CN113845291B - 一种消除中硼硅药用玻璃浮渣的方法及玻璃熔窑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种消除中硼硅药用玻璃浮渣的方法及玻璃熔窑结构，玻璃熔窑所用能量由气态燃料和电能提供，电能提供熔化用能的60％‑80％，气态燃料提供熔化用能的20％‑40％且气态燃料燃烧所用氧源为空气；在玻璃熔窑预熔区和澄清区中垂直于玻璃液的流向而横向布设多排第一组电极和多排第二组电极；在玻璃熔窑冷却区中沿玻璃液的流向而纵向布设一排第三组电极。本发明采用空气燃烧可大幅降低烟气的水汽浓度，避免水汽与硼挥发物、碱挥发物形成的反应物对窑炉设施的侵蚀；减少气态燃料在玻璃熔化中的用能比例，可有效减少硼挥发或碱挥发，使浮渣生成数量得以显著降低；通过电极布置方式解决玻璃液分层及避免浮渣进入生产流。

Description

一种消除中硼硅药用玻璃浮渣的方法及玻璃熔窑结构
技术领域
本发明涉及中硼硅药用玻璃技术领域，具体涉及一种消除中硼硅药用玻璃浮渣的方法及玻璃熔窑结构。
背景技术
药用包装质量将直接影响药品的安全性和稳定性，玻璃包装具有良好的化学稳定性、气密性、光洁透明、耐高温、易消毒、耐侵蚀及可资源再生利用，已成为药用包装首选材料。
中硼硅药用玻璃包装被公认为质量最稳定药品包装容器，1901年德国肖特发明了中硼硅药用玻璃至今已有100多年历史，但是能够稳定生产和供应的公司却不多，仅有德国肖特、日本电气硝子、美国康宁等公司。
中硼硅药用玻璃典型化学组成参见《医药玻璃》正文第3页表1-1所示的玻璃牌号KG-N-51A、BS、Fiolax8412、7800等，以质量百分比计，SiO2 70～75，Al2O3 5～7，B2O3 9.5％～10.5％，CaO+BaO 1～3.5，Na2O+K2O 7～9，20℃～300℃线热膨胀系数为α＝(4.9～5.4)×10-6/℃，ASTM E438和ISO 12775要求玻璃容器内表面满足耐水I级。
中硼硅药用玻璃之所以没有得到广泛化生产制造，主要原因在于该玻璃品种的熔化质量很难控制。就玻璃熔化装置而言，目前仅有玻璃熔窑和全电窑可以实现该玻璃品种的熔化，玻璃熔窑为水平结构，玻璃液沿水平方向运动，最佳的玻璃液处在中上层，这部分玻璃液的均匀一致性相对较好；而全电窑属于垂直熔化，熔化历程相对较短，一旦出现波动，气泡和结石等缺陷就会大量涌现，加之该玻璃品种容易分层缘故，容易造成氧化铝在玻璃中的分布不均导致玻璃制品发脆；在权衡玻璃熔化方式带来的利弊后，全球普遍采用玻璃熔窑进行中硼硅药用玻璃的熔化装备。
即使使用了玻璃熔窑依然没有彻底解决熔化难的问题，主要是因为玻璃组成中的B2O3所导致，由于B2O3熔点仅有450℃，而富含SiO2和Al2O3的中硼硅药用玻璃熔化温度需要高达1620℃才能实现玻璃液的完全澄清，而B2O3在该熔化温度下将产生强烈的挥发，其挥发量约占自身质量的15wt％-18wt％，挥发量受窑炉火焰空间温度、玻璃液滞留时间、窑内压力、燃料品种、排烟速率等因素影响；但是最为头痛的问题在于B2O3挥发后，玻璃液表面会聚集形成一层富含SiO2的玻璃，俗称“料皮子”，因为玻璃态SiO2密度仅有2.2g/cm3，其比玻璃液密度2.4g/cm3小，因此会漂浮在玻璃液表面，经过长时间滞留后就会形成一种带有SiO2结晶物的乳白色不透明物，专业术语称为浮渣，这种浮渣一旦进入玻璃液生产液流中，不仅就会造成玻璃表面不透明缺陷甚至条纹，还会影响成型玻璃管几何尺寸精度。
本发明致力于解决和消除浮渣对中硼硅药用玻璃熔化质量的影响，期望聪根本上改善中硼硅药用玻璃熔化质量。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种消除中硼硅药用玻璃浮渣的方法及玻璃熔窑结构。
本发明公开了一种消除中硼硅药用玻璃浮渣的方法，中硼硅药用玻璃的熔化在玻璃熔窑中实现，
所述玻璃熔窑所用能量由气态燃料和电能提供，电能提供熔化用能的60％-80％，气态燃料提供熔化用能的20％-40％。
作为本发明的进一步改进，气态燃料燃烧所用氧源为空气。
作为本发明的进一步改进，气态燃料的燃烧用于维持玻璃液表面温度处于1580℃-1620℃。
