浮法錫槽技術的進展.doc

浮法錫槽技術的進展周天輝(杭州聚能玻璃技術有限公司 杭州310014)摘要: 浮法錫槽技術一直處在不斷發(fā)展中。我國由耐熱混凝土槽底發(fā)展為粘土磚槽底,目前國外用一種兼具高彈性及低滲透性的粘土磚槽底。錫槽頂蓋國內(nèi)多使用耐熱混凝土預制塊吊平頂結構，國外則采用硅線石質的燒成磚組合吊頂。國外錫液流動的調控技術已非常成熟，主要有槽底擋坎、側面擋板、直線電機,國內(nèi)在這方面探索時間不長?？刂屏蚣把跷廴疚锏淖钚录夹g主要采用足量保護氣、并加上高溫區(qū)導流排空技術、同時在錫槽尾部采用直線電機及時排除錫渣。關鍵詞: 浮法錫槽，錫液流動，硫污染，氧污染，直線電機，氣氛導流 錫槽是浮法玻璃生產(chǎn)的核心熱工設備，國內(nèi)外都對其嚴格保密，因此技術進展軌跡也各不相同。回顧進展歷程，理解最新進展，對進一步發(fā)展我國浮法技術水平、引進吸收國外真正高水平的浮法技術，將起積極的作用。1 槽底耐火材料的演變錫槽底磚是用于砌筑錫槽槽體內(nèi)襯的特殊耐火材料，對其的質量要求著重在尺寸精度、高彈性、低發(fā)泡性及低滲透性等方面，對于耐壓強度等一些常規(guī)的指標則無特殊要求。目前衡量底磚發(fā)泡傾向的指標為氫擴散度，一般認為氫擴散度小于150mmH2O即可防止冒泡。透氣度則用于判斷底磚抗Na2O的滲透能力，從一個側面間接判斷抗霞石化的能力，透氣度越小，抗Na2O滲透能力越好。高彈性可防止磚體水平斷裂上浮，常用應變率指標恒量彈性-即磚體通過變形釋放內(nèi)應力的能力。1.2 國內(nèi)底磚的進展80年代中期之前，由于早期株洲初步探索試驗錫槽漏錫的教訓，我國設計的幾座錫槽特別強調槽底的密封。當時的洛陽一線、南寧一線、通遼一線、洛陽二線均采用在槽底鋼殼內(nèi)現(xiàn)場搗打大塊耐熱混凝土的做法，混凝土塊與塊之間的膨脹縫夾石棉板，縫上部用水玻璃砂漿灌封。此種槽底含有大量水分，槽內(nèi)溫度波動時會大量冒泡，氣泡上浮沖擊并破壞柔軟的玻璃帶。槽底中的水分被烘烤升華之后，留下許多貫通氣孔，錫槽保護氣很容易滲透，也易引起冒泡1。洛陽二線因冒泡問題被迫于1986年進行小冷修，首次嘗試用粘土磚更換高溫區(qū)10米左右的混凝土槽底獲成功，之后國內(nèi)開始大量采用粘土磚槽底。開始時錫槽底磚直接從熔窯專用的底磚中挑選，這些磚基本滿足當時的浮法技術要求，但應變率指標不合要求，磚體彈性很差，必須預留足夠大的磚縫，以防止磚體相互擠壓受損。這種 “大磚縫”的做法一直沿用至今。“大磚縫”保證了槽底的安全性，但犧牲了錫槽高溫區(qū)錫液的溫度均勻性。錫液溫度的均勻性對于生產(chǎn)優(yōu)質薄玻璃是極其關鍵的。大磚縫中貫通到鋼殼的錫液成為優(yōu)良的熱導體，在承托玻璃的錫液中形成“冷筋”，最終作用到玻璃上加重了表面變形。采用應變率較大的底磚，能預留較小的磚縫，升溫后磚之間相互擠緊，將滲下的錫液量減少到最低程度，有利于錫液中的熱均勻。應變率較大的底磚，其磚體彈性較好，受熱膨脹產(chǎn)生的較高擠壓應力能通過變形得到部分釋放，避免了應力蓄積引起磚體斷裂浮起。目前國內(nèi)已有多家專業(yè)槽底磚生產(chǎn)廠家，產(chǎn)品的氫擴散度和透氣度指標優(yōu)于國外產(chǎn)品，因此基本沒有冒泡和霞石化剝落的問題。但國內(nèi)底磚生產(chǎn)廠只是通過降低氣孔率的辦法來獲取低氫擴散度和低透氣度的產(chǎn)品，生產(chǎn)工藝與其他粘土質產(chǎn)品大同小異，并沒有真正掌握錫槽磚的生產(chǎn)技術。