CN118005260A - 一种玻璃熔制方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种玻璃熔制方法，先转动陶瓷球磨机搅拌包括过细石英砂在内的各类玻璃原料以得到混合均匀且温度大于40℃的配合料，随即进行压制得到压实配合料板块，并通过平稳的输送带将覆盖一层含一定浓度的水玻璃溶液的胶凝层的压实配合料送入加长预熔池进行预熔，并连续进入熔化池熔化。本发明利用陶瓷球磨机研磨过细石英砂等玻璃原料，并于压实配合料面上覆盖胶凝层，再配合加长预熔池的预熔，不仅使在传统玻璃工厂被弃用的过细石英砂也能用于玻璃制造，并且配合料无需混入粘结剂也能确保配合料在输送和熔化过程中均不会分层和飞扬，使玻璃品质提高的同时也有效降低玻璃配合料压块的应用成本，并显著提高熔化率、熔化质量和降低燃料消耗量。

Description

一种玻璃熔制方法

技术领域

本公开涉及玻璃生产技术领域，具体为一种玻璃熔制方法。

背景技术

此部分的陈述仅仅提供与本公开有关的背景技术信息，并且这些陈述可能构成现有技术。在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题。

玻璃是非晶无机非金属材料，主要成分是SiO₂和其它氧化物，也即是硅酸盐复盐。熔制玻璃的配合料里主要原料是石英砂，其余依次是纯碱、方解石、氧化铝等其他辅助原料组成，不同类型玻璃的原料会有所不同。其中SiO₂是玻璃的骨架，由原料石英砂含SiO₂为98％左右引入，一般情况占玻璃成分的70％左右，其熔点在1700℃以上，属于难熔原料，要使其在通常熔制温度为1520℃左右熔化，主要需要助熔原料的包裹来实现。将配合料经过高温加热形成均匀的、无气泡的(即把气泡条纹和结石等减少到容许限度)，并符合成型要求的玻璃液的过程，称为玻璃的熔制。

玻璃熔制是玻璃生产中的核心环节。玻璃的许多缺陷(如气泡、结石、条纹等)，都是在熔制过程中造成的。玻璃的产量、质量、合格率、生产成本、燃料消耗和池炉寿命等都与玻璃的熔制有密切关系。因此，进行合理的玻璃熔制，是使整个生产过程得以顺利进行，并生产出优质玻璃制品的重要保证。

玻璃配合料的熔制是通过硅酸盐的形成、玻璃的形成、澄清、均化和冷却这五个过程来实现的。其中玻璃的形成过程是熔制的重中之重，大量的燃料成本及熔制质量和窑炉寿命主要取决于这个过程。玻璃配合料涉及到原料的颗粒组成、一定量水分、一定量气体的含量和配合料的均匀度的控制。这些控制关系到玻璃液的熔制速度、玻璃液的均匀度和玻璃液的熔制质量。

衡量玻璃形成过程的结束，显著的特征是难熔原料石英砂颗粒的熔化消失。石英砂颗粒的大小及组成的均匀程度对于配合料的混合均匀、分聚、熔融和玻璃液的均化速度以及减少玻璃制品的外观缺陷有着十分重要的影响。实践证明，砂粒过大，会熔化困难，易产生出未熔的结石(疙瘩)；颗粒较小而且均匀时，砂粒与助熔组分有充分的接触面积，容易混合均匀，不易分层，有利于熔融和均化。但颗粒太细时，虽然在一般情况下，配合料熔化成钠钙硅玻璃所需分钟时间(t)与石英砂颗粒的厘米半径(r)的三次方成正比，即t＝k×r³，颗粒越细则玻璃越容易熔化。但是玻璃工厂实际生产中，由于石英砂颗粒过细，表面活性(即表面能)就越大，极易吸附水而结团，致使配合料制备难以拌合均匀，从而影响玻璃的熔化和澄清速度和导致玻璃缺陷(结石、条纹)的产生。同时，过细的石英砂粒往炉内送料时，受热后易被燃烧气体带进蓄热室，由此不但堵塞格子体，而且影响玻璃组成的稳定。所以，普遍玻璃工厂还是沿用近百年实践经验，用于池炉熔制的石英砂粒径一般为0.15～0.8mm之间，而0.25～0.5mm的颗粒不应低于90％，0.1mm以下的颗粒不超过5％为标准。

