【论文资料】特大规模浮法玻璃熔窑结构设计探讨.pdf

全国性建材科技期刊 玻璃 2 0 0 1 年第5 期总第f5 8 期 特大规模浮法玻璃熔窑结构设计探讨 唐福恒 秦皇岛玻璃工业研究设计院秦皇岛市0 6 6 0 0 1 摘要提出了浮法玻璃熔窑结构设计的最关键点是确定好熔化部和熔化区的长宽尺寸 给出了特大规模熔窑熔化 部和熔化区适宜的长 宽尺寸范围及长宽比的范围 对大跨度窑碹的安全可靠性进行了论证 列举了特大规模浮法玻 璃熔窑的设计方豢 关键词特太规模浮法玻璃熔窑结构设计 浮法玻璃生产线的规模一般以其熔窑的日熔化 玻璃液的吨位来划分 大体可分如下 2 0 0t d 以下 为小规模 2 0 0 4 0 0t d 为中规模 4 0 0 6 0 0 t d 为大规模 6 0 0 8 0 0t d 为特大规模 8 0 0t d 以上为超大规模 在我国已建成的近七十条浮法玻璃生产线中 多数属于中等规模以下的 属于大规模有二十余条 属于特大规模的仅有两条 在国外已有多条8 0 0t d 的特大规模浮法线 超过8 0 0t d 甚至达到1 0 0 0t d 的超大规模浮法线也在酝酿之中 随着我国浮法玻璃工业的发展和浮法玻璃技术 水平的提高 新建或改扩建特大规模浮法玻璃生产 线的计划已提到日程上来 浮法线的规模越大 总体 经济效益越好 特大规模浮法玻璃生产线 最关键的 是要设计 建设好特大吨位的浮玻璃熔窑 特大规模浮法玻璃熔窑结构的最关键点是 合理的熔化部宽 长尺寸 安全可靠的大跨度窑 碹 1 熔化部的宽 长尺寸 熔化部是整个熔窑的主体 熔窑的熔化能力 熔 化的玻璃液质量 能耗指标 窑龄等都主要由熔化部 来体现 10 熔化部的长 宽尺寸怎么定 其长宽比例取多少 为合适 熔化区的面积是简单的池宽与池长的乘积 吗 小炉对数取多少对台适 本文将就此进行探讨 在八十年代中后期 我国相继建成投产f 四座 设计熔化能力为4 5 0 5 0 0t d 级的大型浮法玻璃 熔窑 其中两座的熔化部池宽是1 0 5m 另两座是 1 0m 投产以后情况表明 这四座熔窑的实际熔化 能力都只是达到 或勉强接近达到设计熔化能力的 下限 都达不到设计的上限 以其中的一座熔窑为例 该熔窑设计熔化能力 4 5 0 5 0 0t d 熔化部池宽1 0m 八对小炉 小炉中 心线问距3 5m 熔化部池长3 9m 设汁熔化牢一 1 7 2t m 2 d 该熔窑于19 8 9 年7 月点火烤窑 1 9 9 5 年4 月放水冷修 在整个第一窑期内熔窑的熔 化能力始终没有超过4 3 0t d 在这一窑期内 玻璃厂为了提高该熔窑的熔化 能力 进行了多次的 长时间的调整和试验 从小炉 开启对数的增减 热点位置的前后移动 各小炉燃料 分配比例的调节 投入窑内配合料层厚度的改变等 等 最后的结果是 只要超过4 3 0 t d 熔化的玻璃液 质量就要下降 拉出的玻璃就会出现熔化方面带来 的缺陷 该熔窑的第二窑期从1 9 9 5 年6 月开始 到现a j 全国性建材科技期刊 玻璃 2 0 0 1 年第5 期总第1 5 8 期 已经运行了6 年多了 在1 9 9 5 年的冷修改造中 主 要改造内容有 投料口加宽并采用i 型吊墙 采用 了全新结构的小炉并加宽了小炉喷火口的宽度 蓄 热室格子体高度增加了1n 1 采取这些措施后 该熔 窑的熔化能力增加到了4 6 0 4 7 0t d 还是不能达 到5 0 0 t d 该浮法线的原料系统 成形 退火 冷端设备等 都基本具备达到5 0 0t d 的能力 但熔窑能力不足 致使整条浮法线不能达到设计的最高产量 该熔窑 的窑池长度有余 却宽度不足 熔化部的池宽1 0n 池长3 9m 熔化区池长一3 5 8 l 一2 9 m 属于 明显的 窄长形 熔窑 熔化部的长宽比是 k 一3 9 1 0 3 9 熔化区的长宽比是 k 一2 