CN101456664A - 特种纤维玻璃熔制方法及其专用电熔窑炉 - Google Patents

Abstract

一种特种纤维玻璃熔制方法，步骤是配制混合料、熔制、澄清。熔制前，电熔窑炉先进行烤窑；熔制过程中，维持窑炉热点温度在1500～1600℃正常运行；熔制时，熔化部内的玻璃液深大于600mm。所述方法的专用电熔窑炉，包括电极、熔化部、成型部供电系统。熔化部池壁的下部设有过桥流液洞，成型部的底部设有与之对应的过桥流液洞，两个过桥流液洞通过过桥连通。熔化部的横截面是正方形；熔化部上设有的拱形碹顶；电极插在熔化部的底部插入炉内的高度为450～550mm。成全对称布置；供电系统采用Scott方式给电极供电；熔化部的深度大于600mm。本发明适用于熔制难熔的特种玻璃料，应用本发明得到特种玻璃料玻璃球，具有良好的拉丝工艺性能。

Description

特种纤维玻璃熔制方法及其专用电熔窑炉

技术领域

本发明涉及一种玻璃的生产方法，具体是一种用于生产特种玻璃(如高强玻璃、低介电玻璃、耐辐照玻璃等)熔制方法及其专用电熔窑炉。

背景技术

特种纤维玻璃通常采用电熔窑熔化玻璃，美国专利4262158中介绍特种玻璃熔炉采用铂铑合金电极加热的高液位、冷顶窑炉熔化玻璃，但该窑炉需大量铂铑合金，且高液位熔窑相应工艺仅适用于透热性好玻璃。一般来说，纤维玻璃生产工艺流程：原料——加水清洗——晒干——放入坩埚——喷灯引火预热——点火加热——玻璃溶化调正温度——成品——入库。

一般来说，特种纤维玻璃，如高强纤维玻璃、低介电、耐辐照、高模量、高硅氧等纤维玻璃，特别是高强、低介电、耐辐照等纤维玻璃，采用的熔窑液深小于450mm，窑炉结构为长方形，长宽比在2:1以上，窑炉的面积熔化率低，能耗高。具体来说，由于以往的玻璃熔窑中，采用长方形的熔化部，在相同的面积熔化率的条件下，长方形熔化部的热损失较大，不利于节省能耗。熔化部采用平顶，在使用过程中出现塌陷的现象，炉顶侵蚀较大，缩短窑龄。熔化部采用板状电极在使用的过程中，特别是窑炉后期由于电极的变形使得窑炉的二次电压较小，二次电流逐渐增大，导致底部砖材的侵蚀速度加快。不利于保证熔制玻璃的质量，且缩短了窑龄。另外采用板状电极玻璃液的热点温度变化较大。

发明内容

本发明的目的，是提高特种玻璃熔窑面积熔化率，降低玻璃熔化能耗，并延长玻璃电熔窑炉的寿命。为达到该目的，本发明的技术方案为：

一种特种纤维玻璃熔制方法，步骤包括：

1)配制混合料：将各成份的原料按重量份计配比为：石英砂：50～60，氧化铝：20～28，氧化硼：0～7，氧化铈：0～4，氧化铁：0～4，氧化镁和氧化钙：11～16，分别称量待用，各成份配比之和为100，粉碎、混合均匀，粉料的粒径为180～220微米；(氧化镁和氧化钙任意配比，只要总重量在11～16份范围即可)

2)熔制：将步骤1)制得的粉料投入到电熔窑炉进行熔制，熔制温度控制在1500～1600℃范围内；

3)澄清：将步骤2)制成的高温玻璃液，流入采用石英砖作内衬或砌体的澄清池内，经澄清，均化后流入作业池内；该澄清池和作业池内均设有钼电极加温装置，经双孔的铂金漏板中流出，从铂金漏板中流出的温度控制在1390～1430℃，经过不锈钢翻板和制球机制成玻璃球；

所述步骤2)中，电熔窑炉先进行烤窑：首先全部采用上述特种纤维玻璃的碎玻璃填窑，根据制定的烤窑升温制度进行升温；

熔制过程中，当窑炉温度达到1000℃时放大火，升温速率加快至60±5℃/h；按时观察玻璃液表面，及时补料避免电极暴露在空气中；当玻璃液深正常时固定电工参数，稳定后进行测温(稳定时间一般是一天)，根据测温结果调整电工参数，维持窑炉热点温度在1500～1600℃正常运行；熔制时，在电熔窑炉熔化部内的玻璃液深大于600mm；

