К атегория:

Шлифование и полирование стекла

Варка стекла и стекловаренные печи

Стадии варки. Варка стекла - это протекающий при высоких температурах процесс превращения сыпучей шихты в расплав стекломассы, который при охлаждении становится готовым стеклом; процесс протекает в стекловаренных печах. Условно процесс варки разделяют на пять стадий: силикатообразова-ние, стеклообразование, осветление, усреднение или гомогенизация состава, охлаждение.

Силикатообразование - начальная стадия варки, во время которой в результате физических и химических процессов, в твердом состоянии образуются сложные силикатные соединения. Протекает эта стадия при температурах 800…1000 °С.

Сырьевые материалы (компоненты шихты) при прохождении этой стадии претерпевают ряд превращений: влага испаряется; гидраты, соли, низшие оксиды разлагаются и теряют летучие соединения; кремнезем меняет свое кристаллическое строение. Кроме того, на этой стадии выделяется большое количество углекислого газа С02. Этот газ в виде пузырей поднимается на поверхность вязкого расплава, где пузыри лопаются, поэтому поверхность такого расплава выглядит как бы кипящей (отсюда и происхождение термина - варка стекла). На этой стадии образуется неоднородная частично остеклованная масса, пронизанная большим числом пузырей и содержащая множество непроваренных зерен песка.

Стеклообразование - вторая стадия варки, во время которой происходит физический процесс растворения зерен избыточного песка в расплаве силикатов и стеклобоя. На этой стадии заканчиваются все химические реакции. В результате взаимодействия между гидратами, карбонатами, сульфатами окончательно формируются сложные силикаты; зерна кварца полностью растворяются и переходят в расплав. Температура 500…1400 °С на этой стадии недостаточна для плавления кварцевого песка, поэтому он не плавится, а растворяется; стекломасса становится относительно однородной и прозрачной без непроваренных частиц шихты.

В результате подъема температуры увеличивается подвижность атомов и молекул, составляющих стекломассу, что ведет к ускорению взаимного растворения кремнезема и силикатов. Благодаря этому выравнивается концентрация растворов силикатов на различных участках. Все эти превращения сопровождаются выделением большого количества газообразных продуктов. Вязкость расплава еще достаточно высока, поэтому газообразные продукты не успевают улетучиваться, и стекломасса бывает насыщена большим количеством пузырей.

В результате на второй стадии образуется неоднородная стекловидная масса, пронизанная большим количеством мелких газовых пузырьков, но уже не содержащая включений непроваренных зерен песка.

Осветление - третья стадия варки стекла. Она характеризуется тем, что происходит удаление газовых включений в виде видимых пузырей и в результате между стекломассой (жидкой фазой) и газами, растворенными в ней (газовая фаза), устанавливается равновесие. Из всех стадий процесса варки осветление и следующая за ней стадия усреднение (гомогенизация) - наиболее ответственные и сложные. Качество стекломассы зависит от того, насколько полно и интенсивно проходят эти стадии.

В расплаве стекломассы находятся газы, образовавшиеся в результате разложения и взаимодействия компонентов шихты; газы, механически внесенные вместе с шихтой; летучие вещества, специально введенные в шихту; газы, попадающие в расплав из атмосферы. Наибольшее количество газов заносится в стек- ‘ ломассу с сырьевыми материалами. При осветлении удаляются только видимые пузыри. Часть газов остается в стекломассе, растворяясь в ней. Они невидимы глазом, а поэтому не искажают оптических характеристик стекла. Чтобы эти невидимые газообразные включения не могли перейти в видимые пузыри и тем самым испортить стекло, в процессе осветления устанавливают равновесие между газами, растворенными в стекломассе и заключенными в пузырях, создавая в печи определенные условия.

Осветление происходит следующим образом: крупные пузы-ри поднимаются к поверхности и лопаются. По законам физики внутри крупных пузырей давление ниже, чем внутри более мелких. Поднимаясь более легко к поверхности, крупные пузыри по пути всасывают содержимое более мелких пузырей, в результате стекломасса осветляется. Совсем мелкие пузырьки растворяются в расплаве.

