用于玻璃生產(chǎn)的供料道設(shè)計研究

用于玻璃生產(chǎn)的供料道設(shè)計研究

眾所周知，預(yù)料道的功能是為預(yù)料機(jī)提供足夠的溫度和均勻的玻璃溶液，由預(yù)料機(jī)產(chǎn)生合理的形狀和形狀的料，并由預(yù)料機(jī)產(chǎn)生產(chǎn)品。隨著玻璃制造技術(shù)的發(fā)展,玻璃瓶罐產(chǎn)品的生產(chǎn)方式有了很大的變化,生產(chǎn)輕量化玻璃瓶要求玻璃以更加均勻的成分和溫度進(jìn)入成形機(jī),以往生產(chǎn)中允許的玻璃液溫度或成分的不均勻性,在輕量瓶生產(chǎn)中可能會成為障礙。多機(jī)組、多滴料成形工藝的應(yīng)用則要求供料道以數(shù)倍于過去的均化速率提供溫度均勻一致的玻璃液。如此種種原因,引起人們對供料道的研究、設(shè)計并推廣到實用的極大興趣。供料道的類型很多,國內(nèi)常見的有與A型供料機(jī)配用的A3240-Y和A2630型,它們可為四組和六組行列機(jī)供料。為了適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要,近年來先后推出了DT56-91型以及BLLD560、660型等新型號。國外常見的供料道有KU型和KW型,它們通常分成兩部分:與熔窯相接的部分主要是為改變來自熔窯的玻璃液的溫度,起冷卻作用,稱為“冷卻段”,冷卻段一般均設(shè)有冷卻空氣出、入口,以自然或強(qiáng)制送風(fēng)的方法供入冷卻空氣以冷卻玻璃液;與供料盆相連的部分通常稱之為調(diào)節(jié)段,一般不設(shè)冷卻風(fēng)出入口,而留有安放加熱裝置的孔洞。老式供料道中存在的共同問題有:巨大而沉重的供料道上部結(jié)構(gòu),其耐火材料的橫截面積可達(dá)(同一截面上)玻璃液橫截面積的12倍,耐火材料的重量可達(dá)其所容納玻璃液的10倍以上,使得其熱容量、熱慣性很大,不易改變、調(diào)整玻璃液的溫度;窄而短的供料道尺寸使得玻璃液流經(jīng)的路徑很短,冷卻和調(diào)節(jié)的時間短,難以把玻璃液均溫到能滿足高速生產(chǎn)的需要;在冷卻段一面采用火焰加熱,一面又采用大風(fēng)量在整個玻璃表面上毫無區(qū)分地冷卻,使得供料道能耗很高。由于料道排出的廢氣溫度高達(dá)1000℃以上,故廢氣中含有的熱量至少占輸入給供料道熱量的50～60%,熱量未能得到充分利用。因為在整個料道截面上,由于供料道耐火材料的傳熱作用,通?？拷撞亢蛡?cè)壁的玻璃液的溫度低于中部的溫度;另外在控制方面,大都停留在以經(jīng)驗指導(dǎo)為主的水平上。針對上述問題,近年來國外對供料道進(jìn)行了大量的設(shè)計研究,推出了幾種新型號的供料道,并形成了系列產(chǎn)品。它們以不同的途徑達(dá)到節(jié)省燃料和玻璃液溫度均勻、穩(wěn)定,且裝備有可靠的自動控制系統(tǒng)。一、供料道冷、壓區(qū)域的劃分在各種最新式的供料道設(shè)計方案中,大都采用整塊的砌塊代替原先由數(shù)塊大磚構(gòu)成的上部結(jié)構(gòu)。如圖1、2、3,所示。圖2中的供料道頂部砌塊由兩瓣拼成,圖1和圖2的供料道在冷卻段采用一種使斷面空間呈“筆架式”的砌塊,即上部結(jié)構(gòu)設(shè)有兩個向下的對稱分布的凸起。把冷卻段沿長度方向劃分成三個通道,即位于中間的冷卻區(qū)和兩側(cè)的加熱區(qū)。這種筆架式的結(jié)構(gòu)是根據(jù)供料道橫斷面內(nèi)玻璃流中的溫度分布情況,以及冷卻和調(diào)節(jié)過程中對玻璃液溫度均化的要求,借助有限元素法用電子計算機(jī)輔助設(shè)計出的。