陈金方

（江苏大学材料科学与工程学院，江苏  镇江 212013）

摘要：本人总结了作者设计的三座日产12吨铅玻璃的电熔窑经验。并指出了数家工厂运行的铅玻璃电熔炉出现的故障和改进意见。简明扼要的说明了铅玻璃电熔炉的一些设计原则和操作经验。

关键词：铅玻璃电熔炉；玻璃珠胎料(仿宝石)；高铅玻璃管；玻璃板材

由于铅晶质玻璃易挥发、分层、还原等特性，因而在池窑熔化中对温度、气氛、窑压、对流等工艺参数非常敏感。通过实践及对各种燃料、窑型的综合分析，一致认为全电熔窑是最为合理的，也是比较经济的。

近十几年来许多国家对于全电熔窑进行了研究，取得了重大突破。现在中国已有不少电熔窑，它的优越性越来越为人们所注意。

作者本人1985年大学毕业分配至扬州玻璃厂，作为主要的工程技术人员参加了轻工部从英国KTG公司引进的日产12吨的铅玻璃全电熔窑炉，2006年和2007年承接了上海某厂日产12吨和广东某厂日产12吨的铅玻璃全电熔窑炉的设计任务，最近几年又陆续承接了日产0.3吨、0.5吨、1.0吨、2.0吨的生产铅玻璃珠胎料(仿宝石)的全电熔窑炉生产线，积累一定的设计经验。并对数家工厂运行的铅玻璃电熔炉出现的故障进行诊断、改进。在此主要对这三座日产12吨铅玻璃的电熔窑(兼谈几座小型铅玻璃电熔窑)做一简单的总结，以供从事这方面研究的和设计的工程技术人员参考。

1．三座铅晶质玻璃电熔窑都是采用的T型结构

如图1所示是铅晶质玻璃电熔窑，典型的T型窑，垂直进行熔化。水平安装二氧化锡电极于熔化池池墙上，垂直安装二氧化锡电极于(熔化池与澄清池之间)台阶上，玻璃液经过流液洞和上升道进入料道，液面由配合料复盖，加料用皮带输送机。熔化池、流液洞和垂直上升道均由电熔锆刚玉砖砌成，并进行保温。

该窑的产量范围很大，从每天2t/d～20t/d玻璃不等。一座产量为9t/d的窑，每kg玻璃液用电0.9kWh，每kg成品玻璃需用电1.3kWh，产量为2t/d玻璃的窑每kg玻璃液用电1.8kWh，而产量为18t/d的窑，每kg玻璃液用电不超过0.85kWh。熔化率一般控制在3t/m2.d是合理的。利用调压(变压)器对熔窑供电。窑的使用寿命取决于电极，扬州玻璃厂的铅玻璃电熔炉使用24个月后停炉检修，电极已侵蚀完毕，耐火材料侵蚀不是很严重，对电极进行更换的话还可以再使用一个窑期。由于是进口设备折旧费用太贵，1991年我国的油价还没有上涨，电价相对较高，停炉后就没有再启动。

    该窑熔制是在垂直方向进行的。玻璃液表面覆盖一层配合料(一般为6.5-15cm)，把熔融玻璃和上层空间隔绝。在配合料层以下，熔化玻璃慢慢地往下经过电极区，该区温度高达1400～1420℃。石英砂在这里完全熔化，玻璃开始澄清，经流液洞和上升道进入料道和工作池。熔制铅晶质玻璃时，熔化率为3t/m2.d，熔化池呈长方形状，池深约为1.6m左右。氧化锡电极做成长度与直径之比为4∶1的圆棒。电极通过电极水套固定在池墙上。水套用来固定、冷却电极和冷却电极附近玻璃，以免玻璃液的压力把电极挤出来。循环使用的冷却水必须经过软化处理。冷却水量视电极数量而定，日产6t玻璃的电熔窑冷却水量为250l/min，从水套流出的水温不超过60℃。冷却水系统中包括一个高位水塔，以防备突然停电应急使用。

熔制铅晶质玻璃的电熔窑，窑顶用吊平碹，上部空间高度比较低，在正常操作时温度仅120℃左右，用粘土砖砌成，由于窑顶的温度不是很高，粘土砖热稳定性较好，价格又便宜，所以一直选用的粘土砖。池墙、流液洞、料道、池底均用含ZrO2电熔锆刚玉砖，墙厚300mm，池底厚100mm。其它为硅线石砖及保温砖。当以适宜的温度熔化时，熔化温度一般在1370℃，耐火材料的侵蚀非常小，玻璃中结石极少。尽管池炉耐火材料的侵蚀非常缓慢，它的炉龄还是有限的，池炉冷修周期约4年。氧化锡电极的使用寿命为2年，如今技术已有了进步，可以在热态的情况下，对氧化锡电极进行更换。

