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玻璃电熔坩埚窑运行工艺探讨
摘要
电熔化作为玻璃生产关键方法之一，含有很高应用价值，能节省能源，有利环境保护，熔化玻璃品质高。用优质电熔锆刚玉砌筑熔化部替换一般坩埚，并应用电熔技术来改造坩埚窑结构和生产方法，是改善坩埚窑使用性能有益尝试。经过电熔坩埚窑实际运行来探讨其烤窑、熔制、换料等工艺。
关键字：电熔化，坩埚窑，电熔锆刚玉，烤窑，熔制，换料

目录
1 绪论
1.1 引言
1.2 玻璃电熔窑炉历史和发展
1.3 多个经典玻璃电熔窑炉
1.3.1 熔制铅玻璃全电熔炉
1.3.2 熔制硼硅酸盐玻璃全电熔炉
1.3.3 熔制有色玻璃全电熔炉
1.3.4 熔制氟乳浊玻璃全电熔炉
1.4 电坩埚窑分类和特点
1.4.1 电热坩埚窑特点
1.4.2 电熔坩埚窑特点
1.5 电熔坩埚窑现实状况
1.6 本课题研究内容
1.7 本课题面临难题

2 试验
2.1 试验试剂和仪器
2.1.1 玻璃原料和配方
2.1.2 试验设备和仪器
2.2 试验方法
2.2.1 烤窑曲线安排
2.2.2 熔制工艺安排
2.2.3 换料工艺安排
2.2.4 注意事项

3 分析和讨论
3.1烤窑工艺讨论
3.1.1 烤窑曲线和制度确实定
3.1.2 烤窑效果和讨论
3.2 熔制工艺探讨
3.2.1 熔制曲线和制度确实定
3.2.2 加料制度讨论
3.2.3 熔制效果和讨论
3.3 换料工艺探讨
3.3.1 换料制度讨论
3.3.2 换料效果和讨论
3.4 AZS砖抗侵蚀结果讨论
3.5 运行经济指标分析

