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1、日产8吨的高硅硼玻璃的全电熔窑炉设计1. 前言所谓全电容窑炉，通常是指配合料熔成导电介质后，玻璃液体本身成为电 阻组件，实现玻璃的连续融化。但配合料(含有部分熟料)未熔成导电介质之前， 即在烤窑阶段，仍需要气体或液体来加热。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，用电熔工艺生产各种玻璃制 品的综合经济效益是很理想的；在电价高的地区，对于生产彩色玻璃、乳浊玻璃、 硅酸盐玻璃、铅玻璃、高挥发组分玻璃或特种玻璃也是很合算的。电熔窑炉产生的废气量少，防止空
2、气污染；能降低挥发性配合料组分的挥 发；降低因结石造成的产品损失；而且玻璃成分均匀，在整个窑炉期间可始终保 持满负荷的出料量。另外它的建设投资少，占地面积小。玻璃质量好，效率高， 但成本低。玻璃电熔窑炉也有耐火寿命短的缺陷，而且窑炉的用电成本和初期安 装成本高。玻璃电熔窑炉工作原理：玻璃在低温下几乎是绝缘的，但在高温下熔融的 玻璃是一种良导体。玻璃电熔窑炉就是将电流引入玻璃液中，玻璃液直接通电加 热，通电后两极间的玻璃液在交流电的作用下产生焦耳热，从而达到熔化和调温 的目的。玻璃液之所以具有导电性，主要是因为电荷通过离子发生迁移。导电性的难易是以电阻率p (Qcm)或其倒数。(Qcm)-i)来
3、表示， P值越小，则电导本领越强。玻璃在室温下为绝缘体，它的电导率约为10-1310-15 (Qcm)-1。如果提高温度，玻璃的电导率会急剧增加，在熔融状态可达到0.11 (Q - cm) -1。电熔化能用来融化几乎所有品种的玻璃以及某些呈现高阻值的硅 酸盐材料。各种玻璃的电导率随其成分不同可有很大差别，对同一种玻璃，电导 率则是温度的函数。在网状结构中，含有其他改良剂离子时，能降低Na+离子的 迁移和玻璃的电导率。例如，加入Ca2+，Ba2+，Pb2+离子会大大增加玻璃的电导 率。玻璃的电阻率强烈依赖于温度，这是因为网状结构空穴中的改良离子，在 电场和电场方向影响下移动，从一个空穴流向另一个
4、空穴，离子需要能量，该能 量随温度升高而降低，因此，温度升高玻璃液电阻率减小，电导率增加。目前国外在中小型玻璃电熔窑炉的机理、技术、工艺等方面已经日趋成熟， 有许多可以借鉴的理论和经验。就中小型玻璃玻璃电熔窑炉的设计而言，不仅需 要遵循玻璃电熔窑炉的常规设计原则，而且还要进一步深入探索和实践，在实际 工作中应着重注意开发设计中存在的几个问题：（1）选择适当的单位熔化率 为保证设备的生产效率和使用寿命，应按炉 型、生产纲领等因素在0.81.6t/m3之间选取。（2）炉型的选择 应按熔料量的大小、电极对称布置等要求确定。（3）电极布置 根据熔料量、炉型结构及供电方式，熔化池电极可采用水 平插入和垂
5、直插入。流液洞、上升道和工作池也要布置辅助电极。（4）流洞的设计应考虑玻璃不产生回流、保持稳定流速和不能过冷三个 问题。（5）钼电极保护 在钼电极上加上循环水套冷却电极。2. 设计任务及原始资料2.1玻璃配方成分SiO2Al2O3CaONa2OB2O3%80.52.10.34.512.62.2原始化学成分（%）原料SiO2Al2O3CaONa2OB2O3砂岩98.40.760.21硼砂16.4536.21无水硼酸100化工Al(OH)365.38方解石56.00设配合料水分5%，配合料中熟料（碎玻璃）占20% ；玻璃液电阻率11(Qcm)；电极材料为甲50钼棒，每支电极水冷套吸收的热损功率为2
6、kw，窑型 可取单室，供电方式可单相、两相或三相，电极布置可水平、垂直。2.3参数1. 熔窑生产能力：G = 8 t / d；2. 熔化率：K = 1.5 t/(m2d)；3. k 系数：k = 0.3；4. 玻璃熔化温度：t =1650 C；5. 玻璃液密度：p=2.4 t/m3；6. 窑炉长宽比：L/B = 11.5；3. 电熔窑的结构设计3.1熔化池的尺寸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。由于配合料的熔化
