全氧燃燒玻璃窯用新型耐火材料技術(shù)

      全氧燃燒技術(shù)是提高玻璃熔窯水平的有效手段之一。全氧燃燒具有降低NOx和粉塵排放、節(jié)約能耗、提高玻璃產(chǎn)量和質(zhì)量及減少環(huán)保投資等優(yōu)點(diǎn)，全氧燃燒技術(shù)是玻璃熔化技術(shù)的新革命。在我國能源供應(yīng)十分緊張和環(huán)境負(fù)荷特別大的背景下，推廣使用全氧燃燒技術(shù)具有十分重要的意義。
    
    采用全氧燃燒后，玻璃窯內(nèi)水蒸氣含量高達(dá)42%~53%，堿揮發(fā)物的體積濃度猛增至3～6倍，致使耐火材料被嚴(yán)重侵蝕。為減少窯襯材料的侵蝕、提高玻璃質(zhì)量和延長窯爐使用壽命，全氧燃燒玻璃熔窯需要大量使用熔鑄α-βAl2O3磚、高純致密硅磚、優(yōu)質(zhì)熔鑄AZS磚、熔融再結(jié)合鎂鋁尖晶石磚等新型優(yōu)質(zhì)耐火材料。
    
    為發(fā)展全氧燃燒技術(shù)，國家“十一五”科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目“綠色制造工藝與裝備”設(shè)立了“玻璃熔窯全氧燃燒技術(shù)”課題。瑞泰科技股份有限公司承擔(dān)有關(guān)耐火材料的研究，通過3年攻關(guān)，解決了一系列技術(shù)難題，大幅改進(jìn)了熔鑄α-βAl2O3磚的性能，成功研究了高純致密硅磚、低玻璃相熔鑄AZS和熔融再結(jié)合高純鎂鋁尖晶石磚等新型優(yōu)質(zhì)耐火材料，并成功用于生產(chǎn)實(shí)踐。

    全氧燃燒熔制玻璃技術(shù)優(yōu)點(diǎn)
    全氧燃燒窯是一種用氧氣作為助燃?xì)怏w的窯爐，其特點(diǎn)在于燃燒氣體停留時(shí)間長，火焰、窯溫和窯壓穩(wěn)定，有利于玻璃熔化和澄清。

    玻璃熔化質(zhì)量好。采用全氧燃燒后，窯內(nèi)排出的煙氣組分中，水汽含量高達(dá)42%～53%，玻璃液中OH-含量的增加將降低玻璃液黏度，有利于玻璃熔化與澄清。

    節(jié)能降耗。全氧燃燒時(shí)廢氣帶走的熱量和窯體散熱同時(shí)下降。研究和實(shí)踐表明，熔制普通鈉鈣平板玻璃可節(jié)能30%以上。

    改善燃燒。燃料燃燒完全，火焰黑度增幅大、溫度高，配合料熔融速度加快，熔化率提高10%以上。

    熔窯建設(shè)費(fèi)用低。窯體結(jié)構(gòu)近似于單元窯，無小爐、蓄熱室，窯體呈一個(gè)熔化部單體結(jié)構(gòu)，占地小，建窯投資費(fèi)用低。
    
    熔窯使用壽命長。全氧燃燒可使火焰分為兩個(gè)區(qū)域，在火焰下部由于全氧的噴入，使火焰下部溫度提高，而火焰上部的溫度略低，可避免熔窯碹頂溫度升高，減輕大碹燒損。同時(shí)，火焰空間使用了優(yōu)質(zhì)高檔耐火材料，窯齡可提高到10年以上。
    
    減少NOx排放，生產(chǎn)成本總體下降。全氧燃燒時(shí)熔窯廢氣中NOx排放量從蓄熱式窯1550~2200mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀況）降低到全氧窯500mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀況）以下，同時(shí)粉塵排放減少約80%，SO2排放量減少30%，極大地減少有害物的排放。

    全氧燃燒玻璃窯耐火材料的使用要求
    
    全氧玻璃窯中的化學(xué)侵蝕。由于實(shí)施全氧技術(shù)，窯爐中N2的濃度大幅減少，水蒸氣和揮發(fā)性組分濃度大幅提高。顯著增加的高堿性組分在玻璃配合料表面、玻璃液表面、窯氣中和耐火材料表面將發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，揮發(fā)出的R2O或ROH將嚴(yán)重侵蝕耐火材料中所有含有SiO2的物質(zhì)，使窯襯很快發(fā)生損壞。
    
