Приведенные режимы обеспечивают продолжительность растекания около 70 с, что достаточно для достижения плоскопараллельности ленты в интервале температуры 1050-1080°С. Продольнопоперечное растягивание ленты завершается при вязкости около 104,5 Пас, что соответствует температуре 820-840°С. В остальной части ванны температура падает до 600°С.
Производство флоат-стекла с толщиной более равновесной
Общим подходом к получению утолщенного стекла (с толщиной, превышающей равновесную) является ограничение бокового растекания стекломассы в высокотемпературной части ванны расплава. Существует несколько способов воздействия на процесс растекания расплава стеклообразующего во флоат-ванне:
1) установка в месте наибольшего растекания стекломассы («лужа») бортоформующих машин (1-3 пары), представляющих собой ту же утоняющую машину, что использовалась при получении тонких номиналов стекла, но развернутую под отрицательным углом.
При этом окружная скорость вращения рабочего органа (зубчатое колесо) БФМ в месте установки превышает скорость движения ленты стекла, а угол разворота вала машины относительно продольной оси ленты отрицателен. В результате машина ускоряет движение стекломассы вперед, одновременно не давая ей растекаться. Толщина получаемой ленты определяется количеством подаваемой в ванну стекломассы, скоростью движения ленты и скоростью вращения рабочих элементов БФМ. Данный способ весьма технологичен, позволяя варьировать толщину ленты в пределах 6,5-12 мм при стабильном съеме стекломассы с печи и высоком качестве стекла по оптическим показателям и разнотолщинности.
2) установка ограничителей, в качестве которых служат бруски из несмачиваемого стекломассой графита, устанавливаемые вдоль боковых стенок ванны расплава на некотором расстоянии от них. Расстояние между ограничителями определяет толщину ленты стекла.
Дозируемая шибером 2 стекломасса по сливному лотку поступает на поверхность олова. Начальная стадия растекания расплава в линзу стекла регулируется рестрикторами. Далее по ходу ванны с некоторым разрывом установлены ограничительные бруски, проходя между которыми лента приобретает заданную ширину. Ограничители имеют водяные холодильники, фиксирующие их на определенном расстоянии от стен ванны. Охлаждение графитовых брусков необходимо во избежание прилипания к ним стекломассы. Для обеспечения хорошего теплового контакта холодильника с бруском, полость последнего заполняется оловом. При движении между ограничителями стекломасса охлаждается от 1050-1030°С до 840-860°С. Для фиксации толщины отформованной ленты за ограничителями над ней устанавливаются навесные холодильники. Их число и место установки подбираются экспериментально.
Заданная толщина ленты может быть достигнута путем регулирования съема с печи и скорости выхода ленты из флоат-ванны. В случае изменения толщины ленты при сохранении стабильного съема стекла с печи изменяют скорость вытягивания ленты и длину зоны формования (участка с ограниченными брусками). Метод ограничителей позволяет получать ленту стекла толщиной 12-20 мм.
1.2 Процессы стекловарения и способы их интенсификации
Основной особенностью процесса стекловарения в производстве листового стекла является необходимость плавления больших объемов шихты за относительно короткий период времени.
В ванных печах провар шихты происходит под влиянием следующих теплообменных процессов:
? передачи лучистой энергии от горячих газов и кладки верхнего строения;
? конвективного переноса тепла от факела к шихте;
- теплопередачи в слое загружаемой шихты;
- передачи тепла к шихте снизу от стекломассы.
Поскольку газы в полости печи перемещаются с относительно небольшими скоростями (1-4 м/с), то конвективная составляющая передачи тепла в пламенном пространстве не превышает 5-15% . Теплопередачей в самой шихте вследствие ее большого термического сопротивления (теплопроводность шихты равна 0,2-0,3 Вт/(м•град) можно пренебречь.
Таким образом, плавление шихты происходит, главным образом, за счет излучения факелов и пламенного пространства сверху, а также от стекломассы снизу. Соотношение между ними находится в пределах (1,5-2,5) : 1. Это определяет ведущую роль процессов варки на поверхности шихты. В результате лимитирующим звеном всего процесса варки стекла в промышленной печи становится скорость прогрева массы шихты до температуры ее плавления.
