4．熔化含有高挥发性组份的玻璃电熔窑
（说明水平面上温度均一性和配合料的垂直热流）
图6.2.4  电熔示意图
    对于熔制氟玻璃、磷酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅玻璃以及类似的玻璃，最好的方法就是全电熔。在用常规燃料加热的窑炉中，当火焰掠过玻璃液面时，就会有相当数量的挥发性成分被带走，经过烟道升入烟囱跑掉。这种挥发性成分是环保不允许的。挥发损失不会使表层玻璃的成分变得与其下部的玻璃不同，结果造成玻璃不均匀。
图6.2.5  电熔中的熔融碳酸钠层
    采用全电熔时，热量是在配合料层下面放出。各配合料组份产生的蒸气通过配合料向上逸，但会凝聚在冷的配合料中，因此通过流液洞的玻璃能保持成分稳定，与投入熔窑的配合料相一致，能够精确地控制玻璃的成分。图6.2.4说明了这一关系，此图是一座全电熔窑的截面图，玻璃液的流动是垂直向下的，热流是垂直向上的，电熔窑中的全部玻璃基本上都经历相同的热历史，而采用常规燃料加热熔化的玻璃则并非如此。玻璃液和配合料之间的界面叫熔融碳酸钠层，具有颇重要的意义。图6.2.5是该层的放大垂直截面。在该层中，液态玻璃形式过程已经结束，澄清过程也已大体完成，玻璃的颜色已通过有关着色组份的氧化还原状态而确立。四周液态基体中的剩余砂粒已在熔融碳酸钠层下面的玻璃液中最后溶解完毕。
    若考虑到挥发性成分的节约，上述玻璃采用全电熔的成本是非常合算的。例如采用燃料加热的熔窑，配合料中的氟化物有大约40%因挥发而损失，采用全电加热时，氟化物的损失仅为2%。
5．熔化深色玻璃的电熔窑
    采用常规方法熔化有色玻璃时出现热透过性差的问题，如果采用电熔就能大大改善。电热能是在玻璃体内释放的，又可使电流相当均匀地通过所有玻璃，所以只会出现很小的温度差。例如在1.2m深的电熔池窑中熔化高铁含量的琥珀色玻璃时，靠近池底的玻璃的温度只比靠近表面的玻璃低25°C。氧化铁含量高达12%的玻璃和氧化铬含量达1.3%的玻璃都易于熔化。
6.小型电熔窑
    出料量小时，全电熔窑可以直接同火焰窑相比。以往，通常把小型熔窑限于间隙式日池窑。但日池窑对玻璃质量有一定的影响。超小型电熔窑的设计使得连续出料量低达9Kg/h、25Kg/d。24小时内在熔化池中连续化料，玻璃液流到一个保持恒定温度的盛料池中，当玻璃被快速取出而液位迅速下降，耐火材料受到的蚀损极少，其原因是盛料池既未经受高温，也未受到各种液流的影响，对已熔化好的玻璃液具有良好的抵抗能力。
    生产能力为1T/d钠钙玻璃的电熔窑，其输入功率是熔化池75Kw，盛料池30Kw。连续生产4T/d的电熔窑，需要大约250Kw的电。折算为每天生产4T玻璃需用6000Kwh，每吨需用1500Kwh电。
7．中型和大型电熔窑
当前最大的电熔窑每日生产120T钠钙平板玻璃，每吨玻璃耗电约780Kwh。从技术观点上说，并没有限制全电熔窑大小。凡在电费低兼、燃料成本高、环保要求严格那些地区或玻璃含有高挥发性组份的工厂，通常都可采用较大型的电熔窑。熔制钠钙瓶罐玻璃的大型电熔窑的耗电量估计为0.780Kwh/t玻璃。这个数值根据下述因素不同而有所变化：掺加碎玻璃的量、保温措施、配合料加料方法、操作人员怎样保持连续的配合料层、以及熔窑的窑龄。

