浮法玻璃錫槽熱端排氣及控制

孟慶瑞

（中國耀華玻璃集團(tuán)有限公司 秦皇島 066003）

0 引言

浮法玻璃生產(chǎn)為了有效解決玻璃板上表面滴落物問題采取了很多措施，如保證錫槽良好的密封、提高錫槽空間保護(hù)氣壓力、增加保護(hù)氣中氫氣使用比率、定期吹掃錫槽槽頂、錫槽冷卻水包的定期清洗及局部保溫等，其中還有一個有效措施就是錫槽排氣。目前錫槽排氣主流是設(shè)置在錫槽熱端，但是也有的生產(chǎn)線把排氣口設(shè)置在錫槽中部及錫槽窄段。排氣管道口徑大小、數(shù)量、排氣管前后位置、空間高低也是各具千秋、五花八門。為探究錫槽排氣到底該如何布置，如何控制、有何理論依據(jù)，本文就浮法玻璃表面質(zhì)量控制來闡述如何使用浮法錫槽熱端排氣系統(tǒng)。

1 錫槽污染物的主要來源及危害

浮法錫槽使用金屬錫液作為玻璃成形的浮托介質(zhì)，在錫槽內(nèi)部通入足夠量的氮?dú)浠旌蠚怏w，保護(hù)氣在保證鋁制母排工作溫度的條件下，還需要很好地保護(hù)金屬錫液不被氧化，從熔窯經(jīng)過流道過來的熔融玻璃液在純凈的錫液面上攤平、拋光、成形為生產(chǎn)需要的厚度、寬度的浮法玻璃原板。

在保護(hù)氣量使用合理及密封良好的情況下，錫槽的槽壓能夠達(dá)到50 Pa以上，對外界氧氣滲透進(jìn)入錫槽起到了很好的阻擋作用。但由于外界空氣中的氧氣濃度高達(dá)21%，而錫槽內(nèi)的氧氣濃度一般為0.005%以下，根據(jù)濃差擴(kuò)散理論，濃度差產(chǎn)生了分子擴(kuò)散的推動力，擴(kuò)散的速率與物質(zhì)的濃度梯度成正比，濃度差越大，擴(kuò)散速率也會越快，這使得氧氣分子通過一切可能的縫隙及開口處從高濃度的錫槽外部空間向錫槽內(nèi)部區(qū)域轉(zhuǎn)移擴(kuò)散。氧氣分子一旦進(jìn)入到錫槽內(nèi)部，大部分的氧氣與保護(hù)氣體中的氫氣反應(yīng)生成水，在錫槽氣氛中的水汽可以通過露點(diǎn)儀檢測，錫槽內(nèi)部氣氛的露點(diǎn)值一般要求-25℃以下，對應(yīng)的水含量約0.01%，露點(diǎn)值指標(biāo)也反應(yīng)了氧氣進(jìn)入錫槽內(nèi)部量的多少或錫槽工況水平。

即使保護(hù)氣中含有足夠量的氫氣，也會有一部分進(jìn)入錫槽的氧氣與液態(tài)金屬錫反應(yīng)生成氧化亞錫或氧化錫溶解在液態(tài)錫液中（圖1）或以氧化亞錫蒸汽形式存在錫槽氣氛中。氧化亞錫相互或與氧氣再次反應(yīng)生成氣態(tài)錫和氧化錫，并凝結(jié)在槽內(nèi)溫度稍低的物體表面。冷凝在錫槽頂部的氧化錫又能夠與氫氣反應(yīng)生成純的錫，聚集在槽頂，當(dāng)溫度或槽內(nèi)壓力發(fā)生變化時，這些錫滴將會攜帶部分氧化錫、氧化亞錫從槽頂?shù)温洳?dǎo)致玻璃板上表面質(zhì)量缺陷。

圖1 氧在錫液中的溶解度

當(dāng)錫液中氧氣含量較高時，污染的金屬錫液也會間接導(dǎo)致玻璃板下表面形成鋼化彩虹和碳酸鈣污垢，同時錫液中存在過高的氧含量也是玻璃板下表面沾錫的主要原因。如果錫液中長期氧含量過高，還會促進(jìn)氧氣滲透進(jìn)入到錫槽底部耐火材料里，伴隨著從玻璃中置換出來的鈉，改變錫槽底部澆注料或底磚表面的化學(xué)性質(zhì)，生成霞石，同樣氧化亞錫的滲入也會與錫槽底部澆注料或底磚起反應(yīng)，生成棕褐色高黏性的玻璃態(tài)物質(zhì)，造成缺陷并導(dǎo)致底磚剝落。

