СОВРЕМЕННОЕ СТЕКЛОТАРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
Интенсификация процесса варки тарного стекла
Технологический процесс варки стекла состоит из нескольких этапов: первый называют силикатообразованием, второй – стеклообразованием, затем следует осветление или дегазация стекломассы; последующий этап варки – гомогенизация. На этом этапе стекломасса становится вполне однородной как по составу, так и по свойствам. Гомогенизированную стекломассу подвергают студке, то есть некоторому охлаждению, после чего из неё вырабатывают изделия. Студка стекломассы – последний этап варки стекла. Это деление условное. Практически только первая и последняя стадии протекают в разное время или в разных местах печи. Вторая, третья и четвёртая стадии начинаются в одно и то же время и когда стеклообразование заканчивается, то осветление и гомогенизация продолжают идти совместно до конца процесса. Все эти стадии стекловарения тесно связаны между собой и на практике часто некоторые из них протекают не в строгой последовательности. Последовательность или одновременность их течения зависит от технологического режима варки и от конструктивных особенностей стекловаренных печей.
Этот процесс изучали многие исследователи. Цель исследований - нахождение таких составов стёкол и технологических режимов, при которых процесс стекловарения будет осуществляться с наибольшей скоростью и обеспечивать получение высококачественной стекломассы. Достаточно подробно исследованы процессы, протекающие в шихте при нагревании до момента получения стекольного расплава, процессы осветления и гомогенизации, а также свойства стекломассы.
В настоящее время известно несколько способов интенсификации процесса варки стекла. По механизму влияния на процесс стекловарения их можно разделить на химические, термические и гидродинамические. Интенсифицировать процесс варки можно также путем совершенствования конструкции стекловаренных печей.
Химические способы интенсификации можно разделить по стадиям технологического процесса приготовления шихты и варки стекла. На стадии приготовления шихты интенсификация стекловарения может быть обеспечена путем замены одного из компонентов шихты более активным, уплотнения шихты (гранулированием или брикетированием), предварительной термической обработки сырьевых материалов. Замена части карбоната натрия раствором гидроксида натрия (NaOH) ускоряет процесс стекловарения благодаря тому, что силикатообразование начинается при более низких температурах, чем при использовании только одного карбоната натрия. Ускорение процесса варки при использовании гранулированной или брикетированной шихты объясняется увеличением поверхности соприкосновения между частицами сырьевых материалов, повышенной теплопроводностью шихты по сравнению с обычной.
Интенсификация стекловарения достигается путем раздельной загрузки в стекловаренную печь шихты и стеклобоя (загрузка шихты на подслой боя). При раздельной подаче в печь шихты и боя повышенная температура варки ускоряет процесс стекловарения. Интенсифицировать процесс стекловарения можно также путем ввода в состав шихты химических ускорителей. Они понижают температуру протекания реакций силикатообразования, способствуют их более быстрому протеканию.
Скорость протекания процессов силикатообразования и стеклообразования во многом зависит от того, насколько интенсивно получают теплоту отдельные частички шихты. Поэтому большое значение приобретает то, каким образом шихта загружается в печь и как она распределяется на поверхности. При тонком распределении шихты ее частицы получают теплоту конвекцией и излучением сверху и теплопроводностью снизу. Кроме того, тонкослойная варка стекла препятствует проникновению непроваренных частиц шихты в глубинные слои, что способствует ускоренному протеканию процессов стекловарения.
Термические и гидродинамические способы интенсификации. Интенсивность технологических процессов, осуществляемых в стекловаренных печах, в значительной степени определяется их тепловой работой. Вследствие эндотермического характера реакций стекловарения теплогенерация в самой ванне практически исключена, если не используется дополнительный электроподогрев стекломассы непосредственно в бассейне. Следовательно, температурный уровень процесса будет зависеть только от количества теплоты, поглощенной поверхностью расплава в результате теплообмена с высокотемпературными газами и огнеупорной кладкой пламенного пространства. Поэтому интенсификация внешнего теплообмена в стекловаренных печах – один из основных и наиболее эффективных факторов повышения их производительности и снижения удельных расходов топлива.
Основным фактором интенсификации процесса стекловарения является обеспечение высокой температуры варки. При повышении температуры варки от 1450 до 1620С время стеклообразования сокращается почти в 5 раз. Влияние температуры сказывается наиболее сильно в интервале температур стекломассы от 1500 до 1600 С, в котором кварц переходит в аморфную форму.
