玻璃池窑各部位的工作状态不同,要求耐火材料的性能也不同。对于玻璃熔窑用耐火材料的基本要求大致如下:必须有足够的使用性能,如高温性能、化学稳定性、冷热急变稳定性、体积稳定性和机械强度;要有较高的耐火度;对玻璃液没有污染或者污染极小;尽可能延长使用周期;砌在一起的不同材质的耐火材料之间在高温下没有接触反应;式样和尺寸准确,尽可能少的用量和散热损失;易损部位用良好材料,其他部位使用一般材料。做到:“合理配套,窑龄同步”。
现科瑞耐材结合自身经验,对熔化部中接触玻璃的部位所用耐火砖、浇注料等材料的种类进行说明。
(1)概述
大多数接触玻璃的耐火材料的损坏机理是液相侵蚀,受扩散/渗透率的支配。钠钙玻璃的液态温度高达约1500℃。除钠钙玻璃以外,其他玻璃的液态温度可能较高或较低,这取决于所要求的玻璃黏度特性和玻璃的组成。对所有接触玻璃的部位来说,耐火材料最重要的性能就是抗侵蚀能力。耐火材料界面的稳定性和产生结石的倾向,这两种性能几乎具有同等重要的意义。界面稳定性指的是耐火材料部分地处于侵蚀状态中,但耐火材料表面仍属完整.不会脱落而使玻璃产生缺陷。
对于无色玻璃来说,被耐火材料着色的可能性是个很严重的问题。
在有些小型熔窑的熔化区,耐火材料放出气体或产生气泡的现象也是个相当重要的问题,但一般说来,只有在熔窑前端的耐火材料放气反应会影响制品的质量。
耐火材料的抗热冲击能力只在烤窑或凉窑时具有重要意义。这是因为在正常作业中,就接触玻璃的耐火材料来说,温度是相当平稳的。
耐火材料的选用通常取决于玻璃成分和接触玻璃而受侵蚀的耐火材料是水平暴露耐火材料的选用通常取决于玻璃成分和接触玻璃而受侵蚀的耐火材料是水平暴露面还是垂直暴露面。有垂直暴露表面的池壁是更为关键的,因为在这种表面上形成的颗粒物会由于重力作用而脱落下来。
(2)侧墙
①单砌层所有的侧墙砖在玻璃上表面处(称为“液面线”、“玻璃液位线”)受到加速的蚀损。在玻璃液面处通常采用外部空气冷却,对玻璃液面以下部位的标准做法是铺保温材料。保温材料应是良好的耐火黏土砖或更好的材料,以防玻璃渗透过砖的接缝而开始侵蚀保温材料。玻璃液面处耐火材料的蚀损速率随熔窑中的温度和温度分布不同而有明显变化。玻璃液面处的蚀损率通常决定着侧墙砖的使用周期。对液面处进行冷却,可降低侧墙砖的界面温度,从而大大地减慢其蚀损速率。这种冷却办法只有在侧墙砖开始某种程度的蚀损以后一般才有效,这是因为在标准的250〜300mm厚侧墙上,耐火砖接触玻璃的界面温度最初只是很微小地受到外部冷却的作用。因此,在侧墙砖尚未被有效地冷却之前所有新砌筑的熔窑在液面线处显示出较高的初期蚀损率。
全电熔窑(用生配合料覆盖整个玻璃液进行操作)没有液面线,耐火材料的蚀损比较均匀一致,只有电极周围部位的情况除外。
在接触玻璃的部位全用大砖,以便减少成为薄弱环节的砖缝数目。凡是砖缝处侵蚀作用必定加剧。熔制典型的钠钙玻璃的实际做法是:熔化池中与玻璃接触的部位,大多使用熔融ZrO2-Al2O3-SiO2耐火材料。而熔制某些低膨胀的硼硅酸盐玻璃时,使用致密的锆砖.在有些熔制纺织纤维玻璃的熔窑中,外贴面处使用致密的锆耐火材料和含铬耐火材料,而在与玻璃接触的部位则使用耐侵蚀能力更高的(含铬)耐火材料。熔制其他一些玻璃时(尤其是铅玻璃),使用黏土耐火砖、熔融高铝砖、致密的烧结高铝砖。
②双砌层或多砌层结构熔窑这一结构的耐火材料所处环境基本上与单砌层的相同,所不同者就是砌层之间的水平砖缝易受向上钻蚀作用。可能发生的向上钻蚀的程度如何,取决于砌层之间水平砖缝的大小。受钻蚀的大砖就是侵蚀面向下的那一层砖,即双层结构中的上一层砖。
(3)投料端墙
此处的耐火材料所处环境基本上与池壁耐火材料相同,所不同的就是此处由于配合料熔化时放出气体而使玻璃液发生较大的紊流,这可能在玻璃液面区域造成某种侵蚀。与正常的池壁处相比,这里还会有较强烈的温度波动,这是由于配合料层的运动而掩蔽辐射热所致。从根本上说,此处实际所用的耐火材料与池壁所用的相同。
