книги из ГПНТБ / Волгина, Ю. М. Теплотехническое оборудование стекольных заводов учебник

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

Значение Хлуч при температуре ниже 100° С составля­ ет 1,2 и увеличивается при 1300° С для прозрачного лис­ тового и сортового стекла до 70—90, а для коричневого бутылочного стекла до 12 Вт/(м-°С). Большинство стекловаренных печей имеет газовое отопление, при ко­ тором тепло передается стекломассе сверху через верх­ нюю поверхность зеркала стекла. При такой передаче тепла сильнее всего нагреваются верхние слои стекло­ массы. Нагретая стекломасса имеет меньшую плотность, и верхние легкие слои плавают на более тяжелых нижних слоях, как масло по воде. В данном случае подъ­ емная сила, создающая конвективное движение жидко­ сти, нагреваемой снизу, отсутствует. Конвективное дви­ жение стекломассы в ванных печах создается не подъ­ емной силой, а благодаря наличию зон с различными температурными режимами. Варка стекла происходит при температуре 1400—1550° С, а выработка — только при 1200—1100° С, когда стекломасса приобретает необ­ ходимую вязкость. Поэтому по длине и ширине печи име­ ется разность температур, обусловливающая конвектив­ ный теплообмен в расплавленной стекломассе.

Температура в стекломассе в варочной части бассей­ на пламенной печи падает сверху вниз, причем вначале резко, а затем медленно. Чем прозрачней стекломасса для тепловых лучей, тем медленнее падает температура. При варке малопрозрачной стекломассы, окрашенной окислами железа, температура падает резко. На поверх­ ности стекломассы температура колеблется в пределах

1300—1500, а у дна —1100—1300° С.

§ 21. Движение стекломассы

Стекломасса в бассейнах ванных печей находится в непрерывном движении, которое вызывается загрузкой шихты, различием объемных масс проваренной и непроваренной стекломассы, изменением температуры по дли­ не и ширине бассейна, выработкой стекломассы. Непре­ рывная выработка стекломассы машинами компенсиру­ ется ее притоком из варочного бассейна, создающим выработочный или производственный поток, который пе­ реносит 10—15% стекломассы, заключенной в бассейне печи. Остальная масса расплавленного стекла также дви­ жется внутри бассейна печи из-за неравномерного нагре­ ва стекломассы по длине (в зонах варки, осветления и

101

выработки) и ширине печи, образуя так называемые к о н в е к ц и о н н ы е п о т о к и .

Конвекционные потоки стекломассы движутся в верх­ них слоях — от зоны максимальных температур к участ­ кам с более низкими температурами, а в нижних слоях— в обратном направлении. Примерно на середине вароч­ ного бассейна стекломасса имеет максимальную темпе­ ратуру, а у загрузочного кармана, в выработочной части и у стен бассейна температура стекломассы ниже. Такие температурные условия в слое стекломассы создают два основных конвекционных потока: п р о д о л ь н ы й с дву­ мя ветвями, направленными к загрузочному и выработочному .концам печи, и п о п е р е ч н ы й , направленный к стенам. Одна ветвь продольного потока у загрузочного кармана, охлажденная шихтой, опускается вниз и течет в глубоких слоях по направлению к выработочному кон­ цу печи, а в зоне температурного максимума поднимает­ ся к поверхности, замыкая цикл движения стекломассы к загрузочному карману. Вторая ветвь продольного по­ тока, направленная к зоне выработки, опускается в кон­ це рабочей части, возвращается в варочный бассейн и также поднимается к поверхности в зоне температурного максимума, образуя выработочный цикл потоков. Про­ дольный конвекционный поток стекломассы способству­ ет ее гомогенизации и усреднению, а также переносит тепло, необходимое для подогрева шихты снизу у загру­ зочного кармана и для покрытия потерь в окружающую среду кладкой бассейна.

Поперечные потоки, вызванные разностью темпера­ тур стекломассы в середине печи и у стен, движутся к стенам в верхних слоях, у стен опускаются и возвраща­ ются обратно в нижних слоях. Значение поперечных по­ токов меньше, чем продольных, особенно при высокой производительности печей; они лишь несколько отклоня­ ют продольные потоки к стенам бассейна печи. Траек­ тории движения продольных конвекционных потоков стекломассы в непрерывнодействующей стекловаренной ванной печи листового стекла схематично показаны на рис. 30.