Углекислота, парциальное давление которой невысоко, стремясь выровнять свое давление, переходит в образовавшиеся от разложения осветлителя пузырьки. Они укрупняются, подъемная сила их увеличивается, вследствие чего они поднимаются к поверхности и лопаются. Газ, содержащийся в них, переходит в атмосферу печи. В свою очередь, газы, образующиеся при разложении осветлителя, переходят в мелкие пузырьки углекислого газа, укрупняют их, чем способствуют их подъему и тем самым осветлению стекломассы.

Усреднение (гомогенизация) состава - четвертая стадия процесса стекловарения - характеризуется тем, что к ее концу стекломасса освобождается от пузырей, свилей и становится однородной. Несмотря на то, что в печь поступает однородная, хорошо перемешанная шихта, физические и химические процессы протекают в шихте между ее компонентами неоднородно, поэтому и состав стекломассы в различных участках печи оказывается неоднородным. При повышенных температурах составляющие части стекломассы находятся в непрерывном естественном движении, поэтому локальные порции стекломассы различного состава вытягиваются в направлении движения, образуя переплетенные жгуты, нити, которые называются свилями. Если такое стекло резко охладить, то из-за различия в показателях преломления граница раздела между участками с разным химическим составом становится видимой невооруженным глазом. Свиль, таким образом, является пороком стекла, ухудшающим эстетический вид изделия.

Гомогенизация осуществляется в основном за счет интенсивного движения (диффузии) веществ, составляющих стекломассу. Чем выше температура варки и, как следствие, ниже вязкость расплава стекла, тем лучше условия диффузии, и, наоборот, диффузия в вязкой среде, при пониженных температурах, протекает медленно и до конца варки не заканчивается. Поэтому при гомогенизации температура стекломассы играет решающую роль.

Значительно ускоряет гомогенизацию выделение пузырей. Поднимаясь к поверхности, они растягивают пограничные пленки стекла разного состава в тончайшие нити с сильно развитой Удельной поверхностью и облегчают взаимную диффузию стекломассы соседних участков. Таким образом, процесс усреднения стекла тесно переплетается с осветлением. При варке стекла в промышленных печах стадии осветления и гомогенизации протекают одновременно в одинаковых условиях, поэтому зону ос. ветления невозможно отделить от зоны гомогенизации.

Важное значение для получения однородной стекломассы имеет ее искусственное перемешивание. При варке хрустальных стекол используют керамические мешалки.

Для получения однородной массы при гомогенизации большое значение имеет однородность и тонкость помола шихты. Оказывает влияние на однородность стекломассы и бой стекла загружаемый с шихтой в печь. Обычно бой стекла несколько отличается по химическому составу от основного стекла, так как в процессе предыдущей варки он теряет часть летучих компонентов, обогащается растворенными газами и пр. Поэтому, бой стекла измельчают и равномерно распределяют в шихте.

После осветления и гомогенизации стекломасса по своему качеству полностью отвечает предъявляемым к ней требованиям, однако из-за высокой температуры расплава и низкой вязкости формировать его невозможно. Поэтому задача заключительной стадии стекловарения - подготовить стекломассу к формированию.

Охлаждение - пятая, заключительная стадия процесса стекловарения. Она характеризуется тем, что температуру стекломассы понижают для создания вязкости, позволяющей формовать из нее изделия. Температура стекломассы на этой стадии поддерживается около 1200 °С.

Стекломассу охлаждают плавно и постепенно - при резком охлаждении может нарушиться равновесие между жидкой и газовой фазой, что приведет к новому образованию газовых включений в виде мельчайших пузырьков (вторичной мошки). Освободить стекломассу от подобных газовых включений трудно из-за ее повышенной вязкости. Чтобы избежать появления пороков стекла на заключительной стадии, необходимо строго придерживаться установленного режима давления газовой атмосферы печи и понижения температуры.

Стекловаренные печи. Стекловаренная печь - это теплотехнический агрегат периодического или непрерывного действия, в котором варят стекло и готовят его к формованию. Печи обогревают либо газом, либо электричеством. По режиму работы печи бывают периодического (горшковые) или непрерывного (ванные) действия. В некоторых случаях применяют ванные печи периодического действия.

