鈣鎂系黑色微晶玻璃池窯的結構分析

摘 要 本文針對鈣鎂系黑色微晶玻璃料粘度變化大、結晶上限溫度高和導熱系數低等特征，對微晶玻璃池窯結構設計和施工進行了一些探索，并在中試中應用，得到了較好的效果。

關鍵詞 鈣鎂系，微晶玻璃，池窯，壓延法

1前 言

2005年我公司增開一條年產18萬m²的鈣鎂系黑色壓延礦渣微晶玻璃生產線，其基礎玻璃的化學組成（wt%）為：SiO² 45～65、CaO 10～20、MgO 1～5、Al₂O₃ 6～12、K₂O 1～3、Na₂O 1～3、Fe₂O₃ 3～6、CoO 0～0.5、I.L 1～5^[1]；其基礎玻璃的DTA分析見圖1。從玻璃組成范圍和基礎玻璃的DTA分析可看出，該種玻璃具有粘度變化大、結晶上限溫度高、玻璃熔料導熱系數低的特性。

黑色壓延礦渣微晶玻璃池窯是在原微晶熔塊池窯上改造而成的，重慶某公司的設計方案如圖2所示，其主要結構如表1。

該池窯試產時出現加料困難、流液洞堵塞和成形困難等問題。筆者針對鈣鎂系黑色微晶玻璃的特性、壓延法生產的基本條件及中試的情況對玻璃池窯結構進行了重新設計并在生產方面進行了一些探索性的中間生產試驗。

2新池窯結構設計

新設計的池窯結構特征如表2所示，其結構示意圖如圖3所示：池窯由小爐、熔化澄清池、加料小池、放料孔、液面測試孔、窯坎、擋料過橋磚、料道及料道放料孔等組成。采用兩對螺旋加料機雙邊錯位加料并配合激光液面控制儀來保持液面的穩定；工作部采用可上下移動的流延式簡易工作部。工作部保溫良好，且在頂部裝有一組輕油槍。壓延機為獨特三輥壓延機并由送料輥、壓延上輥、壓延下輥、承接輥、機架、傳動系統及水冷卻系統組成。機架呈45°角傾斜，承接輥與機架垂直。

3結果與分析

3.1 中試結果

重新設計改造的池窯在2005年12月進行了試產，試產時投料和放料生產作業都比較順利。當將工作部唇磚下降到液面下100mm位置后，液面開始穩定下來，生產時沒有出現斷板、卡棍、粘輥、纏輥的現象，爐內的熱點、料毯層、泡沫層和泡界線分布穩定。生產時的工藝技術參數如表3所示。經晶化窯核化、晶化、退火后的產品物理性能如表4所示。

3.2 小爐結構分析

原池窯小爐的設計存在小爐短、噴火口小、噴火口磚角度離心和回火嚴重等問題。由于小爐是關系熔爐節能的最直接因素，上述問題將造成燃料利用率低，浪費能源。重新設計時，我們將小爐噴火口寬度由原來的900mm增加至1000mm，噴火面積明顯增大，并對噴火口磚進行了重新設計。對山墻材料進行了調整：一方面將山墻全部換為電熔磚，另一方面設置了過渡鋯質磚。原小爐橫向磚的設計與窯體縱向硅磚有抵觸，在烤窯時出現頂裂胸墻現象，對此，我們在設計時留了兩條膨脹縫，從而解決了以上問題。

3.3 加料口結構及其裝備分析

原設計方由于過多考慮回爐料的再利用而忽略了微晶配合料粘性變化大、析晶上限溫度高的特征，設計的加料口為敞開的加料池結構，加料方式為單側壟式加料。該結構在中試投熟料不到半小時就出現加料口堵塞和預熔池凍結的現象，并三次燒毀電機，后改為人工加料，直到液面線升高后方可自動加料。從窺火孔看到的現象是熔化區內的配合料呈“冰山”狀，沒有形成“料毯”層和“泡沫”層，泡界線也不穩定；料層區過不了熔爐中心線，倒槍后，料層區略微可見呈壟狀，加料口對面的鏡面三角區略有縮小，而料層三角區則延伸至耳池附近，澄清區分布在耳池對面的區域，這與陳興孝描述的單邊加料料層分布情況大不相同^[2]。停產后，我們發現加料口對面的小爐及蓄熱室腐蝕特別嚴重，小爐內發現有很多鐘乳石狀玻璃柱，而加料口側完好無損；加料口胸墻腐蝕較嚴重。從上面的情況可知：由于微晶配合料粘度變化大、析晶上限溫度高，所以在預熔池內基本呈結晶狀態，加料口的玻璃液也呈粘度極高的粘稠凍融體；這些凍融體封堵住加料口，使配合料很難進入熔池內。

新設計的池窯加料機為大功率不銹鋼機頭且帶冷水包的螺旋加料機，為避免在加料機附近形成大堆積料，新設計的加料結構采用多臺大功率機雙邊加料。微晶玻璃由于硬化速度快、結晶傾向大，在窯爐的底部最易形成一層不動層，在玻璃液的表面又會形成一層變質層(因易揮發成分的揮發)。形成的不動層和變質層會導致玻璃的析晶。當采用螺旋式加料后，由于密封保溫好，能使玻璃液內部高溫區域增大、對流加快，從而降低了析晶的傾向，使玻璃液質量提高。多臺加料機的均勻布置，解決了熔池內料毯層、泡沫層和熱點鏡面區的不合理分布，從而真正解決了熔化率低和單側加料口對面小爐侵蝕嚴重的問題。

