一玻璃电熔基础

1 玻璃的导电行为 …………………………….2 1.1熔融玻璃的电导率…………………………………..3 1.1.1玻璃的导电性

1.1.2熔融玻璃电导率和温度的关系 1.1.3熔融玻璃电阻率与化学成分的关系 1.1.4混碱效应的应用实例

1.1.5常用的熔融玻璃的电阻率—温度曲线 1.1.6失调角和稳定性准数对玻璃电熔控制的影响 1.1.7熔融玻璃电阻率的计算 1.1.8玻璃的粘度

1.2 电极间玻璃液电阻的计算………………………….14 1.2.1欧姆定律的应用

1.2.2板状电极间玻璃液电阻的计算 1.2.3两支平行棒电极间的电阻 1.2.4两列平行放置的棒电极的电阻 1.2.5两支相对放置的棒电极的电阻 1.2.6三相电极的电阻计算

2 电极 …………………………………………..19 2.1 电极的选择原则…………………………………..19 2.2 钼电极………………………………………………192.2.1 钼电极的物理性能…………………………….…20

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2.2.2 钼电极的的组织结构变化…………………….…21 2.2.3 钼电极的化学组成……………………………….22 2.2.4 钼电极的结构和布置………………….…………28 2.2.5 电极水套…………………………………….40

2.2.6 钼电极临界电流密度和尺寸的选择…………………………47 2.2.7 钼电极的蚀损与保护………………………….…49 2.2.8 钼电极的电缆联结……..…………………………52 2.2.9 钼电极的使用及注意事项…………………………53 2.3 氧化锡电极…………………………………………56 2.3.1氧化锡电极的概述………………………………. 2.3.2氧化锡电极的物理性能…………………………57 2.3.3氧化锡电极的化学性能…………………………62 2.3.4 氧化锡电极的制造工艺………………………..62 2.3.5几种常用的氧化锡电极………………………….63 2.3.6 氧化锡电极的安装和使用………………………. 2.3.7 氧化锡电极的的蚀损…………………………….66 2.4 硅碳棒电热元件…………………………………….66 2.4.1硅碳棒的物理性能………………………………..66 2.4.2 硅碳棒的化学性能………………………………..67 2.4.3硅碳棒的老化和涂层保护………………………..68 2.4.4硅碳棒的规格与型号……………………………..68 2.4.5硅碳棒的电气联接………………………………..70

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2.4.6硅碳棒的使用注意事项……………………………70 2.5二硅化钼发热体……………………………………..72 2.5.1硅钼棒的理化性能…………………………………72 2.5.2安装方法…………………………………………..75 2.5.3使用要点…………………………………………..76 2.6石墨电极……………………………………………..80 2.7铂电极………………………………………………..81 2.8 冷却水系统………………………………………..81 3 供电与控制…………………………………….84 3.1 供电及控制系统…………………………………….85 3.1.1可控硅+隔离变压器 3.1.2可控硅+磁性调压器 3.1.3感应调压器+隔离变压器 3.1.4抽头变压器 3.1.5T型变压器

3.2 可控硅控制系统…………………………………….92 3.2.1接隔离变压器的可控硅系统 3.2.2接磁性调压器的可控硅系统

3.2.3接过零触发的周波控制器的可控硅控制系统（调功器）3.2.4移相控制器的可控硅控制系统（调压器） 3.3 可控硅的触发系统及触发仪表…………………….97 3.3.1恒流控制

3

3.3.2恒温控制 3.3.3恒电阻控制 3.3.4周波控制器(调功器)

3.3.5可控硅调压移相控制器（TG－Y1/3－A/B型） 3.4 电加热闭环控制方案……………………………...105 3.5 变压器的设计选型…………………………….....106 3.5.1变压器的设计选型 3.5.2变压器的选择的注意事项

3.6 供电及控制系统设计过程中的注意事项………...108 3.7 控制柜的设计与制造……………………………….108 3.7.1电熔化所需的基本设备 3.7.2仪表控制柜 3.7.3对控制系统的要求 3.7.4开关

3.7.5快速熔断器的选择 3.7.6可控硅元件的选取

4 玻璃电熔窑的电源选择……………………...113 4.1玻璃电熔窑的熔化电熔…………………….........113 4.2玻璃电熔窑的应急电源…………………….........113 4.3功率因素的提高……………………………………….115 4.3.1功率因数补偿方法

4.3.2功率因数的计算与补偿容量的确定

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4.3.4补偿容量的确定

5 砌窑材料………………………………………….120 5.1烧结锆刚玉砖 5.2电熔锆刚玉砖 5.3电熔刚玉砖

5.4电熔锆铬刚玉砖（AZCS） 5.5电熔石英砖 5.6电熔锆石英砖 5.7耐火材料的钻孔

前言

玻璃在高温时是一种电导体。熔融玻璃液含有碱金属钠、钾离子，它具有导电性能。当电流通过时，会产生焦耳热，若热量足够大，则可以用来熔化玻璃，这就是所谓“玻璃电熔”。

1902年，沃尔克(Voelker)获准了一个基本专利，其内容是利用电流通过玻璃配合料产生的热来熔化玻璃。随着熔窑设计和电极的不断改进和发展，这种电熔方法得到广泛应用。1920～1925年，挪威的雷德(Raeder)使用石墨电极，成功地实现了玻璃的全电熔。1925年，瑞典的科尼利矶斯(Corneljus)用这种电熔窑生产琥珀色玻璃和绿色玻璃。该电熔窑采用薄层加料法，配合料浮在玻璃液表面。在电熔窑投产时，配以临时性的炉盖，当玻璃液位盖过电极，便撤去炉盖。所用的电极是大铁块，由于铁电极使玻璃着色，所以这种熔窑只能用于熔化有色玻璃，效果颇好。当时可达到1.40kWh/kg玻璃，所以这种作业在电能价格低的地区是可行的。这种电熔窑有些一直运行到最近几年。弗格森(Ferguson)在1932～1940年这一时期，采用“T”形电熔窑积极从事电熔的研究。

第二次世界大战期间，瑞士的波来耳 (Borel)在电熔方面做了大量的研究发展工作，旨在解决燃料短缺的问题。波来耳的工作获得了成功，并由法国·圣哥本 (St.Gobain)公司加以推广，该公司还对电助熔做了实际的工作。

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二战以后人们开始对钼电极感兴趣，佩恩伯瑟(Penberthy)设计的电极系统使用钼棒，1952年玻璃工业开始广泛用于电助熔和全电熔。另一种是英国的格耳(Gell)和汉恩(Hann)于1956年提出的板状钼电极。

近20年来，玻璃电熔获得迅速推广。美国的瓶罐玻璃熔窑大约一半配备有电助熔，并且仍在不断增大，从早期的300kW增大到目前的800～1500kW。发展趋势仍未停止，现已有了超级电助熔。

目前全世界至少有100座全电熔窑，规模从4t/d至120t/d。每年都要增加若干座，其规模在电助熔和全电熔这两个方面都在扩展。

近20年来，一种新概念即“混合熔化”，已日益受到重视。这种概念是：先在熔融的配合料内部通电加热生产大约一半产量的玻璃，再在配合料上方用燃料加热生产另一半产量的玻璃。其目的是要降低每吨玻璃所需热量的总成本，与此同时仍保持如电熔窑玻璃那样的质量。

另一项主要的新发展是用电熔窑熔化铅晶质玻璃，供机器和手工生产高级餐具使用。大约在19年棒状氧化锡电极投入工业应用，而且为这种电极发明了性能良好的电接触系统，为铅玻璃电熔建立了良好的基础。

近20年来的第三项发展，是推广了电加热料道。

第四项新发展是采用了“微型电熔窑”，用来生产优质玻璃，其熔化量可低到10kg/h。

近20年来的第五项发展，是日益重视对环境污染的控制。从这方面来讲，电熔工艺具有相当重要的意义。

电熔方法有许多突出的优点，热效率可以高达80%～85%，节省能源，没有污染，消除公害，改善劳动条件。熔制出的玻璃液成分均匀，产品质量高。生产过程便于实现自动化操作。因此，在国外玻璃电熔得到迅速的推广。

发达国家，玻璃电熔化已广泛应用于光学玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅玻璃、氟化物玻璃、瓶罐玻璃以及纤维玻璃的生产，其工艺已趋成熟。

据鲁塞尔·布艾曼(Russel Burman)1979年估计，世界上将近半数的玻璃熔窑都将采用电熔技术。

上个世纪60年代初期，我国玻璃纤维行业从研究池窑拉丝和代铂炉开始研究电熔工艺，至今已有几十年的历程。目前在制造平板玻璃、特种仪器玻璃、器皿玻璃的火焰池窑中采用电助熔，耗电量不多，但对提高产品质量，增加产量，改善劳动条件诸方面都有良好的效果，发展前途广阔。预计在今后几十年内许多火焰池窑将广泛采用电助熔。随着我国电力工业的

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发展，全电熔工艺的应用也会逐年增加。

玻璃电熔与传统的火焰加热熔融炉相比有着很大的优势。由于利用玻璃液直接作为焦耳热效应的导电体，所以玻璃电熔化的热效率远高于火焰熔融炉。日出料量60t以上的玻璃电熔窑的热效率大于80%。另外，电熔窑的炉型结构简单，占地面积小，控制平稳且易操作，并减少了原料中某些昂贵氧化物的飞散与挥发，降低噪声和改善环境污染，稳定熔化工艺和提高产品质量等，这些都是燃料炉难以比拟的。

我国拥有丰富的水力资源，加上新建的核电站，为玻璃电熔技术的推广应用提供了能源基础。因此玻璃电熔是今后的发展方向之一。

本书分为四篇，第一篇讲述了玻璃电熔的基础知识，包括玻璃的导电行为，电极、供电与控制，电熔设备的电源选择、耐火材料等内容。

第二篇讲述了全电熔玻璃窑的基础理论、设计要点、烤窑方法、运行的注意事项等。对熔制钠钙玻璃、铅晶质玻璃、硼硅酸盐玻璃、氟化物玻璃、有色玻璃、玻璃纤维、瓷釉、电热坩埚窑、电熔日池窑、小型热顶电熔窑等10类典型的电熔窑进行了分类讲解（其中包括一些特种玻璃的小型电熔窑，汇编了已运行38座电熔窑的详细资料，几乎包括了所有品种的玻璃和所有类型的电熔窑）。

第三篇讲述了火焰池窑的电助熔的设计、电极排列、功率分布、操作要点。对硼硅酸盐玻璃、铅玻璃、有色玻璃、平板玻璃、玻璃球等池窑的电助熔进行了分类讲解。

第四篇讲述了料道电加热的基础理论、设计和操作要点。对硅碳棒、硅钼棒辐射电加热料道、通路的电加热、板状和棒状钼电极电加热料道、氧化锡电极电加热料道、混合式电加热料道、热套法电加热料道、料盆的电加热八类典型的电加热料道进行了详细的讲解。汇编了已运行的2料道的详细资料（几乎包括所有的玻璃品种）。

本书可供玻璃厂的工程技术人员和有关的研究人员使用，也可作为高等院校学生的教材。

作者参阅了国内外大量的杂志，参考了许多学者的论文、论著，结合本人十多年来设计的数十条电熔窑（含电加热料道）的经验，编辑成书。对被引用材料的杂志社、论著和论文的学者表示衷心的感谢。在该书的编写过程中和玻璃电熔技术的推广过程中得到了我的导师－著名的玻璃窑炉专家孙承绪教授的精心指导，干大川教授对部分书稿提出了宝贵的意见，我的妻子余亦乐女士帮助打印了部分书稿，在此表示衷心感谢。

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一 玻璃电熔的基础

1 玻璃的导电行为 1.1熔融玻璃的电导率

玻璃电熔是将电流通过电极引入玻璃液中，通电后两电极间的玻璃液在交流电的作用下产生焦耳热，从而达到熔化和调温的目的。玻璃液之所以具有导电性，主要是因为电荷通过离子发生迁移。硅酸盐玻璃具有一个远程无序的网络结构，除了共价键结合的硅和氧原子外，网络结构还包含玻璃改良剂离子，它们是相对自由的，特别是碱金属离子。在玻璃网状结构中结合能力最弱的也是碱金属离子，它们是电流的载体。在石英玻璃和硼硅酸盐玻璃中，只含有少量的碱金属离子，则导电性较差。在钠钙玻璃中除了离子数量外，离子的强度和离子的半径也影响玻璃液的导电性。与Na+离子相比，K+离子半径较大，迁移受到的阻力也较大。相反，Li+离子半径比Na+离子半径小，但由于Li+离子结合能力强，因此，Li+离子迁移比Na+离子困难。所以，Na+离子最有利于增加玻璃液的导电性。

影响玻璃导电能力的因素有：①玻璃组成中的碱金属离子浓度及离子半径。离子的半径减小，浓度增加，电阻率则下降。②玻璃的结构状态和网络空隙的大小。一价阳离子愈多，桥氧离子减少，结构疏松，网络空隙增大，电阻率下降。③玻璃中添加网络外体离子(如R+2、Zr+4)时，这些离子充填于网络空隙内，阻碍碱金属离子移动，电阻率上升。④添加B2O3、Al2O3时，若形成硼氧四面体，则结构趋于紧密，网络空隙减小，电阻率上升。铝氧四面体大于硅氧四面体，使网络空隙增大，电阻率下降。

要了解玻璃电熔中的许多现象，必须熟知熔融玻璃的性质，主要是指玻璃熔体的电导率或电阻率、粘度等。熔体的电导率是玻璃电熔化电气系统设计的重要依据。玻璃液的粘度，它不仅是玻璃熔化的最基本参数，而且也是熔炉模拟技术中选择模拟液的重要依据。 1.1.1玻璃的导电性

在室温下玻璃是电的绝缘体，电导率约为10-13～10-15Ω-1cm-1，介电强度约在3×103～1×105V之间。当玻璃被加热时，其导电性能随温度升高而明显增强。熔融状态下的玻璃电导率约在0.1～1.0Ω-1cm-1，完全变成了导电体，用作焦耳效应的发热体是足够的。

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电熔化能用来熔化几乎所有品种的玻璃以及某些呈现高阻值的硅酸盐材料。各种玻璃的电导率随其成分不同可有很大差别，对同一种玻璃，电导率则是温度的函数。 1.1.2熔融玻璃电导率和温度的关系

高温下玻璃熔体的导电属离子导电，即和电解液一样通过带电离子的迁移来实现。 玻璃电导率随温度变化的关系式为:logρ=log=A+B/T,式中ρ—玻璃的电阻率；ν—玻璃的电导率；T—绝对温度°K；A，B—与玻璃状态有关的常数。该公式适用于20℃～500℃和1000℃～1450℃两个温度范围。玻璃电阻率和电导率关系式为ρ=1/ν。

图1.1.1钠钙玻璃的电阻率与温度关系

图1.1.1给出了某种钠钙玻璃的电阻率曲线。由图1.1.1可知，电阻率随温度升高而急剧降低，当温度达到较高值后，ρ的变化趋于平缓，在低温段，曲线有着明显的拐点，该点温度与玻璃的软化点相对应，在玻璃电熔化中常称之为“起始导电温度”。由于在电熔化和电加热中研究的对象是高温液态玻璃，所以仅对于1000℃以上的玻璃电阻率感兴趣。

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图1.1.2 钠(钾)铅玻璃的电阻率与温度关系

在钠钙玻璃熔化池中，电极间的平均温度一般为1350℃～1400℃。料道电加热中，约在1050℃～1200℃。对于硬质硼硅玻璃，则熔化池电极平均温度约为1400℃～1550℃，电热料道约在1200℃～1400℃。对于钠钙玻璃电阻率和温度曲线，可以把1050℃到1150℃之间一段近似为直线，用线性方程表示为ρ=36.25-0.025T(Ω·cm)，式中T为℃；可以把1350℃～1450℃之间一段近似表达为ρ=13.7-0.006T(Ω·cm)。

在电熔化中，如果用电阻法反映玻璃液温度，则在100℃范围内数字电阻仪可按线性化进行设计。当使用电极导电法测量电阻以代替热电偶温度时，亦可按线性化处理，但要注意其线性范围约100℃。对于硼硅玻璃（如九五料），这个范围约为60℃。 1.1.3熔融玻璃电阻率与化学成分的关系

图1.1.3 各种温度下碱金属含量与电阻率的关系

在大多数玻璃的电熔中，玻璃的电阻率取决于温度和碱金属含量。图1.1.2和图1.1.3示出了约含25%氧化铅(PbO)和15%碱(R2O)的玻璃的电阻—温度曲线，其中氧化钠(Na2O)和氧化钾(K2O)以各种比例存在。从图1.1.3中可以看出，即使碱(R2O)含量、重量百分组成相同，钾铅玻璃的阻值仍显著高于钠铅玻璃。

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图1.1.4 Na2O含量对二元Na2O-SiO2玻璃电阻率的影响

玻璃熔体的导电性能和化学成分密切相关。其导电性是参与输送电流的离子数、电子的电荷数、离子的迁移率的函数。离子的迁移率决定于阳离子运动时的摩擦阻力，且摩擦阻力随离子半径的增大而增大。同时亦受阳离子和带负电的SiO4四面体吸引的影响。离子半径大、运动阻力大、迁移要慢一些。等电荷时，大一些的阳离子被带负电荷的四面体吸引过去要少一些。

(1)二价和三价离子的影响：关于二价离子对玻璃电阻率的影响与它们的离子半径有关，它们的存在改变了键强和碱金属离子的激活能量，从而影响了电阻率大小。对于三价离子的影响，则主要考虑他们网状结构的间隙大小，间隙的大小则影响钠离子的迁移率。 虽然二价和三价离子对玻璃电导率有影响，但和碱金属离子相比，它们的影响是有限的。 (2)一价离子的影响：决定玻璃液电阻率的主要因素是钾、钠含量，其中钠离子的影响更大。图1.1.4给出了一组Na2O含量对二元Na2O-SiO2玻璃电阻率的影响曲线。图1.1.4表明，Na2O含量的增加使玻璃电阻率几乎呈直线下降。

玻璃中常用的碱金属有Na2O、K2O和Li2O。它们对玻璃电阻率的影响决定于它们的离子半径和它们在网状结构中的键强。离子半径大，迁移时所受阻力就大，所以受阻力大小的顺序是K+>Na+>Li+。而键强大，与周围其它离子会产生更强的静电场，从而亦影响迁移率，Li+比Na+小，键强更大。综合之，钠离子对电阻率的影响为三者之最，而钠在玻璃中的使用亦比锂和钾更为普遍，所含钠含量常作为确定玻璃液电阻率的主要参数。

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图1.1.5 钠钙玻璃中用CaO代替SiO2时玻璃电阻率的变化

图1.1.6 1400℃时多种玻璃电阻率与钾钠含量的关系

（3）混合碱效应：两种碱金属离子在玻璃中混合使用，还会产生“混合碱效应”，使电阻率增大。玻璃液中有电流通过时，碱金属离子一定要通过硅酸盐网状结构的间隙，半径比较小的离子(例如钠离子)较易通过，半径比较大的离子(例如钾离子)则较难通过，甚至于被捕获而堵塞间隙，进而阻碍半径较小的钠离子通过，造成碱金属迁移率降低即电阻率变大。所以当钾钠总含量不变，钾的成分增加时，玻璃的电导率就要减小。如图1.1.3在Na2 O 15%、K2O 5%处曲线出现明显的拐点。

决定玻璃液电阻率的首要因素是碱金属离子含量。图1.1.5表明，在钠钙玻璃中，当维持钠含量不变，而用氧化钙部分替代氧化硅时，其电阻率等温线几乎全部平行于横轴坐标。

图1.1.6是搜集的多种玻璃的钾钠含量与电阻率在1400℃温度下的对应关系，当钾的含量大于14%左右时，曲线趋于平缓。碱金属离子在通过玻璃网状结构的间隙时已趋于饱和状态。

综上所述，从电熔化设计角度出发，不必拘泥于二价、三价离子的含量，只抓住钾钠离子含量就可以基本满足电熔化中电气参数的设计需要了。 1.1.4混碱效应的应用实例

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某厂电熔窑利用混合碱效应来降低电流密度，延长电极寿命。适当调整配合料中碱金属氧化物的含量及种类，在电熔窑输入功率不变的条件下，降低电极的电流密度，同时减少玻璃中纯碱用量，提高了玻璃质量。

电极受到了高温、化学及电化学反应诸因素综合作用而腐蚀，尤其以电化学为甚，故选择合适电流密度可以减缓电极腐蚀速率。相反电流密度过大时，电极消耗量增大，而且还会造成玻璃液污染、气泡增多等不良问题。采用双碱效应来增加玻璃液的电阻率，降低电极使用电流密度，延长电极使用寿命。就电熔窑而言，增加产量，需增加输入功率。若提高电极电流，会增加电极腐蚀速率，也不利于电极负荷的三相平衡，并有可能造成控制仪表处在正常运行范围之外，从而影响生产。

在调试过程中，向配合料中引入一定量的K20，调节Na2O和K20的含量及相互之间的比例，以提高玻璃液的电阻率，降低电极的电流密度。配合料中的K20主要由钾引入。该厂原配合料中Na2O的含量为16.13%，K20的含量仅为0.36%,玻璃液的高温电阻小，见表1.1.1。该厂采用混合离子导电以增加玻漓液电阻率方法，整个调试过程分两个阶段进行，见表1.1.2。第二阶段在日出料量3.6t的情况下(超出设计能力3%)，电流比原来减少了100A，电流密度降低6.2%。测出的电压值如表1.1.3。提高了生产效率，减小了电极侵蚀，降低了生产成本。 表1.1.1 温度℃ 电导率(Ω-1cm-1) 表1.1.2 Na2O K2O K2O /Na2O 基础料方 16.13 0.36 0.85 1.06 0.022 0.056 0.069 -- 1.5 2.1 增加量倍数 1000 0.0083 1100 0.0133 1200 0.0177 1300 0.0265 第一阶段试验料方 15.26 第二阶段试验料方 15.26 表1.1.3 熔化部 板电极区 3区 59 13

1区 2区 3区 1区 2区 原电压值V 第一阶段试验 试验电压值

45 47 30 33 57 59 55 60 55 61 V 电压上升量% 第二阶段试验 试验电压值V 1.1.5常用的熔融玻璃的电阻率—温度曲线

（1）钠钙玻璃的电阻率—温度曲线。表1.1.4列出了常用钠钙玻璃的化学成分，图1.1.7画出了相应钠钙玻璃的电阻率—温度曲线。 表1.1.4 钠钙玻璃的化学成分 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 玻璃 钠硅玻璃 钾硅玻璃 普通玻璃 钠钙玻璃 灯泡玻璃 平板玻璃 无色瓶罐 水玻璃 8198 平板 试验 试验 试验 钠硅 泡壳 啤酒瓶 青白料 SiO2 76.0 71.0 70.0 71.6 67.0 71.98 72.3 76.0 66.50 71.98 75.0 70.0 75.0 76.0 73.36 70.73 Na2O 24.0 14.7 15.0 11.0 14.31 15.0 24.0 7.20 14.31 24.0 15.7 15.88 K2O 29.0 9.5 7.20 Li2O 0.25 CaO 12.5 10.7 6.0 7.48 8.5 7.48 17.0 20.4 20.4 4.8 7.47 MgO 2.0 4.35 3.8 - 12.40 4.35 3.0 3.12 PbO 0.5 1.70 0.51 0.17 1.3 0.5 0.93 0.4 - 3.80 0.98 8.0 9.6 4.6 1.01 2.40 BaO Al2O3 B2O3 2.0 1.1 Fe2O3 4.0 10 3.5 9.1 10.9 9.3 50 35 63 53 63 58 0.13 0.62 - - 0.62 67．41 14．8 1．58 9． 2．23 3．86 0．47 （2）铅晶质玻璃的电阻率—温度曲线。表1.1.5 列出了常用铅晶质玻璃的化学成分，图1.1.8 画出了相应铅玻璃的电阻率—温度曲线。

表1.1.5 铅晶质玻璃的化学成分 编号 玻璃 1 2

SiO2 Na2O 15.5 5.4 K2O CaO MgO 2.7 8.6 5.2 PbO 3.7 29.5 Al2O3 0.8 0.1 BaO B2O3 含铅的钠钙玻璃 72.0 铅玻璃 56.5 14

3 4 5 6 8205 8622 中铅玻璃 重铅玻璃 62.50 57.00 62.5 57.0 7.90 3.60 7.9 3.6 9.40 9.50 9.4 9.5 2.90 3.80 2.9 3.8 1.00 1.0 11.20 24.50 11.2 24.5 3.50 3.5 1.3 1.40 1.4 1.30 (3)硼硅酸盐玻璃的电阻率—温度曲线。表1.1.6列出了常用硼硅酸盐玻璃的化学成分，图1.1.9画出了相应硼硅酸盐玻璃的电阻率—温度曲线。 表1.1.6硼硅酸盐玻璃的化学成分 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 派来克斯 特硬玻璃 硼硅玻璃 Sial 玻璃 Simgx 璃 Duran50 8243 8245 8250 8486 硼玻璃 80.6 67.5 69.0 68.8 75.6 77.6 3.6 3.1 7.0 0.9 4.0 5.6 0.6 4.7 0.1 7.5 1.0 11.1 0.5 0.6 1.2 0.2 0.8 0.6 2.3 3.0 5.2 3.0 3.8 1.85 0.3 3.0 12.8 21.30 17.0 18.5 11.0 14.0 玻玻璃 中性玻璃 SiO2 Na2O 67.5 .0 79.0 80.5 81.0 61.0 74.6 79.4 6.8 7.5 3.9 3.9 9.0 6.6 5.6 3.6 4.3 1.0 K2O Li2O 6.8 5.0 0.4 1.0 CaO MgO 0.1 PbO ZnO Al2O3 6.5 10.0 2.0 2.0 2.0 3.5 6.0 2.9 Fe2O3 BaO 4.4 7.9 8.0 14.0 11.9 12.0 25.5 6.8 11.9 B2O3 1．7 （4）晶质玻璃的电阻率—温度曲线。表1.1.7列出了常用钡晶质玻璃的化学成分，图1.1.10画出了相应钡晶质玻璃的电阻率—温度曲线。 表1.1.7 钡晶质玻璃的化学成分 编号 玻璃 1 2 3 4 5 SiO2 Al2O3 显象管玻璃 67.0 5.0 11.7 - Sial 玻璃 74.6 6.0 4.4 8209 8486 1.7 - BaO CaO K2O Na2Li2B2O3 MgO 8.3 7.0 6.6 O 0.6 - - 6.8 O - - CeOTiO2 Pb2 O 1.7 - - 62.30 3.30 13.00 2.70 6.90 8.80 75.60 3.80 3.00 1.20 1.00 4.00 1.70 0.20 0.60 11.00 铅晶质玻璃 66.5 3.8 12.4 7.2 7.2 0.25 1.1.6失调角和稳定性准数对玻璃电熔控制的影响

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图1.1.11 玻璃的ρ—T曲线

从以上电阻率(ρ)—温度(T)曲线看出，所有玻璃对温度都呈现负电阻特性，只是强烈的程度不一，特别是钾钠含量在6%以下的玻璃，其中图1.1.11ρ—T曲线都较陡，为了比较表明玻璃的这种负电阻特性，图1.1.11中的曲线上标出了曲线某点的变化斜率(用角度表示)，切线与曲线之夹角称为失调角，则把tga称为失调准数。玻璃的电阻率—温度曲线的特征斜率(dρ/dt=togα)，并由下列公式(1/ρ)·(dρ/dt)=f(T)计算出电熔玻璃的稳定性准数。稳定性准数低于3的玻璃可以采用电熔而无须采取任何特殊措施以对抗失稳效应。在同一条曲线中，各温度对应的失调准数是不同的，一般在大于1450℃时，失调准数明显降低，这有利于控制的平稳，而一般熔化池中的温度都高于1450℃，当低于这个温度时，tgα变大。特别当温度向玻璃的软化点靠近时，tgα骤然变大，所以tgα突变点的温度和玻璃软化点的温度是对应的。应该说，在玻璃的成形区，即一般指的料道和人工挑料口或其它方式的取料处，由于温度较低，失调准数变大，采取闭环控制进行电加热会有良好的效果。

失调角愈大，在电熔化中对电压控制的范围要求愈宽。玻璃的这种负电阻特性会给电熔化带来两个问题：

(1)当电极间电压不调整时，温度高会使电阻小，电阻小使电流增大，功率亦随之增大，温度会更高；当反向变化时，又会使功率变小，温度愈来愈低。在不考虑其它条件时，这是一种典型的不稳定平衡。

(2)当在熔化池中使用多对电极并联时，这种负电阻特性会使热区的电极对之间的电流愈来愈大，而较冷区的电极对之间的电流愈来愈小，不但影响工艺制度的稳定，还可能使重负荷电极过早损坏。

因此，一般电熔化的输电设备都配有恒流控制或恒功率控制。在某些情况下也有使用开环控制的，例如，电助熔炉中，当电能的使用远小于燃料能时就是这样。在料道和人工挑料口中，存在着热玻璃的补偿和散热条件好的因素，当工艺要求不高时，亦可使用开环控制。对于失调角大的玻璃进行闭环控制的迫切性要高于失调角小的玻璃。 1.1.7 熔融玻璃电阻率的计算

16

电阻率ρ是表明玻璃高温导电能力大小的重要数据，它的倒数即为玻璃高温导电率σ=1/ρ（Ω-1cm-1），迄今为止，还未能令人满意地根据玻璃的化学成分求得电阻率或电导率。

公式一： 对于下列成分的硅酸盐玻璃(质量%)：Na2O 12～20， CaO 0～11，MgO 0～6， Al2O3 0～11，温度在1100℃～1450℃时，电导率σ可按下列经验公式计算：

4836128CTlgσ=1.508-0.204C-，式中C—碱金属氧化物的含量[Na2O+(K2O/2)]，C为

重量百分比，T—绝对温度（T=t+273[K]），t—玻璃液的平均温度（℃）。

在模拟的电熔窑中测得玻璃的熔化温度及各层的温度分布，然后根据辛普森积分公式经简化后可得到平均温度，t=(1/3n)(y0+4y1+2y2+4y3+2y4+……+4yn-1+yn)，式中n—玻璃液深度方向所取的区间数，n为偶数；y—n区间内对应的温度值（℃）。

公式二：前苏联学者T·K·T 提出玻璃电阻率与温度t的计算公式 lgρ=a-bt×10-3，式中

。

a=

j1Majxj ，b=

j1Mbjxj aj 、 bj为系数，xj为玻璃中氧化物含量，查表1.1.8和表1.1.9，

对下列五种玻璃提出相应的经验计算式。 表1.1.8

钠钙硅 玻璃 硼硅酸 盐玻璃 铅玻璃 a=-15.3425+0.2005x1+0.38693x5+0.40776x6-0.06248x8+0.17651x9 b=-16.202+0.1884x1+0.3337x5+0.3523x6+0.01628x8+0.1513x9 a=3.8306+0.003761x1+0.0326x2+0.03525x4+0.08514x5+0.1776x8+0.01684x9 b=1.7738+6.2×10.5x1+0.0087x2-0.0369x4+0.058x5-0.0539x8+0.0343x9 a=12.6373+0.0740x1+0.08741x3+0.05128x4+0.02863(x5+x6)-0.0219x7-0.0276365x8-0.150x9 b=5.5799-0.0281x1-0.02961x3-0.0098x4+0.0204(x5+x6) -0.0058x7-0.14371x8-0.0774x9 钡玻璃 a=13.3491-0.050x1-0.07426x4-0.03314x5+0.1104x6 -0.416x8-0.35049x9-0.11959x10 b=8.7246-0.03963x1-0.0597x4-0.049x5+0.1061x6-0.2725x8+0.2206x9-0.6934 x10 无碱玻璃 a=-0.2033-0.0914x1+0.0733x4+0.1259x5+0.2358x6 +0.0633x11-0.05885x2 b=0.044x1+0.04304x4+0.07767x5+0.1577x6+0.0381x11 -0.02966x2 表1.1.9 xj值变化范围

系数 xj x1 x2 氧化物 SiO2 B2O3 钠钙玻璃 70-74 硼硅酸盐玻璃 -75 2-24 铅玻璃 45-78 钡玻璃 60-72 无碱或少碱玻璃 33-60 0-17 17

x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 PbO BaO CaO MgO ZnO Na2O K2O R2O3 Al2O3 5.5-8 3-4 11-17 0-3 0-0.3 0.5-2.5 0-5 0-9 3.5-14.5 0-7 0-0.3 0.5-3.5 2-35 0-22 0-10 0-10 0-8 0-15 0-15.5 0-0.3 1.5-4.0 2-15 0-7 0-4 3-16 1-8 0-9 0-5 bT 0-48 0-16 0-7 0-1.5 0-2 0-1 5-26 公式三：Sasek和Meissnerova计算电导率公式： log|σ|=a+ 分有关的常数，T为热力学温标。