在實際操作過程中,供料道中的玻璃液溫度是中間高兩側(cè)低。采用上述結(jié)構(gòu)把冷卻段沿縱向劃分成三個區(qū)域之后,冷卻空氣只能經(jīng)中間的冷卻通道流動,避免與兩側(cè)加熱的燃燒生成物接觸,因此以對流和輻射的方式有效地帶走玻璃高溫區(qū)的熱量,將其冷卻作用集中在高溫部位。位于兩側(cè)的加熱元件則散發(fā)出熱量,使位于供料道兩側(cè)的溫度較低的玻璃液溫度提高。雖然加熱時使用的是常用手段,但由于把加熱和冷卻分開進(jìn)行,就使加熱元件的功能和冷卻風(fēng)的作用得到充分的發(fā)揮,而且每一側(cè)的加熱裝置獨立控制,故左右兩側(cè)能達(dá)到精確的溫度平衡。有些供料道的設(shè)計方案中還在底部設(shè)置冷卻通道(圖2),或使用分級保溫的方法(即在底部中間采用傳熱能力較強(qiáng)的保溫材料,如圖1右部),以便進(jìn)一步改善玻璃液冷卻和均化的效果。二、采用陶瓷纖維材料的用供料道研究工作的另一重點是耐火材料和保溫材料的選用。為了改變老式供料道的熱慣性大,溫度調(diào)節(jié)不靈敏的缺點,基于供料道上部結(jié)構(gòu)形式的變化,新型設(shè)計中大量減少內(nèi)層耐火材料的用量,同時在外層使用陶瓷纖維保溫,使構(gòu)件很容易安裝就位,其強(qiáng)度也足以承受玻璃和耐火材料形成的載荷。Emhart540型供料道的冷卻段上部采用兩瓣式結(jié)構(gòu),主要特點是安裝迅速易行,其材質(zhì)是通常的鋯莫來石,每瓣重量約125公斤,外層用陶瓷纖維保溫(圖2)。BH-F400系列的供料道上、下部均采用整體結(jié)構(gòu),材質(zhì)也是鋯莫來石,外層敷以陶瓷纖維層。采用前述的改進(jìn)措施之后,結(jié)合精確的溫度自動控制,不僅大幅度地降低了供料道的燃料消耗(圖4),而且大大改善了冷卻和均溫的效果(圖5)。其中供料道進(jìn)口處和均溫段玻璃液的中間層的中央處和兩側(cè)各設(shè)置了三個熱電偶。由圖4可以看出,上部結(jié)構(gòu)的熱損耗少,減弱了供料道加熱或冷卻,以便使玻璃溫度保持在一恒定溫度的狀態(tài)。在氣體加熱供料道中,廢氣所含的熱量占輸入給供料道熱量的50～60%。另外尚需平衡供料道構(gòu)件,尤其是上部構(gòu)件的熱損失,這就是舊式料道能耗高的原因。在電加熱的供料道中,由于不存在高溫火焰和與其相伴隨的高速氣流,使其具有遠(yuǎn)勝于火焰加熱供料道的優(yōu)點——可使用低熱容量的耐火材料(LowTheromalMass)。這種材料非常輕,能承受供料道內(nèi)的高溫,但不耐高溫火焰沖擊和高溫高速氣流的侵蝕。由于它們改進(jìn)了保溫效果,降低了熱容量,大大降低了控制中的滯后現(xiàn)象,從而保證了控制的精度和調(diào)節(jié)的靈敏度,在改進(jìn)料道操作中起到了重要作用。圖3所示即為這種類型的供料道。其上部結(jié)構(gòu)的頂部大磚,一個人即能從容地搬運、安裝就位,因而顯示出其獨到的優(yōu)越性。三、碳化硅管及金屬結(jié)構(gòu)及熱傳導(dǎo)火焰加熱供料道中,新、舊形式的加熱器件變化不大。而在電加熱供料道中,在加熱元件方面出現(xiàn)了不少革新,這方面最重要的發(fā)展是仿型(Profile)加熱元件的出現(xiàn)。這種元件由碳化硅管制成,外表面有一層特殊的瓷釉保護(hù)層。在冷卻段,由于耐火材料的熱傳導(dǎo)和玻璃液流動過程中截面上各點的速度差(中心部位的速度比側(cè)壁處的速度高),造成40℃左右的溫度差(見圖5料道進(jìn)口處的溫度)。