河南奥克金泰窑炉技术有限公司 郭勇

《玻璃》2019-12期

关键词：全氧燃烧玻璃窑炉 耐火材料 吨玻璃耐材消耗量

一、 概述

1.1. 全氧燃烧发展历程

玻璃熔化其实是一个燃料燃烧产生热量，将预配好的原料加热到相应温度的过程。传统的玻璃熔化，不论什么燃料，提供助燃的是常见的空气中的氧气。由于空气的典型氧气只有20.95%，超过78%为对燃烧毫无帮助的氮气。所以在使用空气助燃的时候，超过78%的氮气和其它成分不仅不能产生热量，反而会在燃烧过程中消耗和带走大量的热量。其结果是，传统燃烧方式在玻璃生产时，由于氮气的被动介入，不仅大大增加了能源的消耗，同时高温燃烧是又产生了污染空气的NOX。

全氧燃烧技术的燃烧模式为燃料+氧气，随着制氧技术的发展及电力成本的降低，由氧气+燃料组成的纯氧燃烧技术在玻璃熔窑中成为取代由空气、燃料组成的常规燃烧方式的一种解决方案。这是因为纯氧燃烧在环保、节能、产量、质量、减少设备投资和节省厂房场地等诸多方面均有优异的表现。因此，欧美等发达国家玻璃窑炉主要演变为全氧燃烧窑炉（电炉通常应用在吨位较小的炉型或特种玻璃），导致这种现象的主要原因是日益严格的环保要求，和飞涨的能源价格。

由于纯氧燃烧技术在玻璃窑炉上应用的优势日益明显，对纯氧燃烧技术研究和应用已逐步在国内展开，一些有前瞻性、战略性的企业和机构正积极的投身其中，或身体力行、或密切关注。在中国，随着经济的发展能源和环境保护的问题将更加突出，绿色经济、循环经济正在成为潮流，因此纯氧燃烧技术被认为是最经济有效的解决方案之一。

纯氧燃烧在玻璃窑炉中的优势

Ø 可以节省燃料，提高企业综合效益；

Ø 可以获得更高的熔化率；

Ø 可大幅度减少 NOx 排放量，并使尾气处理变得更加便捷；

Ø 纯氧燃烧窑炉操作时不需要换向操作，可有效减少粉尘的排放、 配合料的飞扬 ，能节省配合料浪费，同时可减轻飞扬粉尘对碹顶及胸墙等部位的侵蚀；

Ø 可以提供更强大的调整能力，使工艺调整更加便捷、精准 ；

Ø 窑炉因燃烧稳定，工艺更加稳定，有利于提高成品率，改善产品品质

Ø 大大降低吨玻璃耐火材料的消耗，达到绿色生产的目的

1.2. 全氧燃烧的特点

Ø 全氧燃烧技术除了上述的优点外，还有一些本身专有的特点，其中水蒸气浓度相比空气助燃燃烧结果高的多，这一点非常重要。

以天然气为例，表述一个空气助燃窑炉的燃烧过程如下：

CH4 + X O2 +N→ CO2 + 2 H2O +NOX+COX + 能量

以天然气为例，表述一个氧气助燃窑炉的燃烧过程如下：（氧气中含有的氮气基本上可以忽略不计）

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O +COX + 能量

由于基本没有氮气的引入，使得全氧燃烧的反应物中水蒸气的浓度大大增加，达到50%以上，这是全氧燃烧技术有别于传统空气助燃窑炉的一个显著的特征，也直接影响到窑炉的形制和耐火材料的选择。

Ø 由于燃烧时没有氮气的参与，尾气量大大降低。使得窑炉的各部位窑压差别变得更大、更敏感。

Ø 相比传统的空气助燃窑炉，火焰更硬、更短、辐射面积更集中。出现局部温度过高或窑体局部烧损的几率更大。

二、 耐火材料的重要性

耐火材料在玻璃窑炉中扮演了非常重要的角色。窑炉的设计者需要使用耐火材料构建起满足玻璃熔制工艺需要的形制，它包括合适的火焰空间、融化区域、成型区域和尾气的排放或热交换的结构（蓄热室或烟道）。

一座合格的玻璃窑炉耐火材料的选择首先要满足以下要求：

2.1. 耐高温的特性。

在一定温度下的耐冲刷耐侵蚀的特性、荷重软化温度、主要成分与玻璃接近，保证尽量不污染玻璃（耐材中可能污染玻璃的成分尽量降低或不含、高温下玻璃相析出）、高温膨胀、收缩的特性（膨胀系数）、抗热振性能、与其它相邻耐火材料不发生交叉反应从而影响耐材的特性等；

