硼硅浮法玻璃全電熔窯規(guī)模化生產(chǎn)的難點(diǎn)及解決措施

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(xué)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(xiàng)性能良好的特種玻璃，其主要推廣領(lǐng)域有：1)特殊性能玻璃：壓力容器液位計(jì)、壓力管道視鏡、特種車輛觀察窗等。2)精密光學(xué)玻璃：望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡精密光學(xué)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(jìn)步、裝備水平的不斷提高以及生產(chǎn)技術(shù)的不斷突破，規(guī)模化、經(jīng)濟(jì)化的硼硅浮法玻璃生產(chǎn)正在逐步實(shí)現(xiàn)。

目前，國內(nèi)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(shù)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(shù)，全電熔技術(shù)存在以下優(yōu)勢：首先，無論火焰還是火焰電助熔技術(shù)，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(shù)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(shù)的熱效率較低，存在較大的熱能浪費(fèi)，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(shù)是內(nèi)熱式的，靠玻璃液自身導(dǎo)電來實(shí)現(xiàn)熔化，熱能利用率高達(dá)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(shù)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(shù)采用電加熱設(shè)計(jì)，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(dá)到設(shè)計(jì)要求，不得不加大硼含量的補(bǔ)充，造成資源浪費(fèi)。

1 硼硅浮法玻璃全電熔窯規(guī)模化的必要性

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(diào)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(hù)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(yán)格，發(fā)展清潔生產(chǎn)，使用節(jié)能技術(shù)，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(lǐng)，符合綠水青山就是金山銀山的環(huán)保理念；同時(shí)，隨著人們?nèi)找嬖鲩L的對硼硅浮法玻璃制品質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)、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(shù)，并逐步規(guī)模化的生產(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(jìn)行上浮調(diào)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(shí)，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(jìn)行硼硅玻璃熔制，硼揮發(fā)現(xiàn)象較為嚴(yán)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(shù)大型化的主要難點(diǎn)還是熔窯熱環(huán)境難以操控，難以生產(chǎn)出高質(zhì)量的硼硅浮法玻璃制品。

2.1 熔窯內(nèi)玻璃液的粘度波動

所有實(shí)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(yīng)給定粘度的溫度有所不同。在10～1011Pa·s的粘度范圍內(nèi)，玻璃的粘度由溫度和化學(xué)組成所決定，而在1011～1014Pa·s的范圍內(nèi)，粘度又是時(shí)間的函數(shù)[2]。硼硅玻璃其熔化溫度(η=10 Pa·s)高達(dá)1 680 ℃，工作溫度在1 250 ℃左右，所以決定全電熔窯內(nèi)玻璃液粘度的主要條件是熔化溫度和玻璃液自身的化學(xué)組成，那么如何使全電熔窯內(nèi)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(yán)重

硼酸是一種無機(jī)物，化學(xué)式H3BO3，為白色粉末狀結(jié)晶或三斜軸面鱗片狀光澤結(jié)晶，能隨水蒸氣揮發(fā)。加熱至105 ℃左右時(shí)形成偏硼酸，于160 ℃左右長時(shí)間加熱就會轉(zhuǎn)變?yōu)榻古鹚幔^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(xué)以及物化現(xiàn)象，其中一個(gè)重要的物理過程就是個(gè)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(zhì)量，更重要的是影響硼硅浮法玻璃制品的透明性和機(jī)械強(qiáng)度。硼硅浮法玻璃制品氣泡根據(jù)尺寸的大小，可分為三個(gè)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(xué)反應(yīng)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(shí)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(dāng)玻璃液在運(yùn)輸?shù)倪^程中出現(xiàn)條件大幅波動的時(shí)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?yàn)闇囟炔▌虞^大造成了玻璃液溶解度的變化，以及玻璃化學(xué)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(gè)過程。目前，并沒有一個(gè)成熟的理論可以驗(yàn)證，所有企業(yè)都是處于一個(gè)理論指導(dǎo)為輔，經(jīng)驗(yàn)過程為主的階段。

