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耐火材料行业知识

光伏玻璃窑池池壁砖材质的选择与配置对比

随着光伏组件厂商对玻璃的要求不断提高,光伏压延玻璃熔窑的大型化和薄板化的需求已成必然趋势。目前,光伏压延玻璃熔窑规模已发展到1000〜1200t/d的级别。今后随着光伏组件厂商逐渐对厚度为2.5mm、2mm和1.6mm光伏玻璃的大规模开发应用,光伏玻璃供应商必然调整生产,尤其是对成形及其温度要求有所改变,势必影响通路的设计和生产的调整。

由于光伏压延玻璃中铁含量极低,导致玻璃液透光率高,热透性强,水平方向上对流强度大,而光伏压延窑炉卡脖处已很少有使用搅拌器的情况,同时卡脖逐渐往缩短、变窄的方向发展,这就导致玻璃液在卡脖位置的降温幅度有限,使得卡脖出口附近玻璃液温度较高,从而影响卡脖出口附近通路池壁砖材质的选择。

有些光伏压延窑炉通路池壁完全选用电熔α-β刚玉砖,而卡脖出口附近温度较高,对电熔α-β刚玉砖的侵蚀剧烈,有可能存在隐患。笔者建议在卡脖出口附近下游的池壁适当选择电熔锆刚玉砖,达到优化合理的配置,从而更灵活地适应温度和产品规格的变化。

两种池壁砖材质的配置优缺点

1.1通路池壁砖材质的2种配置

卡脖出口附近通路的池壁砖在材质选择上尚未统一,有的光伏压延窑炉全部采用电熔α-β刚玉砖;有的光伏压延窑炉采用33#氧化法无缩孔的电熔锆刚玉砖和电熔α-β刚玉砖搭配使用,但在搭配使用时采用的比例及距离卡脖的位置尚待探讨。

1.2两种不同材质的电熔砖的优缺点

光伏压延窑炉池壁砖一般选择优质主流品牌生产厂家的产品,普通浇铸的电熔α-β刚玉池壁砖价格在4万/t左右,而33#氧化法无缩孔的电熔锆刚玉池壁砖价格在3.5万/t左右。这是因为电熔α-β刚玉砖的制造难度和技术投入都高于电熔锆刚玉砖,因此在池壁砖价格方面,电熔α-β刚玉砖价格要略高于33#氧化法无缩孔的电熔锆刚玉砖。

电熔锆刚玉砖抗污染性不如电熔α-β刚玉砖,这是因为氧化铝系电熔砖十分纯净,Al2O3含量占90%以上,在玻璃液中砖体表面生成的霞石变质层的黏度不如含ZrO2的霞石变质层黏度大,比较容易溶解,所以高温下耐侵蚀性能不如电熔锆刚玉砖,但由于流入玻璃液中的杂质与玻璃液黏度相差越大越不易溶解消除,而氧化铝砖的霞石变质层黏度小,易溶于玻璃液,所以对玻璃液的污染小。

因此在高温区域(>1350℃),氧化法无缩孔的电熔锆刚玉砖在耐玻璃液侵蚀性能上要强于电熔α-β刚玉砖;在低温区域(<1350℃),电熔α-β刚玉砖与电熔锆刚玉砖比较,耐侵蚀性相差甚微,甚至略优于后者。电熔α-β刚玉砖由于含玻璃相极少,对玻璃液污染又较少,所以在温度低于1350℃的地方使用较好。

玻璃液在卡脖处的温降

玻璃液在通过卡的温降幅度,有很多种计算方法,如实测、模拟或理论计算等。模拟和理论计算比较繁琐,也会有不同程度的误差,笔者选择实测法,通过测温仪分别对窑炉A和窑炉B测温取得的数据如表1所示。

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表1 窑炉A和B卡脖入口和出口测量所得的玻璃液温度对比

各个窑炉在生产时对玻璃液温度监控的位置选择有所不同,这里选择的位置是以卡脖入口和出口的玻璃液温度作为温度的监控点,以2座窑炉A和B作为对比,对卡脖入口和出口的玻璃液温度做相应的测温,用3台不同的高温测温仪相互校验测温,经测同一地方的温度,误差在5℃以内,从而防止在测量中误差较大,保证了3台测温仪的测温准确性。