7、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：=G / K式中：G熔窑的生产能力，kg / d;K 熔化率，kg / (m2 - d)。取 K = 1.5则：F 熔=8 / L5 = 5.33 (m2)。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L / B= 11.5。取 L/B=1贝U： L = 2.31 m, B = 2.31m3.2熔化池的深度(2)熔化池玻璃液深度与对角线比大致取1:1，或玻璃液深度略大于对角线的 长度。我们取电熔窑的玻璃液深度为H=3.3m，配合料的深度为200mm。4. 成分及配料计算根据玻璃的配方计算其配
8、合料的配方：设玻璃熔化温度1650C，配合料水 分5%。按玻璃的配方计算其配合料的组成，设计原料均为干燥状态，计算时不 考虑水分问题。(按每100kg用量计算)(1) 砂岩的用量：80.5/98.4x100=81.809 (kg)(2) 硼砂的计算：由于硼砂中含B2O3和Na2O,而Na2O含量较少，所以根据 Na2O计算硼砂的含量，并且除开砂岩中含少量Na2O,硼砂的量为：(4.5x100-0.21x81.809) /16.45=26.311 (kg)(3) 无水硼酸的计算：考虑到硼的挥发5%-10%取8%的挥发量，及除开硼 砂所含B2O3，所以应加入无水硼酸为：12.6/ (1-8%) -
9、26.311x0.3621=4.169 (kg)(4) 引入A12O3加入化工Al(OH)3的量的计算：由于砂岩中含有A12O3量为：81.809x0.76/100=0.622 (kg)所以引入 A1(OH)3 为(2.1-0.622) /65.38x100=2.261 (kg)(5) 引入 CaCO3 的计算：0.3/56.00x100=0.536 (kg)生产100 kg玻璃时原料的用量如下:砂岩81.809 kg硼砂26.311 kg无水硼酸4.169 kg化工 A1(OH)32.261 kg方解石0.536 kg合计115.086 kg气体率为：(115.086-100)/115.08
10、6=13.11%玻璃产率为：1-13.11%=86.89%配料百分比如下:砂岩硼砂无水硼酸化工 A1(OH)3CaCO3合计71.084%22.862%3.623%1.965%0.466%100%5.热工计算100kg湿粉（含水量5%）料中形成氧化物的量:原料形成玻璃液的 氧化物量的计算氧化物的量（kg）SiO2Al2O3B2O3CaONa2O砂岩71.084x0.95x0.984=66.45066.45071.084x0.95x0.0076=0.5130.51371.084x0.95x0.0021=0.1420.142硼砂22.862x0.95x0.3621=7.8647.86422.862
11、x0.95x0.1645=3.5733.573无水硼酸3.623x1.00=3.6233.623Al(OH)31.956x0.95x0.6583=1.2151.215CaCO30.466x0.95x0.56=0.2480.248100kg湿粉料逸出气体的组成:原料名称逸出气体量计算逸出气体量（kg）co2h2o合计硼砂22.862x0.95x0.4734= 10.28210.28210.282Al(OH)31.965x0.95x0.3462=0.6460.6460.646CaCO30.466x0.95x0.44=0.1950.1950.195湿粉料100x0.05=5.05.05.0质量（kg
12、）0.19515.92816.123配合料用量计算：配合料中生料（粉料）占80%，熟料（碎玻璃）占20%,熟料/生料二20/80=0.25，即1kg生料中加熟料0.25kg，可得到：1-1/100x16.123+0.25=1.09 （kg 玻璃液）因此熔化成1kg玻璃液需要生料量G生和熟料量G熟分别为：G 生二1/1.09 =0.917 （kg）G 熟=0.251.09=0.229 (kg)熔化成1kg玻璃液需要配合料量：G 生+G 熟二0.917+0.229=1.146 (kg)在熔化1kg玻璃液中，由熟料形成的G孰占0.229kg玻璃液，由生料形成的G生 占(1-0.229)=0.771k
