江苏大学材料热工课程设计课件

1、 题目：高硼硅玻璃电熔 窑炉的设计 目录前言31课程设计任务51.1设计任务51.2设计内容及原始数据说明52电熔窑的计算62.1熔化温度及电导率的计算62.2成分计算62.3 玻璃生成热计算82.4窑体散热计算102.4.1 窑墙的热损失102.4.2 窑底的热损失112.4.3窑炉上部结构的热损失122.5冷却水带走的热量122.6 电熔窑主要尺寸的计算和电热材料的计算132.7电熔窑熔化池最佳深度的计算132.8电热平衡的二次计算和电极的选择132.8.1 电极的选择132.8.2电极的布置132.8.3 电极的水冷保护132.8.4 二次特性的计算142.9变压器的设计选择143结语1

2、5参考文献15前言玻璃电熔技术是利用玻璃在高温熔融状态时的良好导电特性，在玻璃熔体内插入电极，通过电流的焦耳效应，在玻璃熔体内产生热能，从而达到熔化玻璃和连续加热的目的。1902年，沃尔克（Volker）利用电流通过玻璃配合料产生的热来熔化玻璃。随着熔窑设计和电极的不断改进和发展，这种电熔方法得到了广泛的应用。19201925年挪威的雷德（Raeder）利用石墨电极成功的实现了玻璃的全电熔。第二次世界大战期间，为了解决燃料短缺的问题，瑞士的波莱尔（Borel）在电容方面做了大量的研究发展工作，并且获得了成功。其工作成果由法国圣哥本（St.Gobain）加以推广，该公司还对电助窑的设计做了实际工

3、作。二战以后，钼电极越来越受到人们的关注。佩恩伯瑟（Penberthy）设计的电极系统使用钼棒，1952年玻璃工业开始广泛采用电助熔窑和全电熔窑。1956年英国的格尔（Gell）和汉恩（Hann）使用了板状钼电极设计电极系统。近20年来，玻璃电熔窑获得徐素推广。美国的瓶罐玻璃熔窑大约一半配有电助熔，并且数量仍在不断增加。电助熔的功率也在不断增加，从早期的300kw增大到目前的8001500kw，发展趋势仍未停止，现在已有了超级电助熔。所谓全电熔要，通常是指配合料熔成导电介质后，玻璃液本身成为电阻组件，实现玻璃的连续熔化。但配合料（含有部分熟料）未熔融成导电介质之前，即在烤窑阶段，仍需要气体或液

4、体来加热。目前，电熔窑主要用来熔制一下一些玻璃：（1） 21%、24%、和30%的PbO的铅玻璃（2） 3210-7膨胀系数硼硅酸盐玻璃：透明、棕色和乳白色（3） 药水瓶、管用中性玻璃（4） 含12%B2O3的玻璃棉（5） E玻璃（6） 光学玻璃（7） 乳白和深色器皿玻璃（8） 餐具、香水瓶、吊灯、车灯用钠钙玻璃琥珀色、绿色和无色钠钙瓶罐玻璃电熔窑具有以下优点：（1） 废气量少，防止空气污染。（2） 降低挥发性配合料组分的挥发。（3） 玻璃成分均匀。（4） 降低因结石造成的产品损失。（5） 在节假日停产后恢复生产容易。（6） 熔窑修复时间短。（7） 整个窑期内可始终保持满负荷的出料量。（8）

5、占地面积小，基建投资少。（9） 二氧化碳的回收方便。（10） 热量散失减少，能耗大大降低。（11） 玻璃质量好，效率高，成本低。（12） 建设投资少。（13） 全电熔窑易于调节控制，操作范围广。但电熔窑仍有以下缺点：（1） 用电成本和熔窑初期安装成本太高，窑龄较短。（2） 耐火材料寿命不长，电熔窑使用的耐火材料，不如火焰窑中所用的那么长。综上所述，在环保要求严格、电价低廉、玻璃熔化困难、玻璃要求较高和生产规模小的时候，可以考虑电熔窑。我国拥有丰富的水利资源，加上新建的核电站，为玻璃电熔技术的推广提供了能源基础。目前我国在制造平板玻璃、特种玻璃仪器、器皿玻璃的火焰池窑中采用电助熔，耗电量不多，但