Чрезмерная скорость движения конвекционных пото­ ков стекломассы отрицательно влияет на работу ванной печи. При усилении поперечных потоков повышается из­ нос стен бассейна, а при усилении продольных в выработочную часть увлекается недостаточно осветленная

102

или же неоднородная стекломасса, а также нагревается и охлаждается такое количество стекломассы, которое не рассчитано на производительность ванных печей.

Основным средством регулирования потоков стекло­ массы является устройство различного типа заградитель­ ных приспособлений по пути движения стекломассы, ко­ торые устанавливают в конце зоны осветления. К таким заградительным приспособлениям относятся загради­ тельные лодки, охлаждаемые водой трубы, пороги —пе-

Загрузочный карман Вырйботочный канал

Рис. 30. Траектории движения продольных конвекционных потоков стекломассы в ванной печи листового стекла

А — поток со стороны загрузочного карм ан а ; £ — поток со стороны вы работочного к ан ала

регородки и пороги — выступы, находящиеся у дна. Наи­ более радикальным разделительным приспособлением является проток — узкий канал для глубинного отбора потока проваренной стекломассы. Для печей листового стекла эффективно также сужение бассейна.

Для печей листового стекла скорость поверхностного потока стекломассы в варочной части, направленного к студочной части, доходит до 30 м/ч, а в студочной час­ ти — до 14 м/ч. В печах с протоком, где температура по длине печи падает обычно незначительно, скорость по­ верхностного потока значительно меньше — до 5—8 м/ч. Максимальная скорость потоков в протоке 15—20 м/ч.

Конвективный теплообмен в стекломассе характери-, зуется к о э ф ф и ц и е н т о м п о т о к а , и л и ч и с л о м Н о в а к и я, представляющим собой отношение количе­ ства стекломассы, поступающей из зоны варки в зону выработки, к количеству стекломассы, вырабатываемо­ му машинами. Для крупных ванных печей число Нова­ ки не превышает 9—12, а для проточных ванных печей колеблется в широких пределах — от 0,7 до 3,5.

103

§ 22. Состав газовой среды и режим давлений

Процесс варки стекла зависит от характера газо­ вой среды и режима давлений, поддерживаемых в рабо­ чей камере ванной печи. Состав газовой среды и режим давлений определяются технологическими и теплотех­ ническими требованиями.

При варке стекла из шихты, содержащей сульфат натрия с восстановителем, над шихтой (зона варки) не­ обходимо поддерживать газовую среду, которая будет препятствовать образованию на поверхности большого

парах горелок поддерживается восстановительное коп­ тящее пламя. В зоне осветления и студки газовая среда должна быть окислительной. При варке стекла из со­ довой шихты по всей длине печи создается окислитель­ ная газовая среда.

Характер пламени влияет на окраску стекла. При восстановительном пламени стекломасса обычного со­ става имеет розоватый оттенок. При варке стекла из сульфатной шихты восстановительное пламя придает ему голубоватый оттенок. Особенно чувствительны к составу газовой среды цветные стекла. При окраске стекла в фиолетовый цвет при помощи марганцовокис­ лого калия требуется окислительная среда и невысокая температура. Окраска стекла в красный цвет закисью меди происходит при восстановительной среде и высо­ кой температуре. При окраске соединениями железа и меди поддерживается окислительная среда. Окраска стекла соединениями никеля, хрома и кобальта не за­ висит от газового режима.

Состав газовой среды (установление восстановитель­ ной или окислительной среды) регулируется изменением тяги и расхода воздуха. При чрезмерном повышении дав­ ления газов они выбиваются из печи наружу и проника­ ют в студочную и выработочную зоны (в неотапливае­ мую часть печи). Для создания восстановительной среды повышают давление газов до определенного пре­ дела— не выше 10—30 Па (1—3 мм вод. ст.). Окисли­ тельная среда в печи создается при давлении, которое

104

поддерживается слабоположительное давление газов, а в студочной и выработочной зонах — нейтральное или слабоотрицательное. Для регулирования и поддержания необходимого состава газовой среды и режима давле­ ний ванные печи должны быть оснащены автоматически­ ми регуляторами давления газов и автоматическими га­ зоанализаторами отходящих дымовых газов.

