玻璃式窑炉用耐火材料

玻璃式窑炉用耐火材料

窑炉它是一种窑池狭长，用横穿炉膛的火焰燃烧和使用金属换热器预热助燃空气的窑炉。用来制造E玻璃和生产玻璃纤维的窑炉，通常采用一种称为单元窑的窑型。通过设在两侧胸墙的多对燃烧器，使燃烧火焰与玻璃生产流正交，而燃烧产物改变方向后与玻璃流逆向运动。因此在单元窑内的玻璃熔化、澄清行程长，比其它窑型在窑内停留时间长，适合熔制难熔和质量要求高的玻璃。单元窑采用复合式燃烧器，该燃烧器将雾化燃料与预热空气同时从燃烧器喷出，经烧嘴砖进入窑炉内燃烧。

由于使用多对燃烧器，分别调节各自的助燃风和燃料量，则可以使全窑内纵向温度分布和炉内气氛满足玻璃熔化与澄清的要求，这也是马蹄焰窑所无法达到的。雾化燃料处在燃烧器中心，助燃空气从四周包围雾化燃料，能达到较好的混合。所以与采用蓄热室小炉的窑型相比，燃料在燃烧过程中更容易获得助燃空气。当空气过剩系数为1.05时能完全燃烧，通过调节燃料与助燃空气接触位置即可方便地控制火焰长度。单元窑运行中没有换火操作，窑内温度、气氛及窑压的分布始终能保持稳定，这对熔制高质量玻璃有利。

现代单元窑都配置有池底鼓泡，窑温、窑压、液面及燃烧气氛实行自动控制等系统，保证了难熔的E玻璃在较高熔化率下能获取用于直接拉制玻璃纤维的优质玻璃液。所以迄今在国际上单元窑始终是E玻璃池窑拉丝的首选窑型。采用金属换热器预热助燃空气的优点是不用换火，缺点是空气预热温度，受金属材料抗氧化、抗高温蠕变性能的制约，一般设计金属换热器的出口空气温度为650—850。单元窑与其它窑型相比的不足之处是能耗相对较高。

这是因为单元窑的长宽比较大，窑炉外围散热面积也大，散热损失相对较高。大多数单元窑热效率在15%以内，但如能对换热器后的废气余热再予利用，其热效率还可进一步提高。配合料在单元窑的一端投入，投料口设在侧墙的一边或两边，也有设在端墙上的。熔化好的玻璃从另一端穿过沉式流液洞流至称为通路的拉丝作业部。

第一节单元窑的结构设计一、单元窑熔化面积的确定：单元窑熔化面积可用公式：F=G/g 表示。式中F———熔化面积，M2；g———熔化率，(t/M2·d)。

一般拉制纺织纱的单元窑，g取0.8—1.0t/M2·d，拉制粗直径纱时可取略大一些1.5t/M2·d。熔化率反映单元窑的设计和生产管理水平，包括原料成分、水分、质量的控制和窑炉运行的控制水平等，同时还与纤维直径有关。早期的技术资料表明当年的单元窑平均日产玻璃的熔化面积，可见现在已有较大进步。

二、熔池长、宽、深的确定：(1)池长L和池宽B是根据熔化面积和熔池长宽比(L/B)来决定的。即：F；B=————平方；L/B。L/B越大，投入窑炉的玻璃原料从熔化到完成澄清，其间的玻璃“行程”越长，也越有利于熔化和澄清。随着单元窑配合料微粉化及熔制工艺和鼓泡技术的发展与成熟，以及窑体耐火材料的质量提高和采用保温技术等措施，使熔池长宽比在3左右，也同样可以获得满意的玻璃质量。早期设计的单元窑熔他是很长的，日产量在8—50t/d，(L/B)5—4。现在设计取(L/B)值时，只有在考虑为下届窑炉有较大扩产需要时才选取(L/B)大一些，一般情况下取(L/B)为3—4。

