玻璃电熔窑熔化机理研究2

2 电场和热能场

       玻璃电熔窑既是一个随时间变化的复合电场，又是一个随时间而变化的热力场。热力场是高度非线性变化的物理场。

      熔化玻璃的主要热能来自导电玻璃液的电阻发热而自身加热。一小部分是由于电极自身的电阻在电场内产生的热能。因此，随着电场各处不同的电压、电流产生不同数量的热能形成玻璃窑炉中温度变化的热力场。

       熔融玻璃液是流动液体，由于热胀冷缩和重力作用，以及热力推动，玻璃流场成为一个复杂的热流动的热力场。

       热能是由高能量向低能量传递。玻璃液的流动不仅是按当地温度的高低来流动的。即不仅是较高温度的热玻璃流向较低温度的玻璃区域，例如热对流。由于玻璃在高温区的体积比在低温区要大，因此可以克服类似重力、摩擦力等外力，上部的较高温度的玻璃下行运动，推动驱使下部较低温度玻璃向较高温度区上升流动，这是不同于液体通常成为热对流的运动。是一种热力推动流动。

      上部较高温度玻璃向下部流动，挤压下部温度低的玻璃向上运动，到达高温区后被加热。这是一个不同于热对流的逆向流动模式。根据这个原理，加大上部区域内吸收更多热能是在窑炉中施加更大的电功率的一个重要途径。从传统由西方引进到中国的电熔炉的电极插入玻璃液中深度约600~700 mm（玻璃液深度1.2m时）。我司在2014年在玻纤窑内首先开始采用钼电极顶部插入距离液面仅150 ~200mm，插入深度为1m左右的实践后，西方的传统的中国被改变了。现在一台熔化面积约140m2的玻纤窑产量达14万~16万t/a以上，电加热的安装电功率高达6000~7000 kW的高产、高成品率熔窑。                             

     进一步的改进是要增大在一支电极周围可以吸收更多热能的玻璃体积。使玻璃窑可以充分采用更大电功率，使单位体积玻璃吸收更多的电能，提高熔化功率，提高更多产量。。

      采用热力推动流动原理的另一个重要的好处是增大了熔化玻璃的流动性运动的范围，减少了玻璃窑炉内玻璃流动的死角。熔化玻璃流动性运动的加大，很大程度上均匀化了熔窑的温度分布，即优化了热能分布的均匀度。这是提高热效率的重要作用。

      提高熔化功率是有限度的。在较大熔化功率下，上部玻璃的温度也相应增高，过高的玻璃温度将加大热量向上部空间的发散损失。向下流动的高温玻璃的流量同样增大，更多的热量流向窑底部，致使窑底部温度提高。窑底耐火材料的抗高温能力达到相关程度时，这就是可以增加电功率的限度。

       对于池深为1.2m的玻璃纤维窑，电极插入深度要略为减少，原来电极顶端距离液面150~180mm，可以增大到200~250mm，使可加热玻璃体积进一步增加，提高用于熔化玻璃的电功率，从而在不增加熔窑体积的情况下，加大产量。

       原则上玻璃加热的温度限制是使高温玻璃的热量不会大幅度散失到窑炉上部空间, 因此高温玻璃区的温度不大于玻璃熔化温度。加热区玻璃电功率加大的另一个限制是由于高温区玻璃向下流动，使炉底温度升高，这个炉底温度将会不大于耐火材料允许使用温度,一般不超过1200~1400℃。

      由此可见，玻璃电熔窑中的电场和热力场是相互影响，相互依托而存在。相同电压下，温度高的区域玻璃中的电阻较小，电流较大，运行功率高、热效率高。反之，玻璃温度低的区域熔化效率较低。解决这个热效率的办法是增加玻璃流的流动量。同时，带来的好处是使玻璃熔窑中的温度分布更为均匀，从而不仅提高了产量，同时又提高了质量。这在国内玻纤厂的实践中得到证实。熔制玻璃的单位产品综合能耗从1200 kcal/kg下降到800~850kcal/kg，能耗值下降了33.33%~29.17%，满筒率达到97%左右，远超西方的工艺技术水平。

       十分明显，在正确理解了电功率和热力流场关系的基本理论，可以在调节窑炉中经过详细分析，制订严密的对电极组加载过程来控制玻璃液的流动，达到优化的目标。实践证明对提高熔制效率和维持窑炉生产的稳定性是确实可行的。