠钙玻璃、高硼玻璃、 高铅玻璃、封接玻璃、高铝玻璃、光学玻璃等，但是引进国外的技术成本太高了， 根本不是一般企业所能承受的，比如一台日产1 0 吨玻璃液的钠钙玻璃熔炉要上千万 的投资，在技术商业化的今天，国外的先进技术是很难普遍应用到国内的，受到了 各种条件的制约。 1 2 2 国内研究状况 我国大连玻璃制品厂早在1 9 8 3 年就引进了k t g 全电熔炉，而后上海玻璃器皿一 厂、佛山灯具厂先后引进熔制铅玻璃的全电熔炉，咸阳彩管玻壳厂、北京玻璃仪器 厂、上海眼镜二厂及沈阳等地先后引进特种玻璃、光学玻璃全电熔炉或技术，昆明 平板玻璃厂、青海光明玻璃制品厂引进了较大规模的全电熔炉，1 9 8 5 年承德引进了 吹制器皿玻璃的全电熔炉。近年来上海、常州、广东又引进了生产玻璃纤维、玻棉 的全电熔炉。 近2 0 年来，玻璃电熔获得迅速推广。目前我国到少有3 0 0 余座全电熔炉，规模 为o 3 9 0 t d 。每年都要增加数十座，其规模在电助熔和全电熔这两个方面都在扩 展。 1 9 9 5 年和2 0 0 3 年国家连续两次把“玻璃电熔技术及其成套装备”作为科技成果 重点推广项目，在全国进行重点推广应用，东华大学玻璃搪瓷研究所作为技术依托 单位，在全国大大推动了玻璃电熔技术的发展，但由于当时电力价格及容量等原因， 主要局限于具有高附加值的玻璃器皿及光学玻璃方面的发展，而随着国家环保、节 能减排政策的实施及电价与其它燃料比价缩小，全国许多地方纷纷建造起不同种类 和规模的电熔炉。 国内的研究单位也开发了几乎所有种类的玻璃电熔技术，包括钠钙玻璃、硼硅 酸盐玻璃、铅晶质玻璃、徽晶玻璃、乳白玻璃、颜色玻璃、磷酸盐玻璃、钛钡系玻 璃等等，电熔技术也从单一的全电熔发展到电助熔、料道电加热、气一电混熔、油 一电混熔的多项技术。技术水平也不断提高，部分技术己向包括美国在内的国外大 公司输出电熔技术。 目前，承德华富玻璃技术工程有限公司是国内唯一的大规模的玻璃熔窑研制企 业，集设计、制造、安装于一身，能制造乳白、高硼硅、钠钙玻璃熔炉。 近几年，随着环境保护意识的日渐提高，环保不达标的燃煤玻璃熔炉逐渐的退 4 第1 章绪论 出了舞台，一些没有实力上不了大型电熔窑的企业面临关停，国内玻璃熔窑市场上 逐渐出现了一种新型的、小型间歇式电熔窑，一些规模小的面临关停的落后的玻璃 企业看到了曙光，但是由于技术不过关，熔窑总是不能到理想的技术指标、理想的 寿命，这样的现状急需要改进，研制一种节能的、环保的、熔制质量高的熔炉是行 业市场上急需的，尤其是对于那些小的作坊式企业有一种适合他们的小型熔炉是他 们是否能生存下去的关键，本课题的研究正是要解决这一问题。 1 3 课题的背景和研究意义 随着全球环境的日渐恶化，酸雨、干旱、洪水等时有发生，人们对环境保护的 意义有了越来越深刻的认识，日益重视对环境污染的控制。 在我国有很多家庭作坊式的玻璃制品厂，使用的小型玻璃熔化窑炉都是以煤、 汽、油作为能源，热效率低、污染大。国家环保政策的出台，迫使这些环保不达标 的小企业被迫关停，这类小企业规模小，资金不足，根本上不起处理设备，在国家 环保为先的大的背景之下，只能忍痛关闭。在山西祁县有2 0 0 多家这样的企业，全 部关停对社会来说是一项重大的损失，每年就会减少上万个就业机会，给国家减少 几十至上百万元的税收。开发一种新型、环保、节能的窑炉迫在眉睫，也是使这些 小企业能够生存下去的唯一途径。人们发现用电作为能源是可行的，随后小型间歇 式电熔玻璃窑应运而生，这种窑炉在不改变企业原有生产方式的前提下，解决了环 保、节能等问题，使企业起死回生，具有非常重要的实际意义。 ( 1 )本课题的研究是提高能源利用率的需要 传统的玻璃熔窑不管是用何种能源，最终都是以火焰的形式在玻璃配合料表面 对其进行加热，大部分的热量都散失掉了，热效率只2 5 - - 3 0 ，而小型窑炉更低只 有1 0 左右，在能源日益紧张的今天，提高能源利用率、节约能源是势在必行的。在 电熔窑中电能是在玻璃液内部直接变成热能的，不会产生废烟气而带走热量，从而 节约了能源，提高了能源利用率。 ( 2 )本课题的研究是环境保护的需要 传统的玻璃粉窑大多是以煤做为燃料的，而燃煤会排放烟尘，污染空气，同时 用火焰加热玻璃配合料，还会使玻璃组分中的有害气体挥发，随烟气排放到空气中， 不仅对大气造成污染，还使玻璃熔制成本增加。国家环保政策越来越严，环保不达 标的企业一律不准开工，开发一种新型的、环保的、经济的越小型电熔窑是十分有 意义的。 ( 3 )本课题的研究是企业不断发展的需要 要想发展就得进步，停止不前就面临着死亡，企业也是一样，发展、创新才是 企业的动力和源泉。政策要求你改变、革新，市场要求你改变、革新，现在的能源 5 河北科技大学硕士学位论文 成本越来越高，环境成本越来越高，停止不前就会死掉的。目前国内的小型玻璃制 品厂，国家不允许你有污染，能源成本又是越来越高，原料成本也在不断上涨，只 能寻找种新的能解决问题的途径，企业才能更好的生存下去，超小型间歇式电熔 窑的研究正好可以解决这一系列的问题。 1 4 课题的研究内容 本课题的研究内容，首先是研究环保不达标的小型玻璃制品厂的生产特点，使 新设计的窑炉能满足这类小玻璃厂原有的生产习惯。主要是确定合理的方案，确定 合理的尺寸，选择能满足要求又经济的耐火材料，配置合理的钢结构支架，选取经 济实用的电极材料及冷却系统，确定合理的供电方案和电气系统的设计等。设计完 毕后，实验其实际参数是否达到要求。 1 5 课题的创新点 本课题的创新点一共有两点： ( 1 )窑炉主体结构设计，改变传统窑炉的概念目前使用的传统玻璃熔窑都是 以火焰的形式对玻璃配合料进行加热，窑炉结构复杂、占地面积大、能源利用率低， 浪费严重。本课题的研究完全改变了传统窑炉的概念，窑炉主体结构简单，体积大 大缩小，减小了热量的散失，从而节约了能源。 ( 2 )三相供电系统的设计，满足使用要求三相供电系统的设计，即电网中的 三相电同时接入，使三相基本平衡，同时对国家供电网络的冲击降到最小，供电系 统结构紧凑，成本较低，满足使用要求 6 第2 章超小型间歇式电熔玻璃窑炉的总体设计方案 第2 章超小型间歇式电熔玻璃窑炉的总体设计方案 2 1 传统玻璃窑炉的现状 2 1 1 传统玻璃窑炉的构成 环保不达标的小玻璃厂多数使用的是坩埚炉，用煤作为燃料，下面介绍一下烧 煤的坩埚炉的主要结构。如图2 - 1 所示，坩埚炉主要由作业室、坩埚、燃烧室、漏 料坑、烟道、烟囱等部分组成。 ( 1 )作业室也称为炉膛，由炉盖、炉盘、炉墙等组成。炉盘也就是炉膛的底 座，底座中间是喷火口，喷火口四周均匀的放置6 - 1 2 个坩埚，每个坩埚的外侧各有 一个吸火口，炉盘处在较高的温度之下，承受重量，又受坩埚漏出的玻璃液的侵蚀， 因此一般都选用优质的高铝砖砌筑。 ( 2 )坩埚人工玻璃制品的生产，多采用黏土质闭e l 坩埚，坩埚是盛放玻璃液 的熔器，玻璃液不直接与火焰接触，而是通过坩埚壁间接传热熔化玻璃，玻璃液受 热较少，熔化速度慢，热效率较低。黏土质坩埚的生产原料用大型矿山的优质黏土 原料，制作工艺采用机械真空的方式成形。