玻璃球窑之窑炉的结构和熔制

1、玻璃球窑之窑炉的结构和熔制一、球窑的种类1.E 玻璃球窑生产E玻璃成分的窑炉被称为E玻璃球窑。适合的窑型有：蓄 热式马蹄焰窑；蓄热式横火焰窑；换热式单元窑。其中单元窑能较好 控制玻璃质量， 但在我国玻璃球生产初期， 国内缺少高热值燃油及煤 气，燃烧器和金属换热器方面的技术落后， 因此实际上单元窑从没有 用于生产玻璃球。 横火焰窑生产的玻璃质量相对较好， 但因蓄热式横 火焰窑池宽度一般要求大于 4mm ，以保证燃烧完全和窑炉热效率高。 这样，横火焰窑的熔化面积较大， 使制球机半圆型工作池的布置受到 限制，因此这种窑型的使用也很少。 但可以认为，随着制球机的改进， 以及能源供给的多样化， 采用横火

2、焰窑还是有一定应用前景的。 马蹄 焰窑至今仍是国内制造 E 玻璃球的首选窑型。2.C 玻璃球窑生产C玻璃成分的窑炉被称为C玻璃球窑，C玻璃球窑也以采 用马蹄形火焰窑为主。过去4台制球机以下的C玻璃球窑曾采用过双碹窑。应该说单元窑和横火焰窑同样也适用于 C 玻璃球窑，但由 于如前所述的原因，实际生产中从未采用。3.电熔球窑适合于小规模特种成分玻璃球或玻璃块的生产。二、马蹄焰球窑结构设计1.结构尺寸（1）熔化面积。窑炉的熔化率主要取决于熔化温度， 因为中碱和无碱玻璃球窑的 熔制温度比较高， 如果进一步提高熔化温度来提高熔化率， 会加速对 耐火材料的侵蚀， 降低球质和影响炉龄。 而采取鼓泡和电助熔技

3、术可 以相应提高中下层玻璃温度，促进玻璃的均化，并且提高熔化率。（2）熔池长宽比。长宽比越大， 玻璃原料从熔化到澄清的行程也大， 这有利于玻璃 质量的控制和提高， 而长宽比又受到小炉结构设计、 火焰长度及拐弯 要求的限制。采用高热值燃料的球窑池长可达到 10mm ，所以可选 择较大的长宽比。 而采用低热值燃料的球窑应选择较小的长宽比。 一 般长宽比选用范围为 1.4 2.0。（3）池深。池深不仅影响到玻璃液流和池底温度， 而且影响玻璃液的物理化学均匀性以及窑炉的熔化率。一般池底温度在1200 1360 C之间较 为合适。池底温度的提高可使熔化率提高。但池底温度高于1380 C时，需要提高池底耐

4、火材料的质量及品种， 否则则会加速池底的侵蚀 并降低炉龄， 且会增加玻璃球的结石含量， 这对后道拉丝生产是不利 的，影响池底温度的决定性因素是玻璃的铁含量和玻璃气氛。当Fe203含量在0.25 0.3%范围内时，池深800 1200mm 的玻璃球窑， 其垂直温降约为 15 30 C /100mm 。（3）工作池。选择半圆形工作池时，其半径 R 决定于制球机台数与布置方式。一般工作池半径小于等于熔化池池宽，工作池深度浅于熔化池池深300 400mm 。4）投料池为了获得稳定的玻璃质量， 一般在池壁两侧设置一对投料池， 随 换火操作交替由火根投料。 投料池中心线与窑炉池壁的距离主要决定 于小炉喷火

5、口的温度，温度越高距离可缩小。一般其距离可定在 0. 8 1.0m 。（5）流液洞。流液洞的功能是降温和均化。 采用沉式流液洞比采用直通式流液 洞温降大。 而均化效果受液洞高度影响较大。 如高度越小则均化效果 越好。所以设计流液洞宽度一般应大于其高度。 在不考虑玻璃回流的 情况下，玻璃流经流液洞的平均速度可取 5 20m/h 。（6 ）胸墙高度。胸墙高度应根据窑炉容积发热强度来确定， 目前容积发热强度设 计值一般取 60 200KW/m 3（相当于 50 180*10 3kcal/N.m 3），比 早期的数据已有明显下降， 这说明提高了胸墙高度， 而且采用质量改 善的耐火材料和较好的保温效果，