4 结论

参考文件
致谢
译文及原文

1 绪论
1.1 引言
坩埚窑是玻璃窑炉一个，其特点是玻璃熔制各个过程——熔融、澄清、均化、冷却全部在同一坩埚中，随时间推移逐步完成，可连续也可间歇地作业。它有很多优点，如玻璃品种易调换，生产组织灵活，玻璃质量较高。所以，坩埚窑常被用于熔制光学玻璃、颜色玻璃、晶质玻璃、仪器玻璃和多种特种玻璃。
传统坩埚窑通常采取粘土或高铝质坩埚，以火焰加热。其存在不足是效率低下、坩埚侵蚀严重、玻璃质量不高等。怎样有效地发挥坩埚窑优点，改善它不足，是摆在我们面前问题。
从多种可选方法中，我们决定把坩埚窑和电熔技术结合起来，从而做成了电熔坩埚窑。采取电熔技术关键有以下多个优点：能耗低，热效率高，产品质量高，生产过程易于自动化操作等[1]。而且，用电熔锆刚玉直接砌筑成熔化池替换粘土或高铝坩埚来熔制玻璃会大大增强抗侵蚀能力，延长坩埚使用寿命。
我们期望经过电熔坩埚窑炉实际运行来探讨其操作工艺，评价其运行效果，以研究电熔坩埚窑实用价值。
1.2 玻璃电熔窑炉历史和发展
19法国索维吉昂(Savegeon)取得了一个电熔炉专利——利用电流经过玻璃配合料产生热量来熔化玻璃。1920至1925年期间，挪威雷德(Raeder)使用碳电极，成功地实现了熔窑全电熔。1925年，瑞典科尼利矶斯(Comeljus)已使用这种熔窑生产琥珀色玻璃和绿色玻璃。其效率颇好，可达成1.40千瓦小时千克玻璃。但这种熔窑只能用于熔化有色玻璃和钠硅玻璃。在第二次世界大战期间，瑞士波来耳(Borel) 在处理电熔燃料短缺方面做了大量研究发展工作并取得了成功，由法国圣戈班(St.Gobain)企业加以推广。该企业对电助熔做了实际工作。战后大家对钼电极感爱好，佩恩伯瑟(Penberthy)设计电极系统使用钼棒，1952年玻璃工业开始广泛采取这种电极系统。它已用于电助熔和全电熔。另一个钼电极系统使用钼板，是英国格耳和汉恩(Gel和Hann)于1956年提出。过去二十年中，使用电加热熔化玻璃方法取得快速推广。近十年来，电熔领域不停出现了部分新概念及发展，如混合熔化，电熔窑熔化铅晶质玻璃，电加热料道，微型电熔炉等。中国玻璃电熔技术是在20世纪80年代引进国外玻璃电熔炉基础上起步从而发展和丰富起来。
1.3 多个经典玻璃电熔窑炉
1.3.1 熔制铅玻璃全电熔炉
铅晶制玻璃多在单坩埚窑、多坩埚窑或日池窑中熔制缺点在于氧化铅挥发污染。日池窑中玻璃液面波动冲刷耐火材料引发严重耐火材料结石和条纹。用电熔炉能够降低这些危害。中国铅玻璃电熔窑使用窑型关键有[4]：
(a) Ｔ型窑：即上大下小形状，氧化锡电极垂直安装在两边台阶上，采取单相供电或三相ＳＣＯＴ供电。
(b) 矩形窑：上下大小一样，氧化锡电极水平安装在两边池壁上，采取单相供电或三相ＳＣＯＴ供电。
1.3.2 熔制硼硅酸盐玻璃全电熔炉
硼硅玻璃熔制温度高：粘度在10pa.s时其温度约为1600摄氏度。Ｂ２Ｏ３挥发使玻璃液表层形成一层富硅氧玻璃，且Ｂ２Ｏ３挥发量伴随温度升高而增加。传统火焰池窑熔制无法避免硼挥发逸散损失，玻璃质量不理想。全电熔窑可将玻璃液加热到1680摄氏度以上，大幅度降低了硼挥发。国外对这种玻璃熔制已经普遍采取了电助熔和全电熔两种熔化方法[5]。熔制硼硅酸盐玻璃电熔炉多为小型炉，冷顶，节能、成本低、玻璃质量好。火焰窑和热顶电熔窑，硼挥发严重腐蚀上部结构，不仅缩短了窑炉寿命，且碹滴落入玻璃液内，影响玻璃质量。冷顶电熔窑能够避免上述弊病，取得高质量玻璃[6]。
1.3.3 熔制有色玻璃全电熔炉
深色玻璃对热射线有强烈吸收作用，采取常规表面辐射加热方法熔化深色玻璃时常常会出现热渗透问题，降低了玻璃熔体透热性，使之难以均匀加热。在电熔炉中，热能是从玻璃体内释放出来，电流能够相当均匀地经过玻璃，出现温度差很小。中国小型电熔炉（0.5－4t/d）已经投入应用。伴随电熔炉结构和工艺不停改善，小型电熔炉将越来越多应用于品种多、批量小、质量要求高、色调稳定颜色玻璃生产。
1.3.4 熔制氟乳浊玻璃全电熔炉
熔化乳白玻璃特点[7]：乳白玻璃中大量极易挥发氟化物在常规火焰窑中挥发出去，使得表层玻璃在成份上和其下面深层玻璃差异很大，造成了玻璃成份不均匀，既污染环境又损失原料。且氟化物玻璃对电极及耐火材料有严重侵蚀。电熔窑熔化乳白玻璃时，热量是从配合料下面释放出来，配合料组分产生气体经过配合料层向上逸出，凝聚在冷顶部分，使流出玻璃液和投入配合料在成份上保持一致，从而稳定了产品化学成份[8]，且降低了原料成本。