坩埚内熔化的玻璃液不能全部用于成形， 一般坩埚上部的玻璃液比较脏，有气泡、条纹、结石等缺陷，这层玻璃舍弃不用： 另外坩埚底部的玻璃液缺陷也较多，同样不能用于成形，所以实际用于成形的玻璃 液要比坩埚内熔化的玻璃液量要小，因此玻璃液利用率较低。 ( 3 )燃烧室是煤燃烧的地方，煤在这里燃烧后，火焰通过喷火口进入到作业 室内对坩埚外壁进行加热( 间接加热其内的玻璃液) 。 ( 4 )漏料坑漏料坑就是盛放废玻璃液的地方，一旦盛玻璃液的坩埚破裂，坩 埚内的玻璃要流到漏料坑内，再从漏料坑内清理出去。 ( 5 )烟道烟道是排出废气的通道，煤的燃烧会产生大量的废气及烟尘，环境 污染严重。为了减少气流的阻力，要求烟道短而直，尽量减少拐弯。 ( 6 )烟囱在烟囱与烟道的连接处设有闸板，用它调节烟囱的抽力，以保持炉 膛内的正常压力。它影响n - 次空气的进风量、火焰长短、燃烧好坏等一系列问题。 7 河北科技大学硕士学位论文 图2 - 1 坩埚炉结构简图 f i g 2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fc r u c i b l ef u l l l a c e 2 1 2 传统玻璃窑炉的工作周期 传统玻璃窑炉的一个工作周期如图2 2 所示。 i将玻璃配合料投进坩埚内i 图2 - 2 传统玻璃窑炉的工作周期 f i g 2 - 2 t h ed u t yc y c l eo f c o n v e n t i o n a lo a s sf u r n a c e 8 第2 章超小型间歇式电熔玻璃窑炉的总体设计方案 2 1 3 传统玻璃窑炉存在的问题 大部分小型玻璃厂目前使用的传统的玻璃窑炉存在一些问题，这些问题与国家 的一些政策相违背。这些问题主要体现在节能、环保上。 ( 1 )节能问题如图i - 1 所示，传统的坩埚炉是以用煤、汽、油做为能源，坩 埚内装玻璃配合料进行熔化，玻璃液不直接与火焰接触，而是通过坩埚壁间接传热 熔化玻璃，导致热效率低，玻璃熔化速度慢，还有从图上就可看出大部分热量从窑 墙直接散失掉了，导致热损失更为严重，最终的热效率只有1 0 左右，在能源日益紧 张的今天，节约能源、提高能源利用率是刻不容缓的。属于间歇式熔炉，这类炉产 生大量的废气、烟尘，对环境造成很大危害，它是环境的主要污染源，是企业环保 不达标的主要原因。热损失严重，还导致 ( 2 )环保问题小玻璃厂使用的传统玻璃窑炉大多是以煤做为燃料的，燃煤 会排出s 0 ：，二氧化硫的排放使空气污染不断加剧，导致酸雨的形成，同时还有大量 的烟气、粉尘等的排放，对环境造成很大危害，这类炉是环境的主要污染源，是企 业环保不达标的主要原因。图1 - 1 中就可以看出，车间到处都充满了灰尘，工作环 境恶劣。这一类的小玻璃厂是国家环保政策的主要治理对象，解决环保问题是企业 能够生存发展的关键。 经过前面的传统玻璃窑炉的现状分析，分出结论，小型玻璃生产企业要想生存、 发展就必须舍弃传统的玻璃窑炉，开发一种新型的节能、环保的，适合小厂生产方 式的玻璃窑炉。 2 2 超小型间歇式电熔玻璃窑炉的总体设计方案 为了合理安排设计进度，把超小型间歇式电熔玻璃窑炉分成四个部分来设计， 即：耐火材料部分、钢结构支架部分、电极配件及冷却循环水系统、电控部分。 主要设计内熔为： 1 ) 通过分析确定窑炉的形状，计算得出盛放玻璃液的窑池的内部尺寸( 长、宽、 深) ，通过查阅学习耐火材料知识，选择各部分耐火材料种类，确定窑墙厚度等。 