Принципы кондиционирования стекломассы

Создание стеклоформующих автоматов высокой производительности в питателях с двух-, трех-, четырехместными формами, тенденция снижения массы изделий предъявляют к питателям новые технологические требования.

Для получения нескольких капель стекломассы за один цикл работы питателя и для их одновременной подачи в нужный момент в черновые формы автомата необходима четкая организация работы всех механизмов питателя синхронно с ритмом работы формующего автомата.

Это привело к разработке новых принципов получения качественной стекломассы и совершенствованию конструкций питателей. Традиционно предполагалось, что в технологии формования, включающей капельное питание, необходимое качество стекломассы достигается в канале питателя. Это получило отражение в выделении зон питателя по его длине – зона охлаждения и зона кондиционирования (гомогенизации). При этом задача выработочных каналов печи состояла лишь в распределении стекломассы между питателями. Параметры работы питателя регулировались в зависимости от качества подаваемой в него стекломассы. Конечно, существуют пределы этого регулирования. По мере роста производительности линий условия эксплуатации питателя приближались к предельно возможным и, соответственно, возрастала роль качественной предварительной подготовки стекломассы.

Таким образом, одним из принципов, обеспечивающим получение качественной стекломассы, является восприятие выработочных каналов печи и каналов питателей как единой системы ее кондиционирования. И применяется он уже на стадии строительства или реконструкции печи. Представленная на рис. 2.9а стандартная схема организации выработочной зоны для 4-х производственных линий при параллельном расположении фидеров не соответствует данному принципу и не обеспечивает одинаковых условий подготовки стекломассы. При большой производительности формующих машин потоки стекломассы в каналах будут весьма интенсивными. При этом малое расстояние от протока до входа в два ближайших канала по сравнению с периферийными приводят к тому, что стекломасса поступает в них более горячей, то есть условия работы питателей не идентичны. Более рациональной является схема, представленная на рис. 2.9б, где форма центральных выработочных каналов изменяется на S-образную, что обеспечивает примерно равные условия охлаждения стекла для всех линий.

Принято считать охлаждение стекломассы важной составляющей процесса кондиционирования, однако это не совсем верно. Следует разделять процессы теплоотдачи от системы в целом и теплоотдачи внутри системы (в объеме стекломассы). Первый из них состоит в отводе тепла от стекла путем прямой или косвенной теплоотдачи во внешнюю среду, которая осуществляется в основном излучением и, частично – конвекцией. Интенсивность внешней теплоотдачи определяется величиной температурного градиента между стекломассой и средой.

Теплоотдача в объеме стекломассы происходит гораздо медленнее, чем от поверхности стекла и является лимитирующей стадией теплообмена. В этом и состоит противоречие между оптимальными условиями охлаждения и гомогенизации, так как первое требует повышения температурного градиента, а второе – его снижения. Наилучшим вариантом его разрешения является разделение во времени и пространстве этих двух процессов.

Из сказанного выше понятно, что для интенсификации процесса охлаждения стекломассы необходимо повышать скорость теплопередачи в ее объеме. Основным фактором, помимо ряда конструктивных, является величина температурного градиента между поверхностными и данными слоями расплава, для чего необходимо интенсивно охлаждать поверхность стекломассы. В промышленных выработочных каналах и питателях применяются 3 типа систем охлаждения:

– открытое охлаждение излучением от расплава;

– прямое воздушное охлаждение;

– косвенное воздушное охлаждение.

Общим у них является то обстоятельство, что тепло от поверхности стекла отбирается в виде лучистой энергии, но затем отводится различным образом.

Система открытого естественного охлаждения (рис. 2.11) включает отверстия в своде канала, через которые теплота напрямую (без теплоносителя) уходит в виде излучения в окружающую среду.

Косвенное охлаждение (рис. 2.13) заключается во внешнем обдуве канала воздухом, что усиливает теплоотдачу от поверхности огнеупорной кладки. Очевидно, что наибольшая доля теплоты эвакуируется системой открытого охлаждения излучением, поскольку в этом случае температурный градиент наибольший (окружающая среда имеет температуру немного меньшую, чем свод канала).

Данные по эффективности всех трех систем охлаждения приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 – Эффективность различных систем охлаждения

Таким образом, на стадии охлаждения стекломассы следует применять мощные системы охлаждения.

Термическая неоднородность стекломассы устраняется в процессе гомогенизации, скорость которой также зависит от скорости теплопередачи в расплаве. Выше было показано, что теплопередача в объеме стекломассы зависит от градиента температуры на поверхности и в глубине стекломассы и протекает достаточно медленно.

