我國玻璃電熔現(xiàn)狀及發(fā)展方向（下） - 包裝瓶網--專業(yè)的瓶子、瓶蓋交易網站--買瓶子、賣瓶子

(1)高硼硅玻璃熔化特點
高硼硅玻璃在科學實驗和日常生活中有著廣泛的用途，其制品有：各種燒器、量器、各種實驗室用分析食品及各種玻璃化工管道。在科研教學單位的實驗室、工礦企業(yè)及太陽能綜合利用設備上都可以見到用高硼硅玻璃制做的各種產品。由于高硼硅玻璃產品用途的特殊性，決定了這種玻璃必須具備有良好的熱穩(wěn)性和化穩(wěn)性。，目前國內外高硼硅玻璃的化學組成基本上如下表1所列。
表1 國內外高硼硅玻璃的化學成分及熱膨脹系數(shù)α
牌號
國別
化學成份
熱膨脹系數(shù)a （0-300 ℃）

SiO2
B2O3
Al2O3
CaO
K2O
Na2O

派來克斯PYREX-7740
美國
80.5
12.6
2.1
0.1
　
4.5
32×10-7/℃

杜朗DuRuN-50
西德
80.5
12.5
2.5
0.5
　
4.0
32×10-7/℃

西馬克斯SIMAX
捷克
81
12.6
2.0
0.1
　
4.0
32×10-7/℃

派來克斯PYREX
法國
80.5
13
2.25
0．1
1.15
3.15
32×10-7/℃

北京特硬料BT-TY（GG-17）
中國
80.7
12.5
2.2
0.6
　
4.0
32×10-7/℃

從表1中可以看出，這種玻璃有一個共同點：都含有超過80%的SiO2和超過10%的B2O3。高含量的SiO2和低含量的Na2O使玻璃結構中的硅氧四面體多以大型四面體的形式存在，四面體間多以硅氧鍵的形式相連接。而且，12%～13%含量的B2O3又可以使結構中被Na2O切斷的網絡一大部分又以B O三角體結構連接起來。這樣，就使得高硼硅玻璃的粘度很大(見表2)。
表2 高硼硅玻璃和普通鈉鈣硅玻璃粘度參考點對比
參考點
種類
操作點
103帕.秒
軟化點
106.6帕.秒
退火點
1012帕.秒
應變點
1013.5帕.秒

