吳嘉培

(中材科技股份有限公司，南京210012)

池窯拉絲電助熔接地與接地電極

吳嘉培

(中材科技股份有限公司，南京210012)

總結(jié)了從1970年以來，對(duì)玻璃熔窯采用電熔、電助熔而引發(fā)的對(duì)地電壓參數(shù)，對(duì)接地技術(shù)、工作原理、使用注意事項(xiàng)等加以歸納與論述。結(jié)果顯示，今后玻璃熔窯采用電助熔時(shí)，為合理使用接地電極，可以參考以下建議：拉絲池窯接地電極應(yīng)與窯電助熔主電極采用同種材料；在接地電極的下游不要再設(shè)置電極加熱裝置；接地電極不同時(shí)作可能通電的工作電極；可采用多重接地電極，并密切監(jiān)視第1支接地電極的接地電流；電助熔電極宜采用電極列垂直于玻璃液流布置與對(duì)稱供電。

池窯拉絲；電助熔；接地電極；等電位；電化學(xué)

0 前言

我國玻纖工業(yè)池窯拉絲與玻璃棉生產(chǎn)技術(shù)開始于20世紀(jì)60年代中后期，如南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院(簡稱南玻院)與杭州玻璃廠合作的0.8～1.2 t/d中堿、無堿全電熔池窯拉絲，與蘇州玻璃廠和玻纖廠合作的3 t/d、6 t/d全電熔玻璃棉生產(chǎn)池窯，以及南玻院的1 t/d全電熔高強(qiáng)池窯拉絲等都是采用全電熔制、全電料道，雖然都有鉑金漏板，但全窯都是浮空運(yùn)行，全窯不作接地處理。

當(dāng)時(shí)玻纖工業(yè)普遍采用的代鉑爐拉絲技術(shù)，由一對(duì)電極的代鉑爐和一塊漏板組成。由于供電簡單，沒有高次諧波疊加，整個(gè)爐體不作接地處理，處于電浮空運(yùn)行狀態(tài)。

到20世紀(jì)70年代初，我國第一座真正意義上的工業(yè)化池窯拉絲在原上海耀華玻璃廠實(shí)施。鑒于當(dāng)時(shí)的能源結(jié)構(gòu)，熔化部采用重油。最初由于對(duì)電料道技術(shù)認(rèn)識(shí)不足，通路電極大量損壞，對(duì)地電壓過高，進(jìn)而不得已將通路改成燃油作業(yè)通路，因而池窯也就不存在對(duì)地電壓與接地要求。

1978年筆者在南玻院一座帶電助熔與電料道的制球池窯上，發(fā)現(xiàn)對(duì)地電壓影響單孔鉑金料碗與制球工藝的運(yùn)行，采用接地技術(shù)后成功排除了故障。

1989年珠海玻纖有限公司引進(jìn)日東紡7 000 t/a池窯拉絲，沒有采用電助熔技術(shù)，所以也無需接地。2001年泰山玻纖有限公司第二座15 kt/a池窯拉絲采用了電助熔技術(shù)和接地電極，至此拉絲池窯當(dāng)采用電助熔時(shí)，接地電極已經(jīng)成為必要的技術(shù)措施。

1 1座中試球窯引發(fā)的接地概念

1.1 窯爐慨況

1978年南玻院為中堿新成分5-2#料工業(yè)化進(jìn)行一次熱態(tài)中間試驗(yàn)，定名為“日產(chǎn)2噸試驗(yàn)球窯(新中堿5-2成分)”，見圖1。

