Курсовая работа: Разработка технологической схемы производства листового полированного стекла

Длина границ зон варки, обеспечивающая удовлетворительное качество стекломассы для многогорелочных печей современных конструкций, должна составлять около 50% длины варочного бассейна.

При малой площади зоны варки относительно общей площади варочного бассейна его мощность используется не полностью. При чрезмерном ее увеличении стекломасса под шихтой будет охлаждаться, что приведет к ухудшению процессов гомогенизации и осветления.

Если исходить из соотношения потребляемого количества тепла по отдельным зонам, то площадь зоны плавления куч шихты должна относиться к площади зоны варочной пены как 2:1. Однако нередко в реальных печах при современных удельных съемах это соотношение в среднем составляет 1:1, т. е. зона варочной пены оказывается более длинной. Это явление обусловлено недостаточно четкой сбалансированностью расходов топлива по длине печи и потреблением тепла в этом районе печи.

В стабильных условиях при постоянной производительности печи и при выбранном уровне температур протяженность этих зон варки должна быть постоянной. Однако иногда положение зоны варки смещается в пределах 1-2-х м в течение 3-5 ч. Это обусловлено непостоянством ряда технологических параметров режима стекловаренной печи, в первую очередь, непостоянством калорийности используемого в стекловарении топлива (природного газа, мазута).

Крупные смещения границ зоны варки происходят при изменении производительности печи. Поэтому для стабилизации зоны варки необходимо всемерно стабилизировать съемы стекломассы или регулировать тепловой режим зоны варки при изменениях производительности печи. Существенные изменения в положении зоны варки вызывают нарушения заданного соотношения «шихта - бой». Последнее возможно при частом изменении этого соотношения, а также при нарушениях ритмичности загрузки боя.

Положение границ зоны варки зависит от стабильности химического состава шихты и прежде всего содержания в ней песка, пегматита, глинозема и соды. С возрастанием в составе шихты SiO₂ + Al₂O₃ зона плавления куч удлиняется, особенно в случае загрузки в печь крупных порций шихты с отклонениями в составе. Длина зоны пены существенно зависит от колебаний содержания соды в шихте, возрастая при увеличении Na₂CO₃, так как первичный расплав при этом имеет пониженную вязкость и избыток летучих, под влиянием которых он вспенивается. Сильное влияние на длину зоны пены оказывает влажность шихты.

Под шихту приносит тепло конвекционный поток стекломассы (сыпочный цикл), идущий из зоны чистого зеркала и несущий полученную там теплоту. Иными словами, открытое зеркало стекломассы необходимо для передачи тепла от пламенного пространства в стекломассу и последующей передачи его с помощью конвекционного потока под слой шихты для обеспечения плавления шихты не только сверху, но и снизу. Тепловосприятие отдельных участков поверхности стекломассы в ванной печи различно. Если принять теплоту, воспринятую шихтой за 1, то зона пены воспринимает 0,5, а зона открытого зеркала - 0,3-0,4 от этого количества теплоты.

Потребность в дополнительной подаче тепла под шихту существенно возрастает на высокопроизводительных печах. Для этого имеется несколько путей:

– повышение теплосодержания потока стекломассы, движущегося под шихту от зоны максимальных температур, путем установки дополнительного электроподогрева в этой зоне печи или в начале печи под шихтой;

– бурление стекломассы сжатым воздухом в зоне существования куч шихты, что создает открытые участки расплавленной стекломассы с повышенным теплопоглощением;

– загрузка шихты поперечными грядами с помощью загрузчиков, имеющего конструктивные приспособления для создания разрывов между кучами шихты в продольном и поперечном направлениях.

На высокопроизводительных печах целесообразно использовать сразу все перечисленные пути повышения температур стекломассы.

Длина границ варки - важнейший показатель заданного технологического режима стекловаренной печи. Поэтому необходимой формой контроля за работой ванной печи является наблюдение за границей зоны варки - расположением зоны куч шихты и варочной пены относительно осей горелки. Результаты наблюдений должны наноситься на план печи.

