硼硅浮法玻璃全电熔窑规模化生产的难点及解决措施

秦丽艳,刘 君

(秦皇岛弘华特种玻璃有限公司,秦皇岛 066000)

硼硅浮法玻璃是指化学组成中含有7%～15%氧化硼的硅酸盐板状玻璃[1]。而全电熔浮法工艺就是窑炉完全采用电加热熔化硼硅酸盐玻璃，并使用浮法工艺成型。硼硅浮法玻璃是一种各项性能良好的特种玻璃，其主要推广领域有：1)特殊性能玻璃：压力容器液位计、压力管道视镜、特种车辆观察窗等。2)精密光学玻璃：望远镜、显微镜精密光学元件以及光电仪器等。3)家用电器玻璃：电磁炉、微波炉、烤箱等家电的耐热玻璃。

随着硼硅浮法玻璃生产工艺的不断进步、装备水平的不断提高以及生产技术的不断突破，规模化、经济化的硼硅浮法玻璃生产正在逐步实现。

目前，国内大部分硼硅玻璃生产企业主要生产硼硅玻璃管，而生产硼硅浮法玻璃的企业数量较少，就硼硅浮法玻璃的熔制技术而言，大体可分为火焰、火焰电助熔以及全电熔熔窑。

相较于这几种熔制技术，全电熔技术存在以下优势：首先，无论火焰还是火焰电助熔技术，其使用的主要燃料是油和天然气等不可再生的化石燃料，而全电熔技术的核心能源为电能，是可再生的清洁能源，从生产伊始便存在清洁优势；其次，火焰和火焰电助熔技术的热效率较低，存在较大的热能浪费，一般多通过余热发电或废热供暖等措施提高利用率，而全电熔技术是内热式的，靠玻璃液自身导电来实现熔化，热能利用率高达80%以上，使生产周期更加节能；再者，火焰和火焰电助熔技术由于主要的熔化途径为燃烧加热，燃烧势必会产生氮氧化物等高温废气，处理困难，对环境影响较大，而全电熔技术采用电加热设计，不存在高温燃烧废气，使生产过程更加环保。不仅如此，燃烧会加大配合料成分中硼的挥发量，降低了成分中硼含量，为了达到设计要求，不得不加大硼含量的补充，造成资源浪费。

1 硼硅浮法玻璃全电熔窑规模化的必要性

之前，硼硅浮法玻璃生产企业的全电熔生产线一般吨位较小，多在10 t/d以下。一般用于硼硅浮法玻璃生产用的全电熔窑，按其大小可分为：小型熔窑(10 t/d以下)、中型熔窑(10～30 t/d之间)和大型熔窑(30 t/d以上)。据调查数据显示，用于硼硅浮法玻璃生产的全电熔窑炉，以30 t/d与10 t/d的相比较，吨玻璃能耗可降低30%左右，不仅如此，如果全电熔窑继续朝大型化发展，那么将会大幅降低硼硅浮法玻璃生产企业的资金投入、制造成本，使企业在市场竞争中占据有利位置。

如今，国家对环境保护及环境治理的力度不断加大，环保政策要求和规范也越来越严格，发展清洁生产，使用节能技术，符合现阶段我国的基本能源政策方针，符合国家创建节约型、科技型社会的施政纲领，符合绿水青山就是金山银山的环保理念；同时，随着人们日益增长的对硼硅浮法玻璃制品质量的高标准、高要求，持续创新才是企业的生存发展之路，硼硅浮法玻璃生产企业采用全电熔技术，并逐步规模化的生产已是大势所趋。

2 硼硅浮法玻璃全电熔窑规模化面临的问题

可知，提高电熔窑的熔化量势必会对输送电压进行上浮调整，所以电极电压的提高对全电熔窑大型化存在一定的限制；在拉引量以及熔窑温度制度都稳定时，玻璃液粘度存在波动(可以在全电熔窑的动态阻抗上体现)，熔化温度依旧会出现波动；在很高的温度下进行硼硅玻璃熔制，硼挥发现象较为严重，在玻璃制品中经常出现微小气泡等问题。