所述电熔窑炉熔化部的横截面是正方形；熔化部的底部插有多个圆柱状电极，采用Scott方式供电；该电极成全对称布置，电极插入炉内的高度是为450～550mm；熔化部的碹顶是拱形的；熔化部的深度大于600mm。

烤窑结束后，根据熔制热点温度即1500～1600℃的要求确定熔化部电功率，窑炉特种玻璃球日产量要求，以及控制粉料层100～150mm的要求，一次性将粉料投入电熔窑炉中的熔化部。

本发明纵深方向的温度变化主要是由于钼电极电阻比玻璃液电阻小得多，电阻最小处通过最大的电流，一方面热玻璃自下而上流动，离开电极顶部的玻璃液温度很高，另一方面池底电极水冷且保温条件比四周差，因而温度较低。温度从低到高又从高到低的纵向分布正是熔制工艺所要求的。

在二垂直电极之间即电力作用区间，玻璃液形成的对流称为内环流，而在电极与池壁砖之间的玻璃液流动称为外环流。

温度较高的玻璃液向温度较低的区域流动，而较冷的玻璃液则由于静压的变化向热区回流，内环流内由于获得绝大部分能量，一方面使玻璃液沿电极表面朝液面上涌，然后向中心或较冷区域水平运动；另一方面由于热膨胀，中心膨胀程度大于边缘区域，使中心液面微微向上拱起，玻璃液总重量未因温升而变化，故池底各处静压基本不变，此时产生一由中心向四周扩散的压力差，在压力差作用下玻璃液从中心向四周流去。这种液流首先从表面开始，遇到电极顶端上涌的液流又使它改变速度和方向，甚至折回。中心液流运动时其总重下降，使池底压差发生变化，池底四周玻璃液向中心流入。连续生产时，产生的作业流与环流方向互成角度，形成了适合于玻璃均化的螺旋状合流。

所述步骤1)中粉料混合是通过气力混合。

所述烤窑步骤中，用升温采用硅碳棒；测温采用用热电偶。

一种上述方法的专用电熔窑炉，包括电极、熔化部、成型部供电系统，熔化部池壁的下部设有过桥流液洞，成型部的底部设有与之对应的过桥流液洞，两个过桥流液洞通过过桥连通；

熔化部的池底采用致密锆砖，池壁采用石英砖，过桥采用致密锆砖，池底的背衬采用锆英石砖；熔化部池底的保温砖采用粘土浇铸大砖，池壁的保温砖采用轻质高铝砖；熔化部的横截面是正方形；

熔化部上设有的碹顶，碹顶从下到上依次采用高铝硅碳棒孔砖、莫来石碹角砖、莫来石碹顶和轻质高铝砖；

成型部的底部从下至上依次采用铸铁板、石棉板和石英砖；成型部的顶部从下至上依次采用硅碳棒孔砖，莫来石顶砖，轻质高铝保温砖；成型部的池壁采用石英砖；

所述电极是柱状电极，有多个，插在熔化部的底部；所述供电系统采用Scott方式给电极供电；所述电极成全对称布置，电极插入炉内的高度为450～550mm；熔化部的碹顶是拱形的；熔化部的深度大于600mm。

碹顶的顶部设有测温孔；所述成型部顶部设有测温孔。

电极与插在熔化部的底部接触处设有致密锆电极砖，电极穿过该致密锆电极砖进入熔化部。

成型部的侧壁设有板状插电极；在所述成型部的底面设有流液洞。

流液洞设在远离过桥流液洞一边。

本工艺和设备适用于熔制难熔的特种玻璃料，如低介电、耐辐照、高模量等纤维玻璃。应用本发明得到特种玻璃料玻璃球，该玻璃球具有良好的拉丝工艺性能。

本发明与现有的特种玻璃电熔窑炉相比具有的优点包括：

(1)具有较小温度梯度分布的温度场，热点温度和热点区间稳定。且电工参数稳定。避免由于温度波动产生的窑炉砖材的侵蚀。

采用scott接线方式，对完全对称两对底插电极进行三相供电，解决了供电不平衡的问题。由于底插电极完全对成布置，在这种情况下，四根电极之间的电压降不会因为负载的变化而变化，始终保持正方形的向量关系。利用完全对称的电极布置方式，或接近于完全对称的电极布置，无论从电窑的内部功率分配还是从变压器的充分利用都是最合理的。