2.2. 可加工性。

使用常规的加工设备可以加工厂需要的尺寸和形状，尽量减少超大、超异形的砖材的使用；减少人工加工的种类和数量。

要考虑生产、组装、包装运输和砌筑的便利性。

2.3. 经济性。

在满足基本需求的情况下，尽量减少用量，选择合适的规格（不是越高越贵越好，考虑经济性是永远的主体，适合的才是最好。

2.4. 系统性。

合理搭配不同部位的耐材规格和数量。（同窑同寿命，尽量不要皮鞋配棉裤）

根据经验，传统的空气助燃的玻璃窑炉改全氧燃烧窑炉后，对下部结构的耐火材料的选择没有很大的变化，主要集中在上部空间耐材的选择和使用上。

近些年来，全氧燃烧窑炉逐步普及起来，关于耐材出现的问题也相对集中：

Ø 大碹变形

无论是电熔材料还是烧结材料都有过大碹变形的案例。轻者导致停产整修，重者直接垮塌。根据我们已知的全氧燃烧玻璃窑炉故障的统计，大碹变形、垮塌是当前第一杀手，已经有多座窑炉出现类似情况，是全氧燃烧玻璃窑炉从业者和业主首先要考虑的问题，它不仅关系到窑炉的寿命、造价、玻璃质量，更会关系到项目的成败。

大碹的变形我们习惯称之为马鞍形或M形变形，它可以是沿着窑炉的轴线平行的，也可以是垂直的。但是，变形通常出现在温度较高的区域。

M型和马鞍形变形图例

在这里，荷重软化温度的重要性就被彰显出来。变形通常是选用了荷重软化温度不达标的材料，或局部燃烧温度超过了选材的额定荷重软化温度，也有因砌筑不合格导致的事故案例。

Ø 胸墙倒塌

这几年也发生过胸墙局部或整体垮塌的事件，这不仅对我们窑炉设计单位在材料选择和砌筑技巧提出了要求，同时也对窑炉的使用及工艺控制方提出了要求。

Ø 局部烧损

主要是喷火口砖附近或烧枪的对面位置。这是由于全氧燃烧的火焰较硬，且窑压较大的原因。

正确的操作和点检是减少或杜绝局部烧损的法宝。仍然按照空气助燃窑炉操作，不能及时转变观念是不行的。

Ø 漏料

国内全氧燃烧窑炉曾经发生池壁穿孔漏料事故，事故原因有耐材质量因素也有甲方点检不到位，日常管控水平低的原因。在此也希望能引起大家的重视。

三、 耐火材料选择的原则

本文讨论的全氧燃烧耐火材料的问题主要为窑炉内部的耐火材料，外部的保温材料不在本文讨论范畴。理论和经验告诉我们，使用全氧燃烧技术后，燃烧特质的改变并没有对下部空间产生本质的影响，所以本文主要集中讨论上部空间的耐材问题。

传统的空气助燃窑炉上火焰空间耐火材料的选择，一般以硅质材料为主，使用电熔耐火材料或其它耐火材料的窑炉常见于特种玻璃。玻璃熔窑采用全氧燃烧技术后，由于火焰空间中的水蒸汽的体积浓度大大增加，碱挥发物的体积浓度增至3~6倍。由于传统空气助燃窑炉上部空间较多的情况下会使用硅质材料，硅质材料理论上讲属于酸性材质，高浓度水蒸气和高浓度的碱挥发物形成较强的碱性气氛，对传统上部结构中硅砖的使用性能造成危害。

SiO2+2NaOH+O2 → Na2SiO4+H2O

实际的使用情况也可以佐证。

案例一：2004年投产的国内某显示器件玻璃企业全氧燃烧窑炉（200410-200607）。

案例二：2017年投产的国内某瓶罐企业全氧燃烧窑炉。选用的硅砖大碹2年后基本穿透。

相比大碹，胸墙、山墙等部位的减蒸汽浓度会略低，但是同样面临酸碱中和的反应，超出常规的侵蚀速度让窑炉的寿命变得无法预期。另外，被侵蚀剥落的物资落到玻璃表面上，因比重小于常见的玻璃，形成浮渣，进一步影响玻璃的质量及熔化。

