乳白玻璃陶瓷电熔炉红顶缺陷分析与解决措施

蔡佳才

摘 要：本文论述了乳白玻璃陶瓷的特点，提出采用电熔炉进行熔制的优势，对电熔炉熔制过程中易产生红顶的原因进行分析和提供解决措施，并进行详细的论述。

关健词：玻璃陶瓷；电熔炉；红顶；料层厚度

1 前言

陶瓷是人们日常生活的必需品，但是陶瓷的生产过程需要在瓷泥阶段进行塑形，然后进行高温烧制而成形，其过程具有不可逆的工艺技术，一旦烧制后的产品不合格，则成为废品，难以重新利用。我公司生产的乳白玻璃陶瓷制品具有玻璃的热塑性，可以将原材料和玻璃生产过程中的边角料一起熔制进行塑形，通过机械化连续生产，从而降低成本和保护环境。但是乳白玻璃陶瓷的电熔炉在使用过程中，容易出现“红顶”、“翻滚”、“气泡”、“结石”等一系列的缺陷，我公司玻璃工艺技术人员经过不断探索和攻关，积累了较丰富的生产经验，使得我们的产品白度、光泽度、抗热震性不断提高，产品畅销国内外，受到众多顾客的好评。

2 玻璃陶瓷产品的定义与优势

2.1 日用玻璃陶瓷的定义

根据GB/T 30771-2014《日用玻璃陶瓷》标准，其中对玻璃陶瓷的定义为“由结晶相和玻璃相构成的一类陶瓷复合材料，一般通过对玻璃进行适当加热处理以使玻璃体内产生足量结晶相而获得”；对日用玻璃陶瓷的定义为“供日常使用的玻璃陶瓷制品”。日用玻璃陶瓷融合玻璃和陶瓷的双重特性，比普通玻璃和传统陶瓷的硬度高；变废为宝、具有环保清洁特点，是当前普通日用陶瓷产业的替代产品。

2.2 乳白玻璃陶瓷的优势

乳白玻璃大多数是通过氟化物（如氟硅酸钠、氟铝酸钠、萤石等）使玻璃进行析晶，属于晶粒乳浊方式。

乳白日用玻璃陶瓷的外观质量不亚于高档次的日用陶瓷，根据GB/T3532-2009《日用瓷器》标准之5.4.1白瓷白度表2规定，我公司的乳白玻璃陶瓷白度≥84，而白瓷白度≥70为优等品；乳白玻璃陶瓷产品类型可以搭配盘、碗、碟、匙等餐具；乳白玻璃陶瓷产品的耐热温差普遍达到120℃，可用于微波炉，可以满足人们的日常使用要求。

乳白玻璃陶瓷具有如此优势，但是国内生产乳白玻璃陶瓷的厂家并不多，原因主要是产品的外观质量白度达不到要求，产品的抗热震性不达标等，这些是制约我国乳白玻璃陶瓷发展的瓶颈，目前的先进技术大多被美国康宁公司，法国弓箭所掌握。

3 乳白玻璃陶瓷的熔制要求与选择电熔炉熔化的优势

3.1 乳白玻璃陶瓷的熔制要求

乳白玻璃陶瓷的熔制是玻璃陶瓷生产过程中最重要的阶段。氟化物乳白玻璃陶瓷通常采用SiO2-R2O3-RO-R2O-F-系统，在系统中加入一定比例氟化物（如氟硅酸钠、氟铝酸钠、萤石等），然后把各种原料混合均匀形成配合料，在高温作用下形成粘滞的硅酸盐熔体，被称为玻璃液。

氟化物熔点较低，易挥发，加之乳浊产生的晶粒，受热历史因素的影响，玻璃的乳浊程度波动较大，因而控制氟化物的挥发量是获得优质乳白玻璃陶瓷的重要因素。氟化物乳白玻璃陶瓷对熔制温度有严格要求，应该保持炉温的稳定，减少炉温的波动。如果熔制温度过高，则氟化物挥发量增大，玻璃中的氟化物含量相对减少，对乳浊度不利，玻璃颜色趋于半透明；如果熔制温度过低，则玻璃未能完全熔化，产品的机械强度和耐热稳定性达不到质量要求 。

