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从浮法玻璃工艺来分析玻璃熔窑耐材损毁的种类

时间:2021-02-02     作者:重远陶瓷焊补【原创】   阅读

  截止2019年11月底,全国浮法玻璃生产线共计297条,在产的有239条。2020年上半年日用玻璃制品及玻璃包装容器产量1124.20万吨。


  玻璃行业用的耐火材料种类和材质与钢铁行业也是不相同的。玻璃窑炉用的耐火材料主要分为熔铸材料、硅质材料和镁金属材料,比如说硅砖、粘土砖、高铝砖、硅线石砖、莫来石砖、电熔莫来石砖、锆刚玉砖、电熔刚玉砖、含锆质的耐火砖等等。


  浮法玻璃成型在锡槽,即熔化好的玻璃液由溢流道、流槽连续不断地流入锡槽,在锡液面上摊开并在传动辊子的牵引下向前漂移,在一定的温度制度下,依靠表面张力和重力,完成摊平、展薄.冷却后,玻璃由过渡辊台托起,离开锡槽进入退火窑,然后经过横切、检验、装箱。

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  图为浮法玻璃窑玻璃生产工艺流程示意图。(可以把手机左旋转查看)


  耐火材料在玻璃窑炉中使用时,由于高温、火焰、料粉、气氛、气流和液流等作用,会遭到严重的破坏,大大影响了窑炉的使用寿命。从烤窑起,耐火材料在窑炉中的使用即开始,操作不当,同样会使耐火材料受到很大的,甚至是很严重的损坏,需特别注意。下面介绍几种损坏情况。

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  蚀损


  窑内料粉、玻璃液和火焰气体在高温下都会侵蚀耐火材料。配合料中的纯碱、芒硝、硼酸盐、氟化物、氧化物在高温下与耐火材料表面作用,生成低共熔物或疏松状物,并借助耐火材料本身的空隙或界面的交代反应继续向砖体内部渗透扩散,而使耐火材料逐渐被溶解、剥落而减薄、变质、进行重结晶等。上述各种盐类与化合物的蚀损机理是不同的,芒硝比纯碱的蚀损作用强得多。


  料粉对耐火材料的蚀损作用主要表现在粉料高温蒸发的碱性蒸气对耐火材料的侵蚀,如硅砖表面的熔蚀、内部的“鼠洞”等,以及格子砖中的反霞石化作用等。再者,粉料中超细粉的飞料在蓄热室格子体中集聚,形成瘤子,堵塞格子孔,严重时造成格子砖倒塌、损毁,被迫热修。蚀损作用随温度升高而加剧,熔化温度每提高50~60℃就会使使用期限缩短约一年。前脸墙、加料口、熔化部前部空间、池壁、小炉、蓄热室上层格子体等部位都会受到料粉的蚀损。


  玻璃液对耐火材料的蚀损作用比料粉要小得多,玻璃液与耐火材料界面层上的相反应是复杂的。玻璃液首先溶解耐火材料中的游离的SO₂。莫来石的溶解速度较小,它聚集到玻璃液和耐火材料的界面上,虽然小结晶的莫来石溶解了,但在使用时大结晶的莫来石甚至有了增长。耐火材料被侵蚀后,与它接触的熔融物中增添了SO₂和Al₂O₃的成分。熔融物将扩散到玻璃液的其余部分中去。在扩散过程中,熔融物的成分发生变化,SO₂和碱液增加了,而在界面上发生了β-Al₂O₃结晶的聚集作用,所以,在耐火材料与玻璃液的接触面上,首先是莫来石层,接着是β-Al₂O₃层,然后是未受侵蚀的耐火材料。耐火材料溶解后,使玻璃液黏度增大,促使在耐火材料表面形成较难移动的保护层,减弱了继续侵蚀的作用。


  玻璃液对耐火材料的侵蚀作用,取决于其黏度和表面张力等物理性质。黏度低和表面张力小的玻璃液最容易浸润耐火材料,并从其表面细孔吸入内部,使整个耐火材料受到强烈的侵蚀。高碱玻璃具有较低的黏度,硼硅酸盐玻璃的表面张力小,所以,它们的侵蚀作用就剧烈。提高熔制温度会降低熔融玻璃液的黏度和表面张力,从而也加速了侵蚀作用。含硼酸、磷酸、氟、铝、钡化合物的玻璃液,对耐火材料有剧烈的侵蚀作用,强烈的玻璃液对流和不稳定的液面会把保护层冲刷掉,加速蚀损。对耐火材料本身来说,蚀损程度主要与它的化学组成、矿物组成和结构状态有关。一般耐火材料的结构都是由一个或多个晶相、玻璃相和气相组成的。气孔,特别是开口气孔,是侵蚀剂渗入耐火材料内部的通道,并使侵蚀面增加。相对于晶相来说,玻璃相是薄弱环节,其化学稳定性差,要提高耐火材料的抗侵蚀,必须使其高温的稳定晶相增多,玻璃相含量减少,且软化温度和黏度要大,气孔率尽可能低。此外,还要求晶相细小并均匀分布在玻璃相中,形成均匀致密的组织结构。耐火材料表面不平整和裂纹会使侵蚀加剧,液面处的池壁砖和池壁砖砌缝处于易被玻璃液蚀损的地方,水平缝的蚀损比垂直缝严重,故要求砌体表面光滑,砲缝小,并要整块立砌。


