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

Г л а в а I

КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕЧЕЙ СТЕКОЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Изделия из стекла в зависимости от их назначения, требований и условий службы имеют разную форму и размеры, окраску и светопрозрачность и характеризуют­ ся определенными физико-химическими и техническими свойствами. Выработка стеклянных изделий с заданны­ ми свойствами потребовала создания и применения раз­ личных типов печей для варки стекла, отличающихся не

товлении.

Закалка стеклянных изделий (улучшение механичес­ ких свойств) и придание определенной формы (моллирование) также осуществляются при специальной тер­ мической обработке. Для термической обработки стек­ лянных изделий используют отжигательные и закалочные печи.

Таким образом, печи стекольного производства в за­ висимости от назначения делят на три большие группы: с т е к л о в а р е н н ы е , о т ж и г а т е л ь н ы е и з а к а л о ч - н ы е.

Для варки стекла применяют стекловаренные печи п е р и о д и ч е с к о г о и н е п р е р ы в н о г о д е й с т в и я .

Отапливают стекловаренные печи высококалорийным природным газом, жидким топливом или генераторным газом.

В зависимости от вида теплообменных устройств, при­ меняемых для подогрева воздуха и газа (регенераторы или рекуператоры), различают р е г е н е р а т и в н ы е и р е к у п е р а т и в н ы е с т е к л о в а р е н н ы е пе чи .

10

Стекловаренные печи периодического действия быва­ ют г о р ш к о в ы е и в а н н ы е .

В горшковых стекловаренных печах, применяемых только для варки высококачественных оптических, свето­ технических и специальных стекол, стекло варят в от­ дельных огнеупорных сосудах — горшках, которые уста­ навливают в рабочей камере печи.

Ванные стекловаренные печи периодического дейст­ вия применяют для варки тугоплавких стекол и больших отдельных порций специальных стекол. В ванных печах периодического действия все стадии процесса стеклова­ рения протекают в одном и том же рабочем объеме (бас­ сейне) последовательно одна за другой, но в различное время.

Наибольшее распространение в стекольном производ­ стве получили ванные стекловаренные печи непрерывно­ го действия, так как они производительны, экономичны

иудобны в обслуживании.

Впоследнее время для отопления стекловаренных пе­

чей непрерывного действия используют не только газо­ образное и жидкое топливо, но и электрический ток. Поэтому по способу обогрева стекловаренные печи непре­

рический обогрев). Направление пламени в рабочей камере ванных печей по отношению к направлению дви­ жения стекломассы может быть поперечным, подковооб­ разным и комбинированным.

В ванных стекловаренных печах непрерывного дейст­ вия получают тарное, сортовое, электровакуумное, труб­ ное, листовое и техническое стекло. Для механизирован­ ной выработки стекломассы в конструкциях стекловарен­ ных печей непрерывного действия в зависимости от вида изделий предусмотрены специальные устройства — вы­ работанные каналы, подмашинные камеры, питатели-фи­ деры, вращающиеся чаши.

Для производства изделий из тарного, сортового, элек­ тровакуумного и трубного стекла в основном использу­ ют ванные стекловаренные печи с поперечным или под­ ковообразным направлением пламени, бассейн которых разделен по стекломассе протоком на варочную и выра­ ботанную части. К выработанной части примыкают выра­ ботанные устройства — фидеры, вращающиеся чаши, пи­

11

тающие стекломассой стеклоформующие машины. Про­ изводительность таких печей колеблется в широких пре­ делах.

В проточных ванных печах тарного стекла применяют искусственное бурление (барботаж) стекломассы газа­ ми, что интенсифицирует процесс осветления и значи­ тельно повышает производительность.

В производстве штучных изделий эксплуатируют про­ точные ванные печи с газоэлектрическим и чисто элект­ рическим обогревом, технико-экономические показатели которых выше, чем пламенных.

Для производства изделий из тарного, сортового и электровакуумного стекла широко применяют малогаба­ ритные дешевые стекловаренные ванные печи прямого нагрева. В печах прямого нагрева природный газ сжи­ гают в горелках полного смешения с минимальным из­ бытком воздуха и применяют дополнительный электри­ ческий нагрев и бурление стекломассы.