1.4 电坩埚窑分类和特点
电坩埚窑又分为电热坩埚窑和电熔坩埚窑两种。

1.4.1电热坩埚窑结构和特点
电热坩埚窑通常采取整体式坩埚，在坩埚底部四面进行电加热[9]，加热元件关键是硅碳棒或硅钼棒。硅碳棒通常水平或垂直固定在窑体上，硅钼棒通常自由悬挂于窑墙凹入处。加热元件应部署得不使它直接由出料口向外辐射，凹槽要相当深，以避免加热导线机械损伤和污染，使凹槽能沿着窑炉长度方向配合得很正确，耐火材料之间常见楔口结合。电热坩埚窑加热方法是利用硅碳棒或硅钼棒空间辐射加热，加热效率不高，能耗较大。
1.4.2 电熔坩埚窑结构和特点
该种窑炉采取坩埚窑作业方法，利用电熔锆刚玉砖砌筑成以六角（或八角、四角等）形状熔化池，和池窑不一样是，该窑炉没有流液洞和上升道结构，加料和出料全部在该熔化池进行，整个操作工艺和开口坩埚相同。其热量起源于二氧化锡或钼电极，电极插入方法有底插、顶插和侧差。熔化池上方还可安置硅碳棒或硅钼棒进行恒温加热。
电熔坩埚窑加热方法是利用玻璃液本身导电产生焦耳热进行加热，同时辅和硅碳棒或硅钼棒空间辐射加热，所以，其热效率高，寿命长，熔制玻璃质量好，操作也很方便。
1.5 电熔坩埚窑现实状况
玻璃电熔窑炉已经有近百年历史了，不过基础上全部是以池窑或日池窑结构出现。以电为能源坩埚窑关键为电热坩埚窑，电熔坩埚窑极少。中国近几年才稍有这方面研究和尝试，相关文件更是凤毛麟角。在第二期《建筑玻璃和工业玻璃》中，秦皇岛玻璃研究院介绍了她们研制电熔坩埚窑。其使用寿命在1年以上，每千克玻璃耗电1.8度。而且含有效率高，污染少，玻璃质量高，操作方便等优点。东华大学材料学院于研制了一个坩埚窑工艺和日池窑工艺兼具窑炉。该窑炉熔化区用电熔锆刚玉-33号无缩孔砖砌筑而成，呈六边形，上小下大，上部采取硅碳棒空间辐射恒温加热，下部采取6根氧化锡电极三相配电恒流控制加热。在加料池处有一对电极恒流单相控制加热。该窑炉熔制温度1420～1460摄氏度，可熔制铅玻璃或颜色玻璃，熔化面积0.072 m2，日出料60-80kg，熔化率0.8-1.1 t/m2·d。 其结构简图以下：

1.6 本课题研究内容
(1) 电熔坩埚窑烤窑工艺
2) 电熔坩埚窑熔制工艺
(3) 电熔坩埚窑换料工艺
(4) AZS砖在不一样玻璃生产中抗侵蚀能力
(5) 电熔坩埚窑经济指标计算
1.7 本课题要面临难题
(1) 电熔锆刚玉砖开裂
(2) 砖缝渗料
(3) 钼电极氧化
(4) 窑炉加热元件电功率分配

2 试验
2.1 试验试剂和仪器
2.1.1 玻璃原料和配方
石英砂(纯度,起源)
碳酸钠( )
碳酸钾( )
碳酸钙( )
碳酸钡( )
碳酸锂( )
硝酸钠( )
硝酸钾( )
氧化铝( )
氧化锌( )
氧化铒( )
石灰石( )
硼酸( )
钛白粉( )
硫化镉( )
硒粉( )
氟硅酸钠( )

试验所用配方

钠钙玻璃
无铅水晶玻璃
铒红玻璃
硒红玻璃
乳白玻璃
石英砂
60
63
59
67
79.4
碳酸钠
34.5
15.5

22.4
14.23
碳酸钾
14.7
14.7
14.9
10.3

氧化锌

3.9
10
1.2
硼酸

5.8

3.6
2.7
氧化铝

2

1
8
碳酸钙

10.7

3.2
钛白粉

22

0.25
碳酸锂

2.5
硝酸钠

6.9

氧化铒

1

石灰石
17.9

碳酸钡

8.8

硝酸钾

7.3

硫化镉

1.6

硒粉

0.7

氟硅酸钠

6.74

2.1.2 试验设备和仪器
(1) 窑炉
窑炉呈正方形，熔化部坩埚体用五块41号电熔锆刚玉砖砌筑而成，上部空间使用硅钼棒空间辐射恒温加热，下部采取钼电极三相配电恒流加热。该窑炉熔化面积0.25m2,设计出料量200kg/d,熔化率为0.8t/m2·d。其结构照片以下：

