浅谈搪玻璃产品材料特性和不足

2013-08-04季雨亭

化工与医药工程 2013年6期

关键词：夹套热阻温差

季雨亭

（临沂宏业化工设备有限公司，山东临沂 276017）

1 搪玻璃材料的特性

当今世界，科学在进步，新材料不断涌现。但至今，搪玻璃材料没有被取代，反而向更多工业领域延伸，其实，这就是搪玻璃材料特性的魅力。

搪玻璃材料具备的五大特性：

1.1 耐腐蚀性

以二氧化硅为主体的玻璃质釉，其化学稳定性很强，能耐各种浓度的盐酸、有机酸、无机酸、弱碱和有机溶剂的腐蚀[1]。搪玻璃材料耐酸腐蚀范围很广，胜过不锈钢，不锈钢不耐盐酸腐蚀，特别是化工医药工业常用的盐酸，不能采用不锈钢，只能用搪玻璃产品。

目前世界上发展较快的精细化工，煤化工和医药、农药，许多工艺场合离不开盐酸，盐酸在生产中作为原料，中间载体达到生成新物质的目的。所以，搪玻璃产品会在化工、医药、农药、生物医药等工厂使用。如：以治疗感冒发热为目的的扑热息痛药，整个生产流程中60%是搪玻璃设备。高效低毒的农药草甘灵，由于高温和强酸腐蚀，工艺过程中选用许多搪玻璃设备。而且，每年设备的更换率也很高。

1.2 不粘性

玻璃层表面结构紧密、光滑，不容易粘附物料，且容易清洗。那些特别需要洁净，需要清除容器内粘附物料的工艺，需要搪玻璃的不粘性。

例如：在药品生产中，为了达到药品生产质量管理规范要求（GMP），对盛装药品的设备（容器），要求结构简单，表面光滑，少死角，易清洗，达到符合GMP的特殊需要。也是保证药品质量，不污染细菌的必要条件。所以在原料药生产工艺中，会大量选用搪玻璃产品，原因是容易清洗，不结污。其他如化工生产、农药、染料等需要换罐生产，要清洗罐内生产残留的污物，都会选用搪玻璃材料。搪玻璃材料的特性是表面亲和性很低，如：同聚四氟乙烯，那些要求表面洁净，要清洗的场合，需要搪玻璃。

1.3 隔离性

搪玻璃会让介质与含铁的钢体不直接接触，起到介质与铁离子隔离作用。特别在医药行业中，药典对药品含铁量有严格规定，药品铁离子超量，会发生副反应。在染料行业中，染料溶入铁离子，会对色度产生影响。

1.4 绝缘性

玻璃层为非导电体，且绝缘性能良好。在真空条件下0.4mm 玻璃层能耐20kV 高电压冲击。因此，玻璃产品适用于介质带电荷操作工艺过程，以及生产中介质会产生电荷的工艺场合。有的化工过程，物料需要外加电荷，促使过程加快，玻璃层的绝缘性正适合了这种工艺场合。

1.5 保鲜性

玻璃分子结构稳定，不渗透、不溶解，它对液体食品、饮料、酿造制品具有很好的保鲜性能，能长久地保持其物品的真实香味。市场上酒类饮品都用玻璃瓶盛装，主要目的是利用玻璃的保鲜性能。

国外的搪玻璃容器，相当多的用户是酿造行业的工厂及饮品、咖啡、可口可乐的工厂。在我国，酿造、饮料、液体食品行业的工厂似乎还没有进入搪玻璃产品的用户行列，一般用不锈钢容器贮存居多，有的在用大的陶瓷罐装酒。

2 搪玻璃材料的五大不足

搪玻璃材料有五大特性，但搪玻璃产品却有五大不足，如何降低搪玻璃产品的不足和减少对用户影响的程度，是赢得用户和市场的重要手段。

2.1 玻璃材料耐温差急变性能差

成品搪烧出炉后，当产品冷却到400℃以下时，瓷釉从半液态变为固态。由于金属钢坯热膨胀系数大于非金属瓷层的热膨胀系数；当产品继续冷却到常温时，瓷层全面处于压应力状态。

一般瓷釉的热膨胀系数比金属坯体小20%～35%，而瓷层的热膨胀系数比金属坯体小5%～15%[2]，说明从400℃到常温，金属的收缩量大，而瓷层收缩量小，瓷层处于压应力。当瓷层涂搪于圆简体内侧，压应力会分解为三向力，其中，使瓷层受破坏的分力指向钢坯，所以，内搪瓷不易爆瓷。而搅拌部件、温套管等外圆搪瓷，使瓷层受破坏的分力指向空间，失去了依靠，容易爆瓷。所以制搅拌部件的瓷釉和制容器筒体的瓷釉应该不一样。

