日产8吨的高硅硼玻璃的全电熔窑炉设计1.前言所谓全电容窑炉，通常是指配合料熔成导电介质后，玻璃液体本身成为电阻组件，实现玻璃的连续融化。
但配合料（含有部分熟料）未熔成导电介质之前，即在烤窑阶段，仍需要气体或液体来加热。
玻璃电熔技术是目前国际上最先进的熔制工艺，是玻璃生产企业提高产品质量，降低能耗，从根本上消除环境污染的十分有效的途径。
对于15t/d以下的小型玻璃熔窑来说，在电力充足和电价适中的地区，用电熔工艺生产各种玻璃制品的综合经济效益是很理想的；在电价高的地区，对于生产彩色玻璃、乳浊玻璃、硅酸盐玻璃、铅玻璃、高挥发组分玻璃或特种玻璃也是很合算的。
电熔窑炉产生的废气量少，防止空气污染；能降低挥发性配合料组分的挥发；降低因结石造成的产品损失；而且玻璃成分均匀，在整个窑炉期间可始终保持满负荷的出料量。
另外它的建设投资少，占地面积小。
玻璃质量好，效率高，但成本低。
玻璃电熔窑炉也有耐火寿命短的缺陷，而且窑炉的用电成本和初期安装成本高。
玻璃电熔窑炉工作原理：玻璃在低温下几乎是绝缘的，但在高温下熔融的玻璃是一种良导体。
玻璃电熔窑炉就是将电流引入玻璃液中，玻璃液直接通电加热，通电后两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。
导电性的难易是以电阻率ρ（Ω·cm）或其倒数σ（（Ω·cm）-1）来表示，ρ值越小，则电导本领越强。
玻璃在室温下为绝缘体，它的电导率约为10-13~10-15（Ω·cm）-1。
如果提高温度，玻璃的电导率会急剧增加，在熔融状态可达到0.1~1（Ω·cm）-1。
电熔化能用来融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。
在网状结构中，含有其他改良剂离子时，能降低Na+离子的迁移和玻璃的电导率。
例如，加入Ca2+，Ba2+，Pb2+离子会大大增加玻璃的电导率。
玻璃的电阻率强烈依赖于温度，这是因为网状结构空穴中的改良离子，在电场和电场方向影响下移动，从一个空穴流向另一个空穴，离子需要能量，该能量随温度升高而降低，因此，温度升高玻璃液电阻率减小，电导率增加。
目前国外在中小型玻璃电熔窑炉的机理、技术、工艺等方面已经日趋成熟，有许多可以借鉴的理论和经验。
就中小型玻璃玻璃电熔窑炉的设计而言，不仅需要遵循玻璃电熔窑炉的常规设计原则，而且还要进一步深入探索和实践，在实际工作中应着重注意开发设计中存在的几个问题：（1）选择适当的单位熔化率为保证设备的生产效率和使用寿命，应按炉型、生产纲领等因素在0.8~1.6t/m3之间选取。
（2）炉型的选择应按熔料量的大小、电极对称布置等要求确定。
（3）电极布置根据熔料量、炉型结构及供电方式，熔化池电极可采用水平插入和垂直插入。
流液洞、上升道和工作池也要布置辅助电极。
（4）流洞的设计应考虑玻璃不产生回流、保持稳定流速和不能过冷三个问题。
（5）钼电极保护在钼电极上加上循环水套冷却电极。
2.设计任务及原始资料2.1玻璃配方2.2原始化学成分（%）设配合料水分5﹪，配合料中熟料（碎玻璃）占20﹪；玻璃液电阻率11（Ω•cm)；电极材料为φ50钼棒，每支电极水冷套吸收的热损功率为2kw,窑型可取单室，供电方式可单相、两相或三相，电极布置可水平、垂直。
2.3参数1.熔窑生产能力：G = 8 t / d；2.熔化率：K = 1.5 t/(m2･d)；3.k系数：k = 0.3；4.玻璃熔化温度：t =1650 ℃；5.玻璃液密度：ρ= 2.4 t/m3；6.窑炉长宽比：L/B = 1 ~ 1.5；3.电熔窑的结构设计3.1熔化池的尺寸在确定电熔窑主要尺寸之前，首先要知道所熔制的玻璃成分和窑的日熔化量，电熔窑的熔化率取决于玻璃的种类、电熔窑的大小。
玻璃电熔窑的热量是通过所熔化的玻璃的整个体积引入的，应以每天、每立米的体积熔化量来确定电熔窑的结构。
由于配合料的熔化过程仍在窑池表面进行。
因此，熔窑的融化池面积让可以用下式计算：F熔=G / K式中：G ——熔窑的生产能力，kg / d;K ——熔化率，kg / (m2･d)。
取K = 1.5则：F熔= 8 / 1.5 = 5.33（m2）。
为了提高熔窑的热效率，熔窑的散热比表面积应比较小，熔化池的长度L 和宽度B之比，应符合L / B= 1 ~ 1.5。
取L/B=1 则：L = 2.31 m, B = 2.31m3.2熔化池的深度（2）熔化池玻璃液深度与对角线比大致取1:1，或玻璃液深度略大于对角线的长度。
我们取电熔窑的玻璃液深度为H=3.3m，配合料的深度为200mm。
4.成分及配料计算根据玻璃的配方计算其配合料的配方：设玻璃熔化温度1650℃，配合料水分5﹪。
按玻璃的配方计算其配合料的组成，设计原料均为干燥状态，计算时不考虑水分问题。
