Стекловаренные печи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Чрезвычайно различные требования к изделиям из стекла, с одной стороны, и разнообразные свойства его как материала, с другой, обусловили разработку многочисленных технологических процессов, способов и оборудования, позволяющих получить широкий ассортимент изделий ? от листового стекла, стеклянной тары, посуды, стеклоблоков до оптического и кварцевого стекла, и новых стеклокристаллических материалов.

Эти различные процессы и способы получения стеклоизделий потребовали разработки стекловаренных печей разного типа, отличающихся не только своей конструкцией, производительностью, но и режимами варки стекла.

Стекловаренная печь является основным тепловым агрегатом стекольного производства, в котором при определенных температурах осуществляется плавление стекольной шихты, получение качественной стекломассы и выработка изделий.

Ванные печи

Ванная стекловаренная печь представляет собой сложный теплотехнический агрегат, конструкция которого зависит от способа обогрева, направления движения газов, способа разделения бассейна и пламенного пространства. Она состоит из рабочей камеры, горелок, устройства для использования тепла отходящих газов (рекуператоров или регенераторов) , переводных клапанов, фундаментов, опор и каркаса.

Обычно различают верхнее и нижнее строение ванной печи. Верхнее строение состоит из рабочей камеры и горелок, а нижнее, соединенное каналами с верхним, включает теплоиспользующие устройства, каналы для отвода отходящих газов, фундамент и стены или колонны, поддерживающие верхнее строение.

Общие сведения. В стекольной промышленности наиболее распространены непрерывно действующие ванные печи. Их применяют для варки и выработки листового, сортового, бутылочного, тарного и другого массового промышленного стекла. Эти печи более экономичны, производительны и легко поддаются механизации и автоматизации.

Рис. 1. Ванные печи

а -- регенеративная печь с поперечным направлением пламени, б -- то же с подковообразным, в -- рекуперативная печь с продольным направлением пламени, г -- то же с комбинированным, д, е -- то же, с подковообразным.

В ванных печах (рис. 1, а--е) газы могут двигаться в поперечном, продольном, подковообразном и комбинированном направлениях по отношению к направлению движения стекломассы. Поперечное направление газов понимается как перпендикулярное потоку стекломассы, продольное -- как параллельно или совпадающее с ним. В регенеративных печах применяют поперечное и подковообразное направление газов, в рекуперативных, кроме того, продольное и комбинированное.

В средних и крупных ванных печах обычно применяют поперечное направление газов, и горелки располагают на продольных сторонах печи. Такое расположение горелок позволяет регулировать распределение температур, давлений и состава газовой среды по длине печи.

В ванных печах непрерывного действия все стадии процесса варки протекают в определенной последовательности непрерывно и одновременно в различных частях бассейна печи. Зоны варки 1 (рис. 2), осветления 2, студки 3 и выработки 4 располагаются одна за другой на различных участках по длине бассейна печи. Так как обычно зоны варки, осветления и гомогенизации конструктивно не разделяются, то та часть печи, где протекают эти процессы, называется варочным бассейном. Это отапливаемая часть печи. Студочная часть печи либо не отапливается, либо имеет самостоятельную систему отопления. Зона выработки отделяется от остальной части бассейна глухой стеной с протоком или подвесным мостом, заглубленным и стекломассу.



Рис. 2. Расположение зон в ванной печи

1-- варки, 2 -- осветления, 3 -- студки, 4 -- выработки

Смесь шихты и боя, непрерывно загружаемая в одном конце печи, постепенно проходит к другому концу печи через зоны бассейна с различными температурными условиями и превращается в однородную стекломассу. В каждой зоне поддерживают определенный температурный режим.

Рис. 3 (справа)

Бассейны ванных печей: а -- регенеративной печи с лодками (или охлаждаемыми водой трубами), газовым пространством, разделенным сплошным экраном, и с поперечным направлением пламени, б -- регенеративной печи с полностью разделенным газовым пространством и поперечным направлением пламени, в -- регенеративной печи с газовым пространством, разделенным решетчатым экраном, и с поперечным направлением пламени, г -- регенеративной печи с решетчатым экраном и подковообразным направлением пламени, д, е--рекуперативной печи с продольным направлением пламени, ж -- рекуперативной печи с продольным направлением пламени и двойным сводом, з -- рекуперативной печи с противоточным движением газов, и -- трехзонной печи с поперечным направлением пламени, к -- печи с выделенной варочной зоной (дуплекс -- печь) и поперечным направлением пламени; 1 -- загрузочный карман, 2-- горелки, 3 -- проток, 4 -- лодка, 5 -- зона осветления, 6 -- варочная часть, 7 -- решетчатый экран, 8 -- рекуператор.

Для выделения отдельных зон с различными температурными режимами газовое пространство рабочей камеры (рис. 3, а -- к) разделяют перегородками различной конструкции из огнеупорных материалов. Лучше всего режим варки регулируется при разделении газового пространства рабочей камеры сплошными или решетчатыми экранами 7, шиберами или сниженными арками. Поддержанию температурного режима по длине бассейна способствуют и устанавливаемые в стекломассе разделительные приспособления -- заградительные мосты, пороги, протоки 3. Устройство протоков и других разделительных приспособлений позволяет изменить характер движения потоков стекломассы и отбирать для выработки более охлажденную и проваренную стекломассу. Отбор стекломассы из варочной части печи через проток обеспечивает поступление на выработку хорошей по качеству стекломассы. Чем полнее варочная часть печи отделена от студочной, тем интенсивнее охлаждается стекломасса и тем меньшей может быть площадь зоны студки. Это уменьшает бесполезный расход тепла и позволяет увеличить производительность печей. Проточные ванные печи для производства штучных изделий характеризуются высоким удельным съемом стекломассы с 1 м2 площади варочного бассейна (превышает 2700 кг/сут).

В зависимости от размеров ванны печи бывают малые, средние и крупные.

стекловаренный печь огнеупор топливо

Малые ванные печи непрерывного действия

Малые ванные печи используют при выработке штучного стекла -- тарного, сортового, парфюмерного и аптекарской посуды -- механизированным или ручным способом. В этих печах применяют преимущественно подковообразное направление газов.