窑炉全貌　　　　　　　　 电熔锆刚玉熔化池

硅钼棒安装孔 底插电极

(2) 温度控制装置
硅钼棒温控( 起源 )
主熔部温控( )
(3) 硅钼棒.钼电极及热电偶
名称
型号
数量
规格
备注
硅钼棒

钼电极

B型热电偶

S型热电偶

(4) 风冷装置
离心式交流吹风机( 起源 )
型号

额定电压

额定频率

负载电流

输入功率

额定转速

风量

风压

2.2 试验工艺
2.2.1 窑炉升温曲线安排
时间(h)
温度(C)
0
24
6
60
16
120
26
180
36
240
46
300
56
360
66
420
76
480
86
540
96
600
106
600
116
680
126
760
136
840
146
920
156
1000
166
1000
176
1100
186
1200
196
1200
206
1300
216
1400

2.2.2 窑炉熔制工艺安排
(1) 钠钙玻璃熔制曲线
时间(h)
温度(C)
0
1400加料
0.5
1300
1
1340
1.5
1370
2
1400
2.5
1420加料
3
1340
3.5
1380
4
1410
4.7
1430加料
5
1390
5.5
1430
6
1450
6.5
1460
7
1460
7.5
1460
8
1460
8.5
1460
9
1460
9.5
1460
10
1460
10.5
1390
11
1320
11.5
1260
12
1200

(2) 无铅水晶玻璃熔制曲线
时间(h)
温度(C)
0
1200
0.5
1250
1
1300
1.5
1350
2
1400加料
2.5
1300
3
1340
3.5
1370
4
1400
4.5
1420加料
5
1350
5.5
1400
6
1440
6.5
1470加料
6.8
1430
7.5
1480
8
1500
8.5
1500
9
1500
9.5
1500
10
1500
10.5
1500
11
1500
11.5
1400
12
1300
12.5
1200

(3) 铒红玻璃熔制曲线
时间(h)
温度(C)
0
1200
0.5
1250
1
1300
1.5
1350
2
1400
2.5
1450加料
3
1350
3.5
1400
4
1440
4.7
1470加料
5.2
1390
5.5
1430
6
1480
6.7
1510加料
7
1460
7.5
1520
8
1550
8.5
1550
9
1550
9.5
1550
10
1550
10.5
1550
11
1550
11.5
1550
12
1550
12.5
1500

(4) 硒红玻璃熔制曲线
时间(h)
温度(C)
0
1500加料
0.5
1400
1
1460
1.5
1500
2
1520加料
2.5
1440
3
1490
3.5
1530
3.7
1540加料
4
1490
4.5
1540
4.8
1550
5
1550
5.5
1550
6
1550
6.5
1550
7
1550
7.5
1550
8
1550
8.5
1550
9
1500

(5) 乳白玻璃熔制曲线
时间(h)
温度(C)
0
1500
0.5
1450
1
1400
1.5
1350加料
2
1250
2.5
1290
3
1320
3.5
1340
4
1350
4.5
1350加料
5
1280
5.5
1320
6
1350
6.5
1350
7.2
1350加料
7.5
1300
8
1330
8.5
1350
9
1350
9.5
1350
10
1350
10.5
1350
11
1350
11.5
1350
12
1350
12.5
1350
13
1350
13.5
1350
14
1300
14.5
1250
15
1200

2.2.3 换料工艺
(1) 钠钙玻璃换无铅水晶玻璃
(2) 无铅水晶玻璃换饵红玻璃
(3) 饵红玻璃换硒红玻璃
(4) 硒红玻璃换乳白玻璃

3 分析和讨论
3.1烤窑工艺探讨
3.1.1 烤窑曲线和制度确实定
3.1.2 烤窑效果和讨论
3.2 熔制工艺探讨
3.2.1 熔制曲线和制度确实定
3.2.2 加料制度讨论
3.2.3 熔制效果和讨论
3.3 换料工艺探讨
3.3.1 换料制度讨论
3.3.2 换料效果和讨论
3.4 AZS砖抗侵蚀结果讨论
3.5 运行经济指标分析
4 结论
一
二
三
四

参考文件

致谢

译文及原文