一玻璃电熔基础.docx
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一玻璃电熔基础
一玻璃电熔基础
1玻璃的导电行为…………………………….2
1.1熔融玻璃的电导率…………………………………..3
1.1.1玻璃的导电性
1.1.2熔融玻璃电导率和温度的关系
1.1.3熔融玻璃电阻率与化学成分的关系
1.1.4混碱效应的应用实例
1.1.5常用的熔融玻璃的电阻率—温度曲线
1.1.6失调角和稳定性准数对玻璃电熔控制的影响
1.1.7熔融玻璃电阻率的计算
1.1.8玻璃的粘度
1.2电极间玻璃液电阻的计算………………………….14
1.2.1欧姆定律的应用
1.2.2板状电极间玻璃液电阻的计算
1.2.3两支平行棒电极间的电阻
1.2.4两列平行放置的棒电极的电阻
1.2.5两支相对放置的棒电极的电阻
1.2.6三相电极的电阻计算
2电极…………………………………………..19
2.1电极的选择原则…………………………………..19
2.2钼电极………………………………………………19
2.2.1钼电极的物理性能…………………………….…20
2.2.2钼电极的的组织结构变化…………………….…21
2.2.3钼电极的化学组成……………………………….22
2.2.4钼电极的结构和布置………………….…………28
2.2.5电极水套…………………………………….40
2.2.6钼电极临界电流密度和尺寸的选择…………………………47
2.2.7钼电极的蚀损与保护………………………….…49
2.2.8钼电极的电缆联结……..…………………………52
2.2.9钼电极的使用及注意事项…………………………53
2.3氧化锡电极…………………………………………56
2.3.1氧化锡电极的概述……………………………….
2.3.2氧化锡电极的物理性能…………………………57
2.3.3氧化锡电极的化学性能…………………………62
2.3.4氧化锡电极的制造工艺………………………..62
2.3.5几种常用的氧化锡电极………………………….63
2.3.6氧化锡电极的安装和使用……………………….64
2.3.7氧化锡电极的的蚀损…………………………….66
2.4硅碳棒电热元件…………………………………….66
2.4.1硅碳棒的物理性能………………………………..66
2.4.2硅碳棒的化学性能………………………………..67
2.4.3硅碳棒的老化和涂层保护………………………..68
2.4.4硅碳棒的规格与型号……………………………..68
2.4.5硅碳棒的电气联接………………………………..70
2.4.6硅碳棒的使用注意事项……………………………70
2.5二硅化钼发热体……………………………………..72
2.5.1硅钼棒的理化性能…………………………………72
2.5.2安装方法…………………………………………..75
2.5.3使用要点…………………………………………..76
2.6石墨电极……………………………………………..80
2.7铂电极………………………………………………..81
2.8冷却水系统………………………………………..81
3供电与控制…………………………………….84
3.1供电及控制系统…………………………………….85
3.1.1可控硅+隔离变压器
3.1.2可控硅+磁性调压器
3.1.3感应调压器+隔离变压器
3.1.4抽头变压器
3.1.5T型变压器
3.2可控硅控制系统…………………………………….92
3.2.1接隔离变压器的可控硅系统
3.2.2接磁性调压器的可控硅系统
3.2.3接过零触发的周波控制器的可控硅控制系统（调功器）
3.2.4移相控制器的可控硅控制系统（调压器）
3.3可控硅的触发系统及触发仪表…………………….97
3.3.1恒流控制
3.3.2恒温控制
3.3.3恒电阻控制
3.3.4周波控制器（调功器）
3.3.5可控硅调压移相控制器（TG－Y1/3－A/B型）