为了加速玻璃的形成，提高熔化效率。为此，国外从十九世纪30年代开始对玻璃配合料进行配合料粒化，即压块和成球技术的研究，并在十九世纪80年代达到高峰。配合料粒化的显著优点和价值是解决了配合料在输送和贮存过程中的分层、飞料，特别是往熔炉中投料时纯碱等的飞料问题，有效避免对耐火材料和蓄热室格子砖的侵蚀，有效避免影响玻璃成分、熔制质量和对大气的污染。同时，配合料的粒化(压块或成球)还对颗粒间的接触面积增加，有利于固相反应，增加导热率(粉料的导热系数为0.235，粒化后为0.37千卡/米·时·度)，较细的石英砂表面覆盖有均匀的液态碱，将加速初液相的形成。配合料粒化可以采用细粉状原料，能缩短熔化时间，据试验可缩短熔化时间30～40％，同时能提高玻璃的熔化质量，使玻璃中的气泡结石减少，从而增加玻璃的产量，提高熔化率30～40％。

在配合料粒化研究的过程中，采用了凹坑对辊压实粒化、圆盘滚动成球粒化、圆筒回旋成球粒化、挤塑机挤模成条粒化、光滑对辊压条带的粒化等等方法。上述几种方法研究最多而且进展最大的是压块和成球两种方法。但从经济效益和成本预算上来说，压实粒化法具有很高的研究价值。实践证明，粒化后的玻璃配合料的熔化温度比粉状配合料降低了80℃～100℃，熔化速率提高了10～20％。国内在十九世纪“六五”期间曾进行过玻璃配合料压块方面的研究，并在浮法玻璃工业实验线上进行了实验，但由于找不到合适的粘结剂，致使粒化的玻璃配合料干燥强度低，在窑炉高温熔制时配合料容易松散飞扬而最后影响玻璃品质，此后该研究陷入中断。改进玻璃配合料制备工艺是一个重大的长期课题。对玻璃配合料进行粒化或者压块是玻璃行业节能减排的一种重要而有希望的方法，一直吸引着国内外许多研究者的关注。但迄今为止，玻璃配合料的粒化仍然停留在实验阶段，尚未取得大规模工业化应用，许多关键技术尚未取得突破，从而制约了这一技术的进一步发展。

目前采用粘结剂的玻璃熔制方法，部分采用申请号CN117185663A专利名称为“一种以榴辉岩尾矿制备微晶玻璃的方法”的工艺流程，包括原料混合——混合机搅拌——添加粘结剂以压制成压实配合料——通过输送带送入熔炉熔化，之后就是产品成型等工艺。但此类方案均存在下列的诸多瓶颈。

瓶颈一是配合料搅拌均匀问题。一直采用的是混合机对粒化前配合料搅拌时，对结团细砂或过细砂搅拌均匀困难，故无法采用过细石英砂作为制作玻璃的原料。

瓶颈二是玻璃配合料的粘结问题。由于玻璃原料自身不具有粘塑性，特别是高温松散产生飞料问题，故在粒化或压块前的配合料混合或在制球过程中必须要加入粘结剂或进行烘干或进行烧结。烘干和烧结的成本太高难以应用，而采用粘结剂的话，则要求粘结剂低价、无毒、无腐蚀性、不能含有对玻璃有害的组分、且能使粒化后的玻璃配合料达到所需的干燥强度，和满足高温不松散要求。同时符合这些要求的粘结剂或粒化方法尚未被找到。

瓶颈三是由于上述传统的粒化方法的特征是一次成形或无压滚沾成形，而且所用的粘合剂为苛性钠、石灰乳溶液或水玻璃，因此很难达到所需的干燥强度，造成在加工、贮存、运输、尤其是窑内加热时的松散破碎率极高产生飞扬无法应用的难题。

另外，鉴于玻璃配合料粒化和压块方法是能显著提高玻璃熔化率等综合效益的有效途径，那么，如何降低制球或压块制作成本和破解工艺难题也是亟待解决推广应用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于解决现有技术中的一部分问题，或至少缓解这些问题。