(2)玻璃熔制熔化部实现冷顶(玻璃液表面覆盖冷料层)，减少了熔制过程中的硼挥发和热损失，降低玻璃熔化能耗。

在处于“冷炉顶”的熔化过程中，配合料不发生水平运动，玻璃物料总体走向是自上而下完成熔化过程，即垂直熔化。由于是处在垂直电极连续加热区域内，均化作用极为明显。而配合料的分解与化合反应发生在配合料层与玻璃液面之间，此时，气体、砂粒及玻璃态物质三相并存，形成厚度约80～100cm的半熔融层，连续生产时，建立了配合料、半熔融层和玻璃液的动态平衡。

(3)由于采用方形熔化部，缩小了熔化面积。面积熔化率提高约30％。在垂直布置电极的电熔炉中，其体积熔化率要大于同样数量水平布置电极电熔炉的体积熔化率。因为前者所产生的玻璃液流动较后者更均匀有效。垂直电极根部附近的玻璃液温度较低，因此铺底砖，电极砖侵蚀不明显。

(4)与现有的特种玻璃电熔窑相比玻璃熔化单位能耗可以降低15％。

附图说明

图1是电熔窑炉的正面剖视图

图2是电熔窑炉的顶面剖视图

图3是电熔窑炉的熔化部侧面剖视图

图4是电熔窑炉底插电极与励磁变压器的接线图，图中A、B、C和D是底插电极

图5是图4的内部等效电路图

图中标号为1—致密锆电极砖，2—池壁保温层，3—石英池壁砖，4—成型部板状侧插电极，5—流液洞，6—致密锆过桥砖和致密锆池底砖，7—底插电极，8—熔化部测温孔，9—锆英石池底背衬砖，10—莫来石碹顶砖，11—炉门砖，12—熔化部高铝硅碳棒孔砖，13—成型部高铝硅碳棒孔砖，14—成型部测温孔。15—熔化部碹顶，16—碹角砖，17—过桥流液洞。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明。

例1

一种特种纤维玻璃熔制方法，步骤包括：

1)配制混合料：将各成份的原料按重量份计配比为：石英砂：52，氧化铝：26，氧化硼：3，氧化铈：2，氧化铁：2，氧化镁和氧化钙：15，粉碎、通过气力混合均匀，粉料的粒径为190微米左右。

2)熔制：将步骤1)制得的粉料投入到电熔窑炉进行熔制，熔制温度控制在1550℃左右；

3)澄清：将步骤2)制成的高温玻璃液，流入采用石英砖作内衬或砌体的澄清池内，经澄清，均化后流入作业池内；该澄清池和作业池内均设有钼电极加温装置，经双孔的铂金漏板中流出，从铂金漏板中流出的温度控制在1400℃左右，经过不锈钢翻板和制球机制成玻璃球；

所述步骤2)中，

电熔窑炉先进行烤窑：首先全部采用上述特种纤维玻璃的碎玻璃填窑，根据制定的烤窑升温制度进行升温；

当窑炉温度达到1000℃时放大火，升温速率加快至58℃/h；按时观察玻璃液表面，及时补料避免电极暴露在空气中；当玻璃液深正常时固定电工参数，稳定一天进行测温，根据测温结果调整电工参数，维持窑炉热点温度在1520～1570℃运行；

熔制时，在电熔窑炉熔化部内的玻璃液深650mm。

粉料投入是在烤窑结束后，根据熔制热点温度的要求确定熔化部电功率，再根据窑炉特种玻璃球日产量要求和控制粉料层110mm的要求，一次性将粉料投入电熔窑炉中的熔化部。

烤窑步骤中，用硅碳棒根据制定的烤窑升温制度进行升温；测温是用热电偶进行。

例2

一种特种纤维玻璃熔制方法，步骤包括：

1)配制混合料：将各成份的原料按重量份计配比为：石英砂：57，氧化铝：26，氧化硼：3，氧化铈：2，氧化铁：1，氧化镁和氧化钙：11，分别称量待用，各成份配比之和为100，粉碎、通过气力混合均匀，粉料的粒径为210微米左右。

2)熔制：将步骤1)制得的粉料投入到电熔窑炉进行熔制，熔制温度控制在1580℃左右；

3)澄清：将步骤2)制成的高温玻璃液，流入采用石英砖作内衬或砌体的澄清池内，经澄清，均化后流入作业池内；该澄清池和作业池内均设有钼电极加温装置，经双孔的铂金漏板中流出，从铂金漏板中流出的温度控制在1420℃左右，经过不锈钢翻板和制球机制成玻璃球；