Ширина бассейна печи с подковообразным направлением пламени 3--4 м, длина до 15 м. Площадь варочной части малых печей колеблется в пределах 10--50 м2. В малых печах без протока для выработки бутылочного и сортового стекла площадь зеркала студочной и выработочной частей составляет 40--50% площади зеркала варочного бассейна. При отоплении таких печей высококалорийным топливом воздух подогревают в рекуператорах.

На рис. 4 показана рекуперативная проточная ванная печь с подковообразным направлением пламени. В боковых стенах 8 печи сделаны два загрузочных кармана 9, через которые в печь подается шихта и бой. Бассейн печи разделен протоком 5 на варочную 4 и выработочную 7 части. В пламенном пространстве печи установлен решетчатый экран 6, уложенный поверх проточной стены.

В малых регенеративных или рекуперативных ванных печах горелки чаще всего располагают с торца, а газы движутся подковообразно. При этом удлиняется путь газов, что способствует более полному горению и использованию тепла отходящих газов.

Подковообразное направление газов позволяет получать достаточную длину факела пламени даже при небольших размерах варочной части и при малом расстоянии между горелками.

В печах с подковообразным пламенем длина факела примерно равна удвоенной длине печи, считая до ограждения (экрана). Форма и длина факела пламени зависят от скорости газов во влете горелки. При слишком большой скорости газов во влете горелки получается длинный факел, приводящий к быстрому разрушению экрана, отделяющего выработочную часть от варочной. Небольшие скорости во влете могут привести к «замыканию» факела, т. е. пламя, выходя из одной горелки, сразу может попасть в другую горелку, приводя к преждевременному износу стенки горелки и насадки регенератора. Нормальная скорость газов во влете горелки должна быть 10--14 м/с.

Выработочная часть печи не имеет самостоятельного отопления. Тепло, необходимое для ее обогрева, передается из варочной части излучением и потоками стекла. Огнеупоры искусственно охлаждают воздушным обдуванием или при помощи водяных ватержакетов.

В производстве тарного и сортового стекла все большее распространение получают дешевые и простые стекловаренные печи прямого нагрева (рис. 5). По сравнению с обычными регенеративными эти печи имеют следующие преимущества. В этих печах не нужно изменять направление пламени и поэтому обеспечивается возможность поддержания в них стабильной температуры по длине бассейна при постоянном составе газов над стекломассой. Постоянство теплового и Газового режимов обеспечивается за счет того, что обогревающие газы в печах прямого нагрева движутся в одну и ту же сторону без перерывов в подаче газа и без изменения направления теплового потока. В ванных печах прямого нагрева получают стекло высокого качества. В них можно сжигать топливо с минимальным коэффициентом избытка воздуха; тепло отходящих из печи газов, имеющих температуру 1100--1300° С; может быть использовано для получения пара в котлах-утилизаторах. Размеры этих печей позволяют строить здание цеха меньшей высоты.

Бассейн печей прямого нагрева имеет форму вытянутого прямоугольника длиной 6--14 м, шириной 1,5--3 м и глубиной 0,6--0,9 м. Эти печи отапливают высококалорийным природным газом и иногда жидким топливом, а для подогрева воздуха используют металлические рекуператоры. Для обогрева печей прямого нагрева применяют газовые металлические горелки инжекционного типа с полным предварительным смешением топлива и воздуха.

Теплоотдача от факела таких горелок по мере удаления от устья горелки резко снижается, вследствие чего при подводе газа с обеих сторон печи одновременно процесс варки стекла протекает нормально лишь при ширине печи до 3 м. При большей ширине бассейна печи теплоотдача по центру не обеспечивает требуемого провара шихты. При таком способе сжигания природного газа максимальная производительность печей прямого нагрева составляет 40 т/сут.

На ванных печах прямого нагрева наибольший удельный съем стекломассы 1200--1500 кг/м2/сут, удельный расход тепла на 1 кг сваренной стекломассы 3080--4250 кал. При установке за печами котлов-утилизаторов удельный расход тепла может быть снижен до 1320 кал, чего нельзя достигнуть в ванных печах обычных конструкций.

В печах прямого нагрева отходящие газы и поверхностный слой стекломассы движутся в противотоке. Движение отходящих газов навстречу загружаемой шихте и удаление их непосредственно у загрузочной стенки печи позволяют максимально использовать тепло отходящих газов. Между варочной и осветлительной частями в этих печах часто устраивают порог.

Осветлительная часть отделяется от выработочной экраном и протоком. Иногда в печах прямого нагрева в осветлительной части устанавливают электроды. Дополнительный электроподогрев компенсирует потери тепла в окружающую среду осветлительной частью бассейна, а также интенсифицирует процесс осветления стекломассы.

Средние ванные печи непрерывного действия

Средние ванные печи применяют для механизированного производства консервной тары и бутылок. В этих печах используют пламенный, электрический и газоэлектрический обогрев. Наиболее распространенный тип средних ванных печей -- регенеративная проточная печь с поперечным направлением пламени (рис. 6).

Бассейн печи разделен на варочную 1 и выработочную 6 части. Тепло, необходимое для обогрева выработочной части, передается из варочной части излучением и газовыми потоками. Протоки 7 обычно располагают на уровне дна варочной части бассейна. В зависимости от глубины варочной и выработочной частей бассейна протоки могут быть заглубленные и незаглубленные. Заглубленные протоки применяют в печах для варки полубелого сортового стекла, незаглубленные -- в печах для варки цветного стекла. Глубина варочной части бассейна для бесцветного стекла 0,7--1,2 м. С понижением прозрачности и увеличением вязкости стекломассы глубину бассейна уменьшают до 0,5--0,6 м. Глубина выработочной части бассейна на 300 мм меньше, чем варочной.

Для получения термически однородной стекломассы в печах для варки тарного стекла поддерживают постоянный температурный режим в обеих частях бассейна. Поперечное направление пламени позволяет выдерживать заданный температурный режим вдоль печи. Температура по длине печи постепенно возрастает от загрузочного кармана до зоны осветления, а затем снижается к выработочной части печи.



Рис6. Регенеративная ванная печь с протоком

а -- продольный разрез, б -- план; 1 -- варочная часть, 2 -- колонна обвязки, 3 -- свод, 4 -- экран, 5 -- связи над сводом, 6 -- выработочная часть, 7 -- проток, 8 -- опорная колонна, 9 -- балка, 10 -- загрузочный карман, 11 -- регенератор, 12 -- горелка.

