浅谈全电玻璃熔炉电气控制分析

浅谈全电玻璃熔炉电气控制玻璃电熔技术是目前国际上最先进的熔制工艺，是玻璃生产企业提高产品质量，降低能耗，从根本上消除环境污染的十分有效的途径。

对于15t/d 以下的小型玻璃熔窑来说，在电力充足和电价适中的地区，用电熔工艺来生产各类玻璃制品尤其是高质量的玻璃器皿的综合经济效益是很理想的；在电价较高的地区，对于彩色玻璃、乳浊玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅玻璃、无铅水晶玻璃、高挥发组分玻璃或特种玻璃生产也是合算的。

1、全电熔玻璃熔炉的优点：电熔方法有许多突出的优点，热效率可以高达80%～85%，节省能源，没有污染，消除公害，改善劳动条件。

熔制出的玻璃液成分均匀，产品质量高。

生产过程便于实现自动化操作。

因此，在国外玻璃电熔得到迅速的推广。

尤其是日益重视对环境污染的控制。

从这方面来讲，电熔工艺具有相当重要的意义。

玻璃电熔与传统的火焰加热熔融炉相比有着很大的优势。

由于利用玻璃液直接作为焦耳热效应的导电体，所以玻璃电熔化的热效率远高于火焰熔融炉。

日出料量60t以上的玻璃电熔窑的热效率大于80%。

另外，电熔窑的炉型结构简单，占地面积小，控制平稳且易操作，并减少了原料中某些昂贵氧化物的飞散与挥发，降低噪声和改善环境污染，稳定熔化工艺和提高产品质量等，这些都是燃料炉难以比拟的。

玻璃在高温时是一种电导体。

熔融玻璃液含有碱金属钠、钾离子，它具有导电性能。

当电流通过时，会产生焦耳热，若热量足够大，则可以用来熔化玻璃，这就是玻璃电熔，其内容是利用电流通过玻璃配合料产生的热来熔化玻璃。

随着熔窑设计和电极的不断改进和发展，这种电熔方法得到广泛应用。

现在广泛采用金属钼和氧化锡作为电极，成功地实现了玻璃的全电熔。

2、熔融玻璃的电导率玻璃电熔是将电流通过电极引入玻璃液中，通电后两电极间的玻璃液在交流电的作用下产生焦耳热，从而达到熔化和调温的目的。

玻璃液之所以具有导电性，主要是因为电荷通过离子发生迁移。

硅酸盐玻璃具有一个远程无序的网络结构，除了共价键结合的硅和氧原子外，网络结构还包含玻璃改良剂离子，它们是相对自由的，特别是碱金属离子。

在玻璃网状结构中结合能力最弱的也是碱金属离子，它们是电流的载体。

在石英玻璃和硼硅酸盐玻璃中，只含有少量的碱金属离子，则导电性较差。

在钠钙玻璃、钾钡玻璃中除了离子数量外，离子的强度和离子的半径也影响玻璃液的导电性。

要了解玻璃电熔中的许多现象，必须熟知熔融玻璃的性质，主要是指玻璃熔体的电导率或电阻率、粘度等。

熔体的电导率是玻璃电熔化电气系统设计的重要依据。

玻璃液的粘度，它不仅是玻璃熔化的最基本参数，而且也是熔炉模拟技术中选择模拟液的重要依据。

在室温下玻璃是电的绝缘体，电导率约为10-13～10-15Ω-1cm-1，当玻璃被加热时，其导电性能随温度升高而明显增强。

熔融状态下的玻璃电导率约在0.1～1.0Ω-1cm-1，完全变成了导电体，用作焦耳效应的发热体是足够的。

电熔化能用来熔化几乎所有品种的玻璃以及某些呈现高阻值的硅酸盐材料。

各种玻璃的电导率随其成分不同可有很大差别，对同一种玻璃，电导率则是温度的函数。

3、电极的使用：在电熔炉的使用过程中，电极的选择或使用至关重要，在我公司电熔炉生产实践中，在钠钙玻璃熔化池中，按钼电极使用，电极间的平均温度一般为1350℃～1400℃。

