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小型玻璃电熔炉中垂直钼棒电极的特性分析
发布时间:2020-10-19 14:50    文章作者:365平台

  % 3专 论3 瞬 s a s E 瓣 小型玻璃电熔炉中垂直钼棒电极的特, 陛分析 宁 伟 王立强 ( 轻 工业 韶玻 璃 搪瓷 工业 科学 研究 所) 在玻璃电熔炉中,垂直铝棒电极与水平电极相比有更多的优点: 电极使用寿命长,一般足以满 足整个炉龄的需要。在使甩周期中,不更换或维修电极I 电极插入炉内的范围大,从而能降低电流密度 使铝棒电极几乎不造成对玻璃液的污 染; 垂直 电极加热 区域大,容易 得到温度均 匀的玻璃液,即玻璃液 的热稳定性 和热均 匀性 较 佳 ; 电极之 间工 作 电压可 控制在较 低的范 围内,因此 比较安全; 升温烤 炉时,可取代“ 起动 电极 ,从而 减少投资; 能较...

  % 3专 论3 瞬 s a s E 瓣 小型玻璃电熔炉中垂直钼棒电极的特, 陛分析 宁 伟 王立强 ( 轻 工业 韶玻 璃 搪瓷 工业 科学 研究 所) 在玻璃电熔炉中,垂直铝棒电极与水平电极相比有更多的优点: 电极使用寿命长,一般足以满 足整个炉龄的需要。在使甩周期中,不更换或维修电极I 电极插入炉内的范围大,从而能降低电流密度 使铝棒电极几乎不造成对玻璃液的污 染; 垂直 电极加热 区域大,容易 得到温度均 匀的玻璃液,即玻璃液 的热稳定性 和热均 匀性 较 佳 ; 电极之 间工 作 电压可 控制在较 低的范 围内,因此 比较安全; 升温烤 炉时,可取代“ 起动 电极 ,从而 减少投资; 能较灵 活地 对 电极进行输配 电; 电极水冷耗热少,而且能使进入流液渝的玻璃液冷却,从而熔炉结构更加紧凑; 电极布置机动灵活,可弥补不对称熔制的缺陷,且不受炉型大小限制。 本文是近几年笔者在设计、安装、调试的几座电熔炉中,对垂直 电极的若干特性进行的 分 析和小结,它有助于对 电极 配置 以及全 电熔炉一些主要运行特征 的再认识。 一、 垂直 电极 的工 作特点和能量分布 小型电熔炉因产量而异一般配置 4~8 根垂直电极(见图 1),采用单相或三相供电。也 有 采用 8 根 电极 三相 供 电的,但 由于这种设计易 造成 能量 分布不 均而不 大采 用。 虽然钼棒在高温条件下抗张强度仅 5~n kg/mm ,但由于电极垂直布置,几乎不受弯 扭 应力 的作用。因此,垂直 电极 在炉内 的长度可达水平 电极长度 的 2 倍 以上 ,使 电极散 流工 作 面成倍 提高,在炉中加 热 区域内可获得很高 的热负荷。 与水平 电极相 比,馈入 电流量加大 1 倍以上.使用寿 命达 4~5 年。 从实际使 用 8 年 的铝 电极运行状 况来看, 电工参数变 化量 低于 5 黟,电极 消耗量 仅 占使 用部分 的 12 .1 。 除 日池炉外,在处于“ 冷炉顼” 的焙化过程 中,配台料不 发生水平运动,玻璃物料 总体 走 向是 自上而 下完成熔化过程,即垂直熔化。 由于是 处在 垂直 电极连续加 热区域 内,均 化作 用 极 为明显。而 配合料的分解 与化合反 应发生在 配台料层 与玻璃液面之 间,此 时,气体、砂粒 及 玻 璃态物质三相并存 ,形成厚度 约 80~ 120 om 的半熔融层 ,连续 生产 时,建 立了配台料一 半 摇 融层一 玻璃液 的动态平 衡。炉内热点位置就往往取决 于熔化液 面的状态 及电极长短等因 t 参曲研究工作的还有王锡盒、柬宝鑫、陈建等同志,本文还得剐了张宁的帮助和指点 藏 璃与搪 瓷 19 卷 6 期 甜 维普资讯 维普资讯 表 l 钼棒 电极与含 15% 钠钙玻璃电阻率 比较(0 on1) 温 度 11o0 l 20O 18oo 14o0 15。0 0 99 .00% 金属 钼 O.035昌 o.