秦麗艷,劉 君

(秦皇島弘華特種玻璃有限公司,秦皇島 066000)

硼硅浮法玻璃是指化學組成中含有7%～15%氧化硼的硅酸鹽板狀玻璃[1]。而全電熔浮法工藝就是窯爐完全采用電加熱熔化硼硅酸鹽玻璃，并使用浮法工藝成型。硼硅浮法玻璃是一種各項性能良好的特種玻璃，其主要推廣領域有：1)特殊性能玻璃：壓力容器液位計、壓力管道視鏡、特種車輛觀察窗等。2)精密光學玻璃：望遠鏡、顯微鏡精密光學元件以及光電儀器等。3)家用電器玻璃：電磁爐、微波爐、烤箱等家電的耐熱玻璃。

隨著硼硅浮法玻璃生產(chǎn)工藝的不斷進步、裝備水平的不斷提高以及生產(chǎn)技術的不斷突破，規(guī)?；?、經(jīng)濟化的硼硅浮法玻璃生產(chǎn)正在逐步實現(xiàn)。

目前，國內大部分硼硅玻璃生產(chǎn)企業(yè)主要生產(chǎn)硼硅玻璃管，而生產(chǎn)硼硅浮法玻璃的企業(yè)數(shù)量較少，就硼硅浮法玻璃的熔制技術而言，大體可分為火焰、火焰電助熔以及全電熔熔窯。

相較于這幾種熔制技術，全電熔技術存在以下優(yōu)勢：首先，無論火焰還是火焰電助熔技術，其使用的主要燃料是油和天然氣等不可再生的化石燃料，而全電熔技術的核心能源為電能，是可再生的清潔能源，從生產(chǎn)伊始便存在清潔優(yōu)勢；其次，火焰和火焰電助熔技術的熱效率較低，存在較大的熱能浪費，一般多通過余熱發(fā)電或廢熱供暖等措施提高利用率，而全電熔技術是內熱式的，靠玻璃液自身導電來實現(xiàn)熔化，熱能利用率高達80%以上，使生產(chǎn)周期更加節(jié)能；再者，火焰和火焰電助熔技術由于主要的熔化途徑為燃燒加熱，燃燒勢必會產(chǎn)生氮氧化物等高溫廢氣，處理困難，對環(huán)境影響較大，而全電熔技術采用電加熱設計，不存在高溫燃燒廢氣，使生產(chǎn)過程更加環(huán)保。不僅如此，燃燒會加大配合料成分中硼的揮發(fā)量，降低了成分中硼含量，為了達到設計要求，不得不加大硼含量的補充，造成資源浪費。

1 硼硅浮法玻璃全電熔窯規(guī)?；谋匾?/h2>

之前，硼硅浮法玻璃生產(chǎn)企業(yè)的全電熔生產(chǎn)線一般噸位較小，多在10 t/d以下。一般用于硼硅浮法玻璃生產(chǎn)用的全電熔窯，按其大小可分為：小型熔窯(10 t/d以下)、中型熔窯(10～30 t/d之間)和大型熔窯(30 t/d以上)。據(jù)調查數(shù)據(jù)顯示，用于硼硅浮法玻璃生產(chǎn)的全電熔窯爐，以30 t/d與10 t/d的相比較，噸玻璃能耗可降低30%左右，不僅如此，如果全電熔窯繼續(xù)朝大型化發(fā)展，那么將會大幅降低硼硅浮法玻璃生產(chǎn)企業(yè)的資金投入、制造成本，使企業(yè)在市場競爭中占據(jù)有利位置。

如今，國家對環(huán)境保護及環(huán)境治理的力度不斷加大，環(huán)保政策要求和規(guī)范也越來越嚴格，發(fā)展清潔生產(chǎn)，使用節(jié)能技術，符合現(xiàn)階段我國的基本能源政策方針，符合國家創(chuàng)建節(jié)約型、科技型社會的施政綱領，符合綠水青山就是金山銀山的環(huán)保理念；同時，隨著人們日益增長的對硼硅浮法玻璃制品質量的高標準、高要求，持續(xù)創(chuàng)新才是企業(yè)的生存發(fā)展之路，硼硅浮法玻璃生產(chǎn)企業(yè)采用全電熔技術，并逐步規(guī)?；纳a(chǎn)已是大勢所趨。