在硼硅浮法玻璃全電熔窯內(nèi)會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：在一個(gè)恒流的全電熔窯系統(tǒng)中，當(dāng)全電熔窯內(nèi)某一區(qū)域的溫度升高時(shí)，導(dǎo)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(shí)間內(nèi)承下降趨勢，假設(shè)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(shí)間的周期函數(shù)。

3 解決方案

3.1 全電熔窯的改進(jìn)

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(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，全電熔窯設(shè)計(jì)拉引量為45 t/d，12面體，上大下小的T型熔窯結(jié)構(gòu)。該全電熔窯結(jié)構(gòu)改進(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加熱方式為側(cè)壁和池底插入式電極相結(jié)合的方式，在硼硅玻璃熔制過程中，前兩個(gè)階段發(fā)生在上層的熔化部，該區(qū)域的反應(yīng)較為復(fù)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(jìn)入澄清部，在1 550 ℃左右澄清，此時(shí)，長時(shí)間處于高溫環(huán)境下，玻璃液由于擴(kuò)散作用逐漸趨向均勻，最終均勻的玻璃液經(jīng)過流液洞進(jìn)入上升道。

在整個(gè)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(diǎn)，一般經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，在一個(gè)恒定的全電熔窯環(huán)境范圍內(nèi)，電極附近的玻璃液溫度較高，液流呈上升趨勢，而遠(yuǎn)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(gè)復(fù)雜的動態(tài)平衡狀態(tài)，至今難有一個(gè)公認(rèn)的理論去驗(yàn)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(gè)階段都在同一地點(diǎn)、不同的時(shí)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(shè)計(jì)冷料層的厚度在0～40 mm之間，溫度穩(wěn)定在120 ℃，此時(shí)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(zhì)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(yīng)過程，也稱之為硅酸鹽反應(yīng)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(dāng)遇到冷料層時(shí)部分硼揮發(fā)物會凝結(jié)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(shí)，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(yīng)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(dāng)于10倍電極直徑的范圍內(nèi)，所以能否保持一個(gè)良好的熔化環(huán)境，科學(xué)合理的電極布置方式就顯得相當(dāng)重要。為了使熱量在玻璃液中均勻分配，采用棒狀鉬電極側(cè)壁插入及池底插入相結(jié)合的方式，側(cè)壁6組3層，池底6組2層插入，科學(xué)的設(shè)計(jì)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(zhì)量；同時(shí)，結(jié)合上大下小的T型熔窯結(jié)構(gòu)，使熔窯內(nèi)玻璃液流的對流更加穩(wěn)定、合理，進(jìn)一步提高全電熔窯的熔化、澄清質(zhì)量，降低氣泡的產(chǎn)生量。

與此同時(shí)，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。現(xiàn)階段，對于硼硅浮法玻璃生產(chǎn)線而言，全電熔窯技術(shù)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(jié) 論

通過對全電熔窯大型化所帶來的負(fù)面問題成因進(jìn)行分析，以及解決方法的探索應(yīng)用，不斷進(jìn)步的工藝技術(shù)逐漸滿足了實(shí)際生產(chǎn)的需要。隨著新材料及新工藝的研發(fā)和應(yīng)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(jìn)一步提高全電熔硼硅浮法玻璃的產(chǎn)品質(zhì)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(gè)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(diào)，大型化全電熔熔窯的產(chǎn)品質(zhì)量得到了進(jìn)一步的提升，相關(guān)的生產(chǎn)問題也得到了進(jìn)一步改善。無論是為了滿足環(huán)境保護(hù)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)模化趨勢勢在必行。在硼硅浮法玻璃全電熔窯大型化的生產(chǎn)過程中，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，如何突破技術(shù)壁壘是每個(gè)硼硅玻璃企業(yè)所面臨的最終問題。