СОВРЕМЕННОЕ СТЕКЛОТАРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Стекловарных печей

Производство стекла связано с большими энергетическими и материальными затратами, поэтому на современном этапе развития стекольной промышленности требуется создание энергосберегающих, экономически выгодных и экологически чистых технологий. В технологической цепочке производства стеклоизделий основной потребитель энергетических и материальных ресурсов – стекловарная печь, на которую приходится 40 – 70% энергозатрат всего производства в зависимости от вида выпускаемой продукции, а материалоемкость достигает 20 – 30%.

КПД стекловарных печей в значительной степени зависит от затрат энергетических ресурсов (в основном газообразного и жидкого топлива) на единицу выпускаемой продукции. По существующим данным, КПД печей в производстве тарного и сортового стекла – 20 – 25%.

Перспективным направлением экономии энергетических и материальных затрат, продления срока службы стекловарных печей является модернизация их отдельных элементов и печи в целом.

В производстве стеклянной тары и сортовой посуды преимущественно применяют ванные печи непрерывного действия с протоком. Протоки позволяют отбирать более охлажденную и лучше проваренную стекломассу, повысить производительность печи. Протоки располагают чаще всего на уровне дна варочной части. Для устранения возвратного потока и лучшего охлаждения стекломассы протоки заглубляют и устраивают пороги.

Ванные стекловаренные печи подразделяют на печи с пламенным и электрическим способом отопления. Печи с пламенным отоплением по способу использования тепла отходящих газов делят на рекуперативные, регенеративные и прямого нагрева, а по направлению пламени – с поперечным, подковообразным, продольным и смешанным.

При механизированной выработке изделий обычно применяют ванные печи с поперечным направлением пламени. Мировой опыт свидетельствует о том, что для варки тарных стекол с производительностью до 450 т в сутки наиболее эффективна конструкция печи с подковообразным направлением пламени 93). За счет меньшего объема огнеупорной кладки, количества горелочных устройств и загрузчиков шихты, датчиков контроля и локальных систем автоматического управления температурным режимом ее стоимостью на 25 – 30% ниже стоимости печи с поперечным направлением пламени. При прочих равных условиях удельный расход топлива на печах с подковообразным направлением пламени на 10 – 15% ниже, чем при поперечной схеме отопления. Это связано с меньшими тепловыми потерями через арки влетов и загрузочные карманы (в 3 раза) и большей подвижностью зоны теплоообмена между продуктами сгорания и поверхностью ванны (минимум в 2 раза).

При механизированном производстве изделий используют печи, в которых выработочный бассейн традиционной и полукруглой формы заменяют канальной системой подвода стекломассы к питателям стеклоформирующих машин. Применения таких печей объясняется следующим. Выработочные бассейны традиционной формы не могут обеспечить охлаждение стекломассы без нарушения ее термической однородности. Из варочного бассейна стекломасса поступает к питателям восходящим потоком относительно небольшого сечения, который пронизывает более холодную стекломассу и частично увлекает за собой. нарушая ее термическую однородность. Чем больше разность температур стекломассы в варочном и выработочном бассейнах, тем сильнее нарушается ее однородность. Уменьшая размеры выработанного бассейна, применяя канальную систему подвода стекломассы можно уменьшить ее неоднородность, избежать кристаллизации.

В последнее время в производстве сортовой посуды стали применять секционные ванные печи, которые позволяют вырабатывать на одной печи стекла различных составов. Особенно удобны такие печи для варки и выработки цветных стекол.

Для эффективного осуществления процесса стекловарения в пламенных печах важно правильно сжигать топливо: факел должен быть энергетически плотным и достаточно изотермичным по длине и ширине, что достигается конструкцией горелок и способом подачи топлива. Наиболее прогрессивным считается нижний подвод топлива.

Интенсивность технологических процессов, осуществляемых в стекловарных 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, поглощенной поверхностью расплава в результате теплообмена с высокотемпературными газами и огнеупорной кладкой пламенного пространства. Поэтому интнсификация внешнего теплообмена в стекловаренных печах - один из основных факторов повышения их производительности и снижения удельных расходов топлива.

