玻璃电熔炉设计

窑炉课程设计说明 题目：年产3000吨高硼硅玻璃电熔窑炉的设计 目录 前言    １ 一、设计任务及原始资料    3 1.1 设计题目：    3 1.2 设计技术指标、参数：    3 二、窑型选择    4 三、窑体主要尺寸选择    5 3.1  熔化池面积    5 3.2熔化池的长度和宽的    6 3.3  熔化池的深度    7 四、电极材料的选择及插入方式    8 4.1  电极材料的选择    8 4.2  电极尺寸的选择    9 4.3 电极插入方式选择    10 4.2  电极连接方式选择    11 五、耐火材料的选择与计算    12 5.1耐火材料的选择    12 5.2耐火材料的计算    13 六、窑炉电工热工计算    14 6.1玻璃熔化热计算    14 6.2 玻璃耗电量计算    15 6.3玻璃热效率计算    15 七、小结    16 参考文献    16 前 言 玻璃电熔技术是目前国际上最先进的熔制工艺，是玻璃生产企业提高产品质量，降低能耗，从根本上消除环境污染的十分有效的途径。对于15t/d以下的小型玻璃熔窑来说，在电力充足和电价适中的地区，用电熔工艺来生产各类玻璃制品的综合经济效益是很理想的；在电价较高的地区，对于彩色玻璃、乳浊玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅玻璃、高挥发组分玻璃或特种玻璃生产也是合算的。 过去我国小型电熔窑的应用一直进展不太大，主要原因有两条：首先是人们普遍认为电熔的价格昂贵，熔制成本高，忽视了电熔可带来的整体效益；其次，以往引进的国外电熔窑由于包含大量的技术费用，选材过于讲究，因而投资很大，一座熔化面积不到2m2，日产量4吨的小型电熔窑，少则二三百万元，多则近千万，对于生产一般玻璃制品来说，是难以接受的。即使引进了也往往因为折旧费用过高而被迫停用。我们设计的电熔窑，以我国的国情为基础，根据产品特点确定适当的窑龄，着重考虑综合经济效益，大量采用国产优质材料，在满足产品质量要求的前提下，大大降低了电熔窑的造价。以上述规模的电熔窑为例，包括电极和全套电熔自动控温装置在内的设备投资只需约100万元，每次冷修费用也不过十余万元，为玻璃全电熔技术的广泛应用创造了条件。 玻璃熔窑有如下优点：没有废气，防止空气污染；降低挥发性配合料组分的挥发；玻璃均匀；降低因结石造成的产品损失；在节假日停产后恢复生产的 1 困难较少；熔窑大修较快；在整个窑期内可始终保持满负荷的出料量；占地面积小；二氧化碳的回收 ；热量散失减少；玻璃质量好、效率高、成本低；建设投资少；全电熔窑易于调节控制，操作范围广，热工比池炉稳定。 总之，在环保要求严格、电价低兼、玻璃熔化困难、玻璃质量要求高、生产规模小时可考虑全电熔窑。 2 一、设计任务及原始资料 1.1设计题目：年产3000吨高硼硅玻璃电熔窑炉的设计 1.2设计技术指标、参数： 1、坯料的化学组成（%）： 成分 SiO2 Al2O3 CaO Na2O B2O3 含量（%） 80 2.6 0.3 5.1 12             2.熔窑生产能力： G=3000/300=10t/d； 3.熔化率：k=1500kg/(ｍ2?d)； 4.k系数：K=0.3； 5.玻璃熔化温度：t=1450 ℃； 6.玻璃液密度：ρ=2.4 t/ｍ3； 7．窑炉长宽比：L/B=1~1.5； 3 二、窑型选择 我国熔制硼硅酸盐玻璃的电熔窑大多为小型窑，冷顶电熔窑与火焰窑相比具有节能、提高质量、降低成本等显著的优越性。 （1）小型电熔窑有较好的经济性，以日产2.0吨的高硼硅玻璃球窑为例,从燃料和硼挥发两顶进行比较如1 表1 生产方式 项目 火焰窑 热顶电熔窑 冷顶电熔窑 硼挥发% 18 10 3 窑的热效率% 6.5 40 60         (2)玻璃质量好，在火焰池窑中由于窑温、窑压、气氛和产量等工艺条件发生变化，都要引起硼的挥发率的变化，使玻璃不均匀。