浮法錫槽技術(shù)的進(jìn)展.doc

浮法錫槽技術(shù)的進(jìn)展周天輝(杭州聚能玻璃技術(shù)有限公司 杭州310014)摘要: 浮法錫槽技術(shù)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(yù)制塊吊平頂結(jié)構(gòu)，國外則采用硅線石質(zhì)的燒成磚組合吊頂。國外錫液流動的調(diào)控技術(shù)已非常成熟，主要有槽底擋坎、側(cè)面擋板、直線電機(jī),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(shù)主要采用足量保護(hù)氣、并加上高溫區(qū)導(dǎo)流排空技術(shù)、同時在錫槽尾部采用直線電機(jī)及時排除錫渣。關(guān)鍵詞: 浮法錫槽，錫液流動，硫污染，氧污染，直線電機(jī)，氣氛導(dǎo)流 錫槽是浮法玻璃生產(chǎn)的核心熱工設(shè)備，國內(nèi)外都對其嚴(yán)格保密，因此技術(shù)進(jìn)展軌跡也各不相同。回顧進(jìn)展歷程，理解最新進(jìn)展，對進(jìn)一步發(fā)展我國浮法技術(shù)水平、引進(jìn)吸收國外真正高水平的浮法技術(shù)，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(zhì)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(qiáng)度等一些常規(guī)的指標(biāo)則無特殊要求。目前衡量底磚發(fā)泡傾向的指標(biāo)為氫擴(kuò)散度，一般認(rèn)為氫擴(kuò)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(cè)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(yīng)變率指標(biāo)恒量彈性-即磚體通過變形釋放內(nèi)應(yīng)力的能力。1.2 國內(nèi)底磚的進(jìn)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(xùn)，我國設(shè)計的幾座錫槽特別強(qiáng)調(diào)槽底的密封。當(dāng)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(hù)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(jìn)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(dāng)時的浮法技術(shù)要求，但應(yīng)變率指標(biāo)不合要求，磚體彈性很差，必須預(yù)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?！按蟠u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(zhì)薄玻璃是極其關(guān)鍵的。大磚縫中貫通到鋼殼的錫液成為優(yōu)良的熱導(dǎo)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(yīng)變率較大的底磚，能預(yù)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(yīng)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(yīng)力能通過變形得到部分釋放，避免了應(yīng)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(kuò)散度和透氣度指標(biāo)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(kuò)散度和低透氣度的產(chǎn)品，生產(chǎn)工藝與其他粘土質(zhì)產(chǎn)品大同小異，并沒有真正掌握錫槽磚的生產(chǎn)技術(shù)。由于國內(nèi)錫槽設(shè)計上一直沿用大磚縫的做法，沒有對磚材應(yīng)變率指標(biāo)提出要求，故底磚生產(chǎn)廠并未刻意控制此指標(biāo)，生產(chǎn)的底磚在應(yīng)變率指標(biāo)方面存在較大差距，無法適應(yīng)現(xiàn)代浮法的技術(shù)要求。應(yīng)變率與氫擴(kuò)散度、透氣度二指標(biāo)存在逆向相關(guān)關(guān)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(biāo)與只控制二個指標(biāo)，在磚材生產(chǎn)技術(shù)上是完全不一樣的。1.2 國外槽底磚的進(jìn)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(kuò)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(dá)30%，應(yīng)變率較低，脆性大、易斷裂，導(dǎo)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(yīng)”。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(kuò)散入磚體形成霞石類產(chǎn)物，反應(yīng)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(kuò)散度、低透氣度和高應(yīng)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(jìn)一步擴(kuò)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(yīng)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(yīng)”。2 錫槽頂蓋結(jié)構(gòu)的演變浮法成型工藝要求嚴(yán)格的熱均勻性，拱形頂蓋對熱輻射有聚焦效應(yīng)，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(jié)構(gòu)。2.1 國內(nèi)頂蓋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dāng)時使用大塊的耐熱鋼筋混凝土預(yù)制塊，吊掛組合在支承鋼梁上，預(yù)制塊之間用砂漿灌縫，形成比較嚴(yán)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(yù)制塊。這種結(jié)構(gòu)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(yù)制塊漸漸成為中國浮法的特點之一。耐熱混凝土預(yù)制塊吊平頂結(jié)構(gòu)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(fù)雜、預(yù)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(jié)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(yù)制塊，預(yù)制塊形狀得到簡化、尺寸較小、不易開裂、可反復(fù)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(jié)構(gòu)的發(fā)展國外一直采用硅線石質(zhì)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(fù)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(jié)構(gòu)與玻璃錫滴缺陷之間關(guān)糸的最新認(rèn)識6，國外對頂蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)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(jié)構(gòu)，避免了舊式波浪型結(jié)構(gòu)的缺點。