料道电加热中，约在1050℃～1200℃。

对于硬质硼硅玻璃，则熔化池电极平均温度约为1400℃～1550℃，电热料道约在1200℃～1400℃。

电熔窑利用混合碱效应来降低电流密度，延长电极寿命。

适当调整配合料中碱金属氧化物的含量及种类，在电熔窑输入功率不变的条件下，降低电极的电流密度，同时减少玻璃中纯碱用量，提高了玻璃质量。

电极受到了高温、化学及电化学反应诸因素综合作用而腐蚀，尤其以电化学为甚，故选择合适的电流密度可以减缓电极腐蚀速率。

相反电流密度过大时，电极消耗量增大，而且还会造成玻璃液污染、气泡增多等不良问题。

采用双碱效应来增加玻璃液的电阻率，降低电极使用电流密度，延长电极使用寿命。

就电熔窑而言，增加产量，需增加输入功率。

若提高电极电流，会增加电极腐蚀速率，也不利于电极负荷的三相平衡，并有可能造成控制仪表处在正常运行范围之外，从而影响生产。

4、电极电流的控制(1)当电极间电压不调整时，温度高会使电阻小，电阻小使电流增大，功率亦随之增大，温度会更高；当反向变化时，又会使功率变小，温度愈来愈低。

从而造成玻璃温度不均衡，影响玻璃液的质量。

(2)当在熔化池中使用多对电极并联时，这种负电阻特性会使热区的电极对之间的电流愈来愈大，而较冷区的电极对之间的电流愈来愈小，不但影响工艺制度的稳定，还可能使重负荷电极过早损坏，造成的电极损坏程度不一。

因此应采用电极对单独进行调节，以减小温度的不均匀，提高料液的质量。

因此，一般电熔化的输电设备都配有恒流控制或恒功率控制。

在某些情况下也有使用开环控制的，例如，电助熔炉中，当电能的使用远小于燃料能时就是这样。

在料道和人工挑料口中，存在着热玻璃的补偿和散热条件好的因素，当工艺要求不高时，亦可使用开环控制。

5、电极的保护在钼电极的启动作用中，可用低转变点玻璃粉进行保护。

例如，熔化池如果使用棒电极，烤炉前需用低转变点玻璃(即低熔点玻璃)粉把电极在炉内的部分盖起来。

钼电极的剧烈氧化点是650℃，只要所盖的玻璃粉的低转变点低于这个温度，就可起到保护作用。

在某些电熔窑中，当流液洞出现堵塞时，只要此处玻璃温度在转变点附近，就可以在流液洞两侧的电极上加一较高电压使其融通，但若其温度过低时，用电来融通玻璃就要困难得多。

玻璃的成形温度较宽。

在生产中同一条料道生产不同形状、不同重量产品时，料滴的温度是不一样的。

所以在设计电加热料道时，应注意不同温度下电极输电的阻抗匹配问题。

此外，在高粘度玻璃电熔化中，还要注意耐火材料对玻璃液流动的粘滞作用和电极对玻璃液运动的阻挡作用。

在料道的无水冷电极中，如果用沿间隙外流的玻璃液来保护电极，则更应注意玻璃的粘度和可能沿玻璃外流的长度。

6、电极的选择原则电熔窑的发展与合适的电极材料的开发和发展有很大的关系。

对电极材料提出的要求如下：①在不考虑氧气分压和电流负载的情况下，能承受的温度为1700℃。

②至少在800℃时不会被空气氧化。

③具有与金属相当的电导率。

④在1700℃以下具有足够的机械强度。

⑤具有足够的耐急冷急热性。

⑥与玻璃液润湿性能好。

⑦不污染玻璃，在各种介质中结构稳定。

⑧耐玻璃液的冲刷、侵蚀作用强。

⑨本身含杂质很少，不与耐火材料起作用，使用寿命长。

⑩膨胀系数低。

(11)与玻璃接触电阻率低。

(12）价格便宜，符合上述所有要求的电极材料目前尚未找到。

因而，不得不降低要求，根据应用场合和在这些应用场合中存在的技术和经济条件，选择不同的电极材料。

电熔电极材料的研究，在玻璃电熔工艺研究中是非常重要的课题。

目前可供选择的电极材料主要有氧化锡和钼。

最普通的电极材料是纯钼，时常做成直径为30～100mm的棒状；氧化锡电极属于陶瓷材料，加工制造困难，成本偏高，主要用于铅玻璃的熔制、工作池或某些特殊玻璃熔制中，氧化锡电极优点主要是在熔化铅玻璃时不能产生化学反应。