(2)早期池底铺面砖选用致密结砖时，池底温度一般控制在1350℃以内，而池底温度又直接影响玻璃熔化质量和窑炉熔化率。他深h主要取决于玻璃的透热性及池底耐火材料能承受的温度。现在的F玻璃单元窑，由于池底部位采取保温和鼓泡技术措施，在提高熔化率的同时，使热点附近的池底玻璃温度也提高到1440—1470℃，因此池底2/3以上高温区域的铺面层砖改用耐温和耐侵蚀性能更好的致密铬砖。有时也可通过适当加高池深来达到降低池底温度。一般而言，E玻璃单元窑单产在以下30t/d，池深选600—700mm，随着单产的增大，目前的最高池深可达900mm左右。

三、池底鼓泡位置的确定：单元窑池底设置鼓泡装置，按其作用大致有以下几种方式。

(1)将鼓泡器布置在配合料生料堆聚集层最厚的部位有助于打散生料堆。但由于投料口和投料机的改进，目前已没有必要使用这种方法了。

(2)将鼓泡器排布在生料堆消失的位置，该部位的玻璃液温度已经比较高了，因此通过鼓泡可强制较高温度的玻璃液向生料区推移，底部的玻璃液也可翻到面上吸收窑炉火焰空间更多热量，起到助熔作用，通过物理和数学模拟也都能证明这一点。要注意的是不能让生料层覆盖在鼓泡区域的玻璃液面上，否则将无法起助熔作用。

(3)将鼓泡器布置在窑池玻璃液最高温度区，一般约为池长2/3处，鼓泡作用可使更多的含气泡玻璃翻至玻璃液面排泡，起到促进澄清和均化的效果。

E玻璃单元窑的池底鼓泡位置通常按以下两种原则确定：一是在池长1/3处布置一排鼓泡器起助熔作用，在池长2/3—4/5处布置另一排鼓泡器，起促进澄清和均化作用。这种布置是近年来E玻璃单元窑常用的方式，理由是当采用细而干的微粉原料熔制*玻璃时，熔化不再是难题，但由于玻璃液中存在大量的气泡，因此良好的澄清和均化是确保玻璃液质量和提高熔化率的主要因素，采用两排鼓泡集中布置可起到类似窑坎阻挡生料流的作用和加强玻璃液均化的作用。这种布置也是轻工窑炉鼓泡常用的方式；二是第一排鼓泡布置在池长1m 附近，第二排紧随其后，二排间相距约E或更近。

四、窑池结构设计(1)适用于较低温的池壁，这种结构一般不用喷水冷却保窑，而用外层加贴新砖来延长窑炉运行期。E玻璃单元窑的池壁结构有多种排列方式，适合小型池窑，池壁内侧没有横缝，池壁使用期一般不超过5年，在窑炉运行后期部分池壁要进行喷水冷却保窑。该结构对部分低温区可用致密锆砖替代昂贵的致密铬砖，节约部分投资。结构的池壁采用致密铬砖横向排列，因为致密铬砖不同于致密锆和AES,砖，其横缝与竖缝的侵蚀速度差别不大。

(2)池底结构。A.适合于池底温度长期不高于1350℃，短期不高于1370℃的窑池。B.采取鼓泡孔二侧的致密铬砖高出池底面，而鼓泡头又高于两侧铬砖的方式，这样可在鼓泡头位置以下形成液滞流区，减少由于玻璃液冲刷对池底造成的侵蚀。C.采取鼓泡砖高出池底面而鼓泡头又高出鼓泡砖50mm左右的方式，同样也可使池底耐火材料少受玻璃液的冲刷侵蚀。

(3)流液洞结构。当熔化池中已熔化、澄清好的玻璃液流经流液洞时，被强制降温并流入作业部的主通路。因此流液洞的作用既是熔池和通路间的连通道，也是熔化部和作业部的分隔区。E玻璃单元窑除了采用通常结构流液洞外，也常采用一种带有挡砖的流液洞结构。

包铂合金皮的挡砖应伸进两边侧墙各150mm，以致当侧墙砖被侵蚀时，挡砖依然完整。为安全起见，在制订窑炉砌筑计划时，要使得包铂挡砖能在砌窑收尾阶段插进去。挡砖一般用优质错砖或铬砖做成，厚度为100—150mm，包覆合金皮，浸入玻璃液部分的铂合金皮厚1mm，露在玻璃液上面的铂合金皮厚0.5mm。挡砖以下的流液洞尺寸一般是洞高为洞宽的1/2—4/5，这种洞口形式更有利于从熔化池获取熔制质量好的玻璃进入主通路。此外玻璃液进入流液洞的流速不宜过快，以4_—12m/h范围为宜，同时流速比较高的玻璃对底砖的侵蚀也较大，因此在流液洞处底砖要用铬砖面衬。