所述步骤2)中，

电熔窑炉先进行烤窑：首先全部采用上述特种纤维玻璃的碎玻璃填窑，根据制定的烤窑升温制度进行升温；

当窑炉温度达到1000℃时放大火，升温速率加快至63℃/h；按时观察玻璃液表面，及时补料避免电极暴露在空气中；当玻璃液深正常时固定电工参数，稳定一天进行测温，根据测温结果调整电工参数，维持窑炉热点温度在1540～1600℃运行；

熔制时，在电熔窑炉熔化部内的玻璃液深700mm。

粉料投入是在烤窑结束后，根据熔制热点温度的要求确定熔化部电功率，再根据窑炉特种玻璃球日产量要求和控制粉料层140mm的要求，一次性将粉料投入电熔窑炉中的熔化部。

烤窑步骤中，用硅碳棒根据制定的烤窑制升温度进行升温；测温是用热电偶进行。

上述两个实施例中，各个物料的配比是根据生产的特种玻璃种类具体而定，但都适用本方法。烤窑升温制度是根据具体需要加工的特种玻璃种类而定，在现有技术中比较常见，气力混合使用的设备在现有技术中也很常见，所以在此不作进一步限制。

例1、2使用的专用电熔窑炉，包括电极、熔化部、成型部供电系统，熔化部池壁的下部设有过桥流液洞，成型部的底部设有与之对应的过桥流液洞，两个过桥流液洞通过过桥连通。熔化部的池底采用致密锆砖，池壁采用石英砖，过桥采用致密锆砖，池底的背衬采用锆英石砖；熔化部池底的保温砖采用粘土浇铸大砖，池壁的保温砖采用轻质高铝砖；熔化部的横截面是正方形。熔化部上设有的碹顶，碹顶从下到上依次采用高铝硅碳棒孔砖、莫来石碹角砖、莫来石碹顶和轻质高铝砖。成型部的底部从下至上依次采用铸铁板、石棉板和石英砖；成型部的顶部从下至上依次采用硅碳棒孔砖，莫来石顶砖，轻质高铝保温砖；成型部的池壁采用石英砖。

熔化部的深度650mm。熔化部的碹顶是拱形的，碹顶的顶部设有测温孔；所述成型部顶部设有测温孔。熔化部的底部插有电极，电极与插在熔化部的底部接触处设有致密锆电极砖，电极穿过该致密锆电极砖进入熔化部。所述成型部的侧壁设有板状插电极；在所述成型部的底面设有流液洞。所述流液洞设在远离过桥流液洞一边。

熔化部的底部插的是四个圆柱状电极，采用Scott方式供电(如图4、5所示，由于该供电方式的电路属现有技术，在此不作进一步限制)；该电极成全对称布置，电极插入炉内的高度是为500mm(此高度视熔化部的深度而定，一般略低于熔化部的深度)。

本工艺和设备还适用于熔制深色特种玻璃料，如低介电、耐辐照、高模量等纤维玻璃。

与现有电熔窑炉相比，本发明采用了冷顶熔制工艺，对于同等产能1.4t的特种玻璃电熔窑，玻璃球单位能耗降低15％以上。同时窑炉进行冷顶熔制由于表面温度低，挥发的硼能在表面凝结，也降低了配合料中硼的挥发。

本发明中玻璃液深达到了600mm以上，对于冷顶熔制的工艺要求较大的液深，否则，玻璃球熔化澄清不好，严重影响拉丝质量。同时，熔化部采用正方形的结构设置，使窑炉的面积熔化率得到了很大的提高。面积熔化率是产量与熔化部熔化面积的比值。对比相同产能的玻璃电熔窑(如1.4t/d电熔窑)，正方形结构的面积缩小，面积熔化率提高了30％左右。

熔化部采用Scott供电方式的底插电极使玻璃液内部的温度梯度更合理。由于本供电方式很好地解决了二相用电或准二相用电与三相平衡供电的矛盾，因而有利于玻璃电熔的大用电负荷的电网平衡。在电极完全对称布置的窑内，其内部电流分布、功率分布也是完全对称的，因而有利于玻璃熔化。固定熔化部的熔制功率，玻璃液的热点和热点位置保持稳定。由于采用了底插电极，池壁的温度得到控制，相比侧插电极的电熔窑的温度低，使池壁砖的侵蚀得到一定的抑制，能够延长窑龄。

