Управление процессом стекловарения

 

Протекание процессов варки стекла на определенном участке печи, на котором происходит удаление шихты от холодного загрузочного кармана и приближение к зоне максимальных температур, обусловило необходимость контроля температур по длине печи. Таким образом, в стекловарении возникло понятие температурного режима по длине печи, контроль которого длительное время являлся основным средством управления процессом стекловарения. Однако в настоящее время установлено, что этого недостаточно для получения стекла стабильно высокого качества. Расширение знаний о процессе стекловарения, а также развитие и совершенствование средств контроля показали, что для создания научно обоснованной технологии стекловарения необходимо оперировать понятием технологического режима варки стекла вместо температурного режима. Это понятие включает:

– тепловой режим по длине печи;

– гидравлический режим печи;

– параметры материального баланса печи;

– температурный режим по длине печи вплоть до зоны формования.

Основным принципом управления стекловаренной печью является поддержание постоянства важнейших параметров технологического процесса варки стекла, что, в свою очередь, позволяет обеспечить необходимые химическую и термическую однородность стекломассы и температуры формования. К ним относятся:

– уровень стекломассы;

– суточный съем стекломассы;

– соотношение шихта – бой;

– объем загружаемых шихты и боя;

– давление в полости печи;

– разряжение в регенераторах и боровах;

– температуры во всех точках варочного бассейна, студочной и выработочной частей в газовой полости печи и в стекломассе;

– температуры регенераторов;

– соотношение топливо – воздух.

Поскольку температурный режим печи определяется условиями нагревания стекломассы, то в настоящее время на первое место по важности в технологическом процессе варки стекла поставлен тепловой режим печи. Это же обусловлено имеющейся в настоящее время возможностью измерять расходы топлива.

 

Тепловой режим варки

 

Важнейшая роль теплового режима для современных стекловаренных печей связана с тем, что при измерении температур пламенного пространства не всегда удается получить достаточно полные и объективные сведения о температуре стекломассы, об условиях ее нагревания и о распределении температур по глубине и ширине выработочного потока. Это, в свою очередь, вызвано неоднородностью факела и неравномерностью распределения излучения по его длине, что оказывает влияние на термическую однородность поверхностных слоев стекломассы.

У факела имеется особенность излучать тепловую энергию на поверхность стекломассы и в пламенное пространство различным образом. Это свойство называют направленным излучением. Оно зависит от конструкции горелок, высоты свода, величин коэффициента избытка воздуха, условий установки горелочных блоков, от характера смешивания топливо – воздух. Ни один из перечисленных факторов не учитывается при измерениях температур пламенного пространства, но они влияют на условия нагревания стекломассы и вызывают изменения ее температуры в отдельные периоды времени при полном благополучии с температурами пламенного пространства.

Особенно значительную роль для температуры стекломассы играет давление в газовой полости печи, так как оно влияет на объем дымовых газов в пламенном пространстве. Будучи более холодными, они стремятся попасть в нижнюю часть пламенного пространства, то есть расположиться под факелами. Это, в свою очередь, приводит к экранированию поверхности стекломассы от излучения факелов.

Большое значение в теплообменных процессах между факелом и стекломассой имеет протяженность зоны варки, являющейся тепловым экраном. Удлинение зоны варки приводит к снижению количества тепла, воспринятого стекломассой. Тогда при неизменной производительности печи и расходе топлива в пламенном пространстве печи будет избыток тепла, приводящий к росту его температуры. Точно также при сокращении зоны варки через открытое зеркало стекломассой будет воспринято большее количество тепла, что при прочих равных условиях приведет к снижению температуры пламенного пространства. Иными словами, в работе стекловаренной печи могут возникать такие условия, когда температуры газового пространства и стекломассы будут изменяться в противоположных направлениях. Даже в отдельные периоды, когда они изменяются в одном направлении, пропорциональность между ними никогда не соблюдается.

Таким образом, целый ряд условий работы печи приводит к тому, что контроль температур пламенного пространства не позволяет получить достаточно полной картины условий нагревания стекломассы. Соответственно температурный режим по верхнему строению печи перестает играть решающую роль для промышленного стекловарения.

Под тепловым режимом печи понимают:

– режим распределения топлива по горелкам, или относительные тепловые нагрузки горелок по длине печи;

– общий расход топлива на печь и удельный его расход;

– соотношение топливо – воздух в целом на печь и режим его изменения на каждой горелке по длине печи;

– тепловое напряжение варочного бассейна и тепловое напряжение над зоной варки.