Все стадии стекловарения протекают в слоях шихты, загружаемой в печь и имеющих температуру от 100 до 1200° С. Жидкий расплав образуется на поверхности шихты в виде пленки толщиной около 10 мм с градиентом температур по этой толщине 80-120° С. При этом слой расплава толщиной 4-5 мм стекает с кучи со скоростью 3-5 м/ч, обнажая лежащий под ним слой плавящейся шихты, который, приобретая достаточную текучесть при повышении его температуры, также начинает стекать, обнажая следующие слои. В нижней части кучи тот же процесс протекает с меньшей интенсивностью вследствие более низких температур стекломассы по сравнению с температурой пламенного пространства над кучами шихты.
Газы, образующиеся в процессе разложения компонентов шихты, разрывают пленку расплава, раздвигают ее, меняют ее толщину, вызывая непрерывное изменение температуры на ее поверхности. Когда первичный расплав достигнет 1200?С, в нем завершатся полностью все процессы силикатообразования и начинаются процессы стеклообразования и осветления.
Стекломасса, стекающая с кучи шихты к ее основанию, содержит 15-25% остатков не расплавившихся зерен кварца и большое количество газовых пузырей и мошки. Внешне она в этот период представляет вспененную массу, поэтому она получила название «варочной пены».
В процессе стеклообразования каждое зерно песка оказывается окруженным слоем расплава, обогащенным растворенной в нем кремнекислотой, концентрация которой снижается по мере удаления от центра зерна. Другими словами, в процессе стеклообразования кремнезем от поверхности остаточных зерен песка, где его концентрация максимальна, диффундирует в расплав, а навстречу ему диффундируют ионы натрия и кальция. Процессу растворения зерен песка предшествует их превращение из кварца в кристобалит, которое начинается с поверхности, а затем распространяется внутрь зерна.
Наибольшую роль в ускорении этой стадии варки стекла играют процессы, которые разрушают слои вязких силикатов вокруг зерен песка, т. е. перемешивание, бурление или вращение расплава (создание в диффузионном процессе поля с градиентом скоростей).
В процессе стеклообразования происходит расслоение многокомпонентной системы «расплав - не растворившиеся зерна песка - газовые пузыри» по плотности. В результате кремнезем, будучи легче стекломассы, скапливается в ее поверхностных слоях (до 4-8% SiO2), создавая предпосылки для химической неоднородности стекломассы.
Процесс растворения зерен песка (кристобалита) протекает до их размеров 1-20 мкм. Причем блоки остатков кристаллов равномерно распределяются в массе расплава. Скорость растворения во многом зависит от гранулометрического состава кварцевых песков.
Максимальная скорость варки наблюдается для узкого интервала размеров зерен кварца. В песках с широким интервалом размеров зерен медленнее провариваются не только крупные, но и очень мелкие зерна. Это происходит в результате быстрого насыщения первичного расплава кремнеземом вследствие быстрого растворения мелкой фракции песка.
Таким образом, скорость растворения зерен SiO2 данного интервала размеров тем больше, чем меньше доля мелкой фракции в составе песка. С другой стороны, содержание в песке даже небольшого количества крупной фракции оказывается недопустимым.
Одним из важных факторов интенсификации процесса стеклообразования (растворения SiO2) является наличие в расплаве усилий сдвига. В этом случае находящаяся в расплаве твердая частица приобретает вращательное движение вокруг собственной оси, что приводит к возрастанию конвективной составляющей массопереноса. Это означает, что любое перемешивание плавящейся шихты (бурление, перемешивание, интенсивное принудительное движение) будет существенно ускорять процесс варки стекла.
Таким образом, особенностями варки стекла в ванных печах являются:
– одновременное совмещение всех стадий варки стекла в пленке расплава на поверхности куч шихты;
– продолжение незавершившихся процессов в варочной пене без четкого выделения зон печи с какой-либо одной конкретной стадией процесса варки стекла;
– сосредоточение всех процессов варки стекла в поверхностных слоях расплава;
– течение процесса стекловарения в условиях непрерывно повышающейся температуры вследствие перемещения куч шихты и варочной пены вглубь печи к зоне максимальных температур;
– значительное влияние размеров куч шихты на скорость их плавления;
– влияние условий прогрева куч шихты, то есть ее теплопроводности, на скорость их плавления.