2 硼硅浮法玻璃全電熔窯規(guī)模化面臨的問題

可知，提高電熔窯的熔化量勢必會對輸送電壓進行上浮調整，所以電極電壓的提高對全電熔窯大型化存在一定的限制；在拉引量以及熔窯溫度制度都穩(wěn)定時，玻璃液粘度存在波動(可以在全電熔窯的動態(tài)阻抗上體現(xiàn))，熔化溫度依舊會出現(xiàn)波動；在很高的溫度下進行硼硅玻璃熔制，硼揮發(fā)現(xiàn)象較為嚴重，在玻璃制品中經(jīng)常出現(xiàn)微小氣泡等問題。

除了以上所述的共性問題，硼硅浮法玻璃全電熔技術大型化的主要難點還是熔窯熱環(huán)境難以操控，難以生產(chǎn)出高質量的硼硅浮法玻璃制品。

2.1 熔窯內玻璃液的粘度波動

所有實用硅酸鹽玻璃，其粘度-溫度的變化規(guī)律都屬于同一類型，只是粘度隨溫度的變化速度，以及對應給定粘度的溫度有所不同。在10～1011Pa·s的粘度范圍內，玻璃的粘度由溫度和化學組成所決定，而在1011～1014Pa·s的范圍內，粘度又是時間的函數(shù)[2]。硼硅玻璃其熔化溫度(η=10 Pa·s)高達1 680 ℃，工作溫度在1 250 ℃左右，所以決定全電熔窯內玻璃液粘度的主要條件是熔化溫度和玻璃液自身的化學組成，那么如何使全電熔窯內的溫度場更加穩(wěn)定，玻璃液的均勻性更加充分，玻璃液的流動性更加規(guī)律，是解決粘度波動的核心。

2.2 硼揮發(fā)嚴重

硼酸是一種無機物，化學式H3BO3，為白色粉末狀結晶或三斜軸面鱗片狀光澤結晶，能隨水蒸氣揮發(fā)。加熱至105 ℃左右時形成偏硼酸，于160 ℃左右長時間加熱就會轉變?yōu)榻古鹚?，繼續(xù)提高溫度則形成無水物。

在硼硅玻璃配合料熔化的過程中，有許多的物理、化學以及物化現(xiàn)象，其中一個重要的物理過程就是個別組分的揮發(fā)，包括Na2O、K2O以及B2O3等，所以硼揮發(fā)普遍存在于硼硅浮法玻璃的生產(chǎn)過程中，那么如何降低其揮發(fā)或者回收揮發(fā)物，是所有硼硅浮法玻璃生產(chǎn)企業(yè)所必須面對的、亟待解決的問題。

2.3 硼硅浮法玻璃制品中的氣泡

硼硅浮法玻璃制品中的氣泡是可見的氣體夾雜物，不僅影響玻璃制品的外觀質量，更重要的是影響硼硅浮法玻璃制品的透明性和機械強度。硼硅浮法玻璃制品氣泡根據(jù)尺寸的大小，可分為三個等級：0.5 mm≤直徑≤1 mm；1 mm≤直徑≤2 mm和直徑>2 mm[1]；根據(jù)形狀可以分為球形的、橢圓形的以及線狀的，氣泡主要的變形原因是在玻璃成型過程中造成的；根據(jù)產(chǎn)生原因的不同，又可以分成一次氣泡、二次氣泡、耐火材料氣泡和金屬氣泡等，其中最主要的是一次和二次氣泡。