§23. Температурный режим

Вванных печах непрерывного действия отдельные стадии процесса стекловарения следуют в определенной последовательности по длине печи и требуют создания необходимого температурного режима газовой среды, который должен быть строго неизменным во времени. Распределение температур по длине и ширине ванных печей зависит от свойств стекла и условий варки. При варке обычных стекол щелочного состава температура в начале зоны варки (у загрузочного кармана) должна быть не ниже 1400—1420° С, так как в этой части бассей­ на печи происходят нагрев, расплавление и провар ших­ ты, т. е. завершение стадий силикатообразования, стеклообразования и частичное осветление стекломассы.

газовой среды должна поддерживаться максимальной — 1460—1590° С, так как при такой температуре вязкость стекломассы снижается, происходит интенсивное освет­ ление и завершается гомогенизация. В зоне студки тем­ пература газовой среды плавно понижается до 1180— 1280° С, что приводит к увеличению вязкости стекломас­ сы. В зоне выработки температурный режим устанавли­ вается в зависимости от требований, необходимых для нормальной выработки стекломассы и формования из нее стеклоизделий.

Для установления стационарного температурного ре­ жима газовой среды в печи необходимо регулировать количество и соотношение топлива и воздуха, подавае­ мого в печь, тщательно их смешивать и своевременно отводить отходящие дымовые газы. Возможность уста­ новления определенного температурного режима преду­ сматривается и конструкцией ванных печей. В ванных печах с поперечным направлением пламени легче под­ держивать необходимый температурный режим, чем в

105

печах с подковообразным и продольным направлением пламени. В крупных ванных печах с поперечным на­ правлением пламени предусматривают секционные реге­ нераторы. Регулируя их работу, удается поддерживать в печи стабильный температурный режим и изменять его в требуемых пределах. Кроме этого, в ванных печах между варочной и студочной частями устанавливают по газовой среде разделительные приспособления (экраны, сниженные арки), которые также способствуют поддер­ жанию заданного температурного режима.

На изменение температурного режима оказывает влияние давление газов в рабочей камере печи. Повы­ шение давления до определенных пределов способствует более равномерному прогреву отдельных частей печи, так как объем рабочей камеры максимально заполняет­ ся пламенем. Создание разрежения в печи приводит к уменьшению распространения пламени и присосу холод­ ного воздуха через отверстия. Это ухудшает равномер­ ность распределения температур и вызывает понижение температур в тех участках печи, куда проникает холод­ ный воздух.

Температурный режим ванных печей зависит также и от температуры факела пламени и ее распределения по длине факела. Температура факела регулируется пода­ чей воздуха.

§24. Движение газов

Вработающих ванных печах происходит непрерыв­ ное движение воздуха, газообразного топлива и продук­ тов сгорания. Движение газов по направлению к пла­ менному пространству рабочей камеры печи вызывает­ ся геометрическим напором, который создается самой печью, вентиляторами, нагнетающими горючий газ и воздух, и давлением газа в магистралях. Из печи про­ дукты сгорания (отходящие дымовые газы) отводят с помощью дымовой трубы и дымососов. Распределение давлений и температур в стекловаренной печной уста­ новке показано на рис. 31. Воздух, необходимый для горения, поступает в пламенное пространство 1 ванной стекловаренной печи под действием геометрического на­ пора, создаваемого в регенераторах 2 (или рекуперато­ рах) и горелках 3. В современных крупных ванных печах

кэтому напору добавляется напор, создаваемый венти­

106

ляторами 4, нагнетающими воздух в переводной кла­ пан 5. Аналогично подается и генераторный газ. При­ родный газ или жидкое топливо поступает в горелку или камеру предварительного частичного сгорания, а иногда непосредственно в рабочее пространство. Отхо­ дящие газы выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу 8. Сопротивление на пути дымовых газов больше, чем на пути горючего газа и воздуха, так как дымовые

Рис. 31. Распределение давлений (а) и температур (б) в стекло­ варенной печной установке (1 мм вод. ст. « 1 0 Па)

газы преодолевают отрицательный геометрический на­ пор в регенераторах (или рекуператорах) и горелках. Работа стекловаренных печей интенсифицируется, а ис­ пользование тепла улучшается в случае установки кот- лов-утиЛизаторов или водоподогревателей 6, что связа­ но с увеличением аэродинамических сопротивлений на пути дымовых газов. Для их преодоления у дымовой трубы дополнительно устанавливают дымосос 7. Давле­ ние газов в рабочем пространстве печи у зеркала стекло­ массы обычно поддерживают близким к нулю, чтобы предотвратить подсосы холодного воздуха или выбива­

107

ние наружу горячих газов. У основания регенераторов (или рекуператоров) давление отрицательное.

