重慶窯爐設(shè)計(jì)技術(shù)--{玻璃窯爐}的設(shè)計(jì)技術(shù)用來制造E玻璃和生產(chǎn)玻璃纖維的窯爐，通常采用一種稱為單元窯的窯型。它是一種窯池狹長(zhǎng)，用橫穿爐膛的火焰燃燒和使用金屬換熱器預(yù)熱助燃空氣的窯爐。通過設(shè)在兩側(cè)胸墻的多對(duì)燃燒器，使燃燒火焰與玻璃生產(chǎn)流正交，而燃燒產(chǎn)物改變方向后與玻璃流逆向運(yùn)動(dòng)。因此在單元窯內(nèi)的玻璃熔化、澄清行程長(zhǎng)，比其它窯型在窯內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)，適合熔制難熔和質(zhì)量要求高的玻璃。單元窯采用復(fù)合式燃燒器，該燃燒器將霧化燃料與預(yù)熱空氣同時(shí)從燃燒器噴出，經(jīng)燒嘴磚進(jìn)入窯爐內(nèi)燃燒。霧化燃料處在燃燒器中心，助燃空氣從四周包圍霧化燃料，能達(dá)到較好的混合。所以與采用蓄熱室小爐的窯型相比，燃料在燃燒過程中更容易獲得助燃空氣。當(dāng)空氣過剩系數(shù)為1.05時(shí)能完全燃燒，通過調(diào)節(jié)燃料與助燃空氣接觸位置即可方便地控制火焰長(zhǎng)度。由于使用多對(duì)燃燒器，分別調(diào)節(jié)各自的助燃風(fēng)和燃料量，則可以使全窯內(nèi)縱向溫度分布和爐內(nèi)氣氛滿足玻璃熔化與澄清的要求，這也是馬蹄焰窯所無法達(dá)到的。單元窯運(yùn)行中沒有換火操作，窯內(nèi)溫度、氣氛及窯壓的分布始終能保持穩(wěn)定，這對(duì)熔制高質(zhì)量玻璃有利?，F(xiàn)代單元窯都配置有池底鼓泡，窯溫、窯壓、液面及燃燒氣氛實(shí)行自動(dòng)控制等系統(tǒng)，保證了難熔的E玻璃在較高熔化率下能獲取用于直接拉制玻璃纖維的玻璃液。所以迄今在全部上單元窯始終是E玻璃池窯拉絲的優(yōu)選窯型。

單元窯與其它窯型相比的不足之處是能耗相對(duì)較高。這是因?yàn)閱卧G的長(zhǎng)寬比非常大，窯爐外圍散熱面積也大，散熱損失相對(duì)較高。采用金屬換熱器預(yù)熱助燃空氣的優(yōu)點(diǎn)是不用換火，缺點(diǎn)是空氣預(yù)熱溫度，受金屬材料舒緩反應(yīng)、抗高溫蠕變性能的制約，一般設(shè)計(jì)金屬換熱器的出口空氣溫度為650—850。大多數(shù)單元窯熱效率在15%以內(nèi)，但如能對(duì)換熱器后的廢氣余熱再予利用，其熱效率還可進(jìn)一步提高。


配合料在單元窯的一端投入，投料口設(shè)在側(cè)墻的一邊或兩邊，也有設(shè)在端墻上的。熔化好的玻璃從另一端穿過沉式流液洞流至稱為通路的拉絲作業(yè)部。

靠前節(jié) 單元窯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一、
單元窯熔化面積的確定




單元窯熔化面積可用公式


F= G/g

表示。式中 F———熔化面積，M2；


g———熔化率，（t/M2·d）。


熔化率反映單元窯的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理水平，包括原料成分、水分、質(zhì)量的控制和窯爐運(yùn)行的控制水平等，同時(shí)還與纖維直徑有關(guān)。一般拉制紡織紗的單元窯，g取 0.8—1.0 t/M2·d，拉制粗直徑紗時(shí)可取略大一些1.5 t/M2·d。早期的技術(shù)資料表明當(dāng)年的單元窯平均日產(chǎn)玻璃的熔化面積，可見現(xiàn)在已有非常大進(jìn)步。