Крупные ванные печи непрерывного действия

Крупные ванные печи применяют при варке и механизированной выработке листового, сортового и тарного стекла. Производительность ванных печей, предназначенных для выработки сортовой посуды и стеклотары 60--120 т/сут; печей для производства листового стекла 150--450 т/сут. Для всех способов выработки используют ванные печи больших размеров с общим бассейном или с разделительными устройствами в виде преград из электроплавленного огнеупора, устанавливаемых в слое стекломассы. Обычно это регенеративные ванные печи с поперечным направлением пламени с большой студочной частью. В крупных ванных печах без заградительных устройств по стекломассе площадь варочной части бассейна 120--300 м2. Площадь зеркала студочной части печи колеблется в пределах 60--150% от площади зеркала варочной части. Такая площадь нужна для снижения температуры стекломассы, поступающей на выработку.

Ванные печи для производства листового стекла способом вертикального вытягивания имеют ширину бассейна до 10 м, длину до 50 м и глубину бассейна в варочной части 1,5 м. Бассейны таких печей вмещают свыше 2000 т стекломассы. На рис. 7 показана регенеративная ванная печь с неразделенным бассейном и выработочным каналом, представляющая собой наиболее распространенный тип крупных печей для производства листового стекла.

Ванная печь представляет собой непрерывно действующий тепловой агрегат, состоящий из бассейна, наполненного стекломассой, и пламенного пространства 7 над ним, где за счет сгорания топлива происходит выделение тепла, необходимого для процесса стекловарения. Бассейн печи имеет прямоугольную форму с сужением-пережимом между зоной осветления и студочной частью. Высота сниженного экрана между зоной осветления и студочной частью над зеркалом стекла 50--100 мм. Пережим и сниженный экран позволяют поддерживать заданный температурный режим по длине печи и интенсифицировать процесс варки.

Шихта загружается в печь через загрузочный карман 1, расположенный в торце варочной части 2 бассейна. На одном конце ванны происходит непрерывная загрузка шихты и боя, а на другом -- выработка изделий. К ванной печи примыкает выработочный канал 4 с машинами для вертикального вытягивания лент стекла. Под воздействием высоких температур шихта превращается в расплавленную стекломассу, которая непрерывно движется из варочной части бассейна в студочную, откуда распределяется по выработочным каналам и с помощью машин ВВС в виде непрерывной ленты вытягивается вверх, где раскраивается на листы заданных размеров.

В зависимости от способа обогрева и методов перемешивания стекломассы печи могут быть с электрообогревом и с установками для перемешивания.

Рис. 7. Регенеративная ванная печь с неразделенным бассейном для выработки листового стекла

а -- план, б -- продольный разрез, в -- поперечный разрез; 1-- загрузочный карман. 2 -- варочная часть, 3 -- студочная часть. 4 -- выработочные каналы, 5 -- горелки, 6 -- регенератор, 7 -- пламенное пространство, 8 -- свод, 9 -- подвесные стены, 10 -- дно бассейна, 11 -- стены бассейна.

Конструктивные элементы ванных печей

Рабочая камера. Рабочая камера ванной печи состоит из бассейна, пламенного пространства и свода.

Бассейн ванной печи представляет собой ванну, состоящую из стен и дна, наполненную расплавленной стекломассой, с ссылочным карманом в торце и примыкающим к нему выработочным каналом. В бассейне ванной печи непрерывного действия различают технологические зоны варки, осветления, студки и выработки, которые располагаются одна за другой на различных участках по длине бассейна. Выделяют печи с общим бассейном, в котором зоны, соответствующие отдельным стадиям варки, не отделены друг от друга, и печи с резко разделенными зонами. Часть бассейна, в которой расположены зоны варки и осветления, называют варочной или отапливаемой, а часть, где находятся зоны студки и выработки, -- выработочной.

Бассейн, конструктивно не разделенный на зоны, имеет прямоугольную форму. При переходе от варочной части печи к выработочной бассейн постепенно сужается. Площадь бассейна определяет производительность печи.

Бассейн печи располагается на самостоятельном фундаменте. Для загрузки шихты в торце бассейна сооружают широкие выступающие карманы.

Дно бассейна печи в варочной и в выработочной частях выкладывают из многошамотных брусьев размером 300Х400Х1000 мм. Длинная сторона брусьев должна быть параллельна продольной оси бассейна. Толщина дна 300 мм. Для продления срока службы дна бассейна его покрывают плитками из литого огнеупорного материала толщиной 100 мм и размером в плане 500X400 мм. При кладке плиток предусматривают температурные швы. Стены бассейна выкладывают из огнеупорных брусьев, например высокоглиноземистых, каолиновых и электроплавленных, которые обычно имеют размеры (250--300) X400X600 мм. Размер стенового бруса 250-- 300 мм соответствует толщине, а 600 мм -- высоте стен. Увеличение высоты стеновых брусьев уменьшает длину горизонтальных швов, которые интенсивно разрушаются стекломассой.

Кладка стен бассейна ванной печи ведется насухо. Верхние ряды стен варочного бассейна в зоне максимальных температур, а иногда и всю стену выкладывают из особо огнеупорных высококачественных материалов -- электроплавленых огнеупоров. При кладке стен бассейна в студочной и выработочной частях также широко применяют электроплавленые огнеупоры. Электроплавленые огнеупоры все чаще используют для кладки и других элементов ванной печи, таких, как влеты горелок, стены пламенного пространства, выстилка дна бассейна и др.

Чтобы уменьшить разъедание огнеупора стекломассой в швах, стеновые брусья укладывают вперевязку и искусственно охлаждают с наружной стороны. Для кладки стен и дна бассейна в местах изменения его конфигурации применяют фасонные брусья.