6.3 全电熔窑一览
    以前人们曾反复地试用不同类型的熔窑通电来熔化玻璃，如电弧窑、感应窑和电阻窑。电弧窑熔化玻璃失败了，主要是由于电极中的石墨污染玻璃。感应窑是成功的，特别是以实验规模进行的熔化，或者对一些性能范围较窄的光学玻璃进行的熔化是成功的。光学玻璃熔化用的是铂坩锅，由于它生产成本高，这些玻璃的价格也是昂贵的。
    以玻璃液本身作为加热电阻的电熔窑得到了最广泛的应用。另外有用硅碳棒或二硅化钼作为加热元件来熔化玻璃的电热坩埚窑。
1．Gornelius电熔窑
1：G1—G10纯铁电极； 2：F1—F10—电极引线；
图6.3.1  Gornelius窑的熔化池垂直剖面和水平剖面
    1925年，瑞典的Gornelius成功地把电熔玻璃方法运用于普通玻璃和琥珀色瓶罐玻璃的生产上。该窑结构如图6.3.1所示。
这种窑熔化池的池墙设有电极。配合料从窑头投入，而玻璃液则从窑尾的料道流出。电极是整块板状纯铁，含碳量C<0.03%。电极有三吨重。尽管进行强烈水冷却，其蚀损率仍很高。使用含铬量3.8%的电极或镀铬的电极，获得了较好的效果。这些电极经过强烈的冷却，其蚀损率也可减轻。后来，Gorenlius又将纯铁电极改为石墨电极或钼电极。
    Gornelius窑的第二个发展阶段是1933年建立的硅酸钠(水玻璃)电熔窑。该窑的剖面图和平面图如图6.3.2所示。熔化池与工作池之间用流液洞隔开。由于配合料可以完全复盖玻璃液面，隔热很好，所以熔化池不设窑碹。电极置于凹进去的台阶上，电极获得较好的冷却，侵蚀也减轻。
1—复盖液面的混合料；2—电极；3—流液洞
图6.3.2  改进后的Cornelius窑的垂直剖面和水平剖面图
    此类窑建有两座，一座产量为24T/d，另一座每30T/d。窑的使用寿命原来是15至17个月。但后来有所延长。每公斤玻璃需用电0.88至0.91Kwh，后来减至0.725Kwh。电极由Scott变压器供电。
    当这种类型的电熔窑后来用于瓶罐玻璃时，窑被细分为熔化，澄清和调节三个独立的池，它们靠底部的流液洞连接(见图6.3.3)。熔化池的玻璃液面由配合料层复盖，不设窑碹。
图6.3.3  熔化瓶罐玻璃的Cornelius三室窑横剖面、纵剖面、平面图
    在澄清池玻璃液被加热至最高温度，玻璃粘度小，因而在熔化过程中生成的气体可以很有效地排出。澄清池与工作池再用流液洞隔开。
熔化池；2—澄清池；3—工作池；
5—熔化池电极；7—流液洞；
9—澄清池电极；10、11、12—单相变压器
图6.3.4 Cornelius三室窑三相电源连接法
    在工作池玻璃液被冷却到适当的温度以便进一步加工。澄清池和工作池碹盖用同一碹顶。
    电力的三分之二左右用于熔化，其余的三分之一用于澄清。池窑与三相电源连接，图6.3.4中表示的是一种较好的接法。这种接法要用三个感应调压器或者三个单相抽头变压器。其中的两个用于对熔化池电极供电。另一个对澄清池电极供电。玻璃液流的方向垂直于熔化池电极之间的电力线，但在澄清池里则与电力线平行。
    熔化每公斤普通瓶罐玻璃需用电0.950Kwh。供电容量是1500Kw(3×500KVA)。电极是石墨电极。

2. Souchon-Neuvesel窑
法国里昂玻璃厂的Souchon-Neuvesel设计的电熔窑见图6.3.5。

1—熔化池；2—工作池；3—流液洞；4—加料口；5—玻璃；7—电极水套；8—电力线
图6.3.5  Souchon-Neuvesel窑
变压器初级绕组；2—变压器次级绕组； 3—熔化池；4—工作池；5—电极
图6.3.6  Souchon-Neuvesel窑与电源连接