硼硅浮法玻璃配合料在全電熔窯熔化的過程中，由于各組份一系列的化學反應和易揮發(fā)組分的揮發(fā)，會釋放出大量的氣體。理論上，通過澄清作用，是可以去除玻璃液中氣泡的，但在實際生產(chǎn)的過程中，往往會有一些氣泡沒有完全去除，便形成一次氣泡，其主要成因就是澄清不良；澄清后的玻璃液同溶解于其中的氣體處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)，但當玻璃液在運輸?shù)倪^程中出現(xiàn)條件大幅波動的時候，使原本溶解在玻璃液中的氣泡又重新析出，便形成二次氣泡，其主要成因為溫度波動較大造成了玻璃液溶解度的變化，以及玻璃化學組成中含有極易揮發(fā)的組分(如過氧化鋇、硼酸)。

2.4 硼硅浮法玻璃全電熔窯熱環(huán)境的控制

全電熔熔制硼硅浮法玻璃是所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)中最為重要的、也是最為困難的一個過程。目前，并沒有一個成熟的理論可以驗證，所有企業(yè)都是處于一個理論指導為輔，經(jīng)驗過程為主的階段。

在硼硅浮法玻璃全電熔窯內會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：在一個恒流的全電熔窯系統(tǒng)中，當全電熔窯內某一區(qū)域的溫度升高時，導致該區(qū)域的電極電壓就會升高，那么該區(qū)域玻璃液的粘度降低，流速就會加快，而上層低溫玻璃液的沉降速度也會隨之加快，就會造成該區(qū)域的溫度在一定時間內承下降趨勢，假設該區(qū)域范圍外的環(huán)境恒定，那么該區(qū)域會出現(xiàn)一種溫度的動態(tài)平衡，該曲線是時間的周期函數(shù)。

3 解決方案

3.1 全電熔窯的改進

為了解決由于全電熔窯大型化帶來的上述問題，對全電熔窯進行了改進設計，全電熔窯設計拉引量為45 t/d，12面體，上大下小的T型熔窯結構。該全電熔窯結構改進后占地面積小(僅包括融化池、流液洞和上升道)；熱量散失少，可以大幅降低能耗。

該結構設計加熱方式為側壁和池底插入式電極相結合的方式，在硼硅玻璃熔制過程中，前兩個階段發(fā)生在上層的熔化部，該區(qū)域的反應較為復雜、激烈，在950 ℃左右(依玻璃組份和熔制工藝不同，數(shù)值會有不同)完成硼硅酸鹽的形成，在1 300 ℃左右完成玻璃的形成之后，玻璃液進入澄清部，在1 550 ℃左右澄清，此時，長時間處于高溫環(huán)境下，玻璃液由于擴散作用逐漸趨向均勻，最終均勻的玻璃液經(jīng)過流液洞進入上升道。

在整個全電熔窯的熔化過程中，玻璃液流的走向始終是控制的難點，一般經(jīng)驗認為，在一個恒定的全電熔窯環(huán)境范圍內，電極附近的玻璃液溫度較高，液流呈上升趨勢，而遠離電極的地方溫度較低，液流呈下降趨勢，主要表現(xiàn)為冷料層熔化速度較慢，冷料層及熔窯表層溫度較低，但是硼硅浮法玻璃的全電熔化是一個復雜的動態(tài)平衡狀態(tài)，至今難有一個公認的理論去驗證。

3.2 垂直冷頂工藝

全電熔窯表層覆蓋的為冷料層，配合料在冷料層下逐步加熱，使得玻璃形成的四個階段都在同一地點、不同的時間和不同的垂直高度上完成，因此可以大幅降低硼的揮發(fā)。

垂直冷頂工藝一般設計冷料層的厚度在0～40 mm之間，溫度穩(wěn)定在120 ℃，此時僅有水分在蒸發(fā)；熱料層厚度在40～80 mm之間，溫度從120 ℃提升到250 ℃，硼酸開始分解；輕質層深度在80～110 mm之間，溫度從250 ℃上升至1 000 ℃，該階段完成了硅酸鹽的反應過程，也稱之為硅酸鹽反應帶；再下面是半熔層，含有大量的氣泡和未熔化好的砂粒；最下面為玻璃的澄清和均化區(qū)域。配合料從120～1 000 ℃的熱過程中，必然會發(fā)生碳酸鹽的分解。硼酸和硼砂在脫水期中的硼揮發(fā)，但是揮發(fā)物是由下向上逸出的，當遇到冷料層時部分硼揮發(fā)物會凝結起來，產(chǎn)生回凝現(xiàn)象，降低硼的揮發(fā)量[3，4]。