窯爐基本情況：

(1) 生產(chǎn)能力：2.2～2.5 t/d新中堿5-2#料球。

(2) 單元窯：4.5 m(長度)×1.3 m(寬度)×0.6 m(液深)，熔化面積5.85 m2，熔化率：0.48 t/(m2·d)；

(3) 流液洞結(jié)構(gòu)，從上長道開始為電極加熱，單孔鉑金料碗成形。

(4) 燃料：城市(焦?fàn)t)煤氣，熱值18 000～20 093 kJ/m3，冷助燃風(fēng)。

(5) 電助熔：在澄清區(qū)有6根液面處相對(duì)側(cè)插電極，組成4個(gè)加熱區(qū)。

(6) 窯爐設(shè)有13個(gè)溫度點(diǎn)巡測，玻璃液溫度測量全部采用鉑金管保護(hù)。

1.2 窯爐工作過程

新中堿5-2成分配合料，經(jīng)振動(dòng)投料機(jī)加進(jìn)單元窯熔化部，空間為城市煤氣與冷助燃風(fēng)加熱，玻璃熔體在窯澄清部設(shè)電極輔助加熱，經(jīng)流液洞、上升道進(jìn)電通路，玻璃液經(jīng)單孔鉑金料碗溫控成料柱流出，再經(jīng)制球機(jī)剪刀剪成料塊進(jìn)入制球機(jī)成形。

火焰空間溫度、窯壓、液面、電助熔與電料道，全部采用自動(dòng)控制。當(dāng)時(shí)在全國工業(yè)性生產(chǎn)的球窯上幾乎無一例外，都是全火焰窯與火焰加熱料道，用閘板控制球徑。該窯采用電料道與單孔鉑金料碗恒溫控制，球單重波動(dòng)9.5 g±0.3 g。

1.3 電助熔與電通路引發(fā)的接地技術(shù)

池窯電助熔與電通路在帶來好處的同時(shí)，也帶來了問題。在生產(chǎn)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)，制球的剪刀用不到1 d就粘料，而國內(nèi)制球機(jī)磨好的剪刀一般都要用7 d左右才要打磨一次。

經(jīng)筆者在現(xiàn)場仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)剪刀每一次剪球時(shí)用肉眼能觀察到刀口上有電火花出現(xiàn)，筆者馬上意識(shí)到是對(duì)地電壓出了問題。實(shí)質(zhì)是由于玻璃液帶電而制球機(jī)接地，剪刀每剪一次料就接地一次，電火花很快讓剪刀損壞。

要解決上述矛盾，只能有2種辦法，其一是整個(gè)制球機(jī)與大地絕緣從而切斷接地電路；其二是將料道或鉑金料碗接地，讓流出的玻璃料與大地等電位。對(duì)要前后移動(dòng)、龐大又笨重的制球機(jī)而言，對(duì)地絕緣是不現(xiàn)實(shí)的，筆者采用第二方案作接地處理。工作的電助熔與電料道其電極是不能接地的，按當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況采用鉑金料碗接地，方案見圖2。流出的玻璃液經(jīng)接地后與制球機(jī)等電位，電火花消失，制球一切正常。

2 接地電極工作原理

2.1 對(duì)地電壓

所有的用電設(shè)備都有對(duì)地電壓。在玻纖生產(chǎn)中，代鉑爐、電窯、電助熔窯、電料道都會(huì)有對(duì)地電壓，特別是全電熔池窯拉絲、大型電料道池窯拉絲，對(duì)地電壓對(duì)漏板、冷卻器與操作人員構(gòu)成極大威脅。如1971年南玻院全電熔高強(qiáng)池窯拉絲，電料道由于對(duì)地電壓高達(dá)700 V，先后造成2塊漏板對(duì)地打弧而燒壞；2006年河北邯鄲長風(fēng)玻纖廠中堿電料道池窯拉絲，電料道的諧波電壓疊加，個(gè)別漏板對(duì)地電壓高達(dá)400～500 V，造成投產(chǎn)初期多塊漏板打弧、損壞、更換。即使調(diào)整相位后，料道平均對(duì)地電壓也有150 V[1]。