9 1 0 一2 9 在今天看来 这两个长宽比值都显得有些失调 一般设计合理的4 5 0 5 0 0t d 规模的大型浮法玻 璃熔窑的熔化率可达2 5t m 2 d 左右 而该熔窑 的初始设计熔化率为1 7 2t m 2 可算是保险系数够 大的了 熔化部池宽1 0m 熔化区池长2 9m 熔化 区面积 1 0 2 9 2 9 0 m 2 熔化能力应为 p 1 7 2 2 9 0 一5 0 0 t d 但投产后的实践证明 虽然熔 窑的熔化率取得很低 而因为熔化区的池宽与池长 的比例失调 最后结果是不能达到所设想的熔化能 力 为什么会出现这种情况呢 定性地说 这里有一 个单位面积热强度 或火焰强度 问题 不同规模熔 窑的熔化率是在一定的单位面积热强度下才能实现 的 如果熔化区太窄 太长 必然增大了窑体的散热 表面积 同时 窑宽越窄燃料在窑内的燃烧效率也越 低 因此 就会出现长宽比过大的窄长形熔窑的单位 面积热强度要下降 从而 反应单位面积熔化能力的 熔化率也就达不到所设定的值了 于是 熔窑的熔化 能力也必定受到影响 八十年代里国内建成的另外三条大型浮法玻璃 生产线的熔窑 也都不同程度地存在同样的问题 熔 化部太窄 熔化区太长 在每次的冷修中 需要不断 地改造 主要改造措施为 一是加宽熔化部池宽 二 是通过减少小炉对数减短熔化区长度 经过改造后 的熔窑 熔化能力有明显的提高 当时的设汁思路是 熔窑吨位大 池宽不能太 宽 否则大碹不安全 池长可眦做得很长 这是八十 年代前期的普遍做法 包括国内引进的中外合资特 大型浮法玻璃生产线的熔窑也是如此 其熔窑相对 应的两个长宽比值分别是 k l 一3 7 3 k 2 2 2 7 九十年代阻来 国内新建了四十余座浮法玻璃 熔窑 从这些熔窑的熔化部尺寸看 熔化部的长宽比 和熔化区的长宽比分别为 k t 一3 1 3 4 k z 一1 8 2 1 投产后的情况表明 这些熔窑的k k 值选得 比较适当 绝大多数熔窑都达到了预期的设计指标 从资料上看到 有些国外的大型浮法玻璃熔窑 的这两个比值甚至更小 有一座5 0 0t d 的浮法熔 窑 只用5 对小炉 其熔化部和熔化医的长宽比分别 为 k l 一3 k 一1 8 综上所述 可以很清楚地看到 浮法玻璃熔窑的熔化部和熔化区的长与宽 之比都有一个合理的范围值 熔化区的长度随池宽有确定的合理值 而不 是可以随意加长的 熔窑的熔化能力主要由熔化区的池宽 即熔 化部的池宽 决定 那么浮法玻璃熔窑的熔化部和熔化区的长宽比 值k 和k 在多大范围之内为合适呢 根摒近年来 国内外数十座熔窑的实践证明 笔者认为应为如下 k 一3 3 3 k 2 1 8 2 0 在选取这两个比值时 当建设场地 燃料质量 l l 全国性建材科技期刊 玻璃 2 0 0 1 年第5 期总第i 5 8 期 喷枪能力 耐火材料等 都能满足要求时 应尽量选 取较小的值 使熔窑为 宽短形 这样可以得到最佳 的效果 关于熔化部池宽尺寸的理论计算 由于牵涉的 因素较多 目前还没有很确切的计算方法 只有一些 经验公式 美国t e c o 公司有一个根据熔化能力计 算熔化部池宽的经验公式 熔化能力用p t d 表 示 熔化部池宽用b m m 表示 公式为 2 5 p 肛9 5 0 0 蒜 根据这一公式画出的熔化部池宽与熔化能力关 系的曲线见图l 图中下面的曲线是按t e c 经验 公式确定的 上面的曲线是根据国内经验进行的修 正 从近年来国内建成投产的几十条浮法线的运行 情况看 这一公式是基本可行的 如果需要熔化能力 留有余地 可适当加宽一些 图1 熔化部池宽与熔化能力关系曲线 从图 中可以查到 7 0 0 8 0 0t d 特大规模浮 法玻璃熔窑的熔化部池宽应在1 2 1 3m 的范围 内 确定了池宽之后 根据已选定的熔化部和熔化区 的长宽比系数k 和岛 熔化部和熔化区的长度也 