二、熔池長(zhǎng)、寬、深的確定


（1）池長(zhǎng)L和池寬B是根據(jù)熔化面積和熔池長(zhǎng)寬比（L/B）來決定的。即：


F
B=————平方


L/B
L/B越大，投入窯爐的玻璃原料從熔化到完成澄清，其間的玻璃“行程”越長(zhǎng)，也越有利于熔化和澄清。早期設(shè)計(jì)的單元窯熔他是很長(zhǎng)的，日產(chǎn)量在8—50t/d，（L/B）5—4。隨著單元窯配合料微粉化及熔制工藝和鼓泡技術(shù)的發(fā)展與成熟，以及窯體耐火材料的質(zhì)量提高和采用保溫技術(shù)等措施，使熔池長(zhǎng)寬比在3左右，也同樣可以獲得滿意的玻璃質(zhì)量?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)取（L/B）值時(shí)，只有在考慮為下屆窯爐有非常大擴(kuò)產(chǎn)需要時(shí)才選?。↙/B）大一些，一般情況下取（L/B）為 3—4。


（2）他深h主要取決于玻璃的透熱性及池底耐火材料能承受的溫度。早期池底鋪面磚選用致密結(jié)磚時(shí)，池底溫度一般控制在1350℃以內(nèi)，而池底溫度又直接影響玻璃熔化質(zhì)量和窯爐熔化率?，F(xiàn)在的F 玻璃單元窯，由于池底部位采取保溫和鼓泡技術(shù)措施，在提高熔化率的同時(shí)，使熱點(diǎn)附近的池底玻璃溫度也提高到1440—1470℃，因此池底 2/3以上高溫區(qū)域的鋪面層磚改用耐溫和耐侵蝕性能更好的致密鉻磚。有時(shí)也可通過適當(dāng)加高池深來達(dá)到降低池底溫度。一般而言，E玻璃單元窯單產(chǎn)在以下30t/ d，池深選600—700mm，隨著單產(chǎn)的加大，目前的較高池深可達(dá)900mm左右。


三、池底鼓泡位置的確定


單元窯池底設(shè)置鼓泡裝置，按其作用大致有以下幾種方式。


（1）將鼓泡器布置在配合料生料堆聚集層較厚的部位有助于打散生料堆。但由于投料口和投料機(jī)的改進(jìn)，目前已沒有必要使用這種方法了。


（2）將鼓泡器排布在生料堆消失的位置，該部位的玻璃液溫度已經(jīng)比較高了，因此通過鼓泡可強(qiáng)制較高溫度的玻璃液向生料區(qū)推移，底部的玻璃液也可翻到面上吸收窯爐火焰空間更多熱量，起到助熔作用，通過物理和數(shù)學(xué)模擬也都能證明這一點(diǎn)。要注意的是不能讓生料層覆蓋在鼓泡區(qū)域的玻璃液面上，否則將無法起助熔作用。


（3）將鼓泡器布置在窯池玻璃液較高溫度區(qū)，一般約為池長(zhǎng)2/3 處，鼓泡作用可使更多的含氣泡玻璃翻至玻璃液面排泡，起到促進(jìn)澄清和均化的效果。


E玻璃單元窯的池底鼓泡位置通常按以下兩種原則確定：一是在池長(zhǎng)1/3處布置一排鼓泡器起助熔作用，在池長(zhǎng)2/3—4/5處布置另一排鼓泡器，起促進(jìn)澄清和均化作用。這種布置也是輕工窯爐鼓泡常用的方式；二是靠前排鼓泡布置在池長(zhǎng) 1m附近，第二排緊隨其后，二排間相距約E或更近。這種布置是近年來E玻璃單元窯常用的方式，理由是當(dāng)采用細(xì)而干的微粉原料熔制 * 玻璃時(shí)，熔化不再是難題，但由于玻璃液中存在大量的氣泡，因此良好的澄清和均化是確保玻璃液質(zhì)量和提高熔化率的主要因素，采用兩排鼓泡集中布置可起到類似窯坎阻擋生料流的作用和加強(qiáng)玻璃液均化的作用。


四、窯池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)


（1）E玻璃單元窯的池壁結(jié)構(gòu)有多種排列方式，適合小型池窯，池壁內(nèi)側(cè)沒有橫縫，池壁使用期一般不超過5年，在窯爐運(yùn)行后期部分池壁要進(jìn)行噴水冷卻保窯。該結(jié)構(gòu)對(duì)部分低溫區(qū)可用致密鋯磚替代昂貴的致密鉻磚，節(jié)約部分投入資金。適用于較低溫的池壁，這種結(jié)構(gòu)一般不用噴水冷卻保窯，而用外層加貼新磚來延長(zhǎng)窯爐運(yùn)行期。結(jié)構(gòu)的池壁采用致密鉻磚橫向排列，因?yàn)橹旅茔t磚不同于致密鋯和AES, 磚，其橫縫與豎縫的侵蝕速度差別不大。