表1中2座窑炉结构与尺寸完全一致,2座窑炉卡脖出口附近池壁砖材质均为电熔α-β刚玉砖。窑炉A卡脖出口的温度接近1370℃,窑炉B卡脖出口温度在1350℃左右,同样的窑炉在生产同样规格的玻璃时采取的温度工艺制度差别还是比较明显的。窑炉A在卡脖出口附近的玻璃液温度明显高于1350℃,卡脖出口附近池壁砖材质又是电熔α-β刚玉砖,同样的拉引量,温度更高,玻璃液对池壁砖的侵蚀会更快,因此要加强对卡脖出口附近池壁砖的监控,尤其是距离卡脖出口拐角砖最近的通路池壁。同时应采取适当的保护措施,比如对池壁砖进行吹风降温,以减缓对池壁的侵蚀。我们发现窑炉A在卡脖入口处的玻璃液温度比窑炉B高20℃左右,而2座窑炉玻璃液在经过卡脖散热和卡脖深层水包散热以后到达卡脖出口的温降幅度差别不大,同样为20℃左右。引起2座窑炉卡脖出口的玻璃液温度的主要差别在于澄清温度的设定。笔者建议可以适当降低窑炉A的澄清温度,同时适当减少横通路和支通路的散热,这样既满足了成形温度,又减少了对窑炉的侵蚀,也达到了节能降耗的目的。

通过表1我们还发现窑炉A和窑炉B的玻璃液经过卡脖的温降幅度在90℃左右,而浮法玻璃窑炉玻璃液在卡脖的温降幅度为110℃左右。这是因为浮法玻璃窑炉卡脖位置除了有卡脖深层水包,还有水平搅拌器或垂直搅拌器,同时冷却部有稀释风、空间冷却水包等调温手段,而很多光伏压延玻璃窑炉在取消搅拌器和稀释风的基础上,又加强了通路的保温,导致光伏压延窑炉玻璃液在通过卡脖后的温降幅度小。因此光伏压延窑炉在卡脖出口附近池壁砖的材质选择上要特别注意。

设置电熔锆刚玉砖的必要性

3.1较高的澄清温度

现在很多窑炉普遍采用“双高”作业制度,即“高温熔化”和“高温澄清”,而光伏压延玻璃的热透性强,玻璃液上下层温差小,其澄清区域的深层气泡较难澄清,一般温度工艺设置时也会相应提高澄清温度。如上表1中窑炉A在卡脖入口的温度都高于1455℃,设定这么高的澄清温度,势必导致玻璃液在卡脖出口的温度也有所提高。

3.2逐渐缩短变窄的卡脖

卡脖一般采用窄长形式,目前卡脖尺寸有逐渐往缩短、变窄的发展趋势,表1中2座窑炉卡脖长度均为7500mm,宽度均为4000mm,而目前同等规模的窑炉卡脖长度为5000mm,宽度为2200mm,在其他条件相同的情况下,玻璃液在通过后者窄短卡脖时的温降幅度会小于90℃。更窄的卡脖减少了通路玻璃液的回流,也就减少了二次加热,有利于节能降耗,但玻璃液在通过更短更窄的卡脖时流速更快,散热面积又减小了,玻璃液在通过卡脖后的温降幅度会变小,从而造成玻璃液在卡脖出口的温度有所升高。

3.3节能和保温的需要

通路温度调节的措施一般为开关散热孔观察孔,稀释风或保温层的增减,使用空间水包或者挡板等。为了节能降耗,光伏压延窑炉通路会尽量采取良好的保温措施,合适缓慢的降温,有利于玻璃液液流的稳定和玻璃液对微气泡的吸收。良好的保温措施,同样会造成卡脖出口玻璃液温度较高。

电熔锆刚玉池壁砖距离的确定

根据经验,熔窑吨位越大,玻璃液的降温速率越慢。以700t/d的熔窑为例,玻璃液从热点到卡脖平均温降约为7.5℃/m,而在同样的冷却强度或者同样的保温情况下,高温处的温降要大于低温处的温降,出于安全保守的考虑,笔者设定玻璃液在卡脖出口附近的温降为6℃/m。同时33#氧化法无缩孔电熔锆刚玉砖的玻璃相初析温度不低于1400℃,笔者再设定较高的卡脖出口玻璃液温度为1400℃,取6℃/m的温降,当温度降至1350℃以下视为安全温度。因此笔者认为从温度方面考虑,在距离卡脖出口拐角砖9000mm距离的下游不宜再使用电熔锆刚玉砖。