就确定了 特大规模浮法玻璃熔窖的熔化部池长应 在3 6 4 0m 的范围内 熔化区池长应在2 2 2 5m 的范围内 有了熔化区长度 小炉的对数就可以确定了 关 于小炉对数 根据前面所述的情况 过去那种以增加 小炉对数来扩大熔化区长度的思路已被实践证明是 2 行不通的 可以这样说 第8 对小炉完全无用 第7 对小炉可有可无 第6 对小炉主要起调节作用 正因 为如此 近年来才出现了国外有的5 0 0t d 浮法熔 窑只设5 对小炉 由美国t e c o 公司设计并已运行 了多年的两座7 0 0t d 浮法熔窑都是仅有6 对小 炉 对于特大规模浮法玻璃熔窑来说 粗略地算熔 化区每增加一米长 要增加8 0 l o o 万元的投资 同 时每天要多耗大约一吨的燃油 可见熔化区过长 在 经济上是很不上算的 全国性建材科技期刊 玻璃 2 0 0 1 年第5 期总第1 5 8 期 鉴于此 笔者认为 对于特大规模的浮法玻璃熔 窑来说 小炉对数以6 对为最佳 小炉中心线间距取 得较大些 3 5 0 0m m 最多7 对 小炉中心线间距 取得较小些 3 3 0 0m m 小炉水平剖面宜采用喇叭口形式 使喷入窑内 的火焰有个扩散角 火焰在窑内分布得更均匀合理 提高热效率 对于特大规模的浮法玻璃熔窑来说 这 点尤其必要 2 安全可靠的大跨度窑碹 在保证窑池面积不大改变的前提下 窑池的长 宽比值减少 就意味着窑池长度减短 而窑池宽度加 宽 池宽加大 大碹的跨度也随之加大 熔窑大碹结 构的安全性能否得到保证 这是确定特大规模浮法 玻璃熔窑熔化部长宽比值k k 的前提 是确保特 大规模浮法玻璃熔窑长窑龄的关键所在 在建筑业和机械制造业中 常用的金属材料都 有一个许用的应力值 在确定构件尺寸时 其内应力 必须不能超过许用应力值 但在建材行业中 特别是 热工窑炉专业中 很多常用的炉体材料都只有个常 温耐压强度 而没有许用应力值 更没有在热态时的 许用值 这就只能在实践中从小到大逐步试验 逐步 摸索 逐步认识 逐步提高了 玻璃熔窑大碹常用材料是优质硅砖 优质硅砖 的物理性能 体积密度 g c m3 1 8 6 显气孔率 2 0 耐火度 1 7 0 0 常温抗压强度 m p a 3 4 妇 c m 2 3 4 0 荷重软化温度 7 64 c o 2 m p a 1 6 8 0 重烧线变化 1 4 0 0c 2 4 h o 2 大规模浮法玻璃熔窑大碹的工作条件 除了因 为碹跨大 因而碹砖的压应力大以外 其它条件与一 般浮法熔窑相同 所以仍可用优质硅砖 在我们已经 使用过的各种部位窑碹中 实际的碹砖最大压应力 究竟有多大 大跨度窑碹碹砖的最大压应力能够有 多大 可以通过以下计算得知并进行比较 先以熔化都后山墙承重碹为例 承重碹的碹弧 中心角口兰3 8 碹厚d 5 0 0m n l 碹跨 一1 j j u m m 碹半径r 一6 9 8 8m m 采用优质硅砖 承重碹之 上为高 一3 m 厚s 一4 5 0 m m 的优质硅砖后山墙 计算其碹砖的最大压应力 首先要说明一下大碹的热态附加水平推力系数 的选取问题 大碹在热膨胀状态下产生的附加水 平推力系数与下列因素相关 水乎推力系数与大碹的股跨比 即碹弧中心 角 成反比 与碹的厚跨比 用百分数表示 成正比 与碹所受荷载成正比 从t e c o 熔窑设计资料上可以查到 当碹弧巾 心角为3 8 碹厚与碹跨比为7 白重碹的热态附 加水平推力系数 一5 熔化部后山墙碹的厚跨比为 5 0 0 4 5 5 0 一1 1 而且承受3m 高的后山墙重量 水平推力系数 要比5 大得多 但在t e c 资料 上 给出的3 8 中心角碹的厚跨比只有4 7 的 超 过7 的没有列出 国内也没有这方面资料 在此 为了能够计算对比 就设定 一5 实际要远大于5 这样假定的计算结果可使对比更具有说服力 