После завершения процессов варки вновь образовавшаяся стекломасса растекается по площади зоны варки, частично смешиваясь с конвекционным потоком. При нормальных условиях конвекция не затягивает непроверенную и неосветленную стекломассу вглубь бассейна. Она впитывает в себя только сваренный осветленный гомогенный расплав, когда его удельная масса сравнивается с удельной массой стекломассы, заполняющей бассейн стекловаренной печи.
В литературе по технологии варки стекла отмечаются специфические особенности варки содово-сульфатной шихты в связи с тем, что при различных нарушениях технологического процесса в этом случае в отдельных участках зоны варки на поверхности стекломассы появляется слой расплавленного сульфата натрия («щелока»), не вступающий во взаимодействие с остальными компонентами шихты. Это явление обусловлено тем, что сульфат натрия обладает ограниченной растворимостью в стекломассе и при определенных условиях выделяется на ее поверхности в самостоятельную фазу.
При наблюдении поверхности стекломассы в печи через синее стекло «щелока» представляют участки расплава с зеркальной поверхностью («лужи»), в которых расплавленный сульфат, находясь в состоянии разложения, перемешивается выделяющимися газами. По своей подвижности слой «щелоков» визуально резко отличается от окружающей стекломассы. Над «щелоками» можно видеть белый дым.
Опасность появления «щелоков» обусловлена тем, что, будучи легколетучим соединением, сульфат натрия в большом количестве оказывается в газовой среде печи. Конденсируясь на холодных участках огнеупоров (щели, трещины свода, верхнее строение студочной и выработочной частей печи), сульфат натрия вызывает интенсивное их разъедание. Кроме того, при появлении «щелоков» возрастает содержание сульфатных пузырей в готовом стекле. Поэтому, чем больше сульфата в шихте, тем в большей степени необходимо создавать условия, благоприятствующие его полному разложению на стадии плавления шихты.
Чем больше сульфата содержится в шихте, тем строже должны соблюдаться следующие требования:
– варка содово-сульфатной шихты должна проводиться при температуре выше 1480°С;
– при содержании сульфата в составе шихты более 1,5-2% от общего количества щелочных компонентов в нее должен быть введен восстановитель (антрацит, каменный уголь, древесные опилки, мазут);
– количество восстановителя должно составлять 6-8% от массы сульфата в составе шихты. Указанная цифра должна корректироваться и быть строго индивидуальной для каждой конкретной стекловаренной печи;
– варка содово-сульфатной шихты должна производиться при обеспечении коэффициента избытка воздуха над зоной плавления куч шихты не более 1,05;
– подсосы воздуха через загрузочный карман и другие отверстия на уровне стекломассы недопустимы.
Выбор соотношения «сульфат - восстановитель» требует пояснения. Уход от оптимального соотношения будет приводить к появлению «щелоков» или сильному вспениванию стекломассы и удлинению зоны варочной пены. Первое происходит, если в шихту введено недостаточное количество восстановителя или если он выгорел до начала оплавления шихты. Второе - если в шихте оказался избыток восстановителя.
Процесс вспенивания стекломассы может повлечь за собой попадание в поверхностные слои не прореагировавших с расплавом зерен песка, переродившегося в кристобалит, который бывает виден на поверхности стекломассы в виде белых крупных лепешек («хальмоз»). Потоками они увлекаются на выработку и создают стопроцентный брак готового стекла. Особенно опасно появление «хальмоза» или кремнеземистой корки на высокопроизводительных печах, где время для его растворения в стекломассе ограничено высокими удельными съемами (большая скорость движения выработочного потока стекломассы).
На активность процесса разложения сульфата натрия оказывает влияние гранулометрия восстановителя (пылевидные его фракции быстро выгорают), a также вид восстановителя. Очевидно, что древесные опилки будут выгорать быстрее и их количество в составе шихты должно быть повышенным. Еще в большей степени это относится к мазуту - легколетучему веществу. Поэтому для проведения нормального пpоцecca варки содово-сульфатной шихты количество мазута должно находиться в пределах 12-25% от массы сульфата в шихте.
Длина границ зоны варки зависит от соотношения скоростей провара куч шихты и подачи их в печь, т. е. от производительности печи. Кроме того, на протяженность границ зоны варки оказывают влияние уровень температур над зоной варки, расход топлива на 1-4 парах горелок и скорость движения конвекционных потоков сыпочного цикла.