用于玻璃生产的供料道设计研究

用于玻璃生产的供料道设计研究

众所周知，预料道的功能是为预料机提供足够的温度和均匀的玻璃溶液，由预料机产生合理的形状和形状的料，并由预料机产生产品。随着玻璃制造技术的发展,玻璃瓶罐产品的生产方式有了很大的变化,生产轻量化玻璃瓶要求玻璃以更加均匀的成分和温度进入成形机,以往生产中允许的玻璃液温度或成分的不均匀性,在轻量瓶生产中可能会成为障碍。多机组、多滴料成形工艺的应用则要求供料道以数倍于过去的均化速率提供温度均匀一致的玻璃液。如此种种原因,引起人们对供料道的研究、设计并推广到实用的极大兴趣。供料道的类型很多,国内常见的有与A型供料机配用的A3240-Y和A2630型,它们可为四组和六组行列机供料。为了适应生产发展的需要,近年来先后推出了DT56-91型以及BLLD560、660型等新型号。国外常见的供料道有KU型和KW型,它们通常分成两部分:与熔窑相接的部分主要是为改变来自熔窑的玻璃液的温度,起冷却作用,称为“冷却段”,冷却段一般均设有冷却空气出、入口,以自然或强制送风的方法供入冷却空气以冷却玻璃液;与供料盆相连的部分通常称之为调节段,一般不设冷却风出入口,而留有安放加热装置的孔洞。老式供料道中存在的共同问题有:巨大而沉重的供料道上部结构,其耐火材料的横截面积可达(同一截面上)玻璃液横截面积的12倍,耐火材料的重量可达其所容纳玻璃液的10倍以上,使得其热容量、热惯性很大,不易改变、调整玻璃液的温度;窄而短的供料道尺寸使得玻璃液流经的路径很短,冷却和调节的时间短,难以把玻璃液均温到能满足高速生产的需要;在冷却段一面采用火焰加热,一面又采用大风量在整个玻璃表面上毫无区分地冷却,使得供料道能耗很高。由于料道排出的废气温度高达1000℃以上,故废气中含有的热量至少占输入给供料道热量的50～60%,热量未能得到充分利用。因为在整个料道截面上,由于供料道耐火材料的传热作用,通常靠近底部和侧壁的玻璃液的温度低于中部的温度;另外在控制方面,大都停留在以经验指导为主的水平上。针对上述问题,近年来国外对供料道进行了大量的设计研究,推出了几种新型号的供料道,并形成了系列产品。它们以不同的途径达到节省燃料和玻璃液温度均匀、稳定,且装备有可靠的自动控制系统。一、供料道冷、压区域的划分在各种最新式的供料道设计方案中,大都采用整块的砌块代替原先由数块大砖构成的上部结构。如图1、2、3,所示。图2中的供料道顶部砌块由两瓣拼成,图1和图2的供料道在冷却段采用一种使断面空间呈“笔架式”的砌块,即上部结构设有两个向下的对称分布的凸起。把冷却段沿长度方向划分成三个通道,即位于中间的冷却区和两侧的加热区。这种笔架式的结构是根据供料道横断面内玻璃流中的温度分布情况,以及冷却和调节过程中对玻璃液温度均化的要求,借助有限元素法用电子计算机辅助设计出的。在实际操作过程中,供料道中的玻璃液温度是中间高两侧低。采用上述结构把冷却段沿纵向划分成三个区域之后,冷却空气只能经中间的冷却通道流动,避免与两侧加热的燃烧生成物接触,因此以对流和辐射的方式有效地带走玻璃高温区的热量,将其冷却作用集中在高温部位。位于两侧的加热元件则散发出热量,使位于供料道两侧的温度较低的玻璃液温度提高。虽然加热时使用的是常用手段,但由于把加热和冷却分开进行,就使加热元件的功能和冷却风的作用得到充分的发挥,而且每一侧的加热装置独立控制,故左右两侧能达到精确的温度平衡。有些供料道的设计方案中还在底部设置冷却通道(图2),或使用分级保温的方法(即在底部中间采用传热能力较强的保温材料,如图1右部),以便进一步改善玻璃液冷却和均化的效果。二、采用陶瓷纤维材料的用供料道研究工作的另一重点是耐火材料和保温材料的选用。为了改变老式供料道的热惯性大,温度调节不灵敏的缺点,基于供料道上部结构形式的变化,新型设计中大量减少内层耐火材料的用量,同时在外层使用陶瓷纤维保温,使构件很容易安装就位,其强度也足以承受玻璃和耐火材料形成的载荷。Emhart540型供料道的冷却段上部采用两瓣式结构,主要特点是安装迅速易行,其材质是通常的锆莫来石,每瓣重量约125公斤,外层用陶瓷纤维保温(图2)。BH-F400系列的供料道上、下部均采用整体结构,材质也是锆莫来石,外层敷以陶瓷纤维层。采用前述的改进措施之后,结合精确的温度自动控制,不仅大幅度地降低了供料道的燃料消耗(图4),而且大大改善了冷却和均温的效果(图5)。