Projekt 2.docx

Adrian Lech

Technologia Chemiczna WIMiC

Termodynamika techniczna

Projekt nr 2

Temat: WS.9. Projekt wyłożenia basenu topliwnego wanny szklarskiej do produkcji szkła kryształowego (ołowiowego).

Dane:

Piec – rekuperacyjny typu Unit Melter

Wydajność:

a)     Dobowa - 30 Mg/24h

b)    Jednostkowa - 0,9 Mg/m2·24h

Temperatura wytopu – 14500C

Zakres projektu:

Określić warunki pracy (ustalić krzywą temperatur w piecu) i wymagania jakościowe w stosunku do materiału wyłożenia, ustalić konstrukcję i wymiary basenu (geometrię dna), dobrać materiał i formaty bloków oraz płytek na warstwę roboczą basenu, dobrać materiał i grubości warstw roboczych i izolacyjnych, określić temperaturę zewnętrznej powierzchni ściany basenu w strefie maksymalnej temperatury.

Spis treści

1. Spis rysunków.

2. Wstęp.

3. Dobór materiałów.

4. Obliczenia cieplne obmurzy.

    4.1              Obliczenie grubości potrzebnej warstwy izolacyjnej dla ścian basenu wanny.

           4.1.1              Obliczenie współczynnika przenikania przez ścianę.

           4.1.2              Obliczenie gęstości strumienia cieplnego przepływającego przez ścianę.

5. Określenie wymiarów pieca.

6. Określenie budowy trzonu basenu.

7. Schemat wymurówki basenu wanny szklarskiej.

8. Określenie zapotrzebowania materiałowego.

    8.1              Określenie zapotrzebowania na bloki HZ.

    8.2              Określenie zapotrzebowania na płyty HZ.

    8.3              Określenie zapotrzebowania na zasypkę AZS.

    8.4              Określenie zapotrzebowania na prostki AZS.

    8.5              Określenie zapotrzebowania na prostki klinkierowe.

    8.6              Określenie zapotrzebowania na prostki szamotowe.

           8.6.1              Określenie zapotrzebowania na prostki szamotowe jako izolacji dla ścian.

           8.6.2              Określenie zapotrzebowania na prostki szamotowe jako izolacji dla trzonu.

    8.7              Określenie zapotrzebowania na zaprawę szamotową.

9. Obliczenie wielkości szczelin dylatacyjnych.

    9.1              Obliczenie szczelin dylatacyjnych dla bloków HZ.

    9.2              Obliczenie szczelin dylatacyjnych dla płyt HZ.

    9.3              Obliczenie szczelin dylatacyjnych dla pierwszej warstwy szamotowej .

10. Bibliografia.

1.      Spis rysunków.

str. - Rys. 1 Krzywa temperatury w piecu zmianowym wraz ze schematem wanny szklarskiej.

str. - Rys.2 Diagram fazowy układu AZS.

str. - Rys.3 Rozszerzalność cieplna topionych materiałów AZS i HZ w funkcji temperatury.

str. - Rys.4 Przewodność cieplna topionych materiałów AZS i HZ w funkcji temperatury.

str. - Rys.5 Schemat poglądowy warstw wymurówki ścian.

str. - Rys. 6 Schemat poglądowy budowy trzonu.

str. - Rys.7 Schemat wymurówki basenu wanny.

2.      Wstęp.

Szkło jest materiałem amorficznym powstałym w wyniku przechłodzenia stopionej masy szklanej do stanu stałego bez krystalizacji. Charakteryzuje się uporządkowaniem bliskiego zasięgu (podobieństwo do cieczy). Otrzymujemy je poprzez topienie w piecu szklarskim mieszaniny surowców, z których głównym jest krzemionka w postaci piasku szklarskiego. Oprócz głównego składnika są jeszcze dodatki w postaci topników, które obniżają temperaturę pracy pieca, substancje klarujące (takie jak saletra potasowa i arszenik) oraz potaż, który jest nośnikiem tlenku potasu i w tym przypadku także tlenki ołowiu (minia – Pb3O4), które definiują właściwości szkła ołowiowego. Dodawana jest także stłuczka szklana.

Zmianowe piece wannowe to jeden z typów pieców używanych do otrzymywania szkła. Charakteryzują się ciągłą pracą, toteż materiały używane do produkcji tych pieców nie są narażone na wstrząsy termiczne, gdyż są poddawane niewielkim wahaniom temperatury.

W piecach tych wszystkie etapy i procesy wytapiania szkła zachodzą jednocześnie, tylko w innych częściach wanny zmianowej. Poszczególne strefy pokazane są na rysunku wraz z krzywą temperatury (rys.1).

Rys.1 Krzywa temperatury w piecu zmianowym wraz ze schematem wanny szklarskiej.