本发明还公开了一种玻璃熔窑结构，该玻璃熔窑用于实现上述消除中硼硅药用玻璃浮渣的方法，在玻璃熔窑预熔区、澄清区和冷却区的底部布设电极；
在所述预熔区中垂直于玻璃液的流向而横向布设多排第一组电极；
在所述澄清区中垂直于玻璃液的流向而横向布设多排第二组电极；
在所述冷却区中沿玻璃液的流向而纵向布设一排第三组电极。
作为本发明的进一步改进，所述第一组电极、第二组电极和第三组电极材质为钼电极。
作为本发明的进一步改进，所述第一电极布设2排，共计12根，所述第一组电极的之间的间距为400mm-600mm。
作为本发明的进一步改进，所述第二组电极布设3排，共计18根，所述第二组电极的之间的间距为400mm-600mm。
作为本发明的进一步改进，所述第三组电极的之间间距为300mm-500mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明采用空气燃烧可以大幅降低烟气的水汽浓度，避免水汽与硼挥发物、碱挥发物的形成反应物对窑炉设施的侵蚀；
本发明减少气态燃料在玻璃熔化中的用能比例，可有效减少硼挥发或碱挥发，使浮渣生成数量得以降低；
本发明通过电极布置方式解决玻璃液分层及避免浮渣进入生产流；
基于此，本发明可使浮渣产生数量降低60％-70％，玻璃管表面节瘤、析晶物降低6％，玻璃管几何尺寸良率提高8％，有效改善了中硼硅药用玻璃管质量。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的实现消除中硼硅药用玻璃浮渣的方法的玻璃熔窑结构的三维示意图；
图2为图1的主视剖面图。
图中：
A、预熔区；B、澄清区；C、冷却区；D、纵向环流；E、横向环流。
1、第一组电极；2、第二组电极；3、第三组电极；4、投料口；5、卸料口；6、流液洞。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
本发明提供一种消除中硼硅药用玻璃浮渣的方法，其应用于玻璃熔窑结构中，在玻璃熔窑中实现中硼硅药用玻璃的熔化；其中，本发明通过控制玻璃熔窑的用能类型以及所占比例，以消除中硼硅药用玻璃浮渣；具体的，
本发明玻璃熔窑所用能量由气态燃料和电能提供，电能提供熔化用能的60％-80％，气态燃料提供熔化用能的20％-40％；气态燃料包括天然气、液化石油气、焦炉煤气、氢气等，并且气态燃料燃烧所用氧源为空气。
其工作原理为：
空气燃烧相比全氧燃烧可以大幅减低烟气中的水汽(H2O)浓度，以天然气(CH4)燃烧为例，按氧气系数1.05计算，理论烟气中的水汽(H2O)浓度从64.5％降低到18.3％，见式1(空气燃烧)和式2(全氧燃烧)。
CH4+2.1O2+7.8N2→CO2+2H2O+7.8N2+0.1O2    式1
CH4+2.1O2→CO2+2H2O+0.1O2                  式2
空气燃烧中大量氮气的存在可以有效减少烟气中的水汽浓度，有效减小了B2O3挥发物被水汽吸收形成硼酸的数量，从而有效降低B2O3挥发数量。另外，中硼硅药用玻璃中含有7％-9wt％碱金属氧化物(例如Na2O、K2O等)在高温下形成的碱挥发，大约在6％左右，这些碱挥发物也会与水汽(H2O)生成氢氧化物，例如NaOH、KOH等，见式3和式4，这些氢氧化物都属于强碱，对传统窑炉大碹所用酸性耐火材料硅砖将产生严重侵蚀，为了延长大碹耐火材料使用寿命，必须更换价格昂贵的电熔刚玉或电熔锆刚玉耐火材料，大幅提高了窑炉工程建造成本。
Na2O+H2O→2NaOH                    式3
K2O+H2O→2KOH                      式4
为了进一步降低气态燃料的空气燃烧导致硼挥发和碱挥发，本发明限定气态燃料提供玻璃熔化用能的20-40％，既能降低烟气产生数量，减少烟气在窑炉空间的排放与置换次数，也能降低硼挥发物被烟气带走数量，本发明所用气态燃料的燃烧仅是维持玻璃液表面温度处于1580℃-1620℃，避免玻璃液表面过冷而出现浮渣的风险。
如图1、2所示，本发明的玻璃熔窑结构中电能提供玻璃熔化用能的60％-80％，主要目的在于降低玻璃熔窑空间的气态燃料负荷，通过电能实现中硼硅药用玻璃的充分熔化；其中，
