配合料中雜質(zhì)對玻璃熔窯的影響

      玻璃熔窯是高溫、高能耗的熱工設備。近年來，為了延長熔窯的使用壽命、增加熔窯的熔化能力和節(jié)能，在窯爐設計中除了選擇合理的窯型結(jié)構(gòu)和合理使用耐火材料、保溫材料，同時還應注意到配合料的質(zhì)量這一至關重要的因素對玻璃生產(chǎn)工藝過程影響。它不僅關系到玻璃產(chǎn)品的質(zhì)量，而且還影響到熔窯的熔化能力和熔窯的壽命。

　　1　熔窯的侵蝕

　　耐火材料是玻璃熔窯的主要構(gòu)筑材料，它對玻璃質(zhì)量、能源消耗及產(chǎn)品成本都有決定性的影響。玻璃熔制技術的發(fā)展在很大程度上依賴于耐火材料制造技術的進步和質(zhì)量的提高。玻璃熔窯用的耐火材料在玻璃生產(chǎn)過程中將被逐漸侵蝕，所以要求它的侵蝕物應能均勻熔解于玻璃液中，不致造成玻璃缺陷。從另一個角度來說，熔窯的耐火材料必須在玻璃生產(chǎn)過程中具有理想的抗侵蝕性能，使熔窯具有較長的壽命。玻璃的熔制是在高溫下進行的，熱點的最高溫度可達1600℃或更高。配合料、玻璃液和堿蒸氣與耐火材料之間的侵蝕反應與溫度成指數(shù)函數(shù)關系，即隨著溫度的升高，侵蝕急劇增大。試驗證明，在正常熔制作業(yè)溫度范圍內(nèi)，每升溫 50℃，對耐火材料的侵蝕速率增加一倍。此外，熔窯中的各種變化因素，如碎玻璃的摻入率、燃料的種類、爐內(nèi)氣氛性質(zhì)、然油中的雜質(zhì)含量（如硫、釩等）、火焰的溫度和強度等都對耐火材料的侵蝕有明顯的影響。

　　2　配合料的超細粉對熔窯的影響

　　配合料的超細粉在玻璃的熔制過程極易造成飛料，而熔窯中耐火材料所受的侵蝕主要來自飛料、堿蒸氣的化學侵蝕，和玻璃液、火焰氣體在高溫下對熔窯內(nèi)耐火材料的侵蝕。其中以飛料對耐火材料的侵蝕最為嚴重，飛料主要侵蝕熔的上部（包括大碹、胸墻、小爐各部位）和蓄熱室。其中以蓄熱室較為嚴重，因為飛料極易被窯內(nèi)的氣流帶入蓄熱室，侵蝕蓄熱室，造成蓄熱室的損壞或堵塞，影響換熱效果和使用壽命。目前較好的蓄熱室格子體上、中層一般普遍選用堿性磚，上層多為直接結(jié)合高純鎂磚，中層多為直接結(jié)合鎂鉻磚。生產(chǎn)實踐表明，其主要損壞形式為化學侵蝕和熱應力破壞。高純鎂磚主晶相為方鎂石，1430℃以上時方鎂石晶體在堿蒸汽的作用下逐漸長大，體積變化會使磚表面發(fā)生龜裂、破碎、粉化直至剝落。與此同時，飛料中的SiO2會逐漸進入龜裂的縫隙中改變基質(zhì)部分CaO/SiO2的比值，進而形成大量的低共熔物透輝（CMS2）、鎂方柱石（C2MS2）、鎂橄欖石（M2S）及鎂薔薇輝石（C3MS2）等物質(zhì)，產(chǎn)生較大的體積效應，加速方鎂石的開裂、破碎、粉化和剝落。

　　其化學反應式和伴隨的體積效應如下表示：

　　3C2S＋2M＋S→2C3MS2

　　Vmax＝＋13�S＋2M＋S→2CMS2

　　Vmax＝＋30％2M＋S→M2S

　　Vmax＝＋96％另外，重油中的V2O5與鎂磚中的

　　CaO有如下反應：

　　3V2O5＋3CaO→3CaOV2O5MgO＋CaOMgOSiO2＋1/3V2O5→2MgOSiO2＋1/3（3CaOV2O5）

　　如反應中V2O5濃度較高時3CaOV2O5（礬酸鈣）分解成低鈣礬酸鈣，最低共熔點為618℃，在格子體上層工作溫度下呈液相，遇弱還原氣氛還會揮發(fā)。礬酸鈣的生成，一方面使鎂磚中的CaO／SiO2的比值發(fā)生變化，使基質(zhì)從穩(wěn)定范圍變到CaO－MgO－SiO2三元系統(tǒng)低共熔點范圍內(nèi)，另一方面礬酸鈣（液相）滲入磚內(nèi)，促進方鎂石晶體長大，使鎂磚變形、龜裂、破碎、粉化和剝落。

　　另外，在950～1150℃范圍內(nèi)，如果V2O5和SiO2同時存在，當Na2O／SO3＜1時會發(fā)生如下反應：2SO2＋O2　V2O52SO3SO3 ＋MgO　1150℃MgSO4生成有害的硫酸鹽，加速了鎂磚的侵蝕。在格子體上部最容易接觸飛料中的Na2CO3、SiO2和重油中的V2O5。所以該處的格子體最容易受到侵蝕。為了減少飛料的發(fā)生，必須控制配合料中各原料中的超細粉。配合料中的超細粉主要來自于硅砂、石英砂、石灰石等。我公司對原料顆粒度的要求范圍是：

　　篩孔數(shù)（目）名稱

　　＋24－140＋10－100

　　硅　砂05％－－

　　石英砂05％－－

　　白云石－－010％

　　石灰石－－010％

　　只要嚴格按照標準進行原料的采購，在配合料的制備過程中，就能夠降低配合料的超細粉的含量，減少飛料的產(chǎn)生，從而提高熔窯的使用壽命。

　　3　配合料中雜質(zhì)鐵對熔窯的影響

　　3．1　雜質(zhì)鐵造成熔制溫度升高

　　在玻璃的熔制過程中，物料從火焰吸收的熱量，是火焰以輻射方式把熱量傳遞給物料的。熔化池溫度在1500~1600℃時，火焰及碹頂?shù)妮椛鋫鳠峒s在 1500nm處有一個極大值；另一方面鈉鈣玻璃中的Fe2＋離子在1050nm處的吸收值為最大。因此，可以理解由窯中的輻射傳熱所造成熔化池深處玻璃的溫度分布與玻璃中的鐵含量有直接關系。據(jù)有關測定Fe2O3含量為0。088％的玻璃液，池窯玻璃表面與池窯底溫差為35℃，而Fe2O3達到0。51％ 玻璃液，其溫差可達380℃。正是由于Fe2O3和FeO 存在，使玻璃在窯中表面和深層的溫度差擴大，就會影響玻璃液的熔融、澄清等工序，這是由鐵的氧化物對熱輻射具有較強的吸收作用而引起的。輻射熱大部分被表層玻璃液吸收，而形成上下熔液的溫度差。如果使玻璃窯底部玻璃原料熔化，務必提高整個窯中的溫度。試驗證明，在正常熔制作業(yè)溫度范圍內(nèi)，每升溫50℃，對耐火材料的侵蝕速率增加一倍。這不但消耗能源，縮短熔窯的使用壽命，而且造成玻璃液各部分溫度不勻。還容易使玻璃板面出現(xiàn)波筋等缺陷。

　　3．2　雜質(zhì)鐵造成熔窯的侵蝕

　　近年來，隨著玻璃熔制技術的發(fā)展，現(xiàn)代玻璃熔窯的單位面積熔化量大大提高，池底大多采用多層結(jié)構(gòu)，并有良好的保溫，使熱損失大大減少，池底溫度提高 200℃左右，使該處玻璃液粘度降低，流動加劇，也就加強了對池底的沖刷和侵蝕。不僅如此，玻璃液還能輕易滲入密封差的磚縫處，與耐火材料作用產(chǎn)生氣泡，形成三相界面條件，發(fā)生向上鉆蝕現(xiàn)象。

　　當加料時隨配合料及碎玻璃帶入的雜質(zhì)鐵會造成更為嚴重的侵蝕；尤其在磚縫處，雜質(zhì)鐵侵入磚縫或孔隙后會產(chǎn)生氣泡，將池底侵蝕出孔洞，玻璃液對耐火材料接觸面上產(chǎn)生的向上鉆蝕相似。現(xiàn)代玻璃熔窯池底的侵蝕來自于兩個方面：

　?。?）接觸玻璃液部位的直接侵蝕；

　?。?）下層密封層（襯層）的侵蝕，使池底磚損壞。

　　整個侵蝕過程分四個階段：（1）玻璃液或雜質(zhì)從磚縫滲透；（2）密封層開始受破壞；（3）發(fā)泡的玻璃液滲入池底鋪面磚及襯層之間；（4）發(fā)生"向上鉆蝕"，使池底鋪面磚損壞。