Как показывает отечественный и зарубежный опыт, тепловая изоляция варочных бассейнов стекловаренных печей не только обеспечивает значительную экономию топлива, но и способствует продлению их кампании, а также повышению качества вырабатываемого стекла. Однако до последнего времени в отечественной стекольной промышленности полная теплоизоляция варочного бассейна осуществлялась только при выработке специального стекла. В Саратовском институте стекла (4) была выполнена полная изоляция варочного бассейна опытно – промышленной стекловаренной печи ЭПКС – 4000. Печь имела четыре пары горелок. Общая площадь поверхности дна печи 174 кв. м., площадь поверхности отапливаемой части 96,5 кв. м. Длина варочного бассейна 17,4 м, ширина - 7,2 м. глубина 1,3 м.

Теплоизоляция варочного бассейна выполнена следующим образом: свод – первая секция герметизирована огнеупорной фосфатной обмазкой толщиной 5 – 7 мм; вторая, третья и четвертая секции герметизированы обмазкой; затем уложен слой кварцевого песка (25 – 30 мм), шамотно – волокнистые плиты (100 мм) и алюминиевый лист (1,5 мм). Стены варочного бассейна изолированы алюмохромофосфатными газобетонными блоками. Дно варочного бассейна (снизу вверх): на стальной лист толщиной 10 мм уложен алюмохромофосфатный газобетон толщиной 300 мм, а на него алюмохромофосфатными огнеупор толщиной 300 мм, затем на мертеле коршитовая плитка толщиной 100 мм и последний слой – на мертеле бакоровая плитка толщиной 100 мм.

Известно, что при температуре ниже 1200ºС резко возрастает вязкость стекломассы, что приводит к образованию в бассейнах печей придонных слоев малоподвижного расплава. Вследствие этого уменьшается активный объем печей, ухудшаются условия гамогенизации стекломассы. Кроме того, при колебаниях температур в варочном бассейне происходят кратковременный прогрев малоподвижных слоев, их активизация и вовлечение в производственный поток стекломассы, что снижает ее однородность и качество вырабатываемой продукции по оптическим показателям и газовым включениям.

Тепловая изоляция варочного бассейна позволила повысить температуру стекломассы в природных частях печи и устранить малоподвижный ее слой, при этом в районе квельпункта температура возросла на 95ºС, в конце варочного бассейна на 60ºС. Повысилась температурная однородность стекломассы как по всей глубине бассейна, так и по глубине выработочного канала.

Комплексная тепловая изоляция крупной стекловаренной печи мини – флоат – линии с проектной производительностью 80т/сутки была осуществлена на заводе «Автостекло».

С целью сокращения потерь теплоты в окружающую среду свод варочной части печи загерметизирован уплотнительной обмазкой и теплоизолирован кварцевым песком и шамотноволокнистыми плитами ШПГТ – 450. Теплоизоляция стен пламенного пространства варочной части печи выполнена в два слоя из огнеупоров – шамота легковеса ШЛ 13, и плитами ШПГТ – 450.

Стены варочного бассейна теплоизолированы шамотным кирпичом, плитами ШПГТ и снаружи обшиты стальным листом толщиной 3 мм. Загрузочный карман закрытого типа теплоизолирован также шамотными плитами.

Применение тепловой изоляции указанных элементов ванной печи позволило теплопотери сократить через загрузочный карман на 0,5%, в варочной части: через свод – до 7,1% через стены бассейна – до 5,7%, через подвесные стены – до 0,25%. Общее снижение теплопотерь составило 13,5%. Расход топлива на 1 т сваренной стекломассы снижен на 9,5% по сравнению с частично изолированной печью.

Таким образом, полная тепловая изоляция варочных бассейнов стекловаренных печей значительно повышает эффективность их работы и при соблюдении инструкций по кладке и выводке выдерживает длительную безаварийную эксплуатацию.

Большое значение для повышения эффективности стекловарения имеет рациональное применение огнеупорных материалов. Известно, что в большинстве случаев ванные стекловаренные печи останавливают на холодный ремонт не из-за общего неудовлетворительного состояния огнеупорной кладки, а вследствие разрушений отдельных конструктивных элементов бассейна или верхнего строения. Как правило, это связано с выполнением таких элементов без учета свойств огнеупорных материалов, неудовлетворительными условиями по эксплуатации и конструктивным исполнением.

Существуют различные способы повышения эксплуатационной надежности печей. В частности, для снижения износа огнеупорной кладки применяется воздушный обдув стен печи вентиляторным воздухом водяное охлаждение. Оба метода недостаточно эффективны и следующим шагом в усовершенствовании работы стекловарнных печей стало применение испарительного охлаждения.