Работу печи характеризуют такие показатели, как производительность (съем стекломассы в единицу времени, т/сут; удельный съем, кг/м2 в сутки), коэффициент полезного действия и расход теплоты на одну варку или единицу количества стекла. Коэффициент полезного действия (КПД ) печей периодического действия невысок (): горшковых - 6…8, ванных - 10… 15, непрерывных ванных печей-17…28. Наиболее эффективны электрические печи - КПД 50-70 , однако более высо-

я стоимость электроэнергии по сравнению со стоимостью присного газа или жидкого топлива сдерживает широкое применение электрических печей.

Для варки стекол художественного назначения, отработки новых видов стекол, проведения экспериментальных работ и выработки высокохудожественных изделий используют гор ш ковы е печи, в которых одновременно варят в огнеупорных тиглях (горшках) стекломассу разных составов или цветов. Недостатки этих печей - низкий КПД , ручная засыпка горшков, необходимость замены лопнувших тиглей на ходу, повышенный расход топлива и т. д. В производстве сортовых изделий высокого качества из цветного и свинецсодержащего (хрустального) стекла применяют многогоршковые регенеративные печи с нижним подводом теплоты. Такие печи имеют до 16 горшков полезной вместимостью 300…500 кг и КПД до 8%.

Горшки, как правило, бывают круглые, реже овальные; в поперечном вертикальном сечении в форме усеченного конуса, реже цилиндра. Размеры горшка подбирают в соответствии с размером вырабатываемого изделия.

Шихта в стекловаренном горшке получает теплоту главным образом за счет излучения от свода печи и частично за счет теплопроводности через стенки горшка. Поэтому для горшковых печей особое значение имеет высота свода печи: чем ниже свод, тем интенсивнее прогреваются горшки и находящаяся в нем шихта.

Отличительная особенность варки стекла в горшковых печах- периодичность всех технологических процессов, которые чередуются в строгой последовательности: разогрев печи после выработки изделий, засыпка шихты и стеклобоя, варка стекла, студка стекломассы и выработка стеклоизделий.

Перед тем как использовать горшки для варки, их обжигают и постепенно, плавно вываривают до температуры 1500… 1540 °С.

Шихту и бой стекла в соотношении 50: 50 загружают в прогретые горшки в несколько приемов: сначала бой, потом шихту, причем последующие порции подают после того, как оплавились порции, загруженные ранее. После провара последней порции температуру в печи поднимают до максимальной и проводят осветление и гомогенизацию, которые могут продолжаться до 6 ч. Для интенсификации этих процессов применяют бурление стекломассы, для чего при помощи металлического стержня в стекломассу вносят кусок замоченной древесины. Под действием высоких температур из дерева бурно выделяется влага и продукты горения, что приводит стекломассу в интенсивное движение, способствуя ее перемешиванию и осветлению от газовых пузырей. Этот же эффект достигается при бурлении сжатым в°здухом, который вводят в стекломассу под давлением. После т°го как закончена варка, стекломассу охлаждают до температур рабочей вязкости, а затем начинают выработку стеклоизделий.

Обычно цикл работы горшковой печи длится одни сутки ежедневно повторяясь в течение года, иногда более - до остановки печи на ремонт.

Рис. 1. Горшковая печь с нижним подводом пламени: 1 - нижняя часть стены (окружка), 2 - рабочие окна, 3 - свод, 4 - рабочая камера, 5 - под регенератор, 7 - отверстия для обслуживания горшков, 8 - стекловаренные горшки, 9 - горелочные отверстия (кади), 10 - отверстия для загрузки горшков

Рассмотрим устройство горшковой печи. Главный элемент печи - рабочая камера, в которой устанавливают необходимое для работы количество горшков. В верхней части боковых стен расположены рабочие окна. В окружке против каждого горшка есть отверстие через которое обслуживают горшки. Для загрузки от выемки горшков в окружке и над ней сделано отверстие, которое во время работы закрывают плитами. К Промежуточное положение между горшковыми и ванными ечами занимают секционные печи. Их применяют в основном при производстве художественных изделий. Так же, как и в горшковых, в секционных печах можно варить стекломассу нескольких составов или цветов - по числу секций, представляющих собой примыкающие один к другому «карманы», выполненные из огнеупорного кирпича и имеющие общее пламенное пространство.

Ванные печи непрерывного действия - более совершенные и производительные теплотехнические агрегаты, они наиболее распространены в стекольной промышленности. При варке стекла в ванных печах все стадии стекловарения протекают одновременно и непрерывно. Это позволяет максимально механизировать и автоматизировать весь процесс, начиная от засыпки шихты и кончая выработкой стеклоизделий.