Для производства листового стекла методом верти­ кального вытягивания используют крупные ванные стек­ ловаренные печи с поперечным направлением пламени и общим бассейном, к рабочей камере которых присоеди­ нен выработочный канал с подмашинными камерами. При производстве листового технического стекла мето­ дом проката применяют такие же крупные ванные печи, отличающиеся только устройством выработочной части.

Современные стекловаренные печи в зависимости от производительности могут быть разделены на шесть групп:

группа I: горшковые печи производительностью от 1 до 20 т/сутки — регенеративные и рекуперативные;

группа III: ванные печи прямого нагрева производи­ тельностью от 15 до 40 т/сутки — рекуперативные;

группа IV: средние ванные печи производительностью от 15 до 60 т/ сутки — с общим бассейном и разделенным бассейном (проточные);

группа V: крупные ванные печи производительностью от 60 до 450 т/сутки — с общим бассейном и разделен­ ным бассейном (проточные);

группа VI: стекловаренные печи с применением элект­ ротока — электрические производительностью до 60

12

ных изделий сложной формы. По способу обогрева стек­ лянных изделий различают камерные печи периодическо­

действия — отжигательная электрическая печь сопротив­ ления.

Отжигательные печи непрерывного действия приме­ няют для отжига различных стеклянных изделий, выра­ батываемых машинным способом. В этих печах осущест­ вляется непрерывное передвижение изделий, и они проходят последовательно температурные зоны, соответ­ ствующие стадиям режима отжига.

Отжигательные печи непрерывного действия разно­ образны по конструкции. Наиболее экономичной и со­ вершенной конструкцией печи непрерывного действия яв­ ляется отжигательная печь с непрерывным передвижени­ ем изделий на конвейере. В печах конвейерного типа применяют муфельное отопление.

Закалка изделий из стекла складывается из двух про­ цессов:— равномерного нагревания и быстрого равно­ мерного охлаждения. Закалке подвергают в основном листовое стекло, вырабатываемое различными способа­ ми. Для закалки плоского и гнутого стекла используют в е р т и к а л ь н ы е и г о р и з о н т а л ь н ы е э л е к т р и ­ ч е с к и е печи с о п р о т и в л е н и я . Каждая печь имеет устройство для охлаждения — воздухоструйные ре­ шетки.

Г л а в а II

ОГНЕУПОРЫ

§ 1. Огнеупоры, применяемые в стекольном производстве, и их свойства

Применение в стекольном производстве высококаче­ ственных огнеупоров с определенными свойствами позво­ ляет варить стекло при высоких температурах, что повы­

13

шает производительность стекловаренных печей, а так­ же улучшает качество вырабатываемых изделий.

Огнеупоры или огнеупорные материалы используются не только для кладки стекловаренных печей, но и для изготовления стеклоформующих лодочек, заградитель­ ных лодок, протоков, мостов, стекловаренных горшков и

огнеупорные материалы, применяемые для кладки печей, должны прежде всего обладать огнеупорностью, устой­ чивостью к воздействию расплавов, выдерживать меха­ нические нагрузки при высоких температурах и резкие колебания температуры.

Поведение огнеупоров в стекловаренных печах зави­ сит от их состава и свойств, от состава и свойств стекло­ массы, от конструкции и температурного режима печи.

В стекольном производстве применяют в основном ог­ неупоры нейтрального и основного характера, полукислые и кислые.

Огнеупоры нейтрального характера — шамотные, ка­ олиновые и всевозможные высокоглиноземистые огне­ упоры, изготовляемые как методами керамической тех­ нологии, так и электроплавкой с последующим литьем в формы.

кольном производстве. Температура применения до 1500° С. Их изготовляют на каждом стекольном заводе и используют для кладки бассейнов ванных печей, кана­

стен бассейна, особенно варочной части, так как по срав­ нению с шамотными они имеют повышенную стойкость против разъедания.

В ы с о к о г л и н о з е м и с т ы е о г н е у п о р ы изго­ товляют обжигом или электроплавкой различных видов природного высокоглиноземистого сырья или синтетиче­ ского полуфабриката на связке из огнеупорных глин. Керамические огнеупоры силлиманитового типа содер­

14

жат 50—60% А120 з, муллитового—70—75% А120 3, а ко­ рундового— более 75%. Электроплавленые огнеупоры муллитового типа в качестве главной кристаллической фазы содержат 88—98% муллита (3Al20 3-2Si02), а ог­ неупоры циркономуллитового типа в отличие от мулли­ та содержат 6—11% двуокиси циркония (Zr02). Темпе­ ратура применения 1450—1500° С. Их используют для кладки различных участков стекловаренных печей и ре­ генераторов, особенно верхних рядов насадок.