图6.3.7窑内横置电极之间能量释放的情况
 这种窑保持水平状态的液流，熔化和澄清在同一池进行，但它们与工作池用流液洞隔开。电极是石墨，各对电极接至三相抽头变压器次级侧(见图6.3.6)。电极装配在电极支架7上，可以移动，使电压能调整至需要值。
    这种类型的窑在操作中证明是成功的。法国和瑞士曾建了几座，主要用于普通瓶罐玻璃的熔化，也有用于平板玻璃的熔化。当然它们也存在一些缺点，例如耗电量很大，每公斤玻璃液需用电2.3Kwh，原因是玻璃液面未被配合料完全复盖，极大地增加了窑的热损耗。而且比较大的石墨电极也从池内吸收大量的热能。这种窑的另一不足之处是池内电能分布很不均匀，造成池内某些地方局部过热。如果电极在池内横向相对设置，而且在电极两端之间加上全电压，大部分能量就会在它们的前端释放(见图6.3.7)，结果这些地方的玻璃液就造成过热。为此瑞士的Borel教授研制另外一种类型的窑，它主要是在电极分布上有所改进。
3.Borel窑 
D—加料区；S—熔化区；A—弗克法引上装置；F—引上机；E—电极
图6.3.8  Borel窑  
    Borel在老式平板玻璃窑的基础上保留了熔制操作的水平流程，电流由距液面25mm，横置在窑池上的石墨电极供给(见图6.3.8)。设置在对面窑墙上的电极互相没有电压作用，这点与Souchon-Neuvesel窑情况不同；电压在两组相邻的平行的电极之间作用。
A—烧结区；B—熔化区；C—澄清区。
1、2、3、4、5、6—电极
图6.3.9  Borel窑接到三相变压器的连接法
料口；2—熔化区；3—流液洞；4—工作池；
5—电极；6—接地电极；7—人工挑料口
图6.3.10  带石墨电极的生产透明瓶罐玻璃的电熔窑
这样电力线就不是从电极的端面而是从电极的整段表面放出。电极表面的电流密度显著降低(仅为0.3A/cm2左右)。根据图6.3.9所示来连接电极，各区就能按照熔制工艺的要求达到不同的温度。在加料口与第一对电极之间是烧结区A，在这里配合料开始熔化。从电极1、2至电极3是熔化区B，玻璃在这个区域内完全熔化。从电极3至电极4是高温区C，玻璃在这里澄清。由于电极位置距液面很近，所以形成了热分隔把各个区分隔开来。与池的深度相比，电极的直径是很小的。因此电力线在电极表面高度集中，使表面加热。在整个窑宽的电极周围，玻璃液是比较热的，并造成强烈的对流，把刚熔化好的或要澄清的玻璃带往电极处。
—熔化池；2—工作池；3—电极；
4—加料口；7—液流方向
图6.3.11  带水平石墨电极的三角形窑
    石墨电极的使用寿命大约为六个月。如果由于蚀损的缘故玻璃液面与电极之间的间距由原来的25mm扩大到50mm时，电极应重新更换。图6.3.8所示的Borel窑用于窗玻璃的熔化，熔化量为每30T/d，玻璃含15%的氧化钠，玻璃液供给两台有槽引上机。当电极上的平均电压是3×110V，电流是3×10000A时，输入功率为2000Kw，由输出为2500kwA的三相抽头变压器供电。
    另一座同种类型的窑供料给三台引上机，熔化量为50～60T/d。输入电量为3500Kw。每公斤玻璃液需用电1.6Kwh，每公斤成品玻璃需用电1.9Kwh。这些窑提供的玻璃液相当均匀，可生产优质的平板玻璃。
垂直电极；2—流液洞；3—加料口；4—熔化池
图6.3.12  带垂直石墨电极的三角形电熔窑
Borel窑型还可以用于建造小型的电熔窑。图6.3.10表示的窑用于熔化透明瓶罐玻璃，每天生产5～8t玻璃液。该窑电力输入500Kw，电极上的平均电压是70V，电压可以在55～85V之间调节，可供料给两台吸料机，并设有一个人工挑料口。每公斤玻璃液平均电耗1.78Kwh。从这以后，又设计建造了一些采用石墨电极的熔窑。
它们中的一些窑型较特殊。熔化少量玻璃时采用三角形，电极布置在三角形的角附近如图6.3.11
带垂直电极的这种窑型如图6.3.12从熔化池通过流液洞流入工作池，这种池窑采用底电极是成功的。因为沿电极的玻璃液被大大加热而向液面泛起，因此玻璃可获得彻底的搅拌。但是这样的安排，熔化好的玻璃与未熔化的玻璃有相互掺混的危险，所以熔化池与工作池要用流液洞隔开。
 1—加料口；2—熔化区；3—主(长)电极；
4—副(短)电极；5—电极水套；
6—R.S.T三相供电电力线方向
图6.3.13 装有不同长度电极的W. Konig窑
4. W. Konig窑
    奥地利Bischofshofen工厂在W.Konig专利获准后，建造了一座使用石墨电极的大型电熔窑，有槽法生产的平板玻璃(见图6.3.13、6.3.14)。这种窑的电极分布特殊，电极对与窑的纵轴垂直，与玻璃液总的流动方向垂直。各电极对的电极长短不一，短电极只用以补偿窑墙带走的热量。电流主要部分在长电极之间流通，长电极与短电极交错排列。熔化区与稳定区之间有一个平板玻璃池窑通常有的挡砖。电极接至功率为4300KVA的变压器。星形连接，次级电压通过转换抽头而进行调节。变压器的次级电压分为十八挡，在122～177V之间变动。电熔窑实际运行功率范围为2200～3000KVA。电极直径220mm，主电极的电流密度为0.33～0.35A/cm2。副电极的电流密度0.19～0.23 A/cm2，(见图6.3.15)所有这些窑上的石墨电极均通过水冷套插入窑内。
   加料口；2—熔化区；3—主(长)电极；4—副(短)电极；5—挡砖；6—冷却区；
7—引上室；8—温度曲线
图6.3.14 Konig窑内电极和温度的分布