由于國內(nèi)錫槽設計上一直沿用大磚縫的做法，沒有對磚材應變率指標提出要求，故底磚生產(chǎn)廠并未刻意控制此指標，生產(chǎn)的底磚在應變率指標方面存在較大差距，無法適應現(xiàn)代浮法的技術要求。應變率與氫擴散度、透氣度二指標存在逆向相關關糸2，如不考慮前者，后二者是很容易控制的。同時控制三個指標與只控制二個指標，在磚材生產(chǎn)技術上是完全不一樣的。1.2 國外槽底磚的進展過程從浮法工藝誕生之日起，國外錫槽就一直使用粘土磚槽底3。1970年之前，所用的粘土磚的氧化鋁含量約25%左右，并富含1.5%的堿金屬氧化物。此種磚在吸收從玻璃擴散出的鈉后，在磚表面形成含Na2O 20%的低共熔物，其低共熔點為732oC。在錫槽作業(yè)溫度下，磚表面產(chǎn)生大量液相共熔物，它們呈 “小蝌蚪”狀上浮粘在玻璃上形成缺陷。因此1970-1980年之間，將磚中鋁含量增加到38%-40%，磚吸收20%左右的Na2O之后，Na2O-Al2O3-SiO2糸統(tǒng)的低共熔點上升為760oC，大大減少了液相量，很好地解決了“小蝌蚪”問題。但又出現(xiàn)了新問題，這種磚的玻璃相含量高達30%，應變率較低，脆性大、易斷裂，導致了多起在磚厚方向的斷裂事故，磚上半部分約7英寸厚上浮，俗稱 “7英寸效應”。繼而在1980?990年期間，采用降低堿金屬氧化物含量、提高氧化鋁含量的辦法，將磚體中玻璃相含量降低到15%。這種磚氧化鋁含量在43-46%左右，雖然通過降低磚中的玻璃相增加了彈性，但這種磚的抗?jié)B透性能力較差，鈉擴散入磚體形成霞石類產(chǎn)物，反應產(chǎn)物因體積膨脹，出現(xiàn)卷曲剝落的問題。1990年之后，國外開發(fā)出了同時具備低氫擴散度、低透氣度和高應變率的錫槽專用底磚，很好地滿足了現(xiàn)代浮法工藝對底磚的要求。這種底磚含有合適的玻璃相，在底磚表面形成阻礙鈉進一步擴散的阻擋層，不會出現(xiàn)霞石化問題。這種磚又兼具較高的應變率，雖然在作業(yè)溫度下磚體相互擠壓，仍不會發(fā)生“7英寸效應”。2 錫槽頂蓋結構的演變浮法成型工藝要求嚴格的熱均勻性，拱形頂蓋對熱輻射有聚焦效應，無法滿足錫槽橫向溫度分布的要求，所以國內(nèi)外不約而同地采用吊平頂結構。2.1 國內(nèi)頂蓋結構的發(fā)展國內(nèi)最早的洛陽一線、南寧一線、通遼一線的錫槽結構比較簡單，頂蓋上沒有鋼制密封罩，必須靠耐火材料頂蓋本身密封。所以當時使用大塊的耐熱鋼筋混凝土預制塊，吊掛組合在支承鋼梁上，預制塊之間用砂漿灌縫，形成比較嚴密的錫槽頂蓋。為了改善整個錫槽的密閉性，1985年投產(chǎn)的洛陽二線錫槽首先采用鋼制大密封罩，但頂蓋仍采用耐熱鋼筋混凝土預制塊。這種結構被隨后新建的大多數(shù)浮法線所采用。就這樣，耐熱鋼筋混凝土預制塊漸漸成為中國浮法的特點之一。耐熱混凝土預制塊吊平頂結構最大優(yōu)點在于造價低、底部平整、易吹掃、安裝容易。缺點在于形狀復雜、預埋件多、笨重、電加熱器布置靈活性差、容易開裂、壽命只有一個窯期。80年代后期發(fā)展出了組合式錫槽頂蓋4，結合了耐熱混凝土頂蓋與燒成磚頂蓋的優(yōu)點，將頂蓋分成支承模塊與加熱模塊二部分。支承模塊仍采用耐熱鋼筋混凝土預制塊，預制塊形狀得到簡化、尺寸較小、不易開裂、可反復使用幾個窯期。加熱模塊用莫來石燒成磚制成，電加熱元件安裝在此模塊上。國內(nèi)目前的錫槽許多采用組合式錫槽頂蓋。2.2國外頂蓋結構的發(fā)展國外一直采用硅線石質燒成磚與保溫磚的組合模塊，各種模塊拼裝成錫槽吊頂，吊頂外有鋼制密封罩密閉整個錫槽頂蓋。1990年代初期之前，采用的硅線石磚形狀復雜、磚型繁多、尺寸較小、精度要求高，組裝后的平頂其下表面是波浪形的，錫槽內(nèi)的揮發(fā)物易冷凝聚集在波谷，需要頻繁吹掃以防止冷凝物滴落污染玻璃帶5。