玻璃熔窯碹頂保溫不當(dāng)造成的玻璃質(zhì)量事故分析

呂建科

（內(nèi)蒙古玉晶科技有限公司 鄂爾多斯 017100）

1 事故發(fā)生和處理過(guò)程簡(jiǎn)述

為了節(jié)能降耗，國(guó)外某玻璃工廠決定在正常生產(chǎn)的600 t/d玻璃熔窯大碹碹頂上做二次保溫。于2018年10月25日開(kāi)始進(jìn)行二次保溫的施工工作。到2018年11月初，發(fā)現(xiàn)玻璃質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，點(diǎn)缺陷增多，但沒(méi)有引起充分重視，到11月中旬，保溫完成，共在碹頂上增加了約300 m3的保溫料，平均厚度約增加40 cm，紅外實(shí)測(cè)碹頂保溫層頂部的表面溫度為80～120 ℃。11月22日開(kāi)始玻璃板面出現(xiàn)大量白色夾雜物，并且造成嚴(yán)重的退火炸板情況，導(dǎo)致玻璃產(chǎn)量、質(zhì)量大幅度降低。

到11月28日，根據(jù)對(duì)玻璃缺陷的成分檢測(cè)結(jié)果（絕大部分為鋁硅質(zhì)）分析，初步判定問(wèn)題的根源可能是碹頂保溫材料熔融造成的，于是自11月29日開(kāi)始拆除熔窯碹頂?shù)谋夭牧希鸪^(guò)程中發(fā)現(xiàn)下層保溫料出現(xiàn)大面積熔融的現(xiàn)象。到12月3日，新增的保溫層大部分拆完，玻璃板面夾雜物很快減少，生產(chǎn)逐漸恢復(fù)。增加和拆除保溫料過(guò)程中，玻璃質(zhì)量的變化情況見(jiàn)表1。

表1 熱修期間玻璃質(zhì)量變化一覽表

2 事故機(jī)理分析

2.1 碹頂結(jié)構(gòu)及碹頂材料性質(zhì)

問(wèn)題發(fā)生以后，技術(shù)人員很快開(kāi)始著手事故的分析和研究工作。

增加保溫后的碹頂耐火材料保溫層的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。碹頂耐火材料和保溫材料的主要化學(xué)成分見(jiàn) 表2。

圖1 保溫層厚度增加后的碹頂結(jié)構(gòu)

表2 碹頂材料及其化學(xué)成分

2018年11月27日，將引起炸板的夾雜物取樣四份化驗(yàn)其成分，并送國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)精確檢測(cè)其化學(xué)組成，分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 缺陷試樣的化學(xué)成分

2.2 對(duì)事故原因的分析和推論

根據(jù)缺陷成分檢測(cè)結(jié)果，缺陷中的氧化硅和氧化鋁含量明顯高于玻璃成分中的硅、鋁含量，并且可以確認(rèn)原料和碎玻璃沒(méi)有問(wèn)題，由此可推論該缺陷可能來(lái)源于窯爐耐火材料。根據(jù)窯爐熔化部的結(jié)構(gòu)：池底、池壁和火焰空間由電熔鋯剛玉和硅磚組成，不可能造成如此大量的單純鋁硅質(zhì)夾雜物。故可以推測(cè)：可能是碹頂保溫材料中的化學(xué)物質(zhì)熔融后穿過(guò)密封料和熔窯大碹磚縫隙，并與密封料或硅磚、硅泥的化學(xué)物質(zhì)一同落入玻璃液中，形成鋁硅質(zhì)夾雜物。

2.3 理論和試驗(yàn)研究

2.3.1 碹頂各層材料的厚度和界面溫度

保溫層加厚以后，碹頂各層材料的厚度和界面溫度見(jiàn)表4。

表4 碹頂各層材料的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)

根據(jù)傅立葉定律，單位面積的熱流量為：

式中：Q——表示單位時(shí)間內(nèi)熔窯碹頂向外傳導(dǎo)的熱量（熱流量）；

A——表示熱傳導(dǎo)面積；

l——表示碹頂材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)；

DT——表示各層碹頂材料的上下表面溫差；

H——表示各層碹頂材料的厚度。

如果只考慮穩(wěn)定熱傳導(dǎo)，則方程式：q1＝q2＝q3＝q4＝q

按上述方程計(jì)算各層界面溫度的結(jié)果如下：

大碹硅磚上表面溫度：T1＝1444 ℃

大碹密封料上表面溫度：T2＝1434 ℃

輕質(zhì)硅磚上表面溫度：T3＝1230 ℃

可塑料上表面溫度：T4＝1210 ℃

（注：如果再考慮輻射換熱，上述界面溫度還會(huì)更高一些。）

2.3.2 高溫試驗(yàn)

對(duì)碹頂各保溫層的材料高溫試驗(yàn)：

①取少量保溫料，置于化驗(yàn)室高溫電爐中，在1000 ℃條件下，保溫0.5 h；冷卻后觀察坩堝中的物料情況。物料粉化，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)熔融現(xiàn)象。