　　因此，玻璃原料中都對鐵的氧化物控制在最低的允許限度。特別是用量較大的硅砂，其氧化鐵含量要求在小于0。2％。我公司對各種原料的含鐵量控制如下：

　　名稱氧化鐵含量（％）

　　宿遷砂≤0。18

　　石英砂≤0。07

　　白云石≤0。10

　　方解石≤0。10

　　目前本公司各種原料的控制基本上能達到以上標準，若達不到標準一律退貨處理。

　　4　配合料中水對熔窯的影響

　　配合料混合均勻是達到最佳熔制能力的先決條件。而配合料中各組分分層、飛料對熔化、澄清及熔窯的耐火材料十分不利。為了消除這些不利因素，在配合料的混合操作中，需要加入一定量的水，實踐證明，配合料的水分對它的均勻性有很大的關系。它有以下幾點作用：

　?。?）加水能使砂粒的表面濕潤，形成水膜，加強了對助熔劑的熔解和粘附能力，使反應物之間接觸良好而加速了反應過程；

　?。?）加水后，水通過毛細管吸力的作用產(chǎn)生粘合劑的效果增加了配合料粘性，使顆粒之間的位置穩(wěn)定，易調(diào)合均勻，減少分層現(xiàn)象；

　?。?）減少揚塵，有利于保護工人身體健康；

　?。?）水分能增加熔化時的熱傳導，使配合料容易熔化；

　　（5）水分受熱變成蒸氣逸出，能翻動玻璃液，帶出小氣泡，促進玻璃液的澄清和均勻；

　?。?）由于減少了飛料，因而也可減少對熔窯耐火材料和余熱利用裝置的腐蝕。

　　另外，水分可以降低熔體的表面張力及粘度，對初熔階段也有一定意義。而且，OH基團的紅外吸收光譜帶在1400℃時正好在熱輻射的最佳范圍。因此，至少在含鐵量小的熔體中提高H2O含量可以改善熱的吸收。對配合料的吸熱原料，特別是芒硝和純堿的水化程度，也與配合料中溫度有關。為了使水具有良好的濕潤性與滲透性，可以提高配合料的溫度到35℃以上。在32℃以下時碳酸鈉結(jié)合成穩(wěn)定的十個結(jié)晶水的碳酸鈉（Na2CO3．10H2O），在32℃時結(jié)晶成七個結(jié)晶水的碳酸鈉（Na2CO3．7H20），而七個結(jié)晶水的碳酸鈉在35．1℃時，分解成單水的硫酸鈉（Na2CO3．H2O）。芒硝也有這類問題，在 32．4℃以下，硫酸鈉與水結(jié)合成穩(wěn)定的十個結(jié)晶水的硫酸鈉（Na2SO4．10H2O）。溫度較高時，變成無水芒硝。由此可見，超過35℃，可使更多的水處在自由狀態(tài)，得以充分發(fā)揮其作用，否則有相當部分的水進入混合機后立即為純堿和芒硝的水化吸收成為結(jié)晶水，配合料很快干燥，水分就失去其有利影響。但是水分過多也會帶來很多缺點：（1）配合料過濕會形成料蛋，不易混合均勻；（2）水分蒸發(fā)耗費大量熱量，降低熱效率；（3）水分過多時將粘結(jié)混合機和投料設備，給操作帶來困難。因此，配合料在混合時應加熱水和加蒸氣，使混合料溫度維持在45℃左右。加水量在4％~5％為宜，這樣才能抑制配合料的分層，減少飛料的產(chǎn)生，從而提高熔窯的熔化能力，減少因飛料造成耐火材料的侵蝕。

　　5結(jié)論

　　熔窯是玻璃生產(chǎn)過程中最重要的熱工設備，減少對熔窯耐火材料的侵蝕，不但能提高玻璃質(zhì)量、延長熔窯的使用壽命，而且可以達到降本增效的目的。減少熔窯侵蝕，可采取以下幾項措施：

　?。?）嚴格按質(zhì)量標準采購原料，避免使用不合格原料，從而可以減少原料中超細粉對耐火材料的侵蝕。

　?。?）控制原料中雜質(zhì)鐵的含量，減少雜質(zhì)鐵對熔窯的影響。

　?。?）完善配合料的加水系統(tǒng)，抑制飛料的產(chǎn)生。

　?。?）降低玻璃設計成分中的芒硝含率，減少SO2