6、对提高产品质量，改善劳动条件等诸多方面都有良好的效果，发展前景广阔，并且随着我国电力工业的发展，全电熔工艺生产也会逐年增加，因此玻璃电熔是今后的发展方向之一。计算机辅助设计简称CAD，是近几年发展起来的一门新技术，是计算机在工业设计领域中的一大应用。它是利用计算机上配备的巨大存储容量和多种资料存储和管理技术，把设计中的常用资料和图纸等保存在数据库和图形库中，供设计人员随时查阅、调用和编辑加工。计算机的快速、正确、严密的计算和逻辑判断能力，可以协助设计人员迅速完成各种必要的计算机工作。各种计算机辅助设计软件，如AUTOCAD，提供了强有力的绘图、设计、图像编辑和变换功能，能绘制各种二维和三维图形

7、，进行二维图形的隐线、隐面处理以及曲面显示，使。图形更具真实感。设计人员还可以利用有限的天元分析软件，分析设计方案中的各种形体的受力状态，确定设计方案的合理性和可行性。而计算机配置的各种外部设施如打印机、绘图仪等能输出各种设计软件，绘制各种复杂度的图纸，以代替文字和绘图员的工作，并且绘制的图纸质量胜过最熟练地绘图员。因此，计算机辅助设计在机械、化工、建筑、电气、造船、轻工等部门都得到了广泛的应用，并且取得了巨大的经济效应。1课程设计任务1.1设计任务设计一座日产4.8吨的高硼玻璃的电熔窑1.2设计内容及原始数据说明日产量4.8吨高硼玻璃，熔化工作温度1650 。玻璃配方：成分SiO2Al2O3

8、CaONa2OB2O3%80.52.10.34.512.6设配合料水份5 %，配合料中熟料占20 %，玻璃液电阻率为11 cm。电板材料为50钼棒，每支电极水冷套吸收的功率损失为2 kw/s。窑型可以取双式，供电方式可单项或三相，电极布置为垂直。2电熔窑的计算2.1熔化温度及电导率的计算本设计的高硼硅酸盐成分与派来克斯玻璃的成分结构完全相同，当粘度为10 Pas的时候，高硼玻璃的熔化温度点大概在1650 1700 。由于国内多采用火焰窑，所以温度达不到要求，本设计采用电熔窑可以达到温度要求，所以设定熔化工作温度为1650 。本设计中，高硼硅酸盐玻璃，当温度在1650 左右时的电阻率=11 cm

9、。2.2成分计算根据以上玻璃成分引入其的原料（包括化学成分）a 岩，硼砂，无水硼酸，化工Al(OH)3,CaCO3原料名称SiO2Al2O3B2O3CaONa2O砂岩98.400.760.21硼砂36.2116.45无水硼酸100化工Al(OH)365.38CaCO356.00b 玻璃熔化温度1650 c 配合料（不包括碎玻璃）水分5 %d 根据玻璃的配方计算其配合料的配方：设计原料均为干燥态，计算时不考虑水分问题。砂岩的用量： kg硼砂的含量：由于硼砂中含有B2O3和Na2O（Na2O挥发量一般为3.2 %），而Na2O含量较少，所以根据Na2O计算硼砂的含量，并且砂岩中含有少量Na2O，硼

10、砂的含量为： kg硼砂中的B2O3含量的计算：27.1870.3621=9.844 kg无水硼酸：考虑到硼的挥发5 %10 %，取8 %的挥发量，所以因加入无水硼酸为：12.61.08-9.844=3.764 kg引入Al2O3，加入化工Al(OH)3的量的计算：由于砂岩之中Al2O3的量为：kg所以引入Al(OH)3为kg引入CaCO3的计算：kg生产100 kg玻璃时原料的用量如下：砂岩81.809 kg硼砂27.187 kg无水硼酸3.764 kg化工Al(OH)32.261 kgCaCO30.536 kg合计115.557kg气体率（115.557-100）/ 115.557 = 13

11、.46 %玻璃产率1-13.46 % = 86.54 %最后的配方如下：（质量百分比）砂岩硼砂无水硼酸化工Al(OH)3CaCO3合计70.795 %23.527 %3.257 %1.957 %0.464 %100 %2.3 玻璃生成热计算100kg湿粉原料中形成氧化物的数量：原料名称形成玻璃液的氧化物氧化物的数量（kg）SiO2Al2O3B2O3CaONa2O砂岩70.7950.950.984=66.17966.17970.7950.950.0076=0.5110.51170.7950.950.0021=0.1410.141硼砂22.5270.950.3621=7.7497.74922.52