玻纖工業(yè)早期大量采用的代鉑爐漏板也有對(duì)地電壓，只不過代鉑爐大多僅用一對(duì)板狀電極，結(jié)構(gòu)簡單，其接地等效電路圖見圖3。P1/P2為一對(duì)板狀電極，RG1/RG2為電極間的玻璃液等效電阻，漏板一般都置于爐子中間，RP1/RP2為電極對(duì)地絕緣電阻，RB為漏板對(duì)地絕緣電阻。從電路理想狀態(tài)上看漏板左右對(duì)稱，也就是講漏板對(duì)地電壓為0 V。但實(shí)際上由于漏板與電極間可能是垂直布置、也可能是水平布置、也可能不在正中布置，這樣漏板(銅夾頭)就有對(duì)地電壓，表1系對(duì)某幾臺(tái)代鉑爐測試的結(jié)果。代鉑爐有時(shí)感覺不到對(duì)地電壓對(duì)漏板與人身威脅，但對(duì)地電壓確實(shí)是存在的。

表1 某些代鉑爐漏板(銅夾頭)對(duì)地電壓

2.2 對(duì)地電壓等效電路

圖4系一個(gè)典型的池窯拉絲電助熔電極分布圖，現(xiàn)以其中一對(duì)電極P12-P14為例說明電極對(duì)地電壓與接地電流工作狀態(tài)。

電極P12并不是浮在半空中，它是通過3個(gè)電阻與窯爐工字鋼的大地相連，圖4中R121是電極通過電極水套的絕緣體與鋼結(jié)構(gòu)間的絕緣電阻、R122是電極水套通過電極冷卻水與大地連通的水介質(zhì)電阻、R123是電極P12在玻璃融體中通過耐火磚與鋼結(jié)構(gòu)間形成的介質(zhì)電阻。電阻R121/R122/R123三電阻并聯(lián)成等效絕緣電阻RP12，同理電極P14對(duì)地并聯(lián)成等效絕緣電阻RP14，見圖5。

圖5中R124系電極P12-P14之間玻璃液電阻，VP12與VP14系電極P12、P14對(duì)地電壓。在一般情況下，RP12與RP14是差不多相等，所以電極P12與P14的對(duì)地電壓也差不多相等，也就是說，電極對(duì)地電壓差不多是這對(duì)電極工作電壓的一半。2011年筆者對(duì)山東玻纖復(fù)合材料有限公司二線中堿電助熔池窯作詳細(xì)測定，電極間工作電壓與每根電極對(duì)地電壓見表2，其結(jié)果足以證明上述結(jié)論。

既然有對(duì)地電壓就必然有對(duì)地電流，見圖6。

圖6系每根電極接地等效電路圖，E是電極對(duì)地電壓，RG12系工作電極P12與接地電極間玻璃液等效電阻，RG12與電極對(duì)地絕緣電阻RP12相比幾乎可以忽略不計(jì)，所以電極P12對(duì)地電流IP12，在正常狀態(tài)下完全取決于電極對(duì)地絕緣電阻RP12。

表2 電極間電壓與電極對(duì)地電壓

電極列第1對(duì)第2對(duì)第3對(duì)第1支第2支第1支第2支第1支第2支平均值第1列電極電壓/V46 0749 4150 8048 76電極對(duì)地電壓/V22 0521 9225 2622 5724 8323 8723 42第2列電極電壓/V68 8463 2665 1365 74電極對(duì)地電壓/V33 3334 5130 3832 3828 5633 4232 10第3列電極電壓/V62 5968 0166 9565 85電極對(duì)地電壓/V31 2935 2432 2529 1230 3433 3331 93第4列電極電壓/V67 2365 6967 9366 95電極對(duì)地電壓/V34 2933 9032 4231 6429 8233 5532 60第5列電極電壓/V64 1567 6260 7464 17電極對(duì)地電壓/V31 1635 1129 2130 5631 2129 7331 06

如表2，池窯電助熔有30支工作電極，30支電極所形成的接地電流的向量總和就是總接地電流。通常情況下由于電極對(duì)地絕緣電阻很大，綜合接地電流一般只有1 A左右，或更小。