叫j83 o .0生l 5 o.044 o.o478 15% 钠钙 玻聋= 7 .6 5.7 4 .3 8 .6 2 8 密度(g,cm 图 3 5~I 24 hr 玻璃全电熔炉 配台料及玻璃密度随池深变 { 而变化 图 4 垂 直 熔化 及 玻璃 液流 示 恿图 1_ 温差引起的对谎.2压差引起的对流;3作业流 电极垂直 布置一 大优 点是 在烤 炉时,将预先 插入炉内那一段 电极作为“ 启动 电极 ” ( 觅匿 5) 。当外加热能熔化炉底厚约 300121玻璃熟料时,便能通电使熔炉处于“ 启动”状态,从而大 大缩短了烤炉时间,省去了起动电极及设备的费用,节省了大量的自日源。但在使电极到位的 几次推顶中,有一定的危险性,操作要求高,技术难度大。 垂直电极布置可根据不同情况和不同要求灵活多样地改变输配电方式,图 6 所示是其 中一 种。 从 能量 分布来看, 电极 周围能量释 放最大。用单位时 间内玻璃液单位体积所接受热量 的热功 率密 度来表示能量 的分布 即 d 罾蛾+ d (2) vi L 式 中 一 热功率密度 eal/om S, 一 流经截 面的电流 , 垂直 于 电流通过截面 积 om。,( 一 电阻率 0 0m。 图 5 垂直 电极作为启动电极 图 6 垂直电极输配电变化 玻 璃 与搪 瓷 19 卷 6 期 维普资讯 长电极 (砷 短电桎 图 7 电力线)不难发现,热功率密度与通过其体积截面的电流密度有关。电援将电能馈入玻 璃液中,同它四周玻璃液体积相比,表面积最小,电流密度最大,假设垂直电极将能量以筒状 ( 圆柱状) 向外传递,那么离电极愈远,筒形表面积愈大,电流密度就愈小,能量亦盘低。式 (2)可筒写为式 (3) 一 2 W 一 (8) 式 中 一 电场强度 V /or e 。 图 7 为能量分布示 意图,又 W 一 g r_ad U~ ( 式 中 W 电能 J ,玎一 电压 V , 电阻 n 。 式(4) 表示能量变化与二电极间电压梯度方向变化相对应,它的方向与取得最大方向导 数相一 致,即二 电极垂直 距离 间具有最大 的能量 释放。 电极 表面能量释放 与电极 之间玻 璃液 体所获得的能量, 可用 它们 的功率密度 之比表 示 为 P B 2Ⅱ 2 ,n 1 i 一百 丽 式 中 P 一 电极 表 面功率密度 W /or e , 熔 池中玻璃液导体的功率密度 W /o112s, B 一 垂直 于= 电极 连线 的熔 池截 面 。m。, 液面高度与 电极高度之 比, 一 电极对 数 d 电极直径 om。 式(5) 中, 1,若一对电极表面积与焙池横截面相差 1O倍的线 倍,而增加一对 电极就能使其降低一半,从而使能量分布趋向均匀。 通过对小型玻璃电熔炉“ 冷 ”模拟试验及 长期实际观察可知;单根垂直电极能量释 放较为理想的半径区域在 350~ 500 mm 之间,要求能量释放尽可能处在玻璃液所要求的位 置上。了解和把握电极能量释放状况,有助于垂直电极合理布置 改善熔制工艺,建立理想 的玻璃液流,减少垂直电极 自身的侵蚀及对耐火材料的热冲剁。 二 、垂直布置 电极所引起 的对 流及其影 响 在= 垂直 电极之闻即电力作用区间,玻璃液形成的对流称为内环流,而在 电极与池壁砖 之间的玻璃液流动称为外环流(见图 4 及图 9) 。 “ 冷态“模拟试验中,通过示踪显示能清楚地看到这两股浪流,然而在实际运行的电熔炉 玻璃 与搪 瓷 19 卷 6 襄 维普资讯 中 液流的轨迹要复杂得多。形成玻璃流动的因素很多,主要液流如图 4 所示 温度较高的 玻璃液向温度较低的区域流动,而较冷的玻璃液则由于静压的变化向热区回流,内环流内由 于 获得绝大部分能量,一 方面使 玻璃液沿 电极表 面朝液 面上涌 ,然 后 向中心或较冷 区域水平 运动}另一方面由于热膨胀 中心膨胀程度大于边缘区域,使中心液面微微向上拱起,玻璃液 总重量未因温升而变化,故池底各处静压基率不变,此时产生一 由中心向四周扩散的压力 差 .在压 力差 作用 下玻 璃液从 中心 向四周流去。