2．用电熔窑熔化铅玻璃降低PbO挥发的机理

对于熔制铅玻璃，最好的方法就是厚料层垂直深层全电熔。

全电熔厚料层垂直深层电熔工艺，熔化池表面复盖冷的配合料，配合料在复盖层下加热，从加热到玻璃形成的四个阶段，都在同一个地点、不同的时间和不同的垂直高度上完成。因此，它可以基本避免在火焰池窑中所造成PbO挥发的存在条件。其机理是：

⑴ 配合料层表面工作状态平稳。全电熔厚料层熔制玻璃时，由于配合料是很好的绝热材料，料层的表面温度可低达120℃以下，处于平稳状态，基本上可以避免“飞料”的PbO物理损耗。

⑵ 厚料层垂直深层电熔窑（冷炉顶）可以回收挥发物。从图2中可以看到配合料表面0～40mm这一层，温度稳定在120℃，仅水份在蒸发，可称为冷配合料层。深度在40～80mm，温度从120℃提高到250℃，称为热配合料层，深度在80～110mm的温度变化最剧烈，从250℃上升到1000℃，完成了硅酸盐的反应过程，称为硅酸盐反应带，也可称轻质层。再下一层则是含有大量气泡和带有未熔化好砂粒的熔融玻璃，称为玻璃的熔融过程，也可称半熔层。在这层下面就是玻璃的澄清和均化区域。配合料从表面料层到轻质层，温度从120～1000℃的热过程，必然会发生碳酸盐、硝酸盐、红丹(或黄丹)的分解，挥发物由下向上逸出时，遇到冷的表面配合料层凝结起来，便产生铅的回凝现象，而在反应过程中所产生的CO2和NOx气体很容易穿过疏松的配合料层逸出。因此，铅的挥发物可以在这里几乎被回收。

⑶澄清和均化在垂直深层方向中进行。这个过程与水平式火焰池窑熔制有较大的区别，它好象在垂直管道中进行，没有与空气相接触的自由表面，因此不可能产生铅从玻璃结合态中挥发的问题。

从上述的熔化机理，可清楚地看到，由于铅的烧损减少到极小的程度，消除了氧化铅的挥发(一般火焰熔化池窑中氧化铅的挥发高达10%)，玻璃成份波动小、稳定，这是获得优质玻璃的重要工艺条件之一。

若考虑到挥发性成分的节约，使粉料成本降低、环境污染减少，节约了大量氧化铅，玻璃采用全电熔的成本是非常合算的。

3．三座电熔窑的比较

    三座电熔窑的有关参数列于下表

澄清池池壁上设有的启动电极热装碎玻璃时起辅助加热作用，正常生产时根据池底的温度决定是否使用。池底中央有一凹池，安装有放料装置，可以定期放出脏料。

三座电熔窑所用的电极均为氧化锡电极(有带水冷的特殊“银接头”)，它可把电流迅速带到氧化锡电极的具有良好导电性的部位，从而降低了系统的电阻，这种电极的寿命两年。

电熔窑的上部空间位于熔化池之上，由吊平碹 、炉门和窑墙围成。位于一侧的炉门，在烤窑和应急时，可通过手轮来升降，以调节上部空间的开度，形成一个封闭的或半封闭的空间。

正常生产时，炉门全部提起，为M63加料机或人工加料提供运行空间和人工操作空间，同时也为除尘提供方便。炉门中央的加料门，为热装碎玻璃用。

4．三座电熔窑的主要区别

1985年轻工部从英国KTG公司引进的日产12吨的铅玻璃全电熔窑炉，在我国是一新生事物，政府部门是全力扶持的，采用的10000V的单相供电方式。众所周知，这么大功率的用电负荷单相供电，必定会造成电网的不平衡，作为轻工部的项目，扬州市政府还是全力支持。2006年和2007年上海某厂和广东某厂是不可能采用单相供电的，但又要满足矩型窑炉的工艺要求，最终选用三相转二相的斯柯特变压器供电。当然在1985年斯柯特变压器加工技术也没有今天这么成熟，这么被国人所熟知。

轻工部从英国KTG公司引进的日产12吨的铅玻璃全电熔窑炉，熔化池的12对氧化锡电极采一只600KVA的变压器供电，调节起来不是很方便，这一只变压器既要管熔化温度，又要管澄清温度。温度高了要红顶，烧穿料毯；温度低了，又化不好玻璃。一定要调节到理想的平衡状态，才能正常的运行。鉴于上述情况，我在设计广东厂和上海厂的电熔炉时，就选了二只和三只变压器分层来控制和调节。上海厂是生产仿水晶料的，玻璃质量要求比较高，所以选择了三只变压器分三层来控制。

