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在玻璃窑炉熔化池内设置两排鼓泡系统为什么不好
2020-01-09 10:41:14 来源:中国玻璃包装容器 作者:【 】 浏览:4次 评论:0

摘要:本文用玻璃液自然对流的理论,解释在熔化池内设置两排鼓泡系统后,熔化池内存在两个“液泉”,打乱了原窑炉热对流的平衡,缩短了液流的路径,从而给玻璃液的质量带来瑕疵。

  关键词:鼓泡、自然对流、玻璃液质量

  在玻璃窑炉中设置鼓泡系统对于提高玻璃液的均匀性,这是大家公认的、无需质疑的。特别是透热性差的深色玻璃,为了提高玻璃液质量及熔化率,必须在玻璃窑炉中设置鼓泡系统,它作为深色玻璃窑炉的标准配置在行业中得到广泛的应用。但是有的厂家想进一步发挥鼓泡的作用,他们在熔化池内设置两排鼓泡,一排在热点区域,一排在加料口附近。在热点区域设置鼓泡,其目的是提高澄清部中下层玻璃液的温度,从而提高玻璃液的均匀性及加快熔化澄清速度;在加料口附近设置鼓泡,其目的是想将配合料料堆打散,增加料堆与火焰的热交换,从而提高熔化率。实践证明:在熔化池内设置两排鼓泡系统,效果事与愿违,玻璃液质量、产量不但没有得到改善,而且还产生大量的气泡等瑕疵。

  为什么在玻璃窑炉熔化池内设置两排鼓泡系统效果不好呢?为什么多花了钱效果反而不好呢?这里我们用玻璃液液流的理论来解释这一现象:

  科学实践证明:在玻璃窑炉中存在两种玻璃液液流,一种是生产流,它是配合料通过加料机从加料口加入,在玻璃窑炉中熔炼成合格的玻璃液后,再通过流液洞进入分配料道或工作池,再经供料道直至成型机械形成的玻璃液的流动,生产流非常直观也很容易理解;另外一种是玻璃液的自然对流(又叫热对流),它不直观比较抽象、不太容易理解。

  上个世纪40~50年代的著作显示:,前苏联国家科学院的科学家们在玻璃配合料中加入放射性同位素,然后用接收机跟踪接收放射性同位素发出射线所形成的运动轨迹,以此研究玻璃液在窑炉内的流动的状态(上个世纪70~80年代是在实验室用甘油和糖浆调和到近似高温时玻璃液的粘度研究玻璃液的流动状况,现在是用计算机作模拟实验研究窑炉内玻璃液的流动状态)。他们得出结论;由于玻璃窑炉内部的前后端、左右侧存在温度差,即中间温度高四周温度低,温度差导致玻璃液的体积密度差(现在研究还认为存在液位差),温度高的地方玻璃液的体积膨胀从而密度变小,窑炉四周温度较低玻璃液的体积密度增大。体积密度较小的玻璃液向上浮动,体积密度较大的玻璃液向下沉降,从而形成玻璃液的自然对流,又叫热对流。玻璃液的自然对流从玻璃液的热点部位出发,向四周流动。“由池底升起的液流,从热点流向各个方面,因此热点也被称为液流源泉(简称液泉)”[1]。在实践中我们经常看到,垂直于玻璃窑炉(马蹄焰池炉)纵向轴线加进去的配合料,在热点比较稳定的情况下配合料总是向后(向小炉)方向运动,若加料口中心线与小炉喷火口下部的池壁砖的距离设计不合理,料堆向后运动从而与池壁砖接触,因配合料对电熔锆刚玉砖的腐蚀性大大高于玻璃液对电熔锆刚玉砖的侵蚀,从而导致后池壁电熔锆刚玉砖过早腐蚀掉,这是自然对流明显的特征。

  玻璃液的自然对流对玻璃液的熔制、玻璃的质量关系十分重大,因此浮法玻璃窑炉要求“泡界线”稳定,高品质的玻璃如吹制的薄壁产品等要求玻璃窑炉内“镜面”较宽且稳定。这一切都是要求玻璃液的热点稳定,只有玻璃液的热点稳定玻璃液的自然对流才稳定,自然对流的稳定“对玻璃熔体的质量及窑炉的熔化率和能耗影响的重要性是极其明显的”[2],因此玻璃工厂在日常工艺控制中要求玻璃窑炉做到“四稳”,即熔化温度稳定(熔化温度稳定即火焰的长度、复盖面、刚性等基本稳定,从而热点基本稳定);进出料量稳定(若进出料量不稳定则会造成池底玻璃液不动层、玻璃液的缓动层等发生变化及波动,影响玻璃液的质量);压力及气氛稳定(涉及气泡的溶解、吸收和排出等)。