运用三维造型软件a u t o d e s ki n v e m o r 对耐火材料部分进行三维造型，直观有效的进 行设计，方便出工程图和现场安装。 2 ) 分析计算出耐火材料在高温状态下的膨胀数值，合理选择各部分所用钢结构 材料的种类，充分考虑膨胀的因素，设计合理的钢架结构。 3 ) 通过窑炉所熔化玻璃的种类，确定熔化此种玻璃的电极的材质。 4 ) 研究确定电极的冷却方式，选择电极水套的材质，设计结构尺寸。 5 ) 给窑炉配备冷却循环水系统。 6 ) 分析确定供电方案，通过理论电流值的计算，最终确定电极的尺寸及插入玻 9 河北科技大学硕士学位论文 璃液的深度。 7 ) 计算得出变压器参数，完成各电气件的选型。 8 ) 运用三维造型软件，模拟生成该窑炉的组装完成后的效果图。 2 3 设计要达到的目标 本课题主要是要设计一种能替代传统玻璃窑炉的小型间歇式电熔玻璃窑炉，满 足节能、环保的要求，预期目标为： 1 ) 不改变原有小玻璃厂的生产方式和习惯，改善工人的工作环境，避免像传统 玻璃窑炉那样在灰尘和烟气中工作。 2 ) 环保达标，不再有超标烟尘排放。 3 ) 提高能源利用率，使热效率达到6 0 。 2 4本章小结 本章介绍了传统玻璃窑炉的原理和工作过程，分析了其所存在的问题，以及超 小型间歇式电熔玻璃窑炉的总体设计方案，以及最终要达到的目标。 1 0 第3 章超小型间歇式电熔玻璃窑炉主体结构和关键尺寸参数设计 第3 章超小型间歇式电熔玻璃窑炉主体结构和关键尺 寸参数设计 3 1 玻璃电熔技术简介 目前，在国内已有不少的玻璃器皿生产厂已经采用了电熔炉来熔化玻璃，其对 行业的发展和提高起到了推动作用。现简要介绍一下玻璃电熔技术。 3 1 1玻璃电熔原理 玻璃电熔是将电流通过电极引入玻璃液中，对玻璃液直接通电加热，通电后两 电极间的玻璃液在交流电的作用下产生电流焦耳热，从而达到熔化和调温的目的。 玻璃在室温下是良好的绝缘体，但如果对玻璃进行加热，当加热到一定温度的时候， 玻璃的电阻开始下降，随着温度的升高，在某一温度下，电阻急剧下降，随着加热 。 温度的不断升高最后玻璃由低温下的绝缘体到高温下则成为良好的导体。不同组份 的玻璃，电阻随温度的变化是不同的。玻璃在高温下电荷通过离子发生激烈往复 运动，自身产生热量即所谓“内摩擦”发热，以离子开始导电。 硅酸盐玻璃具有一个无序网络结构，除了共价键结合的硅和氧离子外，网络还 包括玻璃改良剂离子，它们是相对自由的，特别是碱金属离子。在玻璃网络结构中 结合能力最弱的也是碱金属离子，它们是电流的载体。在石英玻璃和硼硅酸盐玻璃 中，含有少量的碱金属离子，则导电性较差。在钠钙硅玻璃中除了离子数量外，离 子的强度和离子的半径也影响玻璃液的导电性能。 玻璃导电性难易是以其电阻率来表示的。玻璃的电阻强烈的依赖于温度，这是 因为网状结构空穴中的改良离子，在电场和电场方向影响下移动，从一空穴流向别 一个空穴，离子需要能量，该能量随温度升高而降低，因为，温度升高玻璃液的电 阻率变小，电导率增加。 玻璃液具有电解特性，直流电会使电极表面产生沉积物和形成气泡。同时，电 流流动需要活化能，因此，玻璃电熔只能采用交流电。 3 1 2 玻璃窑炉常用耐火材料 玻璃熔窑是由耐火材料构成的熔制玻璃的热工设备。选择玻璃熔窑用耐火材料， 应考虑窑型、使用部位及其损毁机理、熔制玻璃的品种等。玻璃熔窑用的耐火材料 首先应能很好的抵抗玻璃熔体和气体作用物的侵蚀，并应具有足够高的荷重软化温 1 1 河北科技大学硕士学位论文 度和热稳定性。 ( 1 ) 黏土砖黏土砖以黏土熟料( 经过段烧的耐火黏土) 为骨料，以软质黏土 作结合剂，用可塑法或半干法成形，在1 3 0 0 一- 1 4 0 0 。