除了以上所述的共性问题，硼硅浮法玻璃全电熔技术大型化的主要难点还是熔窑热环境难以操控，难以生产出高质量的硼硅浮法玻璃制品。

2.1 熔窑内玻璃液的粘度波动

所有实用硅酸盐玻璃，其粘度-温度的变化规律都属于同一类型，只是粘度随温度的变化速度，以及对应给定粘度的温度有所不同。在10～1011Pa·s的粘度范围内，玻璃的粘度由温度和化学组成所决定，而在1011～1014Pa·s的范围内，粘度又是时间的函数[2]。硼硅玻璃其熔化温度(η=10 Pa·s)高达1 680 ℃，工作温度在1 250 ℃左右，所以决定全电熔窑内玻璃液粘度的主要条件是熔化温度和玻璃液自身的化学组成，那么如何使全电熔窑内的温度场更加稳定，玻璃液的均匀性更加充分，玻璃液的流动性更加规律，是解决粘度波动的核心。

2.2 硼挥发严重

硼酸是一种无机物，化学式H3BO3，为白色粉末状结晶或三斜轴面鳞片状光泽结晶，能随水蒸气挥发。加热至105 ℃左右时形成偏硼酸，于160 ℃左右长时间加热就会转变为焦硼酸，继续提高温度则形成无水物。

在硼硅玻璃配合料熔化的过程中，有许多的物理、化学以及物化现象，其中一个重要的物理过程就是个别组分的挥发，包括Na2O、K2O以及B2O3等，所以硼挥发普遍存在于硼硅浮法玻璃的生产过程中，那么如何降低其挥发或者回收挥发物，是所有硼硅浮法玻璃生产企业所必须面对的、亟待解决的问题。

2.3 硼硅浮法玻璃制品中的气泡

硼硅浮法玻璃制品中的气泡是可见的气体夹杂物，不仅影响玻璃制品的外观质量，更重要的是影响硼硅浮法玻璃制品的透明性和机械强度。硼硅浮法玻璃制品气泡根据尺寸的大小，可分为三个等级：0.5 mm≤直径≤1 mm；1 mm≤直径≤2 mm和直径>2 mm[1]；根据形状可以分为球形的、椭圆形的以及线状的，气泡主要的变形原因是在玻璃成型过程中造成的；根据产生原因的不同，又可以分成一次气泡、二次气泡、耐火材料气泡和金属气泡等，其中最主要的是一次和二次气泡。

硼硅浮法玻璃配合料在全电熔窑熔化的过程中，由于各组份一系列的化学反应和易挥发组分的挥发，会释放出大量的气体。理论上，通过澄清作用，是可以去除玻璃液中气泡的，但在实际生产的过程中，往往会有一些气泡没有完全去除，便形成一次气泡，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气体处于一种动态平衡状态，但当玻璃液在运输的过程中出现条件大幅波动的时候，使原本溶解在玻璃液中的气泡又重新析出，便形成二次气泡，其主要成因为温度波动较大造成了玻璃液溶解度的变化，以及玻璃化学组成中含有极易挥发的组分(如过氧化钡、硼酸)。

2.4 硼硅浮法玻璃全电熔窑热环境的控制

全电熔熔制硼硅浮法玻璃是所有生产环节中最为重要的、也是最为困难的一个过程。目前，并没有一个成熟的理论可以验证，所有企业都是处于一个理论指导为辅，经验过程为主的阶段。

在硼硅浮法玻璃全电熔窑内会出现这样的现象：在一个恒流的全电熔窑系统中，当全电熔窑内某一区域的温度升高时，导致该区域的电极电压就会升高，那么该区域玻璃液的粘度降低，流速就会加快，而上层低温玻璃液的沉降速度也会随之加快，就会造成该区域的温度在一定时间内承下降趋势，假设该区域范围外的环境恒定，那么该区域会出现一种温度的动态平衡，该曲线是时间的周期函数。

3 解决方案

3.1 全电熔窑的改进

为了解决由于全电熔窑大型化带来的上述问题，对全电熔窑进行了改进设计，全电熔窑设计拉引量为45 t/d，12面体，上大下小的T型熔窑结构。该全电熔窑结构改进后占地面积小(仅包括融化池、流液洞和上升道)；热量散失少，可以大幅降低能耗。

该结构设计加热方式为侧壁和池底插入式电极相结合的方式，在硼硅玻璃熔制过程中，前两个阶段发生在上层的熔化部，该区域的反应较为复杂、激烈，在950 ℃左右(依玻璃组份和熔制工艺不同，数值会有不同)完成硼硅酸盐的形成，在1 300 ℃左右完成玻璃的形成之后，玻璃液进入澄清部，在1 550 ℃左右澄清，此时，长时间处于高温环境下，玻璃液由于扩散作用逐渐趋向均匀，最终均匀的玻璃液经过流液洞进入上升道。