式中a和b是与化学成

对含有下列成分(重量%)的玻璃：13～16Na2O, 0～0.5K2O, 2.5～4.5MgO, 7.0～8.5CaO, 0.5～3.0Al2O3, 0.05～0.5Fe2O3和69.45～76.6SiO2，他们给出了温度范围为1273～1673K时，a和b的关系式：

a=0.505+0.025(Na2O )+0.08 (K2O )+0.035(MgO)+0.056(CaO) +0.004(Al2O3)+0.013(Fe2O3) b=-3530+72.72(Na2O )-120.8(K2O )-40.5(MgO)-74.27(CaO)-11.28(Al2O3) +8.0(Fe2O3) 1.1.8 玻璃的粘度

粘度是玻璃的一个重要性质，它不但和玻璃生产的所有阶段(熔制、澄清，成形和退火)有密切联系，并对玻璃的导电性有直接影响，因为离子的运动速度主要决定于粘度。这有两层含义，一是同种玻璃中粘度随温度升高而变小时，电导率随之增大。二是不同玻璃在同一温度条件下，一般总是粘度小的玻璃比粘度大的玻璃的电导率为大。

粘度分动力粘度和运动粘度，动力粘度表示为η，单位是泊[P]或厘泊，运动粘度表示为ν，单位是m2/s，二者的关系是ν=η/Q，式中Q为液体密度(kg/m3)。粘度的概念在电熔窑模拟试验中用到。

图1.1.12是典型的钠钙玻璃粘度曲线。

玻璃的粘度取决于其化学成分，各种氧化物对粘度值的影响决定于原来玻璃的组成和温度范围，在多数情况下，不取决于往玻璃中引入的该种氧化物的数量，即玻璃粘度与组成的关系不是加和性的。氧化物对玻璃粘度的影响可定性表示如下，碱性氧化物，少量氧化硼、氧化铅和氟化物能使粘度降低，氧化硅、氧化铝、氧化锆则能使粘度提高。

18

在玻璃电熔化设计中，与玻璃粘度有关的有以下几种情况：

图1.1.12 典型的钠钙玻璃粘度曲线

⑴ 在模拟试验中，凡是研究液流流向、均化、滞留时间的试验，所使用的模拟液粘度都应准确地对应玻璃液的粘度，所以必须掌握被模拟玻璃的粘度曲线，主要是101～105P之间的曲线。

⑵ 在钼电极的启动作用中，可用低转变点玻璃粉进行保护。例如，熔化池如果使用棒电极，烤炉前需用低转变点玻璃(即低熔点玻璃)粉把电极在炉内的部分盖起来。钼电极的剧烈氧化点是650℃，只要所盖的玻璃粉的低转变点低于这个温度，就可起到保护作用。 ⑶ 在某些电熔窑中，当流液洞出现堵塞时，只要此处玻璃温度在转变点附近，就可以在流液洞两侧的电极上加一较高电压使其融通，但若其温度过低时，用电来融通玻璃就要困难得多。

⑷ 玻璃的成形温度较宽。在生产中同一条料道生产不同形状、不同重量产品时，料滴的温度是不一样的。所以在设计电加热料道时，应注意不同温度下电极输电的阻抗匹配问题。 此外，在高粘度玻璃电熔化中，还要注意耐火材料对玻璃液流动的粘滞作用和电极对玻璃液运动的阻挡作用。在料道的无水冷电极中，如果用沿间隙外流的玻璃液来保护电极，则更应注意玻璃的粘度和可能沿玻璃外流的长度。 1.2 电极间玻璃液电阻的计算

通常设计一个电熔窑所需的功率，都是参考现有电熔窑的有关数据。在确定了电熔窑所需的功率之后，下一个问题就是如何确定变压器的二次电压。由电功率公式：Ｐ＝

19

V2R可知V=PR。计算中与玻璃液的电阻有关。电极间玻璃液电阻与玻璃液的电导率、

电极形状及电熔窑的几何尺寸有密切关系。影响玻璃液电阻的因素有：玻璃的成分、玻璃液的温度、电极的型号、电极的插入方式、电极尺寸、电极间距、电极与侧墙之间的距离等。另外，电极间的电压分布亦影响到电极间玻璃液的电阻（这主要是因为电极间的电压分布影响到玻璃液的局部液流的缘故）。如使用的是简单的、平衡的电压分布（如单相供电、平行电极），则液流是简单的。当采用多相供电、多根电极、不平衡供电时，液流的分布与电极间电压分布有密切关系。通常确定玻璃液电阻的方法有：物理模拟法和数学模拟法（可参阅玻璃1992.No.5电极间玻璃液电阻的计算）。

在同样结构的电熔窑中，电阻大的玻璃比电阻小的玻璃在同样功率时其电压要高。例如，生产95料产品时的电阻要比同样结构、同样温度下生产钠钙玻璃产品时高5～10倍，如果投入功率亦相等时，前者的电极电压就应比后者高510倍。这种情况表明，为了使输电设备的电压电流和电极间电阻匹配，就必须准确地确定玻璃液电阻。

玻璃电熔窑中电极间等效电阻的确定直接关系到变压器二次侧的参数，其设计值和实际值的误差将决定阻抗匹配的优劣，有把握的设计和无把握的设计将在很大程度上影响输电设备的投资。 1.2.1 欧姆定律的应用

图1.2.1 电熔窑电阻参数

电极间玻璃液的电阻可使用电阻计算公式即：R=. 式中，R为电极间电阻（Ω），L为电极间距（cm），S则为玻璃液深和电极的导电宽度的乘积（cm），为玻璃液电阻率（Ω.cm）。两个电极之间的实际电阻很难计算，因为电极表面的电流密度分布不均匀(受温度和对流影响)，两电极之间的电力线又不是简单的立体几何形状(呈橄榄形)，因而至今未找到既简便又精确的计算方法，一般只作近似计算。电极间电阻由于电场的互相干涉而呈可变值，不同于一般的固态电阻。

上一节讲述了电阻率的确定方法，一旦有了电阻率曲线，推测出玻璃的操作温度范围，就可以确定玻璃的电阻范围。

由上式中可知，在电阻率固定的情况下，变量即为L和S，与电极形状及电熔窑的结构有关。当电极位置确定后，电路电阻长度L只是一个简单的测量问题。通电截面S是通过电流的有效截面。在一简单的、两个电极的单相体系中，有效的电流通过面积并不是窑长乘以池深。有效电路的宽度是实际电熔窑长的某个分数。如图1.2.1。

20

２

LS由于建立的电阻公式是基于极为特定的条件下的，并且，对大多数设计都是不适用的。确定电熔窑的电阻有四种办法可供选择：①估计；②有超特性的变压器；③有经验公式去套特定的设计；④发展模拟技术去预测每一特定设计。显然，后者是与经验紧密相联的，是最好的探索途径。

大多数情况下，电熔窑电阻的设计值和实际值有较大差别，有时差值会高达100%，因此，电熔窑用的隔离变压器的电压和电流都应有较大适应范围，这就意味着变压器容量的扩大。一般变压器的储备容量在兼顾到阻抗匹配和停电等特殊情况时约为额定容量50%～100%。

1.2.2 板状电极间玻璃液电阻的计算

图1.2.2 薄平板电极电极位置图

一般情况下，电极在玻璃液中导电不遵循简单的欧姆定律。这是由于在大多数状态下，电极截面总是小于导电玻璃液的截面，电极之间的电力线不再是均匀平行分布的，而有畸变。如图1.2.2所示。其实际电阻必然大于电极板截面B×H下的阻值(B指板状电极的宽度)。这个阻值的不一致是由于电极在电熔窑布置中产生的。为此引入一个几何修正系数K1 、K2 ，则一对板状电极间电阻可由下式表征：R=K1.K2.R，其中R。=×

LS，

S=B×H。R0—两电极工作面之间的玻璃液的体积电阻。通过模拟试验找出玻璃液体积电阻与熔化池大小、形状、电极位置的关系。以各方向不导电的墙为界限的两个平行平面电极之间的玻璃液的电阻，按下式计算：R。=×

LS，K1—考虑熔化池的形状对电阻的

影响系数，板状电极装在池底上即h2=0，如图1.2.2所示，电极宽等于池宽。K2-电极离开池底(h2≠0)对电阻的影响系数。电极装在池底上时K2=1。

模拟研究系数K与电极高度(h

1

电

/H)、电极距离(L/H)三者之间的关系。研究表明电阻几

何系数受电极高度影响较大，受电极距离影响较小。当电极距离大于3.5H时，这种因素对

21

K1的影响很小。同时还研究了系数K2与电极下部边缘离池底的间距(h2H)、电极的高度(h电/H)三者之间的关系。在h电/H=0.1～0.8范围内，有以下经验公式：K1=h电/H+0.145(H/L)0.5， K2=1-0.0455(H/h

电

)(h2/H)0.325，电极离开侧墙时，电阻减少不大。电极同侧墙之间的间隙

等于（0.5～1）H时，对所有尺寸的板状电极电阻减少4%～7%。

图1.2.3两根水平布置的棒状电极

3.两支平行棒电极间的电阻

Llnbd2d2Lln2db，K1—

如图1.2.3，两支水平棒状电极之间的电阻公式可写为：R=K1K2

玻璃液的温度不均匀系数1.05～1.1，K2—与电极布置有关的修正系数1.3～1.4，这就是棒状电极间的对数公式，L为电极插入深度，b代表电极间距，r是电极半径，因为电熔窑内很少只用两支电极，所以上式的实用性不大。实用电极的插入深度一般不大于玻璃液深的2/3，电极端部上的玻璃液亦参与导电，所以实际值应低于计算值。 1.2.4 两列平行放置的棒电极的电阻

22

图1.2.4 两列平行直插电极的电力线

如图1.2.4所示，图中电极电力线是互相排斥的，电极背面的电力线较弱。所以在计算电阻时，可将一列电极近似等效为一块钼板。等效后的两块板间的导电长度即是两列电极的间距。

图1.2.4是由池底垂直插入的电极，电极上端部发出的电力线力图占据尽可能大的空间，无论是热顶还是冷顶电熔窑，电极间处于软化点以上的热玻璃都要参与导电。所以导电高度就是液深，对于冷顶式电熔窑则是从生料层与热玻璃的交界面算起。图1.2.4所示的导电宽度则是整个电熔窑长而不是外侧两支电极的距离。因此R=ρ×HW， R—电极间电阻(Ω)，ρ—电阻率(Ω·cm)，L—两列电极间距(cm)，H—热玻璃液深(cm)，W—图1.2.4中的电熔窑长(cm)。

图1.2.5 两列水平电极的电力线

在上式中，电阻率计算的温度取电力线网络部分玻璃液的平均温度。平均温度选取一是根据已有的经验，二是应掌握炉内玻璃液纵向温度分布。在计算电阻时应注意：①导电高度H ：当取H为整个液深时其设计电阻会有偏小倾向。②导电宽度W：当取W为整个窑宽时，使得设计电阻有偏小倾向。③ρ的取值：实用场合所反映的电阻率与实验值(或资料值)可相差30%以上，并且多数情况是实验值偏大。

从多次使用电熔化和电加热的情况看，是实际电阻值常比设计值偏小。于是对式 R=ρÑ

LHWL被修正为下式：R=K×ρ×

LHW。 上式中K为修正系数，约在0.5～0.8之间。

23

1.2.5 两支相对放置的棒电极的电阻

图1.2.6 三相电极分布图

图1.2.5是两支水平电极(主视图)，电极的电力线较多集中于端部。由于电极间距一般较电极插入深度大很多，而电极又视为等位体，所以电极根部是要参与导电的。在用式R=K×ρ×

LHW计算电阻时，导电长度L习惯取窑炉的宽度。

1.2.6 三相电极的电阻计算

图1.2.6是常用对称分布的三角形连接负载的三支棒电极，每两支电极间的电阻为：R=

32Lln2db，L为电极插入深度，b代表电极间距，d是电极直径。在实际应用中，对于

复杂的电极排列来说，宜采用模拟试验来确定更为妥当。

有关的详细内容可参阅J.Stanek编著的<>有关章节。

2 电极

2.1 电极的选择原则

电熔窑的发展与合适的电极材料的开发和发展有很大的关系。对电极材料提出的要求如下：①在不考虑氧气分压和电流负载的情况下，能承受的温度为1700℃。②至少在800℃时不会被空气氧化。③具有与金属相当的电导率。④在1700℃以下具有足够的机械强度。⑤具有足够的耐急冷急热性。⑥与玻璃液润湿性能好。⑦不污染玻璃，在各种介质中结构稳定。⑧耐玻璃液的冲刷、侵蚀作用强。⑨本身含杂质很少，不与耐火材料起作用，使用寿命长。⑩膨胀系数低。(11)与玻璃接触电阻率低。(12）价格便宜，符合上述所有要求的电极材料目前尚未找到，而且也许永远也找不到。因而，不得不降低要求，根据应用场合和在这些应用场合中存在的技术和经济条件，选择不同的电极材料。电熔电极材料的研究，在玻璃电熔工艺研究中是非常重要的课题。目前可供选择的电极材料有石墨、铂、氧化锡、钼和纯铁。

玻璃电熔电极的发展到目前经历了几个阶段：①1907年用石墨电极熔化一般玻璃。②1925年利用金属纯铁做电极熔化颜色玻璃。③1932年用钼做电极材料。④19年又出现了

24

氧化锡电极材料。

最普通的电极材料是纯钼，时常做成直径为30～100mm的棒状；氧化锡电极属于陶瓷材料，加工制造困难，成本偏高，主要用于铅玻璃的熔制、工作池或某些特殊玻璃熔制中。就导电能力而言，钼和氧化锡两者的差别很大，钼的电流负载通常为2A/cm2，氧化锡的电流负载则不应超过0.3A/cm2。使用时一般都通水冷却电极。钢电极的使用限于有色玻璃的生产，以及用这种电极熔制目前暂称为玻璃的特种材料。石墨因为污染玻璃，基本上已被淘汰，现在已很少使用了。 2.2钼电极

钼基本上能满足上述要求，适用范围广，除了铅玻璃以外，能用于熔化大多数玻璃，如难熔玻璃、粘度大的玻璃、挥发组分高的玻璃等，钼对其它玻璃组分都是稳定的。目前，在玻璃熔化过程中钼电极发挥着巨大的作用，广泛地用来改进窑炉设计和改善玻璃质量。钼电极的开发和利用，使玻璃工业的第二能源利用起了很大作用。

图2.2.1 钼的氧化

二战以后，钼电极问世，开始广泛用于玻璃工业，钼电极的突出优点是：①能被玻璃液浸润，所以接触电阻小，电极表面可以承受较高的电流密度，约1～3A/cm2；②电极的热损失低；③不易使玻璃着色。但钼电极在空气中受热时容易氧化，600℃时产生MoO3，该氧化物对钼电极毫无保护作用。如图2.2.1所示。

钼电极是金属电极，可以做成板、棒、球等各种形状，国外电熔窑基本上都采用钼电极。我国钼的资源丰富，钼电极的应用研究和生产也达到了较高的水平，为发展玻璃电熔创造了有利的条件。

钼电极生产过程有两种方法：一是先把钼粉液压成形后烧结，经过锻打和热处理，以形成抗形变的晶粒结构。另一种方法是粉末冶金法。锻打并挤压的钼材质量比粉末冶金的好。

目前，钼电极通常制成棒状电极，而很少制成板状电极。常用的棒状电极直径在32～50mm之间，棒状电极有加粗的趋势，直径可做到100mm。可提供的棒状电极长度在1～2m

25

之间。提供的电极可带有平端连接螺纹，采用螺纹，有很大的优点，电极可以被推入。当然，必须注意，螺纹接头的电阻不宜过大。无杂质的精密切削标准螺纹符合这一要求。为了便于旋入电极，可使用少量的润滑剂，但必须是不含铅的润滑剂。

采用板状电极时，钼板的厚度在2～20mm之间，面积最大为1m2。通过钼棒向板状电极供电，并用适当的方法将钼棒与板状电极连接起来。 2.2.1 钼电极的物理性能

适宜作电极使用的钼的钼电极的主要物理性能如表2.2.1。钼的电阻在室温下为铜电阻的3倍，在1500℃时则可达30倍。 表2.2.1 钼的物理特性 温度℃ 蒸气压Pa 比热J/(g.K) 线膨胀系数 电阻率.cm 密度g/cm3 熔点℃ 20 0.27 5.3×10-6/5 10.2 2630±40 100 0.3 27 130 140 0.3 1500 8.5×10- 43 160 66 1800 10.7×10- 2000 5.5×10- 60 热导率W/(m.K) 152 103 弹性模量kg/cm2 33000 钼是一种难熔金属，高温强度高，表2.2.2是粉末冶金法生产的轧制钼板电极的拉伸性能，由表2.2.2可以看出，在1300℃钼仍具有10kg/mm2的拉伸强度，这个温度已经接近不锈钢的熔点，任何不锈钢都已丧失了承载能力。到1500℃已超过不锈钢的熔点，钼的拉伸强度仍高达6 Kg/mm2。一般玻璃窑的温度都在1300℃以上，除钼等难熔金属以外，任何钢材都失去了承载能力。

钼的导热性和导电性好，热容量低，热膨胀系数低，它可加工成棒状、板状、球状三种结构的电极，符合各种玻璃生产工艺的发展要求。 表2.2.2 粉末法生产的钼板电极的拉伸性能 温度 ℃ 强度(kg/mm2) 纵向 横向 106～109 延伸率% 纵向 横向 20～27 16～19 6 室温 96～97.5 900 47.0～52.3 48.4～49.2 5.1 1300 9.7～9.8 1500 - 9.3～9.7 6.0 1100 30.9～32.9 28.8～31.6 63～72 72～77 ～56 55～63 - 45～55 金属钼(Mo)位于化学元素周期表第VIB族第五周期，属过渡元素，质地较脆，弹性模

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量相当于电木，加工与操作须特别小心，以防脆断。 2.2.2钼电极的组织结构变化

为了分析钼电极在电熔窑中长期工作以后内部组织结构的变化，以及结构变化对电极抗腐蚀性能的影响。用显微镜、扫描电子显微镜和电子探针对使用后的钼电极进行金相研究。

使用前电极是轧制状态，具有纤维状结构。某厂拉丝全电熔窑化生料的主电极采用板状电极，原始厚度10mm，在1450℃工作375天，电极表面腐蚀掉1mm。电极断面分成三层，两边是渗氧层，氧含量比使用前增高了约100倍，表面凹凸不平是腐蚀不均造成的。对渗氧层进行扫描电镜观察发现有大量球状氧化物沉淀。

而该厂的平板窑槽砖下部加热用板状钼电极，电极工作约三年，厚度仅减少2mm。由于不和生料接触，电极表面没有渗氧层，腐蚀比较均匀。

由金相研究可以得知，钼电极长期工作以后，不论是在生料中，还是在熟料中都没有晶间腐蚀，只有表面接触腐蚀，因而在使用过程中电极不会发生剥落。

钼电极在高温长期工作以后发生了再结晶，原始的纤维状结构变成了粗大的等轴晶，在室温下这种结构是很脆的，不能承受冲击载荷。因此，在拆卸电极时，为了防止电极折断，要避免锤击。

某厂采用粉末冶金轧制Mo板，池窑上采用熔炼及轧制钼合金板(Mo—0.5Ti—0.02C)，这两种材料的再结晶温度都不高，前者约为1050℃，后者约为1250℃，在高温玻璃液中(1300℃～1400℃)长期工作后，轧制板材的纤维组织完全转变成再结晶晶粒组织，相对应的钼合金断面在肉眼下观察时，发现断面中心部分的金属光泽强，而与玻璃液相接触的表面部分(约2mm)的金属光泽差，前者晶粒巨大，后者稍小些。沿Mo板厚度进行取样及分析，发现长期使用后的Mo中的含氧量有明显增加，使用前钼合金板含氧量为0.004wt%，使用后有明显增加，如Mo板表面处含氧量已达到0.38wt%，约增加100倍，Mo板中心处也增加10倍左右。Mo板在弱氧化性玻璃液中长期使用后，其外表面被MoO2或更低价的氧化钼所包围，在高温下氧化钼中的氧原子向金属内部进行长期的热扩散而使氧含量有不同程度的增加。在钼合金板材最外层的金相照片上可以看到有密集的氧化物质点弥散在晶粒内部及晶界处。

使用后的Mo板还存在着许多晶间裂纹，因此使这些再结晶组织的板材变脆，所以在Mo板拆卸和第二次重复使用时一定要小心操作以免脆断，长期使用后的板材抗张强度有明显降低，如Mo—0.5Ti合金板在1400℃玻璃液中工作一年之后其室温拉伸强度值由95kg/mm2下降到22～30kg/mm2。Mo及钼合金在高温玻璃液中长期使用后转变成完全再结

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晶晶粒组织，使用一年后Mo板中氧含量约增加50倍以上，最高可达0.38%，强度有明显降低，但并不影响继续使用。 2.2.3 钼电极的化学性能 2.2.3.1 钼电极的化学组成

表2.2.3为几种国产钼电极的化学组成。 表2.2.3 实际使用钼电极的化学组成（%） 元素 Ⅰ Al Ca Co Cu F e K Mg Mn Na Ni P 0.0012 0.001 / 0.001 0.0029 / 0.002 0.0012 / 0.002 / Ⅱ 0.001 0.002 0.011 Ⅲ 0.002 0.002 / Ⅳ 0.0012 0.001 0.016 0.001 0.0019 0.002 0.002 0.001 0.005 0.002 0.03 元素 Ⅰ Pb S Si Ti W C N O Cr Sn Mo 0.001 / Ⅱ 0.0003 / Ⅲ / / 0.005 / / / / / / / 余量 Ⅳ 0.001 0.011 0.0019 0.001 0.020 0.003 0.002 0.007 / / / 0.0019 0.001 0.001 / 0.003 0.004 0.007 / / 余量 / / / / 0.005 0.003 0.003 余量 0.0008 / 0.003 / 0.001 0.01 / 0.002 0.0005 / / 0.007 / / 0.005 / 2.2.3.2 钼电极的杂质含量

钼材含碳量必须保证在0.002%以下。钼熔解时，电极材料的杂质会使玻璃的颜色发生剧烈的变化。因此作熔化池用钼电极的钼含量至少达99.93%。特别重要的是含碳量，含碳量过高，不仅降低电极的机械性能，而且也会形成气泡，如果这些气泡出现在安装于料道的电极上，则危害特别大。O2和N2的含量具有相同的作用。杂质含量不超过表2.2.4中所列数值的金属钼可以作电极材料。

在生产当中，当电流密度太高时，电极区的温度可达1500℃～1600℃，玻璃液中产生大量气泡。这些气泡浮到液面燃烧成白亮色火焰。它们可能是玻璃的分解产物，或者是钼电极中的碳和熔窑中的氧结合而成的CO燃烧产物。

发现在玻璃窑中使用钼电极或者用钼做其它构件，若钼中碳含量超过0.02%～0.03%，由于碳氧反应的结果，在电极区附近产生了许多小气泡，这对于许多玻璃制品是不允许的。如果提高钼的纯度，把碳含量降到20～30PPM，这些小气泡即可消除。 表2.2.4 玻璃池窑钼电极中杂质允许含量上限

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元素 C Si Al CMW O2 H2 a g N2 杂质(×104%) ≤50 80 30 10 10 200 ≤40 10/20 ≤20 2.2.3.3 钼电极的化学性能

钼作为电极材料，用于熔化玻璃液具有适用范围广，能熔化大多数玻璃，如难熔玻璃、粘度大的玻璃、挥发组分高的玻璃等，除了铅玻璃以外，钼对其它玻璃组分都是稳定的。在钠钙玻璃中，钼电极有较好的抗玻璃液侵蚀性能。

1—550℃；2—600℃；3—650℃；4—700℃；5—800℃；6—900℃；7—1000℃ 图2.2.2 不同温度钼的氧化动力学曲线

(1)钼与氧的反应。钼虽能耐高温，但怕高温氧化，其反应如下：Mo+O2=MoO2，2MoO2+O2=2MoO3 ，钼在氧化气氛中380℃开始氧化，600℃时加速氧化，超过700℃迅速氧化，产生MoO3，MoO3是挥发性氧化物，对钼没有保护作用，氧化将一直进行到底，由固体升华为黄色气体将钼侵蚀掉。它的氧化速率与温度和气体中的氧分压有关。

氧压(mm汞柱)1—76；2—7.6；3—0.76

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图2.2.3 氧分压对钼的氧化速率的影响

图2.2.2是氧分压恒定为76mm汞柱的情况下，不同温度下钼的氧化动力学曲线；图2.2.3是在400℃时氧分压对钼的氧化速率的影响。温度和氧分压越高，氧化速度越快。由于钼具有这种易氧化特性，使用钼电极必须有绝对可靠的防氧化措施，才能保证电极长期稳定工作。

图2.2.4 钼的失重与温度的关系

钼电极的失重随温度的升高极其迅速地增加，并导致电极完全损坏(图2.2.4)。 因此，必须对未被玻璃液覆盖的电极部位进行冷却，使温度保持在400℃以下，或切实避免空气中的氧气流入。生产实践表明，如果钼电极没有绝对可靠的防氧化措施，窑炉升温以后，少则三天，多则半个月，钼电极就会氧化断裂，就要停炉更换电极，生产损失很大。

设计和使用电极水套时，必须注意到在500℃以上的温度条件下，钼在空气介质中很快会被侵蚀而生成容易挥发的MoO3，所以在玻璃电熔窑中钼电极应该配备冷却水套。

(2)钼与玻璃液的反应。与玻璃液接触不发生化学反应，对玻璃液不造成染色。微量的钼作为氧化物溶解在玻璃熔体中，会使钠钙玻璃略发黄，但通常十分轻微。因而，即使对无色玻璃，也没有什么影响。还原性差的玻璃液对钼电极的侵蚀作用比具有氧化性的玻璃液小得多。

熔融玻璃中不可避免地要溶入一些空气。空气中的氧在高温下引起钼电极的氧化，首先生成低价MoO2，MoO2进一步氧化成MoO3，MoO3是白色挥发物，溶于玻璃构成杂质组分，对电极不起保护作用，但不污染玻璃。钼电极和溶入气体的这种反应是不可消除的。但是，由于溶入的气体数量很少，反应并不剧烈。另外，窑炉中的玻璃液的流动速度很慢，一直处于层流状态，在电极表面吸附有一层相对静止的玻璃，构成“液态保护屏障”，阻制钼电极和新鲜玻璃接触，切断氧源，可以防止电极持续缓慢氧化。因此，物理溶解的氧对钼电极的作用不会造成实质性的危害。

(3)钼与各种化学介质的反应。在各种还原性介质中有很高的化学稳定性。钼抗各种化学介质腐蚀稳定性的资料列于表2.2.5。由表2.2.5可以看出，钼在许多腐蚀性介质中的化学

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稳定性是很高的。这里指的是用粉末冶金法制成的钼。真实熔炼的钼虽然是纯净的，但价格昂贵。

表2.2.5 钼在各种介质中的化学稳定性

介质 氧 氢 氮 氩 氦 水蒸汽 稳定情况 400℃开始氧化，超过700℃迅速氧化 直到熔点均不氧化 1500℃以上开始氮化 稳定无反应 稳定无反应 700℃以上迅速氧化 一氧化碳 1400℃开始氧化 二氧化碳 1200℃开始氧化 硫酸 盐酸 氢氟酸 王水 室温长期作用有轻腐蚀 室温长期作用有轻腐蚀 不稳定 室温稳定,高温轻腐蚀 100℃以上迅速腐蚀 碳及石墨 1100℃以上生成碳化物 熔融玻璃 1350℃以下稳定 (4)钼与铅、砷、锑、SO2-3的反应。钼电极主要适用于具有还原性的玻璃。玻璃中对钼电极有危害的成分是铅、砷、锑，在一定条件下还有SO2-3。它们的电势高于钼，即使在无电流的情况下，存在的这些金属的氧化物也会被还原成金属。PbO含量为1%时，使钼电极发生明显的侵蚀。上述金属的还原，使电极表面形成氧化钼。在还原条件下，含SO2-3离子的玻璃形成的腐蚀产物为MoS2。如是含锑的钠钙玻璃，则在电极表面上析出小滴金属锑和钙钼酸盐晶体。锑与钼反应生成的Mo3Sb7，由玻璃液带走。

在不超过下列配合料组分参考值的情况下，完全可以采用钼作电极材料。As2O3+Sb3O4<0.25kg/1000kg石英砂，Na2SO4<5kg/1000kg石英砂，NaNO3<3kg/1000kg石英砂。

(5)钼电极和玻璃各组分发生化学反应的热力学计算。现代玻璃制品的成分包括钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅玻璃、铝硼硅酸盐玻璃、磷硅酸盐玻璃、铝酸盐玻璃、钛酸盐玻璃、氟化物玻璃、硫系玻璃、金属玻璃、微晶玻璃等。这些系统的玻璃根据玻璃制品的不同又包括了许多成分。有些玻璃成分的制品在熔窑中已经成功地应用了钼电极，其主要成分列于表2.2.6。而有些玻璃制品的熔窑中尚未应用钼电极。由于玻璃熔窑投资费用较大，为了判断钼电极在其它玻璃中的使用效果，通常将待熔制的玻璃与钼电极置于高温炉中进行熔制耐腐蚀

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试验，详细研究钼电极和玻璃中各主要组分及各种溶入杂质(包括气态)的相互作用，这样既费力又费钱。通过理论计算解决这一问题具有非常重要的现实意义。 表2.2.6 成功地利用钼电极熔化的玻璃成分

锌和硼的玻璃 平板玻璃 中碱玻璃 无碱玻璃 灯泡玻璃 钠钙玻璃 硼硅酸盐玻璃 黄乳浊玻璃 乳浊玻璃 有色玻璃 耐碱玻璃 搪瓷瓷釉 SiO2 62.5 72.3 67.30 .50 73.36 73.74 77.6 .8 66.8 75 60～65 65 Al2O3 CaO MgO B 2O3 K2O 4.0 2.41 6.40 13.2 1.01 1.25 1.9 1.9 4.8 8.0 1～3 1.6 8.0 6.34 9.50 16.2 4.8 4.71 0.2 7.9 5.9 10～15 1.2 3.0 4.07 4.20 4.00 3.0 3.5 9.00 1.1 1.1 14.0 1.05 0.15 11.1 5.9 2.9 2.5 0.84 Na2O 其它 12.5 13.40 12.0 <2.0 15.7 15.65 5.6 15.3 15.3 13.5 10～15 19.1 MnO 2.5，ZnO 1.5，BaO 2.0 F- 4.2，CdS 1.0 F -4.3 SO3 2 0.5，着色剂0.44 ZrO2 12～14 ZrO21，MnO1.5，TiO4.5 －CoO1 2.4 钼电极和玻璃组分之间的化学反应的热力学计算。各种玻璃的主要成分有Al2O3，B2O3，BaO，BiO，BeO，CaO，Ca(PO4)2，CaF，CdO，GeO，K2O ，MgO，Na2O，SrO，SiO2，Tl2O ，TiO，ZnO，WO3；其它微量成分有AgO，As2O3，CoO，CrO，CuO，FeO， Fe2O3，Ln2O3，MnO，NiO，Nd2O3，Pr2O3， Sb2O3，Sm2O3， UO2；高铅玻璃还含有大量PbO。为了确定钼电极会不会和玻璃组分发生化学反应，详细地计算了电极和组分之间的反应自由能的变化ΔG，导出钼与玻璃组成反应的ΔG=F(t)。选择CaO和PbO两种典型氧化物为实例，说明表2.2.7数据的计算方法。关系式列于表2.2.7。

①钙和氧反应： 2Ca+O2→2CaO…….(1) ΔG1124-1760K=-304040+51.60T 其逆反应为： 2CaO→2Ca+O2…….(2) ΔG1124-1760K=304040-51.6T ②钼和氧的反应：Mo+O2→MoO2…….(3) ΔG1500-2000K= -131530+33.95T ③计算钼和氧化钙的反应温度：反应(2)和(3)相加 Mo+2CaO→MoO2+2Ca…….(4)

ΔG1124-1760K=172510-17.65T， 反应(3)中取MoO2而不取MoO3，因为首先反应产物是MoO2，而后才是MoO2氧化成MoO3，根据反应(4)的反应温度9773.9K，由此可见在玻璃熔窑的工作温度下ΔG>0，可以断定CaO不会氧化钼。