1990年代中后期，根據(jù)對錫槽頂蓋結構與玻璃錫滴缺陷之間關糸的最新認識6，國外對頂蓋結構進行了重新設計。新老頂蓋之間的最大區(qū)別，在于內(nèi)表面改用了平面結構，避免了舊式波浪型結構的缺點。新型頂蓋能更好地發(fā)揮熱端氣氛導流技術的作用，大大減輕了錫滴危害。3 槽內(nèi)硫及氧污染物的控制國內(nèi)外早期的錫槽均采用過煤氣及半燃燒煤氣作為錫槽保護氣體，這些氣體純度很低，含有大量污染物。當時的槽內(nèi)污染主要來自保護氣體本身?，F(xiàn)代錫槽全部改用高純氮氫混合氣作為保護氣體，氣體純度己非常高。錫槽內(nèi)的污染物主要是氧和硫。 氧的來源主要歸結于密封不嚴引起的空氣滲透。而硫則主要來自玻璃液本身。3.1氧污染物的控制氧在錫液中的溶解度隨溫度而變，其關糸見表1。高溫時氧的溶解度大，低溫時氧溶解度急劇減小，所以錫槽出口端的錫液表面易生成氧化錫浮渣，如不及時清除，很容易導致玻璃沾錫。錫槽高溫區(qū)的過量氧會引起氧化亞錫揮發(fā)，冷凝在頂蓋上，最終落在玻璃帶上形成缺陷，但與硫污染相比，這并不是主要的。玻璃下表面滲錫量也與氧有關，過量的滲錫易產(chǎn)生鋼化彩虹。表1 氧在錫液中的溶解度與溫度的關糸7溫度 oC5506507508509501050溶解度 ppm31570280650900控制氧污染的根本措施在于加強錫槽的密封性，盡量減少外部空氣進入錫槽。錫槽的密封主要包括三個方面: 進口端、出口端、以及兩側邊封，其中出口端的密封是最關鍵的。錫槽出口端通過過渡輥臺與退火窯聯(lián)結。過渡輥及傳動完全是退火窯的延伸，而過渡輥臺殼體(渣箱)則與錫槽連成一體，同一裝置的不同部分分別附屬于不同的熱工設備，其熱狀態(tài)經(jīng)常處于矛盾之中，所以幾乎每條生產(chǎn)線在投產(chǎn)時均會在此處出問題，在高溫環(huán)境下，往往只解決傳動問題，根本無瑕顧及密封問題。因此，沾錫一直是氧污染引起的最令人頭痛的問題。解決氧污染問題的最新思路是將錫槽尾端與過渡輥臺作為一個糸統(tǒng)，統(tǒng)一考慮熱變形、密封、槽體幾何形狀及錫液流態(tài)等因素之間的協(xié)調關系。組織好熱變形是要保證各機構高溫下仍然能維持其基本功能。密封主要靠保持機構功能與合理選用材料二個方面，缺一不可。組織好熱變形與良好密封二者共同起作用，就能盡量減少外部空氣進入錫槽。對于難免泄漏進的少量氧生成的污染物，可借助合理的錫液流動及時從玻璃板下清除。槽體幾何形狀是要保證錫液自然流動的有序性，使污染物不蓄積在玻璃板下面。在同樣的密封條件下，有些錫槽，如某地一座進口錫槽，對沾錫特別敏感，其原因就是不合理的槽體幾何尺寸，紊亂的自然錫液流使污染物累積在玻璃板下方。采用直線電機加強有益的錫液流，被證明是一種非常有效的清除污染物的方法8, 但必須以有序的自然液流作為基礎。根據(jù)錫槽尾部槽體的不同尺寸，設計最優(yōu)化的誘導式扒渣耳池，己成為最新的氧污染控制技術。3.2硫污染物的控制芒硝(硫酸鈉)是玻璃有效的澄清劑，在浮法配合料中占較大比例，所以硫主要由玻璃液本身帶進錫槽。硫從流進錫槽的玻璃液中揮發(fā)及溶解在錫液中。純錫的蒸氣壓很小(見表2)，但受硫污染的錫的揮發(fā)性很大(見表3)，形成的硫化物蒸氣冷凝在頂蓋上，被氫還原成金屬錫滴落到玻璃上形成缺陷。表2 金屬錫的蒸氣壓9溫度 oC730812880940蒸氣壓mmHg0.000001420.00007510.0001730.00301表3 SnS的蒸氣壓10溫度 oC5947057609001010蒸氣壓mmHg0.010.11.010100進入錫槽的硫的數(shù)量是無法控制的，減少污染的傳統(tǒng)辦法是定期吹掃頂蓋。