錫槽空間氣氛中同時還存在氣態(tài)的硫化亞錫以及錫蒸汽等，硫主要來源于從熔窯過來的玻璃本體，一般認(rèn)為提高錫槽中氫氣含率，能起到減少氧化亞錫的作用，但是氫含量高的保護(hù)氣有其兩面性，氫氣不僅僅與氧反應(yīng)生成水，氫氣還會與玻璃中的硫反應(yīng)生成硫化氫，最終將會與錫反應(yīng)生成硫化亞錫和硫化錫。氫含量越多，生成的硫化亞錫和硫化錫也就越多，玻璃中的硫也可與錫直接反應(yīng)生成硫化亞錫。

在一定條件下也有少量二氧化硫會從錫槽出口過渡輥道處使用的二氧化硫擴(kuò)散到錫槽內(nèi)部，在錫槽中形成硫化亞錫。所以錫槽設(shè)計一般要求過渡輥道的二氧化硫管道放置在第二、三根輥道中間，而不建議放置在更前側(cè)。按以往的檢測數(shù)據(jù)，一般錫槽內(nèi)錫液里面會含有2×10-6～ 10×10-6的硫。圖2為實測硫在錫液中的溶解度情況。硫在錫槽冷端最大溶解度為0.5%以上而在熱端則達(dá)到5%左右，錫槽空間氣氛中也存在硫化亞錫蒸汽。

圖2 實測硫在錫液中的溶解度

當(dāng)錫槽內(nèi)硫化亞錫的蒸汽壓較低時，對錫槽沒有大的影響。蒸汽壓隨溫度的上升而增大，槽內(nèi)空間的硫化亞錫將會上升，其含量比氧化亞錫和錫蒸汽含量更高。圖3為錫槽里面蒸汽態(tài)的錫、氧化亞錫和硫化亞錫的蒸汽壓情況。通過圖3可以看出這三種物質(zhì)在槽內(nèi)的比例。

圖3 錫槽里面錫、氧化亞錫和硫化亞錫的蒸汽壓

如將10×10-6的 氧溶于錫液，10×10-6的硫溶于錫液，在1026 ℃時的蒸汽壓下，測錫槽空間三種物質(zhì)的含量，含Sn 0.3 mg/m3，含SnO 3.0 mg/m3，SnS 100 mg/m3。

由此看出硫?qū)﹀a槽的影響遠(yuǎn)比氧嚴(yán)重得多。SnS跟SnO一樣，很容易在冷的物體表面冷凝沾附，當(dāng)通入保護(hù)氣體，SnS將跟氫氣反應(yīng)生成單質(zhì)錫并在槽頂凝聚，當(dāng)溫度或保護(hù)氣體量發(fā)生變化時，錫滴將會滴落到玻璃板上表面，造成板上沾錫。所以對保護(hù)氣中氫氣的通入方式和通入量要求比較嚴(yán)格，較少的氫氣，發(fā)生的還原反應(yīng)就會較少，造成錫滴落物的缺陷液會少。

錫槽空間錫的蒸汽壓很低，這也是浮法玻璃工藝選擇金屬錫作為玻璃浮托介質(zhì)的必要條件之一。

如果錫槽氣氛中含有的這些有害氣體不能及時排出，大部分有害蒸汽會跟隨氣體向錫槽冷端運(yùn)動。因為錫槽出口是錫槽保護(hù)氣排出最多的地方，在氣體向冷端流動過程中，有害蒸汽就會粘附到錫槽內(nèi)表面溫度較低的地方，如錫槽頂罩磚、未開啟的硅碳棒、冷卻水包等，見圖4錫槽14貝處槽頂冷凝物，當(dāng)溫度、錫槽壓力或氫氣含率發(fā)生變化時，凝聚在錫槽內(nèi)表面或冷卻器上的凝聚物和液態(tài)錫滴將會攜帶硫化亞錫及氧化亞錫等雜物滴落，造成玻璃板上表面的滴落物缺陷。

