我国玻璃电熔现状及发展方向（下） - 包装瓶网--专业的瓶子、瓶盖交易网站--买瓶子、卖瓶子

(1)高硼硅玻璃熔化特点
高硼硅玻璃在科学实验和日常生活中有着广泛的用途，其制品有：各种烧器、量器、各种实验室用分析食品及各种玻璃化工管道。在科研教学单位的实验室、工矿企业及太阳能综合利用设备上都可以见到用高硼硅玻璃制做的各种产品。由于高硼硅玻璃产品用途的特殊性，决定了这种玻璃必须具备有良好的热稳性和化稳性。，目前国内外高硼硅玻璃的化学组成基本上如下表1所列。
表1 国内外高硼硅玻璃的化学成分及热膨胀系数α
牌号
国别
化学成份
热膨胀系数a （0-300 ℃）

SiO2
B2O3
Al2O3
CaO
K2O
Na2O

派来克斯PYREX-7740
美国
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/℃

西马克斯SIMAX
捷克
81
12.6
2.0
0.1
　
4.0
32×10-7/℃

派来克斯PYREX
法国
80.5
13
2.25
0．1
1.15
3.15
32×10-7/℃

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

从表1中可以看出，这种玻璃有一个共同点：都含有超过80%的SiO2和超过10%的B2O3。高含量的SiO2和低含量的Na2O使玻璃结构中的硅氧四面体多以大型四面体的形式存在，四面体间多以硅氧键的形式相连接。而且，12%～13%含量的B2O3又可以使结构中被Na2O切断的网络一大部分又以B O三角体结构连接起来。这样，就使得高硼硅玻璃的粘度很大(见表2)。
表2 高硼硅玻璃和普通钠钙硅玻璃粘度参考点对比
参考点
种类
操作点
103帕.秒
软化点
106.6帕.秒
退火点
1012帕.秒
应变点
1013.5帕.秒

高硼硅玻璃
1252
821
560
510

普通钠钙硅玻璃
1005
696
514
473

(a) 熔化温度高(粘度在10ρa·s时其温度>1680℃)。由于熔化速度的快慢是和配合料中的石英颗粒的熔解速度直接关联的，而熔体的粘度大则减慢了SiO2从石英颗粒表面向周围的扩散运动。于是，为降低熔体的粘度，只有提高温度。但就目前窑炉大碹材料来看，要使其熔化温度达到1700℃以上是不实际的。因此，只能延长熔化时间。根据计算，PyREx玻璃的熔化速度常数高达7.9，而且热能消耗很高(12000KCal/Kg玻璃)。国内这种玻璃的熔化率只有0.2～0.3T/m2·d左右。
(b)熔化过程中的玻璃液分层问题。由于普通火焰加热池窑的下层没有热源，随着池深增加，温度越来越低。这样，下层玻璃液的流动性也就越来越差，使成分中比重较大的Al2O3等组分容易下沉，形成含Al2O3量高的变质层。当温度、液流变化时，容易被裹入玻璃液流形成条纹等缺陷。另外，由于SiO2的含量很高，在温度较低的区域，还易出现析晶，从而形成结石。
(c)B2O3的挥发是高硼硅玻璃熔制过程中的又一特点。B2O3挥发使玻璃液表层形成一层富硅玻璃，不但影响到玻璃的化学组成，而且B2O3的挥发量随温度的升高而增加，这对于高硼硅玻璃需要高温熔制无疑是不利的。当操作条件发生变化时，这层富硅玻璃如被带入成型流，就会在产品中产生条纹、结石等缺陷。
(d)由于以上这些特点，构成了高硼硅玻璃的难熔性。所以，至今为止，国内大多数厂家都还局限于小型火焰池窑和坩埚窑进行熔化供给人工吹制成型的小批量生产，能耗大，成品率低，工人劳动强度大。为了满足市场需求，提高我国的熔化技术水平，国内玻璃界一直在试图解决这一难题。
(e)想熔化出高质量的高硼硅玻璃，一个重要的途径就是提高玻璃液的温度，但是考虑到火焰空间耐火材料的承受能力，单纯依靠火焰加热难于将玻璃液加热到1650℃以上，国外对这种玻璃的熔制已普遍采用了电助熔和全电熔两种熔化方式(2) 用电熔窑熔化硼硅玻璃的优越性
我国熔制硼硅酸盐玻璃的电熔窑大多为小型窑，冷顶电熔窑与火焰窑相比具有节能、提高质量、降低成本等显著的优越性。
（1）小型电熔窑有较好的经济性，以日产2.0吨的高硼硅玻璃球窑为例,从燃料和硼挥发两顶进行比较如表3
表3
生产方式
项目
火焰窑
热顶电熔窑
冷顶电熔窑

