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在迈向碳中和的道路上，玻璃制造商正在努力提高能源效率并探索不同的熔化技术。在可替代燃料中，电力是一个重要的选择，已经成功地用于玻璃工业的不同应用。
由于电熔技术的改进和摆脱碳源发电的可行性，生产钠钙玻璃的电炉呈现采用电能占比增高的趋势，最高可达100%。转向电能有利于减少CO2 的排放，但由于大规模钠钙玻璃应用的工业反馈有限，也滋生出一些问题。
“ 池壁砖侵蚀” 面临的挑战
在过去几年玻璃窑炉数值模拟和停炉3D扫描分析的支持下，我们观察到在电助熔的影响下，池壁砖的侵蚀形貌由标准形转变为桶形，池壁砖下部的侵蚀更严重。
数值模拟结果显示，如图1-a）所示，在强电助熔情况下，池壁砖中高部位的侵蚀增加了25%。
图 1-a）
运行6年后，在2种不同强度的电助熔条件下，
池壁砖侵蚀的建模。
池壁砖形貌的3D扫描也证实了这一点，记录下来远离和靠近电极砖的侵蚀形貌。如图1-b
图 1-b)
靠近(右图)和远离(左图)电极砖的侵蚀形貌3D扫描
这些结果清楚地表明，在强电助熔的情况下，液面线可能不再是唯一的严重侵蚀点。池壁砖的中高位置，常规贴砖的下方，显示出侵蚀明显加重了。这就需要在耐材的厚度、成分和缩孔方面来调整耐材的选择。
为此目的，如图2) 所示，西普耐材开发了全系列的电熔AZS耐材，包括常规的ER1685 (36% ZrO2)，增强缩孔质量和抗侵蚀能力的新型ER1699 RS (37% ZrO2) ，直至无缩孔的ER1711 RT (40% ZrO2)。
图 2）运行6年后，在2种不同强度的
电助熔条件下，池壁砖侵蚀的建模。
“ 池底侵蚀” 面临的挑战
随着池底保温的加强和电助熔安装的增加，池底的寿命也值得关注。
在实际操作中，当启动电助熔后，玻璃液的温度变化将增高80℃以上，导致直接侵蚀的速度加快。
如图3-a) 所示，侵蚀速率与温度有很强的依赖性。因此，温度每升高50°C，会使耐火材料的侵蚀速率增加一倍。
图3-a）
钠钙玻璃中电熔AZS的侵蚀规律与温度的关系
在直接侵蚀的基础上，在玻璃液渗入的情况下，玻璃窑炉的池底还会面临更强的向上钻蚀风险。
如图3-b) 所示，为了评估向上钻蚀现象，我们进行了实验室实验: 将U型耐材样品浸入在不同温度的玻璃液中，使玻璃液中上升的气泡被困在样品的底面上。
图3-b)
U型向上钻蚀的试验结果，钠钙玻璃，1150℃/1350℃，电熔AZS样品
电熔AZS砖的试验结果表明，侵蚀速率与温度有很强的关联性。在1150℃时(虚线)，样品表面的侵蚀相当均匀，侵蚀深度值较平均。在1350℃时，除了整体侵蚀更多外，还观察到明显的向上钻蚀。
这种类型的侵蚀会发展得很快，且难以监控。特别是由于池底电极砖安装数量的增加，砖缝数量也随之增加。
面对这些挑战，建议采用无缩孔AZS底板砖，含有电熔AZS颗粒的双层ERSOL Max Flow泥料层，及ERMOLD 300烧结AZS砖的下层铺底。如图4) 所示。
随着玻璃液温度的升高，电熔AZS铺底砖的厚度将从75毫米增加到150毫米甚至更厚，以确保更长的使用寿命。当池底要求条件较高时，双层泥料层具有很多优点。借助于错缝设计和紧密接缝的加工标准，该方案有助于防止玻璃液渗入。利用其特殊的产品性能，双层泥料层的解决方案可以适配上层铺底砖。
优质AZS产品可以帮助提高抗侵蚀能力(ER1711)和优化接缝闭合(ER2010 RIC)。通过结合可用的选项，西普耐材可以帮助您设计适合您特定需求的池底解决方案。
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以及用于模板制作。
“ 电极砖” 面临的挑战
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玻璃的电熔化主要由池底的钼电极来加热。目前标准钠钙玻璃的电阻率在1400°C时约为4 Ω.cm，与 100 ~ 1000 Ω.cm 的未转变的电熔耐材相比，还是较低的。
电能以焦耳热的形式在电极之间释放，直接流经玻璃液内部。在电极附近，这种影响更强，如图5所示，大部分热量和高强度电流都是在电极附近产生的。
图 5)
X ~ 1400°C时的焦耳热[W/m3]，玻璃窑炉的CFD模型
此外，市场上有不同的电极水套将电极固定在耐火砖里。这种设置本质上对耐火砖施加了高温、高机械和电气应力，并催生了不同的侵蚀机制。
在对各种窑炉停炉后提取的电极砖进行事后分析后。我们观察到典型的正面侵蚀，如图6-a所示，在电极周围侵蚀呈漏斗状。而且在电极附近的侵蚀最严重。
图 6-b) 用过电熔AZS电极砖上观察到的裂缝侵蚀
FEM模拟结果与那些实际观察结果一致，实际观察到在大多数电极砖上呈现出十字形开裂形状，如图7所示。
图 7) 电熔AZS电极砖内的热机械应力FEM模拟；
左图为热梯度，右图为与MOR相关的应力。
结果表明，高应力区位于标准电极块的底部。计算出的横向应力值远高于砖材的最大抗应力，意味着出现辐射状开裂的毁坏机率很高。
其它的模拟表明，电极砖和水套的设计对于控制热机械应力和降低机械故障的风险至关重要。电极组件的改进表明，电极砖底部临界区域的应力可降低50%。使用后耐材样品的化学分析还揭示了来自玻璃液中的元素在耐材内部的渗透/扩散。
图 8) 电熔AZS砖的电阻率随NaO2扩散含量的变化
在对使用后耐材样品的电阻率进行测量后，发现随着钠含量的增加，观察到电阻率随之显著降低。如图8。更多的电流可以流经电极砖，增加了耐材内部的焦耳热。提高了此部位的温度，加重了侵蚀。
虽然电极的侵蚀控制仍然是避免耐材附近玻璃液高温度和高流速的关键，但通过选择抗侵蚀能力强和高电阻率的耐材，也能延长电极砖的使用寿命。从含40% ZrO2的电熔AZS 砖(ER 1711 RT)到电阻率范围大的电熔高锆产品(ER 1195, XILEC 9)，我们有望延长电极砖组件的寿命。
表 1) 电熔砖的抗侵蚀能力和电阻率的对照表
总结
工业反馈和侵蚀模拟表明，增加炉内电能的占比将对玻璃液接触的耐材带来新的挑战。玻璃液温度和流速的变化将彻底改变侵蚀演变。
通过改变池底方案，增加砖厚，并结合不同耐材的性能，可以提高玻璃炉的使用寿命和安全性。
在数值模拟的支持下，采用缩孔、厚度和化学成分不同的电熔AZS系列产品，池壁砖的解决方案可以适应变化的侵蚀形貌。
最后，通过调整电极砖的设计来控制热应力，再加上在耐侵蚀性和电阻性能方面选择正确的耐材，我们可以构建更牢固可靠的电极砖组件。
凭借在耐材及其性能方面的强大专业知识，以及先进的数值模拟能力和工业经验。
我们将继续支持玻璃制造商实现玻璃制造的碳中和目标。