3.4 熔爐主爐、分隔裝置及工作料道結構分析

原池窯在試產時，投入熟料不久就看到工作料道液面已凝固，用硅酸鋁纖維毯對流液洞進行保溫后，給工作料道加熱至1400℃并保溫4h，然后用不銹鋼中空管向流液洞鼓入高壓空氣才有局部流通，但半小時后又出現流液洞堵塞的情況，最后只能進行放液處理。在放液初期，玻璃液粘度大、流量小，4h后（約放料6～10t），玻璃液粘度劇減，出現玻璃液失控事故。在試產時，工作部唇磚、檔磚和托磚均出現凝固“黑料”和結晶“白料”，最后“白料”和“黑料”越來越多，動態玻璃料“紅料”越來越少，板越來越窄，再加上流液洞堵塞和加料機難以加料而停產放液。停爐拆遷工作料道和流液洞時，發現流液洞和工作料道液線下400mm以下已結晶。

根據筆者經驗，黑色鈣鋅系微晶玻璃料在火焰空間以下100mm內，液面每下降1mm，溫度將下降1℃；在火焰空間以下200mm至300mm內，液面每下降1mm，溫度將下降1.2℃，而微晶玻璃料的上限結晶溫度是1180℃。因此，若液面溫度為1500℃，則流液洞取料口應在液面下400mm部位，且熔池深不應超過600mm，料線至池底板的高度應不大于500mm。新設計的池窯在結構上還考慮到熔池內對流域和工作流分布情況，使玻璃液流通無阻滯、無死區，溫度場更合理。

3.5 工作部及壓延機的結構分析

原成形供料工作部和壓延機組的設計以溢流法供料和等徑雙輥水平壓延為主，因該方法對玻璃液阻滯較嚴重，且全部在裸露情況下作業，故很難滿足壓延微晶玻璃的生產要求。新設計的工作部與壓延機組徹底取消了所謂的“壓延三磚”（閘板磚、擋磚和托磚），使供料少了三種阻滯；新設計中還將供料方式改為流延方式，利用重力和粘度作用使料均勻穩定地供給；將壓延機適當前傾，將下輥更換為大輥并增加一根給料輥，這些改動可杜絕出現壓延機出口料的死角。此外，筆者還將水箱改小為三根可通水的傳動輥。活動輥臺的長度改為500mm之內，并且增設保溫輕質活動箱體結構和紅外線測溫點，對玻璃帶的溫度進行測控。新設計方案在壓延機定位（即測厚定位）和壓延輥溫度控制方面充分吸取了塑料壓延機在這方面的成功技術，使得厚度偏差控制在±0.5mm內，為后期拋光作好準備。壓延輥溫度的精確控制對解決纏輥、粘輥和卡輥起到了很好的作用。

新池窯的工作部采用活動工作部，工作部耐火材料組成為：厚400mm、長400mm、寬1600mm的唇底磚（由兩塊厚400mm、長400mm、寬800mm的﹟41電熔磚組成）、厚300mm、長800mm、高800mm的側墻磚（由四塊厚300mm、長400mm、高800mm的﹟36電熔磚組成）；前山墻由厚300mm、高400mm、長2200mm的基礎磚（由兩塊厚300mm、高400mm、長1100mm的﹟33電熔磚組成）、氧化鋁空心球標磚、280mm厚的輕質保溫磚和20mm厚硅酸鋁纖維毯保溫層組成；側墻也同樣采用280mm輕質粘土磚和20mm硅酸鋁纖維棉組成；碹角磚用燒結鋯質；碹頂磚用280mm氧化鋁空心球鍥形磚、50mm鋯纖維毯和20mm硅酸鋁纖維保溫層。機械液壓控制部分包括：10mm不銹鋼金屬框架、輕軌鋼導軌、導輪、液壓缸、泵站和液壓控制元件等組成。生產時由PLC和電磁閥來控制工作部的上下移動。此外，工作部流延口頂部還裝有液化氣槍，前墻裝有窺視孔和處理孔。工作時，玻璃液流注到壓延機三輥組成的工作腔內，經給料輥的動態均勻給料和上下壓輥的壓延形成穩定板根，從而為產品的穩定生產提供了前題。

3.6 控制點分布及控制情況分析

原設計窯池的溫度控制點僅考慮了燃料的燃燒情況，而沒有對玻璃液的溫度場加以測控。新池窯溫度控制點的設計主要以控制玻璃液溫度場為重點，并以基礎玻璃的DTA分析、玻璃的粘性、池窯結構和工作部結構特性為依據，新設計的溫度測控工作點如圖4、圖5所示。

原設計池窯的玻璃液面控制儀為接觸式氣動液面控制儀，測控點為澄清區的耳池。由于耳池散熱大，影響池窯玻璃液溫度場分布且受氣壓影響較嚴重，所以新結構采用激光液面控制儀。測控點也增為兩個：一個是分隔裝置前澄清區燃燒室側墻；另一個是工作部前的工作料道側墻。在生產時，不僅要使澄清區玻璃液面穩定在±1mm內，也要使工作料道液面與澄清區液面之差穩定在±1mm內。

3 結論

(1) 黑色壓延微晶玻璃池窯的設計一定要打破傳統壓延玻璃池窯的設計觀念，避免設計上的誤區，減少投資風險；

(2) 玻璃料性粘性變化大、導熱系數低和結晶上限溫度高是池窯結構及其附件設計的基本依據；

(3) 本探索性試驗的成功為黑色壓延微晶玻璃池窯設計開辟了一條新的思路，也為壓延微晶玻璃池窯的設計和生產提供了一個較為成功的經驗。

參考文獻

1 韓復興等.多種工業礦渣微晶玻璃的研制[J].佛山陶瓷，2005（4）：8～10

2 陳興孝.偏心式流液洞[J].玻璃與搪瓷，2001（3）：31～32