  煤气与重油的燃烧产物(内含SO₂、V₂O₅等腐蚀性气体)及个别配合料组分的挥发物,也会腐蚀火焰空间、小炉、蓄热室等处的耐火材料。高温下不同筑炉材料之间会相互反应,以致损坏。如1600~1650℃黏土砖和硅砖会剧烈反应,高铝砖和硅砖会起中等反应,电熔锆刚玉砖与硅砖会起剧烈反应,严重共熔。电熔锆刚玉砖与石英砖、白泡石起中等反应,而与刚玉砖起接触反应。所以,刚玉砖可用作过渡材料。


  在蓄热室使用的格子体还因氧化还原气氛作用而损毁,其损毁机理主要在于变价离子在氧化和还原状态其价态不同,配位状态不同,产生体积变化,导致制品强度降低,开裂。


  烧损


  在高温长时间作用下,耐火材料会被烧熔(又称烧流)或软化变形而损坏。窑内某部位局部过热或所砌耐火材料的耐火度不够,耐火材料就被烧熔。有时,耐火度合格,但荷重软化温度偏低,则长期使用时,耐火材料也会软化变形,影响了整个砌体的稳性和使用寿命。烧损严重程度视温度和耐火材料的性质而定。小炉喷火口碹、小炉腿、舌头、蓄热室碹、熔化部窑碹和胸墙等是易被烧损的部位。


  裂损


  裂损主要发生在烤窑阶段。烤窑时,在耐火砖内部出现一定的温度差,产生相应的机械应力。如升温速度过快,超过了耐火材料允许的极限强度时,将出现裂纹,甚至裂成碎块。电熔的、高度烧结的致密耐火材料最易破损。除温差产生应力外,耐火材料晶型变化所造成的膨胀或收缩亦会产生应力。升温过快时,晶型变化快,体积变化过剧,产生应力过大,使耐火材料开裂,因而,在烤窑时必须按事先制定的烤窑曲线升温。烤窑后,耐火材料长期处在高温作用下,在该作业温度下的耐火材料机械强度比在室温下要低得多。如果作用于耐火材料的机械负荷偏大,则耐火材料会产生非弹性变形(与极黏的液体流动相似),而导致破坏。


  磨损


  玻璃液沿着耐火材料流动时具有滴水穿石的功效,把耐火材料磨出一条条沟槽,这是机械磨损。主要磨损部位在玻璃液面处。另外,在循环液流流动处(特别是液流紊乱处)也明显可见。当液面波动及液流变化(如受温度波动影响)时,磨损加剧。


  化学侵蚀的种类


  化学侵蚀主要有下列四种。


  ①熔融玻璃与耐火材料的反应造成的侵蚀


  这种侵蚀以与玻璃液接触的池壁砖为代表。玻璃中最重要的是钠钙硅玻璃。一般的瓶罐玻璃和平板玻璃都属于这一类。这种玻璃中以SO₂为主要成分,含量在70%左右,Na₂O含量为15%左右,CaO含量在10%左右,还有少量的Al₂O₃和MgO。为了改善玻璃的性能,以钠钙硅玻璃为基础可以引入K₂O、L₂O、BaO、PbO等氧化物。这些玻璃虽然种类较多,但都可以简化为SO₂含量、碱金属氧化物(Na₂O+K₂O+L₂O)含量和碱土金属氧化物含量(CaO+MgO+BaO)来考虑。只要上述三种氧化物含量基本相同,则对耐火材料的化学侵蚀也基本相同。但是硼硅玻璃对耐火材料的化学侵蚀与钠钙硅玻璃不同。尤其是低碱或无碱硼硅玻璃,其酸性氧化物含量高,熔化温度也高。因此要使用特殊的耐火材料。


  玻璃对耐火材料的化学侵蚀,如果没有物理侵蚀同时存在,则进行得十分缓慢。加料口附近的上部结构受到配合料粉尘的化学侵蚀。此处配合料粉尘的成分与玻璃液基本相同。也就是说此处耐火材料与池壁砖受到的化学侵蚀基本相同。但是池壁砖受到的破坏比上部结构要严重得多。之所以出现这种差别,主要是物理侵蚀条件不同。池壁砖除了受到玻璃化学侵蚀外,还受到玻璃液流的冲刷作用这一物理侵蚀。液流的冲刷把化学侵蚀的生成物不断冲走,因而使玻璃液能够不断对耐火材料的新鲜表面进行化学侵蚀。这两种侵蚀共同作用的结果,使池壁砖损坏很快。但是上部结构只受到与玻璃成分相同的配合料粉尘侵蚀,此处没有液流的物理侵蚀。所以化学侵蚀的生成物留在耐火材料的表面,这就起到了保护作用,防止了配合料粉尘对耐火材料的进一步侵蚀。由此可以看出化学侵蚀的破坏程度与物理侵蚀情况有很大的关系。