12、70.950.1645=3.5203.520无水硼酸3.2571.00=3.2573.257Al(OH)31.9570.950.6538=1.2161.216CaCO30.4640.950.56=0.2470.247配合料用量计算：配合料中生料（即粉料）占80 %，熟料（即碎玻璃）占20 %，熟料/生料=20/80=0.25 kg，即1kg生料加入熟料0.25 kg，可得到：1-1/10013.46+0.25=1.12 kg玻璃液因此熔化成1千克玻璃液需要生料量G生和熟料量G熟分别为G生=1/1.12=0.893 kgG熟=0.25/1.12=0.223 kg熔化成1千克玻璃液需要配合料量G生

13、+G熟=0.893+0.223=1.116 kg在熔化1千克玻璃液中，有熟料形成的G熟 占0.223千克玻璃液，由生料形成的G生 占（1-0.223）=0.777千克玻璃液。（1）生料熔化耗热量计算熔化硅酸盐玻璃耗热GiHi以形成100千克玻璃液。CaOCaOSiO2 0.31416.355=424.907Al2O3Al2O3SiO2 2.1710.145=1491.305Na2ONa2OSiO2 4.52618.9405=11785.232GiHi=13701.444 kcal加热剩余SiO2耗热（GsHs）（以形成100千克玻璃液计算）引入SiO2数：80.5/60=1.342克分子生成硅

14、酸盐用去SiO2数:引入CaO：0.3/56=0.005357克分子引入Na2O：4.5/623=0.07258克分子引入Al2O3：2.1/102=0.02059克分子剩余SiO2：1.342-0.005357-0.21774-0.02059=1.098克分子GsHs=1.09860498.44=32837.23 kcal生成1千克的玻璃液时生料熔化量q1q1=0.01G生（GiHi+ GsHs）=0.010.777（13701.444+32837.23）=361.61 kcal/kg玻璃液熟料加热熔融耗热量q2的计算c真=0.01Giic平=0.01Gici系数i与ci的值氧化物ici氧化

15、物iciSiO20.0004680.1657K2O0.0004450.1756Al2O30.0004530.1765B2O30.0005890.1935CaO0.0004100.1709PbO0.0000130.0490MgO0.0005140.2142BaO0.0004050.1580Na2O0.0008290.2229=0.01（80.50.000468+2.10.000453+0.30.000410+4.50.000829+12.6000598）=0.0005001c平=0.01(80.50.1657+2.10.1765+0.30.1709+4.50.2229+12.60.1935) =

16、0.1720c真=(0.00050011650+0.1720)/(0.001461650+1)=0.2925 kcal/kgq2=G熟c真（t熔化-t）=0.2230.2925（1650-30）=105.6686 kcal/kg玻璃液配合料水分增发耗热q3计算q3=595G生G水=5950.8930.05=26.567 kcal/kg玻璃液所以，形成1 kg玻璃液需耗热量q玻计算考虑到结晶水排除，多晶转变，盐类分解生成复盐等耗热量，将q1加大3%,q玻=1.03q1+q2+q3=1.03361.61+105.6686+26.567=504.69 kcal/kg玻璃液即q玻= G q玻=4.8吨

17、/天504.69 kcal / kg玻璃液=117.37 kw2.4窑体散热计算2.4.1 窑墙的热损失窑墙材料：1电容英石砖；300 mm（1300400300）2锆英砂捣打料；50 mm3硅砖；230 mm（23011465）4轻质黏土砖；113 mm最接近窑墙的熔融温度预计为1650 ，即t1=1650 。为了能确定合适的导热系数，估计t2=1430 ，t3=1350 ，t4=1180 。t5=120 ，则查（硅酸盐手册根据温度系数确定导温系数）（t1 + t2）/ 2 = 1540 1 = 2.286 w/m（t2 + t3）/ 2 = 1390 2 = 4.762 w/m（t3 +