2.3 接地電極工作原理

正如表2所見，電極對(duì)地電壓差不多就是這對(duì)電極工作電壓的一半。電助熔中電極對(duì)地電壓當(dāng)然與玻璃成分、電極布置、接線方式、輸入功率等相關(guān)。表2是中堿窯，就玻纖大多數(shù)無堿池窯而言，電極工作電壓大約在200～300 V，電極對(duì)地電壓就要在100～150 V，主通路及下游工作通路玻璃液對(duì)地電壓就是所有這些電極對(duì)地電壓的向量總和。

對(duì)地電壓對(duì)作業(yè)通路漏板構(gòu)成嚴(yán)重威脅，要消除作業(yè)通路上的對(duì)地電壓最好的辦法就是在主通路上將玻璃液接地，見圖4、6。一旦主通路接地后，下游玻璃液對(duì)地形成等電位，也就是講對(duì)地電壓為0 V，拉絲平臺(tái)上漏板、操作人員與周圍的鋼平臺(tái)都處于大地的0電位上，從而消除了對(duì)地電壓的危害。當(dāng)然，池窯每塊漏板還有幾伏供電形成的對(duì)地電壓，但這在實(shí)際生產(chǎn)中已經(jīng)是很安全的。

3 幾種值得商討的接地方案

3.1 通過鉑金導(dǎo)體接地

筆者在多年池窯設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)有用鉑金作接地電極。例1：利用池窯擋磚鉑金包皮作接地電極，見圖7；例2：利用主通路玻璃液測溫用鉑金套管接地，見圖8。這兩例其實(shí)質(zhì)是一樣的，都是利用池窯結(jié)構(gòu)中鉑金體作接地電極，表面上看既實(shí)現(xiàn)了接地功能又省去接地電極。

從電工原理來講，無論是例1還是例2都是達(dá)到接地工作，其下游玻璃液對(duì)地電壓都為0 V，這是毋庸置疑的。

玻璃電熔系電能直接通過電極對(duì)玻璃融體進(jìn)行電加熱，熔融態(tài)玻璃導(dǎo)電性取決于玻璃的化學(xué)組成與溫度，屬離子型導(dǎo)電，從嚴(yán)格意義上講玻璃電熔不單純是電熱過程同時(shí)還是一個(gè)電化學(xué)過程，它既可以產(chǎn)生出原電池也可以被電解，一旦在電極與玻璃融體中產(chǎn)生原電池或電解，其最終結(jié)果都是電極嚴(yán)重?fù)p壞[2]。

在現(xiàn)行池窯拉絲中，電助熔都是采用鉬電極，當(dāng)鉬電極與鉑金電極同在一個(gè)窯內(nèi)工作時(shí)，其等效電路見圖9。鉬與鉑兩種金屬在高溫玻璃液內(nèi)就形成原電池E，筆者于1977年在南玻院中堿全電熔球窯上測得Pt為+，Mo為-，電勢(shì)0.64 V。在圖9電路中原電池直流電取決于絕緣電阻RP12，在窯爐完全正常時(shí)RP12很大，所以原電池E不構(gòu)成對(duì)鉑金威脅。

但接地鉑金的安全性是以窯內(nèi)所有電極對(duì)地絕緣完全良好、熔窯所有耐火材料對(duì)鋼結(jié)構(gòu)絕緣都完全良好、熔窯沒有玻璃液滲漏到鋼結(jié)構(gòu)或大地為前提。如果由于某種原因，例如：池底電極在安裝過程中由于不小心掛上鐵絲、螺釘、螺母等導(dǎo)體；窯爐運(yùn)行中后期耐火磚被侵蝕或磚縫處跑玻璃水；窯爐熱工操作過程中接觸玻璃液的金屬工具同時(shí)又碰到窯體工字鋼時(shí)等等，都會(huì)造成電極對(duì)地絕緣電阻RP12大大降低或短路，此時(shí)原電池E形成的直流電就會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞鉑金。所以筆者認(rèn)為接地電極還是用Mo電極為好。

