液晶玻璃窑炉节能设计开发与应用

穆美强 ，苏记华 ，韩军 ，赵玉乐 ，李青 ,2

（1.郑州旭飞光电科技有限公司，河南 郑州 450000；2.平板显示玻璃技术和装备国家工程实验室，河北 石家庄050035）

0 引言

传统窑炉采用的保温及冷却方法的管理形式均较为粗犷。在窑炉启动初期，冷却系统伴随启动，却缺少相关的系统控制，窑炉设计过程中采用简单的保温材料，造成窑炉生产过程中热散失大，能量消耗快，同时在生产初期冷却风系统没有温控系统，生产过程中炉内外温差的变化造成窑壁砖容易出现裂纹现象，再加上高温玻璃液对窑壁裂纹的侵蚀，从而严重影响窑炉的使用寿命，因此传统的窑炉无法解决液晶玻璃在生产过程中温度高、挥发量大、侵蚀快等难点问题。

1 液晶玻璃窑炉节能设计原理

液晶玻璃属于高铝无碱玻璃，熔解难度较大，使用纯氧燃烧系统及电助熔系统双重加热，窑炉内空间及玻璃液温度较高，必须对窑炉本身进行分区域冷却，以减少窑炉耐火材料的侵蚀，延长窑炉耐火材料的使用寿命。

通过改进窑炉冷却系统设计，增加窑炉温控和压控方案，提升冷却系统稳定性，再利用优化窑炉启动初期的冷却和窑炉安装期间加强窑炉设备相关部位保温等方法，以减少窑炉内能量的消耗、减少热散失、减少窑炉本体裂纹，以达到节能降耗延长窑炉寿命的目的。

2 液晶玻璃窑炉节能设计难点

2.1 窑炉内温度高

液晶玻璃熔解难度较大，采用纯氧燃烧及电助熔系统高效率双重加热，窑炉内玻璃液温度可达到1 600～1 650℃，长期高温运行会加剧窑炉耐火材料的侵蚀。

2.2 窑炉温度控制精度高

液晶玻璃窑炉，为保证液晶玻璃熔解质量，窑炉温度控制精度要求±2℃，同时对窑炉内压力控制标准要求在±2 Pa，窑炉内温度及压力的较大波动均会影响到玻璃液的熔解质量，影响产品品质。

2.3 环境稳定性要求高

液晶玻璃窑炉的炉体较小，对温度、压力等数据控制的要求较高，对环境稳定性要求高，环境因素的波动会直接造成窑炉温度及压力等重点控制参数失真，进而影响产品品质。

2.4 窑壁砖裂纹多

液晶玻璃窑炉内温度达1 550～1 600℃，玻璃液温度达到1 600～1 650℃，窑炉长期高温运行，为保证运行安全，对窑壁采用风冷进行保护，但窑壁内外温差大，窑壁裂纹易高发，玻璃液会加剧对窑壁裂纹处的侵蚀，影响窑炉使用寿命。

3 液晶玻璃窑炉节能结构设计

3.1 总体布局

图1为液晶玻璃窑炉节能结构系统设计，窑炉冷却风从①处把外界环境风引入，经过恒温风控系统②，由热电偶③进行自然风温度反馈，根据自然风温度自动调整保证空气温度稳定，由压差计④反馈当前冷却风压力进行风压监控，可保证供给窑炉冷却风压力稳定。在窑炉前部分为左右侧冷却风，汇集在两侧风箱内⑤，风箱入口前设计挡板，进行风速风压控制。然后流向各冷却风支管⑥，各冷却风支管均设计档板，便于单独控制，通过支管向窑炉⑦窑壁各个部位提供冷却，减少窑壁侵蚀，保障设备高温运行安全，提升窑炉使用寿命，在窑炉碹顶上部铺设两层保温棉⑧，窑炉后墙增加25 mm保温板⑨，窑炉胸墙⑩采用5～10 mm保温涂料，采用多种形式的保温方法，降低炉内热量散失，减少能量使用，提高窑内实际温度。

图1 液晶玻璃窑炉节能结构设计

3.2 冷却风压控制系统设计

在冷却风机采用变频控制系统，并采用PLC程序控制，风压控制系统根据主管道内冷却风的压力，进行实时反馈，并通过PLC程序实时传输至DCS控制终端进行在线数据实时监控，根据风压数据调整冷却风机频率，保证冷却风压的稳定。

3.3 冷却恒温风控系统设计

在冷却风机进风口前增加加热盘管及温度控制系统，并把温度数据传输至DCS控制终端，系统根据主管道内自然风温度，加热盘管开度大小进行自动调节，保证供给的冷却风温度的稳定。

3.4 减少窑壁裂纹设计

窑炉安装期间，启动窑壁冷却系统，在窑炉两侧冷却箱处设计开度档板，设备调试期间，对各单支冷却风管进行风速测试，通过testo风速仪标定各风管风速至 （6±0.3）m/s，同时标记对应档板开度。窑炉升温启动初期关闭冷却系统，根据窑炉内玻璃液缓慢提升，按计划方案逐步提升冷却风量。通过运行证明，此方案实施可以有效减少窑壁砖裂纹的产生。

3.5 窑炉保温系统设计

液晶玻璃窑炉，对液晶玻璃熔解温度、质量的要求较高。在窑炉安装期间，窑炉胸墙除采用泡沫莫来石保温砖外，再统一平涂5～10 mm厚保温涂料，窑炉后墙根据墙体特点增加25 mm厚氧化铝保温板，窑炉碹顶顶部铺设2层1 600℃的保护棉，加强窑炉本体保温，减少热散失，提升能量热效率。

4 结论

通过此液晶玻璃窑炉的节能设计及应用，可以满足窑炉温度±2℃高精细化控制的要求，相应能量下保证窑炉内温度稳定，运行对比，每小时节约天然气 2 Nm3，节约氧气 5 Nm3，节约电能 3～5 kW/h。通过使用此设计方案，可有效保护窑壁砖寿命，提升窑炉使用寿命1～2年。在此设计中采用风压控制系统、冷却恒温风控系统、减少窑壁裂纹、窑炉保温系统等方法，实现了冷却风量的稳定供给，满足液晶玻璃对窑炉炉压、炉温稳定控制的要求，减少窑壁砖裂纹产生。系统中广泛使用自动控制系统，实现了炉头压力、窑炉温度、现场环境的自动控制。

参考文献

[1]田英良，孙诗兵.新编玻璃工艺学[M].北京：中国轻工业出版社，2009.

[2]黄敏.热工与流体力学基础[M].北京：中国机械工业出版社，2003.

[3]陈金方，孙承绪.玻璃的电熔化与电加热[M].上海：华东理工大学出版社，2002.