本发明玻璃熔窑结构包括池窑和设置在池窑上的投料口4、卸料口5和流液洞6，且沿玻璃液的流向依次在池窑内分设有预熔区A、澄清区B和冷却区C；本发明的电能输入以市售钼电极从池底注入，钼电极按预熔区A、澄清区B和冷却区C布置，具体的：
在预熔区A中垂直于玻璃液的流向而横向布设多排第一组电极1，优选预熔区A横向设置2排钼电极，总计12根，电极之间间距为400mm-600mm；在澄清区B中垂直于玻璃液的流向而横向布设多排第二组电极2，优选澄清区B横向设置3排钼电极，总计18根，电极之间间距为400mm-600mm；在冷却区C中沿玻璃液的流向而纵向布设一排第三组电极3，优选冷却区C中的第三组电极3总计4根-6根，电极之间间距为300mm-500mm。
本发明第一组电极1、第二组电极2和第三组电极3的布设原理为：
本发明通过第一组电极1、第二组电极2和第三组电极3将使玻璃熔窑形成三个纵向环流D和两个横向环流E，环流方向见箭头所示方向，如图2所示。其中，第一个纵向环流D形成在第一组电极1的上游，即如图2所示的第一组电极1的左侧；第二个纵向环流D和第三个纵向环流D形成在第一组电极1与第二组电极2之间，且分设在卸料口5的两侧；纵向环流D主要用于解决玻璃熔化均匀性问题，减少玻璃液分层问题。每个横向环流E包括一个左横向环流和一个右横向环流，横向环流E从窑炉中心向池壁两侧运行，可有效引导浮渣靠向池窑的侧壁运动，使其远离窑炉的纵向生产流，避免其进入生产流，降低浮渣进入生产流所造成的危害，浮渣可从窑炉两侧设置的排渣口排出。
上述技术方案分别经过物理模拟及数值仿真验证，于所描述技术内容一致，并且运用生产实践，取得了很好的技术效果。
本发明的优点为：
本发明采用空气燃烧可大幅降低烟气的水汽浓度，避免水汽与硼挥发物、碱挥发物形成的反应物对窑炉设施产生侵蚀；
本发明减少气态燃料在玻璃熔化中的用能比例，可有效减少硼挥发物或碱挥发物，玻璃液表面的浮渣生成数量得以大幅下降；
本发明通过电极布置方式解决玻璃液分层及避免浮渣进入生产流；
基于此，本发明使浮渣产生数量降低60％-70％，玻璃管表面节瘤、析晶物降低6％，玻璃管几何尺寸良率提高8％，有效改善了中硼硅药用玻璃管质量。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种消除中硼硅药用玻璃浮渣的方法，中硼硅药用玻璃的熔化在玻璃熔窑中实现，其特征在于，
所述玻璃熔窑所用能量由气态燃料和电能提供，电能提供熔化用能的60%-80%，气态燃料提供熔化用能的20%-40%；
在玻璃熔窑的预熔区、澄清区和冷却区底部布设电极；其中，在所述预熔区中垂直于玻璃液的流向且横向布设多排第一组电极；在所述澄清区中垂直于玻璃液的流向且横向布设多排第二组电极；在所述冷却区中沿玻璃液的流向且纵向布设一排第三组电极。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，气态燃料燃烧所用氧源为空气提供。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，气态燃料的燃烧用于维持玻璃液表面温度处于1580℃-1620℃。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一组电极、第二组电极和第三组电极材质为钼电极。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一组电极布设2排，共计12根，所述第一组电极的间距为400mm -600mm。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二组电极布设3排，共计18根，所述第二组电极的间距为400mm -600mm。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三组电极的间距为300mm -500mm。
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