圖4 錫槽14貝處槽頂冷凝物

2 錫槽排氣的目的

錫槽高溫區(qū)發(fā)生的大量化學(xué)反應(yīng)，生成的有害氣體如水蒸氣、氧化亞錫、硫化亞錫以及錫蒸汽等，極容易在錫槽內(nèi)部溫度低的地方冷凝聚集，最后滴落形成玻璃板上表面缺陷，最好的解決辦法就是在這些有害蒸汽凝聚之前將其清除掉，排到錫槽外部，當(dāng)使用錫槽熱端排氣時，可以將向錫槽冷端移動的氣體排出，減少廢氣中的氧化亞錫、硫化亞錫以及錫蒸汽在錫槽內(nèi)部較冷物體表面的冷凝，同時也減少了對錫液污染，對于降低玻璃板表面缺陷，有著顯著效果。

3 錫槽熱端排氣量的選擇

當(dāng)前錫槽使用較高的氮?dú)馐褂昧?，結(jié)合其它操作，能夠減少玻璃板上表面錫槽缺陷。氮?dú)怏w積使用量與錫槽槽頂面積的比不小于4.2（m3/h）/m2。更適宜的使用量是6.1 （m3/h）/m2。要求至少75%的保護(hù)氣體流量是經(jīng)錫槽槽頂送入，而余下的25%保護(hù)氣體流量根據(jù)需要從邊封觀察窗送入。顯然，熱端排氣的最佳分配是避免來自錫槽熱端受到污染的氣體流動到錫槽下游。此外，保護(hù)氣體的分配也應(yīng)當(dāng)滿足使鋁制母排溫度保持低于316 ℃。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)錫槽熱端的空間比例設(shè)計排廢系統(tǒng)，一般錫槽前5貝的保護(hù)氣體中含有有害物質(zhì)最多，應(yīng)該通過錫槽熱端排廢系統(tǒng)排出錫槽之外，不進(jìn)入錫槽下游，通常情況下，錫槽排廢量占通入氮?dú)饪偭康?5%～25%。過量的排廢造成錫槽槽內(nèi)壓力不穩(wěn)定，易形成負(fù)壓吸入外界空氣。相反，排廢量過低，效果不明顯。

4 如何設(shè)置排氣位置

錫槽排廢的目的就是將錫槽高溫區(qū)因化學(xué)反應(yīng)生成的有害氣體盡快排出錫槽，防止含有氣態(tài)氧化亞錫、硫化亞錫以及錫蒸汽的氣體流向錫槽冷端，遇冷凝結(jié)并積聚，那么錫槽排氣的位置就應(yīng)該設(shè)置在錫槽熱端區(qū)域，由于排廢主要針對錫槽熱端前5貝的區(qū)域，一般安裝在錫槽頭對拉邊機(jī)之前1～2 m位置，高溫區(qū)廢氣在排廢孔抽力的影響下，向排廢孔流動，錫槽兩側(cè)氣體流動的速度快，中間的較慢。排廢氣流能影響到排廢管周邊10 m的地方，為減少排廢管對更下游的方向產(chǎn)生影響，一般在錫槽的第五節(jié)設(shè)置氣幕，阻擋排廢管排廢對下游氣流的影響。

排氣口一般設(shè)在邊封或者高于邊封低于頂蓋的地方。排氣管數(shù)目和排氣口的尺寸可根據(jù)排除廢氣的體積決定。正常應(yīng)該有1～2對排氣口，錫槽兩側(cè)對稱布置。

5 錫槽排氣裝置的選擇

由于對錫槽排廢氣的作用認(rèn)識不足，有的錫槽，即使安裝了錫槽熱端排氣，也僅是簡單的一對排氣管道，像個小煙筒一樣，直徑30～180 mm，排氣管道伸出錫槽有的只有幾十厘米高，好一點(diǎn)的出氣口超過錫槽頂罩頂面，在排氣管道上安裝一個插板閥門控制開度，具體排出氣體量無法計量，閥門開度也是憑個人感覺，如某個生產(chǎn)線每天早班開20 min，其余時間都關(guān)閉；還有一家更有創(chuàng)意，平時排氣口常開，當(dāng)發(fā)現(xiàn)玻璃表面錫槽滴落物增多，影響產(chǎn)品質(zhì)量時就關(guān)閉排氣口，錫槽工況恢復(fù)幾天，滴落物減少時再次打開排氣口。像這種沒有任何控制的錫槽排氣口，在實際生產(chǎn)中幾乎沒有任何實際意義，甚至還不如沒有，因為這種敞開式的排氣管就等同于沒有密封一樣，氧氣會在強(qiáng)大的濃度差的驅(qū)動力下通過排氣管道進(jìn)入錫槽，造成錫槽氧污染。

