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玻璃熔窑冷却部温度控制技术
详细说明:
玻璃熔窑冷却部温度控制技术
赵克明
(  北京市  100088)
 
摘  要:本文从冷却部传热方式的特点论述了冷却部玻璃液温度控制技术,深入研究了冷却部加热技术,并对加热装置提出自己独特的观点。
关键词:玻璃熔窑  冷却部  温度  加热  冷却
 
一、前言
玻璃熔窑一般分为熔化部和冷却部。熔化部负责玻璃熔制、澄清,冷却部负责将熔化好的玻璃液继续均化并且调整到成型所需要的温度。传统的冷却部只有冷却作用故此尔得名。根据玻璃成份和成型方法的不同,冷却过程中玻璃液温度降低的程度也是不同的。对浮法玻璃生产方式而言,由于浮法玻璃成份的大体一致性和成型方法、成型位置的趋同性,就决定了浮法玻璃的流道温度(由于成型处测量玻璃液温度困难,所以生产过程中均以流道温度作为控制指标)大体在1100℃左右的范围内。成型位置的前后变化、锡槽温降梯度的不同就决定了流道温度有一定的变化范围。在自然冷却状态下,超出此温度范围就要采取辅助控制手段。
二、冷却部传热方式
                      图1  冷却部空间传热示意图                                                         
 
