СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТЕКЛА
METHOD OF PRODUCING GLASS

Настоящее изобретение относится к способу получения стекла. В частности, оно относится к способу, в котором по меньшей мере один факел пламени бьет по слою непроваренной шихты.
Получение стекла требует повышенных температур, зачастую порядка 1400°С-1700°С, в зависимости от типа стекла. Таким образом, необходимо большое количество энергии, не только для расплавления сырья, но также для ускорения химических реакций между указанными исходными материалами, в частности реакций растворения кремнезема (основной элемент множества промышленных стекол, температура плавления которых наиболее высокая). Повышенная температура необходима также, чтобы устранить любые газообразные включения в стекломассу при варке, причем этот этап называется "осветлением".
Вышеупомянутые газовые включения имеют разнообразное происхождение. Они в основном образуются из воздуха, захваченного между зернами порошкового материала, и газов, выделяющихся в определенных химических реакциях, протекающих на этапе стекловарения. Так, карбонатное сырье (как, например, карбонат натрия, известняк, доломит) выделяет большое количество диоксида углерода в газообразной форме. Газовые включения могут быть вызваны также реакциями выпадения из раствора некоторых газов в определенных условиях, или из-за химических или электрохимических реакций между расплавленным стеклом и некоторыми материалами, присутствующими в печах (огнеупорная керамика и/или металлы). Газовые включения оказываются захваченными в объеме расплавленного стекла, откуда они могут выходить со скоростью, пропорциональной квадрату их диаметра. Так, маленькие пузырьки (называемые иногда "мошками") могут выходить только с очень малыми скоростями. Скорость подъема пузырей может, кроме того, сдерживаться вязкостью стекла и конвективными движениями, которые могут увлечь пузыри к поду печи. Поскольку вязкость уменьшается с повышением температуры, повышенная температура необходима для получения стекла, не содержащего газовых включений.
В печах по производству стекла тепловая энергия обычно подводится к стеклу через горелки и/или через электроды, погруженные в стекло.
В большинстве промышленных печей, в частности для получения плоского стекла, бутылок или волокон, горелки располагаются в вертикальных опорах свода или во фронтальной стенке печей для создания факела пламени, параллельного поверхности стекломассы. В частности, принято говорить о "воздушных" горелках, так как пламя не бьет по поверхности стекломассы. Это пламя позволяет нагревать стекломассу излучением, частично напрямую, но также косвенно, благодаря наличию свода, расположенного выше горелок, причем указанный свод отражает тепловое излучение.
Согласно технологии "с поперечными горелками", часто использующейся в печах для варки плоского стекла, указанные воздушные горелки располагаются на боковых стенках или вертикальных опорах свода, и факелы пламени создаются поперек направления течения расплавленного стекла. Загрузка печи сырьем в таком случае обычно производится через фронтальную стенку печи.
Согласно другой технологии, чаще использующейся в области упаковки (бутылки, банки, пузырьки) и называемой "с застежками", большой факел пламени создается за фронтальной стенкой печи, в направлении течения расплавленного стекла.
В зависимости от вида используемого горючего применяются два больших класса горелок. В случае, когда в качестве окислителя топлива применяется воздух, методы рекуперации тепла позволяют ограничить потери энергии из-за нагрева больших количеств неактивного и, следовательно, бесполезного азота. Согласно наиболее распространенным методам, часть тепла, образованного в реакции горения, аккумулируется в регенераторах тепла или рекуперативных теплообменниках, образованных из укладки огнеупорных материалов, причем в дальнейшем это тепло используется повторно для предварительного нагревания воздуха, служащего для горения.
В качестве окислителя горючего может также использоваться кислород, при этом создание таких регенераторов не требуется.
Когда стекло трудно расплавить или когда требуется повышение производительности, обычно применяют дополнительный электронагрев. В случае, например, стекол, поглощающих ультракрасное излучение, могут использоваться электроды в месте размещения пода печи, чтобы внести добавочную энергию и таким путем ускорить варку. Поглощение инфракрасного излучения стекломассой действительно препятствует указанным лучам проникать в слои, наиболее близкие к поду.