Пути интенсификации процесса теплообмена заключаются прежде всего в совершенствовании методов сжигания топлива и конструкции горелочных устройств для создания равномерного по ширине печи направленного излучения на шихту и стекломассу, в повышении излучательной способности и температуры факелов.
Во многих отраслях стекольной промышленности выбрано кислородно - топливное горение для достижения более высокого качества варки. Задача будущего расширить применение этой технологии в производстве плоского и тарного стекол. Около 30% стекла, производимого США, варится с использованием кислородно - топливного горения, в Европе - более 10%, в Азии - примерно 5%.
Будущее за печами с кислородными горелками, и для этого есть несколько причин:
- решается проблема выброса NOx;
- появляется возможность расположения горелок как на боковых или торцевых стенах, так и на своде;
- расширяются возможности размещения различных по конфигурации и расположению вытяжных отверстий;
- появляется возможность уменьшить размер, а следовательно, и стоимость систем утилизации тепла и осаждения пыли.
Конструкция современных печей с кислородным дутьём по сути является лишь модификацией печей с воздушным дутьём и не обеспечивает полной реализации преимуществ кислородного сжигания топлива. Для более рационального применения кислородного дутья потребуется дальнейшее совершенствования конструкции печей, улучшение теплоизоляции, огнеупоров и снижение стоимости кислорода. Однако, несмотря на существующие недостатки, печи с кислородным дутьём уже имеют характеристики, превосходящии показатели традиционных печей.
Лабораторные исследования и испытания на производственных объектах (флоат - стекло) показали, что вертикальные горелки с кислородным дутьём имеют ряд преимуществ. К ним относятся:
- повышение скорости теплопередачи, что ускоряет провар шихты;
- повышение производительности, по крайней мере на 5%;кислородно - топливные горелки позволяют повысить удельный съем стекломассы без увеличения общего выброса диоксида азота, избежать ухудшения качества стекла и повреждения огнеупоров печи;
- повышения качества стекла за счет сокращения мошки и сведения к минимуму деффектов;
- повышение эффективности использования топлива за счет улучшения управления профилем температуры и возможного сокращения подачи топлива к горелкам;
- снижение уноса компонентов шихты, приводящее к уменьшению разъедания стен бассейна вследствие абразивного воздействия на них шихты или химического взаимодействия шихты с огнеупорами стен;
- установка кислородно - топливных горелок может обеспечить требуемые температуры в стекловаренной печи; это способствует правильной организации конвективных потоков стекломассы и оптимизации длительности варки, что сводит к минимуму возможность образования камней и свилей.
Однако нагревание происходит только на поверхности шихты, вследствие чего возникает необходимость в перемешивании посредством бурления или «погруженного горения». Эти методы перемешивания позволяют увеличить скорость провара шихты. «Погружное горение» обеспечивает необходимую степень перемешивание шихты, но требует решения ряда технических вопросов, таких как применение металлических кожухов с водяныи охлаждением. Такой способ сжигания топлива (внутри расплава) в комплексе с вертикальными кислородными горелками обеспечивает оптимальную степень перемешивания. При этом используются горелки меньшего размера, расположенные далеко от боковых стен. Отсюда появляется возможность использования стандартных печных огнеупоров. Применение вспомогательного барботажа может послужить хорошим подспорьем в развитии данной технологии варки. Данный подход уже применяется в известных технологиях, хотя ещё не готовых для повсеместного внедрения. Например, печь для варки бесцветного тарного стекла с 20% стеклобоя без дополнительного электроподогрева будет работать со следующими показателями:
-съем в варочном бассейне - 0,5 т стекла /фут (5,35 т/м );
-съем в зоне осветления 10,76 т/м ;
-расход энергии 806,4 ккал/кг или 3376 кДж/кг.
Печь новой конструкции со съемом 300т/сут будет иметь габариты 1,8-2,1 м в ширину и 6,7-7,6 м в длину. Такая компактность позволит изготовить печь полностью из плавленолитых огнеупоров, что решит проблему ограниченного срока службы свода, типичную при кислородном дутье. Поскольку в зоне осветления может применяться воздушное дутьё, срок службы этой части печи, по сравнению с варочным бассейном, будет выше. Обычно причиной остановки такой системы на ремонт является выход из строя варочного бассейна. Время простоя и стоимости ремонтных работ можно снизить, собрав отдельно бассейн, который будет устанавливаться на место действующего бассейна во время краткой установки производства для ремонта.
Подобные технические решения позволяют повысить производительность, особенно при условии применения прогрессивных технологий осветления (например, вакуумного или ультразвукового).
Коллективом ОАО «Научно- исследовательский институт технического стекла» предложен способ варки стекла, при использовании которого может быть получена однородная бездефектная стекломасса в прямом монооднородном тонком потоке. Сущность способа заключается в том, что шихта из традиционно подготовленных и смешанных компонентов, в том числе и стеклобоя, поступает на дальнейшее супертонкое измельчение с добавкой специальных реагентов. Такая подготовка шихты обеспечивает её гомогенность и протекание начальных стадий реакции силикатообразования уже при смешивании, т. е. вне печи, и быстрое их завершение в начальной зоне варочного устройства. Расчитаны тепловая мощность, подаваемая на 1м2 зоны плавления шихты и реакционно - осветлительной зоны в зависимости от шихтовой загрузки, соотношение между шириной фронта загрузки и длиной реакционно - осветлительной зоны. Проведены эксперименты, подтверждающие расчеты.
Расчеты, модельно - стендовые испытания варочного устройства, экспериментальные варки с использованием специально подготовленной шихты показали преимущества новой технологии:
• отсутствие в печи зоны гомогенизации стекломассы;
• снижение тепловой инерционности и энергоемкости процесса за счет уменьшения общей массы расплава и повышения удельной массы его активной части, участвующей в процессах стекловарения;
• снижение температуры высокотемпературных стадий процесса на 150- 200С ;
• ускорение всех стадий процесса вследствие организации единого выработочного потока и ликвидации самопроизвольных обратных потоков стекломассы;
• интенсификация процесса стекловарения благодаря двухстороннему подводу теплоты к расплаву (газовый нагрев сверху и электрический снизу);
• возможность локальной тепловой регулировки на каждой стадии поточного процесса;
• возможность регулирования состава окислительно - восстановительной атмосферы в пределах варочного пространства;
• возможность облегченной перекладки агрегата при изменении толщины и ширины ленты стекла или его химического состава.
Возможность получения стекла на основе предложенной технологии изменяет и развивает существующие представления о стадиях стекловарения и их последовательности. В частности стадия силикатообразования разделяется на два этапа. Предварительный этап осуществляется вне стекловаренной печи при тонком измельчении, механической активации компонентов, смешивании и увлажнении шихты, что обеспечивает протекание твердофазных реакций силикатообразования. Заключительный этап силикатообразования протекает уже в расплаве. То же относится и к стадии гомогенизации, так как тщательное перемешивание шихтовых компонентов уже на первом (внепечном) этапе обеспечивает однородность будущего расплава, окончательно достигаемую в печи.
Высокая стоимость современных стекловаренных печей предусматривает кардинальное совершенствование методов проектирования, повышающих качество и надежность проектов. Расчетные методики, основанные на тепловых балансах, не дают полного представления о работе печи и могут использоваться лишь на начальном этапе проектирования. Ведущие зарубежные фирмы при проектировании применяют математическое моделирование печей. Этот метод анализа позволяет не только оценить геометрию печи, но и дает детальное представление о характере тепловых нагрузок на все элементы кладки. Это дает возможность провести дифференцированный подбор огнеупоров для наиболее ответственных частей печи и тем самым снизить затраты не её сооружение.
Современное проектирование немыслимо без применения САПР. Несомненно, разработка автоматизированной системы проектирование стекловаренных печей – это сложнейшая научно - техническая проблема. В основу САПР должна быть положена математическая модель процесса стекловарения. Адекватность этой модели в значительной степени определяется корректностью формализации основных процессов, происходящих при варке стекла. Процесс стекловарения в настоящее время не может быть формализован в полном объеме. Но даже приближенное матиматическое моделирование стекловаренной печи на порядок повышает качество проектных решений.
В будущем для процесса варки стекла будут применены:
• стекловаренные печи модульного типа;
• комбинированные технологии, такие как вертикальные кислородные горелки с «погруженным горением» или барботажем;
• технические системы для осветления стекла традиционной или новой конструкции (например, вакуумные);
• комплексный подход к процессам варки, экономии энергии, теплоизоляции и охраны окружающей среды.
Мощным средством интенсификации процесса стекловарения является электрический подогрев стекломассы в зоне варки. Электроподогрев наиболее эффективен при варке стекол малой теплопрозрачности, а при варке бесцветных стекол — при большой относительной длине зоны варки.