④铅和氧的反应 2Pb+O2→2PbO………(5) ΔG1159-1745K=-93260+37.14T

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⑤计算钼和氧化铅的反应温度：2PbO+Mo→MoO2+2Pb……(6) ΔG1159-1745K=-38270-3.19T。根据(6)，在玻璃熔窑的工作温度下，Mo，PbO之间的ΔG<0，表明PbO可能被Mo还原，钼本身被氧化。

钼电极和玻璃组分之间的化学反应是影响电极正常使用的主要问题。玻璃的基本组分SiO2，CaO, BaO, Al2O3, MgO, B2O3等和Mo的反应自由能变化ΔG>0，这些氧化物不会使Mo氧化，钼在这些氧化物中是稳定的。K2O，Na2O在低温下是ΔG>0，高温下ΔG<0，表明在1350℃以上Mo有可能被Na2O，K2O氧化。对于PbO，CoO，CuO，Cu2O，NiO，P2O5，SO2，SnO2，Fe3O4，Fe2O3，As2O3，Sb2O3等氧化物，它们和Mo的反应自由能变化ΔG<0，因此，钼和这些氧化物之间要发生反应，钼被氧化，析出Pb，As，Sb，Fe等，钼电极受到严重腐蚀。但它们在玻璃中的含量很低，不妨碍钼电极的应用。 表2.2.7钼与氧化物的反应自由能的变化 反 应 Mo+2Ag2O=MoO2+4Ag 3Mo+2Ce2O3=3MoO2+4Ce 3Mo+2Cr2O3=3MoO2+4Cr Mo+2Cu2O=MoO2+4Cu Mo+2CuO=MoO2+2Cu Mo+2MnO=MoO2+2Mn Mo+2NiO=MoO2+2Ni 5Mo+2P2O5=5MoO2+2P2 2Mo+2SO2=2MoO2+S2 Mo+TiO2=MoO2+Ti 5Mo+2V2O5=5MoO2+4V Mo+2CoO=MoO2+2CoO Mo+ZrO2=MoO2+Zr

温 度 K 273～480 298～1077 298～2176 1357～1509 1357～1609 1517～20 298～1725 704～2500 298～3400 298～1940 943～2190 298～2000 298～2125 钼与氧化物的反应自由能的变化ΔG=A+BT -16800+5.0T 1900-11.0T 47700-6.5T -53200-5.0T -79800+8.4T 61300-6.8T -16800-6.1T -17800+5.8T -44200+17T 94700-8.6T 3400+8.5T -15671-2.9T 131200-11.0T 33

A—棒；B—板；C—球 图2.2.5 电极的结构类型

例如，某厂是全电熔球窑添加了Sb2O3，电极工作半年，有严重腐蚀。因为Sb2O3被Mo 还原，Sb在电极表面析出，生成Mo—Sb低熔点化合物，沿电极表面向下流动，窑炉冷修时发现电极表面有流蚀道的痕迹。在窑底的电极正下方有许多金属球及沉渣。经化学分析，X射线分析确定它们是Mo—Sb化合物。另外，对于用氧化砷做澄清剂的玻璃球，电熔拉丝以后，钼电极的电子探针分析发现，电极表面富集有大量的砷，证明As2O3被Mo还原。 2.2.4 钼电极的结构和布置 2.2.4.1 钼电极的结构 图2.2.6 电极安装示意图7.1.4

根据各种不同的炉型设计和生产工艺要求，电极有板电极、棒电极和球电极三种结构(图2.2.5)。在实际使用中电极可以设计为续进式的或者长寿命的两种类型。续进式电极在窑炉工作过程中，电极不断消耗，为了保证正常的工作长度，间断地把电极向窑内推入，长寿命钼电极要求电极在工作过程中基本不消耗，电极的寿命和窑炉的寿命相当。

虽然钼电极有板、棒、球三种结构，但这三种结构在窑内的安装条件是一样的。图2.2.6是各种电极在窑上安装的示意图，整个电极分为四个区域，A—电极体，处于窑内，被熔融玻璃覆盖；B—电极、熔融玻璃、大气三相结合面，称三相界面；C—热影响区；D—低温区。三相界面的温度接近熔融玻璃的温度，这个地区由于受到介质和空气的联合作用，电极腐蚀最为严重。热影响区受热传导的作用，温度可达800℃～1000℃，在窑外的低温区由于冷却作用，温度可降到150℃～200℃。由钼的氧化动力学分析可知，三相界面和热影响区的温度都超过了钼的氧化温度，需要有绝对可靠的防氧化措施。氧化断裂钼电极的现场拆炉分析发现，电极断裂位置无一例外地都在热影响区的前端，接近三相界面附近，在断裂处有许多MoO3粉末。防止热影响区和三相界面的氧化有两个途径，即把这两个区域的温度降到低于钼的氧化温度，或者将它们和空气完全隔绝。

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图2.2.7六种电极的基本类型

2.2.4.2 钼电极布置

图2.2.8水平侧墙棒电极

在使用中有三种基本类型：侧墙插入型、池底插入型、顶部插入型。不论电极电流方向如何，80%的能量都释放在相当10倍电极直径的范围内，在能量如此集中的情况下，正确选择电极布置方式就显得相当重要。最理想的电极布置，应保证电极对玻璃液流影响最小，能量在玻璃液中均匀分配。电极布置与电流密度分布、热量输出、玻璃液流有关，对玻璃液的质量、电极的侵蚀和使用寿命有影响。电极布置还应考虑耐火材料质量与安装维修条件。

电极布置有水平棒状电极、垂直棒状电极、顶插电极、板状电极和塞状电极。如图2.2.7主要用于熔化池。

钼电极在发展过程中有以下几种：棒状电极、板状电极、塞状电极和帽状电极。 2.2.4.3 棒状钼电极 1）装有冷却水套的捧状电极

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图2.2.9 水平电极电流与腐蚀图样

（1）水平棒状电极。水平棒状电极用于电熔窑和电助熔中。图2.2.8为一水平侧墙棒电极。冷却水管把水送到钼电极与大气接触的地方，该处温度小于300℃，以免钼的氧化。 “电极套”的头部装有热电偶，以防由于冷却作用降低或电极太短造成头部的过热。

图2.2.9是水平棒状电极典型的电流分布。其形状基本上是椭圆形的，当电极相对布置时，显然最大电流密度处于电极棒的顶部。为减少这种能量集中，有时就把电极布置成一定角度。在连续使用中，电极的末端不断受蚀而变尖、缩短，故需周期性地推进。将电极推进多少可以根据与初始条件相比较而确定，例如参考开始时某给定电压的电流、玻璃的温度或电阻。但是这些参考因素并不是很容易重复的，故很难安装得精确。

图2.2.10 不对称的三根电极—三相系统

每一组用多根棒形电极可引起不一致的电流密度和腐蚀速度，这是因为多根棒势必引起不同的电路长度，从而产生不同的电流负载。参看图2.2.10可知A—C相内侧的电极间电路长度短于外侧的，即y在玻璃的电熔窑上水平棒状电极是最普通的布置方式之一。电极或电极组相对布置，电流密度呈层状分布。电极所释放的热量在电熔窑内分布均匀，但在宽的窑池内差一些。电极间的距离必须大一些，可避免电极前区电流密度过大。电极端部相互之间的自由间距应大于

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电极长度的两倍。

图2.2.11在电极水平和垂直时的玻璃液流

水平布置的电极会受到弯曲应力的作用，尤其是密度大的钼电极在高温时，会向下弯曲，会有折断的危险，特殊情况下，应安装垂直电极。同时每隔一定的时间将电极旋转 180°。水平布置的电极，在电极上侧范围内，会形成一个强大的玻璃液流，造成电极砖呈现盆状侵蚀，严重时会造成电极砖穿孔，见图2.2.11。电极顶部对流较强，池墙砖附近和电极下侧对流较弱。

电极位于池深1/3～1/2侧墙处插入窑内50～90cm。

它是最普通的一种电极形式，有的在安装时使其倾斜一个角度，以增加导电面积和抗蠕变能力，使用开式水套保护，有利于冷却水淌出。

图2.2.12 垂直棒状电极

水平棒电极用于电助熔炉，电极置于两侧池壁，既照顾了熔化工艺的需要，又比垂直电极的间距大许多，电阻亦大许多，这在一定程度上改善了低压大电流的运行状态。这种电极的直径一般在30～50mm之间，插入深度约500～700mm，可以在窑炉启动后插入(即热安装)。为拔插方便，必须有相应的机械装置和良好的绝缘，因此占据了池壁外侧相当一部分

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空间。电极在池壁上的位置是在液面到池底的1/3～1/2处。水平电极激起的液流比较缓慢，不过电极上方的液流循环对侧壁耐火砖的侵蚀要大于板电极。而电极下方的玻璃液一般不参与对流，除非电极位置距池底低于500mm(改变了电力线分布)。水平电极的优点是易安装，监视运行方便，漏料风险较垂直电极小。对低阻玻璃而言，在电气参数上能较好地平衡，在电极保护上允许使用开式水套。其缺点是，由于水平电极多为端—端导电方式，电极头部因电流密度较大 (可高达3A/cm2以上)而损耗较快，所以必须定期续进，加大了操作强度和运行成本。如果在高阻玻璃中使用端—端导电的水平电极，则施加电压可能高达300V以上。因此，熔化池的绝缘处置应格外小心。此外，从工艺角度看，水平电极对热点的强制稳定以及对玻璃的搅拌和均化作用都不如垂直电极。

（2）垂直棒状电极。图2.2.12是一根由底部插入的垂直棒状电极，安装在电极套内，电极套中充有惰性气体保护玻璃与大气的界面，以防钼电极的氧化。同时在电极周围提供了一个冷却套，以保证电极暴露于空气中的部分的温度低于安全值。

图2.2.13 装有垂直电极的电熔窑

图2.2.14 垂直布置时电极电流密度分布示意图

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底部安装对于电极布置来说几乎没有什么。这就允许设计者给予所有电极在电流负载上达到一个非常精确的平衡。不论是每组一根还是每组多根电极棒，都是一样的。电流密度的均匀性和整个长度上腐蚀的均匀性，使得钼电极棒能够获得最佳状态的使用。钼电极，在几乎所有应用形式中，从初始装置一直到熔炉寿命的结束，都可以提供足够的棒材。在绝大部分窑炉中，都无须推进，但在使用期间应该可以更换，钼电极可以不必停炉而完成更换工作。

有部分人担心池底漏料，一直反对底插棒状电极的使用(如图2.2.13)。垂直棒状电极也是常用的电极布置形式之一，用一组垂直电极可在玻璃窑池内得到很高的热负荷。该布置方式尤其适用于电助熔窑内形成一个热障。在电极周围以及池底范围内形成一个强大的对流，见图2.2.11（b）。 垂直电极是在建炉时，将棒状电极安装在池底上，其直径为7.5～10cm。当电极伸出池底较短时，池底附近对流剧烈，耐火材料将遭受到强烈冲刷；当电极伸出池底较长时，电极容易弯曲或折断，但这种危险比水平安装时要小。电极之间的间距应考虑到即使在电极弯曲时也不会形成短路。

图2.2.15垂直布置 时电极蚀损后的情况

当垂直安装电极时，电流从一根电极棒流向另一根电极棒，棒的顶部至棒的根部，电流流过的量总是相等。因此，在玻璃液中产生一种几乎是均匀的电流密度分布，见图2.2.14。所以，电极的侵蚀很少且较均匀，见图2.2.15。

垂直电极利用其侧面导电，导电面积大，表面负荷低，电极损耗缓慢，当电流密度小于0.6A/cm2时，有可能做到全炉龄不续进；当电流密度在1A/cm2时，续进是不可避免的，但周期要明显长于端—端导电的电极。为防止局部过热，一对垂直电极的间距一般不小于2m。 由于在电极附近造成很强的对流，能加强玻璃的熔化和混合，对池壁砖侵蚀较轻，为此，在电助熔窑上得到了广泛的应用，它使热量集中在窑池深度方向上。

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垂直电极的优点是：导电长度大，成功运行的电极几乎不用维修，使用效率高。电极在炉内的合理配置和功率匹配，能大大提高熔化质量和出料量。对大型炉和高阻玻璃有良好的适应性，电极一旦断裂可续进补充。

电极垂直安装的主要缺点是：当防氧化措施不当时，电极容易损坏且更换电极很困难。若池底侵蚀严重时，会有穿透漏料的危险，应加强防护措施。正因为如此，在全电熔窑上不采用垂直安装电极，而在电助熔窑中得到广泛地应用，因为后者接近池底，而且热量主要集中在玻璃熔池的深度上。

图2.2.16 顶插的棒状钼电极

垂直电极使用时要注意：①对电极孔砖的水平度和电极孔的垂直度有严格要求；②关于水套和耐火砖相对位置的确定必须兼顾到各自在炉子升温后的膨胀量；③对金属夹具的强度和加工精度及绝缘措施要求较高；④要冒炉底漏料的风险。 （3）顶插的棒状钼电极(可任意改变位置和角度的电极)。

(a)顶插的棒状钼电极与其它插入方式比较：钼电极插入方式分为侧壁水平插入、窑底垂直插入和从冷顶料面插入（顶插式）三种。水平插入、窑底部垂直插入的电极水套都存在着一些问题：玻璃液对电极孔砖的侵蚀较为严重；电极套更换时，耗费时间太长；在进行更换时对维修操作人员有较大的风险。顶插电极则克服了上述缺点，便于操作且对窑炉电极砖寿命影响较小，相比之下顶插电极更适用于冷炉顶的全电熔窑。熔化池采用顶插技术，可使池壁免受侵蚀，电极的安装维修方便，便于观察、便于调节。

顶插式电极的最大缺点是：电极及其水套处于大气、配合料、玻璃液的三相界面处，其

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侵蚀较严重，但通过合理的冷却、采用耐腐涂层等可使水套的寿命延长。

图2.2.17 电极水套(钼电极)处于冷料层中的相对位置

由图2.2.16所示，电极从侧墙沿一定的倾角伸入窑内，可任意改变位置和倾角。在池窑的运行过程中，如有电极损坏待修时，可用这种斜插电极暂时给玻璃液加热。如损坏的电极无法更换，则也可用该电极代替。

(b)顶插式电极水套的使用：顶插式电极水套和钼电极处于正常生产情况时如图2.2.17（b）所示，电极和电极水套头部全部被冷料层所覆盖，半熔化玻璃液层只浸没电极的2／3，这时钼电极的使用达到最佳理想状态，电极套的烧损最小。但是这种状态在生产中难以长时间维待，料层的厚度时有波动，图2.2.17（a）为冷料层液面上升（投料过多或其它原因），这时钼电极仍处于正常工作，但是电极套冷却头部处于1400℃左右的半熔化玻璃液中，电极水套的耐热材料受到强烈的腐蚀，导致水套体严重烧损。图2.2.17（c）所示，供料系统出现故障（如加料机故障），冷料层液面下降，冷顶料层被破坏，钼电极根部暴露于空气中，这时钼电极迅速氧化，电极套同样也受到高温腐蚀，损坏较快。通过分析电极套的使用情况发现电极套的损坏主要来自高温腐蚀以及密封层的损伤。

电极水套设备的材质如表2.2.8。电极水套材质的物化性能和机械性能如表2.2.9。表2.2.10为电极水套生产试用时的主要技术指标。 表2.2.8电极水套材质的成分分析 成分 1Cr18Ni9Ti(国产耐热钢) Fe 66.88～71.88 Ni Cr Mn 其它 7.9 8～11 17～19 0.2 表2.2.9电极水套材质的物化性能和机械性能

性能 材料

熔点℃

抗氧化最高使用温度℃

热强最高使用温度℃

抗拉强度N/mm2

电阻率Ω.cm

伸长率%

41

1Cr18Ni9Ti 1400

1500

紫铜

1083

～850 650 550 7.3¡105

－

40

200 1.7¡106

－

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表2.2.10为电极水套生产试用时的主要技术指标。 参数 产地 碹顶 澄清池 冷却进 冷却回 电流值 玻璃等级 温度℃ 温度℃ 水温度℃ 水温度℃ （A） 65 2500 二级 国内电极 93～99 905～960 51 顶插式电极水套要求加工质量高和较高的热处理技术,设计上针对设备应具备耐高温的特性采用芯部直接冷却的方法来保护钼电极，并采用紫铜管为导电体。对于最关键的部位—导电铜材与钼电极棒的接合面，在技术上采用高精度的莫氏锥面加工或采用反向线面密封方法来满足工艺要求。对于导电体的设计，以安全性和可靠性为前提，提高导体的安全载流面积。同时增加电极水套的抗拉强度和冷却效果，在相同条件下进行国产水套与进口水套的对比试验。其主要技术指标，导电性、热稳定性、热强性、水冷却效果以及操作使用性能都达到引进电极套设备的技术要求（参数见表2.2.10所示）。

顶插式电极水套设备容易出现如下故障：①冷却回路堵塞；②焊接点断裂引起漏水；③由于操作不当造成设备直接烧损等，导致更换电极水套和进行热修，从而影响正常生产的工况稳定。其影响时间约在1～8小时之间，甚至时间更长，并且所拆卸的钼电极多数不能再次投入使用，造成浪费，每次更换电极水套所造成的直接经济损失约在万元以上，每年仅此项经济损失就达上百万元。

2）装有致密耐火材料粉末套的棒状电极

图2.2.19 安装在料道上 的带有粉末套的电极Ⅰ

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(a) 带有粉末套的电极Ⅰ (b) 带有粉末套的电极Ⅱ

图2.2.18 带有粉末套的电极

如图2.2.18(a)所示，在密封套内装有致密耐火材料粉末，以防止钼电极与空气接触氧化。该电极在一个窑期内不能向炉内推进，故一般只能用于料道，但由于使用功率低，电流密度小，所以可正常使用一个窑期。该电极又可分为两种。第一种是直径为3.2cm的细径，在设计过程中，为了防止不锈钢封套和钼电极之间的不密封而造成过渡区域(约600℃)内钼电极的氧化，让熔融的玻璃液流入电极和不锈钢套的连接处，使钼电极能稳定地越过过渡区。该电极安装在料道中的示意图如图2.2.19，这种电极用于熔化池是典型的高风险设计。第二种与第一种电极的原理相同，仅仅是电极的尺寸大一些。为了降低成本，将电极的热端直径做得大些，以便降低电流密度，而其它部位的电极直径做得小些，这两个部位都装有密封套，其结构如图2.2.18(b)所示。 3）复合的棒状电极

有人提出一种复合的棒状电极，其热端还是使用钼棒，而冷端则使用二硅化钼或不锈钢。冷端部分的二硅化钼或不锈钢处于过渡区，而热端的钼安全地越过过渡区。由于二硅化钼很脆，且极易污染玻璃并发泡，所以在设计过程中，二硅化钼部分的长度以不接触玻璃液为宜，在安装过程中，要小心谨慎。冷端使用的不锈钢，必须是特种材料的耐热钢，国内外多用镍基合金材料。

图2.2.20 装有水冷管的电极

众所周知，熔化铅玻璃是使用二氧化锡陶瓷材料作为电极的，近年来人们已开始试用这

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种复合电极作为熔制铅玻璃的电极。据报道，用这种电极来熔制铅玻璃时必须在该电极的内部通上冷却水，使其热端充分冷却，这样可使玻璃液不被污染。其结构见图2.2.18(b)所示。 4）装有水冷管的电极

图2.2.21 装有水冷管的电极15

为了防止电极的氧化，有人提出在电极的内部设水冷却管，如图2.2.20所示。这一构思的电极在上世纪的70年代已投入使用。这种电极的直径可以做得大些，电流密度可以降得小些，因而电极的侵蚀很轻，在一个窑期内不需要更换。图2.2.21分别是装有水冷却套的电极和设有水冷却管的电极。从图中可以很容易地看出两者在结构上的差异。 5)装有水冷管的棒状复合电极

图2.2.22 装有水冷管的复合棒状电极

为了进一步降低电极装置的价格，采用图2.2.22所示的复合电极。该电极由钼质电极帽、钼管、钼管底座、不锈钢水冷支架、电极砖等部件组成。其循环的冷却水通过低温端的不锈钢部分，而不通过热端的钼电极部分。其冷却水也是由电极内部的通路进出的。 6)FH-Mo电极

图2.2.23 FH-MO电极

该电极热端部分的直径比其它部分大，这样热端部分的电流密度可适当减小。该电极尤其适用于加料口附近的加热。在电极的内部设有水冷却通路，图2.2.23是这种电极安装在窑

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炉内的示意图。 7)带有鼓泡装置的电极

图2.2.24 带有鼓泡装置的电极

该电极具有加热和鼓泡两种功能，电极产生的热能通过鼓泡迅速扩散，防止局部加热，加强了对流，该电极结构如图2.2.24所示。该电极主要有以下几部分组成：

(1)惰性气体的进口和出口。惰性气体由进口处进入电极套，避免空气与电极棒接触，以防止玻璃封下面处在过渡区的钼电极氧化。

(2)热电偶。热电偶插入电极的深度大约为15cm，安装热电偶的目的是用来帮助操作工人观察池底和电极的侵蚀情况，通常热电偶测得的温度不能超过700℃。

（3）冷却水的进出口。冷却水需要软化。水的进口温度在42℃以下，出口温度在56℃以下，流量为2×10-6m3/ min。一个电极套吸走的热量大约117J/min。另外，玻璃液渗入到电极砖的孔洞中将电极包住，防止钼电极的氧化，同时将电极冻结在电极砖上。

（4）氮气入口。鼓泡用的氮气通过钼电极内部的管道进入玻璃液。N2和Mo在1350℃以上才会发生反应，一般不会到此温度。所以N2和Mo不发生化学反应。 2.2.4.4 板状电极

由于钼电极可以承受较高的电流密度，开始时把它制成板状，如图2.2.25所示(图中电极水套省略)。这种电极可用于料道或熔化池，其加热较均匀，一般不会产生太强烈的对流，对电极孔砖的侵蚀轻于棒状电极。

板状电极是侧墙型电极的另一种形式，主要用于低容量的单相电熔窑中。当然对某些需要低电流密度以及极均匀能量释放的玻璃电熔窑来说也是理想的，电极的侵蚀很小，特别适

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用于硼硅酸盐玻璃电熔窑。池墙砖的蚀损极小，采用板状钼电极的熔化池，在加热和降温时，必须采取保护措施，使电极不与空气中的氧气接触。

1—电极；2—填料；3—保护套管 图2.2.25 无水冷电极结构图

板状电极在电熔化中不多见。当它在熔化池中使用时，对液流的控制作用不同于传统的热点(或热坝)控制，板电极的电力线的主要构成是平行电场，两块电极板间的电能释放较均匀，在板电极电熔窑中如果有热点，也不是一个点，而是一个区域。它不是以强力对流来均化和澄清玻璃(与棒电极相比)的，但仍能生产出较高质量的高硼硅玻璃。熔化池板状电极的结构是：钼板和钼棒联结，尾部用高温合金引电，并用水套保护。钼板厚度应该是炉龄和熔化玻璃品种的函数，其厚度的选择应和窑炉耐火材料的寿命相平衡。目前，国内研制的双金属无水冷板电极多用于料道和人工挑料口的电加热，其厚度在钠钙玻璃中，当炉龄大于4年时一般为8～15mm，在硬质玻璃中为6～8mm。板状电极的面积有较大选择余地，电流密度以0.6A/cm2为基准进行推算。

板状钼电极的优点是电极重量轻，不存在高温蠕变问题。导电面积是同等重量棒电极的4倍以上，所以消耗较少，不需要也无法续进。由于板电极距耐火砖50mm左右，电极对背后的耐火材料有一定的保护作用。钼板不能接触耐火砖，要保持一定间距。在输电联结上，同一侧钼电极可以并接，但要求采取均流措施，如果是输电，亦应注意使其相位一致。

无水冷长寿命钼电极与水冷电极的区别在于前者不通冷却水，电极在高温下工作，在工作过程中电极基本不消耗。其结构示于图2.2.25。电极固定在不锈钢保护套管内，炉墙外冷端用铜焊焊死。炉内热端熔融玻璃流入保护套管，密封了热端，这样钼电极在保证套管的保护下，完全和空气隔绝，电极不会发生氧化。保护套管的外面包覆几层玻璃布，可以防止不锈钢在高温下起鳞皮。

无水冷钼电极因为不通冷却水，电极在高温下工作，热损失少，节电省水。这种结构的电极特别适用于小型的电熔窑，因为没有冷却水，窑温均匀。目前，我国不少玻璃窑，为了

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改善作业条件，提高窑墙附近的温度，增加窑内均温区，在窑墙附近安装若干对电助熔装置，在这种情况下，安装水冷电极是不适宜的，而用无水冷长寿命电极是很理想的。无水冷长寿命钼电极的防氧化结构是十分可靠的，采用这种结构，电极可以稳定工作三年以上。某厂在1380℃使用了8个月的无水冷板状钼电极外形完整，但保护套管已切去一半。在三相界面处敲断，可以看出，在保护套管保护下的钼棒和新的一样，在三相界面处钼棒正方形断面的棱角尖锐、清晰，没有氧化的痕迹。保护套管本身在熔融玻璃的作用下也完好无损。

其主要缺点是：①如果电极损坏，需要停炉并在高温下排出玻璃液才能更换。迄今为止，一些工厂仍在使用这种电极。②必须冷态安装。③限于小型电熔窑内的设计应用。 板电极在使用中还应注意以下几点：①启动保护可采用低熔点玻璃覆盖或使用化学稳定的气体（如氮气）保护。钼板电极只能冷装，在钠钙玻璃电熔窑中，用碎玻璃将加保护层的电极板埋上。在硬质玻璃中，可考虑用氮气保护(1200℃以下可视为安全的)。根据现场实用情况，钼电极(板或棒)用高硼硅玻璃作覆盖物亦是可行的。②板电极的结构一定要牢靠，板和棒在玻璃液中需保持良好的导电状态。如果松动，会使板棒联结部蚀穿，电极板脱落后，玻璃液的对流和温度分布均会变化，剩下的棒体亦加剧损耗，最终会导致从电极和耐火砖的缝隙处往外流料。另外，还应注意保持钼板和池底的平行。 2.2.4.5 塞状电极

这是一种短形棒状电极，入深约为直径的1～2倍，既可水平安装亦可垂直安装。主要用于小型电熔窑，流液洞、料道或全电熔窑中作启动电极用，板电极蚀坏后也可使棒体部分作塞状电极用。由于塞状电极的能量释放集中于棒体附近，能激起强烈的液流，对耐火材料侵蚀很高，所以塞状电极的长期运行功率值要小于前述电极。在料道使用的塞状电极，电极数量要多于贯穿式棒电极，但输电组合方式比较灵活。

塞状电极是短的棒状电极，其插入玻璃液中约10～20cm，当板状电极损坏时可由它代替。塞状电极能产生强烈的对流，热量大部分集中释放在与电极相接触的耐火材料附近，极易造成耐火材料的损坏。 2.2.4.6 帽式电极

这种电极一般平置于炉底，厚度可达数十毫米，电力线分布比较独特。其对底部玻璃的蠕动层有强力的搅拌作用，曾见于电助熔炉。这种电极对水套和池底电极孔砖有更严格的要求，所以水套的用水量及水套热损耗都大于垂直棒电极。该种电极对熔化池热点的强化和对流均化都具有强烈的作用。 2.2.5电极水套

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2.2.5.1 电极水套的主要作用

由于金属钼的耐热性能特别好，可经受2600℃的温度，属难熔金属。但它的氧化性能在温度600℃以上明显加剧，因此，为了保护钼电极，使其不致很快被氧化，必须采用电极水冷却套装置，否则会影响整个熔炉的正常运转，严重时将迫使电熔窑停产。

电极水冷却套的主要作用是：①把电极安全可靠地安装在窑炉的耐火材料上；②要把暴露在空气中的那部分电极冷却到400℃以下；③防止在电极插入部位的耐火材料温度过高，造成耐火材料局部损坏。

电极冷却水套的结构包括间接水冷却保护套、直接水冷却保护套和快速封装水冷却保护套，逐步形成了目前中试电熔窑所使用的电极冷却水套。在实际使用中已达到下列要求：①对周围玻璃液和耐火材料未产生不良影响；②对玻璃液和耐火材料吸收的热量最少；③电极水冷却套及其冷却系统简单，操作方便，不须经常维修；④电极易于快速向窑内推进。

图2.2.26直接冷却水套的结构

为了保证电极正常工作，所需的冷却水必须经过软化，水质要达到锅炉用水标准。为节省冷却水用量，需采用循环水系统。电极的端部采用螺纹联接，以便电极消耗后可接长推进。

下面分述直接水冷套和间接水冷套。 2.2.5.2 直接冷却水套

直接水冷电极，图2.2.26是该电极的结构图。电极和护套配合，堵头焊在套管端部，电极安装在炉墙上预先留下的倾斜孔内。冷却水直接冷却三相界面和热影响区，护套充满半凝固态的玻璃保护了三相界面。整个电极在低温下工作，可以防止钼电极氧化。消耗式电极采用这种结构是很方便的。电极消耗到需要向里喂入时，短时间停止冷却水，适当升高电极温度，待三相界面处的半凝固玻璃液化以后，即可把电极向里喂入到正常的工作长度，随即送冷却水，使电极仍保持低温工作状态。

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图2.2.27 早期的电极水套

(1)直接冷却水套的工作原理。如图2.2.27和图2.2.28，在棒状电极的外围装有不锈钢的开式水套，冷却水直接喷向钼电极，其前部有一金属堵头，用以支撑电极和防止电极断水续进时头部发生形变。堵头里端距热面50～150mm，有20～80mm厚。大多数厂将电极孔砖加工成台阶式的，孔内的圆台阶把堵头和热面玻璃隔离，阻止堵头和热玻璃直接导电而较早损坏。堵头和电极的间隙小于2mm，在水平安装时，电极的下间隙往往小于0.5mm，而上间隙稍大。通入循环进行冷却，使易氧化部位的温度降至300℃以下。这类电极有水平安装的，如图2.2.28（a）所示和垂直安装的如图2.2.28（b）所示两种，至今也仍有少数工厂在使用它。直接水冷套操作方便，冷却可靠，但强度过大，有时会造成周围耐火材料的开裂；使用硬水时，可能在电极上产生水垢，当电极向里推进时，就会引起电极和套管之间粘结，妨碍电极的进一步推进；有时冷却水溅到热玻璃上，还会引起较大的颠簸。进水压力稍大即会出现“水鼓泡”现象。

图2.2.28 水平和垂直安装电极水套

堵头的取材一般是高温合金质的，不应对玻璃造成污染。直接水冷却套设计和使用应注意以下几点：①水套前部堵头愈厚，保护效用愈差。这是因为当插进电极再回拉时，玻璃液很难填充全部间隙。应注意到，钼和水蒸汽的反应温度约700℃左右。当堵头前部有耐火材料圆台阶作隔离时，亦会造成上述情况。在国内运行的进口水套，就是因此造成该部钼棒变成“细脖”。②当堵头过分靠近热玻璃时，它就参与导电而加快损耗。电极孔砖侵蚀后，亦会将堵头暴露给热玻璃，这同样会加快堵头损耗或造成其它损伤，当水套漏水后，会给生产带来很大麻烦，所造成的“水鼓泡”会直接在产品中反映出来。③直接水冷却套的尾部不能密封，

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否则过大的水压会使水沿着电极间隙内碎裂的玻璃缝进入熔化池而造成“水鼓泡”，降低水压时，这种现象可减弱以致消失。为使冷却水更顺利地淌出，水套可倾斜5°角，让回水在无压下自然流到收集器中。直接水冷却套的用水一般在5L/min左右。当尾部需密封时，为保证冷却和避免“水鼓泡”现象，可在进水管、出水口附近加一密封垫并压紧。④直接水冷却套尾部是敞开的，必要时可用热电偶丝插入水套内部进行温度监视。⑤这种水套的优点是：节水、工艺简单，成本较低。缺点是易出现“水鼓泡”现象，加上前后密封虽好，但工艺复杂，并且在意外停水时，密封垫易损坏，是一种虽不完美但可用于水平电极保护的水套。此种水套目前仍有使用。

图2.2.29 早期开发的直接水冷却套

(2)早期开发的直接冷却水套，如图2.2.29是我国早期开发的一种试验性水套。①将前面堵头伸到粘滞玻璃处，如果这个位置不能准确确定，那就往里多伸一些，不过堵头前端温度最好不超过1150℃，使其尚留有一些强度。这样做的目的是防止空气从水套和耐火砖的间隙进入，就是把空气可能进入高温电极的外通道堵死。②水套冷端和钼电极气密性焊接。钼的熔点是2620℃，且高温下剧烈氧化，要实现强度焊接较难，它的意图是堵死空气由水套和电极之间的空隙(即内通道)进入电极高温部。③实现上述两条后，电极则安全无恙。但一是电极不能续进，所以这种水套主要用于板电极；二是电极必须冷装，加大了启动保护的工作量。这种水套的技术关键是气密性焊接和焊接后严格的检漏措施。如果使用无水冷保护，还必须考虑到高温下接缝处两种金属膨胀系数的差异。 2.2.5.3 间接冷却水套