这种 液流首先 从表面开始,遇到 电极顶端上 涌的液流又使它改变速度和方向,甚至折回。 中心液流运动时其总重下降,使池底压差发生 变化,池底四周玻璃液 向中心流入。连续生产时,产生的作业流与环流方向互成角度,形成 了适 合于 玻璃均化 的螺旋 状合流。 显然,垂直电极之间带电离子的激烈运动传递给玻璃液热能,而液流又 自然地去降低炉 内存在的温差。液面上部半熔融状的玻璃物料因混有砂粒,裹有气体,故 比重较小且只能停 留在上表层,其下部是 那些虽有气泡但无砂粒的玻璃液,进入环流后,气泡逐步消除。当作 业流过大时,合理 的液流动态平衡会破坏。同样,电极使用功率超限时,料液会剧烈翻游,严 重侵蚀池墙。以上两种情况部分使玻璃制品出现“ 结石 现象。 外环流的运动轨迹较简单。它也是滑着电极表面上升至顶部,然后转向池墙,继而沿着 池壁向炉底流动 撮后顺着池底 向电极根部缓慢靠扰。一小部分随大股作业流进入流液洞, 大部分又重新沿 电极表 面上升。外环流处于 电极“ 背后” ,受 焦耳 热少,温度 低,流动 量较 少. 曾对 O.5 */d 试验电熔炉转料十天后取外、内环流玻璃试样进行分析 结果表明,前者仍有转 料 前 的成分而 后者 皆无。如果说 内环 流决 定了玻璃熔制的质量 那 么外环 流对池墙影响颇 太。 表 2 垂直布置电极与水平布置电极比较 电极布置状态 垂 直 冰 平 熔炉 规模 ri d 0 .5 3.0 5.0 0.5 3.0 体 积溶 化率 t/ma 1 .7 1 .9 2 .1 1 圭 1 .6 电极馈^ 最大电功率 kW /对 51 113 Ⅱ3 虹 90 最大工作电压 V 80 90 电极狰却所耗功率 /支 2 8~3.5 3 .O~4.0 电极砖侵蚀情况 不 明 显 较 明 显 泡墙砖侵蚀情况 电投顶部属目侵 蚀较严重 电极砖及周围侵蚀较严重 电极安装、调试 较 难 较 易 电极使用管理 运行周期中一般不操作 运行周期 中一 般要撵作 表 2 还显示池壁的 侵蚀是 在靠近 电极最近 的部位尤 为严重,池墙垂直方 向的侵蚀 以 电 授顶部附近最显著,因为此处的池墙砖所受温度较高,玻璃液流冲刷较大。一般熔制钠钙 玻璃时,它从所接触的池墙砖上吸收了氧化铝等物质使 自身密度增大,流动 自上而下进行, 造成如 图 8 所示 的砖 材侵 蚀。 渡流冲刷和热冲击,在垂直布置电极的垂直熔化过程中主要表现为玻璃藏重力对流所 引起的对池墙砖 的侵蚀 其 侵蚀速率为 玻 璃与搪 瓷 19 巷 6 期 维普资讯 世 一 团 图 8 3 t/d 全电熔炉使用三年池墙侵蚀 及 电极 侵蚀 式中 z因垂直对流所引起的单位 侵蚀 量 kg /m~.8,4a 界面 上材料溶解 的饱 和浓度与 实际浓度之差 k mol/m。,z 扩散系数, 一 液流距砖 的距 离 nl,p 运动粘度 nl /s。 上式 表明,侵 蚀速率 与密 度差 zip 成正 比,且 与液流距离 y 成反比 即设外环流间断有序地冲 击池墙,冲击部位侵蚀最 严重,随着这股 冲击液流 沿池壁下流 时,池 墙侵 蚀锐减,造成 图 8 所 示的砖 侵 蚀。 对运行三年 3 ,/a 钠钙玻璃全电熔炉进 行 测 定,结果如表 3 所示,对流速度、砖质及温度对砖 侵蚀 起主导作用。 另外,在垂直布置 电极的电熔炉中,其体积熔 化率要大于同样数量水平布置电极 电熔炉的体积熔化率(见表 却。 因为前者所产生的玻璃 掖流动较后者更均匀有效。垂直电极根部附近的玻璃液温度较低,因此电錾砖侵蚀不明显, 一十炉龄以后,铺底砖基本完好,所以底板砖厚度一般选择为池壁砖 的三分之一左右即可。 袁 8 在不同对流作用下熔制钠钙玻璃弓【起的电熔砖侵蚀率(mⅢ/h) 1 30 G 1 垂 。O l S00 a 144 6。