玻璃熔窑蓄热室耐火材料的选择

0引言

现代大型玻璃熔窑，如浮法玻璃熔窑，目前都使用蓄热室来回收热量，它是周期性换向工况不稳定的热交换装置。蓄热室的三大优点:废气和空气之间无需气密性分隔;空气的预热温度很高(1100～1300℃);从废气中回收的热量相当高，回收热量高的可以高达60%～70%。蓄热室性能的优劣很大程度上取决于耐火材料的选择及其砌筑是否合理、匹配是否得当，它对玻璃质量、能源消耗、熔窑寿命和产品成本起着重要的作用，必须重视蓄热室耐火材料的选材及配置。

1 蓄热室的温度和环境条件

当蓄热室结构与操作参数中的格子体总高H和上、下部温度t1、t0确定之后(见图1)，可按以下公式估算出任一层面处的烟气温度ti，以此作为耐火材料选择的依据之一。

蓄热室的环境特征如表1所示，因此，蓄热室耐火材料的选择应满足以下使用条件：

(1)温度循环变化;

(2)氧化∕还原效应;

(3)固体飞料侵蚀;

(4)挥发性飞料和凝聚物的作用。

对于格子体耐火材料还需具备良好的热交换值，以满足格子体热效率的需要。

2 耐火材料的合理选择

2.1格子体上层

蓄热室内每米温降一般在80～100℃，格子体顶部温度最高达到1380～1400℃。在1300℃以上温度的格子体上层，宜选用直接结合高纯镁砖，该砖采用高纯电熔砂高温烧成(1780～1800℃)，CaO、SiO2和Fe2O3含量低，方镁石直接结合，气相、液相难以进入砖内，砖体抗侵蚀性强可减少表面粘结粉料发生封顶现象。

由于飞料中的SiO2会逐渐进入砖体龟裂缝中并改变基质部分CaO/SiO2比值，形成低熔相透辉石CMS2、镁方柱石C2MS2、镁橄榄石M2S及镁蔷薇辉石C3MS2等，产生较大体积效应，方镁石晶体在碱蒸气的作用下也可逐渐长大，致使砖体开裂破碎与剥落，缩短砖体使用寿命。

其化学反应式与体积效应如下：

此外，若重油中的V2O5浓度较高，与镁砖中的CaO会发生以下反应：

在非弱还原气氛下矾酸钙呈液相，渗入砖内促使方镁石晶体长大，也会导致砖体变形。

目前，国内浮法玻璃熔窑玻璃配合料中石英砂颗粒小于0.1mm的超细粉占比多，不少厂家不使用颗粒纯碱(重碱)，粒度也较细。因此，在靠投料口的1#、2#小炉位置蓄热室格子体上层，最好使用4～5行烧结锆莫来石砖(见表2)，可抗SiO2质飞料的侵蚀，防止难以进行维修清除的“结瘤”沾挂堵塞格子孔。

2.1格子体中层

格子体中层温度约800～1100℃，可选用镁铬质、镁橄榄石质和镁铝质耐火材料。镁铝质材料抗硫酸盐侵蚀性强，但价格昂贵，国内目前尚未普遍采用这种耐火材料。而镁橄榄石砖的使用温度不宜超过1050℃，应用于中层的低温区。

格子体中层存在硫酸盐反复液化、固化的现象，这是重油中含有残留的V2O5碳链裂化催化剂，使烟气中SO2变成SO3对格子体耐火材料逐渐侵蚀而形成的，其固化膨胀可对砖体组织结构产生相应的应力脆变损坏。其化学反应式如下：

在1000℃以上，硫酸盐会与MgSO4反应生成NaxMg(yS2O2)2，反应的剧烈程度随Na2O/SO3比值增大而加剧。为了提高镁铬砖抗侵蚀性能，应尽可能提高其Cr2O3含量，并提高矿相的直接结合程度，使铬尖晶石包裹方镁石颗粒，可以延长其使用寿命。