（2）池底結(jié)構(gòu)。A.適合于池底溫度長(zhǎng)期不高于1350℃，短期不高于1370℃的窯池。B.采取鼓泡孔二側(cè)的致密鉻磚高出池底面，而鼓泡頭又高于兩側(cè)鉻磚的方式，這樣可在鼓泡頭位置以下形成液滯流區(qū)，減少由于玻璃液沖刷對(duì)池底造成的侵蝕。C.采取鼓泡磚高出池底面而鼓泡頭又高出鼓泡磚50mm左右的方式，同樣也可使池底耐火材料少受玻璃液的沖刷侵蝕。


（3）流液洞結(jié)構(gòu)。當(dāng)熔化池中已熔化、澄清好的玻璃液流經(jīng)流液洞時(shí)，被強(qiáng)制降溫并流入作業(yè)部的主通路。因此流液洞的作用既是熔池和通路間的連通道，也是熔化部和作業(yè)部的分隔區(qū)。E玻璃單元窯除了采用通常結(jié)構(gòu)流液洞外，也常采用一種帶有擋磚的流液洞結(jié)構(gòu)。擋磚一般用錯(cuò)磚或鉻磚做成，厚度為100—150mm，包覆合金皮，浸入玻璃液部分的鉑合金皮厚1mm，露在玻璃液上面的鉑合金皮厚0.5mm。包鉑合金皮的擋磚應(yīng)伸進(jìn)兩邊側(cè)墻各150mm，以致當(dāng)側(cè)墻磚被侵蝕時(shí)，擋磚依然完整。為安全起見，在制訂窯爐砌筑計(jì)劃時(shí)，要使得包鉑擋磚能在砌窯收尾階段插進(jìn)去。擋磚以下的流液洞尺寸一般是洞高為洞寬的1/2—4/5，這種洞口形式更有利于從熔化池獲取熔制質(zhì)量好的玻璃進(jìn)入主通路。此外玻璃液進(jìn)入流液洞的流速不宜過快，以4_—12m/h范圍為宜，同時(shí)流速比較高的玻璃對(duì)底磚的侵蝕也非常大，因此在流液洞處底磚要用鉻磚面襯。


鉑銠合金包皮長(zhǎng)期在高溫玻璃液中浸泡，晶體會(huì)長(zhǎng)大、變脆，在玻璃液的沖刷下便容易損壞。為延長(zhǎng)擋磚使用時(shí)間，可考慮在擋磚側(cè)面開兩個(gè)直徑 25mm的孔，通入水管冷卻或吹風(fēng)冷卻，這適合于日產(chǎn)量比非常大的單元窯和玻璃液在洞內(nèi)流速較快的情況。



五、火焰空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)


火焰空間指大碹以下、玻璃液面以上的空間，它的周邊包括胸墻、前墻和后墻。


窯池長(zhǎng)、寬確定之后，影響火焰空間大小的就是胸墻高度。對(duì)火焰空間容積的確定，主要考慮燃料的燃燒和發(fā)熱狀況。玻璃窯爐內(nèi)燃料的燃燒屬于擴(kuò)散式燃燒。除了高溫環(huán)境及充足的助燃空氣條件外，燃燒速度還取決于氧氣的擴(kuò)散和不斷與燃料混合 ! 燃燒的過程，氧氣擴(kuò)散速度將直接影響燃燒的速度，同時(shí)必須提供足夠的擴(kuò)散空間和時(shí)間，使燃料達(dá)到完全燃燒。送入窯爐空間的燃料的化學(xué)能及燃料與空氣的物理能之和與空間容積之比，稱為容積發(fā)熱強(qiáng)度。根據(jù)窯爐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及充分考慮到窯爐耐火材料所允許的承受強(qiáng)度，一般取容積發(fā)熱強(qiáng)度為120—240KW/m3，通過該數(shù)值可以計(jì)算或核算胸墻高度。一般輕工窯爐的胸墻較高，約為1—2m，而單元窯熔化率低，胸墻高度為0.8—1.0m。


