坩埚窑节能和最新进展

摘要：本文介绍了坩埚窑的现状和主要特点，提高耐火材料和坩埚质量、改变炉窑结构和加强燃烧与余热回收利用，以达到节能的效果，并在坩埚窑的综合利用上进行了总结。
关键字：坩埚窑；换热效率；耐火材料；日池炉

　　坩埚窑是在窑内放置坩埚，在坩埚内将配合料熔化成玻璃的一种热工设备。窑膛内放置单只或多只坩埚。坩埚窑中玻璃熔制的各阶段（熔化、澄清、均化、冷却）在同一坩埚中随时间推移依次进行，成型时，用人工从坩埚口取料，也可以坩埚底供料，或将整坩埚移出取料。坩埚炉多坩埚窑与池炉相比，结构比较简单，造价低，建造周期短，可以迅速投产，而且有利于产品快速转型。从操作上看，其熔制制度易调节，而且可以采用机械搅拌、延长保温时间、生产均匀性好、质量较高的玻璃。坩埚炉也有自己的一些缺点，产量小，热效率低，玻璃利用率低，换坩埚时劳动强度比较大，坩埚本身的制备也比较复杂。它适用于生产数量少、品种多、产品质量要求较高或具有某种特殊性能的玻璃；同时也适用于进行科学研究或者试制新产品。因出料和加工机械化程度不高，因此坩埚炉熔制玻璃的能耗较高，熔制和澄清温度受耐火材料的限制而不能太高。本文以坩埚炉为例，在其节能和综合利用上进行了一些探讨。

一、 坩埚窑的特点。

1、 倒焰
　　倒焰式坩埚炉的火焰从窑底喷入，又从窑底排出，这种窑型沿坩埚高度的温度分布比较均匀，熔化的玻璃液比较均匀，然而窑底的坩埚底部常处于高温，容易破坏。
2、 操作灵活
　　坩埚窑的工艺实应性强，可以随时换料或同时在不同坩埚内熔制几种或熔制制度相近的玻璃，玻璃出料按一天的节奏可以避免操作上的轮班制，一般是白天加料和出料，晚上保温，可以灵活处理，由于坩埚炉换料比较方便，所以有利于产品之间的转型，抓住市场机遇，获得经济效益。
3、 换热效率低
　　换热效率低是坩埚窑最大的缺点，由于带盖的坩埚阻碍了火焰与玻璃的热交换，导致熔制过程大大减慢，大大的降低了熔化率，并使能耗严重增加，大部分热量都以不同形式损耗而未被利用，造成资源的严重浪费，加上产能低，所以坩埚炉常被用于熔制光学玻璃、颜色玻璃、晶质玻璃、仪器玻璃以及特种玻璃。
4、 产能受限，间接加热
　　因为坩埚高度不能太高，以保证上下温差不至于过大，所以坩埚窑的产量并不高，而且玻璃熔化过程中，液面上的脏玻璃液要刮去，而且玻璃液的利用率比较低，其利用率与窑结构、坩埚形状往往与质量、质量要求和操作条件都有关。
坩埚炉一般采用煤、气体和油作为燃料，并不是直接对配合料进行加热，而是利用空间辐射传热的原理来熔化玻璃，而且高温火焰也不能直接对坩埚进行加热，以避免坩埚局部受热或剧烈烧损。目前，已经出现了以电能作为热源的坩埚炉，通过电极利用高温玻璃液的导电性，对配合料进行直接加热，而且同时在坩埚熔化部上部空间配置硅炭棒进行间接辐射加热，不但提高了玻璃质量，也节省了能源，而且没有污染。