以5 4 5 0m m 厚的熔化部后山墙所对应的承 重碹为例进行计算 1 承重碹自重 g l 一 r o 2 尺2 3 6 0 s y 3 1 4 16 6 9 8 8 o j 2 6 9 8 8 3 8 3 6 0 1 0 4 5 1 9 2 0 5 t 2 山墙自重 g 2 6 s y 一4 5 5 0 4 j x3 1 9 1 1 6 7 t 3 承重碹总荷重 g g l 十g 2 3 全国性建材科技期刊 玻璃 2 0 0 1 年第5 期总第1 5 8 期 一z 十儿 6 7 13 7 2 t 4 承重碹脚水平推力 h g 2 t a n a 2 一 3 7 2 2 t a n 3 8 2 一l9 9 3 t 5 冷态承重碹砖最大承压力 1 一 h 2 g 2 2 2 一 1 9 g3 2 1 3 7 2 2 2 2 2 1 0 8 t 6 热态碹砖最大承压力 前面已设定热态附 加水平推力系数女一5 h 一 h 2 g 2 2 2 一 5 2 1 0 8 2 1 3 7 2 2 2 2 9 9 8 7 t 7 冷态承重碹砖平均压应力 y 1 一h 1 s d 一2 1 0 8 o 4 5 0 5 一9 3 7 t m 2 一9 3 7 k g c m 2 8 热态承重碹砖平均压应力 y 一hj 5 d 一9 9 8 7 0 4 5 0 5 4 4 3 9 t m 2 一4 4 3 9 k g c m 2 9 冷态承重碹砖最大压应力 z l 一2 y l 一2 9 3 7 1 8 7 4 k g c m 2 1 0 热态承重碹砖最大压应力 z 一2 y 一2 4 4 3 9 8 8 7 8 k g c m 2 现以大跨度窑碹为例进行计算 假设熔化部池 宽为1 0 1 5m 熔化部大碹的碹弧中心 角取5 2 碹 厚5 0 0m m 采用优质硅砖 大碹保温层采用轻质硅 砖和可塑浇注料组合 保温层重为碹重的四分之一 计算不同跨度下碹砖的最大压应力 以1m 的碹长为例进行计算 计算方法同前 取热态附加水平推力系数五一1 5 按t e c 0 资料 计算过程省略 见表1 表1 不同池宽的文碹砖应力计算 池宽 碹跨 每米碹重 水平推力 冷态碹砖最大承雎力 热态碹砖最大承压力 玲志碹砖平均压应力 热志碹砖平均压应力 挣志碹砖最大雎应力 热杰碹砖最大压应力 k g k g k z k g 从以上计算得知 熔化部后山墙承重碹 碹砖的摄大压应力分别 是冷态常温时 1 8 7 4k g c m 2 热态工作时 8 8 7 7 k g c n l 2 熔化部池宽为1 5m 时 大碹砖的最大压应力 分别是冷态常温时 8 8 7k g c m2 热态工作时 1 2 5 8k g c m 1 4 熔化部后山墙承重碹处的热态温度在l3 8 0 14 2 0 碹砖的热态最大压应力为8 8 7 7k 叠 c m 是优质硅砖常温抗压强度3 4 0k g c m 2 的2 6 1 经过近几年来的几十座熔窑的运行证明 优质硅砖 用在此处承受这样大的压应力 是安垒可靠的 对于浮法玻璃熔窑来说 熔化部热点部位 大碹 内表面的正常操作温度一般在1 5 8 0 1 6 0 0c 之间 蛎吣他 扣阱销o 乱亿 o 船阱他们 帅蛆馏 h m m 弧孤o i 蒜篙篇鬻一 0 拈卯 螬 i l m 0站曲 曲 加乩 u m强o i 机i 鲫 蛐昕 n强m弧i屯机o h h 儿1叫 叫 叫饥 岫 全国性建材科技期刊 玻璃 2 0 0 1 年第5 期总第1 5 8 期 个别情况下 有时会短时间超过16 0 0c 但一般不 会超过1 6 2 0 在假定熔化部池宽达到15m 时 碹 砖的热态最大压应力为1 2 5 8k g c m 2 是优质硅砖 常温抗压强度的3 7 是熔化部后山墙承重碹热 态最大压应力的七分之一 从前面的熔窑规模与池 宽图表可以看到 