材料科学与工程学院玻璃组
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吴江灯头灯具厂日产1吨灯头绝缘子玻璃的全电熔窑的研究设计
一. 吴江市灯头灯具厂应用玻璃全电熔窑的背景
吴江市灯头灯具厂是轻工业部定点生产特种灯头的集体企业，已有十多年生产特大号灯头的历史，其中一部分产品出口。生产灯头关键设备 玻璃窑炉是烧煤的坩埚，这种窑型生产灯头有如下缺点：
（1）灯头的质量不高，难以满足国内外客户的要求。
（2）玻璃坩埚窑生产灯头是人工操作，工人的工作强度大，操作环境差，工作效率低。
（3）吴江市灯头灯具厂地处苏州风景区，烧煤的坩埚窑产生的烟气及玻璃熔制过程中产生的粉尘严重影响风景区的风景。环保局多次要求该厂停业整顿，该厂采取了烟气除尘，但效果不明显。
基于上点原因，该厂决定采用目前国际上最新的玻璃熔制工艺 玻璃电熔窑生产灯头。由于国内没有使用玻璃电熔窑生产特大号灯头的先例，江苏大学材料学院在玻璃电熔窑设计方面有多年的经验，所以该厂决定与江苏大学合作共同研制开发适合生产特大号灯头的玻璃电熔窑。
该厂与江苏大学共同研制的日产1吨黑色玻璃的电熔窑经过一段时间的运行，效果良好，达到了预计的目的。
二.电熔窑项目的概述
本项目共投入资金20万元，该厂提供所需的资金、场地、设备。江苏大学提供技术。先由江苏大学进行调研，制订该电熔窑的初步设计方案，所需的材料、元件的价格、制定详细的明细表。江苏大学负责设计和技术指导，在设计过程中针对灯头玻璃的特点，决定采用钼电极作电极，可控硅+隔离变压器调压供电，窑炉的内衬材料采用电熔锆刚玉砖。窑炉采用全保温。烤窑采用硅碳棒辐射加热。
在设计过程中借用日用玻璃连续池窑的经验，设计成连熔形式。在熔制过程中，直接控制温度必需通过热电偶采集温度信号，如果热电偶与玻璃液直接接触很容易腐蚀，不与玻璃液接触测量温度又不准确。所以采用恒电流间接控温的办法，恒定电熔窑的电流，当窑温降低时，窑内玻璃液电阻升高，要恒定电流，变压器电压升高，功率提高，供热量境加，窑炉温度升高。电极不用水冷，而采用风冷。窑炉采取全保温，节约了能耗。
与国外同类电熔炉相比，有些指标达到领先水平。如国外同样大小的电熔窑电耗在1.4度/ Kg玻璃。该电熔窑：
(1)能连续出料。
(2)玻璃液的温度稳定。
(3)没有粉尘挥发，没有烟气。
(4)电耗在0.8-1度/Kg玻璃。
(5)电极不用水冷。
该电熔窑的正常投产，填补了我国使用玻璃电熔窑生产特大号灯头的空白。克服了对周围大气环境的污染，改善了工人的操作条件，提高了工作效率和产品的质量。该项技术可在相关的行业进行推广应用。
使用该电熔窑生产的玻璃灯头满足了国外客户的质量要求。
电熔窑与坩埚窑的成本比较如下表：
|
电熔窑 |
坩埚窑 | |
|
原材料(万元) |
20.00 |
30.00(含烟囱和粉尘净化设备) |
|
建窑费(万元) |
0.50 |
2.00 |
|
技术协作费(万元) |
5.00 |
1.00 |
|
管理费(万元/年) |
1.00 |
5.00 |
|
工资(万元/年) |
0.50 |
5.00 |
|
折旧(万元/年) |
1.00 |
10.00 |
|
能源费用(万元/年) |
12.00 |
15.0 |
三.电熔窑的结构
该窑采用立式结构，窑炉由熔化池、流液洞、上升道及料道组成。熔化池采用上下两对钼电极，分两层加热。上升道采用一对钼电极，主料道采用一对钼电极加热，两条分支料道各采用一对钼电极加热。其结构见图1。
在熔化池顶部装有6支硅碳棒，供电熔窑烤窑启动时加热用，以保证电熔窑在1000℃左右时电极可以顺利通电。熔化池和流液洞的关健部位采用电熔锆刚玉砖(含ZrO233%)。料道采用粘土砖，炉顶采用高铝砖。池墙和池底采用226mm厚的保温层进行全保温。
四.电熔窑的技术指标
电熔窑的技术指标见表1
表1
|
出料量t/d |
1.0 | |
|
最大出料量t/d |
1.0 | |
|
熔化率t/m2·d |
2.5 | |
|
玻璃品种 |
钠钙玻璃(灯头绝缘子) | |
|
能耗(包括料道) Kwh/Kg玻璃 |
0.8 | |
|
面 积 (m2) |
熔化池， |
0.25 |
|
流液洞 |
0.025 | |
|
上升道 |
0.045 | |
|
供料道 |
0.127 | |
|
玻璃液流经长度m |
2.705 | |
|
钼电极 |
φ60mm×600mm |
六根 |
|
φ30mm×400mm |
六根 | |
|
电流调节 |
自动 | |
|
加料 |
加料次数 |
每20分钟人工加料一次 |
|
碎玻璃 |
90% | |
|
料毯层厚度 |
～10cm | |
|
加料空间温度 |
100℃<T℃<200℃ | |
五.电熔窑的供电
熔化池采用63VA三相隔离变压器供电。次级侧采用星形和三角形二种接法。上升道、料道采用20Kw隔离变压器进行控制。供电分四组、熔化池1组，上升道为1组，两条料道各为一组。
五.电熔窑电极有保护
使用国产钼作为电极，其化学成份如下：Mo>99.9% C< 0.004% Fe0.003% Cr<0.003% Al<0.003% Mg<0.003% Si<0.001% Ca<0.01% N2<0.0026% O2 0.015% 。保护套采用1Cr18Ni9Ti不锈钢。
六.电熔窑的烤窑
在烤窑过程中经过了5天的烘烤，窑温达到1200度，开始加碎玻璃，待玻璃满过钼电极后，钼电极通电。在调试的过程中由于可控硅调压装置的质量问题，可控硅击穿，窑炉保温，同时加紧维修。主要的经验教训是订购原材料一定要选信誉好的企业，不要仅考虑价格。
七.电熔窑炉温的测定
在电熔窑正常操作时，采用1 m长带刚玉保护套的铂铑热电偶插在熔化池池壁，进行玻璃液温度的测定，可看出熔化池热点处于上层和下层电极中间；出料量大时则热点向下移，上层玻璃液温度降低。出料量小时形成热炉顶，其空间温度为500℃到800℃。每30分钟 一次的人工加料，冷炉顶形成后，电熔炉上部温度低，热损失减少配合料中挥发物损失量亦相应减少。
作者介绍：陈金方（1963），男，江苏泰兴人，硕士，副教授，主要从事玻璃电熔窑方面的研究和设计工作。