6、 使窑炉热损失减少， 大容积空间更 有利于燃料的完全燃烧和增强其容积辐射强度， 有利于提高熔制质量 和降低能耗2.小炉设计小炉是球窑的关键部位， 小炉喷出口角度和喷出的速度对燃料燃 烧和火焰形状有重要的影响。不合理的设计会使火焰冲击胸墙和大 碹，并造成不完全燃烧。燃料在球窑内的燃烧属于扩散式燃烧，助燃 空气从小炉口喷出的速度、 厚度及与燃料喷出的交角、 助燃空气的温 度、燃油雾化的程度、 油枪在小炉内的布置等因素不仅决定了火焰形 状、燃料燃烧状况，而且还影响到火焰对玻璃熔池的热辐射。目前小 炉设计仍以实践经验为主， 一个成功的设计者应能用燃烧理论、 火焰 传热理论去分析、应用和总结实践经验。（

7、1）小炉下倾角一般在 18 35 范围内选用，燃油小炉一般选用 22 25 ，燃烧天然气和干气的小炉下倾角可以大些。在实际生产行 中油枪有 5左右的上仰角，在采用天然气和干气时的仰角还要更大 些，其目的是让火焰与玻璃液面平行。（2）小炉喷出口速度（或小炉出口面积），由于燃油雾化后喷入 窑炉空间的燃烧过程中伴随着油雾的气化过程， 因此燃料混合物喷出 的速度大， 气化膨胀的阻力也大， 油类燃料在窑内的停留时间一般比 天然气燃料的时间长， 因此燃油小炉喷出的速度可以稍低。 当改用天 然气时，如果喷出速度太低，会造成燃烧不完全。小炉喷出口速度一 般参照小炉喷出口处相应温度的空气速度来进行计算比较合适。

8、 小炉 喷出的助燃空气要有一定的容积厚度，取其宽高比为 23.5 。为了使火焰不直接冲刷胸墙，两座小炉内侧间距应不小于 0.6 ， 小炉外侧与胸墙间距不小于 0.3。燃烧器布置在小炉下面，一般为 23 只，烧嘴间距为 0.40. 5m 。采用天然气和干气燃烧时，如蓄热池宽度小于 6m ，燃气喷嘴 最好放在小炉两侧，不然容易产生不完全燃烧。3.蓄热室热工计算目前对蓄热室的研究比较多， 可以通过热工计算进行设计。 由于 热气流在冷却过程中由上而下的流向， 可以使同一截面的气流温度趋 于均匀，而气体被加热时由下而上的流动又使截面间气体的温度也趋 向均匀，采用立式蓄热室的气流正符合这种规则，而且具有占

9、地少、 容易清灰的优点，被广泛采用蓄热室的热工计算包括蓄热室热平衡和蓄热室传热计算， 二者的 结果必须相符。即热平衡中空气吸收的热量，必须在传热中实现，否 则要重新假设和计算，直至相符为止。三、球窑砖结构和耐火材料1. E 玻璃球窑（1）池壁结构与耐火材料的选用密切相关。其理想的池壁材料是 致密铬砖，其次是致密锆砖。致密铬砖可采用多层排列，即外部可以 有适当保温，寿命可达 6 年以上。致密锆钻砖下部可适当保温， 寿命 可达 2 年以上。 但是这两种砖材价格相当昂贵， 球窑无法承受。 国内 E玻璃球窑池壁主要采用石英砖，下部用白泡石或高岭土浇注砖。石 英砖在1400 C以上会很快被玻璃侵蚀掉，之

10、所以能够在无碱球窑上 使用主要靠冷却。 为了延长池壁寿命， 有人在石英砖池壁上设置了上 下两排冷却风。这样处理后，石英砖池壁寿命可达 1 年左右。（2）池底结构。以往都不采取保温措施，事实证明，当铁含量在 规定范围内时，采用一定的保温结构，对池底仍是安全的，并且提高 了池底温度，节约了燃料，进一步改进玻璃球熔制质量。3）火焰空间的大碹部分是分别独立支撑的。挂钩砖与池壁之间一般在砌窑时都留有膨胀缝。 缝间填以硅酸铝纤维或在烤窑结束后用 锆英石密封料填塞。挂钩砖可以用硅砖，高温区用电熔 AZS # 33 砖。 胸墙砖、碹碹砖、碴砖用硅砖。投料口上方过桥砖采用电熔 ZAS#33 为好。小炉腿和小炉出