Главная часть печи - бассейн (ванна), выложенный из огнеупорных брусьев, поэтому печи называются ванными. Варочная часть бассейна (ванны) обычно имеет прямоугольную конфигурацию в плане. С одного торца ванны через загрузочный карман непрерывно автоматически загружается в печь шихта, доставляемая в контейнерах. Уровнемеры регистрируют уровень зеркала стекломассы. Если он поднимается выше заданного предела, то загрузчик шихты автоматически отключается. По мере выработки уровень стекломассы понижается, срабатывает система автоматического включения загрузчика и в ванну поступает новая порция шихты. В производстве сортовой посуды преимущественно применяют ванные печи с протоком, который располагается ниже уровня дна варочной чести. Из протока отбирают лучше проваренную и более охлажденную стекломассу.

Различные стадии стекловарения протекают одновременно в разных зонах печи. Оптимальные температуры в зонах варки 1420 °С, осветления - 1430, выработки - 1260 °С.

При варке стекол в ванной печи постоянно поддерживают окислительный характер газовой среды, в варочной части над зеркалом стекломассы устанавливают нейтральное давление атмосферы, а в выработочной части - слабоположительное. Производительность печи 6… 12 т стекломассы в 1 сут, удельный съем стекла в зависимости от интенсивности выработки 450 кг/м2 в 1 сут. Печь может отапливаться как природным газом, так и жидким топливом.

Одним из недостатков печей, обогреваемых газом, в том, что Улетучивание оксидов свинца приводит к обеднению ими поверхностных слоев стекломассы и загрязнению окружающее среды. В электрических печах в качестве источников теплоту устанавливают пристенные блочные оксидно-оловянные элект. роды. Процесс стекловарения осуществляется в вертикальном потоке под слоем холодной шихты сверху вниз. Наличие над расплавленной стекломассой холодного слоя шихты уменьшает улетучивание оксидов свинца, способствует получению однород. ной стекломассы.

При работе такой печи нет потерь теплоты с отходящими дымовыми газами. Удельные затраты энергии для получения 1 кг стекла меньше, чем в пламенных ванных печах. Кроме того, электропечи с электродами на основе диоксида олова Sn02 не оказывают никакого красящего действия на стекломассу.

Цветные стекла можно варить одновременно с бесцветным. Для этого на одном участке одновременно располагают ванную печь для варки бесцветного стекла и возле нее печи-спутники для варки цветного.

Общие сведения . В стекольной промышленности наиболее распространены непрерывно действующие ванные печи. Их применяют для варки и выработки листового, сортового, бутылочного, тарного и другого массового промышленного стекла. Эти печи более экономичны, производительны и легко поддаются механизации и автоматизации.

Рис. 20. Ванные печи: а - регенеративная печь с поперечным направлением пламени, б - то же с подковообразным, в - рекуперативная печь с продольным направлением пламени, г - то же с комбинированным, д, е - то же, с подковообразным.

В ванных печах (рис. 20, а-е) газы могут двигаться в поперечном, продольном, подковообразном и комбинированном направлениях по отношению к направлению движения стекломассы. Поперечное направление газов понимается как перпендикулярное потоку стекломассы, продольное - как параллельно или совпадающее с ним. В регенеративных печах применяют поперечное и подковообразное направление газов, в рекуперативных, кроме того, продольное и комбинированное.

В средних и крупных ванных печах обычно применяют поперечное направление газов, и горелки располагают на продольных сторонах печи. Такое расположение горелок позволяет регулировать распределение температур, давлений и состава газовой среды по длине печи.

В ванных печах непрерывного действия все стадии процесса варки протекают в определенной последовательности непрерывно и одновременно в различных частях бассейна печи. Зоны варки 1 (рис. 21), осветления 2, студки 3 и выработки 4 располагаются одна за другой на различных участках по длине бассейна печи. Так как обычно зоны варки, осветления и гомогенизации конструктивно не разделяются, то та часть печи, где протекают эти процессы, называется варочным бассейном. Это отапливаемая часть печи. Студочная часть печи либо не отапливается, либо имеет самостоятельную систему отопления. Зона выработки отделяется от остальной части бассейна глухой стеной с протоком или подвесным мостом, заглубленным и стекломассу.