高硼硅玻璃
1252
821
560
510

普通鈉鈣硅玻璃
1005
696
514
473

(a) 熔化溫度高(粘度在10ρa·s時其溫度>1680℃)。由于熔化速度的快慢是和配合料中的石英顆粒的熔解速度直接關聯(lián)的，而熔體的粘度大則減慢了SiO2從石英顆粒表面向周圍的擴散運動。于是，為降低熔體的粘度，只有提高溫度。但就目前窯爐大碹材料來看，要使其熔化溫度達到1700℃以上是不實際的。因此，只能延長熔化時間。根據(jù)計算，PyREx玻璃的熔化速度常數(shù)高達7.9，而且熱能消耗很高(12000KCal/Kg玻璃)。國內這種玻璃的熔化率只有0.2～0.3T/m2·d左右。
(b)熔化過程中的玻璃液分層問題。由于普通火焰加熱池窯的下層沒有熱源，隨著池深增加，溫度越來越低。這樣，下層玻璃液的流動性也就越來越差，使成分中比重較大的Al2O3等組分容易下沉，形成含Al2O3量高的變質層。當溫度、液流變化時，容易被裹入玻璃液流形成條紋等缺陷。另外，由于SiO2的含量很高，在溫度較低的區(qū)域，還易出現(xiàn)析晶，從而形成結石。
(c)B2O3的揮發(fā)是高硼硅玻璃熔制過程中的又一特點。B2O3揮發(fā)使玻璃液表層形成一層富硅玻璃，不但影響到玻璃的化學組成，而且B2O3的揮發(fā)量隨溫度的升高而增加，這對于高硼硅玻璃需要高溫熔制無疑是不利的。當操作條件發(fā)生變化時，這層富硅玻璃如被帶入成型流，就會在產品中產生條紋、結石等缺陷。
(d)由于以上這些特點，構成了高硼硅玻璃的難熔性。所以，至今為止，國內大多數(shù)廠家都還局限于小型火焰池窯和坩堝窯進行熔化供給人工吹制成型的小批量生產，能耗大，成品率低，工人勞動強度大。為了滿足市場需求，提高我國的熔化技術水平，國內玻璃界一直在試圖解決這一難題。
(e)想熔化出高質量的高硼硅玻璃，一個重要的途徑就是提高玻璃液的溫度，但是考慮到火焰空間耐火材料的承受能力，單純依靠火焰加熱難于將玻璃液加熱到1650℃以上，國外對這種玻璃的熔制已普遍采用了電助熔和全電熔兩種熔化方式(2) 用電熔窯熔化硼硅玻璃的優(yōu)越性
我國熔制硼硅酸鹽玻璃的電熔窯大多為小型窯，冷頂電熔窯與火焰窯相比具有節(jié)能、提高質量、降低成本等顯著的優(yōu)越性。
（1）小型電熔窯有較好的經濟性，以日產2.0噸的高硼硅玻璃球窯為例,從燃料和硼揮發(fā)兩頂進行比較如表3
表3
生產方式
項目
火焰窯
熱頂電熔窯
冷頂電熔窯