11、口碹、 烧嘴砖采用 AZS#33 ，此处温度比较高。 AZS 砖与硅砖之间要用 3 5mm 锆英石密封料分隔，以防高温熔融 反应。在硅砖外的保温材料可用轻质硅砖或轻质高铝砖。 大碹上的保 温应在烤窑过大火之后进行。（4）小炉部分除炉口外都用硅砖。蓄热室墙分为三段。下段用粘 土砖，过渡段用高铝砖，上段包括蓄热室碴用硅砖。下部格子砖用高 密度粘土砖、中部用高铝砖、上部可用烧结 AZS 砖。3.C 玻璃球窑一般都是全保温，即池底、池壁、胸墙、大碹、小炉蓄热室都进 行保温，并取得了满意的效果。 窑的结构和耐火材料的使用， 除池壁、 池底、格子砖外，与 . 玻璃球窑没有什么区别。玻璃球的熔制玻璃的熔制是

12、玻璃球生产过程中极其重要而且起决定性作用的 过程。像平板玻璃一样，生产工艺上要求“四稳”，即：原料稳、熔 化温度稳、投料液面稳和窑压稳，这样才能保持玻璃球的正常生产。1.投料与液面控制投料应该稳定。投料质量的稳定取决于配合料的颗粒度、水分、 化学成分及配合料混合均匀度的稳定。 投料数量的稳定， 取决于投料 机的结构和投料方式。 目前球窑多数采用垅式投料机投料， 投料方式， 根据窑炉结构和熔化作业情况而定， 大致有火根投料 （即火根单面材 料）、火梢投料（即火梢单面投料）和两面同时投料三种。当窑炉结构、 喷嘴位置能做到不冲料时， 采用火根投料或两面投 料化料速快，较为合理。这两者相比，火根投料，

13、由于单面投料，虽 然火根温度高， 但在一个换火间隔时间中连续投料时间长， 余下的化 料时间就短， 玻璃的熔化速度比两面投料慢。 当然从蓄热室堵塞情况 和玻璃液液面的稳定来看， 火根投料比两面投料较为合理。 两面投料 要求投成“八”字形，即料堆各自由投料口朝小炉口方向走，当两个 料堆相遇即停止投料当火根投料难以避免冲料、跑料时，则改用火梢投料比较妥当 虽然火梢温度低些， 化料速度慢些， 蓄热室格子砖容易瓷化或阻力大 些，但与跑料相比，毕竟是第二位的问题。不论何种投料方式， 都应做到每班 8 小时均匀投料， 避免烧空窑 或因追加液面而集中投料的做法， 并经常注意料堆走向， 发现跑料要 及时拨回。从

14、液面、温度、成分等的稳定以及窑炉侵蚀等方面考虑，废丝和 熟料（即废玻璃球和玻璃块）同生料按一定比例混合后加入最好，如 果暂时还做不到混合后加入， 生料、废丝和熟料也应做到分次交错加 入，尤其废丝的加入，因浸润剂等的燃烧会影响火焰的正常燃烧，降 低炉温达30 C左右，破坏熔化作业的稳定。因此，废丝必须清洗， 烘干，灼烧将浸润剂除去再破碎，这样才可作为熟料使用。液面高度必须稳定，液面的波动会使窑内玻璃液流动情况改变， 严重时会影响料股的稳定和操作温度的波动， 使制球作业不稳， 多出 废球。但是，目前的间歇投料与连续制球工艺的客观情况，要求液面 不波动是不现实的。 为了稳定生产、液面波动要求控制在

15、5mm 以内， 并随着球窑液面自动控制的解决，精度还可进一步提高玻璃液面的自动调节方案很多，有固定或移动探针式液面调节 仪，浮子式液面仪和激光液面调节仪等多种。 由于纤维玻璃的熔化温 度较高，配方中又有对铂针有害的氧化砷， 因此不能用铂针作测量元 件。浮子式液面仪比较实用，将它与投料机联动起来有一定作用。比 较先进的是激光液面控制仪。 它是一个光电控制系统， 属非接触式仪 表，仪器结构小巧简单，工作稳定可靠，使用方便，测距不受限制。 根据试验， 激光液面控制仪的控制精度可达到 1mm 右。激光液面仪 存在的主要问题是激光管寿命还不够长， 对安装场所的要求较高 (不 能振动)，同时对测点处玻璃液

