Файл: Волгина, Ю. М. Теплотехническое оборудование стекольных заводов учебник.pdf

Выработочную часть бассейна, свод горелок и стены регенераторов изолируют главным образом трепельным кирпичом. При выборе изоляционного материала для свода необходимо учитывать температурные и другие условия, в которых работает теплоизоляционный слой.

Для изоляции главного свода печи применяют изоля­ ционные материалы, достаточно стойкие даже при раз­ гаре свода и не реагирующие с динасом. Поэтому изоля­ ция свода должна быть многослойной. Обычно свод покрывают слоем динасовой мелочи, а по нему наклады­ вают второй слой собственно тепловой изоляции. Во всех случаях нижний слой — огнеупорный с худшими изоли­ рующими свойствами, а верхний — менее огнеупорный (обычно из трепела), но с хорошими изолирующими свойствами. Рекомендуется изоляция всех секций главно­ го свода, за исключением первых двух, подверженных наибольшему износу.

Экономия в расходе топлива при изоляции главного свода составляет 5—10%, при изоляции горелок—3—5% и регенераторов — 5—7%. Максимальную экономию топ­ лива получают при температуре наружной поверхности изоляции 70—80° С.

Г л а в а VI

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТЕКЛОВАРЕНИЯ В ВАННЫХ ПЕЧАХ

§ 19. Варка стекла

Стекловарение — сложный физико-химический про­ цесс, который протекает при изменяющихся высоких тем­ пературах в движущейся среде (стекломассе) перемен­ ного и сложного состава и зависит от состава стекла, вида топлива, условий теплообмена, а также характера движения газов и стекломассы.

Для получения стекол различных составов с разными свойствами используют разнообразные конструкции стек­ ловаренных печей, в которых возможно создание необ­ ходимых условий варки и выработки. Конструкция печи должна обеспечивать сжигание требуемого количества топлива для получения высоких температур. Температу-

95

ра, создаваемая в печи, является основным фактором, от которого зависит скорость стекловарения. Свойства стек­ ла влияют не только на конструкцию печей, но и на их производительность, расход топлива и температурный режим варки. При варке сортового, тарного и листового стекла в варочной части печи поддерживают температу­ ру 1450—1590° С. Варка свинцовых и других легкоплав­ ких стекол происходит при более низких температурах- 1350—1450° С, а тугоплавких боросиликатных стекол— при 1550—1650° С. На производительность печи и каче­ ство стекла оказывают значительное влияние подготовка и загрузка шихты (сырьевых материалов), от которых зависят однородность шихты, скорость провара, унос шихты газами, разъедание огнеупоров отдельных элемен­ тов печи и т. д.

Варка стекла происходит в отдельном объеме (бас­ сейне), в котором загружаемая порошкообразная шихта под воздействием высокой температуры превращается в жидкую гомогенную стекломассу, из которой вырабаты­ вают различные стеклянные изделия. Основными исход­ ными сырьевыми материалами стекольных шихт явля­ ются песок, сода, известняк, доломит и сульфат. Кроме того, в шихту вводят стекольный бой и некоторые дру­ гие химические вещества для окрашивания, обесцвечива­ ния и осветления стекломассы. Стекольный бой ускоря­ ет и облегчает варку, так как он плавится при более низ­ кой температуре, чем шихта, и требует небольшого коли­ чества тепла для расплавления.

Процесс варки стекла состоит из пяти стадий: силикатообразования, стеклообразования, дегазации (освет­ ления), гомогенизации (выравнивания химического со­ става) и студки стекломассы. Каждая стадия имеет свои особенности, требует определенных условий и завершает­ ся при различных температурах.

В стекловаренных печах периодического действия все стадии варки протекают в одном и том же объеме печи, но последовательно во времени. А в ванных печах непре­ рывного действия в отдельных частях печи (зонах) в один и тот же момент времени протекают все стадии вар­ ки, но в каждой из этих частей процесс во времени не­ изменен.

На первой стадии (силикатообразование) в основном заканчиваются химические реакции разложения карбо­ натов и сульфатов, выделяются газообразные соединения

96

(CC>2, S02 и Н20 ), содержащиеся в компонентах сырья, и шихта превращается в спекшуюся массу. При варке стекол щелочного состава первая стадия завершается при температурах 800—950° С.

На второй стадии (стеклообразование) завершаются реакции силикатообразования, а непрореагировавшие ос­ татки кварца и других компонентов шихты растворяют­ ся в расплаве. Вся масса превращается в прозрачный расплав, без твердых частиц непроварившейся шихты, но она неоднородна, так как содержит газовые включе­ ния в виде пузырей. При варке обычных стекол щелоч­ ного состава вторая стадия завершается при температу­ ре 1200—1300° С.

Третья стадия (дегазация) наиболее продолжительна по времени, так как из стекломассы газы удаляются мед­ ленно. Эта стадия заканчивается, когда в расплаве стек­ ломассы нельзя обнаружить видимых газовых включений (пузырей и мошки), обычно при нагреве стекломассы до

что необходимо для выработки стеклоизделий. Стадия гомогенизации протекает одновременно с дегазацией (при тех же температурах).

Пятая стадия (студка) осуществляется путем равно­ мерного снижения температуры на 200—300° С, когда стекломасса приобретает вязкость, необходимую для формования и выработки изделий.

Разделение процесса варки стекла на указанные ста­ дии чисто условно, так как в стекловаренных печах не­ прерывного действия эти стадии осуществляются одно­ временно и четко разделить их невозможно. Например, наряду с реакциями силикатообразования протекают стеклообразование и дегазация; последняя сопровожда­ ется гомогенизацией.

§ 20. Теплообмен в рабочей камере печи

Работа обычных стекловаренных печей, обогреваемых продуктами сгорания топлива (газообразного или жид­ кого), зависит от теплообмена в рабочей камере печи, складывающегося из теплообмена в области пламенного пространства и теплообмена в слое шихты и стекло­ массы.

Применение в стекловаренных печах электрического обогрева с помощью электродов, помещенных в стекло­ массу, совершенно меняет схему теплообмена, так как отсутствуют теплоизлучающая газовая среда и высоко­ нагретая кладка (свод,стены) печи.

Теплообмен в пламенном пространстве. Источником тепла в рабочей камере печи является факел пламени. В объеме пламеннного пространства температурное поле неравномерно. Максимальная температура наблюдается в факеле, который также не является однородным и со­ стоит из участков с различной температурой. Максималь­ ная температура факела 1600—1750° С, у места выхода из рабочей камеры она снижается до 1450—1550° С. Тем­ пература стен и свода приближается к температуре фа­ кела на выходе из рабочей камеры. Она ниже средней температуры газов и выше температуры поверхности шихты и стекломассы. Температура самого факела и теп­ лоотдача от него максимальны вблизи места его-поступ­ ления в рабочую камеру печи и снижаются у отверстий, отводящих газы.

Факел пламени, кладка, шихта и стекломасса име­ ют различные температуры и передают друг другу теп­ ло излучением. В результате теплообмена излучением шихта и стекломасса получают необходимое количество тепла для стекловарения.

Тепло шихте и стекломассе от газов передается в ос­ новном излучением и только 5—10% — конвекцией. Из­ лучение факела пламени зависит от содержания в нем многоатомных газов (С 02 и Н20) и частичек сажи —про­ дукта разложения углеводородов, которые вызывают све­ чение пламени, характеризуемое степенью черноты. Сте­ пень черноты &ф светящегося факела очищенного генера­ торного газа составляет 0,2—0,3, неочищенного, содержа­ щего продукты разложения смолы, 0,3—0,5 и продуктов сгорания мазута 0,5—0,8, а для несветящегося факе­ ла, содержащего только продукты горения, — 0,15—0,25. Степень черноты факела природного газа невысокая, но может быть повышена путем предварительного пироли­ за газа до 0,5—0,8.

Теплообмен в области пламенного пространства про­ исходит по следующей схеме. Лучистый поток, падаю­ щий на кладку, шихту и стекломассу, частично поглоща­ ется, а частично отражается. Отраженный поток сумми­ руется с собственным потоком излучения. Факел

98

пламени вследствие частичной прозрачности, зависящей от степени черноты, поглощает часть падающего на него тепла, а часть отражает.

Стекломасса представляет собой полупрозрачную среду и в известной мере прозрачна для излучения факе­ ла и кладки, поэтому в теплообхмене может участвовать более или менее толстый слой стекломассы. Чем прозрач­ нее стекломасса, тем больше передается ей тепла за счет излучения.

Процесс стекловарения в ванных печах ускоряется, если факел пламени направлен под определенным углом к поверхности шихты и открытому зеркалу стекломассы. Длина факела должна быть такой, чтобы горение закан­ чивалось у влета противоположной горелки.

Расчет теплообмена в пламенном пространстве очень сложен, так как степень черноты и температура факела пламени, обогревающего печь, неравномерны, факел не имеет правильной геометрической формы. Неравномерна также и температура кладки. В теплообмене принимают участие промежуточные слои газа между факелом, клад­ кой и стекломассой. Поэтому теплообмен в пламенном пространстве печи рассчитывают, приняв ряд упрощаю­ щих предположений.

Теплообмен в шихте и стекломассе. Шихта и стекло­ масса в пламенных печах нагреваются путем излучения от факела пламени и кладки и частично за счет конвек­ ционных потоков, являющихся внутренними источниками тепла. Теплообмен в слое шихты и стекломассы происхо­ дит следующим образом. Стекольная шихта, загружае­ мая в печь, является плохим проводником тепла, и поэто­ му в течение нескольких секунд ее поверхностный слой нагревается до 1200—1400°С и в нем интенсивно проте­ кают процессы силикатообразования, стеклообразования и частичного осветления. В результате протекания этих процессов шихта покрывается тонким слоем рас­ плава, под которым находится спекшийся слой шихты. Расплав непрерывно стекает с поверхности, а спекший­ ся слой превращается в расплав. Чем тоньше помол ших­ ты, особенно песка, больше летучих в шихте и меньше вязкость стекломассы, тем интенсивнее протекают эти процессы. Слой шихты снизу, нагреваемый конвекцион­ ным потоком стекломассы, также превращается в сте­ кольный расплав. Средняя часть слоя шихты длительное время остается холодной из-за низкой ее теплопроводно-

7*

сти. Если температура поверхностного слоя шихты 1200—1400° С, то на глубине слоя 50—100 мм — только 200—300° С. Стекломасса, образующаяся в результате провара шихты, стекает с поверхности ее слоя на откры­ тую поверхность зеркала стекломассы, нагревается и примешивается к конвекционному потоку, движущемуся к загрузочному карману.

Процесс передачи тепла в расплавленной стекломас­ се (полупрозрачной среде) чрезвычайно сложен. Тепло­ передача в слое стекломассы происходит теплопроводно­ стью, излучением и конвекцией. Применительно к стек­ ломассе понятие теплопроводность имеет особый смысл. Эффективная теплопроводность зависит от многих фак­ торов: собственно теплопроводности стекломассы, ее из­ лучения, излучения окружающей среды, толщины слоя стекломассы и распределения температур в нем, коэффи­ циента поглощения стекла, излучения пламенного про­ странства, дна или глубинного слоя стекломассы и ин­ тенсивности ее движения.

Поток тепла в слое расплавленной стекломассы скла­ дывается из радиационного теплового потока и потока, обусловленного ее молекулярной теплопроводностью. Из­ лучение и поглощение тепла зависят от коэффициента поглощения и показателя преломления стекломассы.

Исследования по определению молекулярной тепло­ проводности силикатных стекол показали, что при высо­ ких температурах не происходит значительного ее изме­ нения, а имеющиеся в литературе значения теплопровод­ ности, резко увеличивающиеся с ростом температуры, не являются истинными значениями молекулярной теп­ лопроводности, так как они обусловлены в основном соб­ ственным излучением стекломассы.

М. Черни и Л . Генцель пренебрегли молекулярной теплопроводностью ЯМОл и определили коэффициент ра­ диационной теплопроводности ЯЛуч, характеризующий радиационный тепловой поток внутри стекломассы:

,16сч п2 Т \

100