Смесь шихты и боя, непрерывно загружаемая в одном конце печи, постепенно проходит к другому концу печи через зоны бассейна с различными температурными условиями и превращается в однородную стекломассу. В каждой зоне поддерживают определенный температурный режим.

Рис. 22. Бассейны ванных печей: а - регенеративной печи с лодками (или охлаждаемыми водой трубами), газовым пространством, разделенным сплошным экраном, и с поперечным направлением пламени, б - регенеративной печи с полностью разделенным газовым пространством и поперечным направлением пламени, в - регенеративной печи с газовым пространством, разделенным решетчатым экраном, и с поперечным направлением пламени, г - регенеративной печи с решетчатым экраном и подковообразным направлением пламени, д, е - рекуперативной печи с продольным направлением пламени, ж - рекуперативной печи с продольным направлением пламени и двойным сводом, з - рекуперативной печи с противоточным движением газов, и - трехзонной печи с поперечным направлением пламени, к - печи с выделенной варочной зоной (дуплекс - печь) и поперечным направлением пламени; 1 - загрузочный карман, 2- горелки, 3 - проток, 4 - лодка, 5 - зона осветления, 6 - варочная часть, 7 - решетчатый экран, 8 - рекуператор

Для выделения отдельных зон с различными температурными режимами газовое пространство рабочей камеры (рис. 22, а - к) разделяют перегородками различной конструкции из огнеупорных материалов. Лучше всего режим варки регулируется при разделении газового пространства рабочей камеры сплошными или решетчатыми экранами 7, шиберами или сниженными арками. Поддержанию температурного режима по длине бассейна способствуют и устанавливаемые в стекломассе разделительные приспособления - заградительные мосты, пороги, протоки 3. Устройство протоков и других разделительных приспособлений позволяет изменить характер движения потоков стекломассы и отбирать для выработки более охлажденную и проваренную стекломассу. Отбор стекломассы из варочной части печи через проток обеспечивает поступление на выработку хорошей по качеству стекломассы. Чем полнее варочная часть печи отделена от студочной, тем интенсивнее охлаждается стекломасса и тем меньшей может быть площадь зоны студки. Это уменьшает бесполезный расход тепла и позволяет увеличить производительность печей. Проточные ванные печи для производства штучных изделий характеризуются высоким удельным съемом стекломассы с 1 м 2 площади варочного бассейна (превышает 2700 кг/сут).

В зависимости от размеров ванны печи бывают малые, средние и крупные.

В стекловаренной печи при высокой температуре в шихте происходят различные процессы и разнообразные превращения. При сравнительно низких температурах (около 400˚ С) между мат-ми шихты нач-ся хим. реакции, ведущие к образованию силикатов. По мере дальнейшего нагревания шихта превращается в расплав различных солей. Образовавшиеся силикаты и остатки непрореагировавших компонентов спекаются в плотную массу. Это первая стадия варки стекла – силикатообразование (температурный режим – 800-900° С).

При последующем повышении темп-ры силикаты расплавляются и растворяются одни в других. Образуется пенистый и непрозрачный расплав, пронизанный частицами мат-лов шихты и пузырьками газов, выделяющихся во время реакций.

Постепенно твёрдые остатки шихты растворяются в расплаве, пена исчезает, образуется прозрачная стекломасса. Это вторая стадия стекловарения – стеклообразование (1150-1200° С).

Полученная стекломасса содержит в себе газообразные вкл-я различных размеров и неоднородна по хим. составу. Поэтому она ещё непригодна для выработки изделий.

Процесс удаления из стекломассы пузырей (дегазация) называется осветлением (1400-1500° С). Заключается в выделении газообразных включений из стекломассы при дальнейшем её нагреве за счёт снижения вязкости последней. Для ускорения процесса через стекломассу могут пропускать сжатый воздух или пары воды (барботирование), добавлять осветлители. Принцип ускорения процесса в том, чтобы насытить стекломассу крупными газообразными включениями. Такие пузыри сравнительно легко поднимаются к поверхности. При этом они захватывают по пути мелкие пузыри, которые самостоятельно поднимаются очень медленно или не поднимаются вовсе по причине довольно высокой вязкости стекломассы.