一种玻璃熔制方法，包括如下步骤：

将各类玻璃原料称量待用；

转动混合机构，向其内加入各类玻璃原料以得到混合均匀的温度大于40℃的配合料；

将所述配合料快速加入辊压机或压球机，以制成压实配合料；

将所述压实配合料经过输送带平稳送入窑炉的预熔池进行预熔；其中，在送入预熔池前于所述压实配合料面上覆盖一层气硬性的胶凝层；

预熔后的配合料进入窑炉的熔化池熔化。

可选的，所述气硬性的胶凝层由水玻璃构成，或由水玻璃与石灰乳的混合液构成。

所述预熔池为加长预熔池，以使所述压实配合料充分预熔。

进一步的，所述加长预熔池内烟气呈微正压，具有充裕CO₂气体，且温度大于1200℃。

优选，所述混合机构为球磨机。

进一步的，所述球磨机为陶瓷球磨机。

转动混合机构，向其内加入各类玻璃原料以得到混合均匀的温度大于40℃的配合料，包括如下步骤：

转动球磨机，第一次将石英砂和含铝原料加入球磨机后，并补充水分；

随后第二次加入纯碱原料；

球磨达到设定时间时，第三次进入其它原料；

当球磨机内的原料达到均匀混合并适当球磨后，得到配合料。

进一步的，所述石英砂为过细石英砂；所述其他原料包括但不限于方解石和白云石。

所述输送带为平稳的密封输送带。

进一步的，所述密封输送带为板状密封输送带。

本发明具有如下有益效果：

1、本申请采用混合机构进行玻璃原料的搅拌混合，并将混合均匀的温度大于40℃的配合料制作的压实配合料面上覆盖一层含水玻璃的胶凝层，再配合加长的预熔池，使得配合料无论在输送带上的常温输送过程还是在窑炉的高温环境松散，也能防止分层和飞料，很好的替代了粘结剂，使得玻璃品质提高的同时也有效降低玻璃配合料压块应用成本，并起到减小污染等作用；

2、本申请采用陶瓷球磨机，较金属球磨机更不易造成对配合料的污染，利用氧化铝磨料对物料进行研磨细化，尤其是对特别容易结团的过细石英砂问题的配合料能达到混合均匀的效果，使在传统玻璃工厂被弃用的过细石英砂也能用于玻璃制造，不会影响玻璃的熔化和澄清速度而导致玻璃结石、条纹的产生，也不会在往炉内送料和熔化时被燃烧气体带进蓄热室导致堵塞格子体和影响玻璃组成稳定的情况发生；

3、且采用过细石英砂作为玻璃熔制的原料，并配合上述球磨机和覆盖胶凝层的工艺，较现状石英砂或细粉石英砂，可以大幅度缩短配合料的熔制时间，从而显著提高熔化率、熔化质量和降低燃料消耗量。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明，本发明的实施例只用于说明本发明而非限制本发明，在不脱离本发明技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，作出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。

如图1所示，一种玻璃熔制方法，包括如下步骤：

将各类玻璃原料称量待用；

转动混合机构，向其内加入各类玻璃原料以得到混合均匀的温度大于40℃的配合料；

将所述配合料快速加入辊压机或压球机，以制成压实配合料；

将所述压实配合料经过输送带平稳送入窑炉的预熔池进行预熔；其中，在送入预熔池前于所述压实配合料面上覆盖一层气硬性的胶凝层；

预熔后的配合料随即进入窑炉的熔化池熔化。熔化后经澄清、均化和冷却过程即可进行玻璃制品的生产工艺。

所述混合机构为球磨机，也可采用混合机等。辊压机可为高压对辊机等，将配合料制成符合厚度和宽度要求的压实配合料板；压球机可为高压制球机等，将配合料制成球粒。

气硬性指在大气中常温下与微弱的二氧化碳的碳化反应，即可逐渐凝结硬化而具有相当强度的性质。气硬性胶凝材料有石灰、石膏和水玻璃。优选，所述气硬性的胶凝层由水玻璃构成，或由水玻璃与石灰乳的混合液构成。