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图2.2.30 水平间接水套

（1）间接冷却水套的工作原理。随之出现的如图2.2.30所示的密封冷却水套，电极的水冷却系统是密封的，冷却水不直接与钼电极接触。但在使用中要注意利用水冷套端部的玻璃进行密封，当冷却水关闭后，熔融的玻璃液渗透进水冷套端部的各个空隙中，这些玻璃可以阻止钼电极在其可渡区被氧化。数分钟后，打开冷却水，这些玻璃即被冻结，从而使钼电极处于安全状态。但要注意，若密封玻璃不能填满空隙，还是可能造成钼电极的氧化。

后来又有人对图2.2.31所示的电极作了改进，采用图2.2.32所示的结构，在电极的密封套内通入惰性气体，以阻止和降低钼电极的氧化，这种电极的常用直径范围为3～7.5cm，它尤其适用于一个窑期内不易向里推进垂直安装的电极，但需要特殊保护气体和连续循环的冷却水。

图2.2.32 带有保护气体装置的电极

图2.2.31 玻璃密封电极

间接水冷套克服了直接水冷套的一些缺点，但推进电极后，重新向水冷套中通水时比较复杂，因为这期间水冷套已变成红热状态，刚通入的少量水马上气化，造成很大压力，弄不好就会造成焊缝的开裂。

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图2.2.33 外装间接式水冷却水套

电极水套冷却的效果和效率是很重要的。某厂在一个典型的电熔窑上用了12根φ50mm的电极，冷却水吸收了大约50kW的能量，冷却水吸收的热量是从电极水套周围的耐火材料得到的。这些热量的消耗是不必要的，因用电极水套是为了冷却电极。耐火材料被冷却的结果，增加了它的温度梯度，引起了耐火材料的内应力，造成了电极砖的炸裂。采用电极水套保温隔热的办法，可以显著减少从周围耐火砖所吸收的热量，与不加保温的电极水套相比，大约可降低总吸热量的50%左右。

(2)外装间接式冷却水套。外装是指水套不进入电极孔砖内，间接式是指水套内的冷却水不直接与电极接触。其结构如图2.2.33。某厂使用时玻璃液内的温度是1450℃，冷端为50℃，玻璃沉降终止于800℃的位置，由于钼电极在650℃以上开始剧烈氧化，在500℃～800℃的范围内送入保护性气体(如氮气，某厂未使用气体保护)。对于熔化硬质硼硅玻璃的外装间接式水冷却水套设计时应考虑：①玻璃的粘度大，电极和电极孔的间隙亦要稍大些，大于5mm为宜，使玻璃下降距离长一些。②为省掉保护性气体，可以控制玻璃下降距离更长一些，当水套通水后，这部分玻璃即被“冻”在电极上而防止电极氧化，不过其可靠性差。对于软化点较低的玻璃，水套从下往上算起，只要粘滞态玻璃的温度低于600℃，则电极较完全。③这种水套不是以降温保护电极，而是用“冻”住玻璃来保护，其防漏料的作用要大于保护电极的作用，循环水的正常运行与其说是保护电极，不如说是保护窑炉。④循环水应使用软水。加大进出水管直径或做成可迅速拆换式水套时亦可使用普通水。当水量大于15L/min时，其热损耗低于5kW。⑤保护性气体可用氖、氩惰性气体，亦可用天然气，其中夹杂的甲烷和空气不会对电极造成致命威胁，此水套在实用中可用于大功率料道的电加热中。⑥使用此水套时，电极很难续进。

图2.2.34 外装钳式水套

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图2.2.35 水和惰性气体双保护水套

(3)外装钳式水套。图2.2.34是这种水套的示意图。既然用粘滞玻璃可以保护电极，那末就把电极孔开大，使电极和耐火砖之间形成10mm左右间隙。这个间隙，即使较高粘度的玻璃，也可以下降很长距离，甚至一直泄漏。为此，在电极孔砖外安一活动式钳形水套，它的作用是将下流玻璃定在某一位置上，也可以作漏料保护用。由于水冷钳安在电极孔砖外部，所以水冷功损很低。

图2.2.36 内装闭式水套

(4)内装间接式双保护冷却水套。如图2.2.35。这种水套类似于外装间接式水冷却水套。它的基本设计思想是：①用气体(例如氮气)保护电极的较高部分。②下部用水套进行冷却，这样可降低冷却水带走的热耗，同时也适当降低了电极尾部的温度。冷却水套的冷面(下面)带有隔离孔，使水套内不能形成水蒸汽或有空气存在。③这种保护方式由于水套距热区远，所以热损耗低。这样的保护只能降低电极尾部温度以便接电或其它操作。真正保护电极的是通入的惰性气体，上部很长一段高温区都需用气体保护。为节约气体使用量，电极孔内砖层之间应有良好的密封。总之，双保护水套是一种主要依赖气体保护的水套。

(5)内装间接式冷却水套。这是一种成熟的通用型水套，如图2.2.36，由于是间接式水冷，则完全避免了“水鼓泡”问题，同时，它保留了直接水冷水套的堵头，既可以缓解热玻璃对水套的侵蚀，又为电极的推进提供了定向滑槽。它所具备的明显特征是，从高温堵头到水套常

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温(<50℃)段，距离短，温度梯度大，电极可能氧化的部位很短，从实际运行来看，正确的安装和操作可完全防止氧化。内装直接水冷水套与其相比，长时间运行后，前者的电极在堵头下沿处仍有“细颈”现象，而后者却没有。这种差异不能排除H2O在高温下对钼的氧化作用。内装间接式水冷水套的缺点是：对取材、加工、焊接及运行操作要求之严格，要远甚于直接式水冷水套。但一只好的内装间接式水冷水套可对电极进行可靠的保护并可反复使用。某厂数年来的实践已证明了此点。

图2.2.37 内装管式水套

(6)内装管式间接冷却水套。图2.2.37是这种水套的原理图。它有两个特点：①用螺线水管代替了闭式水套盒，同样能起到冷却作用。②水套与电极孔砖之间有一耐火材料隔热层的存在，冷却水仅带走由电极传导过来的热量，所以其能耗比前述内装间接水套要低得多，避免“冷”水套和“热”砖直接接触而使砖炸裂。但对选材和加工都较严格，冷却管的材质和焊接起码应满足在断水续进电极时不变形。另外，对水质要求更高，当软水中有脏物时，堵塞的可能性更大，在管子弯曲部清除堵塞脏物几乎是不可能的。另外，砖上的电极孔径亦较大，而大孔总是要担当大的漏料风险。

这种水套允许将一只热偶直插入水套根部进行温度监视。 2.2.5.4 电极套的安装

电极套是在熔窑点火烤窑前装入电极砖中的。在装入砖孔时，电极套的端面不能与电

极砖的内壁面相平，而应凹入60mm，这样既可避免因电极砖的侵蚀而使电极套前部较多地浸在高温玻璃液中，又可利用凹入部分被玻璃液充填，充填的玻璃液受电极套冷却水的冷却使粘度增大而难以进入窑内参与对流，故能起到保护电极砖特别是电极孔部位的作用。但过多的凹入也不合理,它易使电极孔周围的耐火材料（电极砖）因受电力线的作用而破裂、损坏。电极套装入以后,前端凹入部分在烤窑时还必须用轻质粘土砖加工成直径为106mm、长为60mm的圆柱状填放在空穴中。这是为了防止烤窑时的明火对电极套

的烧烤，由于此砖的熔点较低，在熔窑过大火、投熟料后就会自然熔化，对玻璃组成影响不大。

图2.2.38 电极套的安装

在电极套的前端，利用圆柱形石墨堵好，在玻璃液的深度尚不具备钼电极的插入时阻止玻璃液的流出。石墨憎玻璃液，密度远小于玻璃液，钼电极顶进时只有较小的阻力,被推入后的石墨将会浮于玻璃液面而让高温气流和火焰烧失而不污染玻璃液，石墨外端用普通钢管顶好。电极套用绝缘物与支架牢固地固定。绝缘物体采用230×ll3×65mm的标型粘土砖加工成u型，每两块对拼成一组，外用扁铁夹紧，再连接于池壁顶铁上。如图2.2.38。 2.2.5.5 冷却水套设计和运行中应注意的问题

(1)运行中对冷却水系统应有完善的检测和报警系统，并有备用手段。 (2)应使用软水，并定期检测和清理。

(3)初期运行顺利不等于长期运行成功。因为有保护而保护不好的钼电极蚀断时间可长达3～6个月。

(4)电极孔砖应使用优质锆刚玉砖，对于底插电极其热面应高于池底，这是考虑到电极的能量释放或多或少地会加快砖的侵蚀。但不能指望孔砖热面处的高台(70～300mm)能避免电极断裂后继续送电所造成的危险。实践证明，局部高电能的释放可毫不费力地熔化诸如含锆30%以上的锆刚玉砖。

(5)只有在电极安全的前提下方可考虑降低冷却水的能耗问题。

(6)要续进电极时，需重视人员安全和水套安全，其后的续进电极方有意义。

(7)电极间电阻变化是个重要信号，要么是电极系统有反常，要么是工艺参数有反常，兼而有之的情况亦有。

(8)钼电极比较贵重，炉子要放料时先将电极下拨至入深为20mm，则节约资金是可观的。

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当然，电极再推进时，应注意钼的再结晶且强度已发生变化。 2.2.6 钼电极临界电流密度和尺寸的选择

图2.2.39 电流密度与钼 电极的名义腐蚀速率的关系 2.2.6.1 钼电极临界电流密度

电极的单位导电面积通过的最佳平均电流值定义为临界电流密度J。J=I/S ，式中I为电流(安培)，S为电极导电平面的面积(cm2)；玻璃电熔是通过电极把电能输给熔融玻璃的，电极与玻璃融体具有不同属性。在它们的接触面上有接触电阻，当有电流通过时，在电极表面产生局部焦耳热。接触电阻的大小取决于两类电极体之间的浸润性，浸润性好，接触电阻小，J值高；反之，则J值低。石墨、氧化锡和钼三种电极材料中，钼和玻璃之间的浸润性最好，石墨最差。石墨和氧化锡的J值为0.2和0.3A/cm2。合理选择钼的临界电流密度是正确使用钼电极的关键问题之一。

图2.2.41 电极温度与电极电流密度的关系

电熔窑中的钼电极同时受到电、高温和腐蚀介质的综合作用，化学腐蚀和电化学腐蚀

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是不可避免的，在同样的玻璃液中，电极的腐蚀速率与电流密度有关，图2.2.39是这种关系的定量研究结果。由图2.2.39可以看出，电流密度低于0.5A/cm2时，腐蚀速率极低，电极长期使用，尺寸几乎不变。当电流密度升高到0.8～1.0 A/cm2，腐蚀速率突然升高，钼电极浸蚀很快。

为了探讨电流密度与腐蚀率之间的关系，利用静态电熔窑研究了钼电极的温度与电流密度的关系，结果绘于图2.2.40。利用回归分析法，图2.2.40的曲线可以导出一个数学表达式： T=1207.7+110.5lnJ ，式中T—钼电极的温度℃ ，J—电流密度A/cm2。

图2.2.41 钼的腐蚀速率与温度的关系

图2.2.40中的T0代表玻璃液的温度，电流密度低时，电极温度低于玻璃液的高度，随着电流密度的增高，电极的温度达到并超过玻璃液的温差，最终达到1550℃。

定量地测定钼在中碱玻璃中的腐蚀速度与温度的关系，结果示于图2.2.41。温度越高，腐蚀速率越大。

综合这些研究结果可以断定，电流密度增加时，提高了电极区的温度，加速了电极的化学反应的进程，同时改变了电极区玻璃的流动状态，最终造成电极的腐蚀速率加快。根据研究，长寿命钼电极的临界电流密度可选择0.4～0.7 A/cm2，在这样的电流密度下，8～10mm厚的钼板电极能工作2～3年，对于续进式钼电极，电流密度可以选择1.0 A/cm2，不能太高，否则要产生高温气泡。

根据实验及大量生产实践证明，Mo电极的临界电流密度值采用0.4～0.7A/cm2可以达到长寿命的目的。Mo电极温度与电流密度成正比。

钼电极的最大允许电流密度约为2～3A/cm2。为了减少侵蚀一般不超过2A/cm2，如果是无碱玻璃，则电流负载应相当小。当电流密度小于1.00A/cm2时，钼电极能很好地抵抗熔融玻璃液侵蚀，但当电流密度大于1.00A/cm2时，则侵蚀速度加快。此时，钼与

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玻璃液界面上将产生气泡。 2.2.6.2 钼电极尺寸的选择

为保证钼电极的使用寿命，电极电流密度有一定的允许范围。钼电极的电流密度与钼棒、玻璃成分、使用温度等因素有关。烧结钼棒安全电流密度近似于1A/cm2，熔炼钼合金安全电流密度近似于1.5A/ cm2，可按上式J=I/S计算。

电极直径的选择范围一般在35～75mm之间，主要依据电流密度的大小来确定。一般说来，熔化硼硅玻璃选用直径φ50mm的电极，运行中电极的推进视实际电流密度的大小决定。对于垂直电极，该值到0.8A/cm2时需要考虑续进问题。对于炉龄较长(4年以上)的电熔窑随着电极消耗，电流密度增大，如果电极不准备做续进，其电流密度还需要控制一个更低值，钼电极电流密度运行在0.6A/cm2以下时，电极几乎不消耗。某厂熔化硼硅玻璃电熔化的电极的电流密度在0.42～0.49A/cm2之间，可保证两年不用续进。钠钙玻璃和其它低阻玻璃，电阻率低于15Ω·cm，电极很难把电流密度控制在0.6A/c m2以下，由于其粘度低和电阻率小，使用φ75mm的电极，电极也会有不同程度的损耗，所以电极必须做成续进式的。从电极的运行成本来看，板电极是钠钙玻璃电熔化的最佳方案。

电极的导电距离直接影响到电极的运行寿命，电极距离过近，运行中呈低电压大电流状态。这种局部的高功率不但会降低耐火材料的寿命，而且会加大电极损耗，给产品带来缺陷，再加上电流密度值过大，对电极的破坏性影响就更大了。只要电熔窑所能承受的电压允许，当然希望高电压低电流的运行方案，但这一点要服从熔化工艺和操作安全的需要。当正确的工艺设计确立了低电压大电流的运行状态时，留下的唯一办法就是加大电极的导电面积，即选用更大直径的棒电极，或是多支电极并用，或是增加电极的对数，或工艺许可时使用板电极。

当Mo电极表面电流密度值为0.4～0.7A/cm2时，在1300℃～1400℃的中碱玻璃液中使用一年只腐蚀掉0.5～1.5mm厚度。某厂熔化中碱玻璃的日产1.5t电熔拉丝池窑使用9000h后的Mo合金电极板，原板净重24kg，厚度由原来10mm减到9.5mm，使用电流密度为0.57A/cm2。

2.2.7 钼电极的蚀损与保护

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*由于热能引起的钠离子的运动

**由于电流方向的改变而引起的钠离子的运动图2.2.42 表明了全电熔窑中钠离子的两种运动

2.2.7.1 钼电极的蚀损

全电熔窑中，玻璃在电场的作用下钠离子的前后移动，对残余石英砂的熔解是有助的。图2.2.42表明了全电熔窑中，钠离子的两种运动，第一种运动是由于热能引起的，这次运动是短暂的，是在分子尺寸的水平上运动，有很高的频率，每秒钟大约有几百万次。这样热运动具有足够的能量使SiO2砂粒熔化。

图2.2.43电熔窑中 钠离子移动的距离

图2.2.44 Na+渗入熔融 的SiO2的检验装置

钠离子第二种运动是由于电流方向的改变。对60赫兹的交流电来说，这种运动是每秒钟120次，离子移动的距离大约为0.0025cm，如图2.2.43所示。这种离子移动的距离相对于石英砂粒来说是小的，但是相对于砂粒的晶格结构来说是大的。在电熔窑中钠离子移动的距离通过一个浅的氧化铝舟进行测量。氧化铝舟两端装有电极，并装满了熔融的玻璃，预先加热的玻璃（由在特殊的位置装有放射性的钠），当两边加上电压后，放射性的钠离子（以上述所提的速度）向阴极移动。由于电解的作用，钠离子的移动向石英砂晶体碰撞，此时由

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于热能分解的石英砂晶体而形成硅玻璃，并分散到熔融体内。

为了解释钠离子是否渗入熔融硅，建立如图2.2.44的设备。石英玻璃管的直径15mm，形成V型，用熔融的砂岩焊住接点，并形成两档。设备大约有8英寸长。在实验室窑炉中，两边装熔融的碎玻璃。Na2SO4加在熔融的玻璃一端的上方作为电极接触液体，铂金丝浸在Na2SO4中，并直接通入100V的电流，电流约为10几个mA。

图2.2.45 Na+渗入熔融的SiO2示意图

铂金丝在该实验中不能持续很长时间，钠迁至一极，三氧化硫迁至另一极。气体由阳极释放出来。

图2.2.46表示两根钼电极浸入熔融玻璃

15分钟之后，实验结束了，设备迅速f地冷却下来，挡板的一侧是稠密的乳浊物，档板的另一侧是清洁的。如图2.2.45所示说明电流驱动Na+进入熔融的SiO2，形成了方石英。

上述讨论的钠钙硅玻璃窑炉应多深为宜。从1t到140t的80座窑炉的实践来看，1.2m深足够了，不会有多余的砂粒越过熔化区(玻璃的质量可达器皿玻璃的要求)。

检查电化学现象对电极的影响，图2.2.46表示两根钼电极浸入熔融玻璃。在第一个半周期内，钠离子移至右边接受电子，立即变成Na。与电极没有发生反应。在高的电流密度的情况下，有可能与周围的玻璃液发生反应。

SO32—离子移到左边释放出两个电子变成SO3，SO3分解成SO2和O2，而释放出的O2与Mo电极起反应，形成MoO3 。由于对流作用MoO3进入玻璃，这就是所谓的电极腐蚀。

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实践证明，接近电极那一层中由于硫酸盐耗尽而对电极的腐蚀减小，而当电极表层的玻璃离开，新的玻璃液又会带来新的硫酸盐而加剧对电极的侵蚀。

在电极周围的对流运动，对于水平电极和垂直电极来说是不同的。水平电极沿电极的长度方向有更多的低强度扩散流。

垂直电极从窑炉的底部拉引熔融玻璃，垂直电极由于电极附近特殊的加热效果。玻璃的表面则更热并一直升至电极端部，这种上升的玻璃液由底部粘在电极周围新鲜的玻璃液来代替。这样引起电极直径变细，直至电极完全被腐蚀掉。

在容器玻璃中，硫酸盐的侵蚀是常见的，这同样的反应可能出现在其它玻璃的氧化物成分中。例如当配合料中含有相当数量的盐时，并不是所有的盐都参与反应，引起电极的腐蚀。白砒和锑粉也是很容易还原的氧化物，它们也会引起电极的腐蚀。

安瓿玻璃，虽然在配合料中含有还原剂，含有很少的氧，但由于钼电极在安瓿玻璃中由于Mo晶体的长大，从而影响其寿命，大约仅能使用一年时间。 2.2.7.2 钼电极的保护

由于钼在600℃以上与空气接触易氧化，因此，电极的正确安装与合理保护则成为钼电极使用技术的关键。钼电极保护分两种：一种是对钼电极本身采取过渡性保护措施，另一种是在安装与使用过程中须采取相应措施予以保护(如水冷却套)。

图2.2.47通过施加直流电压进行电极保护 钼电极的过渡性保护措施可从以下两方面考虑：

(1)阳极钝化。钼电极在铅玻璃中发生如下氧化—还原反应：2Mo+3Pb2+=2Mo3++3Pb，所有的氧化—还原反应都可分为两个电极反应，从而构成一个原电池，该电池的电动势ε等于两个电极电势之差。即 ε=EPb2+/Pb-EMo3+/Mo 因ε>0，反应自发地向右进行，钼不断地消耗，铅不断析出。因此，要防止钼电极腐蚀，应使原电池电动势ε<0。可以在钼电极上附加一直流电压，使ε<0，这就是所谓阳极钝化方法。在玻璃液中借助一辅助电源引入一直流

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电，钼电极连接直流电源正极，负极连接在熔池壁上，则在钼电极表面上就形成一层SiO2保护层。如图2.2.47电极(5)和电熔锆刚玉砖砌成的熔化池(1)，直流电源(7)的负极通过两块相对布置的镍板(2)连接在熔化池上。直流电压接在向两电极供电的变压器(6)的次级绕组上。在玻璃熔化池温度为1350℃时，直流电流密度为1.3mA/cm2，其单位面积电极腐蚀率为最小，使玻璃中钼含量下降50%。

阳极钝化的副作用是伴随着钝化，阴极上析出部分碱金属。碱金属析出速度与钝化电流成正比。

用同样的方法可以使钼电极防止SO42-离子的侵蚀。SO42-与钼反应时产生气泡，特别在硅酸盐玻璃中。作为辅助电极（阴极）也可采用钼电极，但是安装的位置要使钼与SO42-反应产生的气泡无害于澄清好的玻璃液。习惯上把辅助电极（阴极）安置在澄清带。

上述解决钼电极保护的方法开辟了玻璃电熔广阔的途径，不仅可熔制含PbO玻璃，而且也可熔制钼离子、镍离子、铁离子等大量的离子着色玻璃，以及澄清剂如Sb2O3和As2O3含量较高的玻璃。

(2)低频电流保护。以低频电代替直流电进行钼电极保护，供电频率根据熔化温度、玻璃组成和电流密度而定。试验证明钼在玻璃中的溶解量比无保护时低四倍，并比阳极钝化有较高的运行可靠性。 2.2.8 电极的电缆联结

图2.2.48 电极与电缆的联结方式

图2.2.48是四种电极与电缆的联结方式。当电流很大需用多支电缆并联时，需把电缆在母带上集结后再引至电极上。

当电流通过电极时，电极在一定程度上要发热，一支φ50mm，长1.5m的棒状钼电极，当电流为400A时，其本体的焦耳发热约60W，另外，电极尾部靠近炉体亦吸收炉体辐射热，

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其温度视安装部位和冷却水量大小可在50℃～150℃左右。用不加保护的铜线直接联结，在长期使用时易氧化断掉，所以尾部联结应作如下处理。

最好用镀银线鼻子完成接线过度以防止氧化。电极端部500～1000mm处电缆使用镀银编织线外加石棉网套绝缘，或使用耐250℃的高温电缆，拧紧线鼻子用的螺丝采用不锈钢质的，以防拆卸困难，或设计成在现场能迅速拆装的专用电缆卡具，见图2.2.48（c)。在电熔窑和电加热运行的中后期，电缆与电极的联结处是故障易发部位，所以此处不能用常规法随意处理。

2.2.9 钼电极的使用及注意事项 2.2.9.1 棒状钼电极的插入深度

在设计电极尺寸时，一般不对钼电极的抗折强度作过多考虑，但曾发生过水平电极在高温下发生蠕变的现象。如果弯曲过度，电极有可能触及炉底，轻则出现气泡，重则烧穿耐火材料。

不能靠电极在玻璃液中的插入深度来降低电极表面的电流密度。因为当电极插入深度增加时，电阻会降低，而且电极插入深度和熔化工艺有关，不能随意变动。

就水平安装的电极而言，它在玻璃液中的插入深度只受高温抗折强度的，水平电极可被视为悬臂梁，设其直径为D，长度为L，宽度为Pe，自重为均匀负荷，还要考虑到电极在密度为Pg的玻璃液中所受的浮力，则电极所受的张应力为：S=4L2(Pe- Pg )/D (kg/cm2)，上式中钼电极的比重取为10.2×10-3kg/cm3，玻璃的密度可定为2.4×10-3kg/cm3，应力S小于3.5kg/cm2时，可视为电极是安全的。根据式 S=4L2(Pe- Pg )/D，可以计算出φ25mm、φ36mm、φ50mm、φ75mm、φ100mm水平棒电极的安全插入深度，见表2.2.8。 表2.2.8 水平棒电极的安全插入深度 电极直径mm φ25 φ36 φ50 φ75 φ86 φ100 安全插入深度530 0 750 920 980 1060 mm

图2.2.49 水平棒电极的安全入深曲线

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为计算方便，将式S=4L2(Pe- Pg )/D 简化为L=105.9 D，式中D为直径(mm)，L为安全入深(mm)。根据上式可给出安全入深曲线，见图2.2.49。表2.2.8数据和图2.2.50曲线都留有安全余量。在运行中，生产条件的恶化、过热(指电极承担过大功率)或者二次续进时过长都可能引起过度的形变，用大直径电极或其它降低表面电流密度的措施，都可以将形变控制在最低限度。

水平安装的板状电极亦可视为悬臂梁，但电极板距电极孔砖一般不会大于50mm，力臂很短，后部棒体支撑点所受张应力都远在安全强度以下，一般不会发生蠕变。另外，既然使用板状电极，就准备引入较大电流，因而后部棒体直径在熔化池不会小于50mm，在料道不会小于36mm。随电极板面积变小棒体亦可减小，所以电极的强度总是安全的。当板状电极尾部使用双金属(钼和耐热钢合金)组合时，其抗高温蠕变能力将随设计而产生很大差异，应予以注意。

垂直插入的棒电极的入深一般不必考虑蠕变问题。在工艺允许的最大范围内，电极不易发生高温蠕变。但对电熔砖上电极孔的垂直度有严格要求，否则不但会给安装和续进带来困难，而且过大的倾斜和插入深度都会加剧高温蠕变。由于高温液流的冲击作用，这种蠕变一旦发生，将越来越严重。 2.2.9.2 钼电极的插入方法

图2.2.50 使用后的电极形状

(1)冷插入法。烤炉前或窑炉冷修后可采用冷插入法。在点火前，保护套装入电极砖孔内，用绝缘的简易支架固定好，电极放入保护套内，电极头部用石墨块及耐火砖保护。当炉温升到1250℃以后，玻璃液面满过电极孔中心线200mm以上，将电极推入窑内。

(2)热插入法。窑炉热态时将钼电极插入炉内玻璃液中，这种方法为热插入法。①热插入法简单省事；②电极插入炉内后应立即打开冷却水冷却电极。③采用热插入法时其它电极带电运行，要注意安全。

2.2.9.3 钼电极侵蚀后的形状

从停炉冷修中发现，侵蚀后的电极形状有如下特征：①未通电的接地电极外形变化不明显，仍呈圆柱状，且很完整；②通电后的电极都呈锥形；③通电运行时间愈长其侵蚀愈大；④电极输入电功率愈高，电流密度愈大，则损耗愈重，侵蚀后的锥度愈明显；⑤运行后的电极横截面都呈椭圆形，特别在前端80～100mm处更为明显，如图2.2.50所示。

使用后的电极形状形成上述形状特征的原因主要是：①电流密度。对水平安装的电极来说，其50％～80％的电流是在钼电极端部100mm流过的，因此电极损耗的速度在靠近端部的部位必然比其余部位要快。②液流:由于电能的输入，引起温度的升高，电极表面热的玻璃液密度降低，故要不断地向上运动，使电极两侧面逐渐磨损变成椭圆状。 2.2.9.4 棒状钼电极的推进

在使用电熔的过程中，随着电极的损耗要逐步将电极向窑炉内推进。具体步骤如下：①切断电源，将电助熔全部中断运行，拆除电极钢棒与铝排连接的紧固螺栓；②做好推入长度标记，以便准确地推至工作位置；③拆下有碍操作的风管，以取得必要的操作空间；④安装好推进工具(千斤顶或拉马)，保证千斤顶的顶进轴线与电极的轴线相一致；⑤停冷却水10分钟(要观看水套状态)，使电极水套与电极处的冷玻璃熔化后，即可向里推进，可以从电极高温端进行观察而发现较为红亮，或用光学高温计测电极高温端在750℃～800℃顶进。若一时推进困难，切忌用手锤敲打，以免损坏电极，只需再停冷却水5～10分钟，就能顺利推进，同时清除电极与电极套中的水垢及杂物；⑥推至工作位置后再来回抽动几下，然后固定，开冷却水，拧紧定位螺钉，装好引电装置，将暴露在窑炉外的电极水套和电极均用耐高温的玻璃布进行绝缘包扎；⑦加长铝排，由于钼电极顶进，故铝排的尺寸不够，要加长；恢复电路，使其处于正常状态，检查不要接地、短路或断路。⑧通电工作。 2.2.9.5 电极使用中的注意事项

钼电极的直径误差一般为±1mm，电极的直径必须均匀，光滑而清洁的电极表面有利于进行螺纹连接和使用过程中向里推进。

如螺纹连接处由于同心度不准就可能使电极在接缝处产生裂纹和折断。这样就会造成生产事故。 2.3氧化锡电极 2.3.1概述

石墨和钼电极易还原玻璃中的某些氧化物，尤其是铅玻璃中的氧化铅，使电极迅速氧化，还原出金属铅使玻璃变成不透明，或形成灰泡、气泡、条纹等，甚至使玻璃着色。因此，石

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墨和钼电极不适合于熔化铅玻璃，必须寻找一种中性电极。上世纪60年代初，二氧化锡电极就这样应运而生。该电极适合于熔化铅玻璃、硼玻璃、氟玻璃、磷玻璃，含As2O3、CoO、Fe2O3的玻璃以及含铜、铁、硫等玻璃。

二氧化锡电极是一种陶瓷材料，它具有化学稳定性好、耐火温度高、热膨胀系数小等优点，但承受热冲击性差，在还原状态下稳定性差。使用温度不宜超过1500℃，在1500℃以上，氧化锡的挥发速度增大。SnO2的密度为6.5g/cm3。 铅晶质玻璃对电极材料的要求主要是在玻璃液中不产生还原反应，抗玻璃液的高温侵蚀性能好，具有低的气孔率和高的导电率。传统的电极材料石墨、钼、钢等均不能满足上述要求。目前找到最理想的是以SnO2为基质的陶瓷电极，该电极已在生产中获得广泛应用。

氧化锡是一种烧结的陶瓷材料，过去由于导电性能的缺陷和制造工艺上的困难而发展不快。近10年来，这些问题基本解决，在使用上取得了进展。目前在国际上它已逐步发展成为四大电极材料之一。 2.3.2 氧化锡电极的物理性能 2.3.2.1 机械性能 （1）机械性能见表2.3.1。 表2.3.1 项目 氧化锡电极类型 KE 密度（g/cm3） 相对密度约为(g/cm3) 宏观密度(g/cm3) 表观密度(g/cm3) 真密度(g/cm3) 显气孔率% 热膨胀系数10-7/℃ 吸水率 开口气孔率 气孔直径 允许 长度(mm) CORHART-11CZEC6.2 1．0 39.5 前苏联棒状 国产 6.45 6.2 6.45 6.5～6.8 6.94 6.45 6.94 6.4～6.8 6.1 0～2 44.3 <0.1% <1% 1．58 43 1.52%-2.0% ≤7% 0.32% 1.5% 12 ±2.0 66

误差 直径(mm) ±0.05 （2）抗弯强度：等静压制得的氧化锡电极的抗弯强度列于表2.3.2中。 表2.3.2 温度℃ 抗弯强度kg/cm2 21 1211 538 1204 1093 175 (3) 挠曲强度见表2.3.3中 表2.3.3 氧化锡电极的挠曲强度 挠曲 温度(℃) 20 1000 1200 1400 96 134 强度 挠曲强度(kg/cm2) 7 98 （3）抗压强度列于表2.3.4中。 表2.3.4 温度 ℃ 抗压强度（g/cm2） 2.热学性能

（1）最高使用温度：1400℃±20℃

（2）荷重软化温度：(负载为2 g/cm3) 1550℃时开始软化；1650℃时压缩4%。 （3）导热系数见表2.3.5，氧化锡陶瓷的导热系数随温度升高而下降，在整个温度范围内下降幅度较大，当温度由300℃升高至1000℃时，导热系数下降9W/m℃左右。然而，其平均值仍相当高，约2倍于1000℃时电熔锆刚玉耐火材料。 表2.3.5 温度 ℃ 导热系数W/m¡C

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20 880 1100 149 1250 83 1350 60 1475 48 312 15.4 600 8.3 949 6.5

图2.3.1 氧化锡陶瓷电极相对伸长量与工作温度的关系 (4) 比热：(27℃～800℃)0.418 (J/g.℃)

