Спосіб одержання скла

1. Спосіб одержання скла з порошкової сировини в печі, яка містить бічні стінки, склепіння, фронтальну стінку і щонайменше одну повітряну форсунку в поєднанні з щонайменше однією форсункою для рідкого або газоподібного палива, причому щонайменше одна з вказаних форсунок знаходиться у вказаних бічних стінках, у вказаному склепінні або у вказаній фронтальній стінці, причому вказаний спосіб включає етапи нагнітання повітря і газоподібного або рідкого палива через вказані форсунки, а факел полум'я або кожний факел полум'я створюють тільки в безпосередній близькості від зони, де вказана порошкова сировина покриває скломасу. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що піч містить щонайменше одну повітряну форсунку, в якій окислювачем палива є повітря, і щонайменше один регенератор тепла або рекуперативний теплообмінник. C2 2 UA 1 3 яких найбільш висока). Підвищена температура необхідна також, щоб усунути будь-які газоподібні включення в скломасу при варінні, причому цей етап називається «проясненням». Вищезазначені газові включення мають різноманітне походження. Вони в основному утворюються з повітря, захопленого між зернами порошкового матеріалу, і газів, що виділяються в певних хімічних реакціях, які протікають на етапі скловаріння. Так, карбонатна сировина (як, наприклад, карбонат натрію, вапняк, доламіт) виділяє велику кількість діоксиду вуглецю в газоподібній формі. Газові включення можуть бути викликані також реакціями випадання з розчину деяких газів в певних умовах, або через хімічні або електрохімічні реакції між розплавленим склом і деякими матеріалами, присутніми в печах (вогнетривка кераміка і/або метали). Газові включення виявляються захопленими в об'ємі розплавленого скла, звідки вони можуть виходити зі швидкістю, пропорційною квадрату їх діаметра. Так, маленькі пузирчики (звані іноді «мошками») можуть виходити тільки з дуже малими швидкостями. Швидкість підйому пузирів може, крім того, стримуватися в'язкістю скла і конвективними рухами, які можуть захопити пузирі до поду печі. Оскільки в'язкість зменшується з підвищенням температури, підвищена температура необхідна для одержання скла, яке не містить газових включень. У печах з виробництва скла теплова енергія звичайно підводиться до скла через форсунки і/або через електроди, занурені в скло. У більшості промислових печей, зокрема, для одержання плоского скла, пляшок або волокон, форсунки розташовуються у вертикальних опорах склепіння або у фронтальній стінці печей для створення факела полум'я, паралельного поверхні скломаси. Зокрема, прийнято говорити про «повітряні» форсунки, оскільки полум'я не б'є по поверхні скломаси. Це полум'я дозволяє нагрівати скломасу випромінюванням, частково напрямку, але також непрямо, завдяки наявності склепіння, розташованого вище форсунок, причому вказане склепіння відбиває теплове випромінювання. Згідно з технологією «з поперечними форсунками», яка часто використовується в печах для варіння плоского скла, вказані повітряні форсунки розташовуються на бічних стінках або вертикальних опорах склепіння, і факели полум'я створюються упоперек напрямку протікання розплавленого скла. Завантаження печі сировиною в такому випадку звичайно проводиться через фронтальну стінку печі. Згідно з іншою технологією, яка частіше використовується в галузі упаковки (пляшки, банки, пляшечки) і називана «із застібками», великий факел полум'я створюється за фронтальною стінкою печі, в напрямку протікання розплавленого скла. Залежно від виду використовуваного пального застосовуються два великих класи форсунок. У випадку, коли як окислювач палива застосовується повітря, методи рекуперації тепла дозволяють обмежити втрати енергії через нагрів великих кількостей неактивного і, отже, некорисного азоту. 