（按每100kg用量计算）(1)砂岩的用量：80.5 ∕ 98.4×100=81.809（kg）(2)硼砂的计算：由于硼砂中含B2O3和Na2O，而Na2O含量较少，所以根据Na2O计算硼砂的含量，并且除开砂岩中含少量Na2O，硼砂的量为：（4.5×100-0.21×81.809）∕ 16.45=26.311 （kg）(3)无水硼酸的计算：考虑到硼的挥发5﹪-10﹪取8﹪的挥发量，及除开硼砂所含B2O3，所以应加入无水硼酸为：12.6 ∕（1-8﹪）-26.311×0.3621=4.169 (kg)(4)引入Al2O3加入化工Al(OH)3的量的计算：由于砂岩中含有Al2O3量为：81.809×0.76 ∕ 100=0.622 （kg)所以引入Al(OH)3为（2.1-0.622）∕ 65.38×100=2.261 (kg)(5)引入CaCO3的计算：0.3 ∕ 56.00×100=0.536（kg）生产100 kg玻璃时原料的用量如下：气体率为：（115.086-100）∕115.086=13.11﹪玻璃产率为：1-13.11﹪=86.89﹪配料百分比如下：5.热工计算配合料用量计算：配合料中生料（粉料）占80﹪，熟料（碎玻璃）占20﹪，熟料∕生料=20 ∕ 80=0.25，即1kg生料中加熟料0.25kg，可得到：1-1 ∕ 100×16.123+0.25=1.09 （kg玻璃液）因此熔化成1kg玻璃液需要生料量G生和熟料量G熟分别为：G生=1 ∕ 1.09 =0.917 (kg)G 熟=0.25∕1.09=0.229 (kg) 熔化成1kg 玻璃液需要配合料量：G 生+G 熟=0.917+0.229=1.146 (kg)在熔化1kg 玻璃液中，由熟料形成的G 熟占0.229kg 玻璃液，由生料形成的G 生占(1-0.229)=0.771kg 玻璃液。
生料熔化耗热量的计算：（1）生成1kg 玻璃液时生料熔化热量q 1 熔化硅酸盐玻璃耗热ΣGi•Hi 以形成100kg 玻璃液计算：CaO →CaO•SiO 2 0.3×1456.908=437.072(kcal ） Al 2O 3→Al 2O 3•SiO 2 2.1×724.58=1521.618(kcal ） Na 2O →Na 2O•3SiO 2 4.5×2662.0976=10179.439(kcal ） ΣGi•Hi=12138.129(kcal ） 加热剩余SiO 2耗热（Gs•△Hs)(以形成100kg 玻璃液计算）： 引入SiO 2数为：80.65∕60=1.344（kmol) 生成硅酸盐用去SiO 2数：引入CaO:0.1∕56=0.001786（kmol) 引入Na 2O:3×4.5 ∕ 62=0.21774（kmol) 引入Al 2O 3:2.1 ∕ 102=0.02059（kmol)剩余SiO 2数为：1.344-0.001786-0.21774-0.02059=1.104（kmol) Gs•△Hs=1.104×60×507.068=33588.18(kcal)生成1kg 玻璃液时生料熔化热量q 1：q 1=G 生（ΣGi•Hi+Gs•△Hs ）×1 ∕ 100=352.55(kcal ∕kg ） （2）熟料加热熔融耗热量q 2的计算：100146.0++=t c t c 平真αa=0.01ΣG i a iC 平=0.01ΣG i C i系数a i与C i的值：a=0.01×(80.5×0.000468+2.1×0.000453+0.3×0.000410+4.5×0.000829+12.6×0.000598)=0.0005001C平=0.01×(80.5×0.1657+2.1×0.1765+0.3×0.1709+12.6×0.1935+4.5×0.2229) =0.1720C真=(0.0005001×1650+0.1720)∕(0.00146×1650+1)=0.2925[kcal ∕（kg•℃）]q2=G熟•C真（t熔化-t入）=0.229×0.2925×（1650-30）=108.51（kcal ∕ kg）（3）配合料水分蒸发耗热量q3的计算：q3=595•G生•G水=595×0.771×0.05=22.937（kcal ∕ kg）所以形成1kg玻璃液需耗热量q计算考虑到结晶水排除，多晶转变，盐类分解玻生成复盐等耗热量，将q1加大3％：q玻=1.03•q1+q2+q3=1.03×352.55+108.51+22.937=494.57（kcal∕kg）Q熔=G•q玻=8×1000×494.57=3956560（kcal∕h）=3956560×4.186∕3600(kw)=4600.6(kw)6.耐火材料选择与界面温度合理选用全电熔窑各部位耐火材料，以满足熔制工艺上的要求，直接关系到电熔窑的产量、玻璃的质量、电熔窑的寿命、投资的成本。
全电熔窑对耐火材料的要求：（1）对玻璃无污染或污染程度很小。
（2）在正常使用温度下，必须具有很高的化学稳定性，能抗玻璃液和配合料的侵蚀，相邻耐火材料之间无接触反应。
（3）必须具有很高的高温机械强度。
（4）必须具有很高的耐火度。
（5）必须具有很高的抗热冲击性能。
（6）在正常使用温度下，体积的固定性要好，重烧收缩率和膨胀率应尽可能小。