0 重力对谎 ( 整个炉龄平均值) 1 87X 10一a 3.7 x l Og 5.99× l 08 7 .d毋× l 0一a 一3 .7 85 cm ,h 强制对流 ( 整个炉盘睾平均值) 9.80X 1O 29 .JJ 1 x 】 0 - -57 .3 om/h 三、垂直布置 电极及其侵蚀 在小型 电熔炉中 垂直布置电极大致有图 9 所示几种。 电极布置一般要考虑炉型、规模、熔 制品种和工艺,以及所选用的电投材料和池墙砖材 料等诸因素。 图 9 (口) ,( 中的电极布置是 目前常用的方式,它具有安装简便,控制容易等优点;(口) ) 中倾斜电极布置能减少 电极对池壁侵蚀,使熔制工艺更台理。 倾斜角度在 5~20叼 为 宜。但这种布置的安装,操作难度较高;(e) 和(,) 中的电极布置 一般用于特殊要求或特种 玻璃熔制 的场合。 表 4 中看出,在 相同 电功率情况 下,较短 电极产生 的最高温度要 高于较 长 电极产生 的最 高温度,而且前者产生较后者更高的对流。这是因为较短电掇 电流密度丈所至。较短 电极 38 藏 璃 与搪 瓷 19 卷 6 期 维普资讯 长 电捉 ( D) 二短电极 (o) 互成角度竖插 (d) 一垂直一斜擂 一长一短 (f ) 二长靠抱 图 9 垂直 电极在 电熔炉中的几种布置 表 4 垂直电极不同高度比较 电流密度 电极面部距液 热点温度 对池墙砖最女侵 熔 护 规 模 i艇 面 距离 m 。a 蚀 速率 m m/h 3t /a 钠钙 玻璃 垒 电熔 炉 1.13 25 1垂52 1.46 × 10 同 上 1.O7 2o 14垂6 1.12 × 10 3 憧 铺钙玻 璃 垒鱼熔 炉 1.02 15 143 顶 部 电流密度是 其底部 的 2 倍 以上。 热对流和热膨胀使大部分电能在电极顶部释放,电流密度过大时,处于交流波上半周那 根电极表面会产生气泡,这主要是 O 来不 及迁移及接触界面玻璃过热分解。气泡不仅 造成接触电压提高,使周围继续过热形成炽 热点,而且对电极起氧化作用,在 电极表面产 生窝坑状侵蚀。 钼电极侵蚀的原因很多,远不止高温、电 流 密度及热 冲刷 等影响,还包括烤炉 时操作 图 10 电流密度为 2 5~ 3A ,/om 使用 萏。天 的电极侵蚀 ∽ 水平 (坤 霍t 图 11 使用三年的水平电龊与垂直电极-々臣蚀蒲巩比较 玻 璃 与搪 瓷 19 器 6 期 帮 维普资讯 表 5 垂直 电投与水平 电极侵蚀比较 侵蚀速 离g/a 电流密度 电极侵蚀 电极布置状态 使甩 时间 熔制产品 侵蚀特征 电极侵蚀 表面 180 a 144 0 A /口m 明显 部位 垂 直 三年 钠 钙玻 璃 2.2 3 .7 1.07 整个 表面积 的 直 径缩 小 光 蒲 85% 0.16 m m/2J 承平 整个表面枫的 直径缩小 ( 互柜平行) 三年 钠钙玻璃 5 .4 8 .1 l 1 .2O 有浅凹坑 70% 0. 3.9 m瑚/月 水平 整 千表 稻 的 长度 缩 短 头 部有 凹坑 ( 互帽 对峙) 三 年 镐 钙玻 璃 5 4 9 6 I 1.25 30% 2. 25 mmf 月 控 制、电化学 作用、玻璃 组成及澄清荆等 的影响 ,需加 以认 真观 察分析、综 合考 虑。 从表 5 可知,垂直 电极侵 蚀量 小且 比较平均。 从其断 面看,整 个圆周侵蚀是 比较均匀 的。虽然靠近池墙的那部位常被认为“1/3~ 1/2 部位无作用” ,即电流密度甚小,但四周上 下的液流冲刷 侵蚀几乎是相 等的。从使用后 的垂直 电极金 相组织来看 再结 晶颗粒 的生 长 速度比水平电极小得多,晶粒大小分布均匀,烧结孔洞较少且仍呈球形,因此 还有较好的拉 伸强度及抗蠕变 和弯 曲性能,见 图 12。 l 水平电极横截面 2垂直电极横截面 图 12 使用四个月的水平电极和垂直 电极截面形状 及结晶颗粒分布情况 图 l 3 使用 2十月钼表面氧渗八 及表面腐蚀坑( × 4oo) 从 电极侵蚀较大 的横截面 能看 到边缘约有 0 .1 mm 厚 的褐色层 即渗入钼表面 的氧形 成的 ~ 02+ MoO.