材料选择需考虑的因素

耐火材料的选择原则上，除了上文提到的耐高温、可加工、经济性、系统性，我们还应该根据全氧燃烧的特点，努力创新，大胆使用新技术、新材料，我们称之为新属性。

全氧燃烧玻璃窑炉火焰空间耐火材料的选用，我们更多的介绍电熔耐火材料，无论是电熔AZS还是电熔氧化铝产品，我们乐于对此进行讨论是因为我们在国内全氧燃烧玻璃窑炉上已经积累了较为丰富的成功经验，所以我们很高兴称之为成熟选择体系。当然，根据窑炉特点及产品特征的不同，国内也有使用其它耐火材料的案例。下面我们根据自己掌握的信息为各位做出介绍；

目前全氧燃烧玻璃窑炉上部结构使用较多的耐火材料，以熔铸材料为主，分别为电熔AZS系列、电熔氧化铝系列、电熔铬刚玉系列为主（目前有使用烧结铬刚玉代替的倾向）。

电熔AZS系列中，除了常见的ER1681、ER1685和ER1711外，还包括ER1851、ER1195（对应AGCC标号为 ZB18*1X和ZB950 Series）。

电熔氧化铝系列包括电熔α－β、电熔β材料(对标M\H或MB牌号)

3.1. 电熔α－β氧化铝质制品

由各约50％的α氧化铝和β氧化铝构成，二者结晶交错形成了非常致密的组织结构，耐强碱性能非常好，在1350 以上不如电熔AZS制品，但是在1350度以下却具有非常好的耐侵蚀性。因为不含铁、钛等有害杂质，基值玻璃相非常少，其剥落物对玻璃的污染微乎其微，除了常见的流道、炉头锅、澄清池、浮法玻璃的唇砖等部位以外，亦可用作窑炉的碹顶（主要考虑较长的寿命、悬滴对玻璃液的污染问题，另外由于比重比较轻其整个碹顶的重量液比较轻）

3.2. 电熔β氧化铝质制品

由100％的 β－氧化铝构成，有大块平板状的β－氧化铝结晶体组织，结晶相互交错而且晶相很粗大，气孔率较高、强度较低。但是抗剥落性很好，尤其对强碱蒸汽具有较高的耐侵蚀性，但是由于与二氧化硅反应后β－氧化铝容易与α氧化铝和二氧化钠较易崩裂，所以必须使用在粉尘飞扬较轻的部位，使用作为窑炉的碹顶时一般在后端。

电熔α－β或β氧化铝制品在国内已经使用的窑炉上，表现出极佳的耐侵蚀性和对玻璃很少的污染特性，效果非常好。国外和国内合资企业的售价大约在5－10万／吨，国内企业产品为3－7万／吨，较高的价格是阻碍其广泛使用的最大障碍。

3.3. BPAL(烧结α－β)制品，由于相对低廉的价格，近年来在国内窑炉上也有成功使用的案例，特别其特殊的组份，对策猫爪纹有较为明显的效果，在中低温料道上是较好的选择。

随着技术的进步，国产的类似烧结材料也已经上市，并取得了较好的使用效果。电熔AZS制品在纯氧窑炉上部空间的应用

较小的炉型或玻璃质对碹顶形成的碹滴污染要求不是很高的情况下，可以考虑使用电熔AZS制品作为碹顶材料，其优点是价格比电熔氧化铝制品低，比较经济适用。

使用AZS系列产品做上部空间，首先要考虑合格的荷重软化温度，不得因荷软不合格影响窑炉安全，其次，要考虑一般AZS产品较高的玻璃相渗出时，碹滴可能对玻璃造成污染。

3.4. 对付碹滴污染的利器----1851 Series（俗称低玻璃相产品或低硅低钠产品）

这是一种低玻璃相的熔铸AZS系列的产品，相比普通的AZS产品，其成分中硅和钠的含量均有一定的降低，这使得产品内玻璃相的含量得以控制（通常低于14%），使用到窑炉上不仅可以减少玻璃相对玻璃的污染，极强的抗碱蒸汽能力、抗飞料能力，较好的抗蠕变性能！

渗出相

近年来，ER1851系列的产品已经多次运用到一些全氧燃烧项目上并取得令人满意的效果，在低渗出、抗侵蚀方面有着良好的表现。

国内不少厂家也在积极跟进，大力开发此类产品，相信不远的将来低玻璃相产品一定可以得到广泛的运用。

3.5. 高锆系列（1195或950 Series）

所谓高锆系列产品，通常是指锆含量在85-95%之间的产品。由于其较高的生产难度和较高的售价，一直是较为小众的产品，但是由于其优越的性能又在众多玻璃行业有着广泛的应用。