Процесс выравнивания хим. состава стекломассы называется гомогенизацией . Представляет собой длительную выдержку стекломассы при высоких температурах (около 1500° С). При этом в результате диффузии расплава стекломасса становится химически однородной.

Полученная однородная стекломасса охлаждается до вязкости, необходимой для формования из неё изделий (около 1200° С). Процесс называется студкой.

Таким образом, в процессе варки стекла можно условно выделить пять основных этапов: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизация и студка. На практике только первая и последняя стадии протекают в разное время и в разных местах ванной печи. Вторая, третья четвёртая стадии начинаются практически одновременно. Для варки стекла используют горшковые и ванные печи. Последние могут быть периодического и непрерывного принципа действия.

6. Окраска стекла, обесцвечивание стекла, прозрачность стекла

Окраску стекла осуществляют введением в него оксидов некоторых металлов или образованием коллоидных частиц определенных элементов. Так, золото и медь при коллоидном распределении окрашивают стекло в красный цвет. Такие стекла называют золотым и медным рубином соотв-но. Серебро в коллоидном состоянии окрашивает стекло в желтый цвет. Хорошим красителем является селен. В коллоидном состоянии он окрашивает стекло в розовый цвет, а в виде соединения CdS·3CdSe – в красный. Такое стекло называют селеновым рубином. При окраске оксидами металлов цвет стекла зависит от его состава и от количества оксида-красителя. Например, оксид кобальта (II) в малых количествах дает голубое стекло, а в больших – фиолетово-синее с красноватым оттенком. Оксид меди (II) в натрий-кальциевом стекле дает голубой цвет, а в калиево-цинковом – зеленый. Оксид марганца (П) в натрий-кальциевом стекле дает красно-фиолетовую окраску, а в калиево-цинковом – сине-фиолетовую. Оксид свинца (II) усиливает цвет стекла и придает цвету яркие оттенки. Бутылочное стекло низкого сорта, как правило, имеет окраску, которая зависит от присутствия в нем ионов Fe 2+ и Fe 3+ . Стекольное сырье трудно очищается от железа и поэтому в дешевых сортах оно всегда присутствует. Поскольку в стекле одновременно содержатся как ионы Fe 2+ , так и ионы Fe 3+ , они и придают стеклу зеленоватую окраску (бутылочный цвет).Существуют хим. и физ-е способы обесцвечивания стекла. В химическом способе стремятся все содержащееся железо перевести в Fe 3+ . Для этого в шихту вводят окислители – нитраты щелочных металлов, диоксид церия СеO 2 , а также оксид мышьяка (III) As 2 O 3 и оксид сурьмы (III) Sb 2 O 3 . Хим. обесцвеченное стекло лишь слегка окрашено (за счет ионов Fe 3+) в желтовато-зеленоватый цвет, но обладает хорошим светопропусканием. При физ. обесцвечивании в состав стекла вводят «красители», т.е. ионы, которые окрашивают его в дополнительные тона к окраске, создаваемой ионами железа, – это оксиды никеля, кобальта, редкоземельных элементов, а также селен. Диоксид марганца MnO 2 обладает св-ми как хим., так и физ-го обесцвечивания. В результате двойного поглощения света стекло становится бесцветным, но его светопропускание понижается. Таким образом, следует различать светопрозрачные и обесцвеченные стекла, поскольку эти понятия различны.Следует также отметить, что окрашенное стекло иногда предохраняет содержимое бутылок от нежелательного фотохим-го воздействия. Поэтому окраску бутылочного стекла иногда специально усиливают.Одним из важнейших св-в стекла является прозрачность . Однако в ряде случаев стеклу специально придают непрозрачность путем его «глушения». В-ва, способствующие помутнению стекла, называют глушителями. Глушение происходит вследствие распределения по всей массе стекла мельчайших кристаллических частиц. Они представляют нерастворившиеся частицы глушителя или частицы, выделившиеся из жидкой массы при охлаждении стекла. В настоящее время для этой цели применяют криолит Na 3 , плавиковый шпат CaF 2 и другие фторидные соединения. Сильно заглушенное стекло (белого цвета) называют молочным. Для его изготовления чаще всего используют криолит. Молочное стекло используют главным образом для изготовления осветительной арматуры.