c 下烧成。黏土砖由于其原料不 同，化学成分的变化也很大。其主要成分是a l 。0 。和s i 0 2 。黏土砖的抗热振性较好， 波动范围大，一般均大于1 0 次( 1 1 0 0 水冷) 。黏土制属于弱酸性的耐火制品，随 s i o 。含量增加其酸性增强。它对酸性具有一定的抗侵蚀能力，而对碱性侵蚀抵抗能力 较差，因此黏土砖宜用作酸性窑炉的耐火材料。 ( 2 ) 硅线石砖与黏土砖相比，硅线石砖具有更高的高温荷重软化温度，它具 有致密的细粒结构，抗热振性良好，耐急冷急热。可浇铸成复杂形状，极适合制作 复杂空间结构，泥筒、冲头、料碗。 ( 3 ) 电熔锆刚玉砖电熔锆刚玉砖属于a 1 。o 。- z r o ：一s i o ：系统( 简称a z s 砖) 。 按照z r o 。的含量划分为三级，与此相对应的牌号为：a z s 一3 3 ( 含z r 0 2 3 3 ) 、a z s 一 3 6 ( 含z r 0 2 3 6 ) 、a z s 一4 1 ( 含z r o 。4 1 ) 。电熔锆刚玉砖的化学成分包括：氧化铝 ( a i ：0 3 ) 、氧化锆( z r o 。) 、氧化硅( s i 0 2 ) 、氧化钠( n a 2 0 ) 、氧化硼( b ：0 。) 、氧 化铁( f e 。o 。) 、二氧化钛( t i o ：) 等，其中最能提高其性能的成分是z r 0 2 ，z r o ：具有 高温下保持高的机械强度的特点，其荷重软化温度2 0 0 0 。c 时变形为4 ，但热稳定性 稍差。z r o ：化学稳定性高，2 0 0 0 。c 以下不与金属、玻璃、硅酸盐等作用。 电熔锆刚玉砖以锆英石和工业氧化铝为主要原料，再加入少量的富锆砂、纯碱、 和硼砂。图3 - 1 是锆刚玉砖的生产工艺流程。 按熔融气氛的不同，有还原熔融法和氧化熔融法两种。电熔锆刚玉砖有四种浇 注方法：普通浇铸法、倾斜浇铸法、无缩孔浇铸法、密实浇铸法。质量最好的要数 无缩孔浇铸法浇铸时再吹入氧，叫做氧化法无缩孔浇铸，生产出来的砖成分均匀、 组织致密。 电熔锆刚玉砖的特点是组织稳定而致密，耐玻璃液侵蚀性很强，对玻璃液污染 的程度非常小。电熔锆刚玉砖电绝缘性较好，并随温度的升高而下降。电熔锆刚玉 砖极适合作为电熔玻璃窑炉内衬。 1 2 第3 章超小型间歇式电熔玻璃窑炉主体结构和关键尺寸参数设计 图3 - i电熔锆刚玉砖的生产工艺流程 f i g 3 if u s e dz i r c o n i ac o r u n d u mb r i c kp r o d u c t i o np r o c e s s ( 4 ) 轻质耐火材料轻质耐火材料可以隔热，属于隔热材料，能减少窑体散热、 节约能源，还可减轻窑体质量，降低窑炉造价。经常用于电熔窑的是轻质黏土质隔 热砖，它是以耐火黏土为主要原料制成的a l 。0 3 含量为3 0 - - - 4 8 的隔热耐火制品。 其生产工艺用烧尽加入法和泡沫法。以耐火黏土、漂珠、耐火黏土熟料作原料，掺 加结合剂和锯木屑，经配料、混合、成形、干燥、烧成，制得体积密度为0 3 1 5 9 c m 3 的产品，轻质黏土质隔热砖的产量占隔热耐火砖总产量的一半以上。 3 1 3 超小型间歇式电熔玻璃窑炉所要熔化玻璃的种类 本课题所研究的窑炉主要是针对环保不达标的小玻璃厂的，这些厂生产玻璃的 种类大多是普通钠钙玻璃，所以超小型间歇式电熔玻璃窑炉所要熔化的也是普通钠 钙玻璃。 3 2 超小型间歇式电熔玻璃窑炉的主体结构设计 表面上看玻璃电熔不过是欧姆定律、焦耳定理和其它一些基本电工原理的简单 应用。