2.1格子体下层及其他部位

格子体下层温度800℃以下，化学侵蚀较弱，但一个蓄热室格子体的总重至少40～50t，格子体低层的单位负荷高达8～10t/m2。此外，还有使用火焰法对格子体进行烧熔清扫的需要。因而，宜采用抗蠕变能力强，抗热震性好的优质低气孔率黏土砖。为防止碱性砖与黏土砖之间的接触反应，可以在格子体中、下层之间用高铝砖作过渡层。

蓄热室其他部位包括碹顶、侧墙和炉条碹等部位，这些部位耐火材料的侵蚀相对较弱。一般的蓄热室碹顶采用优质硅砖，侧墙分三部分，格子体上部空间蓄热室墙用优质硅砖，目标墙也可采用直接结合镁铬砖，从炉条以上至格子体顶面高度的部分，较好的方案是采用与同一高度区段格子体相同的材质，可以延长墙体的使用寿命。另一种方案是上段选用比相

应格子体材质低一级的碱性砖或直接结合镁铬砖，中段采用直接结合镁铬砖，下段用低气孔率黏土砖，炉条以下可选用一级黏土砖，炉条碹一般选用低气孔率黏土砖，也可采用熔铸AZS材质，加黏土质护条碹。

3 格子体的结构形式

在玻璃熔窑中蓄热室格子体通常以直形砖作西门子式和编篮式排列。然而，格子孔时常被堵塞，堵塞严重时采取热修调换格子砖等措施，热修条件十分恶劣，劳动强度极大。采用八角筒形砖取代原直形砖，格子体呈烟囱式不易堵塞，在整个窑期内无需热修，只要定期检查，若有少量堵塞，在格子体下部由下向上采取火焰法烧熔清扫即可。

大型玻璃熔窑重要的节能技术之一即推广使用筒形格子砖。八角筒形格子砖保留了原直形砖的理化性能，并且砌筑方便，砖体上下对齐基本无自由悬挂部分，结构稳定，单位体积格子体受热面积高，使用寿命长而日益受到重视。筒形砖的壁厚可以减薄至40mm，既减轻单位格子体的重量，又增加了热传导性。筒形格子体造价比编篮式格子体约高15%，比十字形格子体约低15%。但在节能上，筒形格子体与十字形格子体相差不大，编篮式格子体热耗每年增加1%～2%，筒形格子体热耗每年增加约0.5%，由于“老化”减缓而节约大量能源。

在蓄热室结构设计中，应特别注意筒形格子砖与炉条碹的连接方式，在筒形格子砖与炉条碹之间应采用直条砖西门子排列方式过渡，高度1m左右。这样格子孔才能上下顺畅相通，并改善气体进入筒形格子体分布的均匀性，充分发挥筒形格子砖的优越性，提高玻璃熔窑热效率。

4 国外玻璃熔窑蓄热室格子体材料的选用情况

为了避免“铬公害”问题，防止污染环境，已限制并逐渐减少镁铬质耐火材料在格子体上使用。其中采用的耐侵蚀的熔铸十字形格子砖，与烧结格子砖相比，具有热容量大，导热系数高和壁薄的特点，能获得最高的热交换效率，如图2所示。

图2  格子砖的热交换量（a）及热容量（b）

在世界五大平板玻璃企业中，英国皮尔金顿公司于1959年发明创立了玻璃浮法工艺技术，其浮法玻璃熔窑技术水平较先进，熔窑寿命长达10年以上，能耗低热效率高。

图3是该公司某座700吨/日浮法玻璃熔窑蓄热室格子体耐火材料的砖型、总体配置情况，各对蓄热室的温度、格子孔尺寸大小和格子体侵蚀环境有一定的差别，格子体的材质及配置也不尽相同，材料的化学成分见表3，经过10年窑龄的运行以及拆窑观察，表明6对箱形蓄热室都满足了设计要求。

图3PB窑蓄热室格子体的总体配置

5 结语

目前，国内玻璃熔窑蓄热室已逐步由传统的上升道结构改为箱形分隔式或连通式结构。进一步加强蓄热室耐火材料合理选材、分区配置使用研究及新品种的研制工作，可以满足提高蓄热室效能与使命寿命的要求。对于国内玻璃熔窑高质量玻璃的生产以及早日实现低能耗、高热效率、大吨位规模和窑龄长的发展目标具有重要意义。

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