Выше были описаны методы варки или дополнительного обогрева, которые состоят в создании пламени кислородной горелки, непосредственно контактирующего со стекломассой или слоем непроваренной шихты. "Слоем непроваренной шихты" называется зона, где стекломасса покрывается еще нерасплавленным порошковым сырьем. Эта зона находится около питателей, служащих для ввода в печь сырья. Порошковое сырье содержит также "стеклобой", то есть возвращаемое в оборот битое стекло.
В частности, в заявке WO 82/04246 описан способ, в котором пламя кислородных горелок бьет по стекломассе, на участках, где она не покрыта сырьем. В заявке ЕР 546238 описан способ, в котором пламя, создаваемое кислородной горелкой, входит в контакт с расплавленным стеклом на границе раздела между неприкрытым стеклом и слоем непроваренной шихты. В то же время, в заявке ЕР 1077901 кислородный факел создается в непосредственной близости от слоя непроваренной шихты и выходит из горелки, расположенной в своде, и направлен перпендикулярно поверхности стекломассы. Таким образом, кислородный факел с повышенной адиабатической температурой позволяет передать энергию стекломассе или слою непроваренной шихты одновременно путем как излучения, так и конвекции, увеличивая таким образом производительность, то есть количество стекла, произведенного в единицу времени.
Однако эти способы имеют ряд недостатков, негативно влияющих на качество стекла.
Способ этого типа не может применяться в случае стекол, обогащенных летучими компонентами, такими как щелочные оксиды (оксиды натрия, калия или лития) и/или оксид бора, так как происходит существенное улетучивание, что проявляется значительным уменьшением содержания указанных компонентов. Такое улетучивание ухудшает качество стекла, вредит экологии (требуя приобретения дорогостоящих очистных систем), а также стабильности состава стекла, а значит, ухудшает его физико-химические свойства.
Также производство стекла с низким содержанием щелочных оксидов сопряжено с проблемами осветления, вызванными нежелательным повторным образованием пузырей.
Наконец, положение горелок на уровне свода вызывает проблемы с охрупчиванием этого последнего.
Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков с использованием способа, позволяющего улучшить стекловарение, повышая производительность без ущерба для качества осветления. Другой задачей изобретения является устранение охрупчивания свода печей.
Поставленная задача решается способом получения стекла из порошкового сырья в печи, содержащей боковые стенки, свод, фронтальную стенку и по меньшей мере одну воздушную форсунку в сочетании с по меньшей мере одной форсункой жидкого или газообразного топлива, причем по меньшей мере одна из указанных форсунок размещена в боковых стенках, в своде или во фронтальной стенке, причем способ включает этапы нагнетания воздуха и газообразного или жидкого топлива через форсунки, и создаваемый таким путем факел пламени или каждый факел пламени формируется только в непосредственной близости от зоны, где указанное порошковое сырье покрывает стекломассу.
Таким образом, согласно изобретению воздух используется как окислитель топлива. Под "воздухом" следует понимать воздух, не обогащенный кислородом, то есть содержащий около 20% кислорода на 80% азота.
Было установлено, что факел, получаемый при использовании воздуха в качестве окислителя топлива, позволяет получить сочетание определенного числа неожиданных преимуществ.
3
Действительно, оказалось, что такой факел позволяет ограничить улет летучих элементов, вероятно, из-за менее высокой температуры пламени. Кроме того, наблюдается улучшение качества осветления, в частности для стекол с низким содержанием щелочных металлов. Действительно, обычно стекла данного типа осветляют с помощью сульфата натрия, причем оксид серы SO в таком случае растворен в стекломассе. Однако стекла, обедненные щелочными оксидами, имеют низкую растворимость в этом компоненте, что вызывает опасность нежелательного повторного образования пузырей. Такое повторное образование пузырей, снижающее качество осветления, наблюдается на практике, когда используется кислородное пламя, однако не образуется в случае, когда применяется пламя, в котором в качестве окислителя топлива используется воздух. Представляется, что источником повторного образования пузырей является высокое содержание воды, типичное для атмосферы кислородной варки.