但实际要复杂的多，电熔窑设计包括：冷顶还是热顶，单个熔化池还是多个 熔化池，单相供电还是三相供电，三角形、矩形、六角形还是圆形，垂直电极还是 水平电极，加料方式等。 对于日产量低于2 0 吨，要求连续生产的电熔窑应该是冷顶的。但每天班倒的手 1 3 河北科技大学硕士学位论文 工操作的间歇式电熔窑却是热顶的。 3 2 1电熔炉的常见形状 电熔炉的形状有很多种，熔化玻璃的种类不同，形状也会有所不同。 在1 9 8 5 年，承德华富公司从国外引进的钠钙器皿玻璃电熔炉，是六角形的，见 图3 - 2 中所示，配置两层棒状电极，三相供电，人工加料。 在2 0 0 7 年，承德华富玻璃技术工程有限公司为江苏某厂家设计建造了一座熔化 乳白玻璃的全电熔炉，见图3 - 3 所示，该炉为圆形，熔化能力2 5 t d ，采用顶插电极， 三相供电。还有熔化能力在4 吨以下的电熔炉，多数采用矩形，见图3 4 所示，这 类炉采用两相供电，还要配备三相功率平衡电源系统。还有一些熔化特种玻璃的特 殊炉形，如三角形，t 型炉等。熔化不同种类的玻璃，需要有不同的炉型和结构。 图3 - 2 六角形三相电熔炉图3 - 3 圆形三相电熔炉 f i g 3 2h e x a g o n a lt h r e e - p h a s ec l e c t r i cf u m a c 七f i & 3 - 3 r o u n dt h r e e - p h a s ee l c c 仃i c 3 2 2 电熔窑电极插入方式及供电方式 现在国内外电熔窑的电极插入方式有以下几种：侧墙水平插入( 见图3 5 ) 、底 部垂直插入( 见图3 - 6 ) 、顶部插入( 见图3 - 7 ) ，这三种方式都是针对棒电极而言 的。还有一种板状电极，从窑侧墙水平插入，板状电极结构较棒状电极复杂，安装 又不方便，在烤窑升温时还要特殊处理，并且在使用中不能更换，所以在实际当中 使用的不多。板状电极一般用于小型电熔窑或料道内，板状电极把电路长度增至最 大并有效的利用了钼，从而产生均匀而又低的电流密度。 1 4 第3 章超小型间歇式电熔玻璃窑炉主体结构和关键尺寸参数设计 f 图3 - 5 侧墙水平插入图3 - 6 底部垂直插入图3 7顶部插入 f i g 3 - 5 i n s e r tt h es i d ew a l lo f t h el e v e lo f f i g 3 - 6 i n s e r tt h eb o t t o mo f t h ev e r t i c a l f i g 3 7t o pi n s e r t 不同的电极支数及插入方式，需要有与之配套的电控系统。 如图3 - 2 所示，六角形三相电熔炉，它的供电系统是一个对称的三相系统，如 图3 - 8 ，相与相的电压是处在1 2 0 。的相角上，设计的先决条件是要使功率释放均匀 和对称。获得对称的三相控制所使用的大部分办法就是采用六角形结构，电极可以 采用垂直底插、顶插或水平侧墙插。 固。 图3 - 8 对称的六电极一三相系统 f i g 3 8s y m m e t r i c a ls i xe l e c t r o d e s t h r e e p h a s es y s t e m 如图3 8 所示，供电系统是个双三角形系统，如图3 - 9 ，这种排列，除a 、b 、c 电极外，还有d 、e 、f 电极，可以水平布置，也可以垂直布置。 