(5)热膨胀系数:温度范围为0～1000℃，热膨胀系数为5.3×10-6℃-1。在20℃～1500℃范围内，氧化锡陶瓷的热膨胀系数与电熔锆刚玉耐火材料相近（50×10-7～70¡10-7℃-1）。由图2.3.1可见，氧化锡陶瓷加热时的相对伸长量（长度增量/原始长度）随温度升高而增大，也即在1500℃范围内，其热膨胀与温度成正比。在加热时氧化锡无多晶转变和容积变化。实际使用表明，氧化锡陶瓷电极具有较好的机械性能和热性能。 2.3.2.3 润湿性能

氧化锡电极是一种N型半导体，而熔融玻璃液则是一种离子型半导体，两者间的电阻为过渡式的接触电阻，其值与玻璃液对氧化锡陶瓷的润湿性能有关，润湿越好，则接触电阻越小。表2.3.6列出了钠钙硅玻璃和铅玻璃与氧化锡电极润湿性能。玻璃为钠钙硅玻璃和铅玻璃，钠钙玻璃化学成分为（质量百分比%）：72.6%SiO2；3%Al2O3；5.9%CaO；3.8%MgO；0.04%Fe2O3；14.5%Na2O。铅玻璃PbO含量为24%。 表2.3.6 材料 性能 比重(g/cm3) 气孔率(%) 氧化锡 6.51 氧化锡 6.51 刚玉 3.68 0.94 0.94 5.5 20.5 铅玻璃 玻璃 润湿角(在下列温度值时℃) 950 111 1000 90 93 84 90 1040 60 69 75 82 1100 50 50 56 71 1200 28 20 47 -- 钠钙玻璃 118 钠钙玻璃 98 钠钙玻璃 95 粘土砖 2.17 由表2.3.6可知，当温度低于1040℃时，氧化锡陶瓷的润湿角比刚玉、粘土砖高，其值>50，氧化锡陶瓷对于一般钠钙玻璃和铅玻璃具有良好的润湿性能。 2.3.2.4 电学性能

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1—Corhart1185电极 2—Czech电极 3—KE电极 图2.3.2 SnO2电板的温度—电阻率关系

曾使用过试验性的KE电极，其主要成分二氧化锡为98%，另外加入2%的Sb、Zn、Cu等氧化物，以增加密度和导电性能，电极的物理性能示于表2.3.1。

氧化锡还具有负的电导体特性，即它的电阻随温度升高而降低。氧化锡电极的电阻率与温度的关系曲线见图2.3.2。从图看出：在400℃时，其电阻率为0.8～1.2(Ω.cm)；而在1000℃时，其电阻率为0.0025～0.0045(Ω.cm)。所以使用该电极必须有相当高的温度，使通过电极的电压降不致过大，同时使输入功率主要用来熔化玻璃，而不是消耗在电极上。

图2.3.3 氧化锡陶瓷电极电阻率与比重、工作温度的关系

氧化锡陶瓷导电性是电极质量优劣的一个十分重要的参数。正如其它氧化物半导体一样，氧化锡的导电性与离子、原子价、烧结温度、氮化处理等有关。当上述参数发生变化时，氧化锡陶瓷的导电率等将出现明显的波动。 1）导电性能与氧化锡电极比重的关系

氧化锡陶瓷电阻率与其比重、温度关系示于图2.3.3中。图中以三种不同的比重值表示，

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曲线1的比重为5.6g/cm3，曲线2为6.0 g/cm3，曲线3为6.4 g/cm3。由图2.3.4可见，电阻率随比重的增高而减小，比重由5.6g/ cm3升高到6.0 g/cm3时的电阻率下降的值比由6.0 g/cm3升高到6.4g/cm3时大,在整个温度区内均如此。因此,制造电极的氧化锡陶瓷比重不应小于6.1～6.2 g/cm3。此外,电阻率还随工作温度的升高而下降，在高温区（>1000℃）即渐趋恒定。

图2.3.4 氧化锡陶瓷电极 电阻率与烧结温度的关系

2）导电性能与氧化锡电极烧结温度的关系

氧化锡陶瓷电极电阻率与烧结温度的关系如图2.3.4所示,图中曲线1的烧结温度为1350℃，曲线2为1425℃，曲线3为1500℃。由图可见，当烧结温度升高时，电阻率相应下降，在较高工作温度区（>1000℃）尤为明显。如在高工作温度区内，当烧结温度由1350℃升高到1500℃时，电阻率下降2.3-2.5倍，而在低温区内（<600℃），则下降1.3～1.5倍。在高工作温度区内,氧化锡陶瓷的电阻率一般为3.5×10-3～9.5¡10-3.cm。完全可满足玻璃熔制的要求。

图2.3.5 氧化锡陶瓷电极 热处理前后电阻率的比较

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实践经验表明，当氧化锡陶瓷的烧结温度高于1500℃时，电阻率的减小不甚显著，而高温烧结时的能量消耗很大，从经济和技术上讲都是不合理的。 3）氧化锡电极的导电性能与热处理的关系（热处理介质为N2）

欲再使氧化锡陶瓷电极的电阻率减小、导电率增大，可在中性气氛的介质中（如氮气）进一步热处理。如图2.3.5表示了比重为6.0g/cm3（曲线1，1`），曲线1为热处理前,曲线1`为热处理后）、6.4g/cm3(曲线2，2`，含意同前)的相互关系。下表2.3.8列出了工作温度为20℃时，密度为5.6g/cm3、6.0g/cm3、6.4g/cm3氧化锡陶瓷热处理前后的电阻率。 表2.3.8 比重 5.6 6.0 6.4

图2.3.6 处理前后SnO2电极的电阻率

在低温区内(500℃～600℃)，热处理后的氧化锡陶瓷电阻率减小辐度很大，而在高温区内，则减少5倍。以比重为6.0g/cm3氧化锡陶瓷为例，20℃时电阻率减少300倍，500℃时减小5倍，800℃时几乎不变。由此可得出结论，比重大于6.0g/cm3的氧化锡陶瓷电极的电阻率热处理前后相差较大，热处理后较接近。这一点很重要，它可使不同比重的氧化锡陶瓷电极的电阻率经热处理后趋于相等。1300℃时电阻率，不大于0.01Ωcm。通过在惰性气体中加热和降温，可以大大地降低改性材料的电阻率(图2.3.6)。氧化锡电极的加工很困难，目前仅能生产块状或粗棒状的电极。 2.3.3氧化锡电极的化学性能 2.3.3.1 耐普通玻璃液的侵蚀性

电阻率 .cm (20℃时） 热处理前 3.2¡104 3.1¡102 11.6 热处理后 1.1¡103 9.3¡10-2 8.4¡10-2 71

由表2.3.7可知，氧化锡陶瓷耐侵蚀性能优于耐火材料，温度为1450℃时，氧化锡陶瓷耐侵蚀性能2倍于锆刚玉，4倍于刚玉。在1200℃时氧化锡电极耐钠钙玻璃侵蚀能力比电熔刚玉材料高1～2倍。耐无碱玻璃的侵蚀能力比电熔锆刚玉材料高4倍。 表2.3.7 材料 性能 比重(g/cm3 ) 气孔率(%) 试件的稳定性 容积变化% 氧化锡 AZS33 刚玉 6.51 3.88 3.68 0.94 1.93 5.5 11.6 24.5 47.6 侵蚀速度mm/d 0.21 0. -- 2.3.3.2 耐铅玻璃、含砷玻璃、含铁玻璃、含铜玻璃液的侵蚀性

与钼电极比较，氧化锡电极耐铅玻璃、含砷玻璃、含铁玻璃、含铜玻璃的侵蚀能力要好得多，因为PbO、As2O3、CuO和Fe2O3的电位高于钼，它会吸收钼电极中钼的电子而析出铅、铜、铁等元素，多余的钼又进入玻璃中，从而影响质量。一般当玻璃液中CuO含量多于0.05%，As2O3含量多于0.15%时（PbO的浓度更低）就不能使用钼电极，而氧化锡电极则能使用。氧化锡电极材料的抗侵蚀能力良好，在含PbO24%的熔融玻璃液的腐蚀下，侵蚀量小于1.5×10-3g/cm2.h，沿厚度侵蚀为0.007cm/d。

氧化锡电极适用于铅玻璃的熔制，但温度不得超过1350℃。因为超过这一温度，侵蚀率就大大提高。有效电极表面的电流密度负载不得超过0.5～0.7A/cm2，否则，侵蚀率同样会大大提高。

2.3.3.3 氧化锡电极在还原介质中在1100℃以上的高温下才挥发。 2.3.4 氧化锡电极的制造工艺 2.3.4.1 规格

(1)块状：230×115¡25mm，100×100×250mm等。

(2)棒状：φ30×300 mm，φ80×300mm。最大直径可加工成150mm，最长可加工成400mm。

2.3.4.2 二氧化锡电极的生产方法

氧化锡电极的加工很困难，目前仅能生产块状或粗棒状的电极。氧化锡电极可按注浆法和等静压法生产。用等静压法可以生产出较致密的电极砖。按两种方法制造的电极

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砖，都必须在较高的温度下进行烧结。SnO2的烧结性能很差，必须添加烧结辅助材料。

用注浆法生产出了φ30300mm，φ80300mm的SnO2电极，已在晶质玻璃电熔窑上使用。在SnO2料浆中加入了Au、Ag、Cu、Ca、Fe、Ni、Mn、Zn、Sb、As、Ta、Si等氧化物，目的是为了减小电阻率和增加比重。其组成为98%SnO2，1%PbO，0.8%ZnO，0.2%CuO，采用一般的陶瓷压制成型法，以10%的聚氯乙烯醇为粘接剂，做成200200100mm块状，在煤气火焰炉中1400℃10℃的氧化气氛中熔烧。

图2.3.7科哈特(Corhart)电极

另一家厂的配方是98%SnO2，1.0% Sb2O3，0.8% ZnO，0.2%CuO， 或99%SnO2，1.0 %MnO2。砖形电极用半干压法陶瓷工艺生产，用1%的聚乙烯醇做结合剂，压力为30～50t，在间歇式火焰炉内1400℃烧结。制造电极尺寸为200200100mm，21811875mm，19019095mm三种。 2.3.5几种常用的氧化锡电极

在氧化锡电极的发展过程中，出现过以下几种电极：

⑴ 科哈特(Corhart)电极。该电极是由科哈特公司设计的，电极结构见图2.3.7。

图2.3.8派纳来吹(Penelectro)电极

⑵ 派纳来吹(Penelectro)电极。该电极是由派纳来吹公司设计制造的，电极结构如图2.3.8所示。

⑶ 戴森(Dyson)电极。该电极是由戴森公司设计制造的，其结构见图2.3.9所示。

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图2.3.9戴森(Dyson)电极

图2.3.10 FH-T电极

图2.3.11 安装在窑上的FH-T电极

⑷ FH-T电极 在上述三种电极的基础上，英国KG公司首先用T-KTG材料制成了如图2.3.10所示的氧化锡电极，用在全电熔窑上来熔制铅晶质玻璃。图2.3.11是这种氧化锡电极安装在熔制铅晶质玻璃窑上的示意图。这种二氧化锡电极带有水冷的特殊“银接头”，它可以把电流直接带到氧化锡电极的高温部位。

图2.3.12 改进的FH-T电极

图2.3.13 加长的FH-T电极

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图2.3.14块状的氧化锡电极使用在料道上

近年来，人们对FH-T电极作了进一步的改进，其结构如图2.3.12所示。该电极使用高级的氧化锡材料，并在其热端部分加长。该电极仍带有水冷却的特殊“银接头”，其工作原理很简单，如图2.3.13所示。这样的FH-T电极使用周期预计可以大大延长。

⑸ 块状的氧化锡电极。二氧化锡可制成薄块状电极。图2.3.14是块状电极使用在料道中的结构设计。该电极在料道内不造成强烈的对流，而在料道内进行均匀加热，但其热效率低，电极损坏时需停炉进行维修。 2.3.6 氧化锡电极的安装和使用

图2.3.15安装氧化锡电极的典型窑炉的横截面

氧化锡电极可以直砌在池墙砖中。可以而且应该不作特别的冷却，因为只有在温度较高的情况下才会有良好的导电性，空气进入没有危险，并且必须保持应力极小。在这里，应采取特别措施，使电极砖与引电极的接触良好。伸出的电极包上一张银箔，并用夹子固定。另一种方法是，采用一根在工作温度下熔化的银棒。以后，当电极剧烈磨损到银棒外露时，这种结构就会出现麻烦。建议采用银箔，并将银箔夹在两个电极砖之间，或者放在电极和一个合适的锥形氧化锡电极砖之间。加热时，必须避免还原作用对氧化锡电极的影响。最好将玻璃粉覆盖在电极表面。这样，在加热期间，由于温度较高，就会形成一层对池墙砖起保护作用的釉。

图2.3.15是氧化锡电极的另一个应用实例。电极上有一个大的圆柱形孔，孔内塞有匹配的氧化锡塞头，塞头和电极之间有一张薄的圆柱形银箔。借助于银箔通过一块大的端板进行接触。端板同时可用来推入电极。 氧化锡电极使用时应注意以下事项：

75

⑴氧化锡电极的热膨胀系数较小，导热率高，因此它与一般陶瓷相比具有较高的抗热冲击能力。在相对密度相近的情况下，优于氧化铝瓷和氧化锆瓷。但是它与金属钼、铂和石墨比较是差的，所以在使用中必须控制升温速率，避免电荷突然发生大的变化，否则会引起电极碎裂。

(2)氧化锡电极对还原气氛敏感，遇到CO气体即被还原成Sn。一部分从玻璃液中挥发掉，另一部分扩散到玻璃液中污染玻璃，而且电极被腐蚀。因此在生产过程中，应避免与还原性气氛接触。设计和安装料道和电极时，氧化锡电极应全部浸没在玻璃液中，外壁用耐火泥封闭，对于新安装的电极，其表面务必先用碎玻璃覆盖保护，避免在烤窑

SnO+CO2。因此氧化锡电极只能安装在过程中与还原性气体接触。SnO2+CO液面以下。或在窑炉升温阶段，电极未进入玻璃液之前，必须保护炉内的氧化气氛，过氧量保持在4%以上。

（3）为了保证电极使用寿命，电极表面电流密度不宜太大，控制在0.7A/cm2以下。在料盆中使用时，由于料盆部位玻璃液搅动比较剧烈，有可能加速电极腐蚀速度，因此在保证供料机正常工作的情况下，建议把匀料筒转速适当减慢。

（4）玻璃液导电截面中电流密度超过临界限度时，局部过热导致玻璃液产生电解性冒泡，但是料盆部位的玻璃液由于匀料筒搅动，活动性强，因此玻璃的电流密度可以适当提高。

（5）在实际使用中有一个缺点，即侵损后的电极不能像棒状电极一样通过简单地推入就可以进行更换。电极块必须布置成这样一种形式，即使电极缩短，残余部分也能继续工作。在设计和安装时，应该注意到侵蚀对有效面积变化的影响尽可能小些。

（6）块状氧化锡电极适用于铅玻璃的熔制，但温度不得超过1350℃。因为超过这一温度，侵蚀率就大大提高。有效电极表面的电流密度负载不得超过0.7A/cm2，否则，侵蚀率同样会大大提高。如电流中断较长时间(>30分钟)，电极只可缓慢地重新承载，否则温度就会迅速升高，致使电极砖开裂。

（7）氧化锡电极常温呈高电阻，这一点与玻璃颇为相似。因此在开始起动时，料道必须先用燃料加热，让玻璃温度升至800℃以上可转换成电加热。温度低时，氧化锡的电阻相当大，增加了接头接触的困难，并使电极过热。

（8）抗热冲击性差，不能承受电流剧烈波动，增减电流应小心缓慢地进行。如电流中断较长时间(>30分钟)，电极只可缓慢地重新承载，否则温度就会迅速升高，致使

100℃ 76

电极砖开裂。二氧化锡电极要避免热冲击，窑炉升温时要小心谨慎，并且在控制系统中还应装有相应的单元，防止输入功率的剧烈变化，电流密度超过限度使电极损坏。

（9）在窑炉运行期间，绝对不允许中断电极极头的冷却水。 2.3.7 氧化锡电极的蚀损

图2.3.16表明了SnO2电极的化学腐蚀6

图2.3.16表明了SnO2电极的化学腐蚀，Na+首先移向阴极并获得电子，变为单质钠。钠和SnO2起反应生成Na2O和SnO。SnO是挥发性的，并移开电极表面，从而引起电极的腐蚀。在另一个电极上硫酸盐的反应是同样的，但对SnO2电极是无害的，因为SnO2与氧不发生化学反应。 2.4 硅碳棒电热元件 2.4.1硅碳棒的物理性能

图2.4.1 硅碳棒加热元件电阻率与电热体表面温度的关系

硅碳棒有无定形和晶体两种，熔点2227℃，使用温度为1400℃±50℃，硅碳棒元件质地坚硬,高温下不容易变形,具有良好的机械强度和冷热急变性能(见表2.4.1)。这种元件用在料道上方，占据空间要比二硅化钼加热元件小，它具有易于更换，高温下不会弯曲下垂等优点；同时元件不会破碎,不存在碎片掉进玻璃液内形成结石的危险。 表2.4.1 比重 抗弯强度 热传导率(Kcal/m.h.℃) 600℃ 1100℃ 1300℃ 比热(Kcal/kg℃) 800℃ 1200℃ 热容 77

3.19 500 16 14 12 0.29 0.33 0.7 硅碳棒的电阻系数很大，能承受较高的加热温度，硅碳棒加热元件在室温下很难测定其电阻。未烧结的硅碳棒，在室温至约650℃成负电阻特性（低温时其电阻与温度成反比），但约在800℃左右时特性曲线由负变正，因而在操作温度范围保持正电阻特性，硅碳棒加热元件的电阻温度特性曲线如图2.4.1所示，这一特点可以防止碳化硅电热元件因电压的骤增而烧坏。

硅碳棒元件额定电阻在1093℃的标定温度下测定。硅碳棒元件与许多普通金属加热元件不同,它不是按单位功率输出确定大小的,它将电能转变为热能的能力取决于炉内的环境温度和元件作业时周围的气氛。

元件是线型电阻加热器, 按焦耳定律:W=I2R的规律将电能转变为热能。 2.4.2 硅碳棒的化学性能

硅碳棒的主要成分为SiC 94.4% ,SiO2 3.6%,其余为少量的铝、铁、氧化钙等。 (1)与氯的反应。氯在600℃时分解SiC的表面层，在900℃～1000℃时则进行下列反应: SiC+2Cl2=SiCl4+C。

（2）与水蒸气的反应。SiC和水蒸气在1300-1400℃作用，但要到1775℃～1800℃才强烈地作用:SiC+2H2O=SiO2+CH4 ，因此必须隔绝水蒸气的侵入。

（3）与氧的反应。SiC在氧气中,在1000℃以下不被氧化，在1350℃时显著地氧化。在1350℃～1500℃之间形成SiO2；而SiO2在1700℃左右熔化,所生成的SiO2在熔化时覆盖在SiC的上面,阻碍SiC再继续氧化。

（4）与硫的反应。硫磺蒸汽仅在高于1100℃时和SiC作用。 （5）与氢的反应。含有大量氢的气体 ,在高温时会分解硅碳棒。

（6）与有些金属氧化物的反应。碳化硅和有些金属氧化物(带有碱性反应的物质,如碱、碱土、重金属的氧化物)作用，形成硅化物。低熔点的硅酸盐及硼酸盐在高温时对硅碳棒起破坏作用。

2.4.3硅碳棒的老化和涂层保护

硅碳棒老化是由于在高温下,空气中的O2 、CO2和水蒸气能强烈地促使硅碳棒氧化，生成玻璃态的SiO2薄膜，而SiO2的电阻率大，故使硅碳棒电阻增加。这层SiO2薄膜可以保护内层的SiC不再继续氧化，但在连续使用一段时间后由于SiO2薄膜与SiC的膨胀系数不同,当硅碳棒冷却时这层玻璃态薄膜破裂而暴露出新的SiC表面；当继续加热时,

78

这些新露出的SiC表面又继续被氧化，经过多次加热、冷却之后,硅碳棒的电阻越来越大,最后终于大到不能再使用了。

在使用60～80小时后，其电阻增加15%～20%，以后逐渐缓慢，这种现象称为“老化”。硅碳棒老化了就要降低电流，稳定增加电压。在正常气氛下，炉温在1400℃时，连续使用寿命可达到2000小时以上，间断使用为1000小时左右。炉温在1000℃以下,则使用寿命达5000小时之久。

由于棒作的不均匀，个别部位老化快，会很快损坏造成棒体断裂。因而在1450℃使用时寿命一般为6个月，使用这种元件的关键在于防止老化。防老化的主要办法是在发热端涂保护层。目前常用的保护层列于表2.4.2。 表2.4.2 碳化硅棒保护层 保护层 使 用 方 法 MoSi2 用15以下的 MoSi2悬浊液与铝硅酸盐玻璃混合后涂在发热体表面，而后烧结 ZrO2 以 ZrO2 为主，加入TiO2、Al2O3、Cr2O3等成分混合后涂在发热体表面，而后烧结 Al2O3 用铝溶液喷到热的发热体上，使其分解产生一层薄膜 采用二硅化钼涂层保护的原理是二硅化钼在高温下生成二氧化硅层。这二氧化硅层可以防止碳化硅的氧化和升华，因此可使寿命延长。具体做法是将200目以下二硅化钼粉与糠醛树脂调合后，涂在发热端。待干燥后即可安装。在通电升温至1400℃两小时后就可生成一层光亮的石英玻璃保护层，其抗氧化能力可增强一倍。 图2.4.2两端加粗的硅碳棒 2.4.4硅碳棒的规格与型号

硅碳棒一般做成两端加粗的形状,以避免两端过热。如图2.4.2。

碳化硅加热元件根据其直径做成棒状、管状或螺旋形。元件的中部是加热段称为热带，两端部分则称为冷端。冷端注入金属硅，以降低电阻,这样可使冷端在作业时处于低温。两端用铝包裹,使其接触表面具有较低的电阻。常用的国产硅碳棒加热元件的规格性能见表2.4.2。元件可制成3200mm以内的任意长度。 表2.4.2 两端加粗的硅碳棒 硅碳棒规格 6/60/75

发热部 长度 60 直径 6 冷端部 直径 12 全长 210 长度 75 ℃时 的电阻 2.2 79

6/100/75 100 6 75 12 250 6/100/130 100 6 130 12 360 8/100/85 100 8 85 14 270 8/100/130 100 8 130 14 360 8/150/60 150 8 60 14 270 8/150/85 150 8 85 14 320 8/150/150 150 8 150 14 450 8/180/60 180 8 60 14 400 8/180/85 180 8 85 14 350 8/180/150 180 8 150 14 480 8/200/85 200 8 85 14 370 8/200/150 200 8 150 14 500 8/250/100 250 8 100 14 450 8/250/150 250 8 150 14 550 12/100/200 100 12 200 18 500 1.1 12/150/200 150 12 200 18 550 1.7 12/200/200 200 12 200 18 600 2.2 12/250/200 250 12 200 18 650 2.9 14/200/250 200 14 250 22 700 14/200/350 200 14 350 22 900 14/250/350 250 14 350 22 950 2.2 14/300/250 300 14 250 22 800 14/300/350 300 14 350 22 1000 14/400/250 400 14 250 22 900 14/400/350 400 14 350 22 1100 14/600/250 600 14 250 22 1100 14/600/350 600 14 350 22 1300 18/250/250 250 18 250 22 750 18/250/350 250 18 350 22 950 18/300/250 300 18 250 22 800 18/300/350 300 18 300 22 1000 18/400/250 400 18 400 22 900 18/400/350 400 18 400 22 1100 18/500/250 500 18 250 22 1000 18/500/350 500 18 350 22 1200

80

18/600/250 18/600/350 18/800/250 18/800/350 25/300/400 25/400/350 25/400/400 30/1000/500 600 600 800 800 300 400 400 1000 18 18 218 18 25 25 25 30 250 350 250 350 400 350 400 500 22 22 22 22 38 38 38 45 1100 1300 1300 1500 1100 1100 1200 2000 1.1 2.6 2.4.5硅碳棒的电气联接

图2.4.3 铝编织扁带外形示意图

为了使高温环境下工作的硅碳棒电热元件与电气设备连接良好，又要便于装接和拆卸，加快检修及更换元件的速度，硅碳棒管脚采用铝编织扁带绕接，并用“Ω”形弹簧夹夹紧,这样安装和拆卸十分方便。铝编织扁带外形示意图如图2.4.3。 2.4.6硅碳棒使用的注意事项

⑴为了使每支硅碳棒都能处于正常而理想的工作状态，安装前对整批硅碳棒测定其电阻值，将其分类，电阻值相近的装在同一调整区，使之工作电源相近。

⑵为了检验每支硅碳棒电热元件是否良好工作，通电试验时可用钳形电流表逐一测定电流。同一区域在相等的电压下要求电流相近，偏差不超出10%，如果个别电流太大就说明阻值太小。如果电流太小，不是阻值太大就是管脚按触不良。如果没有电流可能是硅碳棒电热元件已断裂，应进一步检查更换。

（3）硅碳棒电热元件质脆易断，特别在带螺纹位置最为脆弱，安装要特别小心，轻拿轻放，安装时要特别注意绝不允许单边受力，必要时应用耐热钢管套住硅碳棒轻轻推入然后拔出钢管套，安上护套固定好。

（4）为防止硅碳棒电热元件与上部结构的耐火材料互相影响，各个元件的管脚均用陶瓷纤维套管绝缘，陶瓷纤维套管不但起着电气绝缘的作用而且还起到固定硅碳棒的作用。

（5）在窑炉中使用硅碳棒，操作温度可达1700℃。在还原性气氛下,其最高操作温度为1350℃。碳化硅加热元件的寿命一般为1～2个月，最多达到3个月。

81

（6）料道中使用的硅碳棒，为了延长硅碳棒加热元件的寿命。可改进料道上部结构，用挡砖将料道与工作池隔开,严格控制料道气氛。

（7）减少使用温度的影响。碳化硅元件的老化速度与使用温度成正比，使用温度越高，老化越快，其寿命越短。

图2.4.4 允许表面负荷与炉膛温度关系

（8）通过调整加于硅碳棒元件的电力负荷，降低表面负荷密度。如采用较小的负荷和较低的表面负荷密度，窑内温度虽高，也可以保持相当长的寿命，这可通过改变硅碳棒元件的安装支数，或改变元件的规格，以调节发热表面的大小来实现。表面负荷密度与炉膛温度成反比(见图2.4.4)，炉膛温度越高，允许表面负荷密度越小;超负荷使用会引起碳化硅元件过热分解导致发热部表面脱落、烧损。为确保元件寿命，切忌让电热元件在超负荷条件下使用,一般其值控制在6～8W/cm2。

（9）硅碳棒电热元件使用一定时间后，由于电阻值增大，需要提高电压，用以补偿电阻增加的损失，因此需要变压器有一定的电压调节范围；对于连续运行的窑炉和料道，电压调整范围为0.7～2.5V(V是指硅碳棒元件初期使用的电压)。通过增压调节，可以延长碳化硅元件的使用寿命。

（10）硅碳棒元件的接线方法，可采用并联、串联、角形、星形以及其它形式的接线方式;但是并联优越于串联，并联可以调节负荷不平衡的因素，而多支串联则加重了不平衡的因素，提高了工作电压。为了延长硅碳棒元件的寿命、保证安全使用，应避免采用多支串联。

（11）硅碳棒碎片落入玻璃液中会造成气泡，这是由于碳化硅有强还原作用，会与

82

溶解于玻璃液中的气体和玻璃组分起化学反应。因此残缺的硅碳棒碎片必须设法取出，但一般情况下碳化硅棒只会断裂不会破碎。

（12）窑炉气体内含有大量硫、钠、硼等氧化物，会与硅碳棒起强烈反应，几天之内就会使整个棒体发胖而损坏。使用硅碳棒发热体时，料道必须与工作池火焰空间完全分隔。一般料道中因挥发含量低，对其影响甚小。 2.5二硅化钼发热元件

如图2.5.1，二硅化钼是一种U型的发热元件，耐高温，抗氧化。高温下表面生成一层石英玻璃膜，保护制品不再氧化。不老化，电阻不随使用而改变。耐腐蚀，化学稳定性好。耐温度急变性好。在氧化气氛下的最高工作温度1700℃，抗弯程度45kg/mm2，产品呈U字形，发热端直径有6mm和9mm两种，相应接线端直径12mm和18mm。也可按用户要求加工不同形状、型号的二硅化钼元件。二硅化钼产品常温下质脆，运输和

安装方法需仔细合理。

2.5.1硅钼棒的理化性能

（1） 硅钼棒的理化性能

硅钼棒的理化性能见表2.5.1。 表2.5.1

体积密度(g/cm) 5.5 （2）高温抗氧化性。

氧化气氛下，高温烧成的硅钼棒元件的表面，生成一层致密的石英(SiO2)保护层以防止MoSi2继续氧化。当元件温度大于1700C，熔点为1710C的SiO2保护层熔融，由于表面的张力的作用，SiO2熔聚成滴，而失去保护作用。元件在氧化气氛下，再继续使用时，SiO2保护

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3抗折强度(kg/cm) 维氏硬度(kg/mm) 吸水率 热伸长率 15～25 (HV)570 7.4% 1.2% 22层重新生成。

必须指出的是硅钼棒电热元件不宜在400C ～700C范围内长时间使用。否则元件会因低温的强烈氧化作用而粉化。

不同气氛对元件实用温度的影响见表2.5.2。

表2.5.2 气氛 NO2、CO2、O2、空1700C 气 He、Ar、Ne SO2 CO、N2 湿H2 干H2 1650C 1600C 1500C 1400C 1350C 元件使用温度（1700型） （3）电阻特性

图2.5.2 电阻---温度曲线

硅钼棒元件的电阻率随着温度的升高而迅速增加（见图2.5.2）。在正常操作情况下，元件电阻一般不随使用时间的长短而变化。因此，新旧元件可以混合使用，根据炉子的结构、气氛和温度正确地选择元件的表面负荷是达到最长使用寿命的关键。图2.5.3示出发热元件辐射在不受阻碍情况下的炉温、元件温度与表面负荷间的关系，阴影部分为常用的表面负荷-温度范围。

2.5.2安装方法

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图2.5.3 表面负荷

(1)垂直悬挂。硅钼棒元件常温下脆性很大，高温时又有可塑性。所以“U”字型元件的最好安装方法是垂直悬挂，通过支撑夹头将元件垂直悬挂于炉顶上。这样安装的目的就是避免将机械应力加到元件发热端上，否则容易引起元件断裂。

(2)支撑夹头。支撑夹头分别用于直径9/18mm和直径6/12mm两种元件。整个元件的重量都是由支撑夹头承担，元件的位置也由它决定。因此，必须仔细安装，保证元件垂直悬挂。为避免局部过热，元件下端圆锥部分一定要伸到炉膛内。

(3)导线夹头。接触硅化钼元件的导线采用铝编织线或多层铝箔。外面的钢板只起夹紧作用，不用来导电。直径6/12mm元件须用单排，而直径9/18mm元件采用双排。导线的末端与母线联结。为了避免应力传到元件上，导线应略大于元件和母线间的直线距离。安装元件时夹头上的螺丝不要一次拧得太紧，待元件升到高温时再次拧紧，因为这时元件有一定塑性不易折断。夹头部分温度一般不要高于200C。因此，夹头导线与元件接触电压应降低0.1V。为避免辐射热传到夹头，夹头下端和孔砖上面的距离不应小于50mm。为了避免损坏，一般直径6/12mm元件不能长期使用170A，直径9/18mm元件不能长期使用300A。

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图2.5.4 硅钼棒元件的安装图

2.5.3使用要点

(1)窑炉的干燥。新砌筑或长期不用的炉子在使用前需要干燥。一般干燥温度为100°C ～200°C，而元件长期在低温下使用将会引起低温氧化。小型炉子干燥时间短，几个小时对元件影响不大，大型炉子干燥时间长，需要注意。为了通风，最好将炉门打开，随着温度升高可以半开，到1000°C以上完全关闭炉门。

(2)窑炉的启动。如果炉子干燥好了或不需要干燥就要启动升温。为了避免过大电流冲击而

使电器设备过荷，应采用下表2.5.3步骤启动： 表2.5.3

小型炉子（功率<100kW） 炉温 20～150 150～500 500～工作温度 电压 1/3工作电压 2/3工作电压 全工作电压 大型炉子（功率100～500kW） 炉温 20～300 300～700 700～工作温度 电压 1/3工作电压 2/3工作电压 全工作电压 在换档时不能时间太长，一般元件温度不能下降300C～400C，否则，容易引起电流冲击而损坏电器设备