Способ согласно изобретению позволяет также уменьшить опасность охрупчивания свода, в частности тогда (но не только), когда форсунки расположены на уровне боковых стенок или вертикальных опор свода. Это преимущество является также результатом уменьшения улетучивания летучих веществ и разницы атмосферы горения.
Несмотря на более низкую адиабатическую температуру пламени воздушного факела по сравнению с кислородным факелом неожиданно было установлено, что замена окислителя топлива не сопровождается каким-либо существенным снижением производительности.
Согласно варианту осуществления изобретения основная часть тепловой энергии вносится в стекломассу благодаря реализации указанного способа. В этом случае в изобретении используется особая печь, предназначенная для такого способа, не имеющая, кроме того, воздушных горелок.
Однако предпочтителен альтернативный вариант, в котором применяются горелки для внесения избытка энергии ("дополнительный нагрев") в печь с по меньшей мере одной воздушной горелкой, окислителем топлива в которой является воздух, и с по меньшей мере одним регенератором или рекуперативным теплообменником.
Выбор расстановки форсунок, в своде или в месте размещения боковых стенок или фронтальной стенки, зависит от конфигурации печи, в частности, когда способ включает внесение дополнительного нагрева в уже существующую печь.
Расположение в боковых стенках (вертикальных опорах свода) или на уровне фронтальной стенки позволяет ограничить опасность охрупчивания свода и облегчает также установку в уже работающую печь, причем температура свода намного выше температуры конструктивных элементов печи.
Целесообразно предусмотреть между осью факела и горизонтальной осью угол от 40 до 80°. Целесообразно также предусмотреть вертикальные опоры свода или фронтальную стенку, верхняя часть которых не вертикальна, а наклонена.
В рамках настоящего изобретения могут предполагаться любые типы сочетания форсунок.
Нагнетание воздуха и газообразного или жидкого топлива, такого как природный газ или мазут, может также производиться через горелку, содержащую по меньшей мере одну внутреннюю трубку, по существу цилиндрическую, для топлива и наружную трубку для воздуха, концентрическую с внутренней трубкой. Однако, когда топливо впрыскивается через единственную внутреннюю трубку, нельзя независимо регулировать расходы и скорости газов. Поэтому предпочтительно, чтобы топливо, когда оно является газообразным, нагнеталось при двух разных давлениях, через две внутренние концентрические трубки.
Могут также применяться отдельные форсунки, причем горючее и окислительный воздух вводятся из разных мест печи, таких как свод, фронтальная стенка или боковые стенки. В этом случае два размещения форсунок регулируются таким образом, чтобы указанные струи - воздушная струя и струя топлива, встречались в непосредственной близости от слоя непроваренной шихты, то есть зоны, где порошковое сырье встречается со стекломассой, создавая факел пламени точно в этом месте, то есть в центре горения. Таким образом, воздух может нагнетаться через форсунку, расположенную в своде печи, а топливо нагнетаться через форсунку, расположенную на уровне боковых стенок печи, или наоборот. Возможно также, чтобы воздушная форсунка сочеталась с несколькими топливными форсунками или наоборот.
В любом случае предпочтительно, чтобы пламя создавалось только в непосредственной близости от зоны, где указанное порошковое сырье покрывает стекломассу (слой непроваренной шихты), что позволяет избежать любого перегрева свода или стенок печи, доводя до максимума теплоперенос к сырью. Предпочтительно также таким образом регулировать пламя, чтобы оно распространялось на слой непроваренной шихты, покрывая большую часть указанного слоя шихты. Под непосредственной близостью нужно понимать, что пламя, направляемое от верхней части печи к слою непроваренной шихты, образуется в зоне, расположенной непосредственно над слоем шихты; таким образом, энергия, создаваемая пламенем, передается сырью с высоким КПД, в основном конвекцией.
Было обнаружено, что оптимальный перенос тепла к сырью происходит, когда удельный импульс комбинации форсунок составляет от 2 до 4 н/МВт, в частности от 2,6 до 3,2 н/МВт. В контексте настоящего изобретения удельный импульс определяется как сумма импульсов (количества движения) воздуха и топлива, отнесенная к суммарной мощности форсунок. В таком случае получают оптимальный теплоперенос, отличающийся пламенем, образующимся только в непосредственной близости от слоя непроваренной шихты (непосредственно над ним).
