玻璃转窑预熔技术及玻璃转窑

摘要

本发明所提供的玻璃转窑预熔技术及其主要设备玻璃转窑，是一种熔制玻璃的新方法。这种方法是在以临界转速旋转的转窑内熔制玻璃。转窑由金属外壳、保温材料和耐火砖内衬、驱动电机等组成，用轴向喷射的“逆火焰”加热动态环形玻璃液面，因为火焰周围都是玻璃液而没有耐火砖，所以能提高熔制温度，强化动态熔制过程，缩短熔制时间，提高熔制效率，降低能耗。本发明的主要特点是在失重和超重反复作用下进行玻璃的超高温熔制。

说明书

本发明所提供的是一种提高玻璃熔化效率的新方法及其主要设备-玻璃转窑。这种方法能最大限度地提高熔化玻璃液的温度，减少粗熔和形成玻璃的时间，降低能耗，提高玻璃熔化效率。

众所周知，国内外熔化玻璃液的窑炉主要有两种：一种是熔制光学玻璃间歇生产的坩锅窑;另一种是熔化普通玻璃（器皿玻璃和平板玻璃）连续生产的池窑。坩锅窑的产量很小，绝大部分玻璃液都是用池窑以连续生产的方式熔制的。玻璃池窑与炼钢平炉的加热方式一样，都是蓄热式反射炉，由池（窑）底、池（窑）壁、池（窑）顶-大炫、端墙、投料口和出料口等部分组成（见附图1），用耐火砖砌筑。池窑的加热是用喷嘴把燃料和助燃空气混合后喷入窑池内形成加热火焰。小型池窑用“马蹄焰”，大中型池窑用换向工作的“横火焰”。无论采用什么样的加热火焰，都是只有一个加热面（底面）直接加热玻璃熔液，另外三个面（左右池壁和大炫）则直接加热耐火砖，所以热能损失大，热效率低。从工艺过程来看，玻璃液的熔制分三个阶段：（1）粗熔（熔化混合料形成硅酸盐），（2）熔化（形成玻璃），（3）澄清。理论和实践表明，大部分热能用于粗熔和熔化阶段，提高玻璃液的熔制温度，可以加速熔制过程，可以提高熔化效率，但是由于耐火砖软化点（屈服温度）的限制使窑池和玻璃液的熔制温度只能在1450℃，再想提高就十分困难。

玻璃熔液的粘度和表面张力与温度的关系如附图2所示，温度很小的变化会引起粘度很大的变化。高温玻璃熔液也是很粘的（1443℃时100泊），对池窑来说有诸多危害：熔制反应时间长，池窑尺寸大，对流和涡流夹带生料，需设搅拌装置，在固、液、气三相界面严重刻蚀耐火砖，影响池窑寿命等等。

综上所述，自从1867年开始使用的连续生产蓄热式池窑，迄今经历了120余年，除了局部技术有所改进和随着产量的需求池窑不断加大外，始终还没有根本上的变革，所以熔制效率一直不高，热能损失很大。

本发明的目的是要提供一种全新的玻璃熔制技术，即利用转窑完成玻璃的粗熔和熔化工艺，提高玻璃液的熔制温度，强化和缩短熔制过程，降低能耗，提高玻璃熔化效率。

本发明所提供的玻璃转窑予熔技术的主要特点是把玻璃液的熔制工艺分两步完成：第一步，在玻璃转窑内予熔，即完成（1）粗熔和（2）熔化阶段;第二步，在池窑内澄清。虽然仍保留一小部分池窑，因为是在1300℃左右保温澄清，消耗能量有限。

实现本发明的关键设备是玻璃转窑，能不能用转窑熔制玻璃是本发明是否具备实用意义的根本所在，所以祥细说明如下：

1.玻璃熔液的粘度与温度特性（见附图2），为本发明提供了科学依据。因为玻璃熔液很粘，在池窑熔制工艺中是一个很大的缺点;而在转窑熔制工艺中却是难得的优点和必要的条件。玻璃转窑予熔技术的关键就是高温玻璃熔液必须随着转窑转起来！