3.3 加熱電極的排布

目前常用的電極有鉬電極和氧化錫電極，由于鉬電極能被玻璃浸潤，接觸電阻小，電極表面可以承受較高的電流密度；同時，鉬電極的熱損失低，也不易使玻璃著色，普適度高，所以在全電熔窯生產(chǎn)線上得到了廣泛的應用。

在全電熔窯中，不論如何選擇電極電流的方向，80%的熱量都釋放在相當于10倍電極直徑的范圍內，所以能否保持一個良好的熔化環(huán)境，科學合理的電極布置方式就顯得相當重要。為了使熱量在玻璃液中均勻分配，采用棒狀鉬電極側壁插入及池底插入相結合的方式，側壁6組3層，池底6組2層插入，科學的設計同層及不同層電極的間隔距離，合理的分配電流電壓，使得電流密度均勻，熱量輸出平穩(wěn)，提高全電熔窯的熔化、澄清質量；同時，結合上大下小的T型熔窯結構，使熔窯內玻璃液流的對流更加穩(wěn)定、合理，進一步提高全電熔窯的熔化、澄清質量，降低氣泡的產(chǎn)生量。

與此同時，采用對稱型三相供電系統(tǒng)，相與相的電壓處在120°的相角上，采用連續(xù)的交流波加熱，可以使功率釋放均勻、對稱，使得全電熔窯的熱工制度更加穩(wěn)定。

通過上述方法，部分解決了硼硅浮法玻璃全電熔窯大型化的粘度波動、硼揮發(fā)現(xiàn)象、微小氣泡等共性問題，以及硼硅浮法玻璃全電熔窯熱環(huán)境控制難的突出問題?，F(xiàn)階段，對于硼硅浮法玻璃生產(chǎn)線而言，全電熔窯技術依舊存在著一些無法根本解決的問題，但相信隨著不斷的探索研究，一定會有更好的解決方式。

4 結 論

通過對全電熔窯大型化所帶來的負面問題成因進行分析，以及解決方法的探索應用，不斷進步的工藝技術逐漸滿足了實際生產(chǎn)的需要。隨著新材料及新工藝的研發(fā)和應用，對于該問題的解決方案也會越來越多。

目前最大的全電熔窯是120 t/d的矩形電熔窯，用來熔化鈉鈣平板玻璃，至于難熔、易揮發(fā)的硼硅玻璃全電熔窯始終難以大型化。如何進一步提高全電熔硼硅浮法玻璃的產(chǎn)品質量，突破產(chǎn)能的桎梏，降低硼硅浮法玻璃的制造成本，提高硼硅浮法玻璃產(chǎn)品的市場競爭力，是擺在每一個硼硅玻璃生產(chǎn)企業(yè)面前迫在眉睫的問題。通過對全電熔窯窯型、電極排布以及工藝優(yōu)化的相互協(xié)調，大型化全電熔熔窯的產(chǎn)品質量得到了進一步的提升，相關的生產(chǎn)問題也得到了進一步改善。無論是為了滿足環(huán)境保護的需求，還是為了降低制造成本，全電熔浮法工藝制造硼硅玻璃的規(guī)?；厔輨菰诒匦?。在硼硅浮法玻璃全電熔窯大型化的生產(chǎn)過程中，機遇與挑戰(zhàn)并存，如何突破技術壁壘是每個硼硅玻璃企業(yè)所面臨的最終問題。