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        玻璃熔窯碹頂保溫不當造成的玻璃質(zhì)量事故分析

        2023-12-02 09:47:44呂建科
        玻璃 2023年11期

        呂建科

        (內(nèi)蒙古玉晶科技有限公司 鄂爾多斯 017100)

        1 事故發(fā)生和處理過程簡述

        為了節(jié)能降耗,國外某玻璃工廠決定在正常生產(chǎn)的600 t/d玻璃熔窯大碹碹頂上做二次保溫。于2018年10月25日開始進行二次保溫的施工工作。到2018年11月初,發(fā)現(xiàn)玻璃質(zhì)量出現(xiàn)問題,點缺陷增多,但沒有引起充分重視,到11月中旬,保溫完成,共在碹頂上增加了約300 m3的保溫料,平均厚度約增加40 cm,紅外實測碹頂保溫層頂部的表面溫度為80~120 ℃。11月22日開始玻璃板面出現(xiàn)大量白色夾雜物,并且造成嚴重的退火炸板情況,導致玻璃產(chǎn)量、質(zhì)量大幅度降低。

        到11月28日,根據(jù)對玻璃缺陷的成分檢測結(jié)果(絕大部分為鋁硅質(zhì))分析,初步判定問題的根源可能是碹頂保溫材料熔融造成的,于是自11月29日開始拆除熔窯碹頂?shù)谋夭牧?,拆除過程中發(fā)現(xiàn)下層保溫料出現(xiàn)大面積熔融的現(xiàn)象。到12月3日,新增的保溫層大部分拆完,玻璃板面夾雜物很快減少,生產(chǎn)逐漸恢復。增加和拆除保溫料過程中,玻璃質(zhì)量的變化情況見表1。

        表1 熱修期間玻璃質(zhì)量變化一覽表

        2 事故機理分析

        2.1 碹頂結(jié)構(gòu)及碹頂材料性質(zhì)

        問題發(fā)生以后,技術(shù)人員很快開始著手事故的分析和研究工作。

        增加保溫后的碹頂耐火材料保溫層的結(jié)構(gòu)見圖1。碹頂耐火材料和保溫材料的主要化學成分見 表2。

        圖1 保溫層厚度增加后的碹頂結(jié)構(gòu)

        表2 碹頂材料及其化學成分

        2018年11月27日,將引起炸板的夾雜物取樣四份化驗其成分,并送國內(nèi)研究機構(gòu)精確檢測其化學組成,分析結(jié)果見表3。

        表3 缺陷試樣的化學成分

        2.2 對事故原因的分析和推論

        根據(jù)缺陷成分檢測結(jié)果,缺陷中的氧化硅和氧化鋁含量明顯高于玻璃成分中的硅、鋁含量,并且可以確認原料和碎玻璃沒有問題,由此可推論該缺陷可能來源于窯爐耐火材料。根據(jù)窯爐熔化部的結(jié)構(gòu):池底、池壁和火焰空間由電熔鋯剛玉和硅磚組成,不可能造成如此大量的單純鋁硅質(zhì)夾雜物。故可以推測:可能是碹頂保溫材料中的化學物質(zhì)熔融后穿過密封料和熔窯大碹磚縫隙,并與密封料或硅磚、硅泥的化學物質(zhì)一同落入玻璃液中,形成鋁硅質(zhì)夾雜物。

        2.3 理論和試驗研究

        2.3.1 碹頂各層材料的厚度和界面溫度

        保溫層加厚以后,碹頂各層材料的厚度和界面溫度見表4。

        表4 碹頂各層材料的厚度和導熱系數(shù)

        根據(jù)傅立葉定律,單位面積的熱流量為:

        式中:Q——表示單位時間內(nèi)熔窯碹頂向外傳導的熱量(熱流量);

        A——表示熱傳導面積;

        l——表示碹頂材料的熱傳導系數(shù);

        DT——表示各層碹頂材料的上下表面溫差;

        H——表示各層碹頂材料的厚度。

        如果只考慮穩(wěn)定熱傳導,則方程式:q1=q2=q3=q4=q

        按上述方程計算各層界面溫度的結(jié)果如下:

        大碹硅磚上表面溫度:T1=1444 ℃

        大碹密封料上表面溫度:T2=1434 ℃

        輕質(zhì)硅磚上表面溫度:T3=1230 ℃

        可塑料上表面溫度:T4=1210 ℃

        (注:如果再考慮輻射換熱,上述界面溫度還會更高一些。)

        2.3.2 高溫試驗

        對碹頂各保溫層的材料高溫試驗:

        ①取少量保溫料,置于化驗室高溫電爐中,在1000 ℃條件下,保溫0.5 h;冷卻后觀察坩堝中的物料情況。物料粉化,沒有發(fā)現(xiàn)熔融現(xiàn)象。

        ②取少量可塑料和少量保溫料,置于高溫電爐中,在1200 ℃條件下,保溫2 h,冷卻后觀察坩堝中的物料情況??伤芰虾捅亓暇讶廴?,見圖2。

        圖2 可塑料和保溫料1200 ℃保溫2 h熔融

        2.3.3 各層保溫材料的實際狀況

        從拆除現(xiàn)場觀察看,保溫料下層部分和可塑料均呈現(xiàn)燒結(jié)或熔融狀況,外觀與實驗室的熔融保溫料相似,見圖3。說明增加碹頂保溫層后,保溫層下部的保溫料或可塑料被高溫熔融。

        2.3.4 保溫料和可塑料熔融的理論依據(jù)

        根據(jù)保溫材料的化學成分,查閱相關(guān)硅酸鹽物理化學的MgO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)相圖(圖4),組成保溫料和可塑料的主要成分——鎂鋁硅酸鹽在適當?shù)慕M成的條件下,可以形成熔點較低的低共熔化合物;而保溫料和可塑料的化學組成在此范圍內(nèi)。

        圖4 MgO-Al 2O 3- SiO 2系統(tǒng)相圖

        3 事故機理的研究結(jié)論

        根據(jù)上述研究和分析,結(jié)合現(xiàn)場觀察窯爐大碹上部保溫層燒損情況以及窯內(nèi)內(nèi)窺鏡檢查的結(jié)論意見,得出本次質(zhì)量事故的機理如下:

        大碹保溫層過厚,造成保溫料下層溫度過高(理論計算超過1200 ℃)而熔融,保溫料和可塑料下部的熔融物在保溫料過厚或碹頂溫度較高處(熱點區(qū)域)黏度很低,在重力和表面張力的作用下,向下流動,與耐火度較高的輕質(zhì)硅磚以及密封料接觸,發(fā)生物理化學反應(yīng),形成低共熔物,該低共熔物在更高的溫度下(計算結(jié)果大于1430 ℃)繼續(xù)侵蝕大碹磚和縫中的泥料,將磚縫侵蝕透以后,這些侵蝕產(chǎn)生的低共熔物源源不斷地滴落到玻璃液里形成大量的節(jié)瘤或結(jié)石。并且后續(xù)的低共熔物持續(xù)不斷地流下,或沿著大碹內(nèi)表面流淌,侵蝕大碹磚的內(nèi)表面,其滴落物造成玻璃板面形成更多的鋁硅質(zhì)夾雜物缺陷。所以取樣的夾雜物中有較高含量的氧化硅和氧化鋁;化驗室試驗也驗證了1200℃條件下,密封料與保溫料熔融流淌的情況。

        用內(nèi)窺鏡窯內(nèi)照相也證實了大碹內(nèi)表面的確有被嚴重侵蝕的問題,如圖5所示。

        圖5 窺鏡拍攝熔窯大碹內(nèi)表面被嚴重侵蝕

        4 事故處理和結(jié)果及啟示

        首先通過工藝調(diào)整和拆除保溫的方法將碹頂耐火材料溫度降低,以減緩低共熔物對碹頂耐火材料的侵蝕,降低玻璃缺陷數(shù)量。

        清理已經(jīng)熔融的保溫料,尤其是燒結(jié)在大碹磚上表面的保溫料和其它碹頂材料燒結(jié)或熔融形成的低共熔物,現(xiàn)場清理特別困難,為防止今后生產(chǎn)過程中該低共熔物繼續(xù)侵蝕硅磚或硅泥,施工人員在高于60 ℃的環(huán)境下,花費了近30天時間,才清理干凈。

        清理完成以后,重新做密封料和保溫層,然后將窯爐的溫度制度逐步恢復到事故前的狀態(tài),生產(chǎn)也逐漸恢復正常。

        此事故發(fā)生已過去了五年,局限于當時保溫材料的質(zhì)量,大碹保溫偏厚存在一定的風險。目前,國家對玻璃熔窯能耗要求越來越嚴格,加強大碹碹頂保溫是降低玻璃能耗的重要手段之一。隨著耐火材料的發(fā)展進步,采用優(yōu)質(zhì)的保溫材料能夠完全避免上述事故的發(fā)生。與此同時,廠家在制定大碹保溫方案,選擇保溫材料時,也要吸取教訓,保證保溫材料與對應(yīng)保溫層溫度的合理匹配,防止類似事故的發(fā)生。

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