1、冷却部空间传热
在冷却部窑内的传热中(假设为加热),热源是火焰或高温气流,受热体是已具有一定温度的玻璃液。传热过程见图1。玻璃液获得的热量Q为:
Q=Q+Q
Q(t-t)F
而Q较为复杂,为了使问题简化,我们规定和实际情况较为接近的假设条件,以便分析。如:火焰充满空间、而且温度和黑度各处均匀;窑内表面温度和黑度均匀……。得到玻璃液获得的净辐射热(Q气壁玻)为:
Q气壁玻=EF+Q效壁Φ(1-ε)-Q效玻
式中   Φ——窑壁对玻璃液的角度系数,Φ=F/F
      F——玻璃液表面积;
      F——窑内表面积;
     ε——火焰或气体黑度;
     Q效壁——窑内表面的有效辐射;
     Q效玻——玻璃液表面有效辐射;
     E——火焰或气体辐射能力, EC0(T/100)4
经过设定(令Q效壁=Q落壁,ω=1/Φ,即ω=F/ F)和整理,得:
Q气壁玻= C气壁玻[(T/100)4-(T/100)4]F
其中:
C气壁玻=C0ε[Φ+(1-ε)]/{ω+(1-ε)[ε(1-ε) ]/ ε}
C气壁玻称为综合辐射系数。为进一步理解C气壁玻的影响,令ε=0.8,绘出C气壁玻、ε和Φ的关系曲线,见图2。结合冷却部的特定环境,不难看出冷却部加热与熔化部加热的区别和应该采取的特殊措施。
         图2  C气壁玻、ε与ω的关系(ε=0.8)
2、玻璃液传热
就玻璃液本身来说,其导热系数很小,因而依靠热传导的方式把表层冷(热)量传到深层的数量不大。而直接的热辐射只能透过很薄的一层玻璃液。因此,玻璃液本身的热辐射是通过薄薄一层一层的玻璃液逐层的以辐射方式向上、向下传递。这种传热方式与玻璃的吸热性关系极大,无色玻璃液与有色玻璃液的上下温差差距就于此有关。
三、冷却部温度控制技术的产生
理论上单一生产模式,通过精确的计算,冷却部可以不需要辅助冷却或辅助加热装置。然而,面对市场竞争的强大压力,现代的玻璃生产线要求的功能越来越多,既能生产常规玻璃,又能生产超薄、超厚玻璃;既能生产无色透明玻璃,又能生产颜色玻璃。这样复杂的工况(大幅度的调整拉引量或玻璃导热性能),使得生产操作越来越困难。一般的窑炉设计均按特定的品种和规格(如:无色透明玻璃)、正常的拉引量来考虑。在生产颜色玻璃时,无色玻璃液与有色玻璃液温度梯度的不同,就造成同样流量的玻璃液带到冷却部的总热量不同。尽管生产颜色玻璃时有意加大熔化末端火焰、关闭稀释风,采取了冷却部池底、池壁、旋顶保温等措施后依然不能满足成型温度要求。比正常生产时流道温度下降20-30℃,个别厂家流道温度降到1080℃以下。既使锡槽成型时采取拔前区水包、调整拉边机等措施仍不能很好地满足成型粘度的要求,给玻璃生产作业制度、玻璃质量造成影响。在生产超薄(<2mm)、超厚(>15mm)玻璃(尤其是超薄玻璃)时,由于设计方面的限制,需要大幅度地降低拉引量,这同样使得玻璃液带到冷却部的热量大幅度减少,难以满足成型温度要求。而超薄、超厚玻璃的质量要求又特别高,超出成型温度的强行操作使得玻璃质量大幅度下降,最典型的体现就在斑马角和微观平整度上。这也是中国浮法玻璃与世界上先进浮法玻璃的差距所在之一。冷却部温度的降低带来的问题不单单是不能满足成型温度的要求,而对工艺方面也带来影响。玻璃液流动层的减少,意为着玻璃液流速加快,玻璃液停留时间变短,这对玻璃液的均化和减少气泡非常不利。
国外的优质浮法玻璃生产线,冷却部都有辅助加热装置。目前我国先进的浮法玻璃生产线也开始采用这一先进的生产技术。现代窑炉的冷却部已同过去不同,冷却部调温越来越类似于退火窑的分程调节功能,既有冷却又有加热,所以称其为工作部可能更贴切些。
四、冷却部温控技术的特点
玻璃液的冷却必须均匀,不能破坏均化的结果,否则会使原板产生波筋等缺陷。为此,冷却部一般采用自然冷却方式,主要靠玻璃液面以及池壁、池底向外均匀的热辐射来进行冷却。现代窑炉由于熔化率的大幅提高使得冷却部的负荷加大,再加上要精确地控制流道温度必须要有一精确的调节手段,随之产生了辅助吹风冷却措施。用风冷却玻璃液在八十年代初垂直引上工艺时已开始试用。当时是在通路或引上室前进行吹风冷却。应该说这是从水冷却到风冷却提高控制精度的一个突破(例如沈阳厂、株洲厂)。但由于当时的生产操作仍夹杂着手艺人的特点及自控、管理水平的落后,使得这样一个新技术没能很好地发挥作用。冷却部玻璃液风冷却的大量使用,得益于国外技术的引进和借鉴。在当时的条件下,冷却部真的只起到冷却作用,我们还没有冷却部加热的需要。
冷却部玻璃液加热也必须均匀,除此之外还有其特殊性,加热过程中要特别注意防止二次气泡的产生。二次气泡的产生是由于不合理的加热过程破坏了澄清时各相已建立起来的平衡关系。气泡的来源有二个,一是盐类的分解,二是气相平衡的破坏(参见《玻璃》2004.4)
根据流体力学的边界层理论,流动着的气体与玻璃液表面接触时,由于表面的摩擦作用在表面附近形成具有一定速度梯度的边界层。边界层的厚度虽小,但它对气体流动过程中的能量损失和对对流传热过程有很大影响。由于边界层内的流体分子没有垂直于表面的位移和混合运动,通过该层的传热只能依靠分子的碰撞和扩散,也就是纯粹的传导传热。所以,凡是影响边界层内导热速率(如边界层厚度、流体导热系数)及流体紊流混合强度的因素(如流动类型、流速、表面形状与位置等)都影响对流传热的效率。
任何非气态物质掉入窑内都会对玻璃质量产生影响,那怕是燃烧过程中产生的析碳。助燃风要使用干净空气,避免有害物质吹入窑内造成玻璃质量缺陷。
五、冷却部温控技术的实践
1、冷却部温控系统原理
冷却部的吹风冷却是浮法玻璃生产线的常规设计,这里不再赘述。因为有了这样一种手段,我们才能精确地控制流道温度。但过大的稀释风量会给锡槽造成影响,一般冷却部压力应控制在4Pa以下。小风量难以降温时,可以结合水包冷却手段。
图1是冷却部温控系统原理图。
                    图1  冷却部温控系统原理图
在往窑内吹入冷却风时,由于空气密度的原因,冷空气下沉,热空气上升,这种作用加强和均匀了温降效果。而当冷却部需要加热时,气体密度的不同导致气流的变化将会恶化均匀加热过程。所以必须采取特殊的措施加以改善。
2、冷却部加热装置
冷却部加热装置一般以气体燃料或轻柴油为主,而气体燃料的不易储存和危险性给加热系统的设计带来一定的困难。这就要求加热装置要有完善的控制、管理、报警等手段。
冷却部加热装置必须结合玻璃生产及冷却部的传热特点进行设计,产品应可烧不同的燃料并有不同的燃烧发热量供选择。下面就某单位生产的供给某生产线的以液化气为燃料的加热装置为例子加以说明:
2.1  燃料要求:液化气需要量50-200Nm3/h,供气压力200-800mbar。
2.2  供电要求:380VAC三相50Hz,220VAC二相50Hz。
2.3  供风要求:6000-24000Nm3/h
2.4  燃烧装置要求:按照冷却部空间的大小及玻璃液升温的多少要求布置4-6台加热器。燃烧器型号为RH-G140,具有自动点火及断火检测装置。整个系统具有燃气高压、低压、回火和助燃风低压报警装置。燃烧气氛可调,满足特殊工艺及降低NOX排放量要求(对于某些对气氛有要求的玻璃而言又增加了一个调节手段)。由于冷却部不具备安排过多的喷枪,所以喷枪应特殊设计,以便使温度更加均匀。同时喷枪头也应采取特殊的设计以避免枪头烧损污染玻璃液。
2.5  燃烧装置组成
2.5.1  燃料气体管线组成:由压力检测装置、紧急关断装置、稳压装置、调节装置、管路等组成。
2.5.2  助燃空气管线组成:由供风系统、调节系统、压力检测系统、管路等组成。
2.5.3  电气控制组成:由仪表箱(含各种按钮、指示灯)、自动点火及断火检测装置、温度控制装置、报警连锁系统及自动关断装置、声光报警装置等组成。
2.6  操作
2.6.1  供气部分检查
    首先检察燃料供应压力是否满足要求,各阀门管件有无漏气现象,当燃气总管上压力正常后即可满足点火条件。
2.6.2  控制系统检查
    接通控制柜电源,观察控制系统各仪表、元件是否处于正常待命状态,
2.6.3  点火
    启动供风系统,待正常运行数分钟后,即可进行点火操作。此后,在温度控制表上设定好窑内要求的温度,再把温度控制表转入自动控温状态即可。此项功能也可交于熔化DCS控制系统来执行。
六、结束语
随着中国浮法玻璃生产技术的提高及用户对玻璃品种多样化和对玻璃质量要求的提高,我们越来越需要冷却部加热控制手段。然而冷却部的传热特点及工艺对燃烧设备的特殊要求又决定了我们不能沿用熔化部的加热经验。采用特殊设计的喷枪,冷却部加热装置还可制作成冷却加热一体的加热装置,这样一个新的温度控制技术还有待我们来完善、提高。(2006年4月)
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