В настоящее время производство огнеупоров мулли­ тового и циркономуллитового типов и их использование для кладки стекловаренных печей ограничено, так как в нашей стране организовано промышленное производ­ ство высококачественных злектроплавленых циркони­ ево-глиноземных огнеупоров.

Ц и р к о н и е в о - г л и н о з е м н ы е о г н е у п о р ы со­ держат две главные кристаллические фазы — бадделеит (Zr02) и корунд. Отсюда и их название — бадделеитокорундовые огнеупоры, или сокращенно б а коры. Бакоры отличаются очень высокой температуро- и стеклоустойчивостью. Изготовляют их путем электроплавки из природного и искусственного сырья.

В нашей стране стекольная промышленность исполь­

За рубежом выпускают электроплавленые огнеупоры, аналогичные бакорам. Во Франции вырабатывают огне­ упоры типа ЦАК-1681 и ЦАК-1711, а в Венгерской На­ родной Республике — корвишит, содержащий около 99%

15

упоры типа корхарт ЦАК. Химический состав бадделеи- то-корундовых огнеупоров приведен в табл. 1. Темпера­ тура применения бакоров 1550—1700° С. Их используют для кладки бассейна, влетов горелок и других участков печи.

Огнеупоры основного характера — магнезитовые,

хромомагнезитовые и магнезитохромитовые — обладают повышенной термической стойкостью и применяются в основном для кладки насадок регенераторов. Темпера­ тура применения 1500—1700° С.

Полукислые огнеупоры типа шамотных содержат

15—30% AI2O3 и 66—82% Si02. Их изготовляют из смеси

Из полукислых огнеупорных масс могут быть изготовле­ ны брусья бассейна, лодочки и стекловаренные горшки.

Кислые огнеупоры — динас и плавленый кварц (не­ прозрачное кварцевое стекло).

Д и н а с содержит 94—98% Si02. Его изготовляют из кварцитов с небольшими добавками неорганических или органических связующих веществ. Температура при­ менения 1600—1650° С. Динас применяют для кладки сводов, стен пламенного пространства и горелок стекло­ варенных печей.

К в а р ц е в ы й п л а в л е н ы й о г н е у п о р — брус из непрозрачного кварцевого стекла, содержащий 99% Si02 и в качестве примеси 0,5% А120з. Температура при­ менения 1650—1680° С. В настоящее время кварцевый брус применяют для кладки бассейнов и протоков стек­ ловаренных печей, в которых варят малощелочные туго­ плавкие стекла.

§ 2. Изготовление огнеупоров

Для изготовления шамотных, полукислых и каолино­ вых огнеупоров используют огнеупорные глины и каоли­ ны. Возможно также использование полукислых глин, содержащих глинозема в прокаленном виде меньше 30%.

Огнеупорными глинами называют тонкодисперсные породы, состоящие в основном из кремнезема, глинозе­ ма и очень небольшого количества плавней (окислов кальция, магния, железа и щелочей).

Огнеупорность глины зависит от соотношения в ней глинозема и плавней. Для изготовления ответственных

16

шамотных огнеупоров в прокаленной глине должно со­ держаться не менее 30% AI2O3 и не более 4,8% плавней, в том числе не более 1,8% окислов железа в пересчете на окись.

Наиболее вредными примесями, понижающими стой­ кость огнеупоров, являются окислы кальция и магния, а затем идут окислы железа и щелочные окислы.

Огнеупорные глины должны быть пластичными, т. е. при затворении водой давать «жирное» пластичное тес­ то, хорошо сохраняющее форму при формовании. Обыч­ но пластичность находится в прямой зависимости от ко­ личества самых тонких частиц диаметром менее 1 мкм, содержащихся в глине.

Количество воды затворения, необходимое для обра­ зования из глины пластичного теста нормальной густо­ ты, колеблется примерно в пределах 17—32% и тем вы­ ше, чем меньше диаметр частиц глины.