96272 4 Згідно з найбільш поширеними методами, частина тепла, утвореного в реакції горіння, акумулюється в регенераторах тепла або рекуперативних теплообмінниках, утворених з укладки вогнетривких матеріалів, причому надалі це тепло використовується повторно для попереднього нагрівання повітря, яке служить для горіння. Як окислювач горючий може також використовуватися кисень, при цьому створення таких регенераторів не потрібне. Коли скло важко розплавити або коли потрібне підвищення продуктивності, звичайно застосовують додаткове електронагрівання. У випадку, наприклад, стекол, що поглинають ультрачервоне випромінювання, можуть використовуватися електроди в місці розміщення поду печі, щоб внести додаткову енергію і таким шляхом прискорити варіння. Поглинання інфрачервоного випромінювання скломасою дійсно перешкоджає вказаним променям проникати в шари, найбільш близькі до поду. Вище були описані методи варіння або додаткового обігріву, які полягають у створенні полум'я кисневої форсунки, що безпосередньо контактує зі скломасою або шаром непровареної шихти. «Шаром непровареної шихти» називається зона, де скломаса покривається ще не розплавленою порошковою сировиною. Ця зона знаходиться біля живильників, що служать для введення в піч сировини. Порошкова сировина містить також «склобій», тобто бите скло, що повертається в оберт. Зокрема, в заявці WO 82/04246 описаний спосіб, в якому полум'я кисневих форсунок б'є по скломасі, на ділянках, де вона не покрита сировиною. У заявці ЕР 546238 описаний спосіб, в якому полум'я, що створюється кисневою форсункою, входить в контакт з розплавленим склом на границі поділу між непокритим склом і шаром непровареної шихти. У той же час, в заявці ЕР 1077901 кисневий факел створюється в безпосередній близькості від шару непровареної шихти, і виходить з форсунки, розташованої в склепінні, і направлений перпендикулярно поверхні скломаси. Таким чином, кисневий факел з підвищеною адіабатичною температурою дозволяє передати енергію скломасі або шару непровареної шихти одночасно шляхом як випромінювання, так і конвекції, збільшуючи таким чином продуктивність, тобто кількість скла, виробленого за одиницю часу. Однак ці способи мають ряд недоліків, які негативно впливають на якість скла. Спосіб цього типу не може застосовуватися у випадку скла, збагаченого леткими компонентами, такими як лужні оксиди (оксиди натрію, калію або літію) і/або оксид бору, оскільки відбувається суттєве звітрювання, що виявляється значним зменшенням вмісту вказаних компонентів. Таке звітрювання погіршує якість скла, шкодить екології (вимагаючи придбання очисних систем, які дорого коштують), а також стабільності складу скла, а значить, погіршує його фізико-хімічні властивості. Також, виробництво скла з низьким вмістом лужних оксидів пов'язане з проблемами прояснення, викликаними небажаним повторним утворенням пузирів. 5 Нарешті, положення форсунок на рівні склепіння викликає проблеми з окрихчуванням останнього. Задачею винаходу є усунення вищезгаданих недоліків з використанням способу, який дозволяє поліпшити скловаріння, підвищуючи продуктивність без шкоди для якості прояснення. Іншою задачею винаходу є усунення окрихчування склепіння печей. Поставлена задача вирішується способом одержання скла з порошкової сировини в печі, яка містить бічні стінки, склепіння, фронтальну стінку і щонайменше одну повітряну форсунку в сполученні з щонайменше однією форсункою рідкого або газоподібного палива, причому щонайменше одна з вказаних форсунок розміщена в бічних стінках, в склепінні або у фронтальній стінці, причому спосіб включає етапи нагнітання повітря і газоподібного або рідкого палива через форсунки, і утворюваний таким шляхом факел полум'я або кожний факел полум'я формується тільки в безпосередній близькості від зони, де вказана порошкова сировина покриває скломасу. Таким чином, згідно з винаходом повітря використовується як окислювач палива. Під «повітрям» потрібно розуміти повітря, не збагачене киснем, тобто, яке містить близько 20 % кисню на 80 % азоту. Було встановлено, що факел, одержуваний при використанні повітря як окислювача палива, дозволяє одержати поєднання певної кількості несподіваних переваг. Дійсно, виявилося, що такий факел дозволяє обмежити звітрювання летких елементів, ймовірно, через менш високу температуру полум'я. Крім того, спостерігається поліпшення якості прояснення, зокрема, для скла з низьким вмістом лужних металів. Дійсно, звичайно скло даного типу прояснюють за допомогою сульфату натрію, причому оксид сірки SO3 в такому випадку розчинений в скломасі. Однак, скло, збіднене лужними оксидами, має низьку розчинність в цьому