(3)元件的更换：在操作过程中发现元件损坏应首先确定位置，同时准备好

组合元件。然后将损坏的元件夹头导线与母线连结的螺丝松开，清理开陶瓷棉，连孔穿砖一起拔出来，再将新组合元件从炉顶插入，连结好导线，堵好陶瓷棉即可升温。

（4）使用温度:这种发热体在使用温度超过1250℃时必须垂直安装，如水平安装则会发生弯曲变形。但在料道中垂直安装需很大的空间，因而造成大量热损失，所以一般应水平安装。为防止其弯曲变形，料道温度不能超过1250℃。

（5）电阻值小。二硅化钼发热体电阻值很小，因此使用时即使几支串联，也需要较大的电流、较小的电压，才能达到额定负荷。这虽然比较安全，但会造成母线上电量损耗较大。因此其变压器要尽量靠近发热体。

（6）寿命较长。二硅化钼在高温下表面会产生一层二氧化硅保护层，因而基本上没有老化问题，在连续使用中寿命可达几年。但更换料盆停电降温时必须快速冷却到1000℃，而后缓冷降温，以防石英保护层开裂或脱落。如石英保护层损坏，使用寿命会大大降低。

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2.5.4 1700型硅钼棒元件参考数据见表2.5.4和表2.5.5 表2.5.4 1700型硅钼棒元件参考数据--直径6/13mm

热端(mm) 150 冷端(mm) 868 150 0.044 6.2 882 200 0.045 6.3 924 250 0.047 6.6 924 270 0.047 6.6 938 300 0.048 6.7 980 1120 350 0.050 0.057 7.0 1022 400 0.052 7.3 1162 0.059 8.3 1176 450 0.060 8.4 8.7 1260 0.0 9.0 1274 0.065 9.1 10.4 1484 0.076 10.6 1512 0.077 10.8 12.0 1722 0.088 12.3 1750 0.0 12.5 13.7 1960 0.100 14.0 1974 0.101 14.1 15.4 2198 0.112 15. 2214 0.113 15.8 17.1 2436 0.124 17.4 2450 0.125 17.5 18.8 2660 0.136 19.0 2688 0.137 19.2 20.4 28 0.148 20. 2926 0.149 20.9 22.1 3136 0.160 22.1 3136 0.160 22.1 0.062 0.074 0.086 0.098 0.110 0.122 0.1 0.146 0.158 994 0.051 7.1 1022 0.052 7.3 10 0.0 7.6 10 0.055 7.7 1092 0.056 7.8 1092 0.056 7.8 1120 0.057 8.0 1162 0.059 8.3 1162 0.059 88.3 1176 0.060 8.4 1218 1330 0.056 11.2 1358 0.069 9.7 1386 0.071 9.9 1386 0.071 9.9 1414 0.072 10.1 1456 1806 0.092 12.9 1582 0.081 11.3 1624 0.083 11.6 1624 0.083 11.6 1666 0.085 11.9 1680 1820 0.093 13.0 862 0.95 13.3 1862 0.95 13.3 1876 0.096 13.4 1918 2058 0.105 14.7 100 0.107 15.0 2100 0.107 15.0 2114 0.108 15.1 2156 338 0.119 16.7 2338 0.119 16.7 2352 0.120 16.8 2394 2562 0.131 18.3 2562 0.131 18.3 2576 0.132 18.4 2632 2828 0.144 20.2 2856 3052 0.156 21.8 3094 180 200 250 300 350 400 450 500 550 600 87

15 500 0.079 11.1 1820 550 0.093 13.0 1848 600 0.094 13.2 2352 650 0.120 16.8 2604 700 0.133 18.6 1778 0.091 12.7 2058 0.105 14.7 2072 0.106 14.8 2590 0.132 18.5 2842 0.145 20.3 2016 0.103 14.4 2296 0.117 16.4 2310 0.118 16.5 2828 0.144 20.2 3108 0.159 22.2 22 0.115 16.1 2534 0.129 18.1 28 0.130 18.2 3052 0.156 21.8 3318 0.169 23.7 2492 0.127 17.8 2744 0.140 19.6 2786 0.142 19.9 3290 0.168 23.5 2730 0.139 19.5 2982 0.152 21.3 3024 0.1 21.6 29 0.151 21.1 3220 0.1 23.0 3248 0.1 23.2 3192 0.163 22.8 注：表中第一行是功率W，第二行是热电阻（欧姆），第三行是工作电压V。元件温度1500C，表面负荷12.5W/cm，元件热端温度TR=1625，元件的冷端温度TL=800，电流I=130A。

2

表2.5.5 1700型硅钼棒元件参考数据--直径9/18mm

热端 150 冷端 1350 1550 1675 2025 2375 2725 3050 3400 3750 0.02250 16 5.4 48 6.2 68 6.7 24 8.1 79 9.5 36 10.9 88 12.2 44 15.0 13.6 3800 0.0608 15.2 3825 16.4 17.7 19.1 20.5 21.9 1375 1600 1725 2075 2425 2750 3100 3450 0.02300 2 5.5 350

180 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 8004100 4425 4775 5125 75 5800.060.06 56 08 19 76 0.070.070.080.080.020.020.030.030.040.040.050.092823.24125 4475 4825 5175 5500 5850.066 16.5 0.0716 17.9 0.0772 19.3 0.0828 20.7 0.088 22.0 0.0256 6.4 0.0276 6.9 0.0332 8.3 0.0388 9.7 0.044 11.0 0.0496 12.4 0.0552 13.8 0.093623.41425 1625 1775 2125 2450 2800 3150 3500 4175 4525 4875 5200 5550 59088

0.0228 5.7 1475 0.026 6.5 1675 0.0284 7.1 0.034 8.5 0.0392 9.8 0.0448 11.2 0.0504 12.6 0.056 14.0 0.0612 15.3 3875 0.0.620 15.5 3925 0.0628 15.7 4300 0.0688 17.2 4700 0.0752 18.8 4750 0.0668 16.7 0.0724 18.1 0.078 19.5 0.0832 20.8 0.0888 22.2 0.094423.61825 2150 2500 2850 3200 3525 0.020.0292 68 7.3 0.0344 8.6 0.0400 10.0 0.0456 11.4 0.0512 12.8 0.05 14.1 4225 4575 4900 5250 5600 5950.0676 16.9 0.0732 183 0.0784 19.6 0.0840 21.0 0.06 22.4 0.02400 36 5.9 0.095223.81725 1850 2200 2550 2900 3225 3575 0.02450 76 6.9 96 7.4 52 8.8 08 10.2 11.6 16 12.9 72 14.3 0.020.030.040.040.050.0275 4600 4950 5300 5650 5950.0684 17.1 0.0736 18.4 0.0792 19.8 0.0848 21.2 0.0904 22.6 0.095623.91900 2250 2600 2925 3275 3625 3975 0.03500 04 7.6 6 9.0 16 10.4 68 11.7 24 13.1 8 14.5 36 15.9 0.030.040.040.050.050.0650 5000 5350 5675 6025 0.0744 18.4 0.0808 20.0 0.0856 21.4 0.0908 22.7 0.09 24.1 2300 2625 2975 3325 3675 4000 4350 0.03550 68 9.2 2 10.5 76 11.9 32 13.3 88 14.7 4 16.0 96 17.4 0.040.040.050.050.060.065050 5375 5725 6075 0.0808 20.2 0.086 21.5 0.0916 22.9 0.0972 24.3 2325 2675 3025 3375 3700 4050 4400 0.03600 72 9.3 28 10.7 84 12.1 4 13.5 92 14.8 48 16.2 04 19.0 17.6 5125 0.0820 20.5 5175 0.0820.040.040.050.050.060.070.076 5075 25 5775 6125 0.0812 20.3 0.0868 21.7 0.0924 23.1 0.098 24.5 2725 3075 3400 3750 4100 4450 4775 0.04650 36 10.9 700 0.040.040.050.060.060.070.0792 12.3 44 13.6 0 15.0 56 16.4 12 17.8 19.1 0.040.050.600.060.070.0775 5825 6150 0.0876 21.9 0.0932 23.1 0.0984 24.6 2775 3100 3450 3800 4150 4475 4825 5525 5850 6200 0.080.090.09

44 11.1 96 12.4 52 13.8 08 15.2 16.6 16 17.9 72 19.3 8 20.7 5225 0.0836 20.9 5250 84 22.1 36 23.4 92 24.8 0.1 0.1 3150 3500 3850 4175 4525 4875 0.05750 04 12.6 6 14.0 16 15.4 68 16.7 24 18.1 8 19.5 0.050.060.060.070.075550 5900 0.0888 22.2 0.0944 25.0 23.6 3200 3550 3875 4225 4575 4925 0.05800 12 12.8 68 14.2 2 15.5 76 16.9 32 18.3 88 21.0 19.7 0.050.060.060.070.070.084 5600 5950 6300 0.06 22.4 0.0952 23.8 0.1008 25.2 注：表中第一行是功率W，第二行是热电阻（欧姆），第三行是工作电压V。元件温

度1500C，表面负荷12.5W/cm2，元件热端温度TR=1625，元件的冷端温度TL=800，电流I=238A。 2.6石墨电极

1—石墨电极；2—玻璃液；3—玻液表面； 4—池墙；5—不锈钢管套；6—焊接水冷套； 7—冷却水入口；8—冷却水排放口

图2.6.1 水冷石墨电极水套

上个世纪40年代前采用的是石墨电极。石墨电极的比重小，破碎后不会下沉，浮在玻璃液面上，便于捞取。石墨电极有较高的机械强度，尤其在高温下耐用。常采用水平式安装，通过电极孔砖插入窑内，约在玻璃液面下25cm，在窑池内引起对流效应，石墨电极采用水套冷却。使用中存在如下缺点：①接触电阻大，电极表面负荷只有0.1～0.3A/cm2，所以电

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极直径通常做得较大；②会使玻璃中某些金属氧化物还原而造成金属沉积，可能在石墨电极上产生多种碳化物，从而改变玻璃的颜色。因此石墨电极不能用于熔制硼硅酸盐玻璃、颜色玻璃和铅玻璃；③发泡倾向强烈；④使用寿命短，仅为4～12个月。在发明钼电极之前，石墨是主要的电极材料。石墨电极的密度为1.6×10-3kg/m3。石墨电极容易使玻璃着色，只能用于具有还原能力的玻璃(如棕色玻璃)。目前，仅在个别的电熔窑中仍采用石墨电极。

石墨电极不易被玻璃浸湿，所以具有很高的接触电阻，必须保持低电流密度或高频率，以防止发弧。这种发弧效应使二氧化硅还原成细分散状的硅，它也能被氧化的玻璃侵蚀。石墨的另一个缺点是：为了冷却伸出窑体外的部份，须耗损大量的热能。

石墨电极的特点是：①导电系数大；②抗氧化强度高(开始氧化的温度高于500℃)；③热态下的机械强度较高；④机械加工性能良好。

9—窑墙中温度分布；10—电极和池墙间的玻璃液的温度分布；11—管套和池墙间玻璃液的温度分布

图2.6.2 池墙内、电极和池墙间缝隙中的玻璃液、套管和池墙间玻璃液的温度分布曲线。

图2.6.1表示一水冷石墨电极水套。玻璃受不锈钢管5冷却，实际是水套6的内管的延伸部分。水套被紧固在圆形支座9上(图2.6.2)，支座9使电极支架与窑墙保持适当的距离。池墙上的孔洞直径D2比电极直径D1大10到20mm。熔化的玻璃填充到它们的缝隙处并将电极封装在孔洞内。图2.6.2表示池墙内的温度分布曲线，电极和池墙间缝隙中的玻璃液的温度分布曲线及套管和池墙间的玻璃液的温度分布曲线。石墨电极的直径大约在120～220mm，所以水套与池墙上的孔洞直径的大小也必须与之相应。

也有采用不锈钢制作密封套及空气散热片，省去了惯用的水冷却套，从而使成本大大下

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降，降低了制作电极设备的技术要求，安装操作的难度也降低。 2.7 铂电极

若对玻璃的质量要求很高(如光学玻璃)，则采用铂或铂—铑合金制成的电极。使用交流电(50Hz)时，铂会发生具有破坏性的胶质溅射，建议采用10kHz的中频，在这个频率范围内不出现溅射。铂受侵蚀的根本原因是玻璃液内存在具有还原作用的金属，铂电极的耐热性比较强，采用上述中频时，可使用最大的电流密度为2A/cm2。由于铂的成本较高,一般仅在直接加热电极处使用，其余部位均用其它材料代替。频率使用得当，侵损量就很小，尽管价格较高，但使用下来还是很经济的。

铂是抗氧化的，但由于它对玻璃的接触电阻较高，所以必须保持低的电流密度或高的频率以防止铂金属溅入玻璃中。如果发生溅射，玻璃便会呈现雾状。铂的缺点是价格高，同时为了防止因再结晶化而失效，须支付可观的维护费用。 2.8冷却水系统

在电熔化装置中，冷却水套非常重要，它能保护钼电极在高温时免受空气的氧化，能延长氧化锡电极的寿命，并对电极起固定和电气绝缘的作用。

冷却水系统一般是双泵系统，包括贮水池净化和软化水设备及断水时的报警系统。 可靠的冷却水供应对于电熔化加热装置的安全和连续操作十分重要，一般采用双联泵，每台水泵都能充分供应系统的全部需要水量，还必须配备一个蓄水池和水软化或净化设备，必要的地方还需装备一个封闭的循环冷却系统。为了补偿系统中水的损耗，通常要加一个浮阀恒定水位，但其量是很小的。

水套的水冷却是电极装置不可缺少的部分。作为冷却用的水必须是软水，其硬度不应超过50ppm，这点极为重要，特别对钼电极水套，冷却水的通道仅有一个很狭窄的横断面，硬水所形成的水垢会很快妨碍水管中的水流，假如用的水不干净，还会使管道淤塞。至少每分钟有8升的水要流过钼电极水套。排出水套并积存在储水箱中的水温不应超过30℃。如果超过此温度，水必须冷却，好在冷却塔中进行(见图2.8.1)。由于冷却水必须是软化水，所以应当采用闭环冷却系统，蒸发的水和其它方面的耗水用软化水补充。管路中要设置离子交换器(图2.8.2)，却水在进入水套以前至少要有2kg/cm2的压力，因而管路中还要装设离心泵。当电源出现故障或停电的情况下，水箱内的备用水能确保水套的冷却水不会中断。水套流出的热水经过出水管进回水管流到储水箱，水箱最少应能容纳3m3的水。从水箱排出的水应清澈可见，此外，还应经过接点流量指示器的敏感元件，当通过水套的冷却水一旦出故障，就立即发出声、光信号。

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冷却水流过的管子最好是铜质的，以防止因腐蚀而使水污染。管子内的阻力应小，因此，对排水管的直径至少应为1.3cm，对进水管的直径通常最少应为0.95cm。

管道系统设有清除固体杂质的过滤器。为了检查冷却系统的工作，管路中还装有流量计、温度表和压力表。启动冷却水系统前，储水箱要充以软水或经过软化处理的水；然后将水用离心泵打到冷却管路。通过软化管路的水，在循环后，它的硬度应受到检测。若发现水太硬，应让它继续循环直到它的硬度满足要求为止。水的酸度(pH)的调节测量也很重要，因为酸度增加，水的导电率上升会产生不希望有的漏电流现象。

铜管通过大约一米长的橡胶软管接到水套的进水管，如果水质适合上述要求，通常橡胶软管具有足够的绝缘性能。对全部冷却管路的调整检查和维护是非常重要的。检查包括温度、压力和流过系统的水量。隔一段时间，还要检查水的酸度和硬度。控制仪表的运行情况也要检查，例如，仪表对水压降低和水套流出的水中断是否发出信号。通过周期性检查来监督全部管路的状态，特别是监督橡胶软管的紧密程度和沉淀箱的清洁度。冷却管路系统见图2.8.1。

水从进水管1抽入，经流量计2到软化处理装置3，再从此流到水箱4，然后又从水箱经过过滤器5，用泵6(在泵6出现故障时用配用泵6a)抽取，经流量计7、阀8和配水器9到电极水套10。热水从这些水套排入集水箱11，再从这里引到冷却塔12，然后回到水箱4。在电源出现故障的情况下，备用水可用事故切换阀13送入管路，再通过软化处理装置14进到配水器9，然后从那里经过阀19进入电极水套10，热水从这些水套仍排到集水箱11。

冷却水管路的另一种布置方案如图2.8.2所示，它适用于有现存软水可利用的场合。

软水从管道1打入，通过过滤器2过滤，流到储水箱3，从这里用泵5抽取，通过冷却器6和过滤器7进入电极水套8。然后热水从水套排出经过接点流量指示器10回到水箱3。电源出现故障时，冷却水由水箱11供给。

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1—供水管；2—流量计；3—水软化装置；4—水箱；5—过滤器；6—泵； 6a—配用水泵；7—流量计；8—旁通阀；9—配水系统；10—电极水套； 11—集水箱；12—冷却塔；13—事故备用水源；14—水软化装置； 15—压力继电器；16—压力表；17—浮阀；18—温度计；19—针形阀

图2.8.1 带有水软化处理装置的冷却管路

1—软水供应管；2—压力过滤器；3—3m3储水箱；4—排水管；5—泵；6—管式热交换器；7—过滤器；8—电极水套；9—从水套排出冷却水的出水管；10—流量计；11—水箱；12—水源

图2.8.2 冷却水管路

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3 供电与控制

玻璃的熔化、均化和玻璃液温度的稳定是保证正常生产的关键设备之一，供电是提供热量的前提，控制供给热量的多少是保证生产过程中玻璃熔化、均化和玻璃液温度稳定的手段。为此，本章围绕全电熔、电助熔、料道电加热等不同供热方式和热量及温度的要求，分别进行介绍。

供热量的控制方法被简化成供电量的控制方法，物质特别是玻璃液的实测温度是控制供热的依据。本章以供热量为控制目标，来介绍供电量的控制，并把玻璃液温度检测和控制系统提到一定的高度。

供电量控制主要是通过控制电流和电压来实现的，以及延伸出来的功率，这种控制是与温度紧密相联的。

根据供热量来调整电压或稳定电压，另加隔离作用，所以采用变压器是一种基本选择，进而引出了各种类型的变压器；另外调压也可以采用可控硅元件，再加隔离作用引出了可控硅元件+隔离变压器。

常用于玻璃电熔的供电装置有下述几种：①可控硅+隔离变压器，②可控硅+磁性调压器，③感应调压器+隔离变压器，④抽头变压器，⑤T形变压器。 3.1 供电及控制系统 3.1.1 可控硅+隔离变压器

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图3.1.1 可控硅+三相隔离变压器

其原理见图3.1.1，一般为单相控制，用于硅碳棒热元件或浸入式电极均可，若用于三相，既可用三个单相变压器各自调节，也可用一个三相可控硅控制系统带一个三相变压器。其优点为设备轻便，价格便宜。可控硅多使用调功器的过零（间断式全波）触发。但在浸入式电极中不常用，因为短促而高幅的一组组正弦波易使电极表面产生气泡。在钼电极或氧化锡电极的输电系统中，尽量采取连续的交流波加热。

该方案在用于浸入式电极时要注意：

(1）由于其输出波形仍有少许间断，其前沿为突跳状,所以应加整形设备，例如电抗器，以使波形较为平缓，同时亦较为连续。

图3.1.2 单相磁性调压器接线原理图

(2)由于可控硅元件的离散度而可能使变压器二次侧上下波形不对称，由此产生的直流分量既可能导致电解而产生气泡，还可能加速电极的侵蚀。所以一般应在变压器二次侧辅加直流成分检测装置，并将信号反馈给控制装置。 3.1.2 可控硅+磁性调压器

（1）可控硅+磁性调压器工作原理：单相、三相磁性调压器都是一种没有机械传动无触点的调压器，可以带负载平滑无级调压，电压的调节是一由直流励磁来控制的，可以开环手控，也可以按不同的信号实现闭环自控，它是自动控制系统中一种新型的执行元件。

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图3.1.3 三相磁性调压器接线原理图

图3.1.4 三相磁性调压器自动控温典型方框图

如图3.1.2单相磁性调压器是饱和电抗器与变压器的有机结合，它是通过直流控制、直流改变电抗器铁芯的磁导率来调节的，其结构类似于一般电力变压器，主要是由铁芯、线圈(变压器初、次线圈B1B2各两个，饱和电抗器工作线圈G及直流控制线圈K各二个)两部分组成。如图3.1.3三相磁性调压器是由饱和电抗器和变压器两部分组成，原理类似于单相磁性调压器。其结构上部是一个三相变压器，下部采用六只铁芯式饱和电抗器。磁性调压器兼有变压和调压作用，它主要用于高压输入、低压大电流输出的调压场合，由于它又具有理想的下坠外特性，因此，它可以用作恒流负载电源，对那些负载容易短路的场合尤为适用。

直流线圈的直流电流，可以利用接触调压器通过桥式整流获得，也可用可控硅整流器获得，并可实现自动控制。图3.1.4为单相、三相磁性调压器自动控温的典型方框图。

图3.1.5 磁性调压器

（2）磁性调压器或饱和电抗器加变压器的方案见图3.1.5。由图3.1.5可知，它的调压原理就是控制可变电抗值的XL值。由于玻璃液是电阻性负载，通过隔离变压器折算后仍为电阻性负载，所以，其等效电路如图3.1.6。变压器上分得的电压为:

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U2=U1

RXR，通过逐渐加大电抗器直流绕组的电流可使电抗器接近饱和，即XL→O，

此时变压器输出电压最高。显然，当直流绕组的电流为零时，变压器输出电压最低。并且通过上式可知，变压器电压的调节是非线性的,不过在电加热料道中,这不会给使用带来不便。

图3.1.6 磁性调压器等效电路

由于玻璃熔液的电阻随温度升高而减小，因而在变压器和电极之间连接磁饱和电抗器是合理的。磁饱和电抗器起稳定电极间电流的作用。当磁饱和电抗器与电极串连时：

UR2222I=RX，电极间放出的功率I2R变为：P=RX，当电极的电流升高(例如由于熔化

U2温度增高)则磁饱和电抗器上的压降(XI)增加，从而电极间的电压减小。但是在电极间使用磁饱和电抗器反过来会影响cosφ，所以可选用带有很多控制级段的变压器，它可实现较为精细的电压控制。具有抽头的变压器与磁饱和电抗器串连也可用作交流电的电压控制。各个变压器初级电压由饱和电抗器控制，即加到各个变压器初级绕组的电压通过选择饱和电抗器的控制电流来调节，手动或自动控制均可。

（3）磁性调压器在选择和使用中应注意以下几点:①其标称额定功率应比设计功率大10%,即必须考虑电抗的压降。②磁性调压器一经送电，即有一个较低电压(空载时，这个电压接近额定电压)，并产生一个初时功率。对初时功率的设计要求将影响到制造成本，初时功率愈小，则造价愈高；反之则低。所以，凡使用磁调器的电加热料道，应针对工艺要求，预选确定每一区(或组)电极的最低功率，再折算出最低起调电压。③由于磁调器中使用了电抗器，其输出波形将不是标准正弦波，不过，虽有畸变，但上下波形对称，与移相可控硅相比，其波形从工艺角度看，属无风险方案。④图3.1.5中方案是手控方案,如将接触式调压(一般小于1 k VA)改为移相式可控硅进行调压,则可以很方便地实现自动控制。⑤磁调器输出电压与控制电压相比，有数秒钟的滞后时间，在进行自动调节时，其控制单元应有较大的积分环节。⑥与可控硅方案相比，磁调器成本高，占

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地大，但可靠性高，维修量极低，很适合玻璃厂的粉尘较大、温度较高的环境。

磁性调压器的优点是波形虽有畸变，但连续，能连续调压并可配上任何方式的自调，设备故障率极低，在炉龄期内不需检修；不足之处是成本高、笨重、占地面积大。从减小设计风险角度上看，使用这类设备较好。

图3.1.7 简单的三相感应变压器

3.1.3 感应调压器+隔离变压器

图3.1.7所示的是简单的三相感应变压器。感应调压器+隔离变压器这种形式的可控交流电压供电装置作为玻璃电熔化的电源，它的效率比抽头变压器稍低，但是它的最大优点则是具有连续调节电压的可能性，并因此可应用最简单的自动控制系统。为了与电熔窑配合使用，常采用双绕组，它在调节电压时如同单绕组一样，不会改变相位。

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图3.1.8 双绕组的三相感应变压器

绕组的两个输出端引出接到接线端板上，这样只要利用外部接线就能像自耦变压器一样连接双绕组感应变压器，如图3.1.9。

如果将感应变压器的次级绕组分开，作为三个带有相同电流负载的相电压的电源用，这时可以接成三种接法：①当次级绕组如图3.1.8中 “III”所示的接法。此时变压器 U输

出

=U次级 和 I输出=I次级 ②当次级绕组如图3.1.8中所示的Y形连接时，此时变压器U输出=U次

级

3和I输出=I次级 ③当次级绕组如图3.1.8中所示的Δ型连接时，此时变压器U输出=U次级和

I输出=I次级3。

图3.1.9 次级绕组连到初级绕组作 为自耦变压器的双绕组的三相感应变压器

感应调压器配隔离变压器的方式现在很少采用。某厂曾用过如图3.1.10的方案。该方案虽可使电压从零伏调起，但调压器容量需大于变压器容量，由于设计原理所限，调压器功率因素总是小于变压器，所以被迫使用大量昂贵的补偿电容，成本加大且电容本身又要耗散部分有功功率。例如：从熔化工艺角度看，电助熔设备并不需要投入过低的功率，如日出料为

100

15吨的小型硼硅玻璃电助熔窑炉中，运行中投入300kW以下几乎没有意义。所以将其输电系统改为基础变压器+可调变压器的方案。

感应调压器接A、B相， Cy接B、C相，Ly接C、A相 图3.1.10 低压L—C移相电路 3.1.4 抽头变压器

图3.1.11 抽头变压器的几种典型接法

绕组具有抽头的变压器是用在玻璃电熔中最简单的供电电源。抽头的三相变压器通常使用初级边绕组抽头，因为初级边允许采用额定电流较低的抽头换接开关。由于变压器抽头几乎常在无载状态下换接，因而可利用小型开关并且避免了触头烧毁。初级绕组的电压要适合

101

电源电压，同时它的抽头选择要保证初级边在每步换接时有3～6伏的电压余量。次级边的电压取决于玻璃液的电阻率和电极间的距离。

图3.1.12抽头变压器 与感应调压器串连

初级和次级绕组可能使用的各种重要连接方法见图3.1.11。I初级绕组的连接图 （A）星形连接；（B）三角形连接；Ⅱ次级绕组的连接图（a）单星形连接；（b）单三角形连接；（c）断开的三个单线圈；（d）每相两个线圈串联、三相星接；（e）每相两个线圈并联、三相星接；（f）每相两个线圈串联、三相角接；（g）每相两个线圈并联、三相角接；（h）每相两个线圈串联、各相断开。通过连接线圈中点，可得六相变压器，使三相变压器的各个铁芯上的次级线圈都有引到外面端子的接头。最好使用由两个带有全部引出接头线圈组成的次级绕组，这些线圈既可串接也可并接，这样在次级边就能获得加倍的电压档数。如果要获得使用精细的电压控制级段，三相变压器可如图3.1.12所示连接。利用自耦变压器或辅助变压器同主变压器串连来控制变压器各级间的电压。串连自耦变压器或辅助变压器的额定功率仅需主变压器功率的很小部分，例如，若级间电压为变压器的全电压的5%，则串连的自耦变压器或感应电压控制器的额定功率仅需主变压器功率的5%。

目前广泛采用的有非载荷抽头调节变压器和采用载荷抽头调节变压器。

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图3.1.13 T形斯柯特调压器原理图

（1）目前应用最广泛的地方是采用非载荷抽头调节变压器，因为它可能是最便宜的，变压器开关脱开后，改变抽头以提高或减小次级电压。在大多数情况下，还必须关掉电源2～3分钟，这点不足以引起熔窑操作的波动。次级电压不是按级减增，所以采用这种方法没有辅助设备就不可能精确地控制输入电压，自动化控制也是不可能的。

图3.1.14T形斯柯特调压器电压向量图

（2）采用载荷抽头调节变压器，它无须关掉电源，就能不连续的分级调节改变次级电压。有可能采用自动化控制，但非常有限。这不可能精确地控制输入电压，但如果次级众多而增量又小的话，采用自动控制效果相当好。 3.1.5 T形变压器

由于单相供电可能会造成整个三相电网的不平衡，使电网中性点飘移，功率因素下降，采用T形斯柯特（SCOTT）变压器供电是一种有效的方法，它可由三相电网变为二相电源。

图3.1.16 T形斯柯特调压器原理线路图

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图3.1.15 T形斯柯特调压器结构简图

（1）斯柯特（SCOTT）变压器的工作原理。两台普通的单相变压器，它们的一次线圈所用的导线一样，但一台的匝数为W1，且备有中间抽头；另一台的匝数为0.866 W1，它们的二次线圈所用的导线也一样，并且匝数均为W 2。把两台单相变压器按图3.1.13连接起来，然后把一次线圈接到三相电源上，两个二次线圈就产生相相差90度的两相平衡电压，这种接线方法形成的变压器就是T形接线变压器。根据电压向量图3.1.14，加在匝数为W1变压器上的电压等于三相的线电压UBC，加在另一台单相变压器上的三相电压等于三相电网线电压的0.866倍，二次线圈感应电势分别为Ubc和Uax，它们大小相等，方向相差90度，Ubc=jUax。

T形接线的磁调就是在此基础上，结合磁性调压器的电压调整原理而形成的。通常把前一台叫主位变压器，另一台叫T位变压器，分别在主位变压器和T位变压器铁芯旁辅以两个可以饱和的辅助铁芯，如图3.1.15，在辅助铁芯上绕上可以调节铁芯饱和程度交流控制线圈。

由于两个辅助铁芯的作用，通过调节直流控制电流改变辅助铁芯的饱和程度，调节反馈线圈的阻抗，从而调整负载电压压降，当两组直流线圈并在一起时可以同时调节，当其中一台直流线圈上串一调节器时可以单独调节，工作原理见图3.1.16。

图3.1.17 T形调压器供电的方形电熔窑

（2）斯柯特（SCOTT）变压器三相平衡运行的条件是变压器副边负载电流值相等，相位相差90度。原边电流有效值IA=IB=IC，相位相差120度。

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图3.1.18T型调压器在料道上的应用

（3）由于斯柯特SCOTT）变压器副边电压、电流均相差90度，相互之间无干扰。 （4）图3.1.17是正方形电熔窑和SCOTT变压器。电极在熔化池内形成两个交叉的主电场和四个辅助电场。四组电极处于正方形的四个顶角，每一组由三支大尺寸电极并联组成。

（5）图3.1.18是斯柯特变压器在料道上的应用。 3.2 可控硅控制系统

3.2.1 接隔离变压器的可控硅系统

在隔离变压器的一次侧采用可控硅控制如图3.2.1。国内目前生产的可控硅最高工作电压为1500V，电流在500A以下的性能基本接近于国际水平。一般接在380V的供电电源上，而系统的千伏安值等于最大电压乘最大电流。可控硅允许导通电流越大，它的价格也越高。

对于接隔离变压器的可控硅系统，玻璃工业中，人们最关心的是直流分量问题，输出的直流分量为零才能满足玻璃工艺的要求。输出的直流分量的大小主要取决于可控硅触发仪表的结构形式及两个正反并联连接可控硅的配对。直流分量会引起的变压器铁芯饱和。在玻璃熔化工艺中会引起电极腐蚀加快，缩短电极寿命，最头疼的是玻璃中产生气泡。

对于接三相隔离变压器的可控硅系统采用六只可控硅结构形式，由两个正反并联的可控硅连接组成。当一相可控硅导通时，另一相的可控硅也必须导通，使电流在二相间流通。这种六只可控硅形式的优点是，当使用稳定的触发电路时它能做到零直流输出，所以对所有的电感性负载和玻璃电熔化负载都推荐使用六只可控硅的形式。

图3.2.1 接隔离变 压器的可控硅系统

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可控硅控制电路的性能除了与结构形式有关以外，还与触发电路的精确性有关。通常可控硅功率控制器制造厂采用电阻—电容(RC)时间网络来确定正弦波电压过零参考点和改变极性的时间。一个设计完善的现代触发电路能够综合正弦波零交点前后30°区域，发生在零交点附近的电压瞬变具有最小的功率值并不会扰乱零交点传感网络。设计合理的触发电路能够确立一个真正的零交点传感网络，并向可控硅提供精确导通参考信号。具有现代触发线路的可控硅系统可以做到输出功率中的直流分量为零。这种零交点参考线路还有一个优点，它不受电压和频率动荡的影响。对于它的校准也不需要昂贵的、复杂的电子测试设备；零交点参考线路是真正的自校准线路。