层,它们不但会熔入玻璃液,也会通过氧化钼中的氧以热扩散的方式继续 侵 钼基体。垂直 电极表面扩散速度较均匀,约 2 mm/年,氧含量从 0.004茄 增至 0 .04 %, 氧的渗入 影响铝机械强度 和耐侵蚀性。 钼侵蚀量可由式(7) 大致求得,垂直电极不象水平电极局部侵蚀严重,计算结果误差较 、。 世m 砺 (7) 式 中m为玻璃中世。含量(ppm) 碍为玻璃总出料量 , 为 电极使用表面om , 为熔铡) , 代入式 (7) 求得时间 h。 在运行一个半月的 0.5 d 电熔炉中熔融的钠钙玻璃,矾 含量平均为 0.02%(200w Im) 代入式 ) 求得钼侵蚀量为 2 .2r a g/om h,而水平电极为 810mg/em。h。 垂直 电极虽有较小的电流密度,但如不加以控制,电极顶端周围上涌的玻璃液会“ 烧穿” 配台料层,造成功率控制失调,使炉内出现严重的热不稳定以至破坏整个熔制工艺的建立。 而且加 剧 电极及 砖材侵蚀 一- 鲫 玻 璃 与搪 瓷 19 卷 6 期 维普资讯 图 l 4 使用 5 个月 铝电极晶界发生的腐蚀 x 40o) 图 冷炉顶 中加料时间与温度的关系 因此 除严格控制输配电量外 还可由配合料加入量及料层分布来保持“ 冷炉顶” 。通 常,“ 冷炉顶” 以每次加料前料面尚未“ 烧穿” 为依据。料层一般在 15~ 25 oin 厚为佳。图 l 5 所 示,加料周期一般由出料量大小来决定,少加勤加,以使电熔炉维持在一种稳定的运行状态 中。 四、结 论 1 生 产实践 表明:垂直 电极 不仅广泛用于 电助熔 池炉,而 且也愈来 愈多 地用于审小型 电熔炉。在体 积熔化 率较 高的 电熔炉 中 耳产 耐火砖材质量寿命往往 仅三年左 右,不能与使 用周期长的垂直电极相适应。因此,在改进砖材质量、合理选择高质量耐火材料如关键部位 用 l 711 砖 等的同时,更要 科学地布置 电极,使 电极对耐 材的影响 降至 最小 ,使它们 的寿命 相 互匹配,从而发挥 出更 大的经挤 效益和社会 效益 。 2 垂直 电极 比承平 电楹 具有较高且较为平均 的对流速度;能量分布 合理 均匀;炉内“ 死 角少”;池壁侵蚀较均 匀;池底 电极 砖侵蚀甚小;较 短的垂直 电极 比较 长的垂直电极 产生更强 烈的对流和更高的温度;调节电极高低,选择它们的布置角度就能更恰当地控制玻璃液流以 及减少对池壁 的冲刷侵蚀。 3 垂直 电极在 电熔 炉 中的应用,虽然烤炉升 温时操 作难度大,劳 动强度高,要求有相 当 丰富 的实际操 作经验 ,但垂 直电极可作为 良好的“ 启动” 电极而 省去 了一笔可观 的费用,并且 在整个炉龄期间,一般不需特别维修,管理较为方便。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 6 ] [ 7 ] 【8 ] 参 考 文 献 Oell- P - A M.:GIaal Ind..54 [ 3] 12~ 13;嗍 14,1G~ 18 (1973) dI,只 A M.:Oh ss Ind dl 19~ 22 (1980) B怡itz,W .B . Ⅱibsoher,0 .W .:Ola99 I nd.62 [2] 11~ 17 (1981) J S tan~k :E lec Lr i~ ~ [el ting 0f G 1g ,l 977 ) 郑涪萄 鲁钟琪: 流体力学 轧城工业出版社(1983) E R G 埃 克特,R M 德雷克[ 美] :《传热与传质 祈》( 中译本) ,科学 出版社,(198B) 最尔去冈特里尔[蘸] :《玻璃熔窑 一 椅造与运{亍特性》(申译本).垒 国玻璃揞_奄工业科 技倚报斌 a 蛐母 长同欣之介: 最近 0 溶融炉0 变化 工棠加热.(1988) 穰璃与谤 瓷 1。卷 6 南 J 量 维普资讯


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