16、面的洁净程度也要求严格。2.熔化温度和火焰调节C 玻璃球或 E 玻璃球的熔化温度都比平板玻璃、 日用玻璃高， 尤 其是 E 玻璃“降硼”、“代硼”后，熔化温度指标显得更为重要。为 了使玻璃熔化充分， 保证玻璃球的内在质量。 在玻璃熔制工艺规程中 规定：E玻璃窑：熔化温度为(1600 10 C)C玻璃窑：熔化温度为(1530 10 C)除严格掌握熔化温度外， 尚应控制一定的小料含率、 相应的熔化率、出料量和窑内气氛，避免还原气氛和不适当的追求产量。火焰的最高温度应位于澄清部位，一般球窑约在窑长 （. 以外， 马蹄形火焰即在拐弯处较为适宜。窑内温度分布是窑内火焰燃烧情况的反映。 优良的火焰应达到下

17、 列几个要求。（1）火焰要求清亮。在蓄热室后墙看火焰应不浑，在测温孔冒 出火苗应呈黄绿色，在投料口看火焰，喷出口的火焰“黑区” （粗雾 化区）应尽量短，且以淡灰色为好。（2）火焰要求不烧煊、不烧胸墙。在蓄热室后墙看火焰时能看 到馒头煊和喂料池进口。（3）火焰要求不冲料，在投料口观察火焰，要求火焰在料堆上 面覆盖而过，火焰与液面相遇点应在投料口以外。（4）火焰长度应掌握好，中碱玻璃在测温孔要求看不到火焰，无 碱玻璃因作业温度需要，在测温孔能间断看到火苗5）火焰相互间不得干扰或干扰不多影响烧油火焰的因素很多，助燃空气开度、烟囱抽力、雾化空气 配比、油压大小、油温高低、喷嘴的规格、喷嘴的上倾角和左右

18、角、 喷嘴的同心度、喷嘴的结焦等都对火焰长度、亮度以及熔化部温度、 烟道温度、窑压指示值、化料速度有一定影响。调节火焰，一般调节油气比例，当油气比例不能解决问题时，再 考虑其它因素。调节油气比例，两者都可调，在可以调节压缩空气 （或 过热蒸汽）时，调节压缩空气比较灵敏，因重油粘度大，调节小时反 映不出，调节大时一下子冒黑烟。在控制油气压时，总管油压不能太 高，例如不超过 8 9kg/cm 2，以保证喷出火焰稳定，窑温波动小。 液沫子多，致使球内气泡多，常出废品，生产不稳定。其特点是窑内 横向温差大（南北胸墙3号偶经常达35 C）,纵向（熔化部与冷却 部旋顶）温差太小（33 40 C）。B型温度

19、曲线就更不合理了，二 端偶温度高，中间偶温度反而低。料堆超过 3/5L 。故大砖门遍布沫 子，球内气泡太多，全是废品。C型温度曲线最合理。热点突出（1 号偶），料堆近（未超过 1/5L ），故大砖门玻璃液清亮，说明澄清 质量高，球内无气泡， 生产很稳定。 窑内横向温差小 （不超过 20C）， 纵向温差大（60 70 C）。D型温度曲线也还可以。热点在中间， 料堆符合要求（不超过 2/5L ）。在马蹄形窑中，火焰在熔化部走了个 U 型，火焰通过熔化部的 路线比较长，燃料能充分燃烧，并能充分地利用火焰来熔融玻璃液。 由于窑内的温度分布往往受风火配比、火焰长短、高低、歪斜等因素 影响，有时变化幅度很

20、大。 所以窑内温度分布的合理调节，不仅要借 光学温度计，还要凭多年经验去掌握，现在有了热电偶，指示沿窑长 方向上的火焰温度分布， 可以寻找一个合理的温度曲线。 就大大加强 了掌握生产的主动。3.窑压的自动调节玻璃球窑内火焰空间的压力（简称窑压）对窑内的温度制度、玻 璃的熔制、 窑炉的使用寿命以及燃烧的经济性等都有直扫影响。 一般 我们要求在贴近玻璃液面处为微正压，而在窑煊顶处的压力为 24.5 34.3Pa 。窑压太高，则加料口、测温孔等处窜火严重，不仅增加 了热损失，加剧耐火材料的侵蚀，缩短窑炉寿命，而且影响玻璃的澄 清；窑压太低， 容易使玻璃液面附近造成负压，吸入冷空气而降低玻璃液面温度，