硼揮發(fā)%
18
10
3

窯的熱效率%
6.5
40
60

(2)玻璃質量好，在火焰池窯中由于窯溫、窯壓、氣氛和產量等工藝條件發(fā)生變化，都要引起硼的揮發(fā)率的變化，使玻璃不均勻。同時火焰窯和熱頂電熔窯，硼的揮發(fā)嚴重腐蝕了上部結構，不但縮短了窯爐的壽命，而且碹滴落入玻璃窯內，影響了玻璃質量。冷頂電熔窯完全可以避免上述弊病，獲得高質量的玻璃。
3.3.4 熔制氟乳濁玻璃的全電熔爐
(1)熔化乳白玻璃的特點
（a）乳白玻璃一般都含有大量極易揮發(fā)的組分，如氟化物等。在常規(guī)火焰加熱的熔窯中，當火焰掠過玻璃液表面時，就會有相當數(shù)量的揮發(fā)性成分被帶走，經過煙道，升入煙囪跑掉，既損失了大量的寶貴原料，又造成了空氣污染。同時，由于揮發(fā)損失，使得表層玻璃在成分上變得與其下面的深層玻璃差異很大，結果造成了玻璃成分的不均勻。
（b）氟化物玻璃對電極及耐火材料的侵蝕嚴重。
(2)電熔窯熔化乳白玻璃是最好的選擇
當采用全電熔工藝時，熱量是在配合料下面釋放出來的，各配合料組分產生的氣體要通過配合料層向上逸出。由于配合料溫度較低，各揮發(fā)分的氣體就會凝聚在冷的配合料中，而不會揮發(fā)掉，從而使通過流液洞流出的玻璃液能與投入熔窯的配合料在成分上基本保持一致，而使產品的化學成分穩(wěn)定。另一方面，由于減少了揮發(fā)，節(jié)約了寶貴的原料，從而使原料成本降低。在常規(guī)燃料火焰加熱的情況下，配合料中氟化物有大約40%因揮發(fā)而損失掉。而采用全電熔時，氟化物的揮發(fā)量僅為2%。
(3)電熔窯熔化乳白玻璃時澄清劑的選擇
由于普通玻璃常用的澄清劑As2O3和Na2SO4在高溫下氧化能力很強，能使鉬電極氧化，特別是Na2SO4在高溫下分解出O2和SO2的混合體，與鉬反應生成MoO3和MoS4，對鉬電極的侵蝕嚴重。因此選擇硝酸鹽作為澄清劑，其主要優(yōu)點是：(1)硝酸鹽熔點低，分解溫度低，在配合料的燒結過程中就能與廢玻璃的表面作用，因此對廢玻璃的澄清效果明顯。(2)硝酸鹽的引入，可促使Fe2+向Fe3+轉化，有利于乳白色廢玻璃的脫色。(3)硝酸鹽的分解反應是在配合料玻璃液的交界面進行的。因此放出的氧氣只是集聚在玻璃液上部，對鉬電極的侵蝕作用小。
(4)電熔窯熔化乳白玻璃時乳濁劑的選擇
乳白玻璃可以通過引入氟化物、磷酸鹽和高折射氧化物等方式來獲得。考慮到電熔窯的特點和原料來源，選擇氟化物為乳濁劑。為了保證制品具有一定的白度，乳濁劑的含量(以F-計算)以4～5%為宜。乳濁劑用量過低時，玻璃半透明、白度偏低；用量過高時，玻璃的白度并無明顯增大，反而易出現(xiàn)析晶，嚴重時會使制品表面變得粗糙。
由于氟化物的揮發(fā)是隨熔化溫度提高而急劇增大的，因此，一般乳濁玻璃的R2O含量都較高，以降低熔化溫度，減少氟化物的揮發(fā)。為了促進乳濁，改善析晶能力，提高制品光澤，引入一定量的K2O。考慮到電熔對玻璃液電阻的需求和成形工藝的要求，白色玻璃中R2O的含量約為18～19%。
3.3.5 熔制有色玻璃的的全電熔爐
深色玻璃對熱射線有強烈吸收作用，因而采用常規(guī)表面輻射加熱方法，熔化深色玻璃時，常常會出現(xiàn)熱滲透問題。輻射能減少與玻璃顏色有關，當熔化透明窗玻璃時，在玻璃液面下30～60mm處，輻射能只減少10%，而熔化綠色玻璃時，在液面下4～6mm處，輻射能就減少了10%。玻璃內含鐵量對透熱性影響極大，2mm厚的無色玻璃透過率約為85%。當Fe2O3含量達到1.5%時，玻璃透過率可降至28%。玻璃顏色越深，透熱性越差。表層玻璃液吸收熱量多，在池深方向的溫度梯度就較大。因此深層玻璃液溫度過低，往往造成熔化困難和出現(xiàn)析晶。
玻璃的強烈著色降低了玻璃熔體的透熱性，均勻加熱玻璃熔體是非常困難的，而均勻加熱玻璃熔體恰是獲得高質量產品所必須的。因此，有色的玻璃基本上是在坩堝中熔化的，在規(guī)定的溫度下熔體在坩堝爐中須經長時間的加熱才能達到要求。
而在全電熔的狀態(tài)下，熱能是從玻璃體內釋放的，電流可以相當均勻地通過大部分玻璃，所以只會出現(xiàn)很小的溫度差。熔化高鐵含量的琥珀色玻璃時，靠近池底的玻璃溫度只比靠近表面的玻璃低約14℃。氧化鐵含量高達12%的玻璃和氧化鉻含量達1.3%的玻璃都可順利熔化。電熔窯開創(chuàng)了生產這種玻璃的新時代。
有色的玻璃由于熔體的透熱性低，導致電極層附近過熱，因此在給定條件下盡量將電極的電流密度降至0.5A/cm2，盡可能均勻分配電流，通常采用板狀電極電熔窯。
作者介紹：陳金方（1963），男，江蘇泰興人，碩士，江蘇大學副教授，中國硅酸鹽學會玻璃專業(yè)委員會窯爐組專家，《玻璃的電熔化與電加熱》編著。主要從事玻璃電熔窯方面的研究和設計工作





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