компоненті, що викликає небезпеку небажаного повторного утворення пузирів. Таке повторне утворення пузирів, яке знижує якість прояснення, спостерігається на практиці, коли використовується кисневе полум'я, однак пузирі не утворюються у випадку, коли застосовується полум'я, в якому як окислювач палива використовується повітря. Представляється, що джерелом повторного утворення пузирів є високий вміст води, типовий для атмосфери кисневого варіння. Спосіб згідно з винаходом дозволяє також зменшити небезпеку окрихчування склепіння, зокрема тоді (але не тільки), коли форсунки розташовані на рівні бічних стінок або вертикальних опор склепіння. Ця перевага є також результатом зменшення звітрювання летких речовин і різниці атмосфери горіння. Незважаючи на більш низьку адіабатичну температуру полум'я повітряного факела в порівнянні з кисневим факелом, несподівано було встановлено, що заміна окислювача палива не супроводжується яким-небудь суттєвим зниженням продуктивності. 96272 6 Згідно з варіантом здійснення винаходу, основна частина теплової енергії вноситься в скломасу завдяки реалізації вказаного способу. У цьому випадку у винаході використовується особлива піч, призначена для такого способу, яка не має, крім того, повітряних форсунок. Однак, переважний альтернативний варіант, в якому застосовуються форсунки для внесення надлишку енергії («додаткове нагрівання») в піч з щонайменше однією повітряною форсункою, окислювачем палива в якій є повітря, і з щонайменше одним регенератором або рекуперативним теплообмінником. Вибір розстановки форсунок, в склепінні або в місці розміщення бічних стінок або фронтальної стінки, залежить від конфігурації печі, зокрема, коли спосіб включає внесення додаткового нагрівання у вже існуючу піч. Розташування в бічних стінках (вертикальних опорах склепіння) або на рівні фронтальної стінки дозволяє обмежити небезпеку окрихчування склепіння і полегшує також установку у вже працюючу піч, причому температура склепіння набагато вище за температуру конструктивних елементів печі. Доцільно передбачити між віссю факела і горизонтальною віссю кут від 40 до 80°. Доцільно також передбачити вертикальні опори склепіння або фронтальну стінку, верхня частина яких не вертикальна, а нахилена. У рамках даного винаходу можуть передбачатися будь-які типи поєднання форсунок. Нагнітання повітря і газоподібного або рідкого палива, такого як природний газ або мазут, може також здійснюватися через форсунку, яка містить щонайменше одну внутрішню трубку, по суті циліндричну, для палива і зовнішню трубку для повітря, концентричну з внутрішньою трубкою. Однак, коли паливо впорскується через єдину внутрішню трубку, не можна незалежно регулювати витрати і швидкості газів. Тому переважно, щоб паливо, коли воно є газоподібним, нагніталося при двох різних тисках, через дві внутрішні концентричні трубки. Можуть також застосовуватися окремі форсунки, причому пальне і окислювальне повітря вводяться з різних місць печі, таких як склепіння, фронтальна стінка або бічні стінки. У цьому випадку два розміщення форсунок регулюються таким чином, щоб вказані струмені - повітряний струмінь і струмінь палива, зустрічалися в безпосередній близькості від шару непровареної шихти, тобто зони, де порошкова сировина зустрічається зі скломасою, створюючи факел полум'я точно в цьому місці, тобто в центрі горіння. Таким чином, повітря може нагнітатися через форсунку, розташовану в склепінні печі, а паливо нагнітатися через форсунку, розташовану на рівні бічних стінок печі, або навпаки. Можливо також, щоб повітряна форсунка поєднувалася з декількома паливними форсунками, або навпаки. У будь-якому випадку переважно, щоб полум'я створювалося тільки в безпосередній близькості від зони, де вказана порошкова сировина покриває скломасу (шар непровареної шихти), що дозволяє уникнути будь-якого перегріву склепіння або стінок 7 печі, доводячи до максимуму теплоперенесення до сировини. Переважно також таким чином регулювати полум'я, щоб воно розповсюджувалося на шар непровареної шихти, покриваючи велику частину вказаного шару шихти. Під безпосередньою близькістю треба розуміти, що полум'я, яке направляється від верхньої частини печі до шару непровареної шихти, утворюється