对可控硅控制系统的要求: ①能适应感性负载。②对三相变压器来说，输出的三相电压平衡，不平衡会引起副边电压的不平衡，影响加热温度的均匀性。③输出三相电压的直流分量小，要求输出电压波形正负半周对称性好，如有直流分量，严重时会引起变压器铁芯磁化。另外，如有直流加到电极上，会使电极表面产生沉积物和气泡，并且加快电极的腐蚀。④具有良好的调节、控制、保护特性。如限流、过流保护、缺相保护、软启动等等。玻璃液的电阻随温度升高而降低，很小的外界干扰就会使局部的耗用功率或整个系统的功率增加，从而使温度重新升高。由于玻璃存在这种热不稳定性，因而要求可控硅控制系统具有良好的调节控制特性，稳定输出电流，达到恒温目的，提高产品质量。⑤输出电压无晃动，要求触发电路的触发脉冲稳定，脉冲前沿陡而高，保证脉冲前可靠触发，从而减小对加热的影响。 3.2.2接磁性调压器的可控硅系统

图3.2.2 接磁性调压器的可控硅系统

接磁性调压器的可控硅系统与接隔离变压器的可控硅系统基本相似。所不同的是接磁性调压器的可控硅系统后边还要加一桥式整流电路，如图3.2.2 ，该系统输出直流电。 3.2.3 接过零触发系统、周波控制器的可控硅控制系统（调功器）

(1)概述。KT-系列微机控制调功器主要用于电加热、控温及其它可以自动连续调节功率的场所。装置的主电路采用大功率可控硅元件作为电力电子开关元件，通过控制过零脉冲数来调节输出功率。调功器与带PID调节器的控温仪表配合，可以组成自动控温

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系统。

该产品为微机控制产品，具有先进的技术和完备的功能，如具有自动停机功能；多窗口切换与显示功能，通过切换窗口分别显示：①可控硅元件导通周波数（1～150）；②运行实际功率值（kW）；③运行实际电流值（A）；④运行时间，停机定时（分钟，小时）；⑤各种故障，共达10余种，使装置运行处于完全透明状态。

同时，由于采用了先进的微电脑控制方式，实现了系统的自检测、自诊断功能，使系统工作可靠、操作简单、极大地方便了用户对各种故障的判别和维护。

(2)主要技术性能。①具有多种保护功能；②具有运行状态显示窗口，也可作为各种功能数字表；③具有各种参数的预设置功能周波、功率、时间等，有记忆功能；④可实现运行时间的定时，自动停机；⑤工作电流指标：（a）在满载情况下可连续运行；（b）在正常运行状态下，负载电流大于设定电流1.1倍时，系统过流保护动作，有记忆功能；⑥可控硅元件反并联线路，过零触发；⑦波形好，对电网无干扰，功率因素高，与触点开关电路和磁性调压器相比，节能、控制灵活、精度高、效率高、寿命长；⑧主要用于交流、调功。如控温场合，加装热工仪表，可组成恒温控制系统。 (3)工作原理。（a）电器原理框图如图3.2.3。

图3.2.3 电器原理框图

可控硅元件调功器是通过控制可控硅元件，在一定的时间内可控硅元件导通时间的占空比来调节输出功率。本设备设定时间为3秒（150周波）。

该系列产品设有隔离开关，交流电源经隔离开关、快速熔断器接于可控硅元件上，其主电路设有阻容吸收电路，用以吸收可以出现的过电压，防止击穿可控硅元件，系统设有运行指示灯，正常工作时随着晶体闸管的通、断而亮灭。设有电流检测装置,将检测电流信号通过A/D转换供单片机处理。控制电路由微机控制单元、操作显示单元、反馈功放单元组成。为减少故障点，提高可靠性，系统控制板采用大板集成式印刷电路板，在控制板上进行各种信号的模/数转换、分析计算，结合其它工作或故障信号作出相应的

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判断、调整或报警响应。

（4）KTY1Z、KTY3Z调功器系列产品。调功器可控硅元件主回路现已设计成一个单元，单元上有快速熔断器、R-C保护电路、双向可控硅元件、轴流风扇、温度继电器等元件，安装在一个塑料底座上，集成度及可靠性较高，而且便于安装维修。控温仪表采用英国欧陆公司9000系列温度显示控制仪。

可控硅元件交流调功器可加工成单相、双相、三相，在一个固定周期或变动周期里，以控制导通的交流周波数来控制输出功率大小。可控硅元件在正弦波过零时导通，过零时关断，输出完整的正弦波。已经实现电路的集成化、功率系列化、部件通用化、仪表智能化。

KTY1Z系列单相可控硅元件交流电力控制器，KTY3Z系列三相可控硅元件交流电力控制器，是由单片计算机控制的纯过零触发型电力控制器（调功器），主要适用于电阻性负载。KTY1Z、KT3Z系列单相可控硅元件交流电力控制器，是由单片计算机控制的纯过零触发型电力控制器（调功器），它克服了移相触发型交流电力控制器对电网造成的高次谐波污染。

采用单片计算机控制，较方便地实现了变周期和定周期控制。在变周期控制方式中，由于功率在较小的时间段中都较均匀，所以在温度控制中对温度的超调可大大改善。KTY1Z、KT3Z主要适用于电阻性负载，一般不推荐应用于感性负载，用户需要应用于感性负载或变压器一次侧控制时请与制造厂联系。

KTY1Z、KT3Z的特点： ①采用纯过零触发方式，适用于阻性负载。②主电路和控制电路一体化结构，体积小，重量轻，使用、维护十分方便。③能与国内外各种控制仪表，微机的输出控制信号直接接口。④一个控制信号可同时控制多台KTY1Z装置。⑤装置有过流保护、过热保护功能，并有故障报警输出接点。⑥由单片机控制，具有变周期和定周期波两种控制方式。

（5）某厂曾在钼电极加热的料道中使用调功器。调功器发出的一串串完整的正弦波形施于变压器一次侧,因此功率因素接近于1,设计功率在0-74kVA，输出端选用两只3CT-200A/1200V可控硅反向并接。采用MCS-48系列单片机作为主要运算控制元件，其控制灵活、功能强，适合于低电压、大电流的控温场合;它也可带阻性负载，具有体积小、效率高、对电网谐波干扰小等优点，可配接各种温控仪表，接收0～10mA（或4～20mA）信号，也可手控，整机工作状态采用了数字显示，直观清晰。

整机控制分四个主要部分：①直流电源部分—产生所需要的直流稳压电流+18V、+5V1、

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+5V2。②逻辑控制部分—这是整机的主要控制部分，根据电网的同步信号、指令值的大小及事先设定要求，产生所需的控制脉冲信号及各种保护信号。③功率放大部分—将控制脉冲信号进行功率放大，送至可控硅（SCR）的控制端。④显示部分—显示整机的工作过程，输出占空比值、输出电流值等。

调功器的周期设定为5s，同时，由于软件较丰富，可很容易地在现场将原“调功”方式改变为“调压”方式，因而适应性较强。

某厂经过一段时期的探索研究，先从使变压器能输入完整正弦波的调功零触发入手，进而结合到料道工艺方面，认为料道中1100℃-1300℃高温玻璃液的热惯性、检测仪表的精度和时间响应，均可满足用调功方式对玻璃液进行加温控制。经过前两条料道一年多来的使用情况来看，从未烧过一次快熔，也没有其它故障发生。但应注意:加在电极上的功率是高功率值与间歇零值的平均值,高功率值时钼电极有“过荷”可能,这里的“过荷”是指，表面电流负荷瞬间过大,有可能产生气泡。使用以上两种可控硅设备要特别注意产品中气泡的增加,但并非绝对不行。

3.2.4 接移相控制器的可控硅控制系统（调压器）

可控硅调压器是属于可控硅元件交流电力控制器产品。调压器采用移相触发的原理，控制可控硅导通角，与自动控温仪表、电脑配合可组成自动控温系统。

可控硅元件移相控制器（可控硅调压器），以控制可控硅（可控硅元件）导通角调节输出电压的方式工作，可与各种控温仪表及可控硅元件组成先进的PID调节自动/手动连续控温系统，广泛用于变压器降压、低压、大电流电热设备的温度控制。

可控硅元件移相触发时产生丰富的高次谐波，对电网及周围电器、仪表产生传导干扰及辐射干扰，在设计电路时应采取措施，减少高次谐波输出。可控硅元件交流调压器主要用于各种电阻炉、直流调压装置、磁性调压器等。

可控硅元件移相控制器具有可控硅元件移相触发，手动控制、自动控制、加热功率指示过载、保护等功能。

KTY1系列是单相可控硅元件交流电力控制器,是移相触发型的电力控制器；KTY3系列三相可控硅元件交流电力控制器,是移相触发型的电力控制器，应用于工业各领域的电压调节、恒压、恒流、恒功率调节，适用于电阻性负载、电感性负载、变压器一次侧等。在玻璃工业主要应用于: ①以硅钼棒、硅碳棒等为加热元件的温度控制；②熔融玻璃的温度加热控制；③ 恒压、恒流、恒功率控制。

KTY系列可控硅元件交流电力控制器的特点： 可用于50Hz，60Hz电网。 采用移

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相触发控制方式，适用于阻性、感性负载，变压器一次侧， 能与国内外各种控制仪表、微机的输出控制信号直接接口。一个控制信号可同时控制多台KTY1装置。

装置有过流保护、SCR过热保护等保护功能，保护时相应的发光二极管指示灯亮，同时故障报警输出接点动作。

具有“自动限流”功能，输出电流≥105%装置额定电流，电流自动保持恒定。采用主电路和控制电路一体化结构，体积小，重量轻，使用、维护十分方便。

具有软启动、软关断功能，减少对电网的冲击和干扰，使主电路SCR更加安全可靠。 具有多种反馈形式供用户选择：

①恒电压反馈：电源电压波动±10%，负载阻抗变化10倍时，负荷电压保持稳定，输出电压与控制信号成线性关系。

②恒电流反馈：电源电压波动±10%，负载阻抗变化10倍时，负荷电流保持稳定，输出电流与控制信号成线性关系。

③恒功率反馈：电源电压波动±10%，负载阻抗变化4倍时，负荷功率保持稳定，输出功率与控制信号成线性关系。 3.3 可控硅的触发系统及触发仪表

目前在电熔技术上控制方案有恒流、恒压、恒温、恒功率控制四种形式。最常用的是恒流控制系统。 3.3.1 恒流控制

玻璃的电阻是温度和成分的函数，料方确定之后，则玻璃的电阻与温度成一一对应的关系。而电阻又是电压和电流的函数所以恒定了电流，也就恒定了温度。并且恒流在可控硅交流调压装置中较易实现，且灵敏度高，稳定性好。

（1）用可控硅调压装置调节隔离变压器的初级电压，并运用电流反馈对玻璃液进行恒流控制。调压装置由主回路、触发装置、电流反馈三部分组成。

（2）恒流系统的温度调节原理：当调整到合适温度所对应的电流时，转换开关倒向“自动”位置后，恒流仪就自动根据电流反馈数值的信号，调整可控硅的输出电压值恒定电流以保证正常温度。当玻璃液的温度变化时，玻璃的导电率也随之变化。

如温度上升、导电率也上升，当电压未变时，电流有上升的趋势时，恒流仪就产生反馈信号，自动调低输出电压以保持电流不变，因电功率P=VI，式中如果V下降，I不变，则P下降，说明输出功率减少了，电加热的发热量也减少了。

反之如果温度下降时玻璃液的导电率也下降，电流有下降的趋势，结果使恒流仪控

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制可控硅输出的电压升高，以保持电流不变。由式中可看出，如果V上升，I不变，P也上升了，这说明输出电功率也上升，发热量增加，保持玻璃液温度恒定不变，这一过程是自动而又迅速的调整过程，在一定范围内起到自动恒温的作用。

图3.3.1 恒流控制方案

（3）恒流控制由于结构简单、运行可靠、有恒温调节功能,所以得到普遍采用。该方案几乎成了玻璃电熔自动控制的主导方案。

图3.3.1为国内普遍采用的控制方案。在该系统中普遍采用了HLK型恒流控制仪来控制钼电极之间的电流，使之保持恒定，具有温度调节功能。该方案控制反馈信号与母线隔离，较安全。它可以间接控制玻璃液在电熔中的正反馈失控现象。

(4)恒流控制通常是用在熔化部、上升道等处。采用恒流控制，若把有关参数调整好，电流控制精度可达1/100。熔化部采用恒流控制在加料前后电流不发生变化，采用恒流控制比调压器控制稳定性高。恒流控制不受加生料的影响。加速生料熔化提高熔化质量。

（5）HLK型恒流控制仪概述。

(a)概述。HLK—5B型是在HLK—3型基础上改进的恒温恒流控制仪。该仪表全部采用双列直插式集成电路，电路结构紧凑，提高了可靠性，维修方便。

仪表具有宽脉冲触发，触发功率大，移相范围宽，动态响应快，控制精度高，是可控硅交流调压的理想设备。它具有接受0～5V、0～10mA、4～20mA等各种反馈信号的功能，配合适当的反馈可以稳定被控对象的负载电压或电流的有效值，也可以同温度调节仪表配用，构成自动恒温控制。该仪表还具有良好的软启动特性，允许中途停电后带负载直接启动，且带有过电压（过电流）保护之功能，防止烧坏电极等重要设备。该仪表广泛适用于玻璃电

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熔窑,作直接或间接温度控制。

(b)技术性能。额定工作条件：环境温度 -10℃～+40℃;相对湿度≤85%（在+25℃时）;电源电压：380V±10%，频率50Hz;使用场所：无腐蚀、易燃、易爆的气体，无剧烈振动的室内。

触发脉冲：脉冲宽度：100us～2ms（改变脉宽电容元件达到）;脉冲幅度：不小于6V。 稳压稳流精度：电流波动±15%时，输出小于±0.3%。 具有输出过压或过流（可调）保护功能。

主电路采用方式：两只3cT≤500A可控硅反并联。 负载性质：电感时较小的负载，电流滞后角≤30°电角度。 可控硅触发方式：采用宽脉冲触发，最大导通角≥150°电角度。

控制信号：恒流0～5V恒温0 -１０mA，或4～20mA（由用户订货时注明）。 整机功耗：小于10W。 (c)工作原理。

图3.3.2 控制仪方框原理图

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控制仪主要由检测电路、放大电路、触发电路、保护电路、电源等组成。见图3.3.2。 检测电路主要是检测和控制可控硅输出电压（电流）有效值。它由测量桥路组成，光敏器件作为桥路的一臂，将非正弦电压（电流）有效值变换为等效电阻值，等效电阻的变化变成桥路直流信号。

放大电路由两级运放组成，因运放具有高输入阻抗，几乎不消耗信号源能量，因此测量桥路可采用高阻值的桥臂，以便提高测量的灵敏度，且利用光敏器件后系统的动态响应快，使闭环系统较稳定。为了提高仪表的抗干扰能力，运算放大器的输入输出信号妥善滤波，消除工频干扰。

触发电路是采用KC系列集成电路，经放大后的信号加到触发器的移相输入端，移相电压的变化，则使触发脉冲随之变化，主电路中两只反并联可控硅的导通角也作相应变化，这样达到可控硅输出电压的变化。当恒压（恒流）系统正常工作时，测量桥路的输出应接**衡点，偏差表指示为零；若输出电压（电流）发生变化，桥路失去平衡，输出直流信号经两级运算放大器放大后，控制输出脉冲的相位，进而调节主回路输出电压（电流）并维持其稳定。仪表投入恒温运行时，温度调节仪输出信号0～10mA（4～20 mA）接A17-A14两接头输入，以运算放大器转换输出为2～8V信号，加到触发器控制端实现恒温控制。 （d）电路图见图3.3.1。 3.3.2 恒温控制

图3.3.3恒温控制图

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恒温控制是一种理想的控制方式。控制的温度波动范围不大，特别适用于密封式连续加料的电加热的玻璃熔窑。见图3.3.3。

（1）采用P.I.D单回路调节系统即可实现温度自动调节。P.I.D调节器具有连续调节，不产生静差，调节精度高等优点。

温度自动调节过程如下：热电偶将玻璃液温度转换成毫伏信号，此信号一方面由仪表指示，另一方面由仪表本身转换成调节器的输入信号，调节器根据输入信号与控制温度的偏差大小实行比例—积分—微分规律的自动调节作用，结果输出一个0～10mA的直流信号，此信号与系统整定电压比较再与反馈信号叠加后送到放大整形电路，将信号放大整形，经触发电路转换成移相触发脉冲信号，控制主回路两只反并联可控硅的导通角，调节变压器的初级电压，从而控制加热电流。只要存在温度的偏差，调节器就不断有输出信号，控制加热电流，只有当温度的偏差为零（即控制在恒温点）调节器的输出稳定在某一点，系统处于动态平衡，这时温度即被控制在所需温度上。

测温仪表和调节器可选用XCT—191型温度指示调节仪，该仪表“测量”和“调节”功能组合一体，价格便宜，投资省，安装维修方便。

（2）测量玻璃熔窑的温度一般使用Pt-Pt10%Rh热电偶，它在温度高达约1500℃的条件下能很好工作。在此温度下，大约12μv的热电势相当于1℃，但这个热电势明显地决定于热电偶的老化程度。热电偶必须封装在保护陶瓷套管中，现在也有使用钼套管的，且套管要产生不希望有的温度传递滞后现象。由于测温敏感元件（如热电偶）不能放在靠近电极的最高温度点，还要发生更大的滞后。高温及玻璃液的流动会大大减少热电偶的工作寿命。因而维持窑温恒定的问题遇到了困难，特别是对于具有高反调角的玻璃更是如此。

（3）恒温控制方案及仪表组成都是成熟的。通常恒温都是采用单点测温的方案，该方案直接对温度进行控制，用浸入式热电偶作反馈元件，但需注意热电偶两端有较高电压，不允许白金护套接地，在调节器输入端应有隔交流元件。 3.3.3 恒电阻控制

用电极间等效电阻作为比较信号，因电阻是温度的函数，但应注意，如果使用微机作为调节器时，除了要求玻璃成分稳定外，还要引入液面信号作为补偿。在成分稳定的前提下，用一个除法器和比较器即可实现恒阻，即恒温控制。

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图3.3.4 恒电阻控制方案

假设玻璃液的化学组成恒定，那么只要玻璃液的深度和电极的长度及直径保持不变，电极之间的电阻仅为温度的函数。给定了这些条件，控制加热电流的信号可借助测量电极间的电阻而得到。这种方法的优点是：对应于每一单位的温度变化输出电压相对较高，时间常数小及传递滞后小甚至可以忽略。一种连续测量电阻的比较法最好。

恒定电阻控制是一种更好的控制方法，因为电阻反应比较灵敏，当热电偶上有1℃温度变化的信号，则电阻的变化可为其3倍。另外当玻璃组成有很小的变化时，其电阻也会有反应。例如，当Na2O有很小的变化时，将影响到玻璃液的粘度，并因此而影响到成形。如此小的玻璃组成的变化，电阻率能探测出并予以校正。用电阻校正玻璃组成比不用电阻校正玻璃组成的温度控制可能要好50%，通常成型部位也可用恒电阻控制。 电阻控制方案在上世纪70年代初的联邦德国、前苏联等国家已经研究并投入工业性使用。73年我国也开始此项研究工作。恒电阻，当然首先要测量电阻。图3.3.4 是用电动单元组合仪表构成的方案。需要说明的所谓恒电阻其实是恒玻璃液的电导。也就是讲，进行除法运算时是I2/U2而不是U2 /I2。因为温度上升时，玻璃的电导也上升。 3.3.4 调功器（周波控制器）

可控硅元件（可控硅）交流调功器又称周波控制器，是半导体功率控制器的一种，通过控制过零脉冲数来调节输出功率，是现今国际流行的新型无触点功率控制器。

（1）用途。①周波控制器可与温控仪表、双向可控硅元件（TRIAC）或反并联可控硅元件（SCR）组成先进的PID调节，自动、手动控温系统。②周波控制器内装控制器和触发器，可完成可控硅元件过零触发、手动控温、加热功率指示、过载保护等功能。③周波控制器主要用于电热设备的温度控制。

（2）特点。①定周期或变周期改变输出周波数，连续调节输出功率，精度高，温度波动小。②各型号周波控制器均可触发双向可控硅元件或反并联可控硅元件，对可控硅元件触

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发电流及电流、电压上升率无需挑选。③正弦波过零触发，可控硅元件输出完整的正弦波，其辐射干扰、传导干扰及负载电流的瞬态浪涌也最小。④触发电路在正弦波过零时发出一连串的脉冲列，触发小可控硅元件，小可控硅元件对大电流（5～3000A）可控硅元件强触发，快速开通，可控硅元件不易损坏。⑤可控硅元件运行时无噪音，寿命长，功率因素高（CoSφ=1），有利于节约电能。⑥脉冲变压器将触发电路与电网隔离。⑦三相电路各自单独同步，光电耦合器隔离电网。⑧对可控硅元件过载具有快速保护功能。⑨多种控制信号输入。⑩ 国际通用集成电路 。（11）技术先进，质量可靠，价格低廉，体积微小，国际IEC标准，符合中国国情的设计。（12）接线容易，无需调试。 3.3.5 可控硅调压移相控制器 (TG-Y1/3-A/B型)

TG-Y1/3-A/B型可控硅调压移相控制器具有如下特点: ①TG-Y1/3-A/B型可控硅元件移相控制器（可控硅调压器），以控制可控硅（可控硅元件）导通角调节输出电压的方式工作，可与各种控制仪表及可控硅元件组成先进的PID调节（自动、手动）连续温控系统，广泛应用于变压器降压大电流电热设备的温度控制。②TG－Y1/3一A/B可与可控硅元件组成直流调压装置。③TG－Y1/3一A/B可与可控硅元件组成直流调压装置，用于磁性调压器控制。④TG－Y1/3一A/B具有可控硅元件移相触发、手动控制、自动控制、加热功率指示、过载保护等功能。⑤TG－Y1/3一A/B型用小可控硅元件强触发方式工作，可触发大电流双向可控硅元件及反并联可控硅元件。TG一Y1一B型用脉冲变压器双绕组输出脉冲列，可触发小电流可控硅元件。⑥可控硅元件移相触发时产生丰富的高次谐波，对电网及周围电器、仪表产生传导干扰及辐射干扰，在设计电路时应采取措施，减少高次谐波输出。 3.4 电加热闭环控制方案

闭环控制有两种：单闭环和双闭环控制。后者是在前者的基础上发展的。 单闭环为电源→双向可控硅→变压器→电流转换电压反馈信号→恒流仪→双向可控硅。

双闭环在上述基础上增加一路温度反馈信号送恒流仪进行比较，当△V=|υW-υ2|=0，无反馈差量，系统保持不变。若某种原因引起△V=|υW-υ2|＞0 存在反馈差量，恒流仪即调整触发脉冲的导通角θ，直到△V=0为止，系统又处于平衡状态。双闭环较之单闭环有较多的优点，在投资上只需增置一台温度调节仪和一支热电偶。因此投资少，恒温调节效果显著，维修简便，有利于工厂推广使用。

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3.5.1 变压器的设计选型 1.变压器的设计选型

⑴变压器功率的确定。根据料方和产品种类计算出玻璃液的熔化、成型温度，然后根据电熔化要求的温度调节范围及保温状况，保证有足够的余量来确定每小时需要的热量。再根

据焦耳定律每度电产生861kcal的热量推算出每小时的耗电量，从而确定变压器的功率。 ⑵变压器二次特性的确定。①电阻率的估算。②电极间电阻的确定。电阻确定的基本原

L理是欧姆定律R=k.pS，由于两电极之间的电力线不是简单的立体几何形状，而是呈橄榄形。

③变压器输出电压的确定。V=3.3.2 变压器选择的注意事项

(1) 考虑因停电、电熔窑的降温、用电高峰电源电压低、环境温度及电窑炉后期功率加大等因素的影响，在选择变压器时应留有一定的余量，余量不能太大也不能太小，余量太大会造成能源和资金浪费；余量太小，在特殊情况下不能满足工艺要求，无调节余地，其容量应3倍于输出功率(即工作功率)。电压应按设计参数加大25%，电流加大30%～40%为宜。

(2)确定变压器的视在功率S应考虑变压器的效率和长期运行周围环境的影响，可按下式估算S=（1.1-1.5）P(kVA)。变压器一次电压V一般不等于电网电压，这是因为初级回路串有可控硅调压。如调压范围以单管构成的移相脉冲触发控制来说，其触发最大导电角＜140度。当θ=120°（实际最大电度角），电网电压V=380伏，则变压器的初级电压V1=341伏。 (3)变压器的绝缘问题。变压器的绝缘一般要求达到正级绝缘标准，如果绝缘不好，一但初次级之间的绝缘层击穿，则会造成短路，初级的高压电直接通入玻璃电熔窑，轻则产生设备事故，重则发生人生伤亡事故。另外，变压器的初次级之间必须要有屏蔽层，以免相互影响。

(4)保证合理供电。玻璃液在高温下是良导体，电阻小，电压低，电流大，如果不用变压器隔离则变电所就要有几千安培的大电流直接供给电熔窑，这是不合理的，实际上也是办不到的，所以使用低电压大电流变压器就可满足电熔窑的供电要求。

(5)用可控硅作温度调节一般主回路都是采用两个可控硅反并联，若是输出波形不对称就会产生直流分量加在电极之上，使玻璃液产生电解，加速电极侵蚀。用变压器隔离后即使可控硅调节器有直流分量输出，但因变压器的作用而不会把直流分量加在电极上，从而防止了电极因直流分量的侵蚀而损坏。

NR，N是变压器的额定功率；R是电极间玻璃体的电阻。

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（6）变压器应设有几个档位，其目的是窑炉在升温或者在正常运行时可根据实际需要电压而使用相应的档位，以求得较高的功率因素和适当的可控硅调节范围。另外，在可控硅控制系统出故障时，也可根据适当的档次直接给电熔窑电极送电以维持生产。

（7）如果电窑炉是单相供电，各区电工参数计算好以后要综合考虑通过变压器变比得出各自变压器的初级电流，按所接入的相序来达到三相平衡供电。

（8）熔化部变压器二次侧应带有并串联档位。在升温时，由于熔化部底部玻璃没有完全熔化，电阻大，需提高电压加速玻璃熔化。因此，熔化部变压器二次侧应设有并串联档位，以便根据需要改变接线方法。

（9）隔离变压器的要求：①必须隔断电源和地线对电熔窑的直接供电。因此，制作时必须装置一个双绕组内结构，将原线圈完全隔离开即可。这种变压器两组线圈之间安装接地的，即便是发生意外的初级绕高压绝缘材料破裂，任何漏电都被导入地线。②必须有足够的容量，以满足料温的调节和对玻璃液通电的安全电压。③必须适应适时的断续工作状态（5s内随机通断）。采用优质矽钢片，工艺必须严格；空载电流小于额定电流的8%以下；短路电流符合标准。④必须适应在恶劣环境中使用。由于玻璃生产现场的油烟粉尘难以避免，因此选择油浸式结构。

（10）次级绕组。在大功率电加热系统中，铝母线作次级绕组，因为它的功率损耗一般比电缆小，在功率为1000kW的标准装置中，功率损耗为8～12kW，约为加热功率的1%。有时也采用矿物绝缘电缆，但在最高负载时，特别是通风设备受到的情况下，功率损失要增加。对次级绕组的选择一般根据现场的具体情况及对次级绕组灵活性的要求而定，对灵活性的要求越高，所用材料的费用也越高。 3.6 供电及控制系统设计过程中的注意事项

（1）全电熔窑为大容量用电设备，因此在供电线路的设计上要适当加大输电线路的线径，以保证电熔窑对电压、电流的要求。当电熔窑供电均为单相380V时，应尽量做到三相平衡供电。

（2）电熔窑采用可控硅控制仪进行控制时，触发最大导通角130°左右。为保证电熔窑正常工作，在选择可控硅时，考虑到电熔窑后期功率加大及电压的降低，需适当加大可控硅的载流量。

（3）为了保证电熔窑各部分设备及人身安全，使电熔窑正常运行，需将各部分电极对地电压降到最小范围。具体措施如下：①在满足工艺要求的条件下电极间的距离不要过大，目的是缩小电极间距，减小对地电压。②在接线中初级线要做好接入相位记号，次级线也要

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按相应的相位接入相应的电极。

（4）设有报警装置。电熔窑是采用钼、氧化锡做电极，电极允许的电流密度在设计时已选好，运行时一旦因某种原因超过电极允许电流，就容易使电极损坏。为了保护电极，在线路中采用了过流保护措施，当电流超过设定值时，通过保护线路切断电极电源并且发出警报信号，以通知操作人员及时处理。

（5）因熔化池要经常加入生料，使玻璃液电阻产生周期性的变化，根据热量Q与I2R成正比的关系，当熔化池加进生料时玻璃液电阻增加，电流减少，Q减少，熔化速度变慢，为了不使电流因电阻增加而减少，采用恒电流控制方案为好。

电熔窑的上升道、料道等部位已是熔化好的玻璃液，玻璃液等效电阻不受加料影响，所以采用恒电压控制方案。

（6）采用可控硅交流调压系统必须注意两点：①可控硅触发器的脉冲宽度一定要大，触发功率一定要够，若不够必须将脉冲加宽及功率放大。②要注意抗干扰措施，否则会出现误触发。

（7）电熔窑采用单相供电还是三相供电，这两种供电方式都具有各自的优缺点。三相供电能使供电电源三相平衡，但存在杂散电流，这种杂散电流影响耐火材料的使用寿命，并且干扰其它区域的温度控制；而单相供电一般不容易做到三相平衡，但可以隔离杂散电流对电窑炉的影响，延长窑炉寿命，稳定窑炉工艺。 3.7 控制柜的设计与制造 3.7.1 电熔化所需的基本设备

图3.7.1 典型的电加热设备

电熔化所需的基本设备如图3.7.1所示，由下列设备组成：①电源开关；②变压器；③电缆线；④仪表控制柜；⑤冷却电极的循环水系统。当然，以上所列的项目可以有变化，但它们是电熔所需设备的最主要部分。

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首先应根据熔制玻璃所需要的总热量，确定出需要的总功率；然后再根据总功率的大小，设计出变压器的容量之后确定电流、电压值，选择电极、快速熔断器、空气开关等的型号。 3.7.2 仪表控制柜

生产操作人员是通过仪表来判明输入电熔窑的电能和描述电极及水套所处状态的，常用的仪表控制柜一般可以包括下列仪表和电器：①瓦特表：每相一个；②电压表：每相一个；③电流表：每个电极一个，但在有许多电极的地方用一个选择器开关能使一个电流表监控2或3个电极；④一个总的电度表；⑤电气系统次级端接地故障指示灯；⑥每个电极水套的温度监视，采用自动扫描和超温报警；⑦指示系统中每个电极消耗用一个监视器；⑧每个电极水套用冷却水的流量自动报警器；⑨变压器抽头转换开关远距离按钮控制；⑩正在使用的抽头指示灯；11. 水泵指示器灯； 12.电熔窑开关遥控按钮；13.电路开关工作指示灯。 以上这些仪表对于一般电熔装置是完全可以满足了，但在个别情况下还可以增加其它设备。 3.7.3 对控制系统的要求

电熔窑属于连续供电的一类负荷，这是由玻璃液本身特点所决定的。众所周知，已熔化好的玻璃液一旦失去热源，不久会使玻璃液冻结成为固体玻璃而无法生产，需重新烤窑升温，这就影响了玻璃的产量和质量，所以对熔窑的控制系统要求也是很高的。 在考虑控制方案时主要有以下几点：

(1)控制系统要可靠。要求控制系统可靠就是指控制系统不出故障或少出故障，而且当控制系统出故障时能以最快的速度排除，将控制系统易出故障的部件做成插接式的，便于更换；另外，对控制回路的某些元件选择计算时都留有余量，以防线路电流过大或夏季环境温度过高时由于元件本身温升过高，使元件损坏而影响窑炉的正常供电。

(2)控制系统要稳定。如何提高控制系统的稳定性这也是设计时要考虑的主要问题。 ①熔窑的温度控制是采用可控硅调节系统，用可控硅调节触发线路的可靠性问题，建议线路采用宽脉冲触发线路。其理由：第一，电熔窑容量大，工作电流大；第二，可控硅调节系统在变压器一次侧，所以对可控硅控制系统来讲是一个感性负荷，如果采用窄脉冲触发线路，由于电感的作用在脉冲结束时有可能出现可控硅还没有达到维持电流以上，可控硅重新关断，造成正负半波不对称，产生直流分量，损坏零件和设备；而由宽脉冲触发线路就可避免这种现象的发生。