新型頂蓋能更好地發(fā)揮熱端氣氛導(dǎo)流技術(shù)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(hù)氣體，這些氣體純度很低，含有大量污染物。當(dāng)時的槽內(nèi)污染主要來自保護(hù)氣體本身?，F(xiàn)代錫槽全部改用高純氮氫混合氣作為保護(hù)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(jié)于密封不嚴(yán)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(guān)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(dǎo)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(guān)，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(guān)糸7溫度 oC5506507508509501050溶解度 ppm31570280650900控制氧污染的根本措施在于加強(qiáng)錫槽的密封性，盡量減少外部空氣進(jìn)入錫槽。錫槽的密封主要包括三個方面: 進(jìn)口端、出口端、以及兩側(cè)邊封，其中出口端的密封是最關(guān)鍵的。錫槽出口端通過過渡輥臺與退火窯聯(lián)結(jié)。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(shè)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(diào)關(guān)系。組織好熱變形是要保證各機(jī)構(gòu)高溫下仍然能維持其基本功能。密封主要靠保持機(jī)構(gòu)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(jìn)入錫槽。對于難免泄漏進(jìn)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(jìn)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(jī)加強(qiáng)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(chǔ)。根據(jù)錫槽尾部槽體的不同尺寸，設(shè)計最優(yōu)化的誘導(dǎo)式扒渣耳池，己成為最新的氧污染控制技術(shù)。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(jìn)錫槽。硫從流進(jìn)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(jìn)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(shù)主要采取加大保護(hù)氣體用量、分比例供氫、并加上高溫區(qū)導(dǎo)流排空技術(shù)，形成向上游的逆向氣氛流，將污染物迅速排出。在保護(hù)氣體中加入氫氣的目的是消耗漏進(jìn)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(hù)氣體供給量，是為運(yùn)用高溫區(qū)導(dǎo)流排空技術(shù)創(chuàng)造條件。理想的導(dǎo)流技術(shù)應(yīng)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(dá)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(diào)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(yùn)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(cè)。與玻璃帶引起的液流相比，溫差液流強(qiáng)度很弱。這二種錫液對流統(tǒng)稱為 “自然液流”。當(dāng)今先進(jìn)錫槽在設(shè)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(qiáng)制調(diào)控裝置來靈活地控制錫液流動。液流調(diào)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(cè)面活動擋板等。主動式控流裝置只有直線電機(jī)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(zhì)量?；顒訐醢灏惭b在兩側(cè)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(cè)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(cè)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(jī)直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動機(jī)械能的電力裝量。當(dāng)直線電機(jī)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(dǎo)體因切割磁力線而感應(yīng)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(yùn)動，通過調(diào)節(jié)電機(jī)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(jī)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(jī)驅(qū)動玻璃下面的錫液按預(yù)定方向流動，改變直線電機(jī)的出力就能改變錫液流動的方向與速度。在錫槽進(jìn)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(cè)墻附近的錫液僅得到較少的熱量。結(jié)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(kuò)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(cè)靠近流槽磚的錫液上方，安裝兩部直線電機(jī)。熱端應(yīng)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(jié)果常常會導(dǎo)致嚴(yán)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(xué)質(zhì)量。直線電機(jī)應(yīng)用方面的最新進(jìn)展是在生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)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(jī)，是減少玻璃帶下表面光學(xué)變形缺陷的有效方法。為生產(chǎn)薄玻璃，拉邊機(jī)速度機(jī)必須逐次提高，玻璃帶的加速運(yùn)動帶著錫液涌向錫槽出口端。為補(bǔ)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