目前已知可以批量生产高锆系列的厂家有：西普（日本）、旭硝子、MONOFRAX(美国)。由于其优异的特性，在玻璃生产中较好的减少了结石和气泡的产生，因此更适用于用于玻璃窑炉中与玻璃接触的部位，在硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃、玻璃陶瓷和展示玻璃的熔窑中具有良好的性能。根据要求不同，又有高电阻率的细分产品，客户可根据需要自行选择。

市面上可以见到的日本西普公司的产品主要为：SCIMOS Z 、SCIMOS UZ、SCIMOS CZ 、SCIMOS MCZ.

市面上可以见到的AGCC的产品主要为：ZB-X9510和ZB-X9540.

其主要成分接近，在电导率上会有部分差别，这个需要根据玻璃的成分和工艺要求与耐材厂家的专家结合，选择合理的方案。

ER1195具有更高的荷重软化温度

更高的抗侵蚀等级

与1851接近的低渗出特性

在全氧燃烧加电加热的窑炉中，池壁、电极砖、流液洞部位均有广泛应用。全氧燃烧电子微晶玻璃窑炉的流液洞档砖也是不二选择。

3.6. 关于创新性。

近年来，随着全氧燃烧技术的快速推广，进入这一领域的机构越来越多，各种新的尝试也应运而生，以下为我们了解到的全氧燃烧玻璃窑炉上除了电熔材料的其他材料的应用情况：

a) 高纯镁铝尖晶石

镁铝尖晶石(也称尖晶石)的化学式为MgO-Al2O3，含Mg0为28.3%，Al2O3为71.7%（非典型数据，仅供参考）。其主要优点是对还原性气氛如游离CO2，游离SOX及游离K2O/Na2O的抗蚀性强，以及具有较好的热稳定性与耐磨性。镁铝尖晶石具有较高的熔点、热膨胀系数小、热应力低、热振稳定性好、相比电熔材料体积密度较小（2.7 T/M3），同时它具有较稳定的化学性质，对碱性气氛具有较强的抵抗能力。

从目前掌握的信息看，国内空气助燃和全氧燃烧玻璃窑炉上均有运用镁铝尖晶石的实际案列。但是使用窑炉多出现问题，表现为大碹马鞍形变形，原因不明。

a) 等静压成型高锆砖

XX公司开发的等静压成型高锆砖，由于其优良的致密性、耐侵蚀性和相对电熔高锆砖更低廉的价格，已经应用于全氧燃烧窑炉，并有不错的表现。

b) 致密铬砖、高致密氧化铬砖

致密铬砖由于其优良的热震性能、耐碱性能、耐冲刷性，已广泛应用于国内玻纤工业窑炉中，当然也包括全氧燃烧玻纤窑炉的火焰空间部位。致密铬砖中的铬根据不同的使用部位，采用不同的铬含量，一般来讲Cr2O3 >90%、容重>4.0g/cm3。

目前，除欧美一些企业或在华的合资企业生产外，国内很多企业也可以提供相同的产品，但品质和理化稳定性差异较大，客户在选择时应谨慎对待。

由于铬良好的物理化学性能，其在耐侵蚀上表现出良好的适应性。但是，由于铬的污染问题较难解决，许多欧美国家对含铬的产品生产和应用有众多限制，这是大家需要了解的。

由于铬具有较强的着色能力，一般而言高白料或更高品质的玻璃不建议使用含铬的耐材，特别是与玻璃液接触的部位。对于颜色玻璃，或品质要求较低的青白料为延长窑炉寿命可酌情考虑使用。

c) 电熔再烧结莫来石

欧洲某知名公司及国内部分企业在生产此类产品。某公司产品典型数据为：Al2O3 76%，Te2O3 0.1%，SiO2 23%。、荷重软化温度T0.5>1700℃，体积密度2.66G/CM3 ，常温耐压强度1100N/MM2 、玻璃相含量＜4%。