5.Grebenshtchirkov窑
图6.3.15 装有不同长度电极的窑接至三相电源
    金属电极最初用的材料是低碳钢(<0.03%C)。建于前苏联列宁格勒的Grebenshtchikov窑用了大型钢板来作电极。该窑有三条通路(见图6.3.16)，通路末端装有表面积较大的钢板电极，靠自然风冷却；由于电极的负荷很小（不超过0.15A/cm2），靠自然风来冷却就可以了。配合料在加料口加入窑内，玻璃液经过流液洞流入工作池。 
 
板电极；2—投料口；3—流液洞；
4—成形池凹池；5—成形室；6—保温层
图6.3.16  Grebenshtchikov窑
通路前端电极的位置使沿熔化通道的温度制度不易调节和给定，尤其电极分隔较远，因此它们之间就需要加上较高的电压。为了解决上述问题，另一座用钢电极的窑是在其侧墙上设置电极，这点不同于Grebenshtchikov窑—见图6.3.17。该窑用于生产灯泡，建于前苏联埃里温灯泡厂，熔化池和工作池的深度为0.75m，它们之间设有流液洞。在加料区设有三支电极，两支设于两边墙上，一支设在窑头墙上，三支电极三相供电。其余电极与单相电源连接，窑的熔化能力为每5.7T/d。用电量较大时，每公斤玻璃液耗电3Kwh。电极的电流密度不超过0.7～1A/cm2，电极的耗损比较大。 
 1—熔化池；2—流液洞；3—工作池；4—挑料口；5—经冷却的钢块电极
图6.3.17  装设钢块电极的电熔窑

6.Penberthy窑
3—流液洞；4—成型通道；5—主电极；6—起动电极；
图6.3.18  Penberthy电熔窑的横剖面和纵剖面图
Penberthy窑的结构如图6.3.18。电极适当地倾斜(与水平面呈5°至25°)并在窑的侧墙上相对布置。电极是钼做的。每对电极由一个单相变压器供电，这些单相变压器接至三相电网，使电网上的各相承担均匀负荷。这种单相变压器的接线如图6.3.19所示。
加在玻璃液面上的配合料复盖了液面。玻璃的熔化自上而下进行，玻璃液通过窑底的流液洞进入工作池。
相变压器  1、2—接电极
图6.3.19一对电极接至一个单相抽头变压器
电极之间的电流将窑炉分隔成两个区域：上面为熔化区和澄清区；下面为均化区。均化区的玻璃液有所冷却。玻璃液经过上升道进入料道。上述Penberthy窑的表面积为36m2，每天熔化透明瓶罐玻璃90T。每公斤玻璃液耗电0.95～1Kwh，窑的安装功率为6×750KvA，即4500KvA，电极之间的电压在170～300V范围内分十二挡调节。