Процессом осветления стекломассы называют стадию варки стекла, протекающую после завершения процесса стеклообразования и заключающуюся в выделении из стекломассы видимых газовых включений (пузырей).

Необходимость этой стадии вызвана тем, что газовые включения в го-товой стекломассе портят внешний вид изделия, снижают прозрачность материала и его прочность.

Газовые включения в процессе варки стекломассы появляются вследствие того, что шихта содержит большое количество газообразных компонентов (СО₂, SO₂, Н₂О, О₂), которые выделяются при разложении соды, сульфата натрия, осветлителей. При появлении вязкого расплава эти газы не успевают выделиться и остаются в нем в виде пузырей. Кроме того, компоненты шихты также не успевают разложиться полностью. Таким образом, возникает пересыщение расплава присутствующими в ней СО₂ и SO₂.

Процесс осветления стекломассы - освобождение ее от газовых включений - является процессом расслоения двухфазной дисперсной системы «стекломасса - газ», в которой все пузыри движутся к поверхности расплава под действием выталкивающей силы Архимеда, пропорциональной разности плотностей между стекломассой и газом, вследствие чего в нижних ее слоях скапливается готовое стекло.

Одновременно в процессе осветления происходит образование новых пузырей. В результате количество пузырей, присутствующих в стекломассе в каждое мгновение, определяется соотношением скоростей этих двух противоположных процессов.

Пузыри зарождаются на поверхности твердых тел - на нерасплавившихся зернах шихты или на дне тигля. Их размеры и поведение зависят от условий смачиваемости, т. е. от вида огнеупорного материала тигля,

Размеры зародышей пузырей увеличиваются также под влиянием осветлителей, что является наиболее существенным для ускорения этого процесса При этом главными оказываются не поверхностно-активные свойства осветлителей, а объем газов, выделяющихся из стекломассы на стадии осветления. Это приводит к значительному изменению всего характера процесса и его скорости при варке стекла в тиглях из различного материала.

В промышленной печи роль ограждающих огнеупорных поверхностей ничтожна. Поэтому образование новых пузырей в процессе осветления возможно только в объеме расплава. В этом случае для возникновения зародыша пузыря требуется разрыв структурных единиц расплава, для чего необходимо большое давление газов. Такое давление развивается в результате протекания в стекломассе незавершенных реакций силикатообразования с неразложившимися остатками соды; в результате СО₂ будет выделяться под давлением 10³ МПа.

Эта же реакция с Na₂SO₄ характеризуется давлением 10⁰-10² МПа, что может приводить к зарождению пузырей на поверхности инородных включений. Пары Н₂О, выделяясь из стекломассы под давлением менее 1 атм (0,1 МПа), не способны стимулировать образование новой фазы в расплаве.

Частота образования пузырей составляет 0,01-0,001 шт./с. Она зависит от температуры и наличия в стекломассе осветлителей (оксида мышьяка, сульфата натрия и сульфата аммония). Активность образования пузырей в процессе осветления непрерывно снижается. Окончательная очистка стекломассы наступает после полного прекращения процесса возникновения новых пузырей.

В процессе подъема к поверхности расплава пузыри увеличивают свои размеры (таблица 1.3). Интенсивность этого процесса зависит от вида примененных осветлителей. В то же время мелкая мошка диаметром 0,3-0,5 мм своих размеров не меняет, так как рост движущихся пузырей в значительной степени определяется конвективной составляющей процесса массообмена. Это приводит к зависимости степени роста пузырей от их диаметров, вследствие чего заметное увеличение их размеров наблюдается только для пузырей диаметром более 0,8 мм.