硅酸钠，俗称泡花碱，是一种无机物，化学式为Na₂O·nSiO₂，熔点1089℃，其水溶液俗称水玻璃，是一种矿黏合剂和气硬性材料。它是一种可溶性的无机硅酸盐，具有广泛的用途。矿粘合剂的特性主要包括以下几个方面：

1、亲水性：矿粘合剂具有良好的亲水性，能够与水分离形成稳定的结构。

2、络合性：矿粘合剂具有较强的络合能力，可以与其他物质发生化学反应，提高材料的粘合力。

3、速凝性：矿粘合剂能够在较短的时间内硬化，适合快速施工的需要。

4、水解还原性：矿粘合剂具有一定的水解还原性，这有助于其在特定条件下更好地发挥作用。

水玻璃(硅酸钠)的粘结硬化是由于水解作用生成不稳定的硅氧凝胶进行聚集，甚至形成氧化硅结晶骨架的结果。当干燥后大量形成的凝胶更加紧缩，结合体的强度因而提高。特别是压实配合料进入预熔池时，面上喷涂的液体水玻璃与充裕的二氧化碳反应，能加快形成无定形硅酸凝胶干燥硬化为相当强度的壳体。同时，水玻璃在200度加热蒸发掉水分后可变成固体。硬化时间与温度呈现正相关关系，即温度越高，硬化速度越快。压实配合料进入预熔池时的高温时，喷涂的水玻璃薄层会加速硬化形成硬壳覆盖在压实配合料面上，能有效防止受热松散飞料问题出现。

水玻璃凝固的速度取决于几个因素，包括温度、浓度和和PH值。在高温下，水玻璃凝固的速度会加快，而在低温下，水玻璃凝固的速度会减慢。凝固后的物理化学性质都有所改变，凝固后的水玻璃具有较高的硬度和强度。水玻璃在固化后几乎不溶于水。这是因为水玻璃的固化过程涉及到水分子与水玻璃中的钠离子和硅酸根离子的结合。

水玻璃与二氧化碳的碳化反应式:

Na₂O·nSiO₂+CO₂+mH₂O＝Na₂CO₃+nSiO₂·mH₂O

nSiO₂·mH₂O＝nSi₂+mH₂O

本发明在玻璃原料混合时采用了球磨机，不仅能使原料搅拌均匀，还利用球磨机研磨发热特性，使经过一段时间研磨得到的配合料的温度比混合机35℃左右更高，增加了配合料的粘附状态，给予压制成型提供了良好条件。故可趁热及时进入高压对辊机或高压制球机里制成符合要求厚度和宽度压块的配合料，或粒状配合料。因为配合料在混合后所保持湿润时间随水/纯碱比例和温度的增加而增加，故压实配合料可以达到一定的输送强度，在输送带输送的常温情况下也不会松散飞扬。同时将在输送带上输送的压实配合料面上覆盖一层含水玻璃的胶凝层，后通过输送带输送的作用力连续的、平稳的送入预熔池进行预熔，随即进入窑炉的熔化池。采用上述方法避免了现有粘结剂的缺陷，同时又能切实防止和弥补压实配合料在高温作用下发生松散产生飞料的问题。

所述预熔池为加长预熔池，以使所述压实配合料充分预熔。由于本发明的一定温度的压实配合料带有少量水分，具有一定自身粘附性，压制后具有一定的强度，在输送时其面上覆盖了一层含水玻璃的胶凝层，常规的预熔池并不能很好的使其表面充分预熔，故需采用加长的预熔池，以增加预熔时间。所述加长预熔池内烟气呈微正压，具有充裕CO₂气体，且温度大于1200℃。

气硬性胶凝层很薄，可以附着在压实配合料面上。胶凝液和配合料的少量水分，是配合料通过窑炉加料口与熔化池之间的预熔池前端迅速蒸发掉，并通过窑炉自身的微正压而排除加料口外。胶凝层与炉气中充裕的CO₂碳化反应后，形成无定形的硅酸凝胶，同时在高温的作用下迅速干燥成为硬壳，即可以保持硅酸盐形成过程之前对高温作用松散的配合料的覆盖，不使其飞扬。另一方面，水玻璃本身就是低熔的硅酸盐，配合料表面硅酸盐形成得以烧结时，这薄层的胶凝层与其化学反应，从而被熔融和熔化而消失。胶凝材料的成分均是属于组成玻璃的氧化物，熔化后进入玻璃的成分里，不影响玻璃的质量。