就导电能力而言，钼和氧化锡两者的差别很大，钼的电流负载通常为2A/cm2，氧化锡的电流负载则不应超过0.3A/cm2。

使用时一般都通水冷却电极。

钼电极适用范围广，除了铅玻璃以外，基本上能满足用于熔化大多数玻璃，如难熔玻璃、粘度大的玻璃、挥发组分高的玻璃等，钼对其它玻璃组分都是稳定的。

目前，在玻璃熔化过程中钼电极发挥着巨大的作用，广泛地用来改进窑炉设计和改善玻璃质量。

钼电极的开发和利用，使玻璃工业的第二能源利用起了很大作用。

7、钼电极的安装形式在使用中有三种基本类型：侧墙插入型、池底插入型、顶部插入型。

不论电极电流方向如何，80%的能量都释放在相当10倍电极直径的范围内，在能量如此集中的情况下，正确选择电极布置方式就显得相当重要。

最理想的电极布置，应保证电极对玻璃液流影响最小，能量在玻璃液中均匀分配。

电极布置与电流密度分布、热量输出、玻璃液流有关，对玻璃液的质量、电极的侵蚀和使用寿命有影响。

电极布置还应考虑耐火材料质量与安装维修条件。

侧墙插入型安装：在玻璃的电熔窑上水平棒状电极是最普通的布置方式之一。

电极或电极组相对布置，电流密度呈层状分布。

电极所释放的热量在电熔窑内分布均匀，但在宽的窑池内差一些。

水平布置的电极会受到弯曲应力的作用，尤其是密度大的钼电极在高温时，会向下弯曲，会有折断的危险，特殊情况下，应安装垂直电极。

同时每隔一定的时间将电极旋转180°。

水平布置的电极，在电极上侧范围内，会形成一个强大的玻璃液流，造成电极砖呈现盆状侵蚀，严重时会造成电极砖穿孔。

水平电极的优点是易安装，监视运行方便，漏料风险较垂直电极小。

对低阻玻璃而言，在电气参数上能较好地平衡，在电极保护上允许使用开式水套。

其缺点是，由于水平电极多为端—端导电方式，电极头部因电流密度较大 (可高达3A/cm2以上)而损耗较快，所以必须定期续进，加大了操作强度和运行成本。

如果在高阻玻璃中使用端—端导电的水平电极，则施加电压可能高达300V 以上。

因此，熔化池的绝缘处置应格外小心。

此外，从工艺角度看，水平电极对热点的强制稳定以及对玻璃的搅拌和均化作用都不如垂直电极。

池底插入型安装：当垂直安装电极时，电流从一根电极棒流向另一根电极棒，棒的顶部至棒的根部，电流流过的量总是相等。

因此，在玻璃液中产生一种几乎是均匀的电流密度分布。

所以，电极的侵蚀很少且较均匀。

垂直电极利用其侧面导电，导电面积大，表面负荷低，电极损耗缓慢，当电流密度小于0.6A/cm2时，有可能做到全炉龄不续进；当电流密度在1A/cm2时，续进是不可避免的，但周期要明显长于端—端导电的电极。

为防止局部过热，一对垂直电极的间距一般不小于2m。

由于在电极附近造成很强的对流，能加强玻璃的熔化和混合，对池壁砖侵蚀较轻，为此，在电助熔窑上得到了广泛的应用，它使热量集中在窑池深度方向上。

垂直电极的优点是：导电长度大，成功运行的电极几乎不用维修，使用效率高。

电极在炉内的合理配置和功率匹配，能大大提高熔化质量和出料量。

对大型炉和高阻玻璃有良好的适应性，电极一旦断裂可续进补充。

电极垂直安装的主要缺点是：当防氧化措施不当时，电极容易损坏且更换电极很困难。

若池底侵蚀严重时，会有穿透漏料的危险，应加强防护措施，另外底插电极由于高温区在池底，使料液澄清时间变短，容易出现气泡影响料液质量。

正因为如此，在全电熔窑上采用垂直安装电极较少，而在电助熔窑中得到广泛地应用，但在垂直安装的基础上改变窑炉结构，在电极对的中部向下凹下500mm，增加澄清时间提高料液质量。

顶插型电极的安装：电极从侧墙沿一定的倾角伸入窑内，可任意改变位置和倾角。