為了消除這一溫度差,在碳化硅管的兩端切出螺紋,切有螺紋的兩端電阻比未切螺紋的中間部分大,因此當(dāng)電流通過時能產(chǎn)生較大的熱量,使兩端比中間熱得多。這種元件用于冷卻段,它們在靠近兩側(cè)處比在中心部位放出較多的熱量,從而減小了兩處的溫差(圖3)。在均溫段,由于玻璃液經(jīng)過冷卻段之后實際溫度差很小,故采用整個碳化硅管結(jié)構(gòu)相同、溫度均一的加熱元件;在料盆處以及其它操作人員難以接近處,為便于安裝起見,采用兩個電接點在一端的懸臂式加熱元件,它們亦均由碳化硅管制成。供料道電加熱的另一種方式是用鉬電極浸入式加熱,這種情況需要考慮個兩問題:首先因為鉬是一種純金屬,在高溫條件下,晶體結(jié)構(gòu)隨時間的延長而變化,使用一年半后,鉬電極的橫斷面上便產(chǎn)生晶粒大小不同和分布不均的現(xiàn)象。使用三年之后,同一根電極的橫斷面上的晶粒生長得更大,且更不均勻。在這種條件下繼續(xù)使用,玻璃就會侵蝕電極表面的晶界,經(jīng)一定時間后,電極的表層將會剝落,使電極的侵蝕進(jìn)一步加劇,并把鉬的金屬顆粒攜帶到玻璃中。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種變化也與電流密度有關(guān),一般說電流密度和玻璃液的溫度越高,晶粒生長速度越快。因此在使用鉬電極加熱供料道時,應(yīng)該采用與電熔窯相比低得多的電流密度。這種低電流密度與供料道中較低的溫度(與熔窯內(nèi)相比較而言)結(jié)合,保證電極至少可滿足使用5～6年的窯齡。另一要考慮的問題是電極本身的結(jié)構(gòu)。為了降低電極的成本,有些電極由鉬棒和鉻鎳鐵合金(或類似的金屬)組合而成。這種電極很容易損壞,其原因之一是節(jié)點處于高溫下,而兩種金屬的熱膨脹有差異,往往會引起熱應(yīng)力破壞;另外節(jié)點處由于氧化和逐漸增大的接觸電阻,也會受到損傷。其次,不同金屬之間熱連接有類似于熱電偶的作用而產(chǎn)生一個約10mV的直流電,它足以引起在電極表面形成氣泡的電鍍作用。電加熱供料道的最大特點是改進(jìn)生產(chǎn)效率或成品率,能實現(xiàn)精確的溫度自動控制,達(dá)到較小的料滴重量波動和均勻一致的粘度,允許機(jī)器以較高的速度操作。其生產(chǎn)能力比相同尺寸的氣體加熱供料道至少高2%。注意到上文中所述的問題,選用合適的加熱元件并以合理的方式操作,結(jié)合L.T.M.耐火材料的使用,便能使電加熱料道的優(yōu)點得到最大限度的發(fā)揮。四、彩色曲線顯示系統(tǒng)和光纖硅管溫度檢測新型供料道通常沿長度方向劃分成三段:即尾部冷卻段、前部冷卻段和均溫段。各段在上部以擋磚隔開,溫度控制系統(tǒng)相互獨立,加熱裝置也是相互獨立進(jìn)行控制的。如圖6(a)所示。各段的溫度完全自動控制。微處理機(jī)根據(jù)測溫元件(常見的是熱電偶和光學(xué)高溫計)測出的溫度數(shù)據(jù),與各測點的預(yù)定溫度值比較、處理后,根據(jù)玻璃溫度的高或低指揮各段的控制器,操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)開大或關(guān)小冷卻風(fēng)道,使冷卻風(fēng)的風(fēng)量減小或增大;同時還操縱加熱元件減小或增大發(fā)出的熱量(圖6(b))。這方面的新進(jìn)展是彩色曲線顯示系統(tǒng)和光纖硅管溫度計。微處理機(jī)技術(shù)已經(jīng)促進(jìn)了彩色曲線顯示系統(tǒng)的發(fā)展。新的終端能以曲線的形式把過程變量(溫度)的變化情況顯示在屏幕上。同時,只要撳一下“復(fù)制打印