3.4电加热闭环控制方案……………………………...105
3.5变压器的设计选型…………………………….....106
3.5.1变压器的设计选型
3.5.2变压器的选择的注意事项
3.6供电及控制系统设计过程中的注意事项………...108
3.7控制柜的设计与制造……………………………….108
3.7.1电熔化所需的基本设备
3.7.2仪表控制柜
3.7.3对控制系统的要求
3.7.4开关
3.7.5快速熔断器的选择
3.7.6可控硅元件的选取
4玻璃电熔窑的电源选择……………………...113
4.1玻璃电熔窑的熔化电熔…………………….........113
4.2玻璃电熔窑的应急电源…………………….........113
4.3功率因素的提高……………………………………….115
4.3.1功率因数补偿方法
4.3.2功率因数的计算与补偿容量的确定
4.3.4补偿容量的确定
5砌窑材料………………………………………….120
5.1烧结锆刚玉砖
5.2电熔锆刚玉砖
5.3电熔刚玉砖
5.4电熔锆铬刚玉砖（AZCS）
5.5电熔石英砖
5.6电熔锆石英砖
5.7耐火材料的钻孔
前言
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，这就是所谓“玻璃电熔”。
1902年，沃尔克（Voelker）获准了一个基本专利，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。
1920～1925年，挪威的雷德（Raeder）使用石墨电极，成功地实现了玻璃的全电熔。
1925年，瑞典的科尼利矶斯（Corneljus）用这种电熔窑生产琥珀色玻璃和绿色玻璃。
该电熔窑采用薄层加料法，配合料浮在玻璃液表面。
在电熔窑投产时，配以临时性的炉盖，当玻璃液位盖过电极，便撤去炉盖。
所用的电极是大铁块，由于铁电极使玻璃着色，所以这种熔窑只能用于熔化有色玻璃，效果颇好。
当时可达到1.40kWh/kg玻璃，所以这种作业在电能价格低的地区是可行的。
这种电熔窑有些一直运行到最近几年。
弗格森（Ferguson）在1932～1940年这一时期，采用“T”形电熔窑积极从事电熔的研究。
第二次世界大战期间，瑞士的波来耳（Borel）在电熔方面做了大量的研究发展工作，旨在解决燃料短缺的问题。
波来耳的工作获得了成功，并由法国·圣哥本（St.Gobain）公司加以推广，该公司还对电助熔做了实际的工作。
二战以后人们开始对钼电极感兴趣，佩恩伯瑟（Penberthy）设计的电极系统使用钼棒，1952年玻璃工业开始广泛用于电助熔和全电熔。
另一种是英国的格耳（Gell）和汉恩（Hann）于1956年提出的板状钼电极。
近20年来，玻璃电熔获得迅速推广。
美国的瓶罐玻璃熔窑大约一半配备有电助熔，并且仍在不断增大，从早期的300kW增大到目前的800～1500kW。
发展趋势仍未停止，现已有了超级电助熔。
目前全世界至少有100座全电熔窑，规模从4t/d至120t/d。
每年都要增加若干座，其规模在电助熔和全电熔这两个方面都在扩展。
近20年来，一种新概念即“混合熔化”，已日益受到重视。
这种概念是：
先在熔融的配合料内部通电加热生产大约一半产量的玻璃，再在配合料上方用燃料加热生产另一半产量的玻璃。
其目的是要降低每吨玻璃所需热量的总成本，与此同时仍保持如电熔窑玻璃那样的质量。
另一项主要的新发展是用电熔窑熔化铅晶质玻璃，供机器和手工生产高级餐具使用。
大约在1964年棒状氧化锡电极投入工业应用，而且为这种电极发明了性能良好的电接触系统，为铅玻璃电熔建立了良好的基础。
近20年来的第三项发展，是推广了电加热料道。
第四项新发展是采用了“微型电熔窑”，用来生产优质玻璃，其熔化量可低到10kg/h。
近20年来的第五项发展，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。
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。