在整个全电熔窑的熔化过程中，玻璃液流的走向始终是控制的难点，一般经验认为，在一个恒定的全电熔窑环境范围内，电极附近的玻璃液温度较高，液流呈上升趋势，而远离电极的地方温度较低，液流呈下降趋势，主要表现为冷料层熔化速度较慢，冷料层及熔窑表层温度较低，但是硼硅浮法玻璃的全电熔化是一个复杂的动态平衡状态，至今难有一个公认的理论去验证。

3.2 垂直冷顶工艺

全电熔窑表层覆盖的为冷料层，配合料在冷料层下逐步加热，使得玻璃形成的四个阶段都在同一地点、不同的时间和不同的垂直高度上完成，因此可以大幅降低硼的挥发。

垂直冷顶工艺一般设计冷料层的厚度在0～40 mm之间，温度稳定在120 ℃，此时仅有水分在蒸发；热料层厚度在40～80 mm之间，温度从120 ℃提升到250 ℃，硼酸开始分解；轻质层深度在80～110 mm之间，温度从250 ℃上升至1 000 ℃，该阶段完成了硅酸盐的反应过程，也称之为硅酸盐反应带；再下面是半熔层，含有大量的气泡和未熔化好的砂粒；最下面为玻璃的澄清和均化区域。配合料从120～1 000 ℃的热过程中，必然会发生碳酸盐的分解。硼酸和硼砂在脱水期中的硼挥发，但是挥发物是由下向上逸出的，当遇到冷料层时部分硼挥发物会凝结起来，产生回凝现象，降低硼的挥发量[3，4]。

3.3 加热电极的排布

目前常用的电极有钼电极和氧化锡电极，由于钼电极能被玻璃浸润，接触电阻小，电极表面可以承受较高的电流密度；同时，钼电极的热损失低，也不易使玻璃着色，普适度高，所以在全电熔窑生产线上得到了广泛的应用。

在全电熔窑中，不论如何选择电极电流的方向，80%的热量都释放在相当于10倍电极直径的范围内，所以能否保持一个良好的熔化环境，科学合理的电极布置方式就显得相当重要。为了使热量在玻璃液中均匀分配，采用棒状钼电极侧壁插入及池底插入相结合的方式，侧壁6组3层，池底6组2层插入，科学的设计同层及不同层电极的间隔距离，合理的分配电流电压，使得电流密度均匀，热量输出平稳，提高全电熔窑的熔化、澄清质量；同时，结合上大下小的T型熔窑结构，使熔窑内玻璃液流的对流更加稳定、合理，进一步提高全电熔窑的熔化、澄清质量，降低气泡的产生量。

与此同时，采用对称型三相供电系统，相与相的电压处在120°的相角上，采用连续的交流波加热，可以使功率释放均匀、对称，使得全电熔窑的热工制度更加稳定。

通过上述方法，部分解决了硼硅浮法玻璃全电熔窑大型化的粘度波动、硼挥发现象、微小气泡等共性问题，以及硼硅浮法玻璃全电熔窑热环境控制难的突出问题。现阶段，对于硼硅浮法玻璃生产线而言，全电熔窑技术依旧存在着一些无法根本解决的问题，但相信随着不断的探索研究，一定会有更好的解决方式。

4 结 论

通过对全电熔窑大型化所带来的负面问题成因进行分析，以及解决方法的探索应用，不断进步的工艺技术逐渐满足了实际生产的需要。随着新材料及新工艺的研发和应用，对于该问题的解决方案也会越来越多。

目前最大的全电熔窑是120 t/d的矩形电熔窑，用来熔化钠钙平板玻璃，至于难熔、易挥发的硼硅玻璃全电熔窑始终难以大型化。如何进一步提高全电熔硼硅浮法玻璃的产品质量，突破产能的桎梏，降低硼硅浮法玻璃的制造成本，提高硼硅浮法玻璃产品的市场竞争力，是摆在每一个硼硅玻璃生产企业面前迫在眉睫的问题。通过对全电熔窑窑型、电极排布以及工艺优化的相互协调，大型化全电熔熔窑的产品质量得到了进一步的提升，相关的生产问题也得到了进一步改善。无论是为了满足环境保护的需求，还是为了降低制造成本，全电熔浮法工艺制造硼硅玻璃的规模化趋势势在必行。在硼硅浮法玻璃全电熔窑大型化的生产过程中，机遇与挑战并存，如何突破技术壁垒是每个硼硅玻璃企业所面临的最终问题。