  由于耐火材料新品种出现及质量提高,人们有条件追求生产的高效率从而增加产量、降低能耗、降低成本,因此现代玻璃窑炉熔化率大大提高,虽然在提高窑炉熔化温度的情况下,配合料的熔化速度相应加快了,但是在玻璃窑炉内玻璃液面的生产流也大大加强加快,当生产流较大时,窑炉内“镜面”变小变狭窄,当生产流进一步增大(产量增加),自然对流不能阻碍表面的配合料及泡沫向前移动时,部份尚未熔化澄清好的玻璃液混入生产流被带到作业部,产生气泡等瑕疵。[3]

  在生产翠绿色啤酒瓶的过程中我们发现:“翠绿色玻璃吸收辐射光的能力较强,透过玻璃体以辐射方式传到池底的热量较少,故此池底温度较低”[4]。因而窑炉内中下部玻璃液温度较低,玻璃液粘度较大,玻璃液的不动层、缓动层厚度增加,玻璃液的自然对流局限在窑池的中上部,这相似于玻璃窑炉容积减小。窑炉容积减小玻璃液在炉内停留时间变短,因而影响了玻璃的产量及玻璃液质量。国内外的科技工作者为了解决绿色玻璃的熔化问题,他们在热点区域增设了鼓泡系统,以解决玻璃窑池内中下部温度偏低的问题。

  通过池底预先安装好的鼓泡管向玻璃液底层鼓入一定压力的气体,当鼓泡嘴上形成一定压力的气泡所产生的浮力大于气泡与鼓泡嘴之间的吸附力时,气泡便脱离鼓泡嘴而上升。该气泡在高温玻璃液内由于温度升高而体积膨胀,随着气泡上升玻璃液温度越来越高,玻璃液对它的挤压力越来越小,气泡体积继续增加,上升速度加快;气泡在上升的过程中,首先对气泡四周玻璃液进行挤压,上升后留下的空间又被四周的玻璃液填充;由于玻璃液粘滞性的缘故,一部分玻璃液随着气泡上升而上升,周围的玻璃液向下填充气泡上升过程中留下的空间,从而在气泡不断上升过程中形成泡柱[5],气泡泡柱四周产生由下向上(底层)及由上向下(上层)的循环。

  气泡在上升过程中,玻璃液温度不断变化,玻璃液的粘度不断变小,玻璃液的表面张力也越来越小,当气泡上升到玻璃液表面时,玻璃液的表面张力小于气泡的内压力时气泡发爆裂。气泡爆裂时对表面的玻璃液产生冲击波,冲击波使表面的玻璃液快速向四周运动。特别脉冲鼓泡,它希望形成较大的泡径,以便增加对玻璃液的搅动。但是鼓泡的泡径较大时,气泡爆裂时产生的冲击波能量也较大,使表层的玻璃液向四周运动速度加快,这也是为什么鼓泡频率增加时,窑坎后端与流液洞前的玻璃液温度急剧升高的原因,因为它将熔化池表层温度高的玻璃推向了澄清部,所以澄清部虽然没有直接安装鼓泡系统,但澄清部底部温度得到较快提升。因此,在生产中,要提高或降低分配料道(工作池)的温度,提高或降低鼓泡频率是也是一种调节手段。

  这种大泡径的脉冲鼓泡也有不利的一面,就是气泡爆裂时产生的冲击波,将表层玻璃液向四周快速推赶,在窑炉的窑坎上方它与生产流结合,快速通过窑坎,流向工作池。鼓泡频率越大,表层玻璃液的流速越大,玻璃液在澄清区域停留时间越短,若玻璃液中残存的气泡较多时,有可能产生玻璃液澄清不良,在玻璃制品上残留下气泡。因此控制鼓泡系统的泡径和频率非常重要。所以国外一些窑炉公司现在他们大都不采用大泡径的脉冲鼓泡方式,而采用连续鼓泡。

  若鼓泡点设在热点区域内,鼓泡形成的气泡泡柱与“液泉”重合,除鼓泡形成的环流外,气泡爆裂时产生的冲击波会加速玻璃液的自然对流,自然对流的加强有阻碍表层的配合料和泡沫向前运动的速度,因而鼓泡有提高熔化率、提高玻璃液质量的作用。“如果气泡串与窑池液流源泉点重合,就会得到结果”[6]

  国内有的较大型窑炉(日产量在200吨以上的马蹄焰玻璃池炉)在距加料口拐角砖1500mm左右的位置,增设了一排鼓泡,他们增设这排鼓泡的目的是为了“破碎生料堆,使配合料加速熔化”。

  从表面看,它似乎有道理,但是在实践中我们经历的几个两排鼓泡(指其中一排在距加料口近边拐角砖1500mm左右的位置,国外以前有在热点区域加两排鼓泡,是为了强化鼓泡效果,两排鼓泡与“液泉”基本重合;但也有在流液洞前,工作池死角加鼓泡,其目的是为了方便加快换料,出发点目的不一样,用途不一样。该鼓泡系统平时不用,换料时才用)的窑炉投产初期效果都不好,制品上有气泡等瑕疵,当我们将加料口附近那一排鼓泡关得很小很小,甚至全关掉,玻璃制品生产才正常。那么是什么原因造成如此后果的呢?让我们从玻璃窑炉液流流动分布的状态来分析,其问题的症结就迎刃而解了。