в зоні, розташованій безпосередньо над шаром шихти; таким чином, енергія, що створюється полум'ям, передається сировині з високим ККД, в основному конвекцією. Було виявлено, що оптимальне перенесення тепла до сировини відбувається, коли питомий імпульс комбінації форсунок складає від 2 до 4 н/МВт, зокрема від 2,6 до 3,2 н/МВт. У контексті даного винаходу питомий імпульс визначається як сума імпульсів (кількості руху) повітря і палива, віднесена до сумарної потужності форсунок. У такому випадку одержують оптимальне теплоперенесення, відмінне полум'ям, яке утворюється тільки в безпосередній близькості від шару непровареної шихти (безпосередньо над ним). Течія палива і повітря на виході з форсунок звичайно не є ламінарною, в тому значенні, що число Рейнольдса (Re) перевищує 2000. Незважаючи на це, там, де питомий імпульс був встановлений належним чином, ніякої реактивної суміші цих двох струменів не спостерігалося. Переважно формувати додаткові місця введення повітря для проведення ступеневого горіння. Переважно також, для додаткового поліпшення перенесення тепла до сировини попередньо нагрівати повітря, яке використовується як окислювач пального, перед його введенням в піч, до температури щонайменше 500 °C. Переважно також, щоб витрата палива скла3 -1 дала від 50 до 300 Нм ч , а потужність кожної комбінації форсунок складала від 0,5 до 3 МВт. Газоподібне або рідке паливо і повітря можуть вводитися в стехіометричних співвідношеннях. Проте, в певних випадках можуть бути переважні інші умови, такі як підстехіометричні, тобто відновні умови (нестача повітря). Це, наприклад, відповідає випадку, коли потрібні стекла, які мають підвищений окисно-відновний баланс (вище 0,3, навіть 0,5), причому окисно-відновний баланс визначається як кількість заліза, присутня в склі у відновленому вигляді (двовалентне залізо), віднесена до повної кількості заліза. Як вказувалося вище, спосіб згідно з винаходом дає максимальні переваги для одержання скла, яке містить леткі речовини, такі як лужні оксиди або оксид бору. Так, спосіб згідно з винаходом переважно застосовується для одержання скла, до хімічного складу якого входить більше 3 %, навіть 4 % по масі оксиду бору і/або більше 12 %, навіть 15 % лужних оксидів. Таким чином, спосіб згідно з винаходом призначений для одержання скловолокон для тепло- і звукоізоляції, до складу яких входять наступні компоненти у визначених нижче межах, виражених у вагових процентах: SiO2 45-75 Аl2О3 0-10 96272 8 СаО 0-15 MgO 0-15 Na2O 12-20 K2О 0-10 B2O3 3-10 Fe2O3 0-5 Р2О5 0-3. Спосіб згідно з винаходом особливо актуальний для одержання скла з низьким вмістом лужних оксидів, зокрема для скла, що містить менше 2 мас. % лужних оксидів, навіть менше 1 % або 0,5 %. Прикладом таких стекол є стекла, що застосовуються як підкладки РК-екранів (рідкокристалічних екранів), стекла, до складу яких входять наступні компоненти у визначених нижче межах, виражених у вагових процентах: SiO2 58-76 % В2О3 3-18 %, зокрема 5-16 % Аl2О3 4-22 % MgO 0-8 % СаО 1-12 % SrO 0-5 % ВаО 0-3 %. Дійсно, ці стекла об'єднують наявність оксиду бору і незначних часток лужних оксидів, що робить спосіб згідно з винаходом особливо ефективним для їх одержання. Ще одним об'єктом винаходу є спосіб одержання скла з порошкової сировини в печі, яка містить бічні стінки, фронтальну стінку і щонайменше одну форсунку, розташовану у вказаних бічних стінках або у вказаній фронтальній стінці, причому спосіб включає етапи нагнітання пального і газоподібного або рідкого палива через щонайменше одну форсунку або в комбінації з нею, причому факел полум'я створюють в безпосередній близькості від зони, де вказана порошкова сировина покриває скломасу. Розташування форсунки, незалежно від того, чи є вона кисневою або повітряною, на рівні бічних стінок і/або фронтальної стінки, забезпечує зниження небезпеки пошкодження склепіння. Винахід буде більш очевидним з необмежувальних прикладів його здійснення, що наводяться з посиланнями на прикладені креслення, в числі яких: Фіг. 1 і 2 схематично ілюструють подовжній переріз печі, яка служить для здійснення способу згідно з винаходом; Фіг. 3 зображує криву, яка одержана експериментально і описує виявлену залежність між