同时火焰窑和热顶电熔窑，硼的挥发严重腐蚀了上部结构，不但缩短了窑炉的寿命，而且碹滴落入玻璃窑内，影响了玻璃质量。冷顶电熔窑完全可以避免上述弊病，获得高质量的玻璃。 本窑炉产量为10t/d。选用小型电窑。 4 三、窑体主要尺寸的确定 3.1 熔化池面积 在确定电熔窑主要尺寸之前，首先要知道所熔制的玻璃成分和窑的日熔化量，电熔窑的熔化率取决于玻璃的种类、电熔窑的大小。玻璃电熔窑的热量是通过所熔化的玻璃的整个体积引入的，应以每天、每立米的体积熔化量来确定电熔窑的结构。表2是现有的一些全电熔窑的面积熔化率。 玻璃种类 电熔窑的大小 面积熔化率(T/m2.d) 普通钠钙玻璃 小型窑 1.5 大型窑 2.5 琥珀式玻璃 小型窑 1.0 大型窑 1.6 绿色玻璃 小型窑 1.0 大型窑 1.6 硼硅酸盐玻璃 小型窑 1.5 大型窑 1.8 乳白玻璃 小型窑 2.5 大型窑 3.0 黑色玻璃 小型窑 1.5 大型窑 2.0       表2                                                                              5 由于配合料的熔化过程仍在窑池表面进行。因此，熔窑的融化池面积让可以用下式计算： F熔 =G/K 式中：G —— 熔窑的生产能力，kg/d; K —— 熔化率，kg/(ｍ2?d)。 则：F熔=10/1.5=6.67（ｍ2）。 3.2熔化池的长度与宽度 L/B越大，投入窑炉的玻璃原料从熔化到完成澄清，其间的玻璃“行程”越长，也越有利于熔化和澄清。早期设计的单元窑熔他是很长的，日产量在8—50t/d，（L/B）5—4。随着单元窑配合料微粉化及熔制工艺和鼓泡技术的发展与成熟，以及窑体耐火材料的质量提高和采用保温技术等，使熔池长宽比在3左右，也同样可以获得满意的玻璃质量。 为了提高熔窑的热效率，熔窑的散热比表面积应比较小，熔化池的长度L和宽度B之比，应符合下面条件： L/B=1~1.5 取L/B=1 则：L=2.58  ｍ,B= 2.58  ｍ。 6 3.3熔化池的深度 电熔窑的深度H取决于在其中连续进行熔化、澄清和冷却三个层次的厚度。很明显，玻璃的熔化率将影响各个层次的厚度，而不同组分的玻璃的熔化率是由配合料的熔透速度和玻璃液完全排除气泡在高温区逗留时间决定的。因此，电熔窑窑深（或高度）H，可由下列经验公式计算： H=0.1+h1+h2+h3 式中：0.1——通常控制的配合料层高度，m； H1——配合料与熔体接触面到上排电极上边缘的距离，m； H2——高温区的高度，m； H3——下排电极下边缘至窑底得距离，m。 配合料与熔体接触面到上排电极上边缘的距离，可以按下式计算 H1=kb=0.3*成对电极之间的距离=0.3*1.38=0.414 m H2=0.84*k/ρ=0.525 m H3=1.1 m 则：H=0.1+h1+h2+h3=0.1+0.414+0.525+1.1=2.1  m 7 四、电极选择及插入方式 4.1电极材料选择 金属电极中以钼电极最为普遍，除含铅玻璃外，是对多种玻璃熔制都适用的材料。钼的熔点高，导电性好，机械强度大，热膨胀系数底，加工容易，不污染玻璃液，是比较理想的电极材料。 1986年某厂从Sorg公司引进一座铅晶质玻璃全电熔窑，该电熔窑的熔化池呈六角形，电极分布在三面池墙上，按△接法或Y接法与三相变压器连接。其优点是允许三相有均衡的负荷。电熔窑横截面电流分布比较均匀。有利于配合料均匀熔化。熔化池与澄清池面积基本相同。熔化池装有三层直径48mm的钼电极。设计熔化能力5.4～6.6T/d。 该电熔窑容量大，玻璃液在熔化池逗留时间较长。熔化率为2.6T/m2·d，单耗为1.12kW·h/kg玻璃。