千吨级大跨度玻璃熔窑大碹的设计和施工
“碳达峰、碳中和”是我国重大的战略决策,国家特别提出“坚决遏制高耗能、高排放项目的盲目发展,并提升其准入标准”。而玻璃行业属于高耗能、高污染的双高型行业,节能减排将面临更高的要求。目前,通过提高玻璃熔窑的熔化量能够更好的起到降低玻璃单位能耗的效果。例如日熔化量600t的玻璃熔窑,玻璃单位能耗1330~1610kcal/kg(1kcal/kg=4.1816kJ/kg)玻璃;日熔化量1000t的玻璃熔窑,玻璃单位能耗1250~1400kcal/kg玻璃。因此,日熔化量千吨以上的玻璃熔窑具有低能耗的优势。
熔窑碹顶处于火焰上方,在生产的全部过程中承受配合料粉尘的侵蚀和高温碱性气体的侵蚀。大碹设计和施工直接影响到窑炉的常规使用的寿命、玻璃成品率和优良品率,特别是大吨位玻璃熔窑大碹跨度更大,在设计和施工全套工艺流程中都有更高的要求。
目前,国内千吨级玻璃熔窑主要是一窑两线浮法玻璃熔窑和一窑多线光伏压延玻璃熔窑,属于空气蓄热室横火焰玻璃熔窑,主要生产普通建筑浮法玻璃、高档汽车浮法玻璃、超白光伏玻璃等钠钙硅酸盐玻璃。玻璃熔窑大碹一般指熔窑火焰空间的上部拱形结构。熔化部大碹与胸墙组成熔化的玻璃液面上部火焰的燃烧空间,大碹起到向上封闭的作用,同时反射火焰辐射的能量向配合料和玻璃液做辐射传热。玻璃熔窑大碹结构如图1所示。钠钙硅酸盐玻璃熔窑熔化部热点温度一般控制在(1580±10)℃范围。
硅砖具有荷重软化温度高、高温耐冲击性好、对玻璃液污染小、价格低的特点。在正常操作下,炉内温度不超过1630℃时,硅砖是十分耐用的[3]。硅砖在1600℃以下受到玻璃池炉中R2O(碱金属)气体的侵蚀后,表面会生成一层十分光滑的变质层,这层变质层起到保护作用,使继续侵蚀的速度减慢。但是如果熔化操作出现一些明显的异常问题,火焰喷向碹顶而造成局部过热达到1690℃以上时,会很快熔融硅砖。千吨级玻璃熔窑熔化量大,生产时常采用双高操作方式,即高温熔化和高温澄清,大碹内侧温度更高。大跨度窑碹的耐火砖也承受更大的压力载荷。因此,大吨位玻璃熔窑应采用标准更高的优质硅砖。
依据JC/T616—2003《玻璃窑用优质硅砖》和YB/T147—2007《玻璃窑用硅砖》,大型玻璃熔窑大碹优质硅砖要求如表1所示。
一般大碹的半径和跨距选同样的尺寸,即中心角60°。由于熔窑熔化量达到了千吨级,熔窑的窑宽比以往更宽,窑宽在13.5m以上,胸墙内侧和池壁内侧距离一般为350mm左右。因此,大碹的跨距在14m以上。碹的厚度根据碹跨做出合理的选择,建议14m以上跨度的窑宽碹厚取500mm以上,15m以上跨度的窑宽碹厚取525mm。
14m以上硅砖大碹圆弧一般由131块以上的楔形砖砌筑而成。硅砖大小头尺寸在100~120mm之间。大跨度窑碹对碹砖的要求更严格。大碹楔形砖尺寸偏差及外观品质要求如表2。
支设大跨度大碹碹胎前应进行力学计算,选择安全合理的方案。玻璃窑炉碹胎如图2所示。合理的碹胎设计和支设是保证砌筑施工安全和砌筑质量的前提。碹胎支社施工质量控制如下:
(1)支设所有碹胎时,碹片顶端需用水准仪测取相对标高,保证碹片顶部整体水平度在3mm以内,碹片两端用长靠尺找平,验收合格后方可钉碹胎条。碹胎顶面标高偏差±3mm,纵向不平整度≤2mm/m,累计≤5mm。用弧度板检查碹胎表面不平整度≤2mm/m。
(2)碹胎板条间隙不大于40mm,木条钉完,需用长靠尺检测平整度,尤其是接头部位,如不合格需现场刨平。
(3)所有碹胎上均需覆盖3mm三合板,注意三合板质量要尽量好。应检查弧长,弧长与设计弧长偏差±10mm。每节碹均匀检查4处,4处弧长尺寸偏差±3mm。
安装拱胎并检验合格后,可进行上一部分砖到碹胎上预排碹砖。预排碹砖施工质量控制如下:
(1)横向预排,每节碹预排3道。因为一般设计有每节碹头和碹末的刀把砖,砖厂制作时刀把砖的模具和主砌砖模具可能有误差,最好除主砌砖预排外,也要预排一道刀把砖。