§25. Загрузка шихты

Вванных печах непрерывного действия необходимо поддерживать постоянный уровень стекломассы. Коле­ бание уровня стекломассы ухудшает качество стекла, вызывает преждевременное разрушение огнеупорного

материала бассейна и нарушает режим питания машин, вырабатывающих стекломассу. Стеновые огнеупорные брусья бассейна печи наиболее интенсивно разрушают­ ся обычно на уровне зеркала стекломассы, в месте рас­ положения третьей и четвертой пар горелок, что объяс­ няется агрессивным действием расплавов щелочных компонентов шихты (соды, сульфата натрия и др.). При колебании же уровня стекломассы огнеупоры разруша­ ются еще больше, так как возрастает площадь соприкос­ новения их со щелочами и увеличивается эрозия огне­ упоров (разрушение от механического трения стекло­ массы о стены бассейна).

В современных ванных печах шихта подается в за­ грузочный карман, представляющий собой широкий вы­ ступ бассейна без перекрытия. В нижней части кармана находится расплавленная стекломасса, на поверхность которой засыпают шихту и бой. В ванных печах непре­ рывного действия с поперечным направлением пламени загрузочный карман располагается в варочной части у торцовой стены для того, чтобы путь движения шихты до зоны дегазации был максимальным. В ванных печах с подковообразным направлением пламени, в которых горелки располагаются с торца, шихту загружают с продольных сторон печи (боковые загрузочные кар­ маны) .

Для поддержания постоянного уровня стекломассы в бассейне печи необходимо непрерывно загружать ших­ ту. От способа загрузки и толщины слоя шихты на по­ верхности стекломассы зависят скорость ее провара, а следовательно, производительность печи и срок службы огнеупоров.

Периодическая загрузка шихты, или загрузка круп­ ными порциями (высокими кучами), вызывает колеба­ ния уровня стекломассы, в результате чего усиливаются разрушение огнеупоров и загрязнение стекломассы. При

108

периодической загрузке создаются очень неблагоприят­ ные условия теплопередачи в слое шихты, так как внут­ ренние части кучи не получают тепла ни конвекцией, ни излучением. Кроме этого, в печь засасывается холод­ ный воздух, который нарушает установившийся темпе­ ратурный режим. Процесс стеклообразования в куче шихты протекает медленно и завершается только при длительном пребывании шихты в бассейне ванной печи.

В настоящее время загрузка шихты в ванные печи механизирована и производится тонким слоем непре­ рывно, что увеличивает варочную способность ванных печей на 10—15%. При тонкослойной загрузке шихты на поверхности стекломассы возрастает не только скорость стеклообразования, но и скорость осветления, а также изменяется теплообмен в ее слое. Частицы шихты полу­ чают тепло сверху от факела пламени и кладки излуче­ нием, а также конвекцией и теплопроводностью стекло­ массы снизу.

Применяют два способа непрерывной механизиро­ ванной загрузки шихты в ванные печи — м е л к о к у ч е ­ вую и т о н к о с л о й н у ю .

Мелкокучевая загрузка шихты в печь осуществляет­ ся при помощи шнеков, толкателей, плунжеров, вибра­ ционных плит и других приспособлений, совершающих возвратно-поступательное движение. Шнеки заключают в охлаждаемый водой кожух и устанавливают на пере­ движной тележке. Шихта и бой из бункеров, смонтиро­ ванных у загрузочного кармана печи, поступают в при­ емную воронку шнека, откуда непрерывно транспорти­ руются в печь. Количество подаваемой шихты можно регулировать шиберами па питающем патрубке бункера.

Недостаток такого способа загрузки заключается в том, что шихта подается кучами, имеющими малую теп­ ловоспринимающую поверхность, и в процессе подачи образуется пыль.

Более прогрессивна тонкослойная загрузка шихты, теория которой разработана проф. И. И. Китайгород­ ским. При тонкослойной загрузке над поверхностью стекломассы создается слой шихты в виде сплошной пе­ лены или гряд толщиной не более 30 мм. Загрузчик представляет собой металлическую плиту, совершаю­ щую возвратно-поступательное движение под бункером

сшихтой.

Вбольших ванных печах устанавливают несколько

109