其中供料道进口处和均温段玻璃液的中间层的中央处和两侧各设置了三个热电偶。由图4可以看出,上部结构的热损耗少,减弱了供料道加热或冷却,以便使玻璃温度保持在一恒定温度的状态。在气体加热供料道中,废气所含的热量占输入给供料道热量的50～60%。另外尚需平衡供料道构件,尤其是上部构件的热损失,这就是旧式料道能耗高的原因。在电加热的供料道中,由于不存在高温火焰和与其相伴随的高速气流,使其具有远胜于火焰加热供料道的优点——可使用低热容量的耐火材料(LowTheromalMass)。这种材料非常轻,能承受供料道内的高温,但不耐高温火焰冲击和高温高速气流的侵蚀。由于它们改进了保温效果,降低了热容量,大大降低了控制中的滞后现象,从而保证了控制的精度和调节的灵敏度,在改进料道操作中起到了重要作用。图3所示即为这种类型的供料道。其上部结构的顶部大砖,一个人即能从容地搬运、安装就位,因而显示出其独到的优越性。三、碳化硅管及金属结构及热传导火焰加热供料道中,新、旧形式的加热器件变化不大。而在电加热供料道中,在加热元件方面出现了不少革新,这方面最重要的发展是仿型(Profile)加热元件的出现。这种元件由碳化硅管制成,外表面有一层特殊的瓷釉保护层。在冷却段,由于耐火材料的热传导和玻璃液流动过程中截面上各点的速度差(中心部位的速度比侧壁处的速度高),造成40℃左右的温度差(见图5料道进口处的温度)。为了消除这一温度差,在碳化硅管的两端切出螺纹,切有螺纹的两端电阻比未切螺纹的中间部分大,因此当电流通过时能产生较大的热量,使两端比中间热得多。这种元件用于冷却段,它们在靠近两侧处比在中心部位放出较多的热量,从而减小了两处的温差(图3)。在均温段,由于玻璃液经过冷却段之后实际温度差很小,故采用整个碳化硅管结构相同、温度均一的加热元件;在料盆处以及其它操作人员难以接近处,为便于安装起见,采用两个电接点在一端的悬臂式加热元件,它们亦均由碳化硅管制成。供料道电加热的另一种方式是用钼电极浸入式加热,这种情况需要考虑个两问题:首先因为钼是一种纯金属,在高温条件下,晶体结构随时间的延长而变化,使用一年半后,钼电极的横断面上便产生晶粒大小不同和分布不均的现象。使用三年之后,同一根电极的横断面上的晶粒生长得更大,且更不均匀。在这种条件下继续使用,玻璃就会侵蚀电极表面的晶界,经一定时间后,电极的表层将会剥落,使电极的侵蚀进一步加剧,并把钼的金属颗粒携带到玻璃中。已经发现这种变化也与电流密度有关,一般说电流密度和玻璃液的温度越高,晶粒生长速度越快。因此在使用钼电极加热供料道时,应该采用与电熔窑相比低得多的电流密度。这种低电流密度与供料道中较低的温度(与熔窑内相比较而言)结合,保证电极至少可满足使用5～6年的窑龄。另一要考虑的问题是电极本身的结构。为了降低电极的成本,有些电极由钼棒和铬镍铁合金(或类似的金属)组合而成。这种电极很容易损坏,其原因之一是节点处于高温下,而两种金属的热膨胀有差异,往往会引起热应力破坏;另外节点处由于氧化和逐渐增大的接触电阻,也会受到损伤。其次,不同金属之间热连接有类似于热电偶的作用而产生一个约10mV的直流电,它足以引起在电极表面形成气泡的电镀作用。电加热供料道的最大特点是改进生产效率或成品率,能实现精确的温度自动控制,达到较小的料滴重量波动和均匀一致的粘度,允许机器以较高的速度操作。其生产能力比相同尺寸的气体加热供料道至少高2%。注意到上文中所述的问题,选用合适的加热元件并以合理的方式操作,结合L.T.M.耐火材料的使用,便能使电加热料道的优点得到最大限度的发挥。四、彩色曲线显示系统和光纤硅管温度检测新型供料道通常沿长度方向划分成三段:即尾部冷却段、前部冷却段和均温段。各段在上部以挡砖隔开,温度控制系统相互独立,加热装置也是相互独立进行控制的。如图6(a)所示。各段的温度完全自动控制。微处理机根据测温元件(常见的是热电偶和光学高温计)测出的温度数据,与各测点的预定温度值比较、处理后,根据玻璃温度的高或低指挥各段的控制器,操纵执行机构开大或关小冷却风道,使冷却风的风量减小或增大;同时还操纵加热元件减小或增大发出的热量(图6(b))。这方面的新进展是彩色曲线显示系统和光纤硅管温度计。微处理机技术已经促进了彩色曲线显示系统的发展。新的终端能以曲线的形式把过程变量(温度)的变化情况显示在屏幕上。同时,只要揿一下“复制打印