瓷层抗压强度较好80 kgf/mm2～150 kgf/mm2，而抗拉应力很差4 kgf/mm2～9 kgf/mm2，抗拉应力只有抗压应力1/20[2]。当正温差急变产生时，随着急变温度上升，瓷层膨胀量小于钢坯，瓷层受拉伸。当负温差急变产生时，随着急变温度加大，瓷层收缩量小于钢坯，瓷层受压缩。在冷热温差交换进行，频繁的高梯度的温差急变，瓷层不断地接受拉与压的应力作用而极易损坏。如：农药草甘灵生产的水解釜，120℃盐酸强腐蚀，一般用常温自来水冷却，使用时，釜体瓷面很快失光，物料界面很快爆瓷。这是因为温差急变梯度太大。标准规定正温差120℃，负温差110℃，这是设备瓷层温差急变的极限值。这是一个试验记录确定的极限值，即把罐体瓷层加温至110℃，倒入冰水，反复4 次，不爆瓷定为负温差急变控制值。将20℃常温罐体瓷层倒入140℃灼热油，反复4 次不爆瓷，定为正温差急变控制值。

在生产工艺中，何止急变4 次，要频繁很多次。频繁而接近极限值的温差急变，瓷层受不了，在草甘灵生产中，水解釜的工艺不能变，又要保证设备较长使用寿命，办法是：在冷却水入口处之前，接一φ360 圆筒，当冷却初始时，小圆筒通入蒸汽，将冷却水加热至50℃～60℃，缩小二者温差梯度，当釜内物料温度下降了，逐步减少蒸汽通入，直至不通蒸汽全用自然冷却水。同时，釜内瓷釉改用高硅（70%SiO2）瓷釉涂搪，草甘灵水解釜使用寿命就长了。

2.2 玻璃材料耐抗机械冲击性能差和玻璃裂纹的延伸性

瓷层的耐机械冲击强度与瓷层硬度、抗压强度、抗弯强度、弹性及密着强度有关，瓷层是玻璃体，属脆性材料，对集中的点受力抗衡性能较差。

搪玻璃容器法兰密封为什么不采用螺栓连接，而用卡子。其原因是螺栓在穿越两法兰螺栓孔时，容易碰碎涂搪在法兰孔边缘的瓷层，玻璃耐机械冲击性差，瓷层边缘只要产生一点点碎裂，玻璃的特性之一是裂纹延伸性，裂纹在不知不觉中，自动延伸到釜内，引起容器失效。

所以，设备运输给对方，所有外露搪瓷管口均要求有软物包裹牢靠，就怕边缘碰坏。运输中，设备装车后定位，不能相互碰撞尤为重要，操作人员不允许用铁锤在罐外锤击，以防瓷层受损。制造厂都要对使用者说明清楚，指导用户如何爱护搪玻璃产品。要求用户必须请专业搪玻璃安装公司运输、安装设备，以保万无一失。

2.3 玻璃材料热阻大

玻璃材料热阻大，材料热阻大说明传热性能差。化工过程中，几乎所有的工艺过程都涉及到传热。努力使搪玻璃产品传热过程加快，有利于工业生产，提高用户对设备使用的信心。搪玻璃产品的传热速度慢，主要是影响夹套传热和影响套管测温的应答速度。因此，玻璃材料热传性能的优劣，与化工生产息息相关。

（1）搪玻璃容器夹套传热计算已在工搪简讯上发表，夹套传热系数k 计算公式：

式中：k — 夹套传热系数，kcal/m2•h•℃；

R — 总热阻；

λ1— 钢板导热系数，取40 kcal/m2•h；

λ2— 瓷层导热系数，取0.8 kcal/m2•h；

δ1— 钢板厚度，mm；

δ2— 瓷层厚度，mm；

α1— 夹套流体给热系数[3]；

夹套内水静流时取 635 kcal/m2•h；

夹套内安装水喷咀时取 2 000 kcal/m2•h；

夹套内蒸汽冷凝时取 1 800 kcal/m2•h；

α2— 物料给热系数，当物料釜内湍流搅拌时取2 000 kcal/m2•h。

计算结果：当瓷层平均厚度2mm 时，夹套对容器传热系数为：

当瓷层平均厚度1.2mm 时，夹套对容器传热系数为：

上表可见，当瓷层由2mm 减少为1.2mm 时，夹套对容器传热系数能提高1.26～1.35 倍。这对加快传热过程、节约能源很有意义。

（2）玻璃材料热阻大，会使搪玻璃容器温度计套测温滞后现象十分严重。对温度计套管而言，影响测温应答速度的因素是套管内导热油层热阻和套管外瓷层热阻。因此，套管末端必须要有缩头，以减少套管内导热油层厚度，减少油层的热阻。同时，瓷层也不能太厚，一般建议用户采用快速测温头，让测温金属触点与釜内液体直接接触。据试验（日本报道），带缩头的搪玻璃套管测温滞后时间大于250 s，而快速测温头，滞后时间为10 s，25 倍之差。加快测温应答速度，对精确掌握化工过程十分重要。