Рис. 8. Ванная стекловаренная печь

1 -- бассейн, 2-- загрузочный карман, 3 -- здание цеха, 4 -- главный свод, 5 -- колонны обвязки печи, 6--машина вертикального вытягивания, 7 -- отломщик рамного типа, 8 -- роликовый конвейер, 9 -- горелки, 10-- регенераторы, 11 --воздушный шибер, 12 -- боров для отвода отходящих газов, 13 -- котел-утилизатор, 14 -- дымовая труба

Пламенное пространство печи, расположенное над бассейном, ограничивается подвесными стенами и сводом. Стены и свод пламенного пространства имеют самостоятельные металлические опоры. Подвесная конструкция свода и стен пламенного пространства печи позволяет ремонтировать их независимо друг от друга и в различное время. Между подвесными стенами и бассейном обычно оставляют щель шириной 80-- 120 мм для наблюдения за печью и ее обслуживания. Во время эксплуатации печи для уменьшения теплопотерь эту щель закладывают высокоглиноземистым или динасовым кирпичом, уложенным на ребро или плашмя (заклинок).

В подвесных стенах пламенного пространства предусматривают отверстия для подачи топлива и воздуха и отвода газов (влеты горелок), окна для установки приборов контроля.

В выработочной части печи стены газового пространства не подвешивают, так как материал стен разъедается незначительно. Подвесные стены обычно выполняют из крупного динасового кирпича толщиной 120 мм на жидком динасовом растворе. Размер швов при кладке делают не более 2 мм. Толщина стен от 500 до 600 мм. Главный свод ванной печи выкладывают из ровного и клинового динасового кирпича. На крупных ванных печах свод выкладывают секциями по 3--6 м, отделенными друг от друга температурными швами шириной 50--70 мм, которые соединяются при нагревании динаса вследствие его расширения.

Толщина свода обогреваемой части печи при длине пролета до 6 м составляет 300 мм, при ширине бассейна от 6 до 10 м -- 360-- 460 мм. Свод студочной и выработочной части печи выполняют толщиной 300 мм. Устойчивость свода зависит от величины его стрелы подъема. В ванных печах с поперечным направлением пламени стрела подъема свода составляет 1/8--1/9, в печах с подковообразным направлением пламени -- 1/7--1/8 длины пролета.

Рис. 9. Узел подвески свода и стен пламенного пространства

1 -- связь, 2 -- пята свода и защита пят, 3 -- колонна (двутавровые балки), 4 -- опора под пяту, 5 -- кронштейны, 6 -- опорная плита (лафет), 7 -- уголки, 8 -- болты, 9 -- жесткое крепление стоек, 10 -- донные брусья, 11 -- полосы под дном бассейна, 12 -- поддонные балки, 13 -- стеновые брусья, 14 -- зуб, 15 -- стена пламенного пространства, 16 -- свод печи.

Разделительные приспособления печи по стекломассе и пламенному пространству

Для выделения в ванных печах зон с заданными технологическими режимами используют заградительные лодки, пороги, протоки, экраны. Листовое стекло варят в печах как с узкими перешейками, так и с заградительными устройствами по стекломассе. На непрерывно действующих печах устанавливают стеклоустойчивые преграды из электроплавленого огнеупора.

Различают два типа преград: подвесные -- плавающие экраны и неподвесные -- плоские мосты. Если ширина студочной части в районе установки преграды более 4 м, сборный мост имеет поддерживающую бакоровую опору посередине пролета преграды. В этом случае мост с опорой разделяет студочную часть на два больших протока.

По условиям эксплуатации преграды разделяются на неохлаждаемые и охлаждаемые. Охлаждаются преграды принудительной подачей воздуха в полость преграды или при помощи трубчатых водяных холодильников.

В перешейке глубиной 0,9 м оптимальное заглубление экрана в стекломассу -- 300--350 мм, в перешейке глубиной 1,2 м -- 400-- 420 мм. Разделение по газовой среде экранным узлом требует тщательной герметизации перешейка и машинного канала.

Целесообразно подавать воздух в студочную часть, что позволяет избавиться от попадания в выработочный канал паров сульфата и силикатов с дымовыми газами из варочного бассейна. Заградительные экраны ослабляют влияние кратковременных колебаний температурного режима в варочной части печи на температурный режим в зоне студки. Студочные части печей, работающих с экраном, обладают меньшей тепловой инерцией по сравнению с печами без экранов.

В процессе эксплуатации все типы заградительных устройств в той или иной степени разрушаются потоками стекломассы, поэтому большое значение имеет способ их охлаждения. Иногда в качестве разделительных приспособлений применяют трубчатые холодильники (диаметром 2--3") с проточной водой, наполовину погруженные в стекломассу. Трубчатые холодильники понижают температуру стекломассы незначительно -- на 15--20° С.

В некоторых случаях по пламенному пространству варочная часть отделяется от выработочной экраном, выложенным в виде сниженной арки или сниженного свода. Экран располагают на высоте 30--80 мм над поверхностью стекломассы. Такое разделение пламенного пространства обеспечивает создание различных режимов температуры и давления газовой среды в каждой зоне ванной печи.

Обвязка печи

Обвязывающий стальной каркас печи 5 (см. рис. 10) воспринимает усилия от распора сводов и давления стекломассы. На нем также подвешивают свод и стены пламенного пространства. Обвязка печи, кроме того; регулирует напряжения, возникающие при тепловом расширении огнеупорной кладки. Обвязывающий каркас состоит из вертикальных стальных колонн 3 (см. рис. 9), стянутых связями 1 вверху и внизу. Часто колонны в нижней части закрепляют наглухо, а вверху имеется крепление, регулируемое с помощью связей из круглой стали.

Различают нижнюю и верхнюю обвязку рабочей камеры печи. Нижняя обвязка крепит колонны у дна, а верхняя -- колонны у свода и воспринимает распор овода. Вертикальные колонны укрепляют на швеллерной балке, наглухо соединенной с поперечными поддонными балками 12. Давление стекломассы на донные брусья 10 и стеновые воспринимается болтами 8. Колонны несут на себе два ряда кронштейнов 5. Нижние кронштейны воспринимают нагрузку стен 15 пламенного пространства печи, а верхние -- распор главного свода 2. На кронштейнах устанавливаются чугунные полки (лафеты) 6, несущие на себе опорные брусья свода или стены.

Дно ванной печи лежит на поперечных двутавровых балках 12, которые покоятся на нескольких продольных балках. Продольные балки, укладывают на кирпичные колонны (столбы). Обвязка стен и свода печи состоит из швеллерных или двутавровых балок. Обвязка бассейна должна легко и быстро сниматься по мере необходимости.