二、 节能途径

　　从工厂的角度来看，节约原料、提高窑炉性能和充分利用能源是非常重要的，这不但节约了成本，提高了经济效益，还为生产带来了便利。
1、 提高窑用材料的等级和质量
　　窑用耐火材料的等级和质量对窑炉的寿命和产品的质量有着至关重要的作用，所以在选用耐火材料的选择一定要慎重考虑，不同耐火材料之间的搭配使用也要合理。
　　坩埚中最重要的筑炉材料是窑炉炉盘，坩埚放在上面，烧嘴安装在它的周围，还要排出废气，所以现在不少厂的炉盘、上火口等均采用AZS砖。这些筑炉材料的提高有助于较高的火焰温度和废气温度制度的建立，并能抵抗溢出的玻璃状的熔渣。碹顶用硅质耐火材料，围墙用优质耐火粘土，烟道和蓄热室格子砖也可用耐火粘土高铅等材料，窑用材料一定要恰到好处地选用。
2、改善坩埚自身质量
　　坩埚窑里最重要的就是坩埚，坩埚的使用期限一般是4~12周，国外长达20周，根据玻璃液缺陷的程度可判定坩埚的使用情况。坩埚必须能够经受快速冷却和加热，具有高荷重软化温度和低蠕变倾向，抗熔融玻璃的腐蚀性也必须很好，同时熔化特性要好，这些条件有一部分是相互矛盾的，因此只能视具体情况而尽可能满足性价比的要求，熔化不同成分的玻璃也要选择不同的坩埚。
　　因此，提高坩埚自身质量是十分必要的，首先必须提高原材料的质量，成型后的坩埚在烧成和热处理的过程中，必须严格保持氧化气氛，避免还原性火焰，烧成时间和温度必须要严格控制，坩埚的气孔率要低于20%，坩埚烧成后要小心的搬运和放入坩埚窑中，熔化玻璃之前最好对坩埚进行玻璃化处理，以保护玻璃经受剧烈的温度变化，而且坩埚结构致密化与窑炉气氛隔开。坩埚在使用的过程中，要严格执行操作制度和操作方法。
3、改变炉窑结构
长期以来，人们创造了各种形式的窑炉，只有认真的考虑各种窑型的综合特征才能做出选择，最主要的标准是供使用的燃料种类、产品的种类和玻璃质量要求。如果采用横焰小炉加热的多坩埚（类似于蟹形窑）就能改换热来蓄热，热效率大为提高；采用带有余热回收器的单坩埚窑取代一般的换热式单坩埚窑等等。
4、强化燃烧和余热利用
因为坩埚窑中一般都采用横口坩埚，不受气氛的影响，所以燃料应该在炉膛内完全燃烧，否则将增加不完全燃烧的热损失。但是完全燃烧，还应考虑烟气带走的热损失，所以应该控制适宜的空气过剩系数，合理的组织燃烧，不仅保证了
向玻璃液的传热效果，而且对稳定窑压和火焰温度都有利。加强烟气的余热回收，也可提高窑的热效率，但余热回收是有限度的。
由于坩埚窑经常更换坩埚，窑墙也要随之拆卸，所以窑体保温不如池窑那样较为合理完备，需要根据条件，因地制宜解决，不仅提高窑的热效率，对操作条件的改善也是有利的，窑体砌筑时要力求气密性，减少不必要的开口，相应的减少不必要的热损失。
5、采用电熔技术
玻璃电熔池炉的热效率远远高于火焰窑炉，坩锅作为一个整体，如果插入电极，只有顶插方式，但这样极大地影响了加料和出料，在工艺上很难行得通。
但我们可以改变思路，把整体的坩锅改成由耐火材料砌成的坩锅，并设置一定的电极达到熔化的目的，经过我们的实验和中试，发现其效果良好，我们在下文将详细叙述。