3.2 通過防堵電極接地

如果單元窯是采用流液洞結(jié)構(gòu)時(shí)，為防止烤窯、啟動(dòng)或窯中途生產(chǎn)不正常時(shí)玻璃液在流液洞處滯留、降溫、堵死，大都在此處采用電極防堵。在正常生產(chǎn)時(shí)防堵電極不工作，所以就有提出用防堵電極同時(shí)作接地電極的方案，見圖10。

當(dāng)窯爐正常生產(chǎn)時(shí)，防堵電極不工作，圖10方案中防堵電極作接地電極，下游玻璃液對(duì)地電壓為0 V，也是毋庸置疑的。但如果窯爐運(yùn)行不正常需要對(duì)防堵電極送電時(shí)問題就來了，當(dāng)防堵電極既作工作電極又作接地電極時(shí)，其等效電路見圖11。

一對(duì)防堵電極P93與P94的物理模型可以用RP93-RG94-RP94去表達(dá)，RP93與RP94分別代表電極與玻璃液接觸的過渡電阻，RG94為2根棒狀電極間玻璃液的等效電阻，RG94一般占到總電阻的25%左右。

當(dāng)窯爐運(yùn)行不正常需要對(duì)防堵電極送電時(shí)，由于電極P94既是工作電極又是接地電極，從等效電路可知，電極周圍通向主通路的玻璃液對(duì)地電壓就不再是零電位。如果防堵電極工作電壓為250 V，從等效電路可知，主通路后下游的玻璃液就可能有94 V的對(duì)地電壓，當(dāng)然這是我們所不希望的。筆者以為工作電極就不要作接地電極，接地電極在窯預(yù)計(jì)狀態(tài)下都不要通電。這就好象采用5線制的供電系統(tǒng)，PE地線不通電只作接地功能，有可能通電的N中線就不作接地導(dǎo)線。

3.3 防堵電極前接地

也有個(gè)別方案采用在防堵電極前放置接地電極，見圖12。

筆者不能認(rèn)同這樣的接地方案，因?yàn)閺碾姽だ碚撋现v該方案從根本上就破壞了接地電極下游玻璃液對(duì)地等電位的目的，也就是講接地電極就沒有達(dá)到窯爐可能在非正常運(yùn)行時(shí)對(duì)作業(yè)通路的漏板與操作人員保護(hù)的宗旨。

本方案在防堵電極不工作時(shí)(防堵電極切斷電源)，是能達(dá)到下游玻璃液對(duì)地零電位的目的。但如果窯爐生產(chǎn)不正常，一旦需要防堵電極工作時(shí)，接地電極在上游接地不但達(dá)不到保護(hù)下游玻璃液、漏板與人身安全，發(fā)生故障時(shí)問題會(huì)比沒有接地電極更嚴(yán)重。所以在接地電極后，筆者認(rèn)為就不應(yīng)再有任何電熔加熱裝置。

3.4 重復(fù)設(shè)接地電極

某公司對(duì)新池窯在接地電極設(shè)計(jì)時(shí)提出重復(fù)設(shè)接地電極的方案，見圖13。

該公司發(fā)現(xiàn)公司內(nèi)某池窯主通路接地電極出現(xiàn)40 A的接地電流，雙H型通路上漏板出現(xiàn)6～9 V對(duì)地電壓，所以要求新窯設(shè)計(jì)時(shí)采用圖13重復(fù)設(shè)接地電極方案。筆者以為在主通路與分配通路上都設(shè)接地電極，對(duì)其下游玻璃液與漏板進(jìn)行雙重保護(hù)是完全可行的，就像供電系統(tǒng)中多次作重復(fù)接地一樣。

筆者認(rèn)為問題是首先要找出接地電流過大的原因，據(jù)筆者多年現(xiàn)場實(shí)踐，接地電流多在1 A左右，極少到過5 A，如果出現(xiàn)40 A一定是窯爐(包括電極)對(duì)地絕緣出問題。如果是開爐不久后出現(xiàn)這種問題，那大多是電極安裝與現(xiàn)場清理不到位出現(xiàn)絕緣電阻過小造成；如果是窯爐中后期出現(xiàn)，則大多是窯爐耐火磚出問題，或跑玻璃水，或發(fā)紅的耐火磚接觸到窯體鋼結(jié)構(gòu)。