  ②玻璃配合料粉尘与耐火材料化学反应造成的侵蚀


  这种化学侵蚀主要发生在池炉熔化池上部结构和蓄热室。在不同部位,配合料粉尘也有差别。加料口附近的配合料粉尘,其成分与玻璃成分基本相同。由于硅砂颗粒密度较大,离加料口越远配合料粉尘中SO₂含量越低。配合料粉尘的多少与很多因素有关。对于同一种玻璃配合料粉尘量与原料密度、颗粒度、加料方式有很大关系。配合料加水、压饼或制球都可以大大减少配合料粉尘量。


  ③玻璃配合料挥发物与耐火材料反应造成的化学侵蚀


  玻璃和配合料的挥发物在池炉的上部空间和蓄热室中部都存在,对这些部位的耐火材料进行化学侵蚀。挥发物的成分主要是碱金属氧化物的化合物和硼的化合物,还有氟化物、氯化物和硫的化合物。这些挥发物除以气相状态与耐火材料发生化学反应外,在温度低时还会凝结成液相与耐火材料发生化学反应。其中钠的化合物在1400℃。时就会冷凝。这些冷凝液体通过浸润、扩散向耐火材料气孔内渗透。尤其是当上部结构砌体有龟裂和未充满泥浆的砌缝时,会给耐火材料造成很大的破坏。


  ④燃料的灰分及燃烧产物与耐火材料的化学反应造成的化学侵蚀


  燃烧重油和天然气时,灰分基本不存在,而V₂O₅和NO虽然对耐火材料侵蚀严重,但一般重油中含量很少,在池炉生产中影响不大。重油和发生炉煤气中的硫分,在燃烧中生成SO₂,并与挥发成分中的R₂O作用生成亚硫酸钠,亚硫酸钠与耐火材料的化学反应强烈,在玻璃生产过程中要考虑到这个影响因素。


  物理侵蚀的种类


  物理侵蚀与时间、温度有很大的关系。物理侵蚀最重要的是玻璃液流的冲刷作用和耐火材料荷重的重力作用。


  在高温区,熔融玻璃液流的冲刷作用会使化学侵蚀速率成倍增加。在低温区域,化学侵蚀很小,主要是液流冲刷的物理侵蚀。在熔化池高温区,玻璃流黏度低,液流强烈。尤其是使用电助熔和鼓泡以后,液流更为强烈。强烈的冲刷作用与化学侵蚀配合会对耐火材料造成很大的破坏。


  荷重引起的重力破坏主要发生在蓄热室格子砖。随着池炉技术的进步,蓄热室的高度不断增加,格子体自重对于下层格子砖及炉条碹的压力很大,当化学侵蚀将其损坏后,在损坏部位由于应力集中而破坏,结果会导致整个格子体的倒塌。


  耐火材料对玻璃的污染


  耐火材料的成分及其与玻璃反应生成物的成分与玻璃成分不同。这种不同成分可以是固相、气相或液相。耐火材料产生的缺陷从外观上看主要有以下三种:结石和条纹、着色、气泡。


  耐火材料造成的污染,在大多数情况下都是耐火材料受侵蚀的结果。耐火材料受的侵蚀越严重,则造成的玻璃缺陷越多。耐火材料造成的结石有三种:一种是耐火材料原来的晶相,第二种是耐火材料与玻璃反应后生成的变质结晶,第三种是耐火材料被熔化后又重新析晶。由耐火材料产生的条纹通常是与结石共同存在的。有的结石是在条纹中析晶出来的,有的条纹是由于结石熔化造成的。另外一种不带有结石的条纹,这大部分是由于耐火材料中玻璃相造成的。由耐火材料产生的结石和条纹大部分是物理侵蚀和化学侵蚀共同作用的结果。


  由于耐火材料中含有Fe₂O₃、Cr₂O₃等物质,这都是强着色剂。因此耐火材料被侵蚀后,这些氧化物进入玻璃中会造成着色。


  耐火材料造成的气泡主要有两种。一种是耐火材料本身有气孔,其中的气体被玻璃置换出来。另一种是由于玻璃与耐火材料反应生成的气泡。前一种属于物理作用造成的,后一种是物理侵蚀和化学侵蚀共同作用的结果。


  更多关于玻璃熔窑耐火材料侵蚀的因素、以及如何减少玻璃窑炉耐火砖侵蚀的方案、在玻璃生产过程中常出现哪些由耐火材料引起的玻璃问题等等,我们在《耐火材料百科全书》第二章第二节里面有针对性的问答内容。


  注:以上文章来源于找耐火材料网,作者找耐火材料网

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