最新的技術主要采取加大保護氣體用量、分比例供氫、并加上高溫區(qū)導流排空技術，形成向上游的逆向氣氛流，將污染物迅速排出。在保護氣體中加入氫氣的目的是消耗漏進的氧，所以氫只對控制氧污染起作用。氫對控制硫污染起到的是反面作用，因此對硫污染而言，氫比例越低越好。這就要求在錫槽的不同區(qū)域，針對各區(qū)域的首要污染物，采用不同比例供氫。增加保護氣體供給量，是為運用高溫區(qū)導流排空技術創(chuàng)造條件。理想的導流技術應該連續(xù)排空、排氣量至少為總供氣量的15%、同時須保持槽內(nèi)壓力至少達到40 Pa，并借助在線露點儀實時監(jiān)測尾部槽內(nèi)氣氛露點。4錫液流動的調控錫槽內(nèi)的溫度大約在1100-600 oC之間，首尾之間存在450oC左右的溫差，這種溫差造成的錫液對流使上層錫液向低溫區(qū)流動、同時下層錫液流向高溫區(qū)。漂浮在錫液面上的玻璃帶的運動也帶動錫液向下游流動，向上游的返流主要集中在板邊外側。與玻璃帶引起的液流相比，溫差液流強度很弱。這二種錫液對流統(tǒng)稱為 “自然液流”。當今先進錫槽在設計時就考慮了充分利用有益的自然液流，同時廣泛采用液流強制調控裝置來靈活地控制錫液流動。液流調控裝置分為被動式和主動式二類。被動式錫流控制裝置主要有槽底活動擋坎、側面活動擋板等。主動式控流裝置只有直線電機一種。4.1 被動式錫流控制裝置槽底活動擋坎用石墨制成，內(nèi)部填充金屬鎢，可沉在錫槽的任意部位，橫貫錫槽內(nèi)寬。擋坎能顯著降低錫液流量，繼而控制槽內(nèi)熱交換過程，提高玻璃質量?；顒訐醢灏惭b在兩側無玻璃覆蓋的自由錫面處，用于阻擋錫液回流。玻璃板下及兩側無玻璃的自由液面處錫液的流動情況見圖11。擋坎高度對熱交換的影響效果見圖212。圖1. 錫槽中錫液流態(tài)(a為兩側無玻璃覆蓋區(qū)域。b為玻璃帶下面)圖2. 擋坎高度對熱流的影響4.2 錫槽直線電機直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能的電力裝量。當直線電機三相繞組通入交變電流時，產(chǎn)生“行波磁場”，位于“行波磁場”中的導體因切割磁力線而感應出電流，電流與磁場相互作用便產(chǎn)生電磁力。在錫槽中，這種電磁力推動錫液運動，通過調節(jié)電機的參數(shù)，就可方便地控制錫液流動的方向與速度13。直線電機頭部位于玻璃帶上方，不與玻璃接觸，距離玻璃表面約 30?0毫米。直線電機驅動玻璃下面的錫液按預定方向流動，改變直線電機的出力就能改變錫液流動的方向與速度。在錫槽進口端，熔融的玻璃液流入錫槽中部，加熱了它下面的錫液，而位于錫槽側墻附近的錫液僅得到較少的熱量。結果，在該區(qū)域形成了較大的橫向溫度梯度。該溫度梯度阻礙了玻璃液的自由擴展、影響了其消除厚度和表面上存在的不規(guī)則缺陷。為改善錫槽的橫向溫度分布，在錫槽兩側靠近流槽磚的錫液上方，安裝兩部直線電機。熱端應用對于厚玻璃的生產(chǎn)是重要的，因為由于頂部冷卻器的作用使得堆積的玻璃上表面過冷，結果常常會導致嚴重的表面缺陷和沿玻璃帶橫向的厚度不均。薄玻璃則由于這些錫液循環(huán)可以獲得更好的光學質量。直線電機應用方面的最新進展是在生產(chǎn)優(yōu)質薄玻璃與超薄玻璃方面14。在錫槽的拉薄區(qū)域和收縮段使用直線電機，是減少玻璃帶下表面光學變形缺陷的有效方法。為生產(chǎn)薄玻璃，拉邊機速度機必須逐次提高，玻璃帶的加速運動帶著錫液涌向錫槽出口端。為補償玻璃下錫液向下游流動，較冷的錫液向上游返回流動。冷熱流股在拉薄