При разогреве печи динасовые своды и стены расширяются и происходит усадка кладки бассейна, поэтому предусматривают возможность гибкой регулировки обвязки печи. Дно бассейна обвязывают таким образом, чтобы его затяжку можно было регулировать, не изменяя положения колонн. Горелки ванных печей обвязывают уголками или балками, установленными вертикально.

Горловина горелки подвешивается на конструкции, имеющей опоры на стойках горелки и колоннах рабочей камеры печи. Схема обвязки горелки показана на рис. 33.

Обвязка выработочной части печи подобна обвязке самой печи. Кладка стекловаренных печей опирается на фундамент непосредственно или через промежуточные опоры. Фундаменты выполняют из бетона, железобетона или бутового камня. Наиболее распространены бетонные фундаменты. Толщина фундамента обычно составляет для оснований под стены регенераторов не менее 0,4 м, а для колонн под ванными печами -- 0,6 м. Допустимая температура прогрева фундамента не выше 300° С.

Масса кладки каналов и регенераторов непосредственно воспринимается фундаментами, масса самой печи передается на фундамент через промежуточные опоры. Опорные столбы для дна бассейна ванных печей выполняют из глиняного кирпича на цементном растворе.

Для придания жесткости конструкции между опорными столбами в них закладывают в продольном и поперечном направлениях стальные двутавровые балки.

Рис. 10. Обвязка шахтной горелки

1 -- уголок, 2 -- связь, 3 -- колонна из двутавровой балки, 4 -- швеллер, 5 -- болты.

Огнеупоры

Огнеупоры -- материалы и изделия, изготовляемые главным образом на основе минерального сырья, обладающие огнеупорностью -- способностью противостоять, не расплавляясь, действию высокой температуры (не ниже 1580°С, по стандартам ряда стран - не ниже 1500°С). Огнеупоры выпускают в виде штучных изделий (фасонные и нормальные кирпичи), порошков, обмазок. В зависимости от технологии изготовления огнеупоры подразделяются на керамические (получаемые путем спекания) и плавленые (формуемые из расплава), от основного состава -- на шамотные, динасовые, магнезиальные. По химической природе различают кислые, основные, нейтральные огнеупоры.

При эксплуатации в стекловаренных печах огнеупоры испытывают различные нагрузки. В стенах и сводах печей -- сжатие, в стенах стекловаренных горшков -- растяжение, в зубьях ванной печи -- поперечный изгиб, в стенах ванной печи (при большой высоте кладки) и сводах -- продольный изгиб, во вращающихся деталях питателей -- кручение. Однако больше всего огнеупоры изнашиваются в бассейне печи от действия стекольной массы, в пламенном пространстве и регенераторах от конденсатов шихтной пыли и веществ, испаряющихся из шихты и с поверхности стекломассы. Наиболее агрессивное действие на огнеупоры оказывают шихта, и стекломасса с повышенным содержанием щелочей, а также содержащие фтористые, свинцовые и бариевые соединения.

Все огнеупорные материалы имеют некоторую критическую температуру, ниже которой их коррозионная стойкость довольно высока. С повышением температуры выше критической они начинают разрушаться с возрастающей скоростью. Так, в интервале 1450 ... 1550°С повышение температуры варки стекла на каждые 50°С снижает срок службы огнеупоров примерно в два раза, а на 75°С - в три раза. Охлаждение кладки считается одним из главных факторов, позволяющих продлить кампанию стекловаренной печи.

Брусья бассейна стекловаренной печи подвержены наибольшему разрушению вблизи поверхности стекломассы. При этом существенное влияние на более интенсивное разъедание брусьев оказывает колебание уровня, вызывающее расширение участка с максимальной величиной разъедания, а также применение сульфата натрия в качестве осветлителя стекломассы или для введения в стекло оксида натрия. Благодаря низкому поверхностному натяжению сульфат хорошо смачивает огнеупорный материал, легко проникает в его поры и активно диффундирует внутрь с разложением многих химических соединений. Структурные и текстурные особенности брусьев зачастую оказывают на их стойкость при эксплуатации большее влияние, чем химический состав.

Значительная коррозия огнеупоров наблюдается в горизонтальных швах. Нем тоньше швы, тем меньше разрушение брусьев. Уменьшения толщины швов достигают за счет правильной геометрической формы брусьев, их тщательной обработки и подгонки. Предельная толщина горизонтального шва составляет 2 мм. На некоторых ответственных участках бассейна печи брусья кладут насухо, «впритир».

В пламенном пространстве печи в большей степени разрушаются влеты горелок.

Огнеупоры, работающие в таких условиях, должны прежде всего обладать высокой стеклоустойчивостью, достаточной термостойкостью, выдерживать механические нагрузки при высоких температурах, а также резкие колебания температуры, сохранять постоянство объема, правильность формы и точность размеров. Высококачественные огнеупоры позволяют резко сократить брак стекломассы и вести варку стекла при температуре 1550°С и выше.

Стеклоустойчивость или стойкость огнеупоров к коррозии -- важнейшее свойство огнеупоров. Процесс коррозии огнеупорных материалов -- сложное явление. Он состоит в том, что, во-первых, составляющие компоненты расплава стекла химически реагируют с материалом/огнеупора, во-вторых, компоненты огнеупора физически растворяются в расплаве, сначала межзерновое вещество, что вызывает образование «свили» в стекломассе, а затем - зерна, которые образуют в стекломассе такой порок, как «камень».

Особенно высокой стеклоустойчивостью и термической стойкостью должны обладать огнеупорные детали питателя (чаша, секция лотка, цилиндр, плунжер, очко), так как загрязнение стекломассы на заключительной стадии технологического процесса устранить в дальнейшем практически невозможно.

Керамические огнеупоры

Керамические огнеупоры формуют способами пластического формования, прессования, трамбования или шликерного литья. Сформованный сырец сушат и обжигают. Рассмотрим основные виды керамических огнеупоров (приложение 6).

Шамотные огнеупоры изготовляют из размолотого шамота (обожженной до спекания огнеупорной глины). Их используют для кладки бассейнов ванных печей, элементов горшковых печей, питателей, регенераторов, а также для изготовления стекловаренных горшков, лодочек, фасонных деталей.