(2)原则上,预排泥缝控制在1.5~1.8mm以内。如过大或过小,或者出现下张口现象,砌筑时最多在两侧25环内消化掉,跟上控制线)预排时减掉一环砖成为偶数环为正常现象,不必变更设计。
(4)纵向预排,确定第一节碹前端基准线块碹砖,包括两环剑头砖及一环碹砖,压紧立缝,完成后按实际砌筑情况放胀缝控制线,钉好限位木条。
预排结束后确定泥缝大小,然后根据拱砖的厚度和泥缝按3环放一条平行控制线#小炉中心线为基准放出测温孔砖的位置。在每节的两端龙骨上同样弹出控制点,此点为每环拱砖面上拉线的基准。大碹砌筑放线施工质量控制如下:
(2)横向胀缝控制线(胀缝位置),以第一节大碹前端线为基准,按实际预排(预砌筑)情况向后端放设,胀缝位置可有小幅偏移(目的是压紧碹砖的立缝并尽量减少加工砖),但要保证胀缝位于双立柱和两节碹脚梁之间。
为了保证施工安全和质量,砌筑前应对大碹相关的钢结构和碹胎进行检查。检查项目包括:
(4)检查柱脚立柱,柱脚顶丝顶紧,拉杆螺栓带到位,检查柱底板与次梁焊缝,角钢与柱底板焊缝及其他焊缝。
大碹的砌筑方案有对称砌筑和单向砌筑两种。第一种:对称砌筑,每环纵向砌筑,每环拱砖从每节碹的两端同时往中间砌,如需加工砖时,把所加工的砖放在每节碹中间那根立柱的中心。第二种:单向砌筑,每环纵向砌筑,从每节碹一端往另一端砌筑,如需加工砖时,把所加工的砖放在每环的倒数第2块。
为了在碹砖之间的泥缝灰浆干之前完成锁砖和紧碹,砌筑大碹应该在较短的时间内完成。建议5天之内完成大碹的砌筑。
(1)要求火泥打到砖上,砌筑时要上下揉动一下,保证泥浆饱满度(需跟工人强调,必须有此动作)。
(3)跟上控制线后,不允许抢线)砌筑时,每环碹砌完都要用弧度板检测是否随弧,用靠尺检测上口平整度,如图3所示。
(6)碹砖要求小头向下、大头向上,要绝对避免碹砖砌反砖的现象。建议每砌筑完纵向一环,安排人标记检查是否反砖,发现后立即改正。
(7)大碹测温孔砖不能放在锁砖环,且需统一放在一侧,位置根据排砖情况可做微量调整。
(8)大碹砖剩余30环时,必须再次预排,确保灰缝均匀以达到顺利锁砖的目的。
(10)最后3环交错同时砌筑,留出一环锁砖。锁砖高出碹顶面部分在100~120mm为宜。同一节砌完后统一打入锁砖。打入锁砖时须在碹砖上垫一块木板,大木锤不能直接接触碹砖。整个碹锁完后,将碹顶清理干净,用稀释泥浆进行灌缝。
紧拉条让碹顶上升是为了使整个大碹的砖体与支撑钢结构相互成为一个整体。紧起数据根据碹跨的大小来定,传统上控制在碹跨距的1‰左右。14m以上大跨度碹的紧起高度可以小一些,控制在碹跨距的0.8‰左右。
一般采用直接观察碹顶高度变化的办法,通过观测碹顶在受到拉条的水平拉力后向上隆起的多少来反映碹顶的受力大小。在每节碹的头部、中部、尾部的拉条附近,碹断面的正中和两侧位置作出测点位置标记。用水准仪和尺杆测出测点处未紧拉条时碹的标高数值,然后每紧一次拉条就测一次各测点标高数值的变化情况并做好记录,直至起碹数值达到预期数值为止。
大拱砌完后,要随即紧拉条,紧拉条前先去除钢件上的临时固件及两侧胸墙的木楔,包括:
(2)检查立柱柱底顶丝是否顶紧,柱底拉杆是否拧紧,柱底临时焊点是否清除。
(4)需用506焊条将横向拉条与花篮螺母满焊连接。将双拉条限位角钢焊牢。
大碹升到设计数值后要观察12h以上,直至数值不再变化,经检查确认后方能开始拆模。拆除标准为碹砖脱胎2~3mm,木模支腿木楔松动。不允许将碹胎整片放倒,碹胎拆除前应对挂钩砖头部进行保护。
跨度14m 以上的玻璃窑炉大碹因其跨度大、重量大,因此设计时要求:(1)选择质量好的优质硅砖,要求硅砖铁的质量分数在0.6%以下、荷重软化温度1680 ℃以上,常温耐压强度40MPa以上,残余石英的质量分数在1.5%以下;
(2)大碹的厚度设计为500mm 以上,碹砖的尺寸偏差和外观质量发展要求更严格,特别是碹砖的扭曲和裂纹长度;
(3)施工时,注意复核碹胎强度,泥缝最好控制在1.8mm 左右,紧碹高度控制在碹跨的0.8‰~1.0‰之间。