即使是超大规模的1 0 0 0t d 的熔 窑 熔化部池宽也就是1 4m 左右 而对于7 0 0 8 0 0 t d 的特大熔窑来说 熔化部池宽也就是在1 2 1 3 m 的范围内 其大碹砖的热态最大压应力在1 0 1 l k g c m2 的范围内 远远小于8 8 7k g c m 2 再从国内已建成的大型浮法玻璃熔窑的实际运 行情况看一下 秦皇岛耀华国投线5 0 0t d 大型浮 法熔窑 熔化部池宽1 1m 大碹跨度1 1 6m 大碹 砖的热态最大压应力是9 8 6k g c m 2 该熔窑已运 行4 年多了 情况良好 国内还有池宽超过1 1 m 的 浮法熔窑 其碹弧中心角大一些 大碹砖的热态最大 压应力也很接近1 0k g c m 2 该熔窑已运行多个窑 期了 大碹没有出现过安全问题 熔化部大碹与熔化部后山墙碹比较 不利的条 件是熔化部大碹最高温度比熔化部后山墙碹高了 2 0 0 c 这肯定对大碹砖的承载能力有一定影响 究 竟影响有多大 还无法给出量的分析 但可根据相关 情况的比做出适当的判断 对于7 0 0 8 0 0t d 的特大规模浮法玻璃熔窑 来说 大碹砖的热态最大压应力在1 0 1 1k g c n l 2 之内 与熔化部后山墙承重碹和耀华国投线大碹比 较来说 笔者认为 特大规模浮法玻璃熔窑 熔化部 池宽在1 2 1 3 m 范围内 采用优质硅砖做大碹 仍 然是安全可靠的 为了使大跨度熔窑大碹更加安全可靠 在大碹 的稳定性方面也要有些措施 一般是加大碹的厚度 比如 碹厚从4 5 0m m 加大到4 7 5 5 0 0m m 这是很 有必要的 稳定性提高了 而碹砖所受的最大压应力 并不增加 只是熔窑钢结构上需要更加强一些而已 很容易办到 大跨度窑碹的砌筑质量非常重要 泥口必须均 匀饱满 大碹上尽量少设 最好不设孔洞 大碹碹脚 与胸墙顶部接触部位一定要有良好的过渡层材料 烤窑时拉条螺母松紧程度要适宜 使大碹的压力线 始终保持在碹厚中间的三分之一范围之内 即大碹 的上下表面的砖缝都不开裂 3 设计方案举例 特大规模浮法玻璃熔窑的其它部位设计属于 般常规设计 这里不再介绍了 下面列举特犬规模的 7 0 0t d 和8 0 0t d 浮法玻璃熔窑设计方案各两个 为了对比 同时列出了大规模的j o ot d 和6 0 0t d 浮法玻璃熔窑方案各一个 见表2 16 页 女 欢迎订阅 陕西建材 杂志 月刊 陕西建材 杂志现代蓑饰月刊 一本享誉全国的建材专业优秀期刊 一本西北五省唯一拥有国家正式刊号的建材装饰期刊 一本涉及面广 可读性强 读者众多的行业期刊 一本让商家和消费群面对面 实现最大沟通的信息通道 一本助您完成品牌建立 提升企业形象开拓市场的媒体 陕西建材 杂志 刊号c n 6 1 1 1 4 2 t u 全国公开发行 可到当地邮局订阅 邮发代号 5 22 4 6 定价 6 0 元 年 大l6 开 每月2 0 日出版 也可直接向编辑部订阅 地址 陕西省西安市西七路1 6 2 号 陕西建材 编辑部邮编 7 l o 0 0 3 电话 0 2 9 7 2 9 3 4 7 5 传真 0 0 2 9 7 2 9 3 4 7 5 联系人 徐叶玲王杰 5 全国性建材科技期刊 玻璃 2 0 0 1 年第5 期总第1 5 8 期 投料口 池宽 m m 池长 m f r l 熔化部 池宽 m m 池长 m m 池摄 m m 1 之前长 m m 1 8 至末号长 m m 末号之后长 m m 熔化区长 m m 橙清区长 m m 熔化部面积 m o 熔化区面积 m 2 熔化率 t m 一2 d 1 澄清区比率 熔化部长宽比 熔化区长宽比如 卡脖 池宽 m m 池长 m m 冷却部 池宽 m m 池长 m m 冷却部面积 m 2 冷却面积比 m 2 t 一1 d 小妒 小炉对数 小炉中心线间距 m m