该电熔窑的熔化量具有较大的潜力。其“翻转限”仅比最大熔化量低20%。 在熔制铅玻璃时，由于钼和氧化铅等发生氧化—还原反应，使钼电极受到腐蚀。所以应适当降低电流密度，以减少钼电极损耗，相应减少铅损失，提高玻璃质量，延长窑炉寿命。 8 4.2电极尺寸选择 (1) 玻璃液电阻率与温度有关 a=3.8306+0.003761*0.8+0.0326*0.12+0.08514*0.003+0.1776*0.051=5.4706; b=1.7738+6.254*100000*0.8+0.0087*0.12+0.058*0.003-0.0539*0.051=1.6257。. 则： =12.88 Ω?cm; 两根水平放置的棒状电极间玻璃液电阻为： R=n1*n2*(ρ)/(3.14*l)*Ln(b/r)=1.1*1.3*12.88/3.14/100*Ln(138/2.5)=0.24Ω; （2）电熔窑总功率P P=G*q=10000/24*2.4=1000 kw (3) 电熔窑电压 V和电熔窑电流  I 电熔窑通常采用隔离变压器供电。一次电压采用可控硅恒温、恒压(或恒流)控制仪控制，变压器二次侧通过电极向熔体供电。 计算出的电压和电流，既能供操作时参考，又能用来复核事先选定电极大小和布置位置是否合适。电熔窑的电流、电压按下式计算： 9 ，             式中P为电极功率，R为电阻。 电压的选择原则：小于耐火材料的最低击穿电压。在保证安全的情况下，尽可能选用高电压，以便降低二次电流。这有利于降低变压器的负载和电极的成本。电压、电流在可控范围内调节的幅度应有较大余量。 则： 上层电极电压电流, =268.3 v =1118 A 下层电极电压电流, =219.1 v =912.9 A (4)电极电流密度 j J上=I/A=1118/(3.14*2.5*2.5+3.14*5*60)/2=0.6 (A/cm2) J下=I/A=912.9/(3.14*2.5*2.5+3.14*5*60)/2=0.5  (A/cm2) 4.3电极插入方式选择 电极插入深度与电极性质、数量、电流密度、电熔窑结构等因素有关。如圆柱形氧化锡电极采取垂直安装方式，插入深度约为250mm，在电熔窑运行期间电极不能推进。如棒状钼电极水平安装，插入深度为300～600mm。随着钼电极逐渐消耗，电极间玻璃电阻不断增加，变压器电压不断升高（使电流 10 保持恒定）。当变压器电压调到极限，应推进钼电极，电流、功率诸参数才能恢复正常。 水平棒状电极是最普遍的布置方式之一。电极或电极对相对布置，电流密度呈层状分布。电极间的距离必须大一些，可避免电流前驱电流密度过大。电极 端部之间的自由距离应大于电极插入部分长度的两倍。电极长度与其直径之比应小于20.电极于池深1/3~1/2侧墙处插入窑内50~90cm。 采用两层四对电极供应，第一层电极与第二层电极的负荷分配之比为60:40。 4.4电极连接方式 当采用单相电源，电流从窑炉的一侧墙流向另一侧墙。不论采用板状或棒状电极，电流从池壁的一侧流向另一侧，都能达到均匀分布的温度场。单相系统多用于正方形或长方形、低容量的电熔窑上，即日产量不超过30T，功率可达1500Kw，一般不会出现相负荷的平衡问题，即使出现也可以使用相平衡设备。板状或棒状电极间的距离，可根据需要来调节，以达到均匀且较小的电流密度。为整个窑池内创造均匀熔化和澄清的良好条件。    11 五、耐火材料选择与计算 5.1耐火材料的选择 合理选用全电熔窑各部位耐火材料，以满足熔制工艺上的要求，直接关系到电熔窑的产量、玻璃的质量、电熔窑的寿命、投资的成本。因此必须充分重视。 全电熔窑对耐火材料的要求：（1）对玻璃无污染或污染程度很小，（2）在 正常使用温度下，必须具有很高的化学稳定性，能抗配合料和玻璃液的侵蚀，相邻耐火材料之间无接触反应。（3）必须具有很高的高温机械强度。