Основные положения, которые должны соблюдаться при распределении топлива по горелкам на пусковой период:

– общий расход топлива на печь и режим его распределения должны обеспечивать заданные температуры формования;

– тепловая нагрузка зоны варки должна обеспечивать протяженность зоны варки 50% длины варочного бассейна;

– тепловая нагрузка зоны варки должна обеспечивать соотношение площадей зон плавления куч шихты и варочной пены 1: 1;

– тепловой режим печи должен обеспечивать четко очерченную границу зоны варочной пены без появления участков вторичной пены в зоне чистого зеркала стекломассы;

– суммарный расход топлива на две первые пары горелок должен находиться в пределах 32–40% от общего расхода топлива на печь;

– суммарный расход топлива на две последние пары горелок не должен превышать 20%.

На режим распределения топлива по горелкам оказывает влияние большое количество факторов. Поэтому его приходится подбирать на каждой конкретной печи в пусковой период. В большой степени это относится к двум первым и последним парам горелок.

При близком расположении первой пары горелок к торцевой загрузочной стене приходится ненормально ограничивать расход газа на первую горелку из-за сильного выбивания дымовых газов из загрузочного кармана и из-за необходимости создавать нормальные условия для работы загрузочной арки. Этот дефект режима должен исправляться путем реконструкции данного участка печи. В текущей работе в этом случае должны предъявляться повышенные требования к герметизации загрузочного кармана.

При сильном расширении фронта загрузки шихты или при загрузке шихты и боя пеленой заметно сокращается приход тепла под шихту. Соответственно наблюдается снижение температуры стекломассы под слоем шихты, которое, в свою очередь, приводит к примерзанию шихты в углах загрузочного кармана и нарушению всего режима загрузки. Это явление ликвидируется повышением расхода топлива в зоне варки до 38–40% с одновременной нагрузкой горелок в зоне максимальных температур.

В дополнение к теплотехническим показателям режима ведется визуальный контроль за внешним видом факелов. При этом фиксируется симметрия расположения факела относительно оси горелки, степень удаленности факела от огнеупоров влетов горелки, перелеты факела, то есть положение видимого конца факела относительно влета противоположной горелки, работающей на отходящую сторону, завихрения факела в сторону свода, степень удаленности факела от свода.

 

Гидравлический режим варки

 

Гидравлический режим печи официально называют газовым. При этом понимается группа теплотехнических параметров, которые определяют условия эвакуации из печи дымовых газов и поступления в нее воздуха для процесса горения. От соотношения расходов введенных в печь и эвакуированных из нее газов будет зависеть уровень давления в газовой полости печи.

Уровень давления в полости печи, а также температуры и разрежения у основания регенераторов определяют объем воздуха, поступающего в печь на горение при естественной его подаче. Регулируется его количество с помощью секционных шиберов, а при их отсутствии – с помощью главного шибера. При этом задают величины коэффициента избытка воздуха. В свою очередь, они выбираются с учетом того, что при значительном избытке воздуха часть тепла должна тратиться на его нагревание, а в полости печи появляются избыточные объемы дымовых газов, которые трудно эвакуировать. При недостатке воздуха процесс горения протекает не полностью, и поэтому температура в печи снижается. Наиболее эффективно, с максимальным излучением от факела, процесс горения протекает при коэффициентах избытка воздуха 1,05–1,10, По длине печи допускается возрастание коэффициента избытка воздуха для обеспечения окислительной газовой среды в зоне открытого зеркала стекломассы. Учитывая это, средний коэффициент избытка воздуха для всей печи оказывается также выше оптимального.

Обычно атмосферу в непрерывнодействующих стекловаренных печах (в варочной части слабо восстановительную, а в зоне осветления и неотапливаемых частях – слабо окислительную) регулируют в тех случаях, когда часть щелочных оксидов вводят в стекломассу в виде сульфата натрия. Однако в современном стекловарении требование восстановительной среды в зоне варки, то есть коэффициент избытка воздуха менее 1, при варке содово-сульфатной шихты не выполняется, так как это приведет к значительному перерасходу топлива и быстрому разрушению огнеупоров пламенного пространства. Оно реализуется только при варке небольших количеств стекол специального назначения. Вместо указанного выдвигается требование обеспечить над зоной варки коэффициент избытка воздуха, близкий к единице (1,02–1,05). Необходимый восстановительный потенциал в стекломассе при этом создают за счет подбора оптимального соотношения сульфат – восстановитель.

Величина коэффициента избытка воздуха влияет на светимость и длину факела. Поэтому иногда на практике делаются попытки обеспечить требуемую длину факела и отсутствие видимого копчения путем регулировки расхода воздуха по внешнему виду факела с помощью секционных шиберов. Поскольку при этом могут произойти изменения температур стекломассы и положения зоны варки, то есть непредвиденные последствия, то такие вмешательства в режим работы запрещаются.