В особенности разница в скоростях охлаждения поверхности стекломассы и внутри ее объема ощутима для стекол, окрашенных оксидами Fe₂O₃, CoO, NiO и др. В итоге создаются большие температурные градиенты по сечению потока, что существенно осложняет проведение операции формования и отжига изделий.

При гомогенизации нельзя увеличивать градиент температур в расплаве, поэтому единственным средством управления процессом остается время – продолжительность стадии гомогенизации. Другими словами, однородность температуры по объему стекломассы достижима только в том случае, если на заключительной стадии кондиционирование стекломассы (то есть в конце канала питателя) расплав не будет охлаждаться принудительно. Поэтому типовые конструкции питателей не имеют отверстий в зоне завершения гомогенизации, длина которой обычно составляет от 1,2 до 1,8 м. Обычно этого достаточно для получения в должной мере гомогенного стекла.

При высоких съемах время пребывания стекломассы в зоне гомогенизации составляет всего несколько минут, что недостаточно для достижения полной однородности стекла. Одним из решений этой проблемы является увеличение длины секции гомогенизации, однако при этом сложнее контролировать температуру в секции. Поэтому предпочитают иметь не одну длинную, а две коротких секции гомогенизации. Важно, что уже было отмечено, как можно раньше завершить охлаждение стекломассы до температуры формования, чтобы оставить больше времени для гомогенизации – это еще один принцип кондиционирования стекломассы.

Рассмотренные выше принципы кондиционирования применимы ко всем типам капельных питателей независимо от размера и производительности.

Системы охлаждения питателей, в которых применяется метод принудительного конвекционного охлаждения, используются много лет. Первоначально охлаждающий воздух вводился через боковые стенки питателя над горелочными блоками, а затем – продольно через сводовые блоки специальной конструкции.

Однако независимо от режима ввода охлаждающего воздуха имеется общий недостаток – не удается предотвратить смешение охлаждающего воздуха с отходящими газами системы подогрева в канале питателя. Лишь в последнее время удалось решить эту проблему, например, в питателе ПСР «Система 500». Данный тип питателя исключает упомянутое смешение благодаря использованию раздельных выходов для газов горения и охлаждающего воздуха, а также благодаря специальной форме огнеупоров свода. При этом принято разделение секции охлаждения на подзоны, оптимизирована система охлаждения. В обычных питателях для удаления имеются отверстия, расположенные в центре канала, через которые удаляются и охлаждающий воздух и отходящие газы системы горения. Такая конфигурация с однопроходным выпускным каналом сильно ограничивала эффективность и чувствительности питателя из-за неизбежного смешивания двух потоков. Дело не только в неизбежном увеличении расхода топлива, но, что более важно – в снижении охлаждающего потенциала и чувствительности питателя. Именно поэтому питатели с одним выходным каналом менее эффективны и медленно реагируют на изменения режима питания.

Питатель «Система 500» имеет отдельные выходные каналы для охлаждающего воздуха и газов горения. Выходной канал для охлаждающего воздуха по центру канала питателя в конце каждой зоны охлаждения, а выходные каналы для газов горения – по бокам питателя на половине пути между входом и выходом для охлаждающего воздуха.

Все отверстия снижены автоматически регулируемыми заслонками, которые в совокупности с формой сводовых блоков обеспечивают высокую степень разделения процессов нагрева и охлаждения стекломассы.

Свод питателя разделен на 3 продольные камеры. Центральная камера предназначена для циркуляции охлаждающего воздуха, а две крайние – для газов системы подогрева.

В режиме охлаждения охлаждающий воздух входит через специальный сводовый блок с отверстиями, следует по центральному каналу, образованными выступами свода в направлении потока стекломассы и выходит через выходное отверстие в своде. Количество его регулируется заслонками. При необходимости заслонки полностью открываются, скорость потока охлаждающего воздуха максимальна и свод интенсивно охлаждается, горелки системы подогрева работают на минимальном пламени, а отходящие дымовые газы (газы горения) из боковых камер удаляются через боковые выходные отверстия.

В итоге взаимодействие между охлаждающим воздухом и газами горения минимальна.

В режиме нагрева воздух в канал не подается, а заслонки для выхода газов горения полностью закрыты. В итоге отработанные газы горения вынуждены идти к середине питателя, где вытягиваются через центральный канал. Их тепло равномерно распределяется в питателе и температура стекломассы быстро повышается.

Основные характеристики зарубежных капельных питателей типа ДС-П3-2 производства кампании «Sklostroj» приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2 – Основные характеристики капельных питателей типа ДС-П3-2

Поиск по сайту: