2.2.3.12.4 Контрольно-измерительные приборы и аппаратура

Печи оснащены:

− системы автоматического регулирования и контроля: уровня стекломассы, давления газовой среды в студочной части, расхода газа по зонам ванной печи;

− системами автоматического контроля: температурного режима по стекломассе, температурного режима по газовому пространству печи, температурного режима отходящих газов, расхода газа, расхода воздуха в студочной части печи.

Температура измеряется стационарно установленными термопарами в главном своде (3 шт.) в своде выработочной части (1 шт.), в боковых стенах варочного бассейна (2 шт.), в дне варочной части (3 шт.), в дне выработочной части (3 шт.), в регенеративных камерах (по 2 шт. в каждой- верх, низ насадки).

Периодически 2 раза в смену проводят контрольный замер оптическим переносным пирометром.

Стабильность поддержания температуры в пламенном пространстве составляет 10°С при нормальной эксплуатации, а в выработочной части5°С.

Точность измерения температуры 20°С.

Анализ химического состава газовой среды проводится газовым анализатором типа ГХП-100, ГХЛ-3М.

2.2.3.12.5 Физико-химические процессы варки

Под физико-химическими основами стекловарения понимают процессы, связанные с собственно стекловарением, а также с теплоотдачей и горением топлива в рабочей камере печи.

На процесс варки стекла оказывает влияние большое число технологических и теплотехнических факторов, основными из которых являются следующие:

− химический состав и свойства сырьевых материалов стекла;

− подготовка сырьевых материалов и приготовление шихты;

− загрузка шихты и боя в печь;

− свойства огнеупорных материалов;

− вид топлива и его сжигание;

− теплообмен в рабочей камере печи;

− движение стекломассы;

− состав газовой среды и режим давления;

− температурный режим;

− движение газов.

Температура, создаваемая в печи, является основным фактором, от которого зависит скорость стекловарения.

При варке сортового, тарного и листового стекла в варочной части печи поддерживают температуру 1450-1590ºС.

В процессе стеклообразования можно выделить пять стадий: силикатообразование, стеклообразование, осветление стекломассы, гомогенизация и студка. Все стадии тесно связаны между собой и на практике некоторые из них протекают не в строгой последовательности, а одновременно.

Силикатообразование характеризуется тем, что к концу ее основные химические реакции в твердом состоянии между компонентами шихты закончены, в шихте не остается отдельных составляющих ее компонентов (песка, соды, сульфата, мела и пр.), большинство газообразных из шихты улетучивается.

Химические реакции, протекающие при стекловарении, зависят не только от состава стекла, но и от вида компонентов шихты. Рассмотрим процессы в содовой шихте, состоящей из SiO₂ – Na₂SO₄ – CaCO₃.

Na₂SO₄ + CO = Na₂SO₃ + CO₂;

Na₂SO₃ + H₂ = Na₂SO₃ + H₂O.

Сульфит натрия будучи нестоек, распадается по уравнению:

Na₂SO₃ → 3Na₂SO₄ + Na₂S.

Образовавшийся сульфид натрия, взаимодействуя с углекислым кальцием, образует углекислый натрий и сульфид Са:

Na₂S + CaCO₃ = Na₂CO₃ + CaS

Образовавшийся углекислый натрий образует двойной кальций-натриевый карбонат CaNa₂(CO₃)₂, который реагирует с SiO₂ образует метасиликат кальция и метасиликат натрия с выделением углекислоты:

CaNa₂(CO₃)₂ + 2SiO₂ = CaSiO₃ + Na₂SiO₃ + 2 CO₂

Другая часть сульфида натрия Na₂S взаимодействует с парами воды по реакции:

Na₂S + H₂O = Na₂O + H₂S.

При 500ºС в присутствии воды Na₂O образует NaOH, который весьма энергично взаимодействует с зёрнами кварцевого песка, образуя силикаты натрия:

SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O.

При 1240ºС образуется сплав, который при охлаждении дает стекло.

К концу стадии силикатообразования шихта представляет собой спекшуюся массу силикатов, пронизанную не успевшими выделиться из нее газами, т. е. спек.

Стеклообразование. На этой стадии варки стекла после завершения химических реакций силикатообразования при повышении температуры спек плавится. В образовавшемся расплаве остается около 25 % зерен кварцевого песка, не вошедших в химические реакции.

Растворение этого кварца и составляет суть стеклообразования, а также взаимное растворение силикатов друг в друге. Стеклообразование протекает в 8 раз медленнее, чем силикатообразование. Связано это с медленным растворением зерен кварца в высоковязком расплаве. Скорость растворения, а следовательно, стеклообразование зависит от величины и формы зерен песка и свойств расплава (вязкость, поверхностное натяжение).

Мелкие и угловатые зерна растворяются быстрее крупных и окатанных. С увеличением содержания в стекле легкоплавких компонентов, снижающих вязкость, скорость стеклообразования возрастает. В конце стадии стеклообразования получается прозрачная стекломасса, в которой нет непроваренных частиц шихты, но содержится много пузырей и свилей, т. е. стекломасса неоднородна. Для обычных стекол стадия стеклообразования завершается при температуре около 1200ºС.

Осветление. На этой стадии стекломасса освобождается от видимых газовых включений двумя путями: пузырьки больших размеров поднимаются с поверхности и лопаются; мелкие пузырьки в расплаве растворяются. Пониженная вязкость расплава (10⁰ – 10¹ Па∙с) и повышенная температура способствуют осветлению стекла, которое происходит при максимальной температуре варки 1450 – 1500ºС. Существует ряд приемов для ускорения осветления: повышение температуры, механическое перемешивание стекломассы – бурление, добавка в шихту осветлителей.

Процесс полного освобождения стекломассы от газов требует длительного времени. Полностью удалить газы из стекломассы практически невозможно. Поэтому задача технолога заключается в том, чтобы удалить из стекломассы нерастворимые видимые пузырьки газа, не нарушая равновесия мельчайших невидимых пузырьков и растворенных в стекломассе газов. Это равновесие не должно быть нарушено вплоть до выработки изделий. Для этого необходимо сохранять в атмосфере печи постоянный состав газа, поддерживать постоянное давление при варке. Большое значение имеет также соблюдение температурного режима варки.

Гомогенизация. На стадии гомогенизации стекломасса освобождается от свилей и становится химически однородной. Гомогенизация до некоторой степени способствует процессу осветления стекломассы. Выделяющиеся при осветлении газовые пузырьки перемешивают стекломассу и облегчают взаимную диффузию, выравнивая концентрацию химических компонентов. Для этого стекломассу выдерживают при высоких температурах.

Студка. Последняя стадия процесса стекловарения или охлаждение, заключается в снижении температуры и повышении вязкости стекломассы до пределов, допускающих формование изделий. В зависимости от характера стекломассы температуру снижают до 200 – 300ºС. Во время студки заканчивается также процесс осветления. Студка является подготовительной стадией к выработке стекломассы, охлажденной до температуры, обеспечивающей рабочую вязкость 10³ – 10⁸ Па∙с. Продолжительное выдерживание стекломассы при температуре выработки может привести к частичной кристаллизации, что увеличивает брак [5].