目前全氧助燃玻纤（glass fiber）窑炉的大碹已经较多的使用电熔再烧结莫来石，由于其相对中性的特质，在国内多座窑炉上有成功的运用实例。

d) 无钙硅砖

产品来自XX公司，据其公开的资料显示，目前在欧洲有超过5座全氧燃烧玻璃窑炉使用了该公司提供的无钙硅砖。（2012年数据）

其公开质料展示的产品优点为;

n 使用了电熔氧化硅、结合相不含氧化钙成分、硅含量可达98.5%以上；

n 比重更小（1.8T/M3），整个大碹的重量会因此而降低；

n 价格相比电熔材料更低（同级别）。

n 相比硅砖更低的膨胀系数（650℃时0.6%），更高的使用温度（1690℃ RULT 0.5）

n 更好的体积稳定性

实际案例：

在国内某全氧燃烧窑炉上有使用经历，大碹出现威胁到窑炉安全的变形。学术上无最终定论。

四、吨玻璃耐火材料消耗量

吨玻璃耐火材料消耗量是一个较为新鲜的概念，主要是指一个窑炉窑期内玻璃出料量与此窑炉耐火材料使用量的比值，单位是KG/t.glass。它是反映窑炉和玻璃生产先进性的一个综合指标。我们引入这个指标是借鉴了冶金行业的成熟经验。据我们了解，玻璃行业目前没有详实的数据可供参考。但是从冶金行业看，目前我国平均水平是日本的两倍以上，为15KG左右（前些年更高，极值曾经达到过45KG），即使是国内冶金行业的龙头企业—上海宝钢，其指标也是日本同行业的1.3倍以上。以目前我们掌握的部分全氧燃烧玻璃窑炉的数据看，我国与德国、日本同行业水平相比，仍有较大的差距。这个差距主要体现在窑炉的寿命和出料量的上。

列表一

全氧燃烧窑炉由于没有蓄热室的存在，耐火材料的使用量将大大降低，这是我们缩小与欧美发达国家差距的绝好机会。

列表二

由于我们掌握的数据有限，很难找到完全接近的窑炉进行比较，上表中的对比数据仅为参考。

4.1. 影响吨玻璃耐材消耗量的主要因素为：

Ø 窑炉寿命及总出料量，这个跟选用耐材的质量和生产管控水平有关。

Ø 各国、各行业耐材的用量有差别，但并不是很大的。

Ø 全氧燃烧和空气助燃窑炉耐材使用量差别较大。空气助燃窑炉和全电炉的耐材使用量差别也较大。综合比较，传统的蓄热室窑炉的耐材数量由于蓄热室的存在而变得特别巨大。

4.2. 延长窑炉寿命，降低耐材使用量的的主要方法：

Ø 耐材的合理选材。选用符合规范的耐火材料，在不同的部位根据需要选择相应的耐火材料。

Ø 砌筑、施工：符合规范的施工过程，合理的升温、热处理。

Ø 窑炉出料量的合理设计：不再追求不合理的最大出料量，拼设备、拼硬件。科学协调窑炉寿命、能耗、产量、质量的相互关系，根据自身特点逐步摸索出一条科学、合理、高效的平衡关系。

Ø 工艺控制水平：减少为提高出料量、降低能耗采取的高温强制熔化、高窑压生产习惯。加强对配合料的管理、出料量的控制、玻璃品质影响因素的分析对策，逐步形成良性的自我纠错机制。

Ø 现场管理水平：窑炉的点检、数据积累、热保工作的重视程度。

Ø 逐步加大全氧燃烧技术在玻璃行业的运用，降低耐火材料的消耗。

玻璃行业差别大，特别是在日用玻璃领域，由于行业特点是产品结构差异大、可比性不高，造成标准难以统一。但是，不断摸索新技术、新产品、新工艺的应用，逐步提高窑炉寿命，提高产品质量、降低吨玻璃耐材耗量是提升经济效益，节能减排的必由之路。

四、 结论

经过十几年的发展，全氧燃烧玻璃窑炉在耐火材料的选择和使用上，虽然走过了不少弯路，但是经过大家不懈的努力，已经形成了一套较为成熟的体系，在具体操作上，虽然还有差异但是总体来讲还是很相近的。

近年来，通过不少有识之士在不断的摸索创新，更多新型的耐材使用方法、更多新型的耐材种类不断的充实到全氧燃烧玻璃窑炉行业中来，这些努力为丰富全氧燃烧技术领域的内涵都起到了积极的作用。

我们也欢迎更多的有识之士进入这一领域，拿出更多解决方案，为中国全氧燃烧技术的推广应用奉献自己的聪明才智。