发达国家，玻璃电熔化已广泛应用于光学玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅玻璃、氟化物玻璃、瓶罐玻璃以及纤维玻璃的生产，其工艺已趋成熟。
据鲁塞尔·布艾曼（RusselBurman）1979年估计，世界上将近半数的玻璃熔窑都将采用电熔技术。
上个世纪60年代初期，我国玻璃纤维行业从研究池窑拉丝和代铂炉开始研究电熔工艺，至今已有几十年的历程。
目前在制造平板玻璃、特种仪器玻璃、器皿玻璃的火焰池窑中采用电助熔，耗电量不多，但对提高产品质量，增加产量，改善劳动条件诸方面都有良好的效果，发展前途广阔。
预计在今后几十年内许多火焰池窑将广泛采用电助熔。
随着我国电力工业的发展，全电熔工艺的应用也会逐年增加。
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。
我国拥有丰富的水力资源，加上新建的核电站，为玻璃电熔技术的推广应用提供了能源基础。
因此玻璃电熔是今后的发展方向之一。
本书分为四篇，第一篇讲述了玻璃电熔的基础知识，包括玻璃的导电行为，电极、供电与控制，电熔设备的电源选择、耐火材料等内容。
第二篇讲述了全电熔玻璃窑的基础理论、设计要点、烤窑方法、运行的注意事项等。
对熔制钠钙玻璃、铅晶质玻璃、硼硅酸盐玻璃、氟化物玻璃、有色玻璃、玻璃纤维、瓷釉、电热坩埚窑、电熔日池窑、小型热顶电熔窑等10类典型的电熔窑进行了分类讲解（其中包括一些特种玻璃的小型电熔窑，汇编了已运行38座电熔窑的详细资料，几乎包括了所有品种的玻璃和所有类型的电熔窑）。
第三篇讲述了火焰池窑的电助熔的设计、电极排列、功率分布、操作要点。
对硼硅酸盐玻璃、铅玻璃、有色玻璃、平板玻璃、玻璃球等池窑的电助熔进行了分类讲解。
第四篇讲述了料道电加热的基础理论、设计和操作要点。
对硅碳棒、硅钼棒辐射电加热料道、通路的电加热、板状和棒状钼电极电加热料道、氧化锡电极电加热料道、混合式电加热料道、热套法电加热料道、料盆的电加热八类典型的电加热料道进行了详细的讲解。
汇编了已运行的28条料道的详细资料（几乎包括所有的玻璃品种）。
本书可供玻璃厂的工程技术人员和有关的研究人员使用，也可作为高等院校学生的教材。
作者参阅了国内外大量的杂志，参考了许多学者的论文、论著，结合本人十多年来设计的数十条电熔窑（含电加热料道）的经验，编辑成书。
对被引用材料的杂志社、论著和论文的学者表示衷心的感谢。
在该书的编写过程中和玻璃电熔技术的推广过程中得到了我的导师－著名的玻璃窑炉专家孙承绪教授的精心指导，干大川教授对部分书稿提出了宝贵的意见，我的妻子余亦乐女士帮助打印了部分书稿，在此表示衷心感谢。
一玻璃电熔的基础
1玻璃的导电行为
1.1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。
与Na+离子相比，K+离子半径较大，迁移受到的阻力也较大。
相反，Li+离子半径比Na+离子半径小，但由于Li+离子结合能力强，因此，Li+离子迁移比Na+离子困难。
所以，Na+离子最有利于增加玻璃液的导电性。
影响玻璃导电能力的因素有：
①玻璃组成中的碱金属离子浓度及离子半径。
离子的半径减小，浓度增加，电阻率则下降。
②玻璃的结构状态和网络空隙的大小。
一价阳离子愈多，桥氧离子减少，结构疏松，网络空隙增大，电阻率下降。
③玻璃中添加网络外体离子（如R+2、Zr+4）时，这些离子充填于网络空隙内，阻碍碱金属离子移动，电阻率上升。
④添加B2O3、Al2O3时，若形成硼氧四面体，则结构趋于紧密，网络空隙减小，电阻率上升。
铝氧四面体大于硅氧四面体，使网络空隙增大，电阻率下降。
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。
1.1.1玻璃的导电性
在室温下玻璃是电的绝缘体，电导率约为10-13～10-15Ω-1cm-1，介电强度约在3×103～1×105V之间。
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。
