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熔制硼硅酸盐玻璃的电熔窑――践谈窑型、冷炉顶、配方三者关系
江苏大学陈金方
摘要:高粘度难熔的硼硅酸盐玻璃制品的得到了广泛的应用。由于对玻璃液的电阻、耐火材料在电熔窑中的使用,电极的****分布,结构设计等多方面的研究,高硼硅酸盐玻璃的电熔窑已得到广泛的应用。
但生产过程中常产生下列现象:(a)当窑炉产量稳定、电气参数和操作温度不变时,玻璃液的粘度产生波动。(b)尽管玻璃液是在非常高的温度下熔制的,但在制品中出现未熔化的石英颗粒。(c)在成品中经常存在灰泡和小气泡。(d)尤其是电熔窑的运行过程中常出现红顶和翻顶现象,
1.硼硅酸盐玻璃分类及熔制特点
1.1 硼硅酸盐玻璃的配方
经过十几年的探索和总结,目前国内外硼硅酸盐玻璃的化学组成基本上如下表所列。
表1 国内外高硼硅仪器玻璃的化学成分及热膨胀系数α
牌号 |
化学成份 |
热膨胀系数a 0-300 ℃ | ||||||
SiO2 |
B2O3 |
Al2O3 |
CaO |
K2O |
Na2O | |||
第 1 类 |
PYREX-7740 |
80.5 |
12.6 |
2.1 |
|
1.15 |
4.5 |
32×10-7/℃ |
DuRuN-50 |
80.5 |
12.5 |
2.5 |
|
|
4.0 |
32×10-7/℃ | |
SIMAX |
81 |
12.6 |
2.0 |
|
|
4.0 |
32×10-7/℃ | |
PYREX |
80.5 |
13 |
2.25 |
12 |
|
3.15 |
32×10-7/℃ | |
GG-17 |
80.7 |
12.5 |
2.2 |
0.6 |
|
4.0 |
32×10-7/℃ | |
N0nex7720(CGW) |
73 |
15 |
2 |
PbO 6 |
|
4.0 |
36×10-7/℃ |
表2 其它硼硅玻璃的化学成分及热膨胀系数α
|
|
SiO2 |
B2O3 |
Al2O3 |
CaO |
Li2O |
PbO |
BaO |
ZnO |
Na2O |
K2O |
α×10-7 |
第 2 类 |
C-11(BTH) |
72 |
15 |
3 |
3 |
|
|
|
|
3.5 |
3.5 |
46 |
C-20(Schott) |
76 |
9 |
5 |
0.4 |
|
|
3.6 |
|
5.3 |
1.2 |
49 | |
N-51A(O.I) |
74.7 |
9.6 |
5.6 |
0.9 |
|
|
2.2 |
|
6.4 |
0.5 |
50 | |
A-203(O.I) |
71.5 |
9.2 |
5.3 |
0.9 |
Fe2O3 0.6 |
2.1 |
TiO2 2.7 |
6.4 |
0.8 |
50 | ||
Supremax |
54 |
10 |
21 |
5 |
MgO 10 |
|
|
|
|
36 | ||
G-20 |
76 |
9 |
5 |
0.4 |
|
3.6 |
|
5.3 |
1.2 |
49 | ||
7052(CGW) |
65 |
18 |
7 |
|
|
|
|
3 |
2 |
46 | ||
7056(CGW) |
68 |
19 |
3 |
|
|
8 |
1 |
8 |
1 |
51 |
从上表中可以看出,第1类玻璃不需要引进纯碱、硝钠就能满足Na2O在配方上的需要。而第2类玻璃则必需引进碳酸盐、硝酸盐方能满足配方的需要。这就使得玻璃的配方中