Течение топлива и воздуха на выходе из форсунок обычно не является ламинарным, в том смысле, что число Рейнольдса (Re) превышает 2000. Несмотря на это там, где удельный импульс был установлен надлежащим образом, никакой реактивной смеси этих двух струй не наблюдалось.
Предпочтительно формировать дополнительные места ввода воздуха для проведения ступенчатого горения.
Предпочтительно также для дополнительного улучшения переноса тепла к сырью предварительно нагревать воздух, использующийся как окислитель горючего, перед его введением в печь, до температуры по меньшей мере 500°С.
3
-1
Предпочтительно также, чтобы расход топлива составлял от 50 до 300 Нм·ч, а мощность каждой комбинации форсунок составляла от 0,5 до 3 МВт.
Газообразное или жидкое топливо и воздух могут вводиться в стехиометрических соотношениях. Тем не менее, в определенных случаях могут быть предпочтительны другие условия, такие как подстехиометрические, то есть восстанавливающие условия (недостаток воздуха). Это, например, соответствует случаю, когда требуются стекла, имеющие повышенный окислительно-восстановительный баланс (выше 0,3, даже 0,5), причем окислительно-восстановительный баланс определяется как количество железа, присутствующее в стекле в восстановленном виде (двухвалентное железо), отнесенное к полному количеству железа.
Как указывалось выше, способ согласно изобретению дает максимальные преимущества для получения стекла, содержащего летучие вещества, такие как щелочные оксиды или оксид бора. Так, способ согласно изобретению предпочтительно применяется для получения стекла, в химический состав которого входит более 3%, даже 4% по массе оксида бора и/или более 12%, даже 15% щелочных оксидов.
Таким образом, способ согласно изобретению предназначен для получения стекловолокон для тепло- и звукоизоляции, в состав которых входят следующие компоненты в определенных ниже пределах, выраженных в весовых процентах:
SiO<sub>2</sub>
45-75
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0-10
CaO
0-15
MgO
0-15
Na<sub>2</sub>O
12-20
K<sub>2</sub>O
0-10
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
3-10
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0-5
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
0-3
Способ согласно изобретению особенно актуален для получения стекла с низким содержанием щелочных оксидов, в частности для стекол, содержащих менее 2 мас.% щелочных оксидов, даже менее 1 или 0,5 мас.%.
Примером таких стекол являются стекла, применяемые как подложки ЖК-экранов (жидкокристаллических экранов), стекла, в состав которых входят следующие компоненты в определенных ниже пределах, выраженных в весовых процентах:
SiO<sub>2</sub>
58-76%
В<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
3-18%, в частности 5-16%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
4-22%
MgO
0-8%
CaO
1-12%
SrO
0-5%
BaO
0-3%
Действительно, эти стекла объединяют наличие оксида бора и незначительных долей щелочных оксидов, что делает способ согласно изобретению особенно эффективным для их получения.
Еще одним объектом изобретения является способ получения стекла из порошкового сырья в печи, содержащей боковые стенки, фронтальную стенку и по меньшей мере одну горелку, расположенную в указанных боковых стенках или в указанной фронтальной стенке, причем способ включает этапы нагнетания горючего и газообразного или жидкого топлива через по меньшей мере одну горелку или в комбинации с ней, причем факел пламени создают в непосредственной близости от зоны, где указанное порошковое сырье покрывает стекломассу.
Расположение горелки, независимо от того, является ли она кислородной или воздушной, на уровне боковых стенок и/или фронтальной стенки, обеспечивает снижение опасности повреждения свода.
Изобретение будет более очевидно из неограничительных примеров его осуществления, приводимых со ссылками на приводимые чертежи, в числе которых:
фиг.1 и 2 схематически иллюстрируют продольное сечение печи, служащей для осуществления способа согласно изобретению;
фиг.3 изображает кривую, полученную экспериментально и описывающую обнаруженную зависимость между мощностью, переданной сырью, и удельным импульсом;
фиг.4 - фотографию, полученную в процессе проведения экспериментов с горелками.