熔化部池底采用了致密锆砖。在高玻璃液面深度的条件下，底部温度在1400℃左右，熔化部底部砖材的侵蚀也得到了很好的控制，对提高玻璃液的质量有较好的效果。

另外碹顶的采用对窑炉的保温和延长窑龄也有益。对比现有的高强度玻璃电熔窑，熔化部炉顶经过长期的使用，呈“凹”形向炉内塌陷。加快了顶砖的侵蚀，缩短了窑龄。

通过实验，将熔制的特种玻璃料制成玻璃球，考核玻璃纤维成型工艺，在相同拉丝炉和拉丝工艺条件下，拉丝台日产量、成品率与合格率均达到或超过原熔窑玻璃球工艺性能。

Claims (9)

1、一种特种纤维玻璃熔制方法，其特征是步骤包括：

1)配制混合料：将各成份的原料按重量份计配比为：石英砂：50～60，氧化铝：20～28，氧化硼：0～7，氧化铈：0～4，氧化铁：0～4，氧化镁和氧化钙：11～16，分别称量待用，各成份配比之和为100，粉碎、混合均匀，粉料的粒径为180～220微米；

2)熔制：将步骤1)制得的粉料投入到电熔窑炉进行熔制，熔制温度控制在1540～1600℃范围内；

3)澄清：将步骤2)制成的高温玻璃液，流入采用石英砖作内衬或砌体的澄清池内，经澄清，均化后流入作业池内；该澄清池和作业池内均设有钼电极加温装置，经双孔的铂金漏板中流出，从铂金漏板中流出的温度控制在1390～1430℃，经过不锈钢翻板和制球机制成玻璃球；

所述步骤2)中，电熔窑炉先进行烤窑：首先全部采用上述特种纤维玻璃的碎玻璃填窑，根据制定的烤窑升温制度进行升温；

熔制过程中，当窑炉温度达到1000℃时放大火，升温速率加快至60±5℃/h；按时观察玻璃液表面，及时补料避免电极暴露在空气中；当玻璃液深正常时固定电工参数，稳定一天进行测温，根据测温结果调整电工参数，维持窑炉热点温度在1500～1600℃正常运行；熔制时，在电熔窑炉熔化部内的玻璃液深大于600mm；

所述电熔窑炉熔化部的横截面是正方形；熔化部的底部插有多个圆柱状电极，采用Scott方式供电；该电极成全对称布置，电极插入炉内的高度是为450～550mm；熔化部的碹顶是拱形的；熔化部的深度大于600mm。

2、根据权利要求1所述的特种玻璃纤维生产方法，其特征是烤窑结束后，根据熔制热点温度即1500～1600℃的要求确定熔化部电功率；

根据窑炉特种玻璃球日产量要求和控制粉料层100～150mm的要求，一次性将粉料投入电熔窑炉中的熔化部。

3、根据权利要求1所述的特种玻璃纤维生产方法，其特征是所述步骤1)中粉料混合是通过气力混合。

4、根据权利要求1所述的特种玻璃纤维生产方法，其特征是所述烤窑步骤中，升温采用硅碳棒；测温采用热电偶。

5、一种权利要求1所述方法的专用电熔窑炉，包括电极、熔化部、成型部供电系统，其特征是熔化部池壁的下部设有过桥流液洞，成型部的底部设有与之对应的过桥流液洞，两个过桥流液洞通过过桥连通；

熔化部的池底采用致密锆砖，池壁采用石英砖，过桥采用致密锆砖，池底的背衬采用锆英石砖；熔化部池底的保温砖采用粘土浇铸大砖，池壁的保温砖采用轻质高铝砖；熔化部的横截面是正方形；

熔化部上设有的碹顶，碹顶从下到上依次采用高铝硅碳棒孔砖、莫来石碹角砖、莫来石碹顶和轻质高铝砖；

成型部的底部从下至上依次采用铸铁板、石棉板和石英砖；成型部的顶部从下至上依次采用硅碳棒孔砖，莫来石顶砖，轻质高铝保温砖；成型部的池壁采用石英砖；

所述电极是柱状电极，有多个，插在熔化部的底部；所述供电系统采用Scott方式给电极供电；所述电极成全对称布置，电极插入炉内的高度为450～550mm；熔化部的碹顶是拱形的；熔化部的深度大于600mm。

6、根据权利要求5所述的电熔窑炉，其特征是所述碹顶的顶部设有测温孔；所述成型部顶部设有测温孔。

7、根据权利要求5所述的电熔窑炉，其特征是所述电极与插在熔化部的底部接触处设有致密锆电极砖，电极穿过该致密锆电极砖进入熔化部。

8、根据权利要求5所述的电熔窑炉，其特征是所述成型部的侧壁设有板状插电极；在所述成型部的底面设有流液洞。

9、根据权利要求8所述的电熔窑炉，其特征是所述流液洞设在远离过桥流液洞一边。

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