Для производства шамотных изделий способом прессования и трамбования шихту составляют из 80 ... 85 % по массе шамотного порошка, 15 ... 20 связующей огнеупорной глины и 5 ... 9 воды. Зерновой состав (мм) порошка выбирают в зависимости от вида изделия, для стенового бруса (300 X 400 X 500 мм) - 1, донного бруса (300 X 400 X 1000 мм) - 2, стеклоформующей лодочки -- 0,6. Формовочную массу приготовляют на бегунах и формуют изделия в разборных формах. После сушки (остаточное содержание влаги не более 3 %) полуфабрикат обжигают при температуре 1400°С в течение 24 ч и охлаждают со скоростью 10 ... 20 С/ч. При этом происходит усадка изделий на 1 ... 2 %.

При формовании изделий методом шликерного литья в гипсовые формы шихта содержит до 20 % связующей глины и до 20 воды. Полуфабрикаты обжигают дольше, чем при прессовании и трамбовании. Усадка изделий составляет 3 ... 5 %.

Стеклоформующие лодочки изготовляют из высококачественной мелкозернистой шамотной массы способом сухого трамбования. Шихта состоит (по массе) из 75 % шамота и 25 % глины. В шамоте содержится (по массе) 53 % зерен размером 0,6 ... 0,4 мм и 47 % зерен меньше 0,4 мм. Сухую глину перед смешиванием просеивают через сито № 09, а шамот пропускают через магнитный сепаратор. Влажность массы для трамбования составляет 7 ... 8 %. Полуфабрикат сушат 20 ... 30 дней, а затем обжигают в окислительной среде при температуре 1200 ... 1250 єС в течение 8 суток.

Каолиновые огнеупоры по сравнению с шамотными содержат несколько больше глинозема и обладают повышенной устойчивостью против разъедания. Их применяют для кладки стен варочной части печи и верхних рядов насадки регенераторов.

Полукислые огнеупоры - синтетические огнеупоры типа шамотных (из глин и каолинов с добавками кремнеземных материалов на основе пирофиллита) и циркониевые. Из полукислых масс изготовляют брусья бассейна, лодочки и стекловаренные горшки.

Силлиманитовые огнеупоры (основой огнеупоров является обожженный природный силлиманит, связующее - огнеупорная глина) чаще всего используют для зоны питателя, кладки верхних рядов насадок регенераторов, а также участков кладки печей.

Муллитовые огнеупоры изготовляют из смеси технического глинозема с огнеупорной глиной. Наряду с высокой стеклоустойчивостью они обладают более высокой термической стойкостью по сравнению с силлиманитовыми огнеупорами, в связи с чем их применяют для изготовления сменных деталей питателя (цилиндры, плунжеры, мешалки). Наряду с этим муллитовые огнеупоры используют также для кладки стекловаренных печей и регенераторов.

Корундовые огнеупоры содержат свыше 75 % Al2O3 (содержание Al2O3 в алюмосиликатных огнеупорах повышает их стеклоустойчивость). Корундовые брусья обжигают при температурах свыше 1700°С.

Циркониевые огнеупоры изготовляют из природного обогащенного циркона ZrSi04 на связке из смеси огнеупорной глины с каолином. Применение циркониевых огнеупоров в производстве стекла расширяется. В некоторых случаях циркониевые огнеупоры используют вместо динаса, а также в качестве промежуточного нейтрального слоя между бадделеитокорундовыми и динасовыми.

Динас, сырьем для производства которого служат природные кварциты, содержащие свыше 97 % SiO2, а в качестве связки небольшие добавки неорганических и органических веществ, применяют главным образом для стен пламенного пространства стекловаренной печи, свода, горелок, экранов. В отличие от шамотных огнеупоров размеры и пористость изделий из динаса в результате обжига увеличиваются. В связи с тем что динас содержит в большом количестве кристобалит и кварц, он менее стоек к расплаву стекла.

Магнезитовые и хромомагнезитовые огнеупоры обладают повышенной стойкостью в насадках регенераторов. Сырьем для их производства на специализированных заводах служат магнезит и хромовая руда. Магнезитовые изделия имеют температуру начала деформации под нагрузкой не менее 1500°С. Хромомагнезитовый кирпич, температура начала деформации которого под нагрузкой не менее 1450°С, можно применять для кладки регенераторов при производстве стеклотары из зеленого стекла.

Электроплавленые и другие огнеупоры

Электроплавлеными огнеупоры называют потому, что их изготовляют в электрических печах. Огнеупоры состоят в основном из трех оксидов: SiO2, Al2O3 и CrO2. Остальные оксиды присутствуют в виде примесей или добавок. Шихту приготовляют из естественного и искусственного сырья: минералов и химических соединений, содержащих главные оксиды, из которых в процессе плавления получают расплав заданного состава.

Технический глинозем, основную часть (98 ... 99 %) которого составляет оксид алюминия, является одним из главных компонентов шихты для получения муллитовых, бадделеитокорундовых и высокоглиноземистых огнеупорных материалов. Это мелкозернистый порошок белого цвета с температурой плавления 2050°С.

Циркон (минерал) представляет собой ортосиликат циркония CrSiO4, который содержит (по массе): 67,2 % CrO2 и 32,8 % SiO2. Циркон имеет различную окраску: от светло-желтой до коричневой; он хрупок и плавится при температуре 2000 С. Примеси оксидов железа и титана в цирконе делают его непригодным для производства высокоогнеупорных изделий, поэтому его подвергают химической обработке, в результате которой удаляются оксиды железа и другие примеси, а температура плавления и химическая устойчивость его повышается.

Диоксид циркония CrO2 - один из перспективных тугоплавких оксидных материалов. Температура плавления 3000°С, низкий коэффициент линейного термического расширения, высокая химическая устойчивость, в том числе против разрушающего действия расплава стекла, позволили широко использовать его в промышленности. Диоксид циркония представляет собой мелкокристаллическое вещество белого цвета, нерастворимое в воде, щелочах, соляной, азотной и разбавленной серной кислотах. Наиболее перспективным сырьем для производства бакоровых огнеупоров являются отечественные бадделеиты Ковдорского месторождения, которые содержат около 90 % диоксида циркония и незначительное количество примесей.