转动混合机构，向其内加入各类玻璃原料以得到混合均匀的温度大于40℃的配合料，包括如下步骤：

转动球磨机，第一次将石英砂和含铝原料加入球磨机后，并视情况补充水分；

随后第二次加入纯碱原料；

球磨达到设定时间时，第三次进入其它原料；

当球磨机内的原料达到均匀混合并适当球磨后，得到配合料。

采用上述顺序依次加入原料，可使石英砂包裹助熔原料和其他原料搅拌均匀的同时保证研磨时间，以便使温度处于40℃以上，是为了压实配合料的强度便于输送，防止之后制作的压实配合料输送过程松散飞扬。所述其他原料包括但不限于方解石和白云石。当然，玻璃原料也可根据其不同原料及配比采用不同的顺序加入球磨机。各种合格的玻璃原料在群仓自动称量后待用。

所述干粉石英砂为过细石英砂。过细石英砂可以是过细干粉石英砂或是微量水分的结团石英砂。由于采用的球磨机搅拌，球磨机的研磨方式可使过细干粉石英砂和结团石英砂也能拌合均匀，避免影响玻璃的熔化和澄清速度和导致玻璃结石、条纹的产生，同时采用压实配合料面上喷涂覆盖水玻璃层，也不会在往炉内预熔和熔化时被燃烧气体带进蓄热室导致堵塞格子体和影响玻璃组成稳定的情况发生。并且，玻璃配合料采用过细的石英砂替代常规石英砂或细粉石英砂，除了资源再生利用和环保因素考虑外，也是因为配合料熔化成钠钙硅玻璃所需的分钟时间(t)与石英颗粒的厘米半径(r)的三次方成正比，即t＝k·r³，表明石英颗粒越细则玻璃越容易熔化。过细石英砂与球磨机和胶凝层工艺相配合，较现状石英砂或细粉石英砂，在防止分层飞料的情况下，可以大幅度缩短配合料的熔制时间，从而显著提高熔化率、熔化质量和降低燃料消耗量。如现有天然气马蹄焰玻璃池炉的钠钙硅玻璃熔化率普遍在1.6T/m²·24h左右。改进后能达到2.1T/m²·24h左右。

优选，所述球磨机为陶瓷球磨机。相较于金属球磨机，陶瓷球磨机不易造成对物料的污染。全部原料完全达到均匀混合(同时受到适当球磨)时，即可放出陶瓷球磨机近乎为最大限度粉碎的优质配合料。据实验指出，将整个配合料经过最大限度地粉碎之后，对纯碱配合料来说玻璃形成速度增加了3.5倍，对纯碱芒硝配合料则增加了6倍(与普通粒度相同的配合料比较)。

本发明利用陶瓷球磨机替代重力式或强制式混合机的原因，是因为配合料均匀度的优劣将影响玻璃制品的产量和质量，玻璃工厂至今一直沿用教科书要求的混合机对配合料的混合程度受限，所以均匀度优良的配合料是熔制均匀玻璃液的前提。尤其是原料具有强烈的结团倾向时，就会阻碍物料的均匀分布，只是强制式比重力式为好。而陶瓷球磨机显著优点是利用氧化铝磨料对物料进行研磨细化，尤其是对特别容易结团的过细石英砂问题的配合料能达到混合均匀的效果。

