在1953-1954年期间,有一个关于玻璃和陶瓷池窑设计的讨论。虽然这次讨论不是以玻璃池窑设计相关课程结论介绍完成的,但是对玻璃行业的人来说,这次讨论还是非常有意义的,因为这次讨论让他们熟悉现有的关于玻璃池窑设计的新想法。
必须承认的是,科学还没有成功的做出一个完整的有关玻璃池窑研究,也没有获得系统化的玻璃池窑运作的经验。同样,科学也没能告诉我们如何设计符合现代知识和科技水平的玻璃池窑。
什么是玻璃池窑设计的基本原则,我们并不知道,但这个原则一定是在设计完美玻璃池窑的基础上。很明显的是,我们心中的“完美玻璃池窑”是指一个既具有最新技术又经济使用的玻璃池窑。
一个池窑的设计必须满足熔融玻璃液以严格的连续性传递给生产机器。例如,如果池窑容量为1000吨,而机器每天只产100吨玻璃液,那么只有在十天之熔融玻璃液才能达到机器容量。
我们认为,现在实现这一基本原则的时机已经来临,我们应该有可能得出一个关于玻璃熔窑中流量分布的基本结论,也有可能根据此设计一个相应的玻璃池窑。这样就使熔融玻璃液以严格的连续性传递到机器中得以实现。
关键是,为了消除我们不期望看到的玻璃流动以及因玻璃成分不同所造成的玻璃液的分层,也为了保持玻璃在极限内的流动性,我们可以通过设计特殊玻璃池窑,可以通过采用加热原件,也可以通过玻璃液的机械流动。我们所提出的池窑设计会在图1-6得到体现。
我们并不认为,建设我们的设计玻璃池窑所遇到的问题比已经由科学技术解决的许多其它问题更棘手。因为解决这些问题方法在我们的计划建造队的能力范围之内
鉴于我们已经在玻璃池窑设计方面所提出的要求,目前在玻璃行业中使用的超大玻璃池窑的窑给人们留下深刻的“炸锅”印象,从玻璃表面上看,玻璃不是熔化了,而是被“烤”化了,并且在烤的条件,冷却10-12小时,再被传递给生产机器。当这些看似明显良好的熔融玻璃经过光学检查时,却发现有无数的缺陷:条纹,旋涡,线条,线程等,这些外界气氛造成的缺陷和因组成、耐火材料侵蚀所造成的缺陷不同 ,这种玻璃的机械和工艺性能也会不一样。生产这种玻璃的机器的生产效率可能要低,而且生产的玻璃使用率低。
当这些看似明显良好的熔融玻璃经过光学检查时,却发现有无数的缺陷:条纹,旋涡,线条,线程等,这些外界气氛造成的缺陷和因组成、耐火材料侵蚀所造成的缺陷不同 ,这种玻璃的机械和工艺性能也会不一样。生产这种玻璃的机器的生产效率可能要低,而且生产的玻璃使用率低。
制造光学玻璃时,需用特殊玻璃搅拌器搅拌来消除这些缺陷。而制造平板玻璃时,像压制品等,很容易消除这些缺陷,而且这都是“玻璃液大规模热运动”的结果。
对于急冷玻璃,尤其是当在玻璃冷却区玻璃表面是负压的,会导致玻璃液因粘度不同分层,因此生产的玻璃充满了螺纹和波筋,厚度不均匀,退火不良,耐热性不良,而且加工过程中会产生许多裂纹,不经久耐用。更不用说使用冷却器和鼓风机,生产的急冷玻璃。
慢冷玻璃更加稳定。急冷玻璃与同种慢冷玻璃相比具有更好的物理化学性能,我们不同意在熔化过程中获得一定透明度的玻璃不能达到比以前获得的更高的温度这样的论断,也不符合玻璃液冷却应迅速和通过已建立或未建立的平衡来固定玻璃的状态这样的共识。同样,我们不能接受的意见就是为了满足玻璃熔化工艺总是调节玻璃熔窑气氛。这种意见只是理论性的,不能作为个人生产的一个指导原则。
通过增加池窑尺寸或者在冷却器和通风设备的辅助下来阻止玻璃的过度升温,这种想法真是太荒谬了。
大型池窑和所有一般池窑,特别是那些没有障碍(浮桥,桥墙等)的池窑主要的也是最大的缺陷就是上层玻璃液会非常迅速流到熔化部的末端。这就带来了许多不良后果,尤其是通过非立式拉丝机无障碍法形成平板玻璃的方法。
我们坚持认为,玻璃液的上层,工作层在中间层上面移动,下层会被带动向反方向移动,部分中间层的玻璃液会下沉。反过来,上层玻璃液部分变成中间层。这些过程就造成玻璃物理化学不均匀性和热不均匀性,以上已说明玻璃所有缺陷形成原因。
我们认为,在现有的池窑,特别是超大池窑(也就是至少90%的玻璃进入生产机器),能成形的大量上层玻璃液通常是在池窑的热点形成的,而且熔化后的玻璃液在12-16小时内能流到生产机器里面的。这种观点的正确性已经在着色
玻璃质量中得到了证实。从我们对玻璃池窑内熔融玻璃液形成的流动性的了解,我们可以得出这样的结论,学会怎样控制玻璃液的流动,学会怎样消除其有害影响,学会怎样通过混合多层玻璃液并均匀化来优化工艺过程,这都是有必要的。