Легирующие добавки, вводимые в шихту, оказывают влияние на литейные свойства расплава, кристаллизационную способность и свойства огнеупора. В качестве добавок применяют оксиды натрия (сода), кальция (мел), бора.

Плавленые огнеупоры характеризуются высокой стойкостью к действию расплавов и механическим нагрузкам при высоких температурах, поэтому они применяются в наиболее ответственных частях кладки стекловаренных печей, влетов горелок, каналов питателей. Выпускают плавленые огнеупоры в виде стеновых брусьев размерами 250 X 400 X 600 мм, 300 X 400 X 600 мм и других изделий. Основной состав и свойства плавленых огнеупоров приведены в Муллитовые и циркономуллитовые огнеупоры изготовляют из шихты, которая состоит из технического глинозема и прокаленного каолина. Плавку осуществляют при температуре 2500°С в дуговых электрических печах с использованием графитовых электродов. Отливают огнеупорные изделия при температуре 1700 ... 1800°С в песчаные или графитовые формы. Для предотвращения образования трещин и опасных напряжений, вызывающих отслаивание (скалывание) частиц с поверхности, изделия должны медленно охлаждаться. С этой целью форму с изделием помещают в термоящик, где она присыпается пудрообразным диатомитом. В некоторых случаях для плавки применяют туннельные печи.

После охлаждения отливки подвергают механической обработке на станках с алмазным инструментом: обрезают и разрезают, шлифуют поверхности.

Муллитовые огнеупоры служат в кладке стекловаренных печей для листового стекла, стеклянной тары - при максимальной температуре варки стекла 1450 °С. Циркономуллитовые огнеупоры используют для кладки загрузочных карманов, влетов, горелок, экранов.

Бакор (бадделеитокорундовый огнеупор) получают из шихты, которая состоит из технического глинозема, циркониевого концентрата и CrO2. В обозначении плавленого огнеупора цифры указывают на количественное содержание (% по массе) в нем бадделеита CrO2, например бакор-33, бакор-45. Промышленность выпускает более 400 наименований изделий из бакора-33, в том числе брусьев для влетов горелок, протоков, заградительных устройств по стекломассе.

Корундовый (корвишит) огнеупор получают путем плавки технического глинозема при температуре 2500°С. Заполняют графитовые формы при температуре 2000°С. Корундовый огнеупор состоит главным образом из крупных кристаллов корунда.

Плавленый кварц получают из шихты, состоящей из высококачественного обогащенного кварцевого песка, путем плавки в стержневых электрических печах с графитовым электродом при температуре 1800°С. В этом случае вокруг электрода образуется заготовка в виде трубы из высоковязкого расплава. После удаления электрода заготовку сплющивают. Остывшую заготовку, состоящую из стеклообразного диоксида кремния, подвергают механической обработке. Из плавленого кварца изготовляют брусья размером 130 X 250 X 600 мм, которые используют для кладки бассейнов и протоков печей для варки бесщелочных или малощелочных стекол (например, при производстве стеклянного волокна).

Огнеупорный материал на основе диоксида олова SnO2 применяются для изготовления барботажных сопл, чехлов для термопар, фильер для вытягивания стеклянного волокна, электродов для электрической варки стекла и других изделий. Обожженные высокопористые природные трепельные (диатомовые) материалы, асбест и пеностекло, минеральную и стеклянную вату, а также шамотный и динасовый легковес и пенолегковес используют в качестве теплоизоляционных материалов с целью снижения потерь тепла в окружающую среду и расхода топлива, а также улучшения условий обслуживания стекловаренных печей, стальных газопроводов и других агрегатов.

Трепельный материал применяют при температурах, не превышающих 900°С, так как с повышением температуры структура его изменяется, что вызывает значительное ухудшение теплоизоляционных свойств.

В качестве тепловой изоляции стальных газопроводов применяют обмазку толщиной 75 ... 150 мм, состоящую из смеси волокон асбеста, огнеупорной глины и трепела.

Для кладки огнеупоров используют раствор из огнеупорной глины и отощающего порошка. Выбор раствора определяется типом огнеупора. Термические коэффициенты линейного расширения раствора и огнеупора должны быть близки. Поэтому чаще всего применяют отощающий порошок того же состава, что и огнеупор.

Искусственное охлаждение и изоляция огнеупоров

Охлаждение. В стекловаренных печах наиболее интенсивно изнашиваются и разрушаются такие элементы, как стены варочного бассейна, углы загрузочного кармана, проток, а также пламенное пространство (стык горелок и свода). Для того чтобы замедлить процесс разрушения, эти элементы подвергают искусственному охлаждению, которое способствует понижению температуры на поверхности огнеупора, соприкасающейся со стекломассой. При этом образуется пристенный слой более вязкой стекломассы, замедляющий дальнейшее разъедание огнеупора.

Для искусственного охлаждения огнеупоров применяют воздушное, водяное и комбинированное охлаждение.

Самым распространенным способом является обдувание холодным воздухом с использованием сопл со щелевидными отверстиями. Наиболее эффективным воздушное охлаждение является в том случае, когда толщина бруса на уровне стекломассы менее 100 мм.

Охлаждающий эффект водяного охлаждения более высокий, чем воздушного. Однако водяное охлаждение применяют редко или из-за значительного расхода воды, или из-за необходимости создания замкнутого цикла циркуляционных вод. Во избежание значительного выделения из воды солей температура ее не должна превышать 50°С.

Изоляция. Для того чтобы снизить потери тепла через стенки, свод, дно и другие части стекловаренной печи, их защищают теплоизоляционными материалами. Боковые стены нижнего и верхнего строения печи изолируют в два слоя.

Теплоизоляция подвесных стен и горелок из электроплавленых огнеупоров уменьшает конденсацию щелочей на внутренней поверхности огнеупоров, а также понижает температурный перепад в стенах и тем самым уменьшает растрескивание огнеупоров.

Устройства для подачи и сжигания топлива в печи

Применяют способ сжигания природного газа при помощи фурм с воздушным наддувом. Газовая фурма с воздушным наддувом (рис. 11) представляет собой трубу 2 диаметром 50 мм, на конце которой навинчивается сопло-наконечник 3. По оси фурмы проходит трубка 1 диаметром 8--10 мм, по которой подается сжатый воздух. При сжигании газа в фурме хорошо регулируется длина и настильность факела, а также обеспечивается более равномерное распределение теплоотдачи по ширине факела.