    更高純度的硅質(zhì)耐火材料。硅磚因高抗蠕變性、低導(dǎo)熱、低比重、低價(jià)格和低污染玻璃的特性被用于傳統(tǒng)玻璃窯。在全氧玻璃窯中，硅磚的壽命大幅縮短，成為窯爐中最為薄弱的環(huán)節(jié)。但是，很多使用者和研究者還是希望能夠使用硅磚。一方面，可以在侵蝕不十分嚴(yán)重的區(qū)段使用硅磚；另一方面，硅磚的質(zhì)量也有大幅改善的余地。
    
    如果提高硅磚的純度，降低硅磚顯氣孔率及熱膨脹率，可大幅改善硅磚的抵抗堿蒸汽侵蝕的能力。據(jù)報(bào)道，150噸/日全氧燃燒玻璃窯上，采用CaO含量0.8%，顯氣孔率18％的低鈣、低氣孔硅磚作為熔化部大碹，使用3年半后，大碹還相當(dāng)平整，沒有鼠洞，也沒有明顯的侵蝕現(xiàn)象。所以，可以在全氧玻璃熔窯使用改性高純硅磚。
    
    更低玻璃相的熔鑄AZS耐火材料。熔鑄AZS耐火材料的蝕損過程為：磚中玻璃相的滲出；磚中的玻璃相逐漸被池窯玻璃取代；α-βAl2O3轉(zhuǎn)化成α-βAl2O3；剛玉消耗完畢，耐火材料解體，殘余斜鋯石以結(jié)石的形式進(jìn)入池窯玻璃。由于高的堿蒸汽濃度，熔鑄AZS材料受到更強(qiáng)的侵蝕。所以，全氧燃燒窯中要酌情減少普通熔鑄鋯剛玉耐火材料的用量，并使用更低玻璃相的熔鑄鋯剛玉耐火材料。
    
    晶相結(jié)構(gòu)更佳的熔鑄α-βAl2O3耐火材料。熔鑄α－βAl2O3耐火材料具有理想的巖相結(jié)構(gòu)，約含45％的α－Al2O3和55％的β－Al2O3相，雜質(zhì)相約為1％，氣孔率約2％。由于幾乎不含有硅酸鹽相，結(jié)構(gòu)中含有被堿飽和的β－Al2O3相，且β－Al2O3與α－Al2O3交錯(cuò)生長形成致密的結(jié)構(gòu)，極佳的晶相結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的抗堿蒸汽侵蝕和幾乎不污染玻璃優(yōu)異性能，成為全氧燃燒玻璃熔窯的首選主體材料之一。因此，全氧燃燒玻璃窯中推薦擴(kuò)大熔鑄α-βAl2O3耐火材料的用量。
    
    熔融再結(jié)合鎂鋁尖晶石材料。熔融再結(jié)合鎂鋁尖晶石材料由高純電熔鎂鋁尖晶石砂經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制成，具有較好的抗侵蝕性和抗蠕變性，該材料已經(jīng)開始在全氧燃燒玻璃窯中試用。

    全氧玻璃窯用新型耐火材料
    
    低玻璃相滲出熔鑄AZS。瑞泰科技股份有限公司投入巨資，先后研制成功一系列熔鑄耐火材料專用先進(jìn)裝備，大幅提高了熔鑄耐火材料的生產(chǎn)水平，奠定了制造優(yōu)質(zhì)熔鑄耐火材料的物質(zhì)基礎(chǔ)。
    
    首先，瑞泰科技建造的熔鑄耐火材料專用程控電弧爐，用程控取代手控，提高了控制精度，穩(wěn)定了熔煉過程；制訂更加合理的熔化制度，取得了節(jié)省熔煉電耗和提高產(chǎn)品質(zhì)量的效果。
    
    其次，瑞泰科技研制了熔鑄電弧爐專用收塵系統(tǒng)，通過改變氧化法熔煉的通風(fēng)、排氣、收塵，減少了物料損失，改善了熔煉作業(yè)環(huán)境，提高了料液化學(xué)成分的穩(wěn)定性，對(duì)提高合格率、改善產(chǎn)品質(zhì)量起到了重要作用。
    
    再次，瑞泰科技研制了樹脂結(jié)合型砂，將型砂軟化溫度從約1000℃提高到近1700℃。一方面，大大減少了黏砂、鼓肚缺陷；另一方面擴(kuò)大了冷卻速度范圍，通過采取加強(qiáng)保溫，降低溫差等措施減少了熱應(yīng)力和鑄件開裂。通過采取這些措施，瑞泰科技生產(chǎn)的熔鑄AZS的質(zhì)量和穩(wěn)定性得到顯著提高，并大大降低了磚材加工量，從而生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)熔鑄鋯剛玉耐火材料。
    
    優(yōu)質(zhì)熔鑄α－βAl2O3耐火材料。瑞泰科技長期致力于提高和改善熔鑄α－βAl2O3耐火材料質(zhì)量的研究，攻克了大規(guī)模制造α－βAl2O3耐火材料的技術(shù)難題，能夠制造出外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多種尺寸規(guī)格、結(jié)晶均勻致密的高檔熔鑄α-βAl2O3耐火材料，理化性能見表1。
   