为延长挡砖使用时间，可考虑在挡砖侧面开两个直径25mm的孔，通入水管冷却或吹风冷却，这适合于日产量比较大的单元窑和玻璃液在洞内流速较快的情况。铂铑合金包皮长期在高温玻璃液中浸泡，晶体会长大、变脆，在玻璃液的冲刷下便容易损坏。

五、火焰空间结构设计：焰空间指大碹以下、玻璃液面以上的空间，它的周边包括胸墙、前墙和后墙。：窑池长、宽确定之后，影响火焰空间大小的就是胸墙高度。对火焰空间容积的确定，主要考虑燃料的燃烧和发热状况。玻璃窑炉内燃料的燃烧属于扩散式燃烧。送入窑炉空间的燃料的化学能及燃料与空气的物理能之和与空间容积之比，称为容积发热强度。根据窑炉运行经验及充分考虑到窑炉耐火材料所允许的承受强度，一般取容积发热强度为120—240KW/m3，通过该数值可以计算或核算胸墙高度。除了高温环境及充足的助燃空气条件外，燃烧速度还取决于氧气的扩散和不断与燃料混合!燃烧的过程，氧气扩散速度将直接影响燃烧的速度，同时必须提供足够的扩散空间和时间，使燃料达到完全燃烧。一般轻工窑炉的胸墙较高，约为1—2m，而单元窑熔化率低，胸墙高度为0.8—1.0m。

一般胸墙重量都是独立支撑在立柱上，池壁与胸墙间用挂钩砖分隔，挂钩砖砌筑时应与池壁留有鼓胀间隙，烤窑结束后再用锆泥把余留的缝隙密封。烧嘴间距为600—1000mm，采用气体燃料或低粘度燃料油，烧嘴间距一般取600mm左右，采用高粘度重油时，烧嘴喷油孔过小容易堵塞，这时可适当放大油孔，烧嘴间距也相应放大。在胸墙部位沿窑长方向分设多对烧嘴。支撑烧嘴的烧嘴砖，插入两侧胸墙，彼此相对放置。在投料口区第一对烧嘴与后池墙之间的距离对生料熔化和排烟温度都有影响，距离越小该区温度高，化料快，但排烟温度高，会降低热效率，甚至使金属换热器过热。距离太大不利化料，影响熔化率。一般距离为1.2—1.6mm。前池壁与最末一对烧嘴间距，一般为0.3—0.5mm。为了监视窑内熔化状况和便于对燃烧嘴观察和调节，应在胸墙上设置一定数量可开闭的观察孔。

六、烟道：水平烟道的截面尺寸，通常按1—2m/s的烟气流速来选取，高度宜大于宽度。垂直烟道截面又略大于水平烟道截面。从熔窑通到换热器的烟气，先经水平烟道，再过垂直烟道进入换热器。烟道耐火材料的侵蚀通常是很严重的。这不仅由于排出气体的速度快，而且还由于烟气中夹带有配合料粉尘。所以在水平烟道入口处底面，使用质量好的致密铬砖，稍后部位才用致密锆砖，再往后的底面、侧墙、磁砖则使用标准铬砖或电熔AZS砖。垂直烟道与换热器接口砖采用铬刚玉砖。

七、通路结构设计：尽管通路和熔窑两者实际是相连的，但通路的操作和控制完全与熔窑分开。通路的作用是接受从熔窑流液洞或挡砖下通道流过来的玻璃，逐渐降温、恒温，并使之达到合适的成型温度。并在多段通路的情况下，每段也都要单独控制，以保证满足拉丝所必须的成型温度。通常习惯称与熔窑相连接的通路部分为主通路；装有拉丝漏板的通路称为成型通路或作业通路，而从通路到各段作业通路间的连接通道称为过渡通路。