При использовании для обогрева ванных стекловаренных печей вместо природного газа жидкого топлива (мазута) его распыляют компрессорным воздухом или паром с помощью форсунки.

Рис. 11. Газовая фурма с воздушным наддувом

1 -- трубка, 2 -- труба, 3 -- сопло-наконечник.

Форсунки бывают высокого (воздушные и паровые) и низкого давления. Первые применяют для обогрева стекловаренных печей, вторые -- для обогрева машинных каналов. При подводе жидкого топлива под горелку (в месте заклиночных отверстий) получают длинный настильный факел. В регенеративных печах форсунки работают периодически. Форсунки выключаются с помощью шарнирных кранов, которые срабатывают при извлечении форсунок из отверстия горелки. Для защиты форсунок от излучения печи при их выключении предусматривают заслонки.

В печах прямого нагрева при отоплении их высококалорийным природным газом используют короткофакельные инжекционные горелки полного смешения (рис. 12), которые позволяют работать с минимальным коэффициентом избытка воздуха (а=1,02--1,1) и развивать достаточно высокие температуры. Для сжигания газа в этих горелках используют холодный или подогретый до 300--400° С воздух. Газ должен иметь высокое избыточное давление, чтобы подсосать необходимое для сжигания количество воздуха. Диаметр сопла этих горелок составляет 15--20 мм, и струя газа истекает из него со скоростью 200--300 м/с, что обеспечивает хорошее смешивание газа с воздухом.

Горелки стекловаренных печей служат аппаратами для приема и смешивания топлива и воздуха и подачи смеси в пламенное пространство, а также для организации факела и отвода дымовых газов. Для обеспечения необходимого распределения температуры ванная печь снабжается рядом последовательно расположенных горелок. В каждой зоне печи установлено не менее двух горелок, что позволяет изменять температуру и состав газовой среды по длине печи. От конструкции горелки зависит температура и степень сгорания топлива в рабочей камере печи. Для сжигания газообразного топлива в стекловаренных печах используют факельные горелки, в которых горючий газ и подогретый воздух смешиваются в процессе горения. Преимущества факельных горелок: возможность образования факела с необходимыми размерами и свойствами, широкие пределы регулирования. Горение происходит с коэффициентом избытка воздуха а =1,05--1,3.

В регенеративных ванных стекловаренных печах преимущественно используют кирпичные шахтные горелки, позволяющие обеспечить факел пламени заданных параметров. Свод горелки выполняется наклонным, чтобы направить факел на поверхность зеркала стекломассы под углом 20--30° для улучшения теплообмена.

В регенеративных ванных печах, отапливаемых высококалорийным газом, шахтные горелки имеют только воздушные вертикальные каналы, соединяющие горелку с регенераторами. Топливо подводится в камеру смешивания металлическими трубками, которые устанавливают вблизи влета горелки.

Применяется несколько способов подвода природного газа к камере смешения горелки: боковой двусторонний и односторонний. Ввод газа может быть снизу у основания горелки; сверху через свод; со стороны торцовой стенки горелки. Для ванных печей с поперечным направлением пламени обычно используют шахтные горелки с боковым двусторонним подводом топлива. Факел пламени, образующийся при такой подаче газа, имеет достаточную длину, что обеспечивает необходимую теплоотдачу зеркалу стекломассы. Для получения длинного светящегося факела в печах с поперечным направлением пламени топливо вводят снизу у выстилки горелки. Нижний подвод топлива способствует организации светящегося факела, стелющегося по поверхности зеркала стекломассы и имеющего равномерную температуру по длине.

При сжигании природного газа для хорошего смешивания его с воздухом и получения светящегося факела выходное сечение газового сопла составляет 30--70 мм, что позволяет получить скорости истечения газа 25--30 м/с.

Форма факела зависит от конструкции горелки. Возможны три основных направления факела по отношению к поверхности стекломассы печи: резкий наклон к зеркалу под углом 30--45° (рис, 13, а), горизонтальное (рис. 13, б), слабый наклон под углом 10--20° (рис. 13, в). При резком наклоне факела значительная часть поверхности стекломассы остается не покрытой пламенем, т. е. обогревается неравномерно. В связи с этим резко наклонять факел не рекомендуется. При расположении факела параллельно зеркалу печи пламя не соприкасается со стекломассой. Оно движется по всей ширине печи спокойно, без существенных температурных перепадов. Однако при горизонтальном направлении факела не достигается полного использования излучения пламени. Наиболее целесообразно вводить факел с наклоном 10--20° к зеркалу стекломассы печи. Факел должен обеспечивать необходимую теплопередачу и иметь определенную длину и настильность. Короткий и острый факел развивает высокую температуру, но его теплопередача ограничена небольшим участком. Длинный и мягкий факел покрывает большую поверхность печи. В широких ванных печах следует добиваться более мягкого настильного факела. Требуемые настильность и длина факела обеспечиваются при малом избытке воздуха.

Несмотря на тепловую изоляцию, через наружные поверхности горелок происходит большая потеря тепла в окружающую среду. Чтобы уменьшить потери тепла, горелки ванной печи экранируют листовым алюминием. Экраны выполняют из листов алюминия толщиной 1--2 мм, которые обрамляют рамкой из уголка 25X25 мм или 32X32 мм. Экраны устанавливают от поверхности горелок на расстоянии 100--140 мм, что способствует циркуляции горячего воздуха. Благодаря отражательной способности экрана и изоляционной роли воздушного пространства между кладкой и поверхностью экрана потери тепла значительно снижаются и улучшаются условия труда обслуживающего персонала.

Устройства для использования тепла отходящих газов

Процесс варки стекла протекает при высоких температурах (1450--1600° С). Чтобы обеспечить необходимую температуру в рабочей камере и повысить КПД печи, воздух и низкокалорийное газообразное топливо (генераторный газ) подогревают до определенной температуры. При использовании высококалорийного природного газа или жидкого топлива подогревают только воздух. Воздух и раз, подаваемые для. горения, подогревают за счет тепла отходящих из печи газов. Воздух и горючий газ подогревают перед их смешиванием и подачей в печь в регенераторах и рекуператорах.