21、 影响玻璃的正常熔制， 同时空气过剩系数 a 增大， 增加了热损失。（1）窑压取样点。窑压取样点一般选在熔化部中部靠近流液洞的煊顶上， 在煊顶上 个40mm左右的圆孔，插上钢管，用耐火泥将缝隙填满使不漏气， 然后用管子引至变送器或调节器： 若用差压变送器，则需要放两根管， 以避免取样点与仪表高度不一致时， 管内气体和外界气体温度不同产 生的几何压头影响测量结果。（2）窑压调节系统。二、玻璃球的成型1玻璃球的成型原理和制球机（1）玻璃球的成型原理。合格的玻璃液流经喂料池， 再从喂料口流出形成料股， 玻璃料股 的流量过去使用调节节流塞上下位置实现。 由于节流塞系一般耐火材 料制品，容易被侵蚀、断裂

22、，寿命短，因此目前都采用不锈钢闸板来 调节料股的流量大小。料股温度，C玻璃一般为1150 1170 C玻璃，E为1180 1210 C。目前料股温度用小烟囱的开度或窑压大小来调节。玻璃料股被每分钟剪切近 200 次左右的剪刀切成一段段的球坯。 理想的球坯其直径和高度相等（即 1:1），球的直径由玻璃液流股的 粗细、流速和剪刀的剪切速度来决定。球坯落到溜槽中，溜入分球器，经分球板来回摆动，分别将球坯 分入两个漏斗，然后落到由三个旋转方向相同辊筒所构成的成球槽 中，由于球坯在辊筒上作复杂的旋转运动以及玻璃表面张力作用的结 果，逐渐形成了光滑圆整的玻璃球。 此玻璃球离开辊筒时因温度还很 高，为防止粘

23、球而设置冷球盘或蛇形跑道进行冷却， 最后进入网式退 火机经退火冷却后储存在球仓中，以供选球、称量和包装之用。球坯在辊筒上作复杂旋转运动， 是辊筒表面与球坯间的作用力所 造成。这种作用力一方面是辊筒与球坯间发生的摩擦力， 根据摩擦力 对成球过程的作用不同称为压力和翻力， 压力使球向下， 翻力使球向 上、假设压力和翻力相近， 则玻璃球坯在辊筒中受到的压力和翻力类5.剪刀剪切整度!*% 次 1 .23似于一对力偶的作用， 因而球坯形成一个横向旋转的运动， 这个运动 在球坯刚落到螺旋槽的第三、 四格时观察十分明显； 另一方面由于辊 筒表面的槽纹是一螺旋槽，因此辊筒的旋转等于球坯在斜面上滚动， 螺旋槽对

24、球坯产生一推力， 使球坯作轴向滚动， 即产生与上述旋转方 向相垂直的滚动。 根据空间力系的合成原理。 球坯并不单纯作横向旋 转，也不单纯作纵向旋转， 而是随合力方向旋转，这就是球坯在成球 槽中以某一方向滚动的基本力学分析。（2）制球机。国内玻璃球厂普遍使用的三辊筒玻璃制球机， 其主要技术数据和 规格如下：1.滚筒外径!-+.2.滚筒螺旋槽导程+.3.滚筒螺旋槽长度 %.4.电动机功率!/06.滚筒转速4%5 1 .237.辊筒冷却方式内水冷式8.玻璃球直径9.玻璃球产量!%/8!4$ 6 %$ )+74%/89 台10.机器重量11.外形尺寸(长 ! 宽 ! 高) #$% ! ? ， +056

25、 378 ；外形尺寸（长 ! 宽 ! 高）。四、玻璃球生产工艺规程1.原料与配合料的控制（1）制定原料企业标准，符合要求，方能采购和投入使用。（2）进厂原料必须分堆存放，以免混堆，保持堆场清洁。粉料进 厂，必须保持干燥。原料及时取样分析，料堆上插牌标明原料名称、 产地、数量、进厂日期和编号。（3）配料前经化验室测定原料水分，调整用量。（4）配合料水分应控制在 ）+ , + 为宜。（5 ）配合料均匀度要求，以在配合料中随机取） 点测定（ - 玻璃料以表示，E玻璃料以2&0）表示）所得均度大于 $ +为合格。 不合格的配合料不得入窑。6 原料粒度应有所控制。熔化面积在 &4%& 以上的球窑，其硅质原料粒度应超过目，铝质原料粒度在 3# 目以上，在 &4%& 以下的熔窑，则全部超过 3# 目筛。2.玻璃球成分的控制（1 ）玻璃球成分的计算必须严格控制在国家专业标准526 ）3