气体率含量增加。
1.2 第2类硼硅酸盐玻璃的熔化特点
&, nbsp;投入的碎玻璃首先与纯碱和硝酸盐反应,结果纯碱和硝酸盐不是与配合料形成熔融物。由于这类玻璃的配方中气体率含量高,玻璃液中气体产生高分压,使气泡生长并迅速上升。而这类玻璃的粘度非常大,在玻璃液面上(配合料层下)产生厚20~30mm粘稠的玻璃液的表层,气体聚集在它的下面并溶解在玻璃液中。此时气体以灰泡和小气泡形式进入到生产流中。
要解决这一问题,就必须让粘稠层有足够高的温度。让灰泡和小气泡迅速排出。
1.3 失调角和稳定性准数对硼硅酸盐玻璃电熔控制的影响。
难熔玻璃熔体具有高的电阻率,尤其是在低温条件下,因此熔体具有高的自调能力。这样,电熔时会引起熔化池玻璃液加热不均。
所有玻璃对温度都呈现负电阻特性,只是强烈的程度不一,为了比较表明玻璃的这种负电阻特性,用切线与曲线之夹角称为失调角,则把tga称为失调准数。玻璃的电阻率 温度曲线的特征斜率(dρ/dt=togα),并由下列公式(1/ρ)·(dρ/dt)=f(T)计算出电熔玻璃的稳定性准数。稳定性准数低于3的玻璃可以采用电熔而无须采取任何特殊措施以对抗失稳效应。
失调角愈大,在电熔化中对电压控制的范围要求愈宽。玻璃的这种负电阻特性会给电熔化带来两个问题:
(a)当电极间电压不调整时,温度高会使电阻小,电阻小使电流增大,功率亦随之增大,温度会更高;当反向变化时,又会使功率变小,温度愈来愈低。在不考虑其它条件时,这是一种典型的不稳定平衡。
(b)当在熔化池中使用多对电极并联时,这种负电阻特性会使热区的电极对之间的电流愈来愈大,而较冷区的电极对之间的电流愈来愈小,不但影响工艺制度的稳定,还可能使重负荷电极过早损坏。
1.4 从失调角和稳定性准数出发要求电熔窑供电平稳。
2 目前国内熔化硼硅玻璃有电熔窑的大概情况
2.1国内目前普遍使用的是六角形竖井式电熔窑(德国SORG公司设计的VSM型电熔窑)。这种结构的窑表面积小,散失的热量少。竖井直径和高度的比例是1∶1,玻璃液深度略大于竖井的直径。在此类窑内,水平电极棒可以在池墙上分两层或几层水平面设置。每层平面上的电极由电气上互不关连的独立的电源供电,防止不同平面上的电极之间通电。
实践证明,这种窑型对熔化第1类硼硅酸盐玻璃是可行的,国内在生产太阳能玻璃管行业已经得到了很好的应用。但该窑型对熔化第2类硼硅酸盐玻璃是不稳定的,常出现红顶和翻顶现象,随之而来的就是在成品中出现灰泡和小气泡。笔者所经历的这样的电熔窑炉已有数座。六角形竖井式电熔窑为何会出现上述现象,笔者认为还是由于尖端放电造成的。
2.2 采用矩型电熔窑部分地可消除上述现象,笔者亲历国外矩型电熔窑熔化第2类硼硅酸盐玻璃的正常运行,进行了深入的研究和反思。矩型电熔窑采用平行放电的形式,从结构上消除了尖端放电造成的不稳定的外部因素。
2.3 该技术已成功运用在江苏盐城长生玻璃制品有限公司的电熔窑上。
经过多年的研究,对熔化硼硅酸盐玻璃的电熔窑的结构进行了彻底的更新,已经成功地解决了熔化硼硅酸盐玻璃(热膨胀系数在40×10-7/℃-70×10-7/℃)的电熔窑翻顶的难题,取得了突破性进展。
参考文献
1.陈金方玻璃的电熔化与电加热.上海.华东理工大学出版社,2002.
作者介绍:陈金方(1963),男,硕士,副教授,,《玻璃的电熔化与电加热》编著。主要从事玻璃电熔窑方面的研究和设计工作。联系电话:0511 88791451,手机:013951280541
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