Газовая среда печи и режим расхода воздуха на горение должны настраиваться по анализу отходящих газов на каждой горелке. Пробу отходящих газов на анализ отбирают из середины вертикального канала горелки над регенератором с помощью водоохлаждаемых трубок.

На основе анализа отходящих газов устанавливают величины коэффициентов расхода воздуха на каждой горелке по длине печи.

Стекловаренная печь и выработочная ее часть должны находиться под слабоположительным давлением, так как только в этих условиях обеспечивается изотермия выработочного потока по его ширине и глубине и, соответственно, устойчивый процесс формования, особен-
но при производстве листового стекла.

Давление в полости печи измеряется относительно давления в среде, окружающей печь. Если давление в печи упадет до отрицатель-
ного, то окружающий воздух будет поступать в газовую полость печи через все неплотности. Будучи холодным, он будет занимать самый нижний уровень в полости печи, то есть расположится вблизи поверхности стекломассы и охладит при этом выработочный поток. Именно этим опасна работа печи под отрицательным давлением.

Разряжение в газовой печи возникает при излишне интенсивной эвакуации из печи дымовых газов, что зависит от сильного открытия главного шибера или от неправильной установки секционных шиберов, а также при большом количестве открытых окон различного назначения, имеющихся в печи.

 

 

Температурный режим варки

 

Температурный режим по верхнему строению печи и температуры стекломассы являются итогом организованного процесса горения и сложившегося теплового баланса, то есть соотношения между термопарами, размещаемыми в отверстиях в подвесных стенах и в своде по оси печи. В зависимости от принятого способа измерения температуры меняются иногда на 100°С, поэтому температурный режим газового пространства достаточно условен, учитывая те ограничения, которые были описаны выше. Кроме того, на показания приборов влияют длина и форма факела (плоский или веерообразный факел, факел с перекрещивающимися струями).

Контроль за температурами газовой полости печи позволяет получить информацию об уровне максимальных температур в печи, о температурах над зоной варки, о характере изменения температур по длине печи; то есть о соблюдении плавного подъема температур до максимальных и о плавном снижении их к концу варочного бассейна без какого-либо локального их повышения, о месте расположения зоны максимальных температур по длине печи и о степени совпадения этой зоны с конечными участками варочной пены. При этом предъявляются определенные требования, которые должны строго соблюдаться на многогорелочных печах, особенно в производстве листового стекла:

– температурный режим должен обеспечивать заданные темпера-
туры формования. Средний уровень температур должен быть не ниже 1450–1500°С;

– уровень максимальных температур должен быть не выше 1580–1590°С и не ниже 1500°С;

– температурный режим должен обеспечивать протяженность зоны варки не более 50% от длины варочного бассейна;

– область максимальных температур должна быть приблизительно в середине варочного бассейна по его длине. Например, в больших печах на расстоянии 1015 м от торцевой загрузочной стены. Вдоль остальных участков отапливаемой и неотапливаемой частей печи температура должна постепенно повышаться и понижаться до выработочной;

– необходимо избегать повторного повышения температуры пос-
ле зоны максимальных температур, так как это приведет к появлению вторичных пузырей;

– зона максимальных температур должна располагаться под конечными участками варочной пены, и совпадать с квельпунктом;

– снижение температуры от зоны максимума температур до последней пары горелок должно происходить плавно, со скоростью 6–
15 град/мин.

Из всех известных путей увеличения удельных съемов стекловаренных печей является температура варки. По усредненным данным, увеличение производительности печи при повышении температуры варки в интервале 1450–1500°С на каждые 10°С составляет 8%. Выше 1500°С это увеличение составляет 10%.

Широко известна статистическая формула Шарпа, выражающая связь между температурой и удельной производительностью печи:

Т = 1410 + 6571 (Q / F),

где Т – температура печи, °С; Q – съем стекломассы, т/сут; F – варочная площадь, м².

Для печей листового стекла среднестатистическое повышение производительности под влиянием температуры составляет 4–5% на каждые 10°С. На лучших печах достигнут прирост 7,3%.

С повышением температуры варки и длительности выдержки расплава при максимальных температурах возрастают микротвердость, модуль упругости, прочность на излом и приближаются к предельному значению.

Температурно-временные условия получения исходного расплава оказывают существенное влияние на кристаллизационную способность стекол, вызывая изменение температурных пределов кристаллизации. Они сближаются вплоть до полного исчезновения способности к кристаллизации. С повышением температуры варки повышается химическая устойчивость стекол.

Все это связано с влиянием температуры варки на химическую однородность стекла. Соответственно улучшаются те физико-хими-
ческие свойства стекла, которые зависят от его однородности.