在现存玻璃池窑,尤其那些大型池窑,上层玻璃液流动会对下层玻璃液带来有害影响,但我们没必要非常关注这些有害影响。如果要说使用大尺寸池窑会对平板玻璃的质量有所改善的话,那么这种改善也是非常微小的,因为把玻璃液直接从玻璃池窑喂到机器里面也会带来不好的影响。
我们的大型玻璃池窑并没有特别高的产出,然而我们从技术文献中可以了解到1500㎏/㎡或者更高产量的池窑都是存在的。
在我们看来,玻璃池窑设置卡脖是值得关注的。在当时,对于各种玻璃制造,除了特种玻璃,这就是设计最好的玻璃池窑。
我们在设置卡脖的玻璃池窑中进行了平板玻璃生产的实验,实验结果并非最终定论,但非常不幸的是,燃料和配合料不充足,但是完美的玻璃池窑还是在如此不利的条件下完成了生产测试。
我们希望设计一个玻璃池炉,在这种池窑中应该是下层玻璃液而不是上层玻璃液流到机器里面。只有在这种条件下,才能获得物理化学均匀性和热均匀性的玻璃,这也给玻璃提供了良好的成形性能,也确保生产出退火良好、厚度均匀、最不易炸裂的平板玻璃
当玻璃池窑中的工作流动变成下层玻璃液时,这时因玻璃池窑中上层玻璃液流动所带来的缺陷将会消除。整个池窑内玻璃液会在一段严格的时间内将保持这种性质,以这种方法保护它的热均匀性。在窑炉和流道的工作端玻璃液将不会滞留,我们认为这就是玻璃中出现波筋,厚度不均匀,出现易碎的地方,线状旋涡缺陷的主要原因。这种观点在采用无桥熔窑直接把玻璃液喂给相应机器的方法生产平板玻璃的效果中得到了证实。
关于玻璃池窑设计,我们提出的基本原则正如图表中显示那样,窑底在整个窑长和窑宽方向上不是水平,窑深也会随着发生相应的变化。窑底到卡脖是倾斜式的,水平下降400-800mm。从窑底两侧到窑底中心线下降200-500mm。因此窑的底部呈现出排水沟的形式。
这种形式的窑底,玻璃液必将在倾斜的表面上向卡脖方向流动。玻璃液将从窑底两侧向窑体中心线流动,并与中心流聚合,混合均匀流向卡脖(如图3)。
从温度曲线上可以看出,玻璃液的最高温度出现在池窑末端接近卡脖处。因为玻璃液在窑底向卡脖的方向移动,所以最高温度会在卡脖。上层玻璃液将从卡脖回流到熔化部,从而获得更高的密度和均匀性,并降低到底层作为工作层流向卡脖。我们深信,在给定温度条件下设计一个这样的玻璃池窑,将不会出现玻璃
液沿着窑底向熔化部回流的现象1。
从图4可以看出,该玻璃池窑的窑顶从卡脖到熔化部是逐渐升高。为了在池窑(图2)中建立必要的温度分布,设计这种窑顶是有必要的,而且热气体的上层流动会把空气漩涡带到熔化部。但是这种池窑的小炉和窑顶要尽可能的低。
小炉的上部必须和玻璃池窑窑顶一致(图5)。而且喷枪在横火焰区域必须分布不同。每对喷枪的分布取决于火焰方向,特殊区域气流介质以及玻璃表面压力。
在现有的池窑,所有的喷枪通常都是相同的,所有的喷枪都有普通的蓄热室,因此很难单独对每一个喷枪统计。维修者做的一些工作不用停窑就可以改变窑炉的填充物。另外,至关重要的是,炉膛的每一部分都应该有它自己燃气供应,不过有一个很重要的条件就是喷枪的安装必须是有规律的2。
预设计的烟道应该足够大,不至于池窑维修者在维修时被呛住。我们总是在有规律的给喷枪供燃气和空气,就是为了满足火焰方向和性质的需要。
我们对池窑尺寸和温度分布做了以下规定:窑长最小10m,最大20m;窑宽最小5m,最大10m;从火焰空间到卡脖,窑底水平降低0.4-0.8m;熔窑底部两侧到中心线降低0.2-0.5m;卡脖附近温度为1490℃-1500℃;第一个喷枪区域接近火焰空间处温度为1430℃-1440℃。
设计的池窑每天应该至少熔融玻璃200-400t,即每平方米融化区域熔融玻璃至少两吨。池窑熔化部是指从火焰空间到卡脖整个池窑区域。池窑中没有冷却区域:它由玻璃缓慢下沉置换成底部工作层所替代。[1]
正如从图2看到的那样,玻璃液穿过卡脖向上流动,然后跨越了一个厚度在300-800mm的挡板,进入到成形区。成形区末端的体积就等于池窑一天的产量。从挡板到机器(只到颈部,而且以平板玻璃板生产为例),该工作部末端底部将水平下降500-600mm。机器流道的深度为1200mm。
我们认为,所有的玻璃池窑的尺寸都是由玻璃物理化学性质,池窑温度分布,玻璃在池窑中停留时间以及使用气体的产量和纯度(最好是使用纯净的气体,因为使用含杂质的气体必须相应的增加池窑尺寸)。
玻璃工业需要根据需要选择各种各样的耐火材料,有了优质耐火材料,才可能建造符合我们设计的玻璃池窑。笔者现在正拟订计划,设计建造一个这种类型的玻璃池窑。
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