3.2 乳白玻璃陶瓷选择电熔炉进行熔化的优势

采用垂直电熔炉进行熔化，为获得优质乳白玻璃陶瓷提供条件，可以降低挥发性配合料组分的挥发，同时还能保护环境。据资料显示，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%。

冷顶垂直电熔炉的优势，将配合料从电熔炉上方的投料口均匀投放，形成一定厚度的配合料料层，配合料料层覆盖在高温玻璃液的液面上，一般料层厚道为30 ～ 60 cm，合适的料层厚度，不仅能促使低温玻璃液的形成，加速玻璃熔化，还能阻挡易挥发成分的外逸并起隔热作用，优化工作环境。随着料层厚度的增加，先熔化的玻璃液向出料口方向流出，熔化成澄清的玻璃流体，通过电熔炉底部的流液洞，经上升道、料道、流入料盆，再由料盆分配给成型模具。我公司采用自动离心机成型，利用高速旋转产生的离心力，使流體沿模具内表面中心向四周流动逐渐冷却成型为所需形状的玻璃陶瓷制品。

4 乳白玻璃陶瓷电熔炉容易产生红顶

采用冷顶垂直电熔炉熔制乳白玻璃陶瓷具有节能、减少氟化物挥发的优点，但也有一系列的缺点，如容易出现红顶、生料层太厚或者太薄、电极外露氧化等缺陷。大型电熔炉配套有自动加料机，可以节省大量的人工，提高料层的均匀度，但是大多数电熔炉的“冷层”控制不容易，往往容易形成玻璃配合料出现“红顶”，造成玻璃配合料与初步形成的玻璃液一起“翻滚”，使产品出现“气泡”、“结石”等致命的缺陷，从而出现大量废品。然而玻璃电熔炉的生产具有连续性、不可间断，一旦出现生产问题，解决起来就相当棘手，没有良好的技术经验，是解决不好的。

5 乳白玻璃陶瓷电熔炉产生红顶分析

5.1 乳白玻璃陶瓷熔制过程的原理

玻璃电熔炉熔化的原理是将电流通过电极引入玻璃液中，玻璃液直接通电加热，通电后两根电极间的玻璃液在交流电的作用下产生电流焦耳热，从而达到熔化和调温的目的。玻璃在高温状态下是一种电导体，在大多数玻璃的电熔中，玻璃的电阻率取决于温度和碱金属含量；熔融的玻璃中含有大量的碱金属，如Na+、K+ 、Li+等金属离子，其中Na+最有利于增加玻璃液的导电性，Na2O含量的增加使玻璃电阻率几乎呈直线下降。依据玻璃电阻率ρ（Ω·cm）和电导率σ（S/cm）关系是互为倒数关系，即随着玻璃成分中碱金属含量的增加，可以增大玻璃液的电导率（由于在电熔化和电加热中研究的对象是高温液态玻璃，所以仅对于1000℃以上的玻璃电阻率感兴趣）。但是随着碱金属含量的提高，玻璃液的熔化速率也会相应提高，造成配合料料层厚度变薄或者熔透，势必造成熔化温度下降。