Jak widzimy najwyższe temperatury panują w centrum części topliwnej, gdzie następuje roztapianie zestawu szklarskiego, który jest doprowadzany do pieca przez tzw. kieszeń zasypową. W piecu typu Unit-Melter topienie odbywa się poprzez system palników, które są umieszczone wzdłuż ścian w ilości 6-12 sztuk (zależne od wielkości pieca). Paliwem jest tutaj gaz ziemny, który jest rekuperowany tzn., że do jego wstępnego podgrzania wykorzystuje się spaliny, poprzez system rur, których ściany są najpierw ogrzewane przez spaliny, a następnie ciepło swoje oddają gazowi ziemnemu, który jest przez nie potem przepuszczany.

W części topliwnej mamy kilka procesów, które tam zachodzą. Są to między innymi usuwanie wody, przemiany polimorficzne SiO2 czy tworzenie się krzemianów. Następnie dochodzi też do klarowania się roztworu, czemu sprzyja wysoka temperatura i obecność substancji klarujących. Przed częścią wyrobową masa szklana powinna być jeszcze ujednolicona, aby nie było zbyt dużych odstępstw właściwości szkła dla różnych jego warstw, czemu sprzyja obniżenie temperatury poniżej tej, w której szkło jest klarowane.

Pomiędzy częścią topliwną a wyrobową znajduje się przewężenie, które oddziela te dwie strefy. Ma to na celu nie dopuszczenie do części wyrobowej powierzchniowej części masy, która może zawierać niestopione cząstki zestawu, a także być mniej wyklarowana. Stosuje się więc rozwiązania mające na celu uniemożliwienie przepływu tej warstwy do dalszej części pieca – najlepsze rozwiązanie to zbudowanie przepływu na poziomie dna oddzielającego obie części pieca. Częstym rozwiązaniem jest też oddzielna budowa tych części pieca, co pozwala także na utrzymanie na tyle nieskiej temperatury w części wyrobowej,  aby możliwe było osiągnięcie odpowiedniej lepkości dla danego sposobu formowania– w innym przypadku stosowane są też w tym celu ogniotrwałe ekrany zawieszone kilka centymetrów nad lustrem masy.  W piecach typu Unit-Melter często ściany części wyrobowej posiadają okna, przez które można pobierać masę szklaną do ręcznej obróbki dla celów artystycznych (np. wydmuchiwanie przez metalowe rurki – piszczele).

Wanna szklarska, a zwłaszcza jej basen, to miejsce szczególnie narażone na działania korozyjne i erozyjne, takie jak:

- wysoka temperatura

- naprężenia cieplne

- korozja masą szklaną

- erozja masą szklaną

- kawitacja (erozyjne działanie pęcherzyków powietrza).

Wysoka temperatura nie jest sama w sobie przyczyną erozji czy korozji, ale wzmaga działanie innych czynników. W podwyższonej temperaturze łatwiej zachodzą reakcje chemiczne pomiędzy związkami chemicznymi w szkle a obmurzami, co realnie wpływa na ich żywotność.

Najnowszymi i najszerzej wykorzystywanymi materiałami ogniotrwałymi w przemyśle szklarskim są materiały topione, które charakteryzują się zerową porowatością, co jest bardzo dobrym rozwiązaniem dla stopionej masy szklanej – powierzchnia styku szkła i obmurowania jest najmniejsza, dzięki czemu ilość zachodzących reakcji jest najmniejsza. Podział materiałów ze względu na skład chemiczny i fazowy:

- AZS – korundowo cyrkonowe,

- HA – wysoko korundowe,

- HZ – wysoko cyrkonowe.

Teoretyczną podstawą dla projektowania topionych materiałów, złożonych z tlenku glinu, dwutlenku cyrkonu i dwutlenku krzemu stanowi trójskładnikowy diagram

Al2O3 - ZrO2 - SiO2 przedstawiony na rys.2.

Rys.2 Diagram fazowy układu AZS.

Właściwości tych materiałów można w dużym stopniu zmieniać poprzez stosowanie różnych proporcji tlenków składowych. Najbardziej interesujące są składy kompozycyjne zlokalizowane w części diagramu o wysokiej zawartości Al2O3.

W zależności od zawartości tlenku ZrO2, w wyrobach wyróżniamy następujące ich odmiany:

- AZS – 41, wyroby o zawartości 41% ZrO2,

- AZS – 34, wyroby o zawartości 34% ZrO2

- AZS - 32, wyroby o zawartości 32% ZrO2

Materiały te charakteryzują się zróżnicowanym składem chemicznym i fazowym oraz zawartością fazy szklistej. Topione bloki AZS zawierają od 15-21% fazy szklistej,

z której w temperaturze powyżej 15000C wypaca się na powierzchnię bloku około 2-3%  tej fazy, co  może  prowadzić do powstawania defektów. Odporność korozyjna tych materiałów wzrasta wraz ze wzrostem zawartości ZrO2.

