玻璃熔窑碹顶保温不当造成的玻璃质量事故分析

吕建科

（内蒙古玉晶科技有限公司 鄂尔多斯 017100）

1 事故发生和处理过程简述

为了节能降耗，国外某玻璃工厂决定在正常生产的600 t/d玻璃熔窑大碹碹顶上做二次保温。于2018年10月25日开始进行二次保温的施工工作。到2018年11月初，发现玻璃质量出现问题，点缺陷增多，但没有引起充分重视，到11月中旬，保温完成，共在碹顶上增加了约300 m3的保温料，平均厚度约增加40 cm，红外实测碹顶保温层顶部的表面温度为80～120 ℃。11月22日开始玻璃板面出现大量白色夹杂物，并且造成严重的退火炸板情况，导致玻璃产量、质量大幅度降低。

到11月28日，根据对玻璃缺陷的成分检测结果（绝大部分为铝硅质）分析，初步判定问题的根源可能是碹顶保温材料熔融造成的，于是自11月29日开始拆除熔窑碹顶的保温材料，拆除过程中发现下层保温料出现大面积熔融的现象。到12月3日，新增的保温层大部分拆完，玻璃板面夹杂物很快减少，生产逐渐恢复。增加和拆除保温料过程中，玻璃质量的变化情况见表1。

表1 热修期间玻璃质量变化一览表

2 事故机理分析

2.1 碹顶结构及碹顶材料性质

问题发生以后，技术人员很快开始着手事故的分析和研究工作。

增加保温后的碹顶耐火材料保温层的结构见图1。碹顶耐火材料和保温材料的主要化学成分见 表2。

图1 保温层厚度增加后的碹顶结构

表2 碹顶材料及其化学成分

2018年11月27日，将引起炸板的夹杂物取样四份化验其成分，并送国内研究机构精确检测其化学组成，分析结果见表3。

表3 缺陷试样的化学成分

2.2 对事故原因的分析和推论

根据缺陷成分检测结果，缺陷中的氧化硅和氧化铝含量明显高于玻璃成分中的硅、铝含量，并且可以确认原料和碎玻璃没有问题，由此可推论该缺陷可能来源于窑炉耐火材料。根据窑炉熔化部的结构：池底、池壁和火焰空间由电熔锆刚玉和硅砖组成，不可能造成如此大量的单纯铝硅质夹杂物。故可以推测：可能是碹顶保温材料中的化学物质熔融后穿过密封料和熔窑大碹砖缝隙，并与密封料或硅砖、硅泥的化学物质一同落入玻璃液中，形成铝硅质夹杂物。

2.3 理论和试验研究

2.3.1 碹顶各层材料的厚度和界面温度

保温层加厚以后，碹顶各层材料的厚度和界面温度见表4。

表4 碹顶各层材料的厚度和导热系数

根据傅立叶定律，单位面积的热流量为：

式中：Q——表示单位时间内熔窑碹顶向外传导的热量（热流量）；

A——表示热传导面积；

l——表示碹顶材料的热传导系数；

DT——表示各层碹顶材料的上下表面温差；

H——表示各层碹顶材料的厚度。

如果只考虑稳定热传导，则方程式：q1＝q2＝q3＝q4＝q

按上述方程计算各层界面温度的结果如下：

大碹硅砖上表面温度：T1＝1444 ℃

大碹密封料上表面温度：T2＝1434 ℃

轻质硅砖上表面温度：T3＝1230 ℃

可塑料上表面温度：T4＝1210 ℃

（注：如果再考虑辐射换热，上述界面温度还会更高一些。）

2.3.2 高温试验

对碹顶各保温层的材料高温试验：

①取少量保温料，置于化验室高温电炉中，在1000 ℃条件下，保温0.5 h；冷却后观察坩埚中的物料情况。物料粉化，没有发现熔融现象。

②取少量可塑料和少量保温料，置于高温电炉中，在1200 ℃条件下，保温2 h，冷却后观察坩埚中的物料情况。可塑料和保温料均已熔融，见图2。

图2 可塑料和保温料1200 ℃保温2 h熔融

2.3.3 各层保温材料的实际状况

从拆除现场观察看，保温料下层部分和可塑料均呈现烧结或熔融状况，外观与实验室的熔融保温料相似，见图3。说明增加碹顶保温层后，保温层下部的保温料或可塑料被高温熔融。

2.3.4 保温料和可塑料熔融的理论依据

根据保温材料的化学成分，查阅相关硅酸盐物理化学的MgO-Al2O3-SiO2系统相图（图4），组成保温料和可塑料的主要成分——镁铝硅酸盐在适当的组成的条件下，可以形成熔点较低的低共熔化合物；而保温料和可塑料的化学组成在此范围内。

图4 MgO-Al 2O 3- SiO 2系统相图

3 事故机理的研究结论

根据上述研究和分析，结合现场观察窑炉大碹上部保温层烧损情况以及窑内内窥镜检查的结论意见，得出本次质量事故的机理如下：

大碹保温层过厚，造成保温料下层温度过高（理论计算超过1200 ℃）而熔融，保温料和可塑料下部的熔融物在保温料过厚或碹顶温度较高处（热点区域）黏度很低，在重力和表面张力的作用下，向下流动，与耐火度较高的轻质硅砖以及密封料接触，发生物理化学反应，形成低共熔物，该低共熔物在更高的温度下（计算结果大于1430 ℃）继续侵蚀大碹砖和缝中的泥料，将砖缝侵蚀透以后，这些侵蚀产生的低共熔物源源不断地滴落到玻璃液里形成大量的节瘤或结石。并且后续的低共熔物持续不断地流下，或沿着大碹内表面流淌，侵蚀大碹砖的内表面，其滴落物造成玻璃板面形成更多的铝硅质夹杂物缺陷。所以取样的夹杂物中有较高含量的氧化硅和氧化铝；化验室试验也验证了1200℃条件下，密封料与保温料熔融流淌的情况。

用内窥镜窑内照相也证实了大碹内表面的确有被严重侵蚀的问题，如图5所示。

图5 窥镜拍摄熔窑大碹内表面被严重侵蚀

4 事故处理和结果及启示

首先通过工艺调整和拆除保温的方法将碹顶耐火材料温度降低，以减缓低共熔物对碹顶耐火材料的侵蚀，降低玻璃缺陷数量。

清理已经熔融的保温料，尤其是烧结在大碹砖上表面的保温料和其它碹顶材料烧结或熔融形成的低共熔物，现场清理特别困难，为防止今后生产过程中该低共熔物继续侵蚀硅砖或硅泥，施工人员在高于60 ℃的环境下，花费了近30天时间，才清理干净。

清理完成以后，重新做密封料和保温层，然后将窑炉的温度制度逐步恢复到事故前的状态，生产也逐渐恢复正常。

此事故发生已过去了五年，局限于当时保温材料的质量，大碹保温偏厚存在一定的风险。目前，国家对玻璃熔窑能耗要求越来越严格，加强大碹碹顶保温是降低玻璃能耗的重要手段之一。随着耐火材料的发展进步，采用优质的保温材料能够完全避免上述事故的发生。与此同时，厂家在制定大碹保温方案，选择保温材料时，也要吸取教训，保证保温材料与对应保温层温度的合理匹配，防止类似事故的发生。