陈金方

（江苏大学材料学院，江苏  镇江 212013）

摘要：高硅氧玻璃的具有诸多的