13、g 玻璃液。生料熔化耗热量的计算: (1)生成1kg玻璃液时生料熔化热量q1熔化硅酸盐玻璃耗热GiHi以形成100kg玻璃液计算:CaO -CaOSiO2Al23Al23-SiO2Na2Of Na2O3SiO20.3x1456.908=437.072(kcal) 2.1x724.58=1521.618(kcal)4.5x2662.0976=10179.439(kcal)GiHi=12138.129(kcal)加热剩余SiO2耗热(GsHs)(以形成100kg玻璃液计算)：引入 SiO2 数为：80.6涵0=1.344 (kmol)生成硅酸盐用去SiO2数：引入 CaO:0.156=0.0017
14、86 (kmol)引入 Na2O：3x4.5/62=0.21774 (kmol)引入 Al2O3：2.1/102=0.02059 (kmol)剩余 SiO2 数为：1.344-0.001786-0.21774-0.02059=1.104 (kmol)Gs*AHs=1.104x60x507.068=33588.18(kcal)生成1kg玻璃液时生料熔化热量q1：q1=G 生(ZGi*Hi+Gs*AHs) x1/ 100=352.55(kcalkg)(2) 熟料加热熔融耗热量q2的计算：a=0.01EG.a.C 平O.OlEGjC.系数at与q的值:氧化物aiC.iSiO20.0004680.16
15、57A12O30.0004530.1765CaO0.0004100.1709B2O30.0005980.1935Na2O0.0008290.22293=0.01x(80.5x0.000468+2.1x0.000453+0.3x0.000410+4.5x0.000829+12.6x0.000598)=0.0005001C 平=0.01x(80.5x0.1657+2.1x0.1765+0.3x0.1709+12.6x0.1935+4.5x0.2229)=0.1720C 真二(0.0005001x1650+0.1720)(0.00146x1650+1)=0.2925kcal/ (kgC)q2=G J
16、C真(t熔化-t入)=0.229x0.2925x (1650-30) =108.51 (kcal/kg)(3) 配合料水分蒸发耗热量q3的计算：q3=595G 生.G 水=595x0.771x0.05=22.937 (kcal/kg)所以形成1kg玻璃液需耗热量q玻计算考虑到结品水排除，多晶转变，盐类分解 生成复盐等耗热量，将qj加大3%：q 玻=1.03q1+q2+q3=1.03x352.55+108.51+22.937=494.57 (kcalkg)Q 熔二Gq 玻=8x1000x494.57=3956560 (kcalh)二3956560x4.1863600(kw)=4600.6(kw)
17、6.耐火材料选择与界面温度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。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，能抗玻璃液和配合料的侵蚀，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）尺寸要精准。此外，选择耐火材料时要全盘考虑，不要由于局部薄弱
18、环节而对整座电熔窑 的寿命造成不良影响。一般来讲，熔制硼硅酸盐玻璃和乳浊液时，用纯锆英石质耐火材料衬砌窑底、 流液洞、工作池等部位。6.1耐火砖选用（1）可用耐火砖砖的种类耐火度规格（长x宽x高）/mm硅砖1670 1750C500x150x100粘土砖1580C600x113x300230x113x30普通砖240x120x50电熔AZS砖1730C600x113x300电熔AZS-33砖1730C230x114x32（2）耐火砖的用量区域层次砖种类砖的块数/块窑墙4*2.31*3.2=29.568m2内层硅 砖29. 568*106/(500*150)豚95中间层粘土砖 (600*113*