1.1.2熔融玻璃电导率和温度的关系
高温下玻璃熔体的导电属离子导电，即和电解液一样通过带电离子的迁移来实现。
玻璃电导率随温度变化的关系式为:
logρ=log
=A+B/T,式中ρ—玻璃的电阻率；ν—玻璃的电导率；T—绝对温度°K；A，B—与玻璃状态有关的常数。
该公式适用于20℃～500℃和1000℃～1450℃两个温度范围。
玻璃电阻率和电导率关系式为ρ=1/ν。
图1.1.1钠钙玻璃的电阻率与温度关系
图1.1.1给出了某种钠钙玻璃的电阻率曲线。
由图1.1.1可知，电阻率随温度升高而急剧降低，当温度达到较高值后，ρ的变化趋于平缓，在低温段，曲线有着明显的拐点，该点温度与玻璃的软化点相对应，在玻璃电熔化中常称之为“起始导电温度”。
由于在电熔化和电加热中研究的对象是高温液态玻璃，所以仅对于1000℃以上的玻璃电阻率感兴趣。
图1.1.2钠（钾）铅玻璃的电阻率与温度关系
在钠钙玻璃熔化池中，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℃。
对于钠钙玻璃电阻率和温度曲线，可以把1050℃到1150℃之间一段近似为直线，用线性方程表示为ρ=36.25-0.025T（Ω·cm），式中T为℃；可以把1350℃～1450℃之间一段近似表达为ρ=13.7-0.006T（Ω·cm）。
在电熔化中，如果用电阻法反映玻璃液温度，则在100℃范围内数字电阻仪可按线性化进行设计。
当使用电极导电法测量电阻以代替热电偶温度时，亦可按线性化处理，但要注意其线性范围约100℃。
对于硼硅玻璃（如九五料），这个范围约为60℃。
1.1.3熔融玻璃电阻率与化学成分的关系
图1.1.3各种温度下碱金属含量与电阻率的关系
在大多数玻璃的电熔中，玻璃的电阻率取决于温度和碱金属含量。
图1.1.2和图1.1.3示出了约含25%氧化铅（PbO）和15%碱（R2O）的玻璃的电阻—温度曲线，其中氧化钠（Na2O）和氧化钾（K2O）以各种比例存在。
从图1.1.3中可以看出，即使碱（R2O）含量、重量百分组成相同，钾铅玻璃的阻值仍显著高于钠铅玻璃。
图1.1.4Na2O含量对二元Na2O-SiO2玻璃电阻率的影响
玻璃熔体的导电性能和化学成分密切相关。
其导电性是参与输送电流的离子数、电子的电荷数、离子的迁移率的函数。
离子的迁移率决定于阳离子运动时的摩擦阻力，且摩擦阻力随离子半径的增大而增大。
同时亦受阳离子和带负电的SiO4四面体吸引的影响。
离子半径大、运动阻力大、迁移要慢一些。
等电荷时，大一些的阳离子被带负电荷的四面体吸引过去要少一些。
（1）二价和三价离子的影响：
关于二价离子对玻璃电阻率的影响与它们的离子半径有关，它们的存在改变了键强和碱金属离子的激活能量，从而影响了电阻率大小。
对于三价离子的影响，则主要考虑他们网状结构的间隙大小，间隙的大小则影响钠离子的迁移率。
虽然二价和三价离子对玻璃电导率有影响，但和碱金属离子相比，它们的影响是有限的。
（2）一价离子的影响：
决定玻璃液电阻率的主要因素是钾、钠含量，其中钠离子的影响更大。
图1.1.4给出了一组Na2O含量对二元Na2O-SiO2玻璃电阻率的影响曲线。
图1.1.4表明，Na2O含量的增加使玻璃电阻率几乎呈直线下降。
玻璃中常用的碱金属有Na2O、K2O和Li2O。
它们对玻璃电阻率的影响决定于它们的离子半径和它们在网状结构中的键强。
离子半径大，迁移时所受阻力就大，所以受阻力大小的顺序是K+>Na+>Li+。
而键强大，与周围其它离子会产生更强的静电场，从而亦影响迁移率，Li+比Na+小，键强更大。
综合之，钠离子对电阻率的影响为三者之最，而钠在玻璃中的使用亦比锂和钾更为普遍，所含钠含量常作为确定玻璃液电阻率的主要参数。
图1.1.5钠钙玻璃中用CaO代替SiO2时玻璃电阻率的变化
图1.1.61400℃时多种玻璃电阻率与钾钠含量的关系
（3）混合碱效应：
两种碱金属离子在玻璃中混合使用，还会产生“混合碱效应”，使电阻率增大。