硼挥发%
18
10
3

窑的热效率%
6.5
40
60

(2)玻璃质量好，在火焰池窑中由于窑温、窑压、气氛和产量等工艺条件发生变化，都要引起硼的挥发率的变化，使玻璃不均匀。同时火焰窑和热顶电熔窑，硼的挥发严重腐蚀了上部结构，不但缩短了窑炉的寿命，而且碹滴落入玻璃窑内，影响了玻璃质量。冷顶电熔窑完全可以避免上述弊病，获得高质量的玻璃。
3.3.4 熔制氟乳浊玻璃的全电熔炉
(1)熔化乳白玻璃的特点
（a）乳白玻璃一般都含有大量极易挥发的组分，如氟化物等。在常规火焰加热的熔窑中，当火焰掠过玻璃液表面时，就会有相当数量的挥发性成分被带走，经过烟道，升入烟囱跑掉，既损失了大量的宝贵原料，又造成了空气污染。同时，由于挥发损失，使得表层玻璃在成分上变得与其下面的深层玻璃差异很大，结果造成了玻璃成分的不均匀。
（b）氟化物玻璃对电极及耐火材料的侵蚀严重。
(2)电熔窑熔化乳白玻璃是最好的选择
当采用全电熔工艺时，热量是在配合料下面释放出来的，各配合料组分产生的气体要通过配合料层向上逸出。由于配合料温度较低，各挥发分的气体就会凝聚在冷的配合料中，而不会挥发掉，从而使通过流液洞流出的玻璃液能与投入熔窑的配合料在成分上基本保持一致，而使产品的化学成分稳定。另一方面，由于减少了挥发，节约了宝贵的原料，从而使原料成本降低。在常规燃料火焰加热的情况下，配合料中氟化物有大约40%因挥发而损失掉。而采用全电熔时，氟化物的挥发量仅为2%。
(3)电熔窑熔化乳白玻璃时澄清剂的选择
由于普通玻璃常用的澄清剂As2O3和Na2SO4在高温下氧化能力很强，能使钼电极氧化，特别是Na2SO4在高温下分解出O2和SO2的混合体，与钼反应生成MoO3和MoS4，对钼电极的侵蚀严重。因此选择硝酸盐作为澄清剂，其主要优点是：(1)硝酸盐熔点低，分解温度低，在配合料的烧结过程中就能与废玻璃的表面作用，因此对废玻璃的澄清效果明显。(2)硝酸盐的引入，可促使Fe2+向Fe3+转化，有利于乳白色废玻璃的脱色。(3)硝酸盐的分解反应是在配合料玻璃液的交界面进行的。因此放出的氧气只是集聚在玻璃液上部，对钼电极的侵蚀作用小。
(4)电熔窑熔化乳白玻璃时乳浊剂的选择
乳白玻璃可以通过引入氟化物、磷酸盐和高折射氧化物等方式来获得。考虑到电熔窑的特点和原料来源，选择氟化物为乳浊剂。为了保证制品具有一定的白度，乳浊剂的含量(以F-计算)以4～5%为宜。乳浊剂用量过低时，玻璃半透明、白度偏低；用量过高时，玻璃的白度并无明显增大，反而易出现析晶，严重时会使制品表面变得粗糙。
由于氟化物的挥发是随熔化温度提高而急剧增大的，因此，一般乳浊玻璃的R2O含量都较高，以降低熔化温度，减少氟化物的挥发。为了促进乳浊，改善析晶能力，提高制品光泽，引入一定量的K2O。考虑到电熔对玻璃液电阻的需求和成形工艺的要求，白色玻璃中R2O的含量约为18～19%。
3.3.5 熔制有色玻璃的的全电熔炉
深色玻璃对热射线有强烈吸收作用，因而采用常规表面辐射加热方法，熔化深色玻璃时，常常会出现热渗透问题。辐射能减少与玻璃颜色有关，当熔化透明窗玻璃时，在玻璃液面下30～60mm处，辐射能只减少10%，而熔化绿色玻璃时，在液面下4～6mm处，辐射能就减少了10%。玻璃内含铁量对透热性影响极大，2mm厚的无色玻璃透过率约为85%。当Fe2O3含量达到1.5%时，玻璃透过率可降至28%。玻璃颜色越深，透热性越差。表层玻璃液吸收热量多，在池深方向的温度梯度就较大。因此深层玻璃液温度过低，往往造成熔化困难和出现析晶。
玻璃的强烈着色降低了玻璃熔体的透热性，均匀加热玻璃熔体是非常困难的，而均匀加热玻璃熔体恰是获得高质量产品所必须的。因此，有色的玻璃基本上是在坩埚中熔化的，在规定的温度下熔体在坩埚炉中须经长时间的加热才能达到要求。
而在全电熔的状态下，热能是从玻璃体内释放的，电流可以相当均匀地通过大部分玻璃，所以只会出现很小的温度差。熔化高铁含量的琥珀色玻璃时，靠近池底的玻璃温度只比靠近表面的玻璃低约14℃。氧化铁含量高达12%的玻璃和氧化铬含量达1.3%的玻璃都可顺利熔化。电熔窑开创了生产这种玻璃的新时代。
有色的玻璃由于熔体的透热性低，导致电极层附近过热，因此在给定条件下尽量将电极的电流密度降至0.5A/cm2，尽可能均匀分配电流，通常采用板状电极电熔窑。
作者介绍：陈金方（1963），男，江苏泰兴人，硕士，江苏大学副教授，中国硅酸盐学会玻璃专业委员会窑炉组专家，《玻璃的电熔化与电加热》编著。主要从事玻璃电熔窑方面的研究和设计工作





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