19、300)437外层普通砖1027窑底2.312=5.3361m2内层电熔AZS砖79中间层粘土砖 (600*113*300)79外层普通砖186窑顶5.3361m2内层电熔AZS-33砖204中间层粘土砖 (230*113*30)206外层普通砖1866.2界面温度检验(1)窑墙热损失最接近池墙的熔融温度预计为1650C,即t=1650C,为了能确定合适的导热系数入，估计t=1430C,t =1350C,t =1180C,t =120CJiJ (查硅酸盐手册 ZD4*3根据温度系数确定导热系数入)( + t2)/2= 1540C(t2 + t3)/2= 1390C(t3 + t4)/2= 12
20、65C(t4+t5)/2= 650C入i= 2.286W/(mC) 入2=4.672W/(mC) 入3 二 1.806W/(mC) 入 4=0.196W/(mC)a =2.2+2* w,22(t-w,2100 J 4 0a =2.2/120 30 + -2(120-30)(120 + 273)4 I WO J(30 + 273)4 I WO J则tw=120C凋围空气温度t尸30C窑墙外表面对空气的传热系数 (kCal/m2*h):+ 273丫 (t +273100 )=13.632千卡/(m2h)=13.62xl000x4.186/3600(W/m2)二15.851(W/m2)通过窑墙散失的
21、热量:t tq = 旻 21 寸。 1 #+X ai-i i 2._1650-30勺广 005_0230?1331+2.286 4.672 1.806 0.196 15.851二 1782.36(W/m2)通过qi检验各层耐火材料界面温度：L= 1650CT2=t1-q1*61/A1=1650-1782x0.3/2.286=1416CT3=t2-q1*82/A2=1416-1782x0.05/4.672=1397CT4= t3-q1b3/%=1397-1782x0.23/1.806=1170CT5= t4-q1*84/A4=1170-1782x0.113/0.196=143C界面温度与假设的温
22、度基本吻合，故假设成立，无须再进行假设计算，且界 面温度均低于材料的最高使用温度，设计合理，予以采纳。(2) 窑底热损失通过窑墙散失的热量，参考公式：q =勺 2 -2 寸O 1+ . a由于池底耐火材料与池壁相同，所以q2=q1=1782.36(W/m2)配合料由此投入，该处温度较低，还是假定与窑墙同样的温度1650C，利 用耐火材料为AZS-33，还假定每平的损失系数与侧墙相同。(3) 窑炉上部结构热损失由于熔融玻璃表面在熔化过程中被配合料覆盖，碹顶应该是冷的，但一定要 考虑到当表面上某一点被熔化后，碹顶被加热，但当熔化中断后，液面暴露出来， 因而碹顶被加热，在计算热损失时没有必要将此计算
23、在内，我们只假设有一部分 暴露的表露的表面，只有一部分碹顶被加热，当正常操作过程，配合料以上和碹 顶之间的温度不会超过700C。上部结构的胸墙熔化池液面以上的侧墙，其耐火 材料的组成与碹顶相同，因此其窑墙内表面温度假设也相同，故每平方的散热损 失也相同。(4) 冷却水带走的热量冷却水进口的温度为42C，出口温度为56C，流量为2x10-6m3/min,一个 电极套吸收的热量为2kw，共有8个电极套。由以上计算可得热量的损失为：P=P 损 1+P 2=1782x2x3x8+1782x8+2x8=115.792(kw)由于未计算冷顶损失和水冷损失以及辐射损失，所以对计算结果进行修正：P损=kP，由
24、于考虑到计算误差很大，所以取k=1.8，即 P 损=1.8x115.792=208.43(kw)输入功率 P 总二P 玻+P 损=115.02+208.43=323.45(kw)由于以上计算难免有一些误差或遗漏的地方，故对功率进一步扩大，所以 P 实=1.2P 总二388.13(kw)7. 电极选择及插入方式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，约为2620C，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。本设计是日产10吨的小型电熔窑，且内部是长方形，适合用单相电源，就 小型单相电熔窑而言，板状电极实际上是