（4）必须具有很高的耐火度。（5）必须具有很高的抗热冲击性能。（6）在正常使用温度下，体积的固定性要好，重烧收缩率和膨胀率应尽可能小。（7）在正常使用温度下，必须具有很高的电阻率。（8）尺寸要准确。 此外，选择耐火材料时要全盘考虑，不要由于局部薄弱环节而对整座电熔窑的寿命造成不良影响。 根据玻璃液熔化温度，以及各个区域对耐火材料的不同要求，选择耐火材料如下表所示： 12 区域 种类 耐火度 规格(长*宽*高) 窑墙内侧 硅砖 1670~1750℃ 500*150*100 窑墙中间层 粘土砖 >1580℃ 600*113*300 窑墙外侧 普通砖   240*120*50 窑底内侧 电熔AZS砖 >1730℃ 600*113*300 窑底中间层 粘土砖 >1580℃ 600*113*300 窑底外侧 普通砖   240*120*50 窑顶内侧 电熔AZS-33砖 >1730℃ 230*114*32 窑顶中间层 粘土砖 >1580℃ 230*113*30 窑顶外侧 普通砖   240*120*50         5.2耐火材料的计算 （1）窑底内侧 电熔AZS砖块数=（2.58*2.58*1000000）/(600*113)=99 ( 2 ) 窑顶内侧 电熔AZS-33砖块数=（2.58*2.58*1000000）/(230*114)=254 （3）窑墙内侧 硅砖块数=4*（2.58*2.432*1000000）/(500*100)=4*125=500 （4）窑底中间层 粘土砖块数=（2.88*2.88*1000000）/(600*113)=123 13 （5）窑顶中间层 粘土砖块数=（2.88*2.88*1000000）/(230*113)=320 （6）窑墙中间层 粘土砖块数=4*（2.762*2.88*1000000）/（600*113）=4*120=480 （7）窑底外侧 普通砖块数=（3.18*3.18*1000000）/（240*120）=351 （8）窑顶外侧 普通砖块数=（3.18*3.18*1000000）/（240*120）=351 （9）窑墙外侧 普通砖块数=4*（3.092*3.106*1000000）/（240*50）=4*801=3204 总计：硅砖 510块；电熔AZS砖 102块；电熔AZS-33砖 260块；普通砖 3920块；粘土砖（230*113*30）325块；粘土砖（600*113*300） 610块。 六、窑炉电工和热工计算 6.1玻璃熔化热计算 玻璃熔化热计算： Qg =q*G q=404.4 kcal/kg, G=10*1000/24=416.7 kg/h; 14 则： Qg  =404.4*416.7=168500 kcal/h; 6.2玻璃耗电量计算 耗电量计算：Q=F*G F=1.6kw/kg ; G=10*1000/24=416.7 kg/h; 则： Q=1.6*416.7=666.72  kw/h=574206 kcal/h; 6.3玻璃热效率计算 热效率：?=Qg/Q=168500/574206=0.29 15 七、小结 根据生产条件，本窑炉采用小型电窑。窑炉采用长方体结构，结构、工艺简答。供电系统采用单项系统，分上下两层供电，使玻璃液在熔融的基础上保持一段时间的高温。根据玻璃液的熔化温度和各个部位对耐火材料的不同需求，窑顶采用电熔AZS-33砖，窑底采用电熔AZS砖，窑侧面采用硅砖。同时，中间层采用粘土砖保温，最外层用普通砖加固，并根据窑炉尺寸计算出了各砖的具体用量。本窑炉的热效率为29%。 参考文献： 1.玻璃工业热工设备》，孙承绪，武汉工业大学出版社。 2.《玻璃窑炉热工计算与设计》，孙承绪，武汉工业大学出版社。 3.《硅酸盐工业热工基础》，孙晋涛，武汉工业大学出版社。 4.《玻璃工艺学》，西北轻工业学院，中国轻工业出版社。 16