1 5 河北科技大学硕士学位论文 b a f 图3 9 对称的六电极一双重三相系统 f i g 3 - 9s y m m e t r i c a ls i xe l e c t r o d e s d o u b l e - p h a s es y s t e m 如图3 4 所示的矩形炉，它的供电系统是一个两相的供电系统，它利用相角为 9 0 。的两个相，为了完成这种相的变换和提供一个平衡的三相初始负载，使用斯考 特( s c o t t ) 变压器供电( 见图3 1 0 所示) ，两相间的电压等于0 7 0 7 的相电压。为了 利用9 0 。的相关系带来的好处，以及使得两相负载相等，电极必须布置成一个正方 形，正方形的布置可以单位也可以成倍使用。电极可以垂直或水平布置，电极作对 角线连接才能保证熔化池内均匀地释放能量。 三相交压器 图3 1 0 对称的六电极一双重三相系统 f i g 3 - 1 0s y m m e t r i c a ls i xe l e c t r o d e s d o u b l e - p h a s es y s t e m 3 2 3电极距窑池内壁距离的确定 棒状电极在玻璃内放电的时候，在电极的端部会有一个高温区，如图3 1 1 所示， 在设计窑炉的时候，要使电极距底部砖有一定安全距离，免得高温区部位的底砖被 提前烧坏，高温区是环绕电极的一个环形区，环绕电极的直径大概在3 0 0 毫米左右。 为什么会有端部高温区的现象，那是因为电极端部放电产生的，如图3 - 1 2 所示，一 对电极放电的时候，电极端部的电力线最为密集，此处的电流密度也最大，因此此 处的温度最高。当在大中型窑炉中，输入功率都较大，高温区的直径也相应增大。 1 6 第3 章超小型间歇式电熔玻璃窑炉主体结构和关键尺寸参数设计 但在小型炉的设计中，电极距窑壁砖的安全一般都在2 0 0 毫米左右。 高温区电力线 图3 - 1 1 三极端部高温区图3 1 2 三极端部放电 f i g 3 11p a r tt h r e ec x 仃e m ch i g ht e m p e r a t u r ef i g 3 - 1 2 p a r tt h r e ee x t r e m ed i s c h a r g e 3 2 4 超不型间歇式电熔玻璃窑炉关键尺寸参数的确定 ( 1 ) 窑炉形状的确定在设计窑炉的时候，要考虑供电网络的三相平衡问题，因 为供电局对用电量很大的企业都会要求这一点，以保证供电网络的平稳运行。根据 前面所讲的内容，六三形的窑池，对称三相控制，是最合理的，故此将本课题研究 的超小型间歇式电熔玻璃窑炉的形状定为六角形。 ( 2 ) 窑炉面积及深度的确定小型玻璃厂用的传统坩埚炉的生产习惯是，操作工 人站在地面就可以直接取玻璃料进行成形操作，最方便取料操作的高度在7 0 0 毫米 左右，所以为了不改变操作工人的生产操作习惯，将窑炉深度定为5 0 0 毫米：在窑 炉中不是所有的熔化好的玻璃液都能取出利用，因为电极的高温部分是不能暴露在 空气当中的，另外重新加料熔化的时候还要利用窑炉中剩余的玻璃液进行导电。经 过前面的介绍，决定将电极定在距离窑底2 0 0 毫米的位置，同时熔化完的玻璃液不 能溢出窑炉，要留一点空间。窑炉中能盛放可利用玻璃液的深度空间只在2 0 0 毫米 左右，普通钠钙玻璃的密度在2 5 t m 3 ，窑炉日熔化量在5 0 0 k g ，最后算出窑炉的面 积应该在1 m 2 。最终确定窑池尺寸，如图3 1 3 所示。 1 7 河北科技大学硕士学位论文 ， n 图3 1 3 窑池内部