所述输送带为平稳的密封输送带，使压实配合料在输送带上输送时掉灰少，以防止掉灰。所述密封输送带为板状密封输送带，当然也可采用其他形式的输送带。

工作原理：

为了防止压实配合料在高温作用下松散产生飞扬，采取的措施是在输送带上连续喷涂或覆盖一层胶凝材料一定浓度水玻璃溶液，也可根据需要适当掺入石灰乳或菱苦土等复合胶凝层配合料板面上，通过输送带输送的作用力平稳入炉。途经烟气呈微正压，具有充裕CO2气体，且大于1200℃高温的加长预熔池的过程中，压实配合料由于受热会变为松散状态，其厚度的一部分会下沉在玻璃液体里，一部分会浮在玻璃液上面。浮在玻璃液上面的配合料受热脱水，粘附作用消失和发生松散情况是在500℃前发生的，由于水玻璃凝胶的熔点是大于500℃，特别是从进入预熔池受热松散的配合料覆盖的胶凝层NaSiO₃与CO₂发生碳化反应，形成硅酸凝胶和碳酸钠，并在高温作用下，使胶凝层迅速固化形成硬壳，水汽通过固化层微孔排出，所以松散配合料不会发生飞料；下沉在玻璃液里的配合料由于玻璃液的包裹也不会发生飞料；并且由于是薄层给料，料层边缘逸出微量松散部分因为没有火焰的直接冲击和预熔效果，其飞料可忽略不计。虽然固化层Na₂SiO₃的熔点是1088℃，但由于与配合料易熔组分和低共熔物紧密接触，在800～900℃配合料就变成不透明的烧结物。故预熔池具有1200℃以上的温度，完全能够达到配合料的预熔效果。采用加长预熔池，能使配合料在预熔池停留时间更长，预熔效果更好。随着硅酸凝胶和碳酸钠的不断形成和温度的升高，硅酸盐不透明物的形成，覆盖薄层会不断的消失，从而使预熔后的配合料层厚度更薄。如天然气马蹄焰池炉而言，预熔后的配合料随即进入熔化池的火焰与玻璃液面交角的负压区，不易受到火焰的冲击跑料现象发生使熔化稳定。由于配合料采用过细石英砂，助熔原料对其包裹的比表面积大幅度增加，使玻璃液的熔化能力和熔化质量得以大幅度提高。熔化彻底的玻璃液更利于玻璃的澄清和均化时间的缩短，冷却到成型温度的优质玻璃液成型的产品质量能大幅度提高。

以上输送带输送压实配合料的宽度和厚度是根据窑炉大小和出料量多少来设定的，快慢是根据液面实时波动情况，设定的由液面自动控制仪来控制的。采用输送带将配合料输送入炉内，可免去现有的加料机设备，增加加料口的密封程度，减少现有加料口的高温散热损失。

Claims (10)

1.一种玻璃熔制方法，其特征在于，包括如下步骤：

将各类玻璃原料称量待用；

转动混合机构，向其内加入各类玻璃原料以得到混合均匀的温度大于40℃的配合料；

将所述配合料快速加入辊压机或压球机，以制成压实配合料；

将所述压实配合料经过输送带平稳送入窑炉的预熔池进行预熔；其中，在送入预熔池前于所述压实配合料面上覆盖一层气硬性的胶凝层；

预熔后的配合料进入窑炉的熔化池熔化。

2.根据权利要求1所述的玻璃熔制方法，其特征在于，所述气硬性的胶凝层由水玻璃构成，或由水玻璃与石灰乳的混合液构成。

3.根据权利要求1所述的玻璃熔制方法，其特征在于，所述预熔池为加长预熔池，以使所述压实配合料充分预熔。

4.根据权利要求3所述的玻璃熔制方法，其特征在于，所述加长预熔池内烟气呈微正压，具有充裕CO₂气体，且温度大于1200℃。

5.根据权利要求1所述的玻璃熔制方法，其特征在于，所述混合机构为球磨机。

6.根据权利要求5所述的玻璃熔制方法，其特征在于，所述球磨机为陶瓷球磨机。

7.根据权利要求5所述的玻璃熔制方法，其特征在于，转动混合机构，向其内加入各类玻璃原料以得到混合均匀的温度大于40℃的配合料，包括如下步骤：

转动球磨机，第一次将石英砂和含铝原料加入球磨机后，并补充水分；

随后第二次加入纯碱原料；

球磨达到设定时间时，第三次进入其它原料；

当球磨机内的原料达到均匀混合并适当球磨后，得到配合料。

8.根据权利要求7所述的玻璃熔制方法，其特征在于，所述石英砂为过细石英砂；所述其他原料包括但不限于方解石和白云石。

9.根据权利要求1所述的玻璃熔制方法，其特征在于，所述输送带为平稳的密封输送带。

10.根据权利要求9所述的玻璃熔制方法，其特征在于，所述密封输送带为板状密封输送带。