以典型的一窑四线窑炉和一窑五线窑炉简单说明,图1为一窑四线的窑炉,分别以卡脖出口两个拐角砖为圆心,9000mm的长度为半径画圆,在这两个圆内以红色粗线条示意的池壁全部选用33#氧化法无缩孔电熔锆刚玉砖。玻璃液在出卡脖以后到达最近的支通路时,其实际温度已经降至1350℃以下,玻璃液对该支通路池壁砖的冲刷侵蚀已明显减弱,因此一窑四线的窑炉支通路池壁全部选用电熔α-β刚玉砖。

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图1 一窑四线窑炉卡脖出口附近通路池壁材质配置示意图


图2为一窑五线的窑炉,同样分别以卡脖出口的2个拐角砖为圆心,9000mm的长度为半径画圆,在这2个圆内以红色粗线条示意的池壁全部选用33#氧化法无缩孔电熔锆刚玉砖。横通路宽度一般在3500~7000mm范围内,玻璃液在进入最中间的支通路时温度还是比较高,同时玻璃液对此支通路入口附近池壁砖冲刷侵蚀也会比较严重,因此此支通路入口池壁需部分选用33#氧化法无缩孔电熔锆刚玉砖,其它4条支通路池壁选用电熔α-β刚玉砖。

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图2 一窑五线窑炉卡脖出口附近通路池壁材质配置示意图

对于已投产窑炉的生产建议

基于对电熔α-β刚玉砖的耐玻璃液侵蚀性能的考虑,笔者建议应控制卡脖出口玻璃液的温度,尽量低于1350℃,尤其对于通路池壁全部是电熔α-β刚玉砖的窑炉,可以从以下几个方面着手:

(1)适当降低澄清温度。过高的澄清温度,对提升玻璃液澄清效果并无改善,反而增加能耗,还加重对窑炉耐火材料的侵蚀,影响玻璃质量。

(2)加强卡脖深层水包的冷却强度和卡脖散热,必要时增加其它冷却手段。适当增加卡脖深层水包的压入深度,对玻璃液的降温有明显效果,同时在节能和改善玻璃质量方面也有好处,其压入深度又不可过深,可以根据具体的窑炉结构尺寸做相应调整,其压入深度为卡脖深度的35%~50%左右即可。

(3)加强卡脖出口附近通路池壁外表面的散热和冷却,尤其是液面线附近,此处为气固液3相交界处,侵蚀最快。采用风冷是比较好的方式,必要时对此处池壁上部采取绑砖的方式来延长池壁砖的寿命。

对于卡脖出口附近通路池壁使用电熔锆刚玉砖和电熔α-β刚玉砖搭配的窑炉,在可生产优质玻璃的情况下,适当降低温度,不论在节能降耗上还是在减轻对窑炉侵蚀方面均有好处。经验证明,在正常熔制作业温度范围内,窑内温度每升高50℃,对耐火材料的侵蚀速率增加1倍,同时也不利于玻璃质量和窑炉安全。

结 论

综上所述,为了适应光伏压延玻璃熔窑的大型化和产品薄板化的大趋势,对光伏玻璃的成形及其温度要求有所变化,因此在设计和生产中,需要对通路耐火材料的配置做相应调整,充分利用2种砖材的优点,不仅有利于工艺的调整,同时并未增加在窑炉上的投资。

笔者通过对玻璃液经过卡脖的温降幅度分析,推荐在卡脖与通路交界处下游9000mm范围内的池壁选用33#氧化法无缩孔电熔锆刚玉砖,其他部位选用电熔α-β刚玉砖的配置方式。通过这2种砖材的优化配置,达到灵活地适应不同厚度玻璃的生产工艺调整与操作,从而有利于摸索生产薄板的熔化工艺和压延工艺。

针对已经投产的窑炉,根据通路现有的池壁砖配置,通过不同手段调整温度制度,寻求减小窑炉侵蚀、节能降耗和保持熔化质量长期稳定的平衡,从而实现安全节能和高质量高产能的目标。

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