18、t4）/ 2 = 1265 3 = 1.806 w/m（t4 + t5）/ 2 = 1390 4 = 0.196 w/m窑墙外表面对空气的传热系数2（kcal/m2h）；参考公式2=2.2+4-42=2.2+4-4=13.632 kcal/m2h即2=15.851 w/m2通过窑墙散失的热量，参考公式q1 = 则q1 = =1782.76 w/m2通过q1检验各层耐火材料界面温度。T1 = 1650 T2 = t1- q11/1 = 1650-17830.3/2.286=1416 T3 = t2- q12/2 = 1416-17830.05/4.672=1397 T4 = t3- q13/3

19、= 1397-17830.23/1.806=1170 T5 = t4- q14/4 = 1170-17830.113/0.196 = 142界面温度与假设的界面温度基本吻合。故假设成立，无须再进行计算，且界面温度均低于材料的最高使用温度，设计合理，予以采纳。2.4.2 窑底的热损失窑底材料：1电容英石砖；300 mm22锆英砂捣打料；50 mm3硅砖；230 mm（23011465）4轻质黏土砖；113 mm通过窑墙散失的热量，参考公式q1=由于池底耐火材料与池壁相同，所以q=1782.76 w/m2配合料由此投入，该处温度较低，还是假定与侧墙同样的温度1650 ，利用耐火材料为AZS-33，

20、还假定每平的损失系数与侧墙相等。窑炉上部结构的热损失2.4.3窑炉上部结构的热损失碹顶材料：1电容英石砖；300 mm（1300400300）2锆英砂捣打料；50 mm3轻质黏土砖；113 mm由于熔融玻璃表面在熔化过程中被配合料覆盖，碹顶应该冷的，但一定要考虑到当表面上某点被融化后，碹顶被加热，当熔化中断后，液面暴露出来，应而碹顶被加热，在计算热损失时没有必要将此计算在内，我们只假设有一部分暴露的表面，只有一部分碹顶被加热，当正常操作过程，配合料以上和碹顶之间的温度不会超过700 。上部结构的胸墙熔化池液面以上的侧墙，其耐火材料的组成与碹顶相同，因此其墙内表面温度假设相同，故每平方的散热损失

21、也相同。2.5冷却水带走的热量冷却水进口的温度为42 ,出口温度为56 ，流量为210-6 m3/min，一个电极套吸收的热量大约为120 kw/min,即2 kw/s。由以上计算可得热量的损失为：P损=P损1+P损2+P损3=1783382+17838+28=115.85 kw由于未计算冷顶损失和水冷损失以及辐射损失，所以对计算结果进行修正P=KP损，由于考虑到计算误差很大，所以K=1.8即P=1.8115.85=208.53 kw输入功率P总=P玻+P=117.37+208.53=325.9 kw由于以上计算难免有一些误差或遗漏的地方，故对功率进行进一步扩大所以P实=1.2P总=1.232

22、5.9=391.08 kw2.6 电熔窑主要尺寸的计算和电热材料的计算熔化面积：F熔=G/K G熔窑生产能力，t/d: K熔化率，kg/(m2d)F熔=4.8/1.2=4 m2所以我们取正方形的边长为2m。2.7电熔窑熔化池最佳深度的计算溶化池玻璃液深度和直径的大致比为1：1，或者玻璃液深度略大于对角线的长度。我们取电容窑的玻璃液深度为H2.8 m，配合料的深度为200 mm。2.8电热平衡的二次计算和电极的选择2.8.1 电极的选择电容窑的发展和使用电极材料的开发密切相关，对电极材料的选择是：能够承受1700 的高温；具有足够高的机械强度；在800 不会被空气氧化；具备与金属相当的电导率；耐急热急性好；不污染玻璃液等；价格便宜等。在本次设计中，窑炉使用纯钼棒作为电极，选择尺寸为501200 mm，比重为10.1 g/cm3。电极电流密度J=0.309 A/cm2。电极的使用中，根据电流和电压的变化，随时对电流进行调整。实际生产中，电流是恒值，根据电压的变化来调整电极尺寸。调整的原则是每月向窑内推进50 mm。2.8.2电极的布置电极的布置有四种基本形式：水平棒状电极、垂直棒状电极、板状电极和塞状电极。本次设计采用垂直棒状电极。2.8.3 电极的水冷保护（1） 该设计采用密封式水套，经过二十个月的运行，设计的电极水套是成功的、运行可靠，操作方便。每支电极水套的吸热量为2 kw