  首先我们来看图一:

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  图一有流液洞结构的马蹄焰池窑玻璃液流情况

  这是熔化池没有设置窑坎时玻璃液自然对流流动状态图,我们可以看出底部的玻璃液很容易进入流液洞流向成型部,所以它的产量受限,现在一般都不采用这种结构。

  图二是熔化池内有窑坎时玻璃液自然对流流动状态图,底部的玻璃液必须翻过窑坎才能进入流液洞流向成型部,而且底层玻璃液通过窑坎时,玻璃液温度升高,粘度减小,有利于玻璃液的澄清。

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  图二有流液洞和窑坎结构的马蹄焰池窑玻璃液流情况

  图三是熔化池内窑坎前设置有鼓泡系统时玻璃液自然对流流动状态图,进入流液洞流向成型部的玻璃液主要是上部表层的玻璃液(该图摘自意大利某公司作的模拟实验)。而熔化部表层未熔化好的玻璃液很难通过鼓泡系统这一屏障。

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  图三有鼓泡、流液洞和窑坎结构的马蹄焰池窑的玻璃液流情况

  当我们在加料口附近再设置一排鼓泡时(见图四),未被完全熔化的配合料料堆,被由下往上的鼓泡把配合料料堆冲散,增大了火焰与配合料的受热面积;但是与此同时,鼓泡系统产生的冲击波,它也把配合料快速往流液洞方向推赶,从而缩短了配合料在炉内停留的时间。特别是它在熔化池里再形成的一个环流,像一堵气墙,它把玻璃液的自然对流从中隔断,自然对流不能继续向小炉方向流动,提前往回流动。当热点处的液流与加料口附近鼓泡产生的液流两股液流相撞时,表层的玻璃液更容易进入该处鼓泡系统的环流,其中有一部分表层未熔好的玻璃液加入到回流的玻璃液中,提前流向热点,亦既提前进入工作池。特别是当加料口附近的鼓泡频率大、泡径较大时,由于冲击波产生的推力的原因,那么两排鼓泡系统驱使的表层玻璃液交汇点向流液洞方向延伸,这进一步压缩了(缩短了)热点附近鼓泡系统热对流玻璃液的路径,特别是两个冲击波推动的玻璃液相碰以后,两个力形成的合力,其中向下的分力会加速使表层未熔好的玻璃液进入底层玻璃液的回流中,使玻璃液产生瑕疵。

  另外这两股液流的交汇点是不固定的,是变化的,当加料口附近的鼓泡频率较小时,交汇点向小炉方向移动,自然对流的路径变长,加料口附近鼓泡系统环流变慢变小,表层未熔好的配合料向流液洞方面的推力减少,使其在熔化部停留时间加长。这也符合为什么投产初期加料口鼓泡频率较大、泡径较大时玻璃制品上气泡较多的现象,将加料口附近的鼓泡系统压力和频率尽可能关小后,生产才正常,某厂将加料口附近鼓泡系统完全关闭停止使用后,产量进一步提高。

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  图四:两排鼓泡时玻璃液流的流动状况

  综上所述,我们认为:为提高玻璃窑炉的熔化率而在熔化池中设置两排鼓泡系统所产生的效果是事与愿违的,是没有好处的!我们不主张像上所述的两排鼓泡系统在马蹄焰池炉中使用,并且仅用在熔化池内窑坎附近热点区域的这排鼓泡,也要注意鼓泡频率及泡径大小,以满足其基本用途就行,并非越大越好。四川某合资企业一座国外某著名窑炉公司设计的一座320t/d窑炉,在解决玻璃制品瑕疵时,将鼓泡点减少了近50%,鼓泡频率也降低,结果能耗也下降,这些都是有益的尝试及佐证。

  参考文献:

  [1]孙承绪主编《玻璃工业热工设备》武汉工业大学出版社,1996年2月第1版,P23

  [2]沃尔夫冈·特里尔编著《玻璃熔窑构造与运行特性》,沈慕江、王中俭、吴辉金译,周志豪、邬永国校,潘玉昆编辑,全国玻璃搪瓷工业科技情报站出版1989年上海P147

  [3]田英良、孙诗兵主编《新编玻璃工艺学》,中国轻工业出版社2009年6月第1版P317

  [4]王承遇、张梅梅、毕洁、汤华娟编著《日用玻璃制造技术》,化学工业出版社2014年4月第1版P34

  [5]刘志海、李超编著《浮法玻璃工艺手册》,化学工业出版社2013年8月北京第1版P166

  [6]沃尔夫冈·特里尔编著《玻璃熔窑构造与运行特性》,沈慕江、王中俭、吴辉金译,周志豪、邬永国校,潘玉昆编辑,全国玻璃搪瓷工业科技情报站出版1989年上海P155


 

 

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关键字:玻璃 窑炉 熔化 池内 设置 系统 为什么 不好 责任编辑:安磊

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