②取少量可塑料和少量保溫料，置于高溫電爐中，在1200 ℃條件下，保溫2 h，冷卻后觀察坩堝中的物料情況。可塑料和保溫料均已熔融，見(jiàn)圖2。

圖2 可塑料和保溫料1200 ℃保溫2 h熔融

2.3.3 各層保溫材料的實(shí)際狀況

從拆除現(xiàn)場(chǎng)觀察看，保溫料下層部分和可塑料均呈現(xiàn)燒結(jié)或熔融狀況，外觀與實(shí)驗(yàn)室的熔融保溫料相似，見(jiàn)圖3。說(shuō)明增加碹頂保溫層后，保溫層下部的保溫料或可塑料被高溫熔融。

2.3.4 保溫料和可塑料熔融的理論依據(jù)

根據(jù)保溫材料的化學(xué)成分，查閱相關(guān)硅酸鹽物理化學(xué)的MgO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)相圖（圖4），組成保溫料和可塑料的主要成分——鎂鋁硅酸鹽在適當(dāng)?shù)慕M成的條件下，可以形成熔點(diǎn)較低的低共熔化合物；而保溫料和可塑料的化學(xué)組成在此范圍內(nèi)。

圖4 MgO-Al 2O 3- SiO 2系統(tǒng)相圖

3 事故機(jī)理的研究結(jié)論

根據(jù)上述研究和分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀察窯爐大碹上部保溫層燒損情況以及窯內(nèi)內(nèi)窺鏡檢查的結(jié)論意見(jiàn)，得出本次質(zhì)量事故的機(jī)理如下：

大碹保溫層過(guò)厚，造成保溫料下層溫度過(guò)高（理論計(jì)算超過(guò)1200 ℃）而熔融，保溫料和可塑料下部的熔融物在保溫料過(guò)厚或碹頂溫度較高處（熱點(diǎn)區(qū)域）黏度很低，在重力和表面張力的作用下，向下流動(dòng)，與耐火度較高的輕質(zhì)硅磚以及密封料接觸，發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，形成低共熔物，該低共熔物在更高的溫度下（計(jì)算結(jié)果大于1430 ℃）繼續(xù)侵蝕大碹磚和縫中的泥料，將磚縫侵蝕透以后，這些侵蝕產(chǎn)生的低共熔物源源不斷地滴落到玻璃液里形成大量的節(jié)瘤或結(jié)石。并且后續(xù)的低共熔物持續(xù)不斷地流下，或沿著大碹內(nèi)表面流淌，侵蝕大碹磚的內(nèi)表面，其滴落物造成玻璃板面形成更多的鋁硅質(zhì)夾雜物缺陷。所以取樣的夾雜物中有較高含量的氧化硅和氧化鋁；化驗(yàn)室試驗(yàn)也驗(yàn)證了1200℃條件下，密封料與保溫料熔融流淌的情況。

用內(nèi)窺鏡窯內(nèi)照相也證實(shí)了大碹內(nèi)表面的確有被嚴(yán)重侵蝕的問(wèn)題，如圖5所示。

圖5 窺鏡拍攝熔窯大碹內(nèi)表面被嚴(yán)重侵蝕

4 事故處理和結(jié)果及啟示

首先通過(guò)工藝調(diào)整和拆除保溫的方法將碹頂耐火材料溫度降低，以減緩低共熔物對(duì)碹頂耐火材料的侵蝕，降低玻璃缺陷數(shù)量。

清理已經(jīng)熔融的保溫料，尤其是燒結(jié)在大碹磚上表面的保溫料和其它碹頂材料燒結(jié)或熔融形成的低共熔物，現(xiàn)場(chǎng)清理特別困難，為防止今后生產(chǎn)過(guò)程中該低共熔物繼續(xù)侵蝕硅磚或硅泥，施工人員在高于60 ℃的環(huán)境下，花費(fèi)了近30天時(shí)間，才清理干凈。

清理完成以后，重新做密封料和保溫層，然后將窯爐的溫度制度逐步恢復(fù)到事故前的狀態(tài)，生產(chǎn)也逐漸恢復(fù)正常。

此事故發(fā)生已過(guò)去了五年，局限于當(dāng)時(shí)保溫材料的質(zhì)量，大碹保溫偏厚存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。目前，國(guó)家對(duì)玻璃熔窯能耗要求越來(lái)越嚴(yán)格，加強(qiáng)大碹碹頂保溫是降低玻璃能耗的重要手段之一。隨著耐火材料的發(fā)展進(jìn)步，采用優(yōu)質(zhì)的保溫材料能夠完全避免上述事故的發(fā)生。與此同時(shí)，廠家在制定大碹保溫方案，選擇保溫材料時(shí)，也要吸取教訓(xùn)，保證保溫材料與對(duì)應(yīng)保溫層溫度的合理匹配，防止類(lèi)似事故的發(fā)生。