потужністю, переданою сировині, і питомим імпульсом; Фіг. 4 - фотографія, одержана в процесі проведення експериментів з форсунками. На фіг. 1 проілюстрований приклад виконання, згідно з яким форсунка знаходиться в склепінні, тоді як у варіанті, показаному на фіг. 2, форсунка розміщена у фронтальній стінці. У обох випадках піч, виконана з вогнетривких матеріалів, містить під 1, фронтальну стінку 2 і склепіння 3. Повітряні форсунки 4 розміщені в конфігурації, званій «з поперечними форсунками», тобто в бічних стінках 5 або у вертикальних опорах склепіння. Схематично показані чотири повітряні 9 форсунки 4, працюючі на повітрі, чотири інші форсунки (не показані) розташовані навпроти, в іншій бічній стінці. Як правило, промислові печі цього типу містять від 6 до 8 пар повітряних форсунок. У нормальному режимі роботи одночасно працюють тільки форсунки з однієї стінки, причому гази, що виділяються при горінні, нагрівають укладку вогнетривів, розташованих в регенераторах протилежної стінки. Після приблизно 20-хвилинного циклу ці форсунки перестають діяти, і запускаються форсунки з протилежної стінки, причому повітря, що служить окислювачем палива, попередньо розігрівається, циркулюючи в укладках вогнетривів регенераторів. Полум'я цих повітряних форсунок 4 створюється паралельно поверхні 7 скломаси 6. Порошкова сировина вводиться через живильник (не показаний) і утворює шар непровареної шихти 8 на поверхні скломаси 6. На фіг. 1 показана комбінація форсунок з форсункою 9, розміщеною в склепінні. Ця форсунка 9 має два концентричних циліндри, причому внутрішній циліндр призначений для нагнітання палива, в цьому випадку природного газу або метану (СН4), а зовнішній циліндр призначений для нагнітання повітря. Два потоки течуть неламінарно в зону 10 по суті перпендикулярно поверхні 7 скломаси 6, потім реагують в контакті з шаром непровареної шихти 8 з утворенням факела полум'я 11, що утворюється через реакцію горіння між повітрям і природним газом. На фіг. 2 форсунка розташована на рівні фронтальної стінки 2, утворюючи з горизонтальною віссю кут приблизно в 45°. Полум'я 14 створюється в безпосередній близькості від шару непровареної шихти 8. Полум'я 11 дозволяє прискорити процес розплавлення шляхом різних ефектів. Очевидно, що найбільша ефективність теплоперенесення до шару непровареної шихти сприяє цьому підви 96272 10 щенню швидкості плавлення. Імпульс полум'я 11 змінює, крім того, конвекційні потоки в скломасі 6 і примушує порошкову сировину проникати в скломасу 6, що підвищує швидкість її розплавлення і розчинення. За відсутності форсунок, які створюють горіння поблизу шару непровареної шихти, шихта довше утримується на поверхні, не реагуючи, і, крім того, вона закриває більш суттєву зону скломаси 6, знижуючи перенесення тепла від повітряних форсунок до скломаси. У непоказаному варіанті форсунка знаходиться у вертикальній опорі 5, зокрема у верхній частині, утворюючи кут, який підбирається так, щоб полум'я 11 створювалося в безпосередній близькості від шару непровареної шихти. На фіг. 3 показана крива, яка описує співвідношення між потужністю, переданою сировині, і питомим імпульсом. Це співвідношення спостерігалося в ході дослідів, проведених з форсунками, поміщеними в склепіння печі. Під час цих дослідів питомий імпульс форсунки встановлювався шляхом зміни швидкості нагнітання. Питомий імпульс форсунки показаний абсцисою, а вісь ординат відповідає потужності, переданій сировині (в довільних одиницях, максимальній потужності відповідає значення 100 %). Ця крива показує, що значення питомого імпульсу приблизно в 3 н/МВт відповідає максимальній потужності, переданій шару непровареної шихти, тобто у випадку, коли полум'я створюється тільки в безпосередній близькості від шару шихти. На фіг. 4 показаний якраз випадок, коли питомий імпульс форсунки дорівнює 3 н/МВт. На фотографії можна розрізнити шар непровареної шихти і носик форсунки, розташованої в склепінні. Полум'я створюється тільки в безпосередній близькості від шару шихти і розповсюджується по вказаному шару, передаючи конвекцією більшу частину своєї потужності. 11 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 96272 Підписне 12 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601