国际特殊熔窑研制的技术玻璃

国际特殊熔窑研制的技术玻璃

雅纳式全电炉的开发始于40年前。当时的挑战是，在德国图林根州，不同类型的硼硅酸盐玻璃需要使用最现代的方法。特定的条件决定了高级电熔材料和钼电极的有效利用以及尽可能地减少挥发性组分的损失。从而,将冷顶熔化工艺作为目标,以减少硼组分的挥发;并锁定在其最长的寿命的前提下,尽量减少电极的数量;同时,熔化池应设计得深一些,以保证AZS材料的可使用厚度。1金属杂质的氧化最初是采用4支钼棒电极通过熔化池的底部插入。池壁砖为1200mm高和200mm厚,并有300mm厚的保温层。池底采用同样的配置,但在电极周围不设保温,以保证水冷的、长寿命水套安装。为了在熔化区形成相当均匀的加热,对角线的电极由SCOTT系统供电,即由两个90°相差的单相构成。而且,从物理模型中的电场中发现,与其他的电气接线方式(三相接线)相比,这种相差可保证在产生同样功率的条件下,其相间电压最小。此发现非常重要,因为在电极周围所获取的场密度较低,否则将产生危险的热量释放,不仅在玻璃中,同样会发生在耐火材料中,特别是电极周围。如果玻璃液和砖材的电导率相近,此问题即有可能发生。对于硼玻璃来说,其电阻率要明显高于普通的钠钙玻璃。解决方法是采用很低电导率的熔铸材料,即锆英石砖。在此种耐火材料中,功率密度非常低,不会产生熔窑池底过热而形成局部熔化的危险。对于熔窑池底需要解决的另一个问题是:在一些情形下,导电的材料会穿过砖缝,由于其下落,特别是落到电极和其水套上,会导致供电短路的故障。产生问题的原因是高盐份NaCl的含量,它具有与其它类型的澄清剂不同的特性。通常澄清剂会在特定的温度下产生化学分解,其中一种或多种形成物为气体,它们会形成原始的气泡(或泡核)以促进溶解在玻璃中的气体扩散进入这些气泡中,促使其生长和提升、并最终离开需要澄清的熔体。NaCl不会分解,但它会经升华后在熔体中形成气泡作为澄清的启动源。生长的气泡上升并达到冷顶的原料层,这时从熔体中所收集的气体(CO2,SO2,NOx)可以穿过原料层。但是,升华的盐分在原料颗粒处凝华而再次进入到熔体中。这种循环会产生盐分聚集的发生,进而导致危险的相分离。解决办法是减少在新配合料中的NaCl浓度来达到盐分的总体平衡。现在要询问的是为什么要采用NaCl来代替其它常用的澄清剂,答案是由于金属钼与氧化砷和氧化锑的矛盾关系。这些氧化物随配合料加入,在一定的温度下与金属产生氧化还原反应而产生氧气作为气泡核。但是,随着熔体中的氧化还原反应,同样会形成金属状态的As和Sb。在有金属钼存在时,它们发生反应后会形成合金或金属化合物,而会强烈侵蚀并显著降低Mo棒的机械稳定性。因此,在全电窑中仅在几种特殊的条件下采会采用As2O3或Sb2O3作为澄清剂。另一个由于金属杂质对电极的危害是有时钢或铁类的金属杂质会随回收的碎玻璃进入到原料与碎玻璃的配合料中,而进入电熔窑。它们会以固体状态沉落到池底,停留一定时间后会对池底之上的电磁场产生影响,造成局部过热而熔化耐火材料,这些金属部件甚至会穿透池底。唯一的解决方法是要在配料生产线严格使用磁铁分离器避免此类问题发生。电熔窑中所使用的碎玻璃通常应为自产的,这是技术上的要求,可避免玻璃成分的波动。与器皿玻璃相比,技术玻璃严格要求玻璃性能的稳定性,包括热膨胀、密度和粘度固定点。另外,也必须考虑把成型过程产生的大量的碎玻璃应用于生产工艺过程。一般来讲拉制生产线会产生5%～20%的碎玻璃,而吹制线为20%～50%。在研究发现全电窑的工作范围取决其单位表面负荷的同时,也研究了碎玻璃含量对于操作参数的影响,结果发现在原料与碎玻璃配合料中碎玻璃的比例在30%～60%之间的能耗最低。一个原因是通过增加碎玻璃的比例降低了必要的热量供应,因为减少了由于纯配合料的反应热需求量。但是,相反的趋势是需要注意熔窑的工作条件由于从玻璃液通过原料层进入碹顶热量的增加。完全采用碎玻璃具有最好的辐射条件,但同时热量的损耗也最大。损失的热量和用于熔化的热量数值的大小同时也取决于碎玻璃的粒度和配合料的粒度。需要说明的是仅采用100%的碎玻璃或100%的配合料均不能实现在冷顶条件下高质量玻璃的稳定生产。而在熔体表面覆盖非常均匀的原料层则是成功熔化技术玻璃的首要因素,并形成了在熔体内部高达1650℃、碹顶温度大约200℃的有效的绝热效果,这是在玻璃业者所称谓的“冷顶”的含义。而且,配合料颗粒呈现活塞状的向下流动伴随温度从固体原料连续传导至玻璃液的增加。2热容量和内温度区的电热式联合控制全电窑与燃料燃烧熔窑相比,一个基本的缺点是在稳定生产操作的条件下,其产能相对较低,原因是在较低的玻璃流速时,原料层会变得越来越薄,较高的热量损失不允许玻璃液的温度提高到有效的澄清温度。否则,过高的产能会导致非常厚的原料层,引起刚熔化的玻璃或原料残渣会随着玻璃液向下流动而影响玻璃质量。因此,每座全电窑均拥有特定的正常产能(如硼硅酸盐玻璃为1.8t/m2·d)和稳定的60%～120%的工作范围。为了提高玻璃的产能,一类全电窑设计为阶梯式来增加其熔化面积,并且电极由一个正方形改为由8支电极组成的3个正方形。它们均采用SCOTT连接方式。为了防止理论上可预见的不稳定问题,每个加热区均配备功率稳定的调节装置和温度控制。在一个10m2的熔窑,其垂直电极之间的距离较长,以保证向原料层提供相对均匀的热量,并安装一套水平电极,它立即由平行连接改为有水平电极和垂直电极的单独供电方式,以实现在玻璃液中的垂直方向达到所希望的温度分布。这些在90年代初的研发结果为硼硅酸盐玻璃电熔提供了非常有益的解决方案,而由铅晶质玻璃全电熔窑所推论出的熔窑概念却极少成功。在过去的15年中,由可控硅控制器与改进的变压器的组合代替控制变压器突出了其优点,在玻璃液中的直流效应危害得以完全消除。不断提高的玻璃质量要求消除可挥发玻璃组分的挥发问题,解决的方案是在工作部采用全封闭结构,并采用全电加热的深层料道,同时采用高效的、安装在池底要害部位的池底排放装置来去除池底玻璃液中富含AZS侵蚀物的废玻璃液。3全电熔窑的热压工艺方法,发展中的金融资本,利用热压机组在硼硅酸盐玻璃生产所积累的丰富经验,同样使得全电熔窑可用于生产各类的钠钙玻璃,通常钠钙玻璃的最大问题是原料层的热稳定性。而经过实验室的研究表明,修改配合料的配方和同时采用顶部电极(按照此类方案的第1个德国专利)大部分情况下取得成功,通过一系列的数学模拟对其结果可做出解释。全电熔窑的另一个应用领域是用于日产数百千克的高纯玻璃,在包括熔化