2.玻璃转窑实际上是一个内衬保温材料和耐火砖的金属圆筒，其旋转轴水平放置或与水平线成一个很小角度，从一端（高端）给料及排烟，从另一端（低端）用喷嘴把燃料和助燃空气沿转窑轴线喷入窑内形成加热火焰，因为加热火焰喷射方向与高温玻璃溶液的流动方向相反，故称：“逆火焰”。熔制好的玻璃熔液从料口排出。

3.高温玻璃熔液能否随转窑转起来？比较下列数据是有意义的：

20℃时，水的粘度0.01泊，甘油的粘度8.3泊;

30℃时，水的粘度0.008泊，甘油的粘度6.3泊;

700℃时，锡液的粘度0.01泊，与20℃时水一样;

1600℃时，玻璃液的粘度37泊，比浆糊还粘;

1443℃时，玻璃液的粘度100泊，是20℃时水的一万倍;

1200℃时，玻璃液的粘度880泊;

1000℃时，玻璃液的粘度1.479万泊;

800℃时，玻璃液的粘度1.9×10⁶泊即190万泊。

显然，水的粘度是不会随着转窑转起来的，无论其转速是多少，都不行;而1600℃时的玻璃熔液比浆糊还粘，是能随转窑转动的，但在转窑内液面最小半径的顶点（附图5中的A点）玻璃熔液会不会掉下来，还需要另一个条件，即要有一定的转速，常温模拟实验也证明了这一条件的必要性。

4.玻璃转窑的转速应等于或大于临界转速。所谓“临界转速”即处在转窑断面A点（见附图5）的物体所获得的离心加速度a与重力加速度g大小相等，方向相反时的转速。此时A点物体处于失重状态，B点及B点以下物体处于超重状态。

本发明所提出的玻璃转窑予熔技术有以下特点：

1.加热火焰的周围都是玻璃熔液，没有耐火砖，所以热损失小，热效率高;

2.熔制温度不受耐火砖软化点（屈服温度）的限制，可以超高温熔制，强化熔制过程，缩短熔制时间。如果把熔制温度提高到1600℃，其熔制效率比池窑（1450℃熔制）可提高1-1.5倍和有利于窑炉寿命;

3.转窑内玻璃熔液的失重和超重反复交替有利于均匀熔制效果，有搅拌作用和排除汽泡的澄清作用;

4.未熔化好的生料比重小，熔制好的玻璃液比重大，因转窑的离心力作用生料始终在接近加热火焰的液面上，消除了夹带生料的对流;

5.由于强化高温熔制过程，窑内玻璃熔液存量小，周转系数高，有利于更换产品种类（配方）;

6.经济效益显著。

本发明的目的是这样实现的：用钢板做一园筒，内壁嵌衬保温材料和耐火砖，将其轴向水平放置在托辊上。在金属外壳的外缘与环形齿条固定在一起，有减速齿轮与环形齿轮咬合，通过变速箱与同步电动机相接，即组成用同步电动机驱动的玻璃转窑，见附图3和附图4。

从转窑的一端供给配合料，同时排除废气（高温烟气），从转窑的另一端用喷嘴把燃料和助燃空气沿转窑轴线喷入窑内形成加热火焰。因为加热火焰的喷射方向与窑内玻璃熔液的流动方向相反，故称“逆火焰”。显然，加热火焰的周围都是高温玻璃熔液而没有耐火砖，因此可以提高玻璃熔制温度（1600℃左右），强化和加速熔制过程。熔制好的高温玻璃液从火焰喷射端取出流入澄清部-保温澄清池窑。从转窑内取出（流出）高温玻璃熔液需要专用出料器或装设高温火焰“刮板”。应当说明：玻璃转窑用的配合料应当是经过造粒和烧结制备的具有一定温度的粒化熟料;助燃空气则是利用排除废气的余热进行予热后的高温空气。

结合附图进一步说明如下：

图1.原有技术-蓄热式反射炉玻璃池窑（横火式）示意图;

图2.玻璃的粘度（η）和表面张力（σ）与温度（T）的关系;

图3.玻璃转窑予熔技术及其主要设备示意图;

图4.玻璃转窑C-C局部断面示意图;

图5.玻璃转窑C-C断面动力学分析图。

在图1中表示了原有技术-横火焰玻璃池窑的主要结构，由（1）池底（2）池壁，（3）池顶（大炫），（4）端墙，（5）投料口，（6）流液洞（7）出料口，（8）火焰喷嘴，（9）蓄热小炉等部分组成。（10）是熔化部，完成玻璃的粗熔和熔化工艺;（11）是澄清部，完成保温澄清工艺。图中A为高温玻璃液面，B为加热火焰喷射方向。显然，加热火焰只有下面直接加热玻璃熔液。

图2是玻璃的粘度（η）和表面张力（σ）与温度（T）的关系曲线也是转窑能熔制玻璃的理论根据。粘度η的单位是泊（P），表面张力σ的单位是尔格/厘米²（erg/cm²），温度是摄氏度（℃）。因为玻璃粘度对温度非常“敏感”，变化量值太大，故取对数座标表示。

图3表示了本发明的主要设备及其工艺方法：玻璃转窑由钢制金属外壳（1），环形齿条（2），减速齿轮（3），变速箱（4），同步电动机（5），承托钢圈（6），托轮（7）组成。在外壳（1）里面嵌衬保温材料（8）和耐火砖（9），在出料端装设加热喷嘴（11）和专为出料用的高温火焰“刮板”（10）。启动同步电动机（5）使整个窑体转动起来，其转速严格控制在稍大于“临界转速”N_L（转/分），此时转窑内的高温玻璃液面也基本上是环形的。

其工艺过程是：经过造粒和烧结制备的玻璃配合熟料通过供料输送机（15）送入料斗（14），由给料机（13）均匀地（也是可控的）向玻璃转窑内给料，用旋转接头（17）把转窑与静止部分连结起来，因为转窑已在稍大于“临界转速”N_L的转速下转起来，靠离心力把配合料也均匀地环布在窑内高温玻璃液面上，在给料端窑温约在1200℃左右，玻璃熔液的粘度约为880泊，很粘。因为玻璃熔液很粘，配合料颗粒粘在玻璃液面上不会掉下来。随着配合料的不断供给，迫使窑内环形熔融玻璃液面不断地向出料方向流动，同时被迎面吹来的加热火焰升温进行高温熔制。由于加热火焰周围没有耐火砖，都是需要高温熔制的玻璃熔液，所以可以把熔制温度提高到1600℃以上，这样不但会显著提高熔制效率，而且节约能量消耗加速熔制过程。熔制好的玻璃熔液在出料端用火焰“刮板”（10）取出送到澄清部（16）进行保温澄清。澄清部与池窑相同，如果玻璃转窑用来熔制玻璃马赛克原料，则不必经过澄清部，直接送往马赛克成形机即可。转窑内的高温废气经过废气排气烟道（12）排除，因为废气温度在1200℃左右利用其余热进行予热助燃空气和烧结经过粒化的玻璃配合料，充分利用热能，使其最终排出的废气温度在600℃以下，还可以二次利用。

图4是图3玻璃转窑的C-C局部断面，表示加热喷嘴（11）和出料“火焰刮板”（10）的安装位置。

图5是图3玻璃转窑C-C断面动力学分析用图，从图中可以看到在转窑内玻璃液面上的A点物体同时受到重力加速度g和离心加速度a的作用当a＝g时的转速定义为“临界转速”N_L。a＝ω²γ＝（2πn_l）²_γ＝g，由此求出N_L值。

当玻璃转窑以N_L转速旋转时：在A点因a＝-g，该处物体处于失重状态，相当于在无重力情况下熔制;在B点因a＝g，且方向相同，该处物体处于超重状态，相当于在超重力情况下熔制。前者部分地实现了在无重力状态下进行玻璃的超高温熔制;后者则高温超重排除气泡，有利于搅拌和澄清。其作用和意义都是池窑不能比拟的。

以下给出实施实例的设计参数：

产量100（吨/日）的玻璃转窑，外径2.2米，外壳直径2.0米，长度6米，工作转速45转/分，临界转速43转/分，窑内玻璃液面半径0.5米总重28吨，同步电动机功率30千瓦，熔化每吨玻璃液耗重油180公斤。相同产量的池窑底面积需6×18米²，所需钢结构和耐火砖总重在100吨以上，散热风机的功率20千瓦，熔化每吨玻璃耗重油600公斤。