При варке стекла в ванных печах непрерывного действия все процессы превращения шихты в осветленную и гомогенизированную стекломассу протекают на поверхности расплава стекла, заполняющего бассейн печи. Конструкции и размеры современных ванных печей непрерывного действия весьма разнообразны и определяются составом и свойствами вырабатываемой стекломассы, способом формования изделий, масштабом производства.

Конструктивно ванную печь делят на отапливаемую (зоны варки и осветления) и не отапливаемую (зону студки и выработки) части. В отапливаемой части происходит провар шихты, осветление, гомогенизация и начальное охлаждение стекломассы.

В неотапливаемой части охлаждение стекломассы завершается, и к ней примыкают устройства для её выработки. По производительности ванные печи делят на малые (2-15т\сут), средние (до 100 т\сут) и крупные (100- 450 т\сут.). Малые стекловаренные печи имеют площадь отапливаемой части 10 – 50 м 2 , они применяются для механизированного производства крупных стеклоизделий, стеклянной тары. Крупные печи с площадью отапливаемой части от 90 до 300 м 2 предназначены для производства листового стекла.

Рис.7. Схема зон в ванной печи листового стекла с машинным каналом: отапливаемая часть – зоны варки (1 ) и осветления (2 ) и неотапливаемая часть – зоны студки (3 ) и выработки (4 )

Загрузка шихты и боя в печь осуществляется механическими загрузчиками стольного или роторного типа на поверхность расплавленной стекломассы через загрузочный карман. Шихта и бой образуют на поверхности стекломассы слегка погруженный в неё слой толщиной около 150-200 мм. Шихта нагревается снизу расплавом стекла и сверху за счёт излучения пламени. Поверхность шихты спекается, затем на ней образуется слой вспененного расплава, который стекает, обнажая свежую поверхность шихты. Процесс спекания, плавления и удаления расплава с поверхности шихты идёт до тех пор, пока последний слой шихты не превратиться в расплав, покрытой варочной пеной. Провариваясь, слой шихты распадается на изолированные участки, окружённые пеной, которые затем полностью растворяются, и остается одня пена. Часть ванной печи, покрытая слоем шихты, образует границу шихты; примыкающая к ней часть, покрытая пеной – границу пены. Эти две части вместе называют зоной варки, которая расположена между засыпочным концом ванной печи и квельпунктом (максимум на кривой изменения температур по длине печи). Следующая за квельпунктом часть печи называется зоной осветления; для этой зоны характерно выделение пузырьков газа, вследствие чего поверхность стекломассы бывает покрыта скоплениями пузырьков и кажется «рябой». К зоне осветления примыкает зона студки, поверхность которой должна быть зеркальной, так как выделение газов должно закончиться. Студка продолжается и в зоне выработки, где стекломасса остывает, приобретая вязкость, необходимую для выработки.

Для обеспечения стабильности работы печи следует добиваться устойчивости длины каждой из зон. Изменение границ зоны варки вызывает нарушение режима обогрева глубинных слоёв, что может привести к вовлечению в выработочной поток дефектной по термической и химической однородности стекломассы. Устойчивость протяжности зон по длине печи достигается за счёт четкого поддержания температурного максимума по стекломассе на границе зоны варки и зоны осветления; постоянство состава шихты и соотношения шихты и боя; стабилизации удельных съёмов стекломассы; стабильных теплового и газового режимов.

Стекломасса в ванной печи находятся в непрерывном движении, главной причиной которого является разность уровней, возникающая в условиях отбора стекломассы на выработочной конце печи. По этой причине в ванной печи постоянно существует выработочной поток, который питается за счёт свежих порций шихты, превращаемых в стекломассу. Кроме этого главного рабочего потока, вся стекломасса вовлекается в конвекционное движение из-за разности температур расплава по зонам бассейна печи. Особую роль в организации конвекционных потоков играет квельпункт, создавая термическую преграду на пути рабочего и тепловых потоков стекломассы. Тепловой барьер по линии температурного максимума образует в ванной печи границу раздела потоков стекломассы. От этой границы наиболее горячая стекломасса стекает к обоим концам печи, охлаждается, опускается вниз, и движется в придонной области обратно, создавая круговые потоки. Температурный градиент возникает также и в поперечном направлении, так как всегда существует разница температур у стен бассейна и в продольной осевой части печи. Поэтому кроме продольных тепловых потоков имеются и поперечные круговые потоки.

Продольные тепловые потоки имеют сыпочный и выработочный цикл. Сыпочный цикл образуется потоком охлаждающейся стекломассы у засыпочного конца печи, которая опускается вниз, течет в придонной области до линии квельпункта, где поднимается вверх и возвращается обратно к концу загрузки шихты.

Рис.8. Траектория движения продольных конвекционных потоков стекломассы в ванной печи листового стекла: А – сыпочный цикл; Б – выработочный цикл

Выработочный цикл образуется рабочим потоком стекломассы, который частично используется на формование, а часть, охлаждаясь, опускается в придонные слои и возвращается обратно, замыкая круг в области квельпункта. Мощность потоков зависит от разности температур на отдельных участках ванной печи, от количества вырабатываемой стекломассы, глубины бассейна и других причин. Скорости потоков зависят от конструкции печи и от места их циркуляции и составляют для выработочного цикла 8-15 м\ ч, для сыпачного цикла 5-7 м. ч и для поперечного (у стен) – порядка 1м\ч.

Правильно организованные потоки стекломассы способствуют более полному протеканию всех стадий стекловарения. Сыпочные потоки улучшают условия для провара, осветления и гомогенезации стекломассы. Потоки выработочного цикла способствуют поступлению температурно-однородной стекломассы на выработку. Вместе с тем потоки могут отрицательно влиять на качество стекломассы при изменении их направления и скорости, поэтому главное условие нормальной работы ванной печи – строгое саблюдение постоянства теплового режима, при этом потоки стекломассы сохраняют стабильность, их интенсивность и трассы остаются неизменными.

Для каждой печи в зависимости от её конструкции и вида стекла устанавливается определённый технологический режим варки стекла, который включает: тепловой режим по длине печи и температурный режим по длине печи вплоть до зоны формования.

Существующие способы интенсификации процесса стекловарения можно разделить на две группы: физико-химические и теплотехнические. К физико-химическим способам относятся: тонкое измельчение компонентов шихты, гранулирование шихты, применение ускорителей варки и осветителей, механическое перемешивание и бурление стекломассы. К теплотехническим способам относятся: повышение температуры в зоне варки, применение электроподогрева.

По источнику тепловой энергии различают пламенные, электрические и пламенно-электрические стекловаренные печи.

В пламенных печах обогрев осуществляется путём сжигания природного газа в пламенном пространстве печи. Максимальная температура газового пространства достигает 1650 0 С. Удельный расход теплоты составляет 10-14 МДж/кг стекломассы. Удельный съем стекломассы с площади варочного бассейна в зависимости от вида стекла достигает 900 – 3000 кг/(м 2 сут). Тепловой КПД пламенных печей 16- 25 %.

Обогрев электрических печей основан на свойствах расплавленной стекломассы проводить электрический ток, при температурах выше 1000 0 С и выделять теплоту по закону Джоуля-Ленца. Электрические печи для варки стекла по сравнению с пламенными имеют следующие преимущества: отсутствие потерь тепла с уходящими газами, уменьшение потерь из шихты и стекломассы летучих соединений, создание необходимой газовой среды над зеркалом стекломассы. Температура стекломассы достигает высоких значений (до 1600 0 С) по сравнению с пламенными печами(1450-1480 0 С). Производительность наиболее распространённых электрических печей находится в пределах 0,4-4,0 т/сут. Крупные наиболее современные печи имеют производительность 150 – 200 т/сут. Максимальные удельные съемы выше, чем в пламенных печах и составляют от 6000 до 10000 кг/(м 2 сут). Расход электроэнергии составляет 1-2 кВт/кг стекломассы. Тепловой КПД электрических печей 60 – 70 %. К недостаткам электрических печей следует отнести высокую стоимость электроэнергии и электродов. КПД пламенных печей может быть повышено до 45-50% при использовании дополнительного электроподогрева (ДЭП). Роль ДЭП – усиление теплового барьера печи (линия квельпункта) и подача теплоты к шихте снизу, что ускоряет процесс провара. Преимущества ДЭП: уменьшение температуры в подсводовом пространстве и увеличение кампании печи; стабилизация теплового режима и улучшение качества стекломассы. Введение ДЭП позволяет доводить удельные съемы до 3000-4000 кг/(м 2 сут) и повышает производительность печи на 10-60%.