Materiały topione z układu AZS stosowane są na wyłożenia basenu wanien szklarskich do produkcji szkieł wysoko-alkalicznych oraz boro - krzemowych.

Głównym składnikiem wyrobów wysoko-korundowych (HA) jest Al2O3, który jest najbardziej pożądanym tlenkiem wyrobów topionych, ze względu na wysoką jego odporność na działanie szkieł krzemianowych.

              Różne odmiany tych materiałów zawierają jako składnik główny α-Al2O3. Niekiedy przekształca się część lub prawie całość tego tlenku w odmianę β- Al2O3. Odmiana ta jest odporna na działanie alkaliów z przestrzeni roboczej wanny oraz ze względu na obniżoną rozszerzalność cieplną wykazuje lepszą odporność na zmiany temperatury.

              Inną odmianą są wyroby zawierające obie formy tlenku α + β Al2O3, w określonych warunkach roboczych wykazują zwiększoną odporność korozyjną. Szczególnie odporną na korozję i erozję szkła jest odmiana zawierająca dodatek związków chromu i żelaza. Ich wadą jest jednak przechodzenie do masy szkła barwnych tlenków, w miarę zużywania się obmurza wanny.

Topione materiały wysoko-cyrkonowe (HZ) zawierają: około 94% jednoskośnego ZrO2, 4 ÷6 %SiO2 , 0,6÷ 1,2 % Al2O3  oraz około 0,4 % Na2O.

Bloki te stosowane są do produkcji szkieł bezalkalicznych, ołowiowych, borowych. Porównanie rozszerzalności cieplnej i przewodności cieplnej topionych wyrobów AZS

i HZ przedstawiono na rysunkach 3 i 4.

Rys.3 Rozszerzalność cieplna topionych materiałów AZS i HZ w funkcji temperatury.

Rys.4 Przewodność cieplna topionych materiałów AZS i HZ w funkcji temperatury.           

3.      Dobór materiałów.

Materiał z jakiego są zbudowane obmurza zależy od atmosfery z jaką ma styczność. Basen wanny ma kontakt z samą masą szklaną, toteż musi się charakteryzować wysoką odpornością na korozję. I tak wyłożenie dna (trzon) zbudowane jest z płyt wysokocyrkonowych. Ściany basenu zbudowane są z tego samego materiału, ale są to już bloki układane palisadowo, aby zmniejszyć ryzyko korozji wzdłuż spoin. Ważny jest fakt, że budując basen nie używa się żadnych zapraw do murowania – bloki lub płyty mają tak dobrane wymiary, aby pasowały na styk.

Zaprawy wchodzą do użytku dopiero przy murowaniu ścian w przestrzeni ogniowej i sklepienia. Dla tych obmurzy stosuje się materiały krzemionkowe, które ulegając erozji nie zanieczyszczają masy szklanej. Ciekawostką jest fakt, że obmurowania części ogniowej nie są układane na ścianach basenu wanny, ale na wspornikach przytwierdzonych do słupów kotwiących. Podobnie jest ze sklepieniem. Takie rozwiązanie umożliwia dokonywanie remontów poszczególnych części pieca, bez konieczności burzenia go w całości.

Do produkcji szkła ołowiowego na obmurza mające kontakt z kąpielą szklaną używa się materiałów topionych wysokocyrkonowych. Do wyłożenia trzonu basenu wanny szklarskiej służą płyty o wymiarach 600-1000 x 300-500 x 50-300 [mm]. Ściany basenu zbudowane są z bloków układanych palisadowo o wymiarach 500-1830 x 300-750 x 200-300 [mm].

Budowa ścian:

- warstwa robocza (posiadająca styk z kąpielą) – bloki wysokocyrkonowe (93% ZrO2, 6-7% faza szklista, stabilizowane Y2O3) o wymiarach 1200x500x300 [mm]

- warstwa szamotowa izolacyjna – prostki o wymiarach 230x114x64 [mm].

Budowa trzonu:

- warstwa robocza – płyty wysokocyrkonowe (93% ZrO2, 6-7% faza szklista, stabilizowane Y2O3) o wymiarach 1000x400x120 [mm]

- warstwa ochronna z zasypki AZS o grubości 30 [mm]

- warstwa pośrednia z wyrobów topionych AZS z 32% zawartością ZrO2 prostki o wymiarach 230x114x64 [mm]

- warstwa szamotowa izolacyjna - prostki o wymiarach 230x114x64 [mm]

- cegła klinkierowa – prostki o wymiarach 230x114x64 [mm].

Do spajania prostek izolacyjnych używane są zaprawy szamotowe o zawartości Al2O3 min. 38% (maksymalna temperatura pracy do 14500C).

Właściwości mechaniczne i cieplne poszczególnych materiałów zostały zebrane w tabeli 1.