    高純、低氣孔硅磚。瑞泰科技通過采用特殊化學(xué)外加劑，大幅降低了礦化劑的用量，通過使用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，快速實(shí)現(xiàn)了全局優(yōu)化，研制出了低氣孔率、低真比重、低殘余石英、高強(qiáng)度的高純硅磚，理化性能見表2。
     
    熔融再結(jié)合鎂鋁尖晶石磚。瑞泰科技通過調(diào)整級(jí)配、適量添加添加劑等措施，研制出具有優(yōu)異的抗堿侵蝕性、抗熱震性，適用于全氧、富氧玻璃窯爐的再結(jié)合鎂鋁尖晶石磚。
    
    國產(chǎn)耐火材料在全氧玻璃熔窯的應(yīng)用。2006年，河北石家莊寶石電子集團(tuán)公司玻管廠的35m2全氧燃燒窯開始選用瑞泰科技生產(chǎn)的熔鑄AZS和α-βAl2O3耐火材料，獲得了良好的使用效果。經(jīng)過多年的試用，瑞泰科技的產(chǎn)品達(dá)到了與進(jìn)口產(chǎn)品類似的效果，可以滿足全氧燃燒玻璃熔窯的需要。

    方興科技500噸/日全氧燃燒玻璃窯大量采用了國產(chǎn)耐火材料。該生產(chǎn)線2011年1月23日投產(chǎn)，目前達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)，運(yùn)行狀況良好。
    
    大明玻璃等一大批企業(yè)已投資建設(shè)全氧燃燒玻璃熔窯，關(guān)鍵部位的熔鑄AZS和熔鑄α-βAl2O3耐火材料采用瑞泰科技的產(chǎn)品。特別是大明玻璃公司的全氧燃燒熔化部12m跨度的碹頂，就采用了瑞泰科技的熔鑄α-βAl2O3耐火材料。在建的湖南普照科技發(fā)展有限公司、江蘇宜興晶元公司等大量的全氧燃燒玻璃熔窯同樣采用了瑞泰科技熔鑄材料。

    耐火材料性能價(jià)格對(duì)比
    
    耐火材料的性能比較。多年來，國內(nèi)外對(duì)全氧燃燒玻璃熔窯中耐火材料的選擇作了大量研究。硅磚的主要特點(diǎn)是污染玻璃的可能性比較低，但抗侵蝕性最差。熔鑄AZS磚的抗侵蝕性優(yōu)良，但污染玻璃的可能性較高。熔融再結(jié)合尖晶石磚的抗侵蝕性優(yōu)良，污染玻璃的趨勢(shì)也較低，但抗熱震性不夠理想。進(jìn)口尖晶石磚的價(jià)格很高，使用率較低。熔鑄α-βAl2O3磚的抗侵蝕性能最好，產(chǎn)生缺陷的趨勢(shì)低，性價(jià)比高，使用最為成熟，在全氧燃燒玻璃熔窯上用于上部結(jié)構(gòu)可以連續(xù)使用2個(gè)窯期以上，是目前重點(diǎn)推介的材料。

    耐火材料的價(jià)格比較。硅磚的價(jià)格最低，依次是再結(jié)合鎂鋁尖晶石磚、熔鑄AZS、熔鑄α-βAl2O3。

    目前，國產(chǎn)耐火材料在國內(nèi)和國外市場(chǎng)上價(jià)格方面具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。例如，200噸/日日用玻璃窯使用進(jìn)口耐火材料和國產(chǎn)耐火材料的價(jià)格對(duì)比見表3。  

    對(duì)于800噸/日浮法玻璃窯節(jié)省資金高達(dá)3000萬元以上。這對(duì)于玻璃企業(yè)是一個(gè)相當(dāng)可觀的數(shù)字。因此，國產(chǎn)耐火材料相對(duì)進(jìn)口耐火材料在價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)是不言而喻的。
    
    中國制造耐火材料已有相當(dāng)?shù)膰H競爭力。一方面，中國制造耐火材料在性價(jià)比方面優(yōu)勢(shì)明顯；另一方面，中國制造耐火材料在質(zhì)量方面也在不斷提高。由于采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、優(yōu)化工藝技術(shù)能夠高效、快速地開發(fā)新產(chǎn)品或改進(jìn)已有產(chǎn)品，通過更新裝備，采用先進(jìn)管理，不斷提高制造水平，國產(chǎn)耐火材料和進(jìn)口耐火材料的質(zhì)量差別將越來越小，中國制造耐火材料的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)將越來越大。毋庸置疑，中國制造的耐火材料將具有光輝燦爛的未來！