Сущность испарительного охлаждения состоит в том, что идущая на охлаждение техническая вода за счет саморегенерации превращается в химически чистую и отбирает теплоту от стен бассейна в результате кипения. При этом обеспечивается безнакипный режим работы и используется теряемая с охлаждением теплота, путем утилизации пара, регенерируемого установками испарительного охлаждения. Впервые испарительное охлаждение стен бассейна небольшой ванной печи было применено на Константиновском заводе «Автостекло».

На заводе «Красное пламя» несколько лет эксплуатировалась ванная регенеративная печь с подковообразным направлением пламени, отапливаемая мазутом, для варки бесцветного стекла. Продолжительность кампании не превышала 9 месяцев из-за разрушения огнеупорных элементов, особенно стен бассейна. Воздушное охлаждение было малоэффективным и, после очередной утечки стекла через стену, печь была оборудована системой испарительной охлаждения. На испарительное охлаждение были переведены холодильники боновых стен бассейна, загрузочного кармана и протока. Паропроизводительность испарительной установки увеличилась 0,5 т/ч в начале кампании до 1,5т/ч к ее концу. Пар был использован для нужд предприятия.

Испарительное охлаждение стекловаренных печей эффективно, так как обеспечивает надежный безнакипный режим охлаждения. Нормальные условия труда и использование теряемой от охлаждения печи теплоты. При испарительном охлаждении пар заводских котельных замещается паром установок, благодаря чему, соответственно снижается расход топлива в котельных. В настоящее время разработано несколько вариантов конструкций для охлаждения стен стекловаренных печей, оборудованных испарительным охлаждением, что обеспечивает продление срока службы огнеупорной кладки.

В последние годы в России и за рубежом успешно используют так называемые хромоокисные огнеупоры. Содержащие 94% и 4% и обладающие исключительно высокой стеклоустойчивостью, в 5 – 10 раз превышающей аналогичную характеристику любого из известных огнеупорных материалов. УГТУ (г. Екатеринбург) было проведено балансовое исследование в целях сравнения основных технико – экономических показателей одной и той же печи выполненной в двух вариантах: с испарительным охлаждением стен бассейна и из хромоокисных огнеупоров, не нуждающихся в дополнительном охлаждении.

Так, удельный расход топлива на 1 т готовых стеклоизделий должен снизится на 20%, ожидаемое повышение производительности печи может составить 18%, а расчетный срок окупаемости затрат не превышает 3 мес.

С повышением удельных съемов стекломассы в традиционных ванных печах увеличивается покрытие зеркала стекломассы шихтой и пеной, в связи с чем уменьшается площадь зоны осветления. Поэтому требуется более точное регулирование температуры и конвекционных потоков.

Таблица 6

Характер технологических и конвекционных потоков расплава стекла определяется особенностями стекловаренной печи, длительностью пребывания расплава в зонах высоких температур и тем самым качеством плавления и гомогенизации расплава. От характера конвекционных потоков существенно зависит ряд дефектов стекла, начиная с микроструктурных негомогенных областей Гриффита и кончая макроскопическими нерастворимыми включениями. Основной способ устранения дефектов стекла – это правильная организация траекторий потоков расплава в продольном и поперечном направлениях в бассейне печи. Расплав должен иметь достаточную продолжительность пребывания в зонах плавления компонентов шихты, осветления и гомогенизации расплава, что необходимо для полного прохождения всех стадий варки стекла. При этом важную роль для обеспечения нужного характера движения конвекционных потоков играет пространственная фиксация квельпункта. Это может быть достигнуто путем установки порога из огнеупорных материалов устройством, линий барботажа или дополнительного электрического подогрева нижних слоев расплава в зоне квельпункта. Целесообразна установка по оси бассейна двух донных электродов перед протоком, которые создают спиральные потоки стекломассы, задерживающие непровар и отводящие его к боковым стенам. Уменьшение глубины ванны в зоне осветления печи позволяет ускорить выход пузырей из стекломассы. Важно для интенсификации стекловарения, особенно при высокой температуре, регулируемое охлаждение стекломассы до температуры выработки. В связи с этим целесообразно использовать проток с водяным регулируемым охлаждением. Установлено, что при отборе стекломассы на выработку через два протока вместо одного производительность зоны тонкослойного осветления возрастает. Эксплуатация двух протоков способствует выравниванию поля скоростей стекломассы в зоне осветления и повышению изотермичности стекломассы в выработочном бассейне.