25、最适合的，它们把长度增至最大并有效 地利用了钼电极，从而产生均匀而又低的电流密度。所以本窑炉采用一对板状钼 电极，用适当的方法使钼棒与板状电极相连，使电极与窑壁平行放置。7.1电极尺寸选择(1) 根据玻璃工业热工设备，板状钼电极一般厚度为220mm之间，最 大面积为1m2,因此，本窑炉中的钼电极可取厚度10mm，电极与窑池壁间距 50mm。取电极的高度为h2,即0.525m，长度选1m，则钼电极面积为0.525m2。(2) 玻璃液电阻率与温度有关lgp=a-btx10-3 a=3.8306+0.003761*0.8+0.0326*0.12+0.08514*0.003+0.1776*0.051彳
26、.8468; b=1.7738+6.254*0.00001*0.8+0.0087*0.12+0.058*0.003-0.0539*0.0511.7723pQ18.92Q cm(3) 板状电极间玻璃液电阻玻璃导电的有效面积A=0.525m2， 则电极间玻璃液电阻R=K1K2b/A、一考虑窑池形状影响因素，K1=h2/H+0.145(H/b)0.5；电一考虑电极全池底的影响因素，K2=1-0.0455(H/h2)(h3/H)0.325式中：b电极间的几何距离，cm.K产0.393 K20.8827 R湖.31Q(4) 电熔窑总功率PP=Gxq0=(10000/24)x2.5a1041.67kw式中
27、：q0为单位耗电量(度/kg玻璃液)。(5) 电熔窑电压U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，变压器二次则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。U= . PR *1000 柘68.26VI二：旦 *1000 Q1833.09AR(6)电极电流密度jj=I/A=1833.09/(0.525*10000R0.35A/cm27.2钼电极的插入方法由于本窑炉采用的是单层板状钼电极，所以该电极适合在烤炉前或者冷修后 放入，用钼棒固定在窑炉壁上，钼棒位置最好呈三角形，稳定安全。
28、如上所述， 板状钼电极与池壁距离50mm，高度0.525m，长度1m，与前后壁相距0.79m， 厚度10mm。8. 窑炉设计图硅砖粘士砖，:gs。产枸尸门门 ，-6y4-9.结语本窑炉是设计日产量为8吨，显然，这是一个小型窑炉，玻璃电熔窑一般是 全电熔的占多数，所以，跟随时代脚步，我选择了全电熔玻璃窑，高度大约为 2m，熔化率1.5t/m2d，玻璃融化温度选择的是1650C。再由书上的一系列公式 推算出熔窑的长宽高，一切遵循最简化原则。电极也是选择最通用的板状钼电极。 最后的耐火材料选择也是较粗略的估计了砖的块数，根据耐火度的不同来筛选， 需要填补的地方可对耐火材料做适当的切割。另外，热量的回
29、收与利用是很有必 要的。就当今国内玻璃窑炉而言，绝大多数都采用火焰加热或电助熔，全电熔窑炉 并没有得到普遍的应用。然而，鉴于电熔窑的诸多优点，全电熔窑取代火焰窑是 玻璃窑路发展的必要趋势。作为一门新的知识和技术，我们有必要去学习它，掌 握它。在本次设计中，我采用了 AutoCAD简单地绘制了一座日产8吨硼硅酸盐 玻璃的全电熔窑炉。全电熔窑具有很多优点：产品质量好、熔化能力强、节能、挥发组分少、烟 气量少、无噪音、工作环境好、窑内温度便于调节、容易实现自动化、投资少、 占地面积小等。就目前来说，电熔窑没有得到普遍采用主要是耗电太多而导致生 产成本偏高，其次是没有理想的电极材料。但随着工业科技的发展，这些问题都将得到很好的解决，电熔窑一定会普及全世界玻璃工业生产线。10.参考文献1. 孙承绪.玻璃工业热工设备.武汉工业大学出版社，19962. 孙晋涛.硅酸盐工业热工基础.武汉工业大学出版社，19923. 刘振群.陶瓷工业热工设备.武汉工业大学出版社，19894. 孙承绪.玻璃窑炉热工计算与设计.武汉工业大学出版社5. 玻璃工艺学.西北轻工业学院.中国轻工业出版社