为了有助于玻璃液的均化和温度调制，不少专业人士认为主通路宜长，如5—8m，甚至更长些。而过渡通路的长度以方便拉丝作业为原则，一般取4.5—5.5m。

通路深度：主通路液深自流液洞后分几个台阶逐渐减低，最后一个台阶的液深为100—160mm，常在该台阶前再设置一块铂铑合金包皮的挡砖，挡砖浸入玻璃50—80mm(也有在挡砖前设玻璃液溢流装置，可放掉上层B2O3挥发量较大的那层玻璃液)。过渡通路液深在100—160mm间。成型通路的液深与拉丝作业区玻璃的温度有关，目前常设计为100—110mm。

通路宽度：在通路液深确定后，通路的内部宽度取决于流过它的玻璃量。如果不考虑玻璃和耐火材料之间流动阻力的差别，一般E玻璃选取1.0—2.0Kg/h.cm3的玻璃流量来计算宽度。成型通路的宽度还要充分考虑漏板配置的需要，如果漏板台数较多，也有在同一条成型通路上采用前后段两种不同宽度的结构。

第二节耐火材料的选用及砌筑：当耐火材料被侵蚀到一定程度，便迫使单元窑停产冷修。耐火材料在单元窑内长期受到高温、温度急剧变化及火焰、粉料、玻璃液的物理化学侵蚀和机械冲刷作用，因此随着时间的推移，将会逐渐地被剥落和熔入玻璃液，并给玻璃液造成气泡、波筋及难熔结石等缺陷，严重时使拉丝作业产生困难。因此从玻璃熔化质量和单元窑运行寿命等项要求来考虑，必须根据单元窑不同部位和不同热工制度，来正确选择适用的耐火材料。

一、E玻璃单元窑选用的主要耐火材料1.致密氧化铬砖：它具有最佳抗高温E玻璃侵蚀性能，其侵蚀物基本上对玻璃液不造成污染，所以已成E玻璃单元窑的首选优质耐火砖材。

国际上常用的致密氧化铬砖牌号有美国CORHARP公司生产的.C—1215、C—1215Z、CR—100等，德国VGT—DYKO公司生产的GR95W A及日本品川株式会社生产的UC—PC —95。致密氧化铬采用等静压法成型，其致密度非常高，主要技术指标为Cr2O3含量＞94%,空气孔率＜15%，体积密度＞4.24g/cm3，侵蚀损耗只有致密锆砖的1/10。用在E玻璃单元窑直接接触高温玻璃液的熔化部池壁、熔化部高温部位池底、主通路池壁和池底、过渡通路池壁等。

2.致密氧化锆砖：用在E玻璃单元窑接触玻璃液温度稍低的熔化部池底，过渡通路、成型通路的池底以及成型通路流液槽和漏板托砖等。此外致密锆砖还作为致密铬砖的背衬砖被使用。该砖的抗高温&玻璃液侵蚀性能略低于致密氧化铬砖，也采用等静压法成型，其技术指标为ZrO2＞65%，显气孔率＜2.0%，体积密度约4.25g/cm3，在E玻璃中温度超过1370℃就有侵蚀。

国际常用牌号有美国CORHARP公司生产的ZS—1300、ZS—1500、ZS—835和ZS—78等，德国PGT—DYKO公司生产的ZS65WA，日本品川株式会社生产的UC—Z、UC—CZ、UC—CZB等。近年来，我国广州岭南耐火材料有限公司引进国外技术和设备，也生产出了采用等静压法成型的烧结致密锆砖，已为国内玻璃、玻纤窑炉部分应用。

德国KGT—DYKO公司研制开发了一种新型粗粒结构致密氧化锆砖，大大改善了砖材

的内部组织结构，进而提高了砖材的耐急冷急热性能。其体积密度为3.75g/cm3，其气孔率为17%。该砖牌号为ZS65AR，具有良好的抗热震性，最适用于拉丝流液槽及漏板托砖。

3.标准锆砖：使用在粉料侵蚀较严重的投料口区胸墙及后墙，熔窑观察孔砖及通路火焰空间的胸墙和顶盖砖、烧嘴砖。该砖ZrO2含量约为66%，容重为3.7g/cm3，具有较好的热稳定性和抗剥落性。但也有采用AZS的烧嘴砖与采用莫来石砖为过渡砖及窑炉二侧的间隙砖等。