②选择可控硅元件时，注意挑选与触发功率相近的两只可控硅反并联，以保证可控硅在较小的导通角时就能输出对称的交流波形。

③抗干扰措施。通过示波器观察每一只可控硅导通瞬间输出波形前沿均有一个冲击性

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波，这种波形使电源电压下降而造成电源波形畸变，这种畸变的波形进入控制线路同步变压器，在同步梯形波中形成干扰脉冲。由于该电熔窑所有控制回路用同一电网供电，因此这种干扰脉冲又进入其它触发线路，使其它可控硅产生误动作，使控制设备不能正常工作。因此在触发线路的同步变压器二次侧加入RC滤波，滤掉尖脉冲，消除干扰源，稳定控制系统。 3.7.4 开关

较大容量的电熔化设备用高压输入到熔窑变压器，所以开关往往要用有超载保护的高压断路器，并常需采用远距离控制。每当变压器的二次电压改变时，开关或断路器必须开或关，对非负荷抽头变压器来说，每当改变次级电压时，调整完毕再接通电路。当熔窑负荷经常变化时，熔炉变压器的次级电压也需要随之改变，有时每年可达上千次或者更频繁的重复开关操作。因此，高压电路切断器在一个窑期当中需要大修2～3次，这对电加热来说将会带来很大损失。为了弥补这个缺陷，在非负荷电压转换装置上安装接触器或类似的设备是一种经济可靠的解决方法。对负荷电压转换装置来说，由于没有必要经常操作开关和电路切断器，所以也不必安装接触器。

电熔化设备的负荷特点是：在开关和断路器中不需要加装特殊的保护设备，在大多数情况下只用一般的过负载保护设备就足够了。 3.7.5 快速熔断器的选择

快速熔断是专门保护可控硅的。如果可控硅不用快速熔断器，当某种意外情况出现或电压、电流急剧上升，超过了可控硅额定值时，则会烧坏可控硅，从而造成重大的经济损失。快速熔断器的选择，一般控制在2倍可控硅的工作电流即可。 3.7.6 可控硅元件的选取

3.7.6.1可控硅元件的选取

可控硅是电熔窑的重要设备，直接影响全电熔窑玻璃熔制质量的参数有: ①可控硅的耐压参数，必须大于电熔窑设计的电压参数。为了留有余地，一般取2倍设计参数的峰值电压。②可控硅的电流参数，可控硅的最大允许电流，必须大于2倍工作电流。③可控硅的触发电压。④可控硅的触发电流。③、④两个参数非常重要，如果触发电压和触发电流过高，恒流仪输出的脉冲不能使可控硅工作，起不到无级调压控制恒定电流的作用；相反若可控硅的触发电压和触发电流过低，在强电磁场的作用下，可控硅将产生错误动作。因此前两个参数是非常重要的，在选择上必须加以重视。

某厂KS型平板压接式双向可控硅产品其主要参数的选择如下：PV≥(1.5-2) V1m。式中，PV—元件正反向重复峰值电压（伏），V1m—元件可能承受的最大电压峰值（伏），I a—元件

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额定通态电流（有效值）（安培），I1—实际流过元件的电流的有效值（安培）。根据恒流仪（HLK—S型）选取KS门控参数，门极控制电压υg＜4伏（当HLK—2触发绕组串联），门极控制电流I g＜50毫安，

移相可控硅:具备控制灵敏,成本低等优点。用移相可控硅控制变压器一次侧可避免交流电上下波形不对称时造成电极直流电解的弊端。选用时应注意到可控硅波形前沿锐跳,有可能“激起”电极和玻璃液的反应而产生气泡。 3.7.6.2 可控硅元件的选取与直流再生气泡问题

在电熔窑中，如果有直流电压的输入，将在玻璃液中产生电解作用，从而造成直流再生气泡在玻璃液中出现。要克服这一重大缺陷，必须从可控硅入手。单个可控硅是将交流电转换成直流电。然而将可控硅用于玻璃熔炉时，则应采用背靠背的两只可控硅，将正弦交流电的正半周和负半周分别整流，然后叠加达到无级调整交流电的电压达到控制玻璃液温度的目的。但两个可控硅必须配对，即触发电压和触发电流参数必须相同，这样两个可控硅将同时导通，其导通角的开度也就一致，整流后不会产生直流分量。如果两个可控硅的触发电压和触发电流悬殊过大，那么可控硅的导通将一前一后，其导通角也将一大一小，整流后的波形也将是一大一小，叠加后就产生直流分量。当直流分量大于2V时就会使玻璃液电解，产生直流再生气泡。当然实际上两个可控硅的触发电压和触发电流完全一致也是不可能的，但我们在选择可控硅的参数时，应尽量让其接近，从而减小直流分量，避免直流再生气泡的产生。 3.7.6.3 可控硅保护元件的选取

图3.3.1中，电阻R，电容C为可控硅电容过压保护电路。产生过压的原因很多，一般有变压器的通断、可控硅的通断、熔断器烧断以及外界闪电雷击等。但由于双向可控硅过压能力较高，故对过压保护要求不高，有时甚至可以不要。对R，C参数的选取见表3.7.1。 表3.7.1 可控硅元件 额定电流Ia 500A 200A 100A 0.5uf 0.25uf 0.2uf 电容C 电阻R 10Ω 20Ω 40Ω 122

50A 0.1uf 100Ω 双向可控硅的过程保护元件为快速熔断器RD。选择时，对于双管反并联组成的电路，熔断器额定电流：IRD=1.57IF，IF—单向可控硅额定平均电流。对于KS型双向可控硅：IRD=0.7Ia，Ia—双向可控硅额定电流有效值，可控硅过载能力差，快熔额定电流IRD不宜选取过大，亦可按实际流过元件的电流有效值选取。当选取的IRD≤100A时，宜选用RLS型螺旋快熔器；IRD >100A时，可选用RS等系列整体快熔器。 3.7.6.4可控硅元件保护继电器

BH－8型可控硅元件保护继电器是BH－－6型的改进型。专用于可控硅元件等电力电子器件的保护。具有过电流、可控硅元件过热（冷却风扇停风、冷却水断水、热管失效）以及炉温超温等保护功能。

过电流保护可在负载过载时迅速关断可控硅元件，避免烧毁事故。还可减少昂贵的快速熔断器的消耗。

在可控硅元件过热或炉温超温时同样也会关断可控硅元件。

在保护动作的同时，还输出控制信号使报警器发出声响和闪光。同时还输出控制信号，使相应的报警窗发光，显示“过电流”或“可控硅元件过热”等故障名称。

可控硅元件主回路单元系列将风冷可控硅元件、轴流风扇、快速熔断器、RC阻容吸收电路、温度继电器等元件装于一个塑料底座上，使用户省去了机械加工工序，便于安装，且布局美观。

可控硅元件主回路单元是组装可控硅元件调功器、交流调压器、整流、电镀等设备不可缺少的部件。与TG-G1/3-A/B型周波控制器配用，很容易就组装成调功器；与TG-Y1/3-A/B型移相控制器配用，很容易就组装成调压器。 3.7.6.5 其它

控制电路中的各电压、电流表均采用电磁式交流表。例如，1T1型的仪表。热电偶原则上应选铠装快速热电偶，其时间常数在几秒范围。例如，WRPK系列铂铑—铂铠装热电偶。HLK—5仪表反馈电压定为0～5伏，由电流互感器LH的负载电阻R0串联后取出，其阻值为： 2R=5伏/5安=1欧姆，耗散功效W R =I2R=52×0.5=12.5(瓦)，取W R=2×12.5=25(瓦)， 钼电极对地电压由电压表指示。

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5 砌窑材料

目前电熔窑中普遍采用无缩孔的电熔耐火材料，而且几个砖面都经加工磨平，使砖缝十分严密。通常在耐火材料制造厂进行预拼装，经检验合格后才发运给用户。

用在电熔窑中的耐火材料，有一点很重要，就是必须考虑其电阻率数值如何，要与所熔制的玻璃相比较。当然，在熔制钠—钙玻璃和其它软玻璃时，这是不成问题的。但在熔制像E玻璃一类的硬玻璃时必须特别地小心谨慎，以免出现电流流向砖块而不通过玻璃，一旦这样，将造成耐火材料的提前受蚀损坏。

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图5.1 某厂池壁砖的的侵蚀图

电熔窑耐火材料的选择主要考虑耐火材料的侵蚀性和电阻特性。

耐火材料的侵蚀速度一般随温度按指数规律增加，并与时间成线性关系。在靠近液面线、电极的四周（尤其是电极的上方），流液洞洞盖砖蚀损速率比液面下整个砖面的侵蚀速率高五倍，如图5.1是某厂池壁砖的侵蚀图。玻璃液流也会极大地提高侵蚀速率。对于电熔窑来说，耐蚀性尤其重要，因为这些窑的熔化温度很高，而且玻璃液流的速度快。

砌筑电熔窑的耐火材料须用电熔锆刚玉砖、电熔铬锆刚玉砖、电熔刚玉砖、电熔石英砖。

5.1 烧结锆刚玉砖

(1)烧结锆刚玉砖的组分， SiO214.34, ZrO2 40.87，Al2O343.37, TiO20.14，Fe2O30.10, MgO0.12，CaO0.16，K2O+Na2O0.90。

(2)烧结锆刚玉砖的性能，常用尺寸600400250mm，体积密度3960k g/m3，表面气孔率1.5%，热稳定性(热冲击次数)21～24，玻璃液面侵蚀速度0.20mm/ d。 5.2 电熔锆刚玉砖

使用最为广泛的是含ZrO233%～41%的电熔锆刚玉砖，该材料耐蚀性较好，产生小气泡的倾向小，而且不会渗出玻璃相。与此相应的各国牌号见下表5.1 。电熔锆刚玉砖的化学组成见下表5.2。电熔锆刚玉砖晶相组成见表5.3。

（1）电熔锆刚玉砖的各种牌号见表5.1。 表5.1

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成分 ZrO2含量 中国 日本旭硝子 日本东芝 法国 美国 、 、 33% AZS33 EB1681 CS—3 ER1681 S-3 36% AZS36 EB1691 CS—4 ER1691 S-4 41% AZS41 EB1711 CS—5 ER1711 S-5 （2）电熔锆刚玉砖的化学组成见表5.2。 表5.2

成分 SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 ZrO2 CaO MgO Na2O 1.2 1.1 0.8 0.4 1.0 AZS33 AZS36 AZS41 ER1195 超高纯AZS41 高电阻型高锆砖CZ 高锆砖Z 15.2 14.5 12.3 4.1 13.0 4.1 48.3 47.3 45.9 0.6 46.0 0.6 0.04 0.04 0.08 0.03 0.04 0.04 0.08 0.05 35.0 37.0 40.0 93.8 40.0 93.8 0.01 0.01 - 0.01 0.01 - 4.1 0.6 0.2 0.4 93.8 0.1 0.1 0.4 （3）电熔锆刚玉砖晶相组成见表5.3。 表5.3 电熔锆 刚玉砖 AZS33 AZS36 AZS41 ER1195

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砖晶相组成（%） 玻璃相 21 17 6 斜锆石相 32 41 94 刚玉相 47 42 （4）电熔锆刚玉砖的物理性能。

图5.2 锆刚玉砖导电率与温度关系

①电熔锆刚玉砖的电导率温度的曲线，电熔锆刚玉砖的电导率温度的曲线见图 5.2。电熔锆刚玉砖的温度越高,其导电率越大。各种ZrO2含量的锆刚玉砖的导电率是有差别的,通常,当ZrO2含量减少时,导电率升高。当温度为1400℃时,ZrO232%砖的导电率比53%-55%砖提高10倍,当温度为400℃时,提高100倍。

对于已使用过的电熔锆刚玉砖来说,其各部位的导电率是不同的,通常与玻璃液接触一面的导电率最高,随着离接触一面的距离增大,导电率逐渐下降。

②电熔锆刚玉砖导热系数与温度的关系见图5.3。

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图5.3 电熔锆刚玉砖导热系数与温度的关系

图5.4电熔锆刚玉砖的线膨胀系数与温度的关系③电熔锆刚玉砖的线膨胀系数与温度的关系见图5.4。 ④电熔锆刚玉砖的侵蚀速率与温度的关系5.5。

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图5.5电熔锆刚玉砖的侵蚀速率与温度的关系

5.3 电熔刚玉砖

主要品种有：α—βAl2O3砖，αAl2O3砖，βAl2O3砖。 (1)电熔刚玉砖的牌号见表5.4。 表5.4 系列 成分 α—Al2O3 β—Al2O3 α—β-Al2O3砖 法国牌号 日本旭硝子 日本东芝 美国金刚石 JargaL-H MB-V H M H M 刚玉质 （） JargaL-M MB-G ①α—Al2O3砖。α—Al2O3砖没有玻璃相,以α—Al2O3为主,但其中也有少量的β—Al2O3，这些砖在达1850℃时都处于稳定状态，而且其电阻率是所有材料中最高的。它对熔融玻璃的耐蚀能力低于锆刚玉材料，但高于β—Al2O3材料。它们的气孔率也较高。这类材料的产品有匈牙利的Gorvisito和美国的MonofaxA。美国的MonofaxA材料结构紧密，气孔率低于5%，由于这些材料在与玻璃液接触时不会透出大量的气泡，所以主要用在决定玻璃液质量的电熔窑成型部。

这些砖通常含18%～55% 的βAl2O3和2%的玻璃相，虽然对玻璃液的耐蚀能力不如锆刚玉砖，但它们在低温时很少形成气泡或排出结石，因而特别适用于窑的成形部。

②β—Al2O3砖。因为它们对高温下的碱性蒸汽抵抗性特别好,适用于电助熔窑的上层结构，火焰窑的胸墙、小炉和承载部位，但耐玻璃的侵蚀性却较差。

③α—βAl2O3砖。晶相结构是45%～55%α—Al2O3相、45%～60%β—Al2O3相。耐玻璃液的侵蚀能力强（略逊于α—Al2O3砖），对高温下的碱性蒸气抵抗性也好。

(2)电熔刚玉砖的成分见表5.5。 表5.5

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成分 SiOAl2Fe2O3 Na22 O3 +CaO+MgO2 O (α—Al2O3) 0.5 99.1 0.03 0.3 β—Al2O3 0.1 94.6 5.3 α—β Al2O3 1.0 95.3 0.357 3.6 (3)电熔刚玉砖的晶相组成见表5.6。 表5.6 砖晶相组成（%） 玻璃相 β-Al2O3 α-Al2O3砖氧化铝（刚玉） JARGAL2 53 45 -M JARGAL＜0.5 97.5 2 -H (4)电熔刚玉砖的物理性能。

①电熔刚玉砖的电导率温度的曲线见图5.6。

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图5.6电熔刚玉砖的电导率温度的曲线

②电熔刚玉砖导热系数与温度的关系见图5.7。

图5.7电熔刚玉砖导热系数与温度的关系

③电熔刚玉砖的线膨胀系数与温度的关系见图5.8。

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图5.8电熔刚玉砖的线膨胀系数与温度的关系

④电熔刚玉砖的侵蚀速率与温度的关系见图5.9。

图5.9电熔刚玉砖的侵蚀速率与温度的关系

5.4 电熔锆铬刚玉砖（AZCS）

这种耐火材料对玻璃液有显著抵抗能力，它不含任何玻璃相。它的耐蚀能力超过其它所有的材料。不足之处是它含有较高的Cr2O3，会一定程度地污染玻璃。因此这些砖只适用于如流液洞、池窑液面线的上排砖、加料口以及深色和浅色玻璃池窑里的鼓泡砖等。牌号有ER2161（法）。

(1)电熔锆铬刚玉砖（AZCS）的组成见表5.7。 表5.7 成分 SiO2 Na2O Al2O3 Fe2O3+ MgO TiO2+ CaO ZrO2 Cr2O3 132

ER21614．5 1.1 28 2.4 0．2 27 1 K-3 1.6 58.6 5.9+6.1 E 1.7 6.5 5.9+7.4 (2)电熔锆铬刚玉砖（AZCS）的晶相组成见表5.8。 表5.8 晶相组成（%） 无定形硅酸盐相 氧化锆 固溶体（Al2O3- Cr2O3） ER21620 27 53 1 (3)电熔锆铬刚玉砖的物理性能。

图5.10电熔锆铬刚玉砖的电导率温度的曲线 1 电熔锆铬刚玉砖的电导率温度的曲线见图5.10。 ②电熔锆铬刚玉砖导热系数与温度的关系见图5.11。

27 27.1 77.7 133

图5.11电熔锆铬刚玉砖导热系数与温度的关系

图5.12电熔锆铬刚玉砖的线膨胀系数与温度的关系③电熔锆铬刚玉砖的线膨胀系数与温度的关系见图5.12。 ④电熔锆锆铬刚玉砖的侵蚀速率与温度的关系见图5.13。

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图5.13 电熔锆铬刚玉砖的侵蚀速率与温度的关系

5.5 电熔石英砖

熔化低碱玻璃，一般要用电熔石英砖做窑池，电熔石英砖的典型特点是热膨胀性小，电阻率高，它的性能对电加热窑比较有利。在1150℃温度以上，电熔石英砖的结晶相为方石英；而同时在升温中获得较高的抗变形性和耐蚀性。因此，电熔石英砖在未与玻璃液接触之前，即还未向窑里投料时就转变成了方石英。 5.6 电熔锆英石砖

(1)电熔锆英石砖的牌号见表5.9。 表5.9 系列 成分 中国 BZS-65 电熔锆英石砖 Al2O3 ZrO2 65.48 SiO2 >65 > 65.5 66.5 66.2 65.2 65.13 ZS-Z（A） <33 <34 日本 ZS-Z（B） ZETA-AH 32.5 32.8 ZBK ZBK-L 32.6 德国 ZS65AK 32.91 33.69 TZB (2)电熔锆英石砖的使用和性能，生产硼硅酸盐和乳浊玻璃最好采用组成相当于纯锆英石(ZrSiO4)的锆质耐火材料，用注浆法或等静压法制造，其用途取决于各自的外观气孔率。气孔范围8%～11%(体积密度3.92g/cm3)用于熔制和成形硼硅酸盐玻璃时衬砌窑底、流液洞、成形部和料道。这些耐火材料进入玻璃液的气泡很少，而且不使玻璃液着色。外观气孔率达1%(体积密度4.22 g/cm3)的致密锆英石质耐火材料Zircon无气泡进入玻璃液。而且不会使玻璃着色，它用于砌筑硼硅酸盐玻璃和E玻璃(用于玻璃纤维)的熔窑，适合于做池壁、池底和流液洞。锆英石质耐火材料Zircon具有非常好的耐温度变化性能和很高的电阻率。 5.6 耐火材料的钻孔

电极砖的质量要求较严。利用人工晶体钻头在普通的125摇臂钻上（要加工一个连接卡头）钻一个稍大于电极套且向上倾斜5度的孔。上倾的目的是利于冷却水在电极套中循环和不形成集流而排出，防止冷却水在保护套中停顿，以减少水垢的形成。钻孔时，将电极砖固

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定在一个与钻床工作台面呈5度的特制台面上。此台面又固定在钻床的工作台面上，以防位移和旋转。采取手控进刀法切削钻孔，由于电极砖具有较高的硬度，故采取研磨性切削。为了克服钻进过程中发热使钻头退火而损坏，以及让研磨中出现的砖屑顺利排出，必须在钻进时随同钻头不间断地向钻孔中进水，且由于电极砖的砖屑远大于水，随着钻入量的加大，沉积将逐渐增加，而影响钻削速度，为此每进3～4mm就抬起钻头让水将钻下的粉末冲净再行入钻。

4.1玻璃电熔窑的熔化电源

4玻璃电熔窑的电源选择

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用电能来熔化玻璃，还应该考虑到供电系统的形式。对于座落在工业中心的玻璃工厂，供电系统会受到其它大容量用电负荷引起的瞬间冲击。即使在玻璃工厂内部，当供电系统处于满负荷状态时，也会产生类似情况，例如马达启动就可能引起电源电压波动。因此设计玻璃工厂的控制系统时应该考虑这些重要的因素。

无论哪一种配电网络都牵涉到瞬变电压保护系统。此外，超过功率控制元件额定值的峰值反向电压引起的电压瞬变，对于可控硅元件和功率控制系统都很危险。在一些线路的功率控制系统中，电压瞬变会引起误触发，以至形成一个对系统输出不利的直流分量。如果功率控制系统在变压器的一次侧，误触发能引起变压器饱和，而危及控制系统和变压器。如果控制系统在变压器的二次侧，则输出的直流分量会损害电极。由此可以看出瞬态保护的重要性。 变化的负载系数会影响正常的线路电压，负载高峰期间线路电压低，低峰期间线路电压高。下午和傍晚，当生活用电增加时，负荷处于高峰期；而黎明前由于生活用电少则处于低峰期。但是线路电压的波动不单受生活用电的影响，工业用电对它也有影响。电压波动的效应可由下式计算：P=E2/R。电压向下波动15%，功率下降27.75%；而电压向上波动10%，功率增加21%。输入功率的变化对于小功率控制系统影响不大，但是对于大功率的玻璃电熔系统，影响将是显著的，因为大功率系统对熔化的稳定性和供电质量均有较高的要求。 4.2 玻璃电熔窑的应急电源

有些地方，电力供应往往没有保证，经常出现严重的电压波动和长时间的停电现象，这些地方仅由地方电网的一部分供电，或者小型电站供电。所有的一次设备和辅助设备均可经受短时间的断电。电加热电路的隔离开关可跳闸，以起到保护作用；供电恢复正常后，它必须再度复位。一些设备或许还需要通过手动来重新启动。如电极冷却装置等自动重新启动。如果出现了持续很久的供电故障，必须作出是否需要维持此期间的生产或进行熔窑保温直至恢复供电的决定。

（1）电网停电时关键设备的供电。电熔窑保温就是仅向控制系统、冷却风机、冷却水泵等关键设备供电，保温时往往停止加料。熔化池可以在较长时间内不加热，虽然温度会降低，但至少在2～3个小时内情况不会变得严重起来，有时需点燃熔窑上部的燃烧系统。 如果玻璃液停止流动或流量减少，那么流液洞和上升道就会趋向于凝固。因而，停电时应向这些部位供电，电熔窑的流液洞和上升道分别由的单相电路供电。在标准负荷状态下，单相电路的最大输出功率约为20～30kW，用于这些区域的变压器，以及其余的控制装置，辅助装置由厂区变电所的低压侧(通常为380V)供电。这些区域的功率可通过变压器一次侧的可控硅进行调节(见图4.1)。

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（2）电网停电时备用电源应急供电。如果出现了电网供电故障，提供较低的功率输入可使电熔窑处于稳定状态。因此，厂内低压配电网应设置应急电源，这样才能保证对必要的设备继续供电。如果不考虑电熔窑供电电源的话，那么配用电源需要约为50～100kW。考虑流液洞变压器、上升道变压器、控制系统和冷却风或冷却水系统的变压器达到合理的三相平衡。

图4.1全电熔窑备用发电机系统总布置图

最简便的办法是采用柴油发电机作应急电源。电网断电或电网供电电压波动超过正常生产可接受的程度时，自动启动柴油发电机。大多数电熔窑保温用设备采用手动启动，因为这是最经济的解决办法。如果在停电过程中需维持生产，情况就更为复杂。应急电源的容量必须满足向所有生产过程供电，而且应急电源应迅速接通，以便不影响连续的成形操作。 如只考虑电熔窑，熔化池电力需求远超过其它部分，熔化池的耗电量约为59kWh—630 kWh/t玻璃(取决于玻璃品种)，约等于25kW/d·t玻璃(连续)，电熔窑结构热损失除外。小型的铅晶质玻璃电熔窑，如生产能力为15t/d，包括热损失在内的熔化池总的电力需求约为600kW。一座生产能力为60 t/d的硼硅酸盐大型玻璃电熔窑的熔化池可能需要2500kW。

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图4.2 用于连续生产的电熔窑的备用发电设备

任何用于维持生产的发电装置应能连续工作。考虑到维修和故障时通常需要更多的发电量，所需的更多发电量可以采用发电机供电，也可以将工作负荷分配到几个发电机上，所有发电机均在最大额定能力以下工作，这样每台发电机都可离线维修。

大多数较大的电熔窑的熔化部是三相的，因此不存在严重的配电平衡问题(如图4.2)。在发电机和前面所说的电熔窑主变压器之间需要有一台升压变压器，这种变压器通常同高压电源连接。铅晶质玻璃应用单相的熔化池。如果不能够利用厂内的与主变压器反相位的发电设备来获得负载平衡的话，就必须使用特殊的平衡装置。发电设备及其配套的开关和控制装置的安装与维修费用要占全厂费用的相当比例。 4.3功率因数的提高 4.3.1 功率因数补偿方法

按电力部门的要求，企业用电月平均功率因数要达到0．9以上，当功率因数较低时，常采用提高用电设备自然功率因数的办法提高总的平均功率因数。所谓自然功率因数是指未经补偿的实际功率因数。

实际在电力系统经常采用的补偿功率因数办法是人工补偿办法,即用并联电力电容的方法来减小无功功率,提高功率因数。

电路中电力电容并联与电阻并联计算方法相同，总阻抗要减少，根据公式ic=Uc/Xc 电容电流ic与容抗Xc成反比,可见电容电流要增大,这不但能补偿负载的电感电流，又使总的无功电流减小。根据无功功率的计算公式Q=UIcosψ 线路的无功功率与电流成正比，则无功功率将减小，这样功率因数必然增大。

电容器在电路中串容量减小，并容量增大。因此在电力系统中并联补偿电容，实际上是增大总容量。根据公式XC=1/2πfc( f电流频率，c是电容)，可见电容与容抗成反比，即电容增大，容抗减小，功率因数增大。cosψ=R/Z（R是电路的电阻，Z是阻抗值）。常用的静电电容人工补偿有三种方法：单独就地补偿、低压分组补偿、高压集中补偿。

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图4.3单独就地补偿电路

（1）单独就地补偿。这是将并联电容器组和需要补偿的用电设备就近安装在一起，并与用电设备同用一组开关控制，电容器组与用电设备同时运行或同时退出（如图4.3）。

这种补偿方式能够补偿安装部位前面所有高低压线路和变压器的无功功率，其补偿范围较大，效果较好。但当用电设备停止工作时，电容器组也停止工作，容易造成投资大，利用率低的后果。

图4.4低压分组补偿电路

(2)低压分组补偿。这种补偿是将低压电容器装没在车间配电所的低压母线上（见图4.4）。低压分组补偿，能补偿低压母线以前（车间变电所变压器和前面高压线路及电力系统）的无功功率，也可补偿车间配电所前低压线路和主变压器和高压线路的无功功率，补偿范围相对较大，能使企业主变压器和车间变压器容量减小，电容器组的利用率比较高，补偿中电容器组用220V，15～25W白炽灯灯丝电阻来放电兼指示灯。

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图4.5高压集中补偿电路

(3)高压集中补偿。这是把高压电容器组装设在工厂变配电所的10kV母线上（如图4.5所示）。这种补偿不能对厂内线路无功功率进行补偿，但能对高压母线前主变压器、高压线路和电力系统无功功率进行补偿，能有效地提高功率因数。这种补偿投资少，便于集中管理，在大企业中广泛采用。高压集中补偿中的电容器组是利用高压母线上电压互感器的一次绕组电阻放电。为防止高压击穿，在电容器组中接有熔断器FU作短路保护。为防止串联谐振也可适当串联电流器。 4.3.2 功率因数的计算

功率因数的计算。企业用电负荷的功率因数，常常随着负荷性质的变化、电压的波动而不断变动。改善供电质量，提高功率因数，已是企业维持正常生产的必要举措。那么如何用最简单的办法求出功率因数，从而进行合理补偿呢？

（1）瞬时功率因数。所谓瞬时功率即用户在某一时刻的实际功率因数，其数值可以由用户在线路上的功率因数表（相位表）上直接读出来，也可通过线路上的有功功率表、电压表、电流表测得的瞬时数值求出来。各种测量和计量仪表的技术数据可参考表4.1。

表4.1－些测量和计算仪表的技术数据

仪表名称 仪表型号 线圈电流（A） 电流表 电压表 三相有功因素表 1T1—A 1T1—V 1D1—W 5 5 电流线圈 二次负荷（Ω 0.12 0.058 每相消耗功率(VA) 3 1.45 线圈电压线圈 线圈电每相消耗cosψ 线圈数目 1 1 1 2 1.5 1.5 2.5 等级 数目 压（V） 功率(VA) 1 2 100 100 4.5 0.75 141

三相无功因素表 三相三线有功电度表 三相三线无功电度表 功率因数表 频率表 有功功率记录表 无功功率记录表 电流表 电压表 有功功率表 无功功率表 1D1—VAR DS1、LS2、DS8 DX1、DX2、DX8 1D1—cosψ 1D1—HZ LD6—W LD6—VAR 16L1—A 16L1—V 16D3—W 16D3—VAR 5 5 0.058 0.06 1.45 0.5 2 2 100 100 0.75 1.5 1 0.38 2 2 2.5 0.5 5 0.02 0.5 2 100 1.5 0.38 2 0.5 5 0.02 3.5 0.5 1.5 1.5 2 2 1 2 2 100 100 100 100 100 100 0.75 0.3 1.0 1.0 线

1 1 1 1 2 1 2 2 2.5 瞬时功率因数可以用下面公式计算。即三相电路有功功率：P=1.732Ucosψ=P/1.732U

线

I 线cosψ，即

I 线 式中P是有功功率表读数；U线是线路上电压表读数；I 线是线路上

线

电流表读数；1.732UI 线是三相负载的视在功率。观察仪表计算出功率因数值，可以帮助

企业掌握功率因数的变化规律，以便进行相应补偿和修改同类设计。

（2）月平均功率因数。这是指在某一月内功率因数的平均值，其数值可由有功电度表、

无功电度表的月积累数。按下式求得：cosψ=

WWWP2P22Q。式中，WQ是无功电度表月积

累数，WP有功电度表月积累数。月平均功率因数是电业部门调整收费标准的依据。比如有的电业部门把功率因数定在0.9，那么低于0.9的部门将要受到警告和罚款。

（3）自然功率因数和总的功率因数。自然功率因数指没有进行人工补偿的功率因数，总功率因数指安装人工补偿装置后的功率因数，总功率因数分为瞬时功率因数和月平均功率因数两种。在测得功率因数不足进行人工补偿时，如何确定补偿容量呢?下面对此问题作一介绍。

4.3.3 补偿容量的确定

通过前面的叙述可知，选取合适的功率因数，是提高企业经济效益的一项必要举措。而

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提高功率因数的常用办法，是在线路和电器设备上串联成并联电容器。电容器的容量可决定其它电力负荷的大小，要增加电力负荷，必然要对电容器的容量进行补偿。因此，我们在用电容器进行无功功率补偿时，要适当选择电容器的容量，确定补偿前的功率因数cosψ1，和补偿后要达到的功率因数cosψ2；通过以下办法求出补偿容量。

图4.6诺模图

（1）计算方法。首先通过功率率表测出电熔窑在最大负荷时月平均有功功率，有功功率用符号PZ（kW）表示。测出补偿前的平均自然功率因数cosψ1，其功率因数角为ψ1，补偿后要达到的功率因数cosψ2，其功率因数角为ψ2，则补偿电容量可用下式计算：Qc=PZ（tgψ1- tgψ2）。式中，tgψ1是补偿前自然功率因数角正切，tgψ2是补偿后平均功率因数角正切，Qc是需补偿的电容器容量，PZ是最大负荷月平均有功功率，通常把k=tgψ1- tgψ2叫做补偿率。 （2）利用图表求补偿率。①如图4.6诺模图。由三条坐标轴线组成，cosψ1是补偿前功率因数坐标轴线，k=tgψ1- tgψ2坐标线也是补偿率坐标线，cosψ2是补偿后的坐标线。使用方法是：先在cosψ1上选取补偿前功率因数值对应点，再在cosψ2选取要达到的功率因数值对应点，从两坐标轴上两对应点连一直线，与K轴交点的k值即是补偿率。Qc=kPZ 。 ②查表。查找补偿率表4.2，竖项cosψ1中各数，是补偿前各功率因数值，横项cosψ2是补偿后功率因数值，中间各项是补偿率k值。比如：cosψ1=0.6，cosψ2=0.85 ，则补偿率k=0.71，代入公式Qc=kPZ即可求出补偿容量Qc。

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表4.2查找补偿率表

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