Образец, изготовленный из пластичного теста огне­ упорной глины, при сушке на воздухе уменьшает свой первоначальный вес до постоянного, и, следовательно, уменьшаются его размеры. Это уменьшение длины об­ разца, выраженное в процентах к первоначальному раз­ меру, называется в о з д у ш н о й у с а д к о й . Обычно она колеблется в пределах 3—11 % •

При нагревании до 800° С из глины удаляется вода затворения и химически связанная вода. При этом глина обжигается и полностью теряет пластичность.

и воздушная, и колеблется в пределах 2—12%. Наиболь­ шую усадку имеют жирные пластичные глины, наимень­ шую — малопластичные тощие.

При нагревании до 1200—1400°С глина полностью спекается, пористость ее уменьшается и она превращает­ ся в прочный черепок. Температура, при которой глина полностью спекается и охлажденная после обжига теря­ ет способность впитывать воду, называется температу­ рой спекания.

Огнеупорные глины должны иметь повышенную ме­ ханическую жаростойкость — способность противостоять длительному воздействию механических нагрузок при высоких температурах. Для изготовления огнеупоров используют глины огнеупорностью 1580—1730° С.

Каолинами называют тонкодисперсные породы, со-

стоящие преимущественно из каолинита. Средняя вели­ чина частиц основной массы каолинов в несколько раз больше, чем у огнеупорных глин. По этой причине као­ лины менее пластичны и труднее спекаются, но они со­ держат значительно меньше примесей и поэтому жаро­ стойкость их обычно выше.

Шамотные и полукислые огнеупоры и изделия изго­ товляют из смеси отощителя (шамота) и связующего (пластичной огнеупорной глины) в строго определенных соотношениях, которые зависят от способа формования.

Для получения шамота обжигают до полного спека­ ния в пламенных камерных печах крупные куски глины и валюшки (брикеты), изготовленные из сортированной глиняной мелочи. Обжиг длится 3—4 суток с постепен­ ным подъемом температуры до 1300° С. После обжига шамот размалывают сначала на дробилке, а затем на по­ мольных бегунах. Дробленый шамот рассевают на нуж­ ные фракции, подвергают магнитной очистке и направ­ ляют в отдельные бункера.

Зерновой состав шамота (табл. 2) выбирают в зави­ симости от вида и назначения огнеупорных изделий. Уменьшение размера зерна повышает стеклоустойчи-

Глину, предназначенную для связки, подсушивают при температуре 200° С до влажности 5% и сортируют на куски размером 5—6 см, затем ее размалывают на

18

бегунах и просеивают через сито с отверстиями 0,5— 0,8 мм. Просеянную глину перемешивают с отощителем (шамотом) и водой. Перемешивание составных частей и приготовление керамических масс осуществляют в ме­ ханических смесителях и массомялках различного типа.

При п л а с т и ч е с к о м ф о р м о в а н и и изделий сна­ чала приготовляют шихту, состоящую из 50—70% шамо­ та и 30—50% связующей глины, а затем полученную массу затворяют водой и тщательно перемешивают. Из этой массы изделия формуют или внатир — намазывают один слой массы на другой (стеновые брусья, горшки, лодочки), или внашлеп — набрасывают в форму комки массы и уминают их (донные брусья и неответственные

85% шамота и 25—15% связующей глины. Изделия, из­ готовленные из такой шихты, называют многошамотны­ ми. Трамбование и прессование многошамотных изделий осуществляют в массивных стальных разборных формах. Изделия, изготовленные трамбованием или прессовани­ ем, по сравнению с изделиями пластического формова­ ния имеют пониженную пористость и повышенную меха­

шликер сметанообразной консистенции. Для лучшей те­ кучести шликера к массе добавляют очень небольшие ко­ личества разжижителей (соды, растворимого стекла и др.) или их смесь, например, на 1 т сухой шихты 1 кг со­ ды и 5 л жидкого стекла. Шликер наливают в гипсовую форму, стенки которой хорошо впитывают избыточную влагу, и выдерживают в течение суток или более, пока изделие не окрепнет настолько, чтобы его можно было извлечь из формы.

Отформованные огнеупорные изделия перед обжигом сушат различными способами; остаточное содержание в них влаги не должно превышать 3—4%. Изделия, сфор­ мованные способом трамбования, сушат 5—6 суток в по­ мещении цеха при температуре 20—25° С и относителы-