4.烧结莫来石砖：该砖化学组成为Al2O3＞74%;SiO22.2%。容重2.5g/cm3，主要用途是标准铬的背衬砖，熔化部胸墙及前端墙砖、通路烟道内衬砖、大碹碹脚及放料口外层砖、换热器入口烟道外墙砖等。还有一种采用融熔法形成莫来石晶体后再烧结成的莫来石砖；具有更优良的抗高温蠕变性和耐热震性，可用作窑炉大碹和火焰空间胸墙，使用效果很好，目前国产化也已成功。

5.电熔锆刚玉砖(AZS砖)：该砖化学组成为ZrO234%，Al2O349.2%;SiO215.9%。容重为3.85g/cm3，主要用途是熔化部烧嘴砖及投料口砖。

6.电熔铬刚玉砖：该砖化学组成为Cr2O328.3%，Al2O358.3%，MgO，Fe2O35.2%。容重约3.4g/cm3。主要使用在换热器入口处的烟道接口砖。

二、窑炉的砌筑技术：为了满足窑炉对砖材砌筑尺寸和窑体热膨胀等基本要求，因此窑炉的池壁砖、池底铺面砖都要进行切磨。精心设计的窑炉，必须精心砌筑，砌筑质量对窑炉寿命、燃料消耗，玻璃熔化及拉丝作业都有很大影响。此外窑炉耐火砖之间膨胀缝的合理预留也是极其重要的环节。下面对砌筑技术要点作一简单介绍。

1.钢架验收和预砌筑(1)根据窑炉施工基准线和窑炉中心线，进行钢结构放线施工。按钢结构设计要求和施工允许偏差铺设主、次梁和扁钢，同时也对通路钢结构进行施工。

(2)为确保砌筑施工质量和施工进度，对尺寸和砖缝有严格要求的池壁砖、池底铺面砖及所有承重拱砖应进行预砌筑。但如果上述砖材的尺寸精度很高，完全符合设计要求，也可不进行预砌筑。凡进行预砌筑的砖必须按顺序编号，正式砌筑时对号入座。

2.砌筑顺序和方法(1)在池底钢结构验收合格的基础上，按窑炉施工基准线与窑炉中心线放出相关的投料口、前后排鼓泡及成型通路上各台拉丝漏板的中心线。

(2)池底砌筑，包括通路底。砌好保温砖和高岭土大砖后，在砌筑池壁处内外放宽30—50mm找平。多层型地底结构在砌筑时必须按标高负偏差控制，池底总厚度的允许偏差一般为-3mm。在池底高岭土大砖上面铺设一层铬质捣打料作为密封层，可防止玻璃液渗透至抗腐蚀性差的粘土砖层。

(3)池壁砌筑，包括通路池壁。砌池壁的底砖必须保证水平度，否则要对该部位底面砖进行加工，直至达到要求。多层池壁砖砌筑时，先里后外地操作，要确保炉膛内尺寸，严禁砖材砍凿面朝向炉膛。墙角需交错压缝砌筑，严格保持垂直度。2m靠尺在所有方向检查。在全部检查结束并对窑内多次清洁后进行密封处理，尽量减少外界杂物、尘

第三节单元窑的附属设备投料机：投料机出口端插入胸墙上部，为了避免该处受窑炉热量辐射而温度过高，通常在投料机前段装配有水冷夹套，该夹套用不锈钢板焊接，内通循环冷却水。E玻璃原料采用了100—300目的细干粉料，其中含硼原料受高温又容易结块，所以比较适合的投料机是螺旋式投料机。这样给料仓可以放置在离开熔窑一段距离的位置处，减少受炉体高温散热的影响。由于废气中含有玻璃原料分解产生的SO2、燃料中含硫物质的燃烧产物SO2及玻璃助熔剂分解和挥发的氟化物，从而使废气呈较强的酸性。因此这种工作环境对投料机金属材料会有一定的腐蚀影响。

E玻璃单元窑一般采用相对布置的两台投料机，如果其中一台要检修时，另一台也应能满足投料量的需要。螺旋投料机可通过变速来调节给料量，并能保持连续稳定地投料。拉制粗直径纤维为主的单元窑也可以采用单侧投料，但也应安装两台投料机，一台作备用。