5.2 乳白玻璃陶瓷电熔熔制过程的产生红顶的分析

在电熔窑炉的生产中，熔化温度、操作功率及玻璃液电阻三者是密切相关的，是控制电熔窑炉运行的主要参数。玻璃电熔炉温度是通过操作功率来调节的，一般是采用"恒功率模式"，增大了碱金属的含量，使得玻璃液的电阻率下降，根据热功率P=I2R理论和欧姆电阻R=ρL/S（式中：R--电极间电阻，Ω；L--电极间距，cm；S--玻璃液深和电极的导电宽度的乘积，cm2；ρ--玻璃液电阻率，Ω·cm），会造成电极输入电流的增加，导致钼电极周围温度上升，使得钼电极外露加快氧化，一旦钼电极被氧化侵蚀后，其电极的电阻值也会变大，那么“恒功率模式”下的热功率提供的热量就会增多，导致窑炉的冷层厚度变薄，玻璃电熔炉内的炉中热量被大量散失，最终使电熔炉中的温度被快速下降，这时就会造成玻璃配合料下沉，把未熔化的配合料带入电熔炉的熔化区和澄清部位，产生结石和气泡，形成“恶性循环”。由此可见，控制合适的料层厚度对电熔玻璃乳白玻璃是非常重要的，料层太薄或者被熔透是导致乳白玻璃陶瓷冷层垂直电熔炉“红顶”的原因。

6 乳白玻璃陶瓷电熔炉产生红顶的解决措施

6.1 乳白玻璃陶瓷电熔炉熔制过程的产生红顶解决措施

那么，一旦料层厚度被破坏，料层太薄或者被熔透，需要怎样补救呢？

通常有以下解决措施：第一步、适当减少出料量，让未充分熔化的玻璃液进行较长时间的保温。其目的是熔融消除掉未熔化的结石，同时让气泡在保温期间得到吸收，从而减少气泡的出现。第二步、在减少出料量的同时，适当快速地增厚配合料冷层的厚度（尽量不要加入碎玻璃），让料层厚度尽快得到恢复。第三、在进行第一步和第二步的同时，还要把"恒功率模式"的电功率适当进行调试，一般是先降功率再恒功率，然后再恢复到常态。

6.2 乳白玻璃陶瓷熔制过程的产生红顶利用配方进行解决的措施

解决乳白玻璃陶瓷电熔炉红顶的问题，还可以从玻璃成分配方进行修改。

经过一系列实验得出结论：玻璃液发生红顶及翻滾主要是原因是高温玻璃液的黏度太大，导致玻璃流体中的气体散发不出去。如果气体想要突破溢出，必然需要很大的热量使玻璃流体的黏度变小，才能使得气泡被释放，一旦气泡爆发，就会让热量散发出去，导致配合料的冷层料下沉。

生产乳白玻璃陶瓷的原料主要有：石英砂、氢氧化铝、纯碱、五水硼砂、碳酸钡、碳酸钙、氟硅酸钠、氧化锌等，在进行试验过程中，发现五水硼砂对玻璃液的黏度有重要的影响。在玻璃生产中加入五水硼砂是为了改善玻璃产品的性质，B2O3可以降低玻璃的热膨胀系数和提高玻璃的耐热性能，最重要的是B2O3可以起到助熔的作用，五水硼砂的熔点只有75℃，很容易熔化，当加热到120℃完全失去结晶水。在试验过程中，当五水硼砂的加入量比较多时（占比14%配合料）就会引起玻璃液翻滚，形成大气泡，故在玻璃混合料的配比中也要限制五水硼砂的加入量，一般控制在6 ～ 9%为宜。

综上所述，乳白玻璃陶瓷在生产过程中，当冷顶配合料料层的适宜厚度被破坏后，出现料层变薄或者熔透，就会出现冷层配合料红顶现象，导致产品中出现气泡和结石等缺陷，这些缺陷对玻璃制品来说，都是不致命的。所以在我们认识到出现红顶的机理后，寻求有效的解决方法，才能为生产和研发做出更多的贡献。

参考文献

[1] 刘新年， 刘静. 玻璃器皿生产技术[M]. 化学工业出版社， 2007.

[2] 陈金方. 玻璃电熔窑炉技术[M]. 化学工业出版社， 2007.

[3] 中华人民共和国国家标准 GB/T 3532-2009《日用瓷器》.2009.

[4] 中华人民共和国国家标准 GB/T 30771-2014《日用玻璃陶瓷》.2014.