筆者于1971年在某全電熔窯上作過一次接地電阻與對(duì)地電壓關(guān)系的試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)線路見圖14，結(jié)果見表3，可見接地電阻小則對(duì)地電壓低。所以尋找問題所在地最好的方法是，查所有電極對(duì)地電壓，在電壓偏低處仔細(xì)查找。如果是耐火磚發(fā)紅或滲出玻璃液出現(xiàn)的故障，接地電流還會(huì)擴(kuò)大故障，必須嚴(yán)防。

表3 接地電阻與接地電壓測試數(shù)據(jù)表

4 接地電極與接地系統(tǒng)

就現(xiàn)有的拉絲池窯，筆者認(rèn)為接地電極應(yīng)該是鉬電極，保護(hù)方式可以是有水冷也可以是無水冷，無水冷電極對(duì)通路玻璃液的溫度場影響少，但可能不如有水冷耐用。

從電工原理上講，只要是電極接觸到玻璃液就能達(dá)到接地的目的，但從工程可靠性講，筆者以為電極直徑宜選Φ25～32 mm，插入深度可以在200～300 mm。

電極放置的位置一般可以在流液洞防堵電極后，也可以在主通路上。如果是在防堵電極后，與防堵電極間距應(yīng)在10倍電極直徑以上。

接地電極通過10～16 mm2多芯銅導(dǎo)線與接地體相連，接地體接地電阻≤4 Ω，接地體應(yīng)與窯爐的鋼結(jié)構(gòu)、與車間接地網(wǎng)可靠相連。

接地系統(tǒng)應(yīng)有接地電流測量并送DCS。

5 小結(jié)

綜合上述，筆者認(rèn)為：

(1) 拉絲池窯接地電極應(yīng)與窯電助熔主電極采用同種材料。

(2) 在接地電極的下游不要再設(shè)置電極加熱裝置。

(3) 接地電極不同時(shí)作可能通電的工作電極。

(4) 為進(jìn)一步保障大型多通道池窯漏板安全，可采用多重接地電極，但要密切監(jiān)視第1支接地電極的接地電流，并采取自動(dòng)報(bào)警。

(5) 從代鉑爐接地等效電路可知，要想主通路玻璃液對(duì)地電壓低，電助熔電極宜采用電極列垂直于玻璃液流布置與對(duì)稱供電。

[1]吳嘉培.用諧波分析理論控制電料道的對(duì)地電壓[J].玻璃纖維，2011(1)：17-32.

[2]吳嘉培.玻璃電熔中的電化學(xué)及其危害[J].玻璃纖維，2005(3)：1-8.

Grounding and Grounding Electrode for Electric Boosting in Fiberglass Furnace

Wu Jiapei

(Sinoma Science & Technology Co.，Ltd，Nanjing 210012)

The author summarizes here the conditions of voltage to earth caused by electric melting and electric boosting in fiberglass furnaces since 1970，and describes the corresponding grounding technology，working principles and attentions for operation.As the results refer，the following suggestions can be considered in future use of electric boosting in fiberglass furnaces so as to reasonably utilize grounding electrodes：The grounding electrode of fiberglass furnace and the main electrode for electric boosting should be made of the same material；No electrode for heating glass should be added in the downstream area of the grounding electrode；The grounding electrode should not be used simultaneously as a working electrode which may get current；It is practicable to use multiple grounding electrodes with the grounding current of the first grounding electrode carefully monitored；The electric boosting electrodes are preferably placed in a row vertically to the molten glass flow and should work symmetrically.

glass fiber making by direct-melt furnace；electric boosting；grounding electrode；equipotential；electrochemistry

TQ171.77+6

A

2016-10-24

吳嘉培，男，1941年生，高級(jí)工程師。主要從事玻璃纖維生產(chǎn)過程自動(dòng)化、玻璃電熔的研究與設(shè)計(jì)方面的研究。

修回日期：2016-11-03