На фиг.1 проиллюстрирован пример выполнения, согласно которому горелка находится в своде, тогда как в варианте, показанном на фиг.2, горелка размещена во фронтальной стенке.
В обоих случаях печь, выполненная из огнеупорных материалов, содержит под 1, фронтальную стенку 2 и свод 3. Воздушные горелки 4 размещены в конфигурации, называемой "с поперечными горелками", то есть в боковых стенках 5 или в вертикальных опорах свода. Схематично показаны четыре воздушные горелки 4, работающие на воздухе, четыре другие горелки (не показаны) расположены напротив, в другой боковой стенке. Как правило, промышленные печи этого типа содержат от 6 до 8 пар воздушных горелок. В нормальном режиме работы одновременно работают только горелки с одной стенки, причем выделяющиеся при горении газы нагревают укладку огнеупоров, расположенных в регенераторах противоположной стенки. После примерно 20-минутного цикла эти горелки перестают действовать, и запускаются горелки с противоположной стенки, причем воздух, служащий окислителем топлива, предварительно разогревается, циркулируя в укладках огнеупоров регенераторов. Пламя этих воздушных горелок 4 создается параллельно поверхности 7 стекломассы 6.
Порошковое сырье вводится через питатель (не показан) и образует слой непроваренной шихты 8 на поверхности стекломассы 6.
4
На фиг.1 показана комбинация форсунок с горелкой 9, размещенной в своде. Эта горелка 9 имеет два концентрических цилиндра, причем внутренний цилиндр предназначен для нагнетания топлива, в данном случае природного газа или метана (СН), а внешний цилиндр предназначен для нагнетания воздуха.
Два потока текут неламинарно в зону 10 по существу перпендикулярно поверхности 7 стекломассы 6, затем реагируют в контакте со слоем непроваренной шихты 8 с образованием факела пламени 11, образующегося из-за реакции горения между воздухом и природным газом.
На фиг.2 горелка расположена на уровне фронтальной стенки 2, образуя с горизонтальной осью угол примерно в 45°. Пламя 14 создается в непосредственной близости от слоя непроваренной шихты 8.
Пламя 11 позволяет ускорить процесс расплавления путем различных эффектов. Очевидно, что наибольшая эффективность теплопереноса к слою непроваренной шихты способствует этому повышению скорости плавления. Импульс пламени 11 изменяет, кроме того, конвекционные потоки в стекломассе 6 и заставляет порошковое сырье проникать в стекломассу 6, что повышает скорость его расплавления и растворения. В отсутствие горелок, создающих горение вблизи слоя непроваренной шихты, шихта дольше удерживается на поверхности, не реагируя, и, кроме того, она закрывает более существенную зону стекломассы 6, снижая перенос тепла от воздушных горелок к стекломассе.
В непоказанном варианте горелка находится в вертикальной опоре 5, в частности в верхней части, образуя угол, подбираемый так, чтобы пламя 11 создавалось в непосредственной близости от слоя непроваренной шихты.
На фиг.3 показана кривая, описывающая соотношение между мощностью, переданной сырью, и удельным импульсом.
Это соотношение наблюдалось в ходе опытов, проведенных с горелками, помещенными в свод печи. Во время этих опытов удельный импульс горелки устанавливался путем изменения скорости нагнетания.
Удельный импульс горелки показан абсциссой, а ось ординат соответствует мощности, переданной сырью (в произвольных единицах, максимальной мощности соответствует значение 100%).
Эта кривая показывает, что значение удельного импульса примерно в 3 н/МВт соответствует максимальной мощности, переданной слою непроваренной шихты, то есть в случае, когда пламя создается только в непосредственной близости от слоя шихты.
На фиг.4 показан как раз случай, когда удельный импульс горелки равен 3 н/МВт. На фотографии можно различить слой непроваренной шихты и носик горелки, расположенной в своде. Пламя создается только в непосредственной близости от слоя шихты и распространяется по указанному слою, передавая конвекцией большую часть своей мощности.