一般胸墻重量都是單獨(dú)支撐在立柱上，池壁與胸墻間用掛鉤磚分隔，掛鉤磚砌筑時(shí)應(yīng)與池壁留有鼓脹間隙，烤窯結(jié)束后再用鋯泥把余留的縫隙密封。


在胸墻部位沿窯長(zhǎng)方向分設(shè)多對(duì)燒嘴。支撐燒嘴的燒嘴磚，插入兩側(cè)胸墻，彼此相對(duì)放置。燒嘴間距為600—1000mm，采用氣體燃料或低粘度燃料油，燒嘴間距一般取600mm左右，采用高粘度重油時(shí)，燒嘴噴油孔過小容易堵塞，這時(shí)可適當(dāng)放大油孔，燒嘴間距也相應(yīng)放大。在投料口區(qū)靠前對(duì)燒嘴與后池墻之間的距離對(duì)生料熔化和排煙溫度都有影響，距離越小該區(qū)溫度高，化料快，但排煙溫度高，會(huì)降低熱效率，甚至使金屬換熱器過熱。距離太大不利化料，影響熔化率。一般距離為1.2—1.6mm。前池壁與較末一對(duì)燒嘴間距，一般為0.3—0.5mm。為了監(jiān)視窯內(nèi)熔化狀況和便于對(duì)燃燒嘴觀察和調(diào)節(jié)，應(yīng)在胸墻上設(shè)置一定數(shù)量可開閉的觀察孔。



六、煙道


從熔窯通到換熱器的煙氣，先經(jīng)水平煙道，再過垂直煙道進(jìn)入換熱器。水平煙道的截面尺寸，通常按1—2m/s的煙氣流速來選取，高度宜大于寬度。垂直煙道截面又略大于水平煙道截面。煙道耐火材料的侵蝕通常是很嚴(yán)重的。這不僅由于排出氣體的速度快，而且還由于煙氣中夾帶有配合料粉塵。所以在水平煙道入口處底面，使用質(zhì)量好的致密鉻磚，稍后部位才用致密鋯磚，再往后的底面、側(cè)墻、磁磚則使用標(biāo)準(zhǔn)鉻磚或電熔AZS磚。垂直煙道與換熱器接口磚采用鉻剛玉磚。


七、通路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)


通路的作用是接受從熔窯流液洞或擋磚下通道流過來的玻璃，逐漸降溫、恒溫，并使之達(dá)到合適的成型溫度。盡管通路和熔窯兩者實(shí)際是相連的，但通路的操作和控制完全與熔窯分開。并在多段通路的情況下，每段也都要單獨(dú)控制，以保證滿足拉絲所必須的成型溫度。通常習(xí)慣稱與熔窯相連接的通路部分為主通路；裝有拉絲漏板的通路稱為成型通路或作業(yè)通路，而從通路到各段作業(yè)通路間的連接通道稱為過渡通路。


為了有助于玻璃液的均化和溫度調(diào)制，不少有經(jīng)驗(yàn)人士認(rèn)為主通路宜長(zhǎng)，如5—8m，甚至更長(zhǎng)些。而過渡通路的長(zhǎng)度以方便拉絲作業(yè)為原則，一般取4.5—5.5m。


通路高層度：主通路液深自流液洞后分幾個(gè)臺(tái)階逐漸減低，較后一個(gè)臺(tái)階的液深為 100—160mm，常在該臺(tái)階前再設(shè)置一塊鉑銠合金包皮的擋磚，擋磚浸入玻璃50—80mm（也有在擋磚前設(shè)玻璃液溢流裝置，可放掉上層B2O3揮發(fā)量非常大的那層玻璃液）。過渡通路液深在100—160mm間。成型通路的液深與拉絲作業(yè)區(qū)玻璃的溫度有關(guān)，目前常設(shè)計(jì)為100—110mm。


通路寬度：在通路液深確定后，通路的內(nèi)部寬度取決于流過它的玻璃量。如果不考慮玻璃和耐火材料之間流動(dòng)阻力的差別，一般E玻璃選取1.0—2.0Kg/h.cm3的玻璃流量來計(jì)算寬度。成型通路的寬度還要充分考慮漏板配置的需要，如果漏板臺(tái)數(shù)較多，也有在同一條成型通路上采用前后段兩種不同寬度的結(jié)構(gòu)。