(4)投料口
这一部位的耐火材料所处的环境大体就是对池壁所述的环境。但是,此处有颇大的温度波动因素,其原因是连续投料的情况甚少,而不连续的投料则引起耐火材料的温度波动。熔结的熟料投入熔窑后,也可能引起一些侵蚀或磨损,尤其在暴露的转角处,因为这样的地方极易损坏。
(5)流液洞
流液洞连通桥墙-花格墙,所起的主要作用是:实现热变换,来对从熔化带至澄清带和向各成型机分配玻璃的系统中的玻璃液进行热调节。熔窑中的这一部位(尤其在有盖砖和护面砖的情况下)是最易受蚀损的部位,主要受向上钻蚀的损害。在标准的流液洞结构中,盖板砖和护面砖与玻璃接触的向下表面具有很大的面积。
受到向上钻蚀的流液洞砖上的蚀损比之池壁砖上的蚀损更均匀得多,因此所用的耐火材料应当是致密的(如果使用各种熔融浇铸耐火材料,则不应有缩孔)。若采用某种冷却措施,用致密的耐火砖也是一个有利条件,实际上对一切没有流液洞的熔窑来说,冷却是一种标准的措施。所用的冷却方式有好些:用空气吹流液洞的后砖,在吹风处周围分散地布置水冷盘管,以至用整个的水箱后一种方法也许是最佳的冷却结构,但要求水箱和被冷却的耐火砖表面都经过研磨以达到紧密接触,从而实现良好的热传导。
流液洞区域是熔窑中对产生结石最敏感的区域之一,因为由于向上钻蚀反应所造成的侵蚀产物会立即被涮入流出的玻璃液流中。典型的解决办法是,针对一定的玻璃使用现有的、抗侵蚀能力最高的耐火材料。对于熔制钠钙玻璃和其他大多数玻璃,使用高氧化锆含量的耐火材料,即熔融的锆铝硅(AZS)型耐火材料。在熔制纤维玻璃的熔窑中,广泛使用含铬耐火材料。与锆铝硅耐火材料相比,含铬耐火材料的优点是它的抗侵蚀能力高得多,但已证明它用在除纤维玻璃以外的所有玻璃方面都是不够理想的,其原因是即使只有为数很少的这种含铬砖与玻璃接触,也会引起玻璃着色。
(6)桥墙/端墙
此处与池壁的环境基本上相同,只是它离流液洞很近,从而对玻璃造成缺陷较易。若熔化带和澄清带之间的空间内没有良好的空气循环,温度还可能较高一些。
(7)桥墙
它不代表一个共同的结构特征,而只是熔化带内的窑坎,它的两边都有玻璃液。一般的说,这一结构侵损迅速,因为它从两边受到侵蚀,而且没有保护性的热梯度(几乎所有的池壁耐火材料都有这种热梯度)以降低表面温度、减慢侵蚀。这种桥墙由于蚀损速率相当高,所以还会增加产生条纹和结石的可能性。
(8)窑底
这一部位只受到液相侵蚀,没有玻璃液面和三相界面的侵蚀。只有当玻璃液达到分层结构的耐火砖的下方时,才会发生向上钻蚀。窑底结构上的侵蚀产物由于重力作用容易保留在耐火材料的表面上,至少在某种程度上说是如此,因此,在这个部位可以使用抗侵蚀能力较差的耐火材料。但是,随着液流对流形式的变化或熔窑负荷的变化,这个部位(使用抗侵蚀能力较差的耐火材料时)也可能容易使玻璃产生缺陷。从窑底鼓泡是常用的方法。由于鼓泡作用而产生的局部紊流,要求在这一区域使用耐侵蚀性较好的耐火材料。一般的做法是与窑底砖的习惯铺砌分开,而在那些区域使用较厚的熔融浇铸耐火材料,这种较厚的砖对熔窑寿命的均衡一致来说,能防止因分层结构所引起的干扰破坏。
掺混金属杂质的玻璃配合料对窑底结构材料有严重的影响。窑底是进熔窑的金属最容易沉积的区域。沉积在窑底结构上的金属能在耐火材料中侵蚀出孔洞,其侵蚀方式与玻璃液在耐火材料上产生的向上蚀孔作用很相似。一般认为:越是熔点低的金属,比起铁和铁的合金来,其侵蚀率就越大和越显著。在个别情况下,由于熔窑中的条件,金属可以直接从玻璃还原出来。
熔制高铝含量玻璃的熔窑的窑底,就玻璃工业中一般窑底形式来说,其结构是特殊的,因为铺底耐火材料或上层耐火材料有某种漂移或浮动的倾向,这完全是由于玻璃密度高的缘故。为此,适于熔制高铅玻璃的最佳窑底结构是采用单一耐火材料的整层窑底。最常用的是熔融浇铸锆铝硅耐火材料。
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