三、综合利用

1、蓄热室坩埚窑
将传统的换热方式改为蓄热方式，这种窑可以将助燃料空气预热到1200℃，甚至1400℃，可以提供很高的火焰温度和有效的节约原料。能够大大提高热效率（约10%），并能提高玻璃熔制温度，改善玻璃质量，易于实现机械化和自动化生产，随着坩埚质量的提高，其应用也将得以推广。
蓄热式坩埚窑中玻璃液面总面积与窑底面积之比通常为40%~50%（最高53%，最低33%），一般窑内都放10支以上的坩埚，坩埚之间的间距为20~150mm。不同规格的蓄热式坩埚窑的经济指标如下表1所示：
表1 蓄热式坩埚窑的经济指标
窑底面积（m2） 6 8 10 12 14 16 18 20
日产量（公斤） 870 1320 1920 2640 3480 4400 5400 6600
耗热（千卡/公斤） 18000 16000 14250 13000 11900 10800 9900 7000
2、 电坩埚窑
（1）电坩埚窑简介
　　电熔坩埚窑在坩埚窑底部的特定部位采用电加热，所用的加热元件基本上是二硅化钼材料，窑炉结构基本上根据加热元件的工作要求而定，采用的加热元件自由悬挂于窑墙是凹入处，可制成单坩埚的电熔窑加热元件布置得不使它直接由出料口向外辐射。
　　一个铅晶质玻璃日产量在50Kg左右的电坩埚炉技术指标如表2所示：二硅化钼电极随温度急剧上升，为防止升温阶段电路过载，使用的变压器抽头必须具有阶跃电压，一共装有18对二硅化钼，每对额定功力为6.2KW。
表2 铅晶质玻璃日产量为50Kg的电坩埚炉技术参数
1. 装机容量 90KVA
2. 最大使用功率 50KW
3. 炉膛最高温度 1500℃
4. 开口坩埚尺寸 φ50×40
5. 容量（立升） 30
6. 铅晶质玻璃日产量 约50Kg
3、电熔坩锅池炉
　　该种窑炉采用坩锅窑的作业方式，利用电熔锆刚玉砖砌筑成以六角（或八角、四角等）形状的熔化池，与池窑不同的是，该窑炉没有流液洞和上升道结构，加料和出料都在该熔化池进行，整个操作工艺与开口坩锅相同。
　　其热量来源于二氧化锡（或钼电极），熔化池上方安置规碳棒进行恒温加热。该窑炉有以下特点：
1、 坩锅由电熔砖砌筑而成，其容积大小可以调节；
2、 电熔砖砌筑的墙体，坩锅的寿命大大提高；
3、 采用电极内部熔化，热效率大大提高；
4、 无废气，挥发少；
5、 占地面积少，没有燃烧系统；
下面以我所开发的一座日产80公斤的多功能电熔坩锅炉为例进行介绍：
该窑炉呈六边形，上小下大，上部采用硅碳棒空间辐射恒温加热，下部采用6根氧化锡电极三相配电恒流控制加热。在加料池处有一对电极恒流单相控制加热，起到对玻璃料预热的作用。该窑炉的熔化面积是0.072 m2，每天出料60~80kg，则熔化率为0.8~1.1 t/m2?d,熔化区所用的材料是电熔锆刚玉-33号无缩孔砖，表3为其技术参数。
表3 玻璃电熔炉参数
科目 参数 备注
熔化品种 铅玻璃或颜色玻璃 用铅玻璃预熔
日出料量/吨 60-80kg/day
熔化率 0.8～1.1 t/m2?d
总功率kw 28～65 视成型方式而定
熔化单耗（kWh/kg.glass） 2.5～5.5 视品种而定
加料方式 人工
电极材质 二氧化锡；
熔化温度℃ 1420～1460 视熔制状况而定
　　该窑炉可采用两种工艺，一种连续式操作工艺，即电熔炉工艺；一种间歇式操作工艺，即日池炉工艺；两种操作工艺的成型产品都用于调料吹泡成型。
　　由于该窑炉结构采用预熔池和主熔池分开的结构，使得换料过程很容易进行，并且换料彻底，余料少，并且主熔池采用的上小下大结构，也对换料彻底有非常好的帮助，使得预料不容易堆积。整个窑炉体积较小，只有0.05m3，因而换料时间短。
　　通过窑炉的运行，该窑炉在作为日池炉熔化时能耗较低，料质好，无气泡。结石和条纹，同时在换料方面，时间短，换料干净，因而该窑炉用于多产品试验或中试推广有非常好的实用价值，目前，我们正在国内推广这个项目，已经和奥地利施华洛世奇公司和美国Kopp公司进行该项目的合作。