Чем выше температура и ниже вязкость стекломассы, тем быстрее будет происходить осветление стекломассы, т. е. получение готового стекла. Этим объясняется широко известная зависимость скорости процесса осветления от температуры. Размеры пузырей в расплаве очень сильно зависят от содержания в шихте особых веществ - осветлителей. Эти вещества обладают способностью разлагаться с выделением газов не на стадии силикатообразования в интервале температур 500-900?С, а после завершения процесса стеклообразования при 1300-1450?С. Кроме того, ряд осветлителей обладают поверхностно-активными свойствами.

Воздействие осветлителей на укрупнение пузырей и, соответственно, повышение скорости их выделения из стекломассы настолько велико, что в промышленном стекловарении введение осветлителя в состав шихты является строго обязательным, иначе получить осветленную стекломассу не удается. В зависимости от типа стекла состав осветлителя меняется. Наиболее распространенный осветлитель для массовых видов стекол - сульфат натрия. Концентрация осветлителя должна быть оптимальной, так как его недостаток не ускоряет осветление в нужной степени. Избыток же газов при разложении повышенного количества осветлителя удлиняет время осветления.

Готовая стекломасса в промышленной печи всегда имеет некоторую неоднородность, проявляющуюся в виде слоев или свилей, отличающихся по составу от основной массы стекла.

Таблица 1.3 - Значения основных параметров процесса осветления стекломассы

Слоистая структура стекломассы хорошо видна в изделиях при просмотре их в торец. Неоднородность стекломассы в варочном бассейне печи по глубине расплава оказывается неодинаковой и возрастает в глубинных слоях особенно вблизи дна. При формовании листового стекла слои располагаются параллельно плоскости листов и хорошо видны визуально. Они вызываются различиями в составе и свойствах слоев, то есть имеют химическую природу и мало связаны со структурой расплава.

Толщина слоев колеблется в широких пределах от 0,002 до 0,2 мм. Градиенты показателя преломления составляют от +0,0002 до +0,0001. В случае резких нарушений технологического процесса различия в показателе преломления между слоями могут возрасти до 0,005. Эти различия соответствуют отклонениям в химическом составе слоев по главным компонентам от 0,1 до 0,5%. Однако такие различия часто лежат за пределами точности химического анализа.

При охлаждении изделий между слоями возникают внутренние местные напряжения, неисчезающие даже при тщательном отжиге. В процессе гомогенизации в стекломассе должны быть уничтожены все неоднородные слои и свили, выровнен химический состав между отдельными ее участками, а также градиенты температур в ее объеме.

Предпосылками для возникновения химических неоднородностей в расплаве являются неоднородность сырьевых материалов, склонность стекольной шихты к расслаиванию при транспортировке и загрузке ее в печь, ошибки при составлении шихты.

Одновременно с этим источником химической неоднородности вновь образующегося расплава может быть процесс стеклообразования, который протекает в диффузионной области. На этой стадии варки вокруг каждого зерна песка возникает несколько пограничных слоев с различной концентрацией SiO₂ и Na₂O. В результате после завершения процесса стеклообразования расплав имеет сотообразную негомогенную структуру, которая должна быть ликвидирована на стадии его гомогенизации.

Степень гомогенизации стекломассы в ванной печи почти полностью определяется условиями ее движения. Хотя вследствие высокой вязкости расплава движение конвекционных потоков оказывается ламинарным, тем не менее они являются главным средством гомогенизации в стекловаренных печах непрерывного действия.

Неоднородность стекломассы влияет на многие физические свойства стекла, в первую очередь, на механические свойства, в частности, на микрохрупкость и микротвердость.

Микрохрупкость стекол зависит от температуры варки. Ее повышение от 1450?С до 1650?С способствует снижению микрохрупкости более чем в 1,5 раза. Чем выше температура варки и медленнее скорость охлаждения, тем ниже микрохрупкость получаемого стекла. Микрохрупкость образцов стекла, отобранных по длине печи, меняется следующим образом.

Проба первичного расплава оказывается наиболее хрупкой. Затем по мере повышения температуры к центру печи микрохрупкость улучшается. В зоне максимальных температур стекло имеет наибольшую микротвердость и наименьшую микрохрупкость.