Стекловаренная печь представляет собой высокотемпературный агрегат для получения расплавленной стекломассы из шихты. Процесс стекловарения протекает в нескольких температурных зонах: силикатообразование при 1200-1400 градусах Цельсия, варка и осветление при 1500-1600 градусах, студка при 1300-1000 градусах. Регенеративные ванные печи непрерывного действия обеспечивают производительность от 50 до 800 тонн стекломассы в сутки.
Устройство и назначение стекловаренной печи
Стекловаренная печь является основным технологическим агрегатом в производстве стекла. В ней осуществляется комплексный процесс преобразования сырьевых материалов в однородную стекломассу, пригодную для формования изделий. Конструктивно печь состоит из нескольких взаимосвязанных элементов, каждый из которых выполняет определенную технологическую функцию.
Основные конструктивные элементы
Бассейн печи представляет собой огнеупорную ванну прямоугольной формы, заполненную расплавленной стекломассой. Глубина бассейна составляет 1,2-1,5 метра, ширина достигает 10 метров, длина крупных печей доходит до 60 метров. Стены и дно бассейна выкладывают из высококремнеземистых огнеупоров, содержащих не менее 93 процентов кремнезема. Толщина стен варьируется от 500 до 600 миллиметров.
Пламенное пространство располагается над зеркалом стекломассы между сводом и бортами ванны. Высота пламенного пространства составляет 1,5-2,5 метра. Свод выкладывают из динасового кирпича толщиной 300-450 миллиметров. В стенах пламенного пространства размещаются горелочные устройства для подачи топлива и воздуха, а также окна для отвода продуктов сгорания.
Регенераторы для утилизации тепла
Регенераторы представляют собой камеры, заполненные огнеупорной насадкой, которая попеременно нагревается дымовыми газами и отдает тепло поступающему в печь воздуху. Применение регенераторов позволяет подогревать воздух для горения до 1100-1300 градусов и повысить КПД печи до 25-28 процентов. Регенераторы располагаются попарно с двух сторон печи, обеспечивая периодическое переключение направления газовых потоков каждые 20-30 минут.
Температурные зоны стекловаренной печи
Процесс стекловарения разделяется на несколько последовательных стадий, каждая из которых протекает в определенном температурном диапазоне. Разделение бассейна на функциональные зоны обеспечивает оптимальные условия для протекания физико-химических процессов преобразования шихты в стекломассу.
| Зона печи | Температура, градусы Цельсия | Основные процессы |
|---|---|---|
| Загрузка шихты | 20-800 | Испарение влаги, начало химических реакций |
| Силикатообразование | 800-1150 | Образование силикатов натрия и кальция, разложение карбонатов |
| Стеклообразование | 1200-1400 | Растворение кремнезема, образование стекломассы |
| Варка и осветление | 1450-1600 | Удаление газовых пузырей, гомогенизация |
| Студка | 1300-1000 | Охлаждение до температуры формования |
Зона загрузки и силикатообразования
В загрузочном кармане печи шихта подвергается постепенному нагреву. При температуре до 800 градусов происходит испарение гигроскопической влаги, полиморфные превращения компонентов, начинаются твердофазные реакции между составляющими шихты. В интервале 800-1150 градусов развивается стадия силикатообразования, когда щелочные и щелочноземельные компоненты взаимодействуют с кремнеземом, образуя легкоплавкие силикаты.
При температуре около 740 градусов плавятся эвтектические смеси карбонатов, при 850 градусах расплавляется сода. Образующиеся расплавы силикатов смачивают и пропитывают непрореагировавшие частицы, формируя пористую массу — спек. К концу стадии силикатообразования при 1100-1150 градусах основные твердофазные реакции завершаются, выделение газообразных продуктов прекращается.
Зона стеклообразования
При повышении температуры до 1200-1400 градусов спек расплавляется, начинается интенсивное растворение непрореагировавшего кремнезема в силикатном расплаве. Процесс стеклообразования занимает наибольшую долю времени варки, поскольку скорость растворения зерен кварцевого песка лимитируется диффузией через пограничный слой насыщенного кремнеземом расплава.
К концу стеклообразования при 1250-1300 градусах в стекломассе отсутствуют нерасплавленные частицы шихты, однако расплав остается химически неоднородным, содержит многочисленные газовые включения и свили. Продолжительность стадии стеклообразования для промышленных стекол составляет 6-10 часов в зависимости от состава и производительности печи.
Зона варки и осветления
В высокотемпературной зоне печи при 1450-1600 градусах протекают процессы осветления и гомогенизации стекломассы. Осветление представляет собой удаление видимых газовых включений из расплава. При высокой температуре резко снижается вязкость стекломассы, что облегчает всплывание пузырей на поверхность. Одновременно повышается растворимость газов в расплаве, мелкие пузыри растворяются.
Для ускорения осветления в шихту вводят специальные осветлители — сульфат натрия, оксид мышьяка, сурьмы или церия. При высокой температуре осветлители разлагаются с выделением кислорода, который укрупняет мелкие пузыри, способствуя их всплыванию. Продолжительность выдержки в зоне осветления составляет 4-8 часов.
Важно: Максимальная температура в зоне варки должна располагаться над конечным участком варочной части бассейна. Повторное повышение температуры после зоны максимума недопустимо, так как приводит к образованию вторичных пузырей.
Зона студки стекломассы
После осветления стекломасса поступает в зону студки, где температура постепенно снижается с 1300 градусов до 1000-1100 градусов. Охлаждение необходимо для достижения оптимальной вязкости стекломассы, требуемой для конкретного способа формования изделий. Для выработки листового стекла температура составляет 1050-1100 градусов, для выдувания полых изделий 1100-1150 градусов.
Скорость охлаждения в зоне студки должна быть строго регламентирована. Слишком быстрое охлаждение вызывает образование мелких газовых включений — мошки, удалить которую из стекломассы практически невозможно. Слишком медленное охлаждение снижает производительность печи и увеличивает удельный расход топлива.
Принцип работы регенеративной печи
Регенеративная стекловаренная печь работает по принципу периодической смены направления газовых потоков. Горелки расположены в два ряда вдоль продольных стен бассейна. В каждый момент времени горят горелки только одной стороны, продукты сгорания движутся через пламенное пространство к противоположной стороне и отводятся через регенератор.
Цикл переключения регенераторов
При работе левых горелок дымовые газы с температурой 1350-1450 градусов проходят через правый регенератор, нагревая огнеупорную насадку. Через 20-30 минут происходит автоматическое переключение: левые горелки гасятся, зажигаются правые. Холодный воздух для горения подается в левый регенератор, где нагревается до 1100-1300 градусов, отбирая тепло от насадки. Нагретый воздух поступает к правым горелкам, продукты сгорания уходят через правый регенератор.
Такая схема обеспечивает эффективное использование тепла отходящих газов. Температура дымовых газов на выходе из регенераторов снижается до 450-550 градусов. Коэффициент использования тепла топлива достигает 25-28 процентов, что существенно выше показателей печей прямого нагрева.
Система горелок и подачи топлива
Крупные регенеративные печи оборудуются 6-14 парами горелок, расположенных вдоль бассейна. Распределение расхода топлива по горелкам обеспечивает требуемый температурный профиль по длине печи. На первые две пары горелок подается 32-40 процентов общего расхода топлива, обеспечивая интенсивный прогрев шихты. На последние пары горелок приходится не более 20 процентов расхода топлива, предотвращая перегрев в зоне студки.
Виды и типы стекловаренных печей
Стекловаренные печи классифицируются по нескольким признакам: режиму работы, конструкции рабочей камеры, способу обогрева, использованию тепла отходящих газов. Выбор типа печи определяется видом вырабатываемого стекла, требуемой производительностью и доступными энергоресурсами.
Горшковые и ванные печи
Горшковые печи работают периодически, вмещают 6-16 огнеупорных горшков емкостью от 100 до 1000 килограммов стекломассы. Цикл работы включает нагрев печи, загрузку шихты, варку, осветление, выработку стекла. Горшковые печи применяются для производства оптических, технических, цветных стекол малыми партиями. КПД горшковых печей составляет 6-8 процентов, удельный расход топлива достигает 6000 килокалорий на килограмм стекла.
Ванные печи непрерывного действия обеспечивают одновременное протекание всех стадий стекловарения в разных зонах бассейна. Непрерывная подача шихты в загрузочный карман и отбор готовой стекломассы из выработочной части позволяют вести процесс круглосуточно. КПД ванных печей достигает 25-28 процентов, удельный расход топлива снижается до 1800-2200 килокалорий на килограмм стекла.
Регенеративные и рекуперативные печи
Регенеративные печи используют теплообменники периодического действия — регенераторы с огнеупорной насадкой. Рекуперативные печи оснащаются теплообменниками непрерывного действия — металлическими или керамическими рекуператорами. Воздух нагревается при движении по трубам или каналам, омываемым снаружи дымовыми газами. Рекуператоры обеспечивают подогрев воздуха до 500-700 градусов, регенераторы до 1100-1300 градусов.
Преимущества регенеративных печей:
- Высокая степень подогрева воздуха для горения
- Простота конструкции и надежность в эксплуатации
- Длительный срок службы огнеупорной насадки
- Возможность работы на низкокалорийном топливе
Электрические и газоэлектрические печи
Электрические печи прямого нагрева используют электрический ток, пропускаемый непосредственно через стекломассу между погруженными электродами. Электроды изготавливают из графита или молибдена. КПД электрических печей достигает 60-70 процентов, удельный расход электроэнергии составляет 1,2-1,5 киловатт-час на килограмм стекла.