轻工部从英国KTG公司引进的日产12吨的铅玻璃全电熔窑炉，澄清池采用了三对电极，作为启动电极，正常生产时不使用，在运行的时候这三支电极还是要使用的，主要用来作为熔化池温度分布的调节手段。我在设计广东厂和上海厂的电熔炉时，澄清池增加到六对电极。调节起来更加方便。    

5．上升道和流液洞的供电及备用电源

三座窑炉的上升道和流液洞都设有电极，用来调节玻璃液的温度。电熔窑的流液洞、上升道和料道的供电，另外用辅助变压器供电并接有备用发电机。

结合我国的实际情况，备有备用发电机。考虑电网停电时，只要保证向流液洞、上升道和料道供电即可。向电熔窑供电的主电源，不设备用电源。允许短时停电。但此时电极接头的冷却水不可断。断水使接头的银杆炸裂，进而使电极损坏剧烈。

6．KTG的烤窑方式及其改进

烤窑时，在碹顶中间、熔化池池墙上、流液洞、上升道、料道下层前部、中部和后部及上层前部和后部、池底凹池处10个部位设有10个测温点对温度进行监控。升温曲线所要求的温度是碹顶和熔化池应达到的温度，同时要兼顾其它各点的温度。烤窑结束时，将拆掉凹池处的临时测温点，用9个测温点进行生产控制。

(1)KTG公司的烤窑方式。KTG公司采用的火焰烤窑，在炉门上设有观察孔，主要用于烤窑期间观察火焰情况和增设燃烧器。在与炉门相交的一侧墙上也设有观察孔，也是测定氧含量的取气孔。在与炉门相交的另一侧墙上，设有燃烧器孔和烟囱。烟囱上也设有观察孔，观察窑内情况。

烤窑时，窑压通过烟囱顶部的两块挡板调节。正常生产时，烟囱作排出废气用。上升道上也设有小孔，烤窑时安装小型燃烧器用。正常生产时，用来观察玻璃液面与对面孔里的液面探针运动情况。  

 (2)KTG公司的烤窑方式有待改进的地方。采用火焰烤窑的方式，温度难以控制，尤其在低温的时候，经常熄火。到了高温的时候，由于没有空气换热装置，升温很难。同时氧量不足，害怕氧化锡电极的还原。由于火焰都要向上走，所以很难通过流液洞并加热流液洞。

(3)广东厂和上海厂的烤窑方式。采用20支硅碳棒烤窑。避免产生上述火焰烤窑的一系列困难。

7．目前国内铅晶质玻璃电熔窑设计中存在的一些问题和常出现的一些故障。

　　设计一座小型的玻璃电熔窑炉，通常不需要设计资质，有的厂家为了节约投资成本，请一个了解玻璃电熔炉的工程师，手里有一套图纸就开始上马，结果出现这样那样的问题，在此总结其中的几条。　

(1)窑炉长宽比设计不当造成氧化锡的电流密度过大，缩短了电极寿命。如图4熔化池的表面积1.26m2，采用方案一时，则电极电压为160V，电流为400A。采用方案二时，则电极电压为100V，电流为640A。方案二电极的电流密度比方案一电极的电流密度提高了1.6倍。同样的熔化量方案二的电极寿命大大的缩短了。

(2)电极水套设计不当，造成氧化锡电极的头部炸裂。采用图5（a）所示的电极水套，氧化锡电极的冷却效果良好;而采用图5（b）所示的电极水套，对氧化锡电极的冷却过于急，容易超成氧化锡电极的头部炸裂。四川某厂采用图5（b）所示的进口电极水套，熔化池共使用16支φ100mm的氧化锡电极，运行一段时间以后，12支电极的头部炸裂，结果被迫停炉。

(3)供水系统设计不当，造成氧化锡电极的水套停水。如江苏某厂一座日产2吨生产镜片的电熔炉采用图5（a）所示的电极水套，由于没有安装水塔，水套停水，造成银棒熔化外流，电极无法供电而被迫停产。

主要参考文献

1. 陈金方.玻璃的电熔化与电加热.上海.华东理工大学出版社，2002.

2. 陈金方.玻璃电熔窑炉技术.北京.化工出版社，2007.

作者介绍：陈金方（1963），男，副教授，硕士生导师，《玻璃的电熔化与电加热》和《玻璃电熔窑炉技术》编著。主要从事玻璃电熔窑方面的研究和设计工作。联系电话：0511—88791451，手机：013951280541  　E-mail:jfchen@ujs.edu.cn