玻璃液中有电流通过时，碱金属离子一定要通过硅酸盐网状结构的间隙，半径比较小的离子（例如钠离子）较易通过，半径比较大的离子（例如钾离子）则较难通过，甚至于被捕获而堵塞间隙，进而阻碍半径较小的钠离子通过，造成碱金属迁移率降低即电阻率变大。
所以当钾钠总含量不变，钾的成分增加时，玻璃的电导率就要减小。
如图1.1.3在Na2O15%、K2O5%处曲线出现明显的拐点。
决定玻璃液电阻率的首要因素是碱金属离子含量。
图1.1.5表明，在钠钙玻璃中，当维持钠含量不变，而用氧化钙部分替代氧化硅时，其电阻率等温线几乎全部平行于横轴坐标。
图1.1.6是搜集的多种玻璃的钾钠含量与电阻率在1400℃温度下的对应关系，当钾的含量大于14%左右时，曲线趋于平缓。
碱金属离子在通过玻璃网状结构的间隙时已趋于饱和状态。
综上所述，从电熔化设计角度出发，不必拘泥于二价、三价离子的含量，只抓住钾钠离子含量就可以基本满足电熔化中电气参数的设计需要了。
1.1.4混碱效应的应用实例
某厂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。
在调试过程中，向配合料中引入一定量的K20，调节Na2O和K20的含量及相互之间的比例，以提高玻璃液的电阻率，降低电极的电流密度。
配合料中的K20主要由硝酸钾引入。
该厂原配合料中Na2O的含量为16.13%，K20的含量仅为0.36%,玻璃液的高温电阻小，见表1.1.1。
该厂采用混合离子导电以增加玻漓液电阻率方法，整个调试过程分两个阶段进行，见表1.1.2。
第二阶段在日出料量3.6t的情况下（超出设计能力3%），电流比原来减少了100A，电流密度降低6.2%。
测出的电压值如表1.1.3。
提高了生产效率，减小了电极侵蚀，降低了生产成本。
表1.1.1
温度℃
1000
1100
1200
1300
电导率（Ω-1cm-1）
0.0083
0.0133
0.0177
0.0265
表1.1.2
Na2O
K2O
K2O/Na2O
增加量倍数
基础料方
16.13
0.36
0.022
--
第一阶段试验料方
15.26
0.85
0.056
1.5
第二阶段试验料方
15.26
1.06
0.069
2.1
表1.1.3
熔化部
板电极区
1区
2区
3区
1区
2区
3区
原电压值V
45
30
57
55
55
54
第一阶段试验
试验电压值V
47
33
59
60
61
59
电压上升量%
4.0
10
3.5
9.1
10.9
9.3
第二阶段试验
试验电压值V
50
35
63
53
63
58
1.1.5常用的熔融玻璃的电阻率—温度曲线
（1）钠钙玻璃的电阻率—温度曲线。
表1.1.4列出了常用钠钙玻璃的化学成分，图1.1.7画出了相应钠钙玻璃的电阻率—温度曲线。
表1.1.4 钠钙玻璃的化学成分
编号
玻璃
SiO2
Na2O
K2O
Li2O
CaO
MgO
PbO
BaO
Al2O3
B2O3
Fe2O3
1
钠硅玻璃
76.0
24.0
2
钾硅玻璃
71.0
29.0
3
普通玻璃
70.0
14.7
12.5
0.5
1.3
4
钠钙玻璃
71.6
15.0
10.7
2.0
0.5
5
灯泡玻璃
67.0
11.0
9.5
6.0
2.0
6
平板玻璃
71.98
14.31
7.48
4.35
0.93
0.62
7
无色瓶罐
72.3
15.0
8.5
3.8
0.4
-
8
水玻璃
76.0
24.0
-
-
-
9
8198
66.50
7.20
7.20
0.25
12.40
1.70
3.80
10
平板
71.98
14.31
7.48
4.35
0.98
0.62
11
试验
75.0
17.0
8.0
12
试验
70.0
20.4
9.6
13
试验
75.0
20.4
4.6
14
钠硅
76.0
24.0
15
泡壳
73.36
15.7
4.8
3.0
1.01
1.1
16
啤酒瓶
67．41
14．8
1．58
9．54
2．23
0.51
3．86
0．47
17
青白料
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