Газоэлектрические печи комбинируют пламенный и электрический обогрев. Загрузочная и варочная части обогреваются сжиганием топлива, зона осветления — электрическими электродами. Такая схема позволяет повысить КПД до 35-40 процентов при умеренном расходе электроэнергии. Газоэлектрические печи применяются при отсутствии дешевой электроэнергии, но необходимости повышения качества стекломассы.
Производительность и технико-экономические показатели
Производительность стекловаренной печи определяется количеством годной стекломассы, снимаемой с печи в сутки. По производительности печи условно разделяют на малогабаритные от 3 до 10 тонн в сутки, среднегабаритные от 10 до 50 тонн в сутки и крупногабаритные от 50 до 150 тонн в сутки и выше. Удельная производительность выражается отношением суточного съема к площади варочного бассейна.
Показатели эффективности работы
Удельный съем стекломассы с квадратного метра площади бассейна характеризует интенсивность работы печи. Для ванных печей с выработкой тарного стекла удельный съем составляет 1800-2700 килограммов на квадратный метр в сутки, для производства листового стекла 1200-1600 килограммов на квадратный метр в сутки. Современные проточные печи для полых изделий обеспечивают удельный съем более 2700 килограммов на квадратный метр в сутки.
Расход топлива на варку стекла зависит от состава шихты, соотношения шихты и стеклобоя, типа печи. В среднем на килограмм стекломассы затрачивается 650-700 килокалорий тепла при варке из шихты с нормальным содержанием сульфата натрия. Повышенное содержание сульфата увеличивает расход до 700-750 килокалорий на килограмм.
| Тип печи | Производительность, т/сут | КПД, % | Удельный расход топлива |
|---|---|---|---|
| Горшковая периодическая | 0,5-3 | 6-8 | 6000 ккал/кг |
| Ванная малая регенеративная | 3-10 | 18-22 | 2500-3000 ккал/кг |
| Ванная средняя регенеративная | 10-50 | 22-26 | 2000-2500 ккал/кг |
| Ванная крупная регенеративная | 50-150 | 25-28 | 1800-2200 ккал/кг |
| Ванная крупная для листового стекла | 300-800 | 25-30 | 1600-2000 ккал/кг |
| Электрическая | 10-80 | 60-70 | 1,2-1,5 кВтч/кг |
Срок службы и ремонт печей
Межремонтный период крупных регенеративных печей составляет 8-12 лет при правильной эксплуатации. Основной износ испытывают огнеупорная кладка бассейна, свод пламенного пространства, насадка регенераторов. Текущий ремонт включает замену отдельных огнеупорных блоков свода, ремонт горелок, восстановление системы охлаждения брусьев. Капитальный ремонт предусматривает полную перекладку бассейна и регенераторов.
Применение в стекольной промышленности
Стекловаренные печи различных типов используются для производства всех видов промышленных стекол. Выбор конструкции печи определяется ассортиментом выпускаемой продукции, объемом производства, энергетическими и экономическими факторами.
Производство листового стекла
Для производства листового стекла применяют крупные регенеративные ванные печи непрерывного действия с открытым бассейном. Длина бассейна достигает 50-60 метров, ширина 9-10 метров, глубина варочной части 1,5 метра. Печи оборудуются 10-14 парами горелок с поперечным направлением пламени. Производительность современных печей для листового стекла составляет 300-800 тонн в сутки.
Производство тарного и сортового стекла
Для выработки полых изделий используют ванные печи с протоком, обеспечивающим четкое разделение варочной и выработочной частей. Проток представляет собой узкий канал с пониженным сводом, через который стекломасса перетекает из зоны осветления в зону студки. Производительность печей для тарного стекла составляет 60-400 тонн в сутки, для сортовой посуды 30-100 тонн в сутки.
Производство технических и специальных стекол
Оптические, цветные, медицинские, химико-лабораторные стекла варят в горшковых печах небольшой производительности. Горшковые печи позволяют одновременно варить несколько разных составов стекла, обеспечивают высокую чистоту стекломассы, исключают загрязнение от огнеупоров бассейна. Для варки боросиликатных, кварцевых стекол применяют электрические печи.
Частые вопросы
Стекловаренная печь является сложным высокотемпературным агрегатом, в котором протекают последовательные процессы силикатообразования, стеклообразования, варки, осветления и студки стекломассы. Каждая стадия требует строго определенного температурного режима: силикатообразование при 1200-1400 градусах, варка и осветление при 1450-1600 градусах, студка при 1300-1000 градусах. Регенеративные ванные печи непрерывного действия обеспечивают высокую производительность до 800 тонн в сутки при КПД 25-28 процентов. Правильная организация температурных зон и эффективное использование тепла отходящих газов определяют энергетическую эффективность и качество получаемой стекломассы.
Данная статья носит исключительно ознакомительный характер и предназначена для технических специалистов стекольной промышленности. Информация основана на общепринятых технологических параметрах и научных источниках. Автор не несет ответственности за практическое применение представленных сведений. Конкретные технологические режимы должны разрабатываться с учетом индивидуальных особенностей оборудования и требований нормативной документации.