有效的錫槽排氣裝置應(yīng)該是具有虹吸引流裝置的系統(tǒng)，通過孔板流量計計算其排廢的氣體量，這樣才能有效控制錫槽排廢的總量，既不會過高或過低，也能避免外界空氣中的氧氣通過濃度差的驅(qū)動滲透到錫槽內(nèi)部。為了有效保護(hù)孔板工作狀態(tài)，排廢氣體還應(yīng)該在通過孔板之前進(jìn)行冷卻，圖5為錫槽排氣示意圖。

圖5 錫槽排氣示意圖

圖5中①排氣管道清理法蘭口，一般3～7天清理一次；②排氣管道，外面罩有防護(hù)網(wǎng)，在清理管道時保護(hù)人員安全；③水冷的排廢氣體冷卻罐，在冷卻罐出口上端安裝孔板流量計；④壓縮空氣引射管，通過調(diào)整壓縮空氣開度，調(diào)整孔板前后壓力差，進(jìn)而調(diào)整排廢氣體量的大??；⑤排廢出口。

6 排氣流量的控制及計算

孔板是典型的差壓式流量計，其結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、使用廣泛，主要用于測量氧氣、氮?dú)?、空氣、蒸汽及煤氣等流體流量。由于孔板的流入截面是突然變小的，而流出截面是突然擴(kuò)張的，流體的流動速度在孔板前后發(fā)生了很大的變化，從而在孔板前后形成了壓差，通過測量孔板前后壓力差值就可以反映流體流量大小。為了能真實反映準(zhǔn)確流量，特別是在壓力、溫度波動較大的時候，流量的計算還需要增加溫度、壓力補(bǔ)償。目前的孔板都配有流量計算模塊，通過安裝后的調(diào)試，都能夠直接給出流量數(shù)據(jù)。

在孔板通用計算公式中，增加壓力、溫度補(bǔ)償?shù)牧髁坑嬎愎疥P(guān)鍵是對介質(zhì)在工況下的密度進(jìn)行修正處理，此外還需要孔板設(shè)計說明書上的流量系數(shù)、孔板開孔直徑、膨脹系數(shù)等參數(shù)，公式為：

式中：Q——體積流量，Nm3/h；

K——系數(shù)；

d——工況下節(jié)流件開孔直徑，mm；

a——膨脹系數(shù)；

e——流量系數(shù)；

DP——實際差壓，Pa；

r——介質(zhì)工況密度，kg/m3。

如某生產(chǎn)線使用孔板直徑d為57.15mm，孔板 流 量 系 數(shù)e為0.62，膨 脹 系 數(shù)a為16×10-6/℃（304不銹鋼），壓力差使用V型紅油差壓計測量，紅油密度為1.0 g/cm3，排氣溫度經(jīng)過降溫后約為250 ℃，經(jīng)過計算，孔板壓力與排廢流量關(guān)系如圖6所示（排廢量按室溫25 ℃計算）。

圖6 孔板壓力與排廢流量關(guān)系

7 結(jié)論

錫槽排氣目的是排出錫槽高溫區(qū)產(chǎn)生的氣態(tài)氧化亞錫、硫化亞錫以及錫蒸汽等，防止這些物質(zhì)隨氣體流向錫槽冷端，凝結(jié)并積聚在溫度較低的物體表面上，積聚一定量后，當(dāng)錫槽溫度、壓力或氫氣含量波動或發(fā)生變化時，掉落并產(chǎn)生玻璃板上表面滴落物，形成玻璃表面缺陷。

（1）錫槽排氣裝置應(yīng)該安裝在錫槽高溫區(qū)，一般在頭對拉邊機(jī)前1～2 m處，或1～2貝處，排氣裝置在錫槽兩側(cè)對稱布置。

（2）錫槽排氣總量應(yīng)為錫槽總保護(hù)氣量的15%～25%，過量的排廢造成槽內(nèi)壓力不穩(wěn)定，易形成負(fù)壓吸入外界空氣，排廢量過低，效果不明顯。

（3）具體使用排氣管大小、數(shù)量根據(jù)排氣總量計算設(shè)計。

（4）排氣裝置使用虹吸引流負(fù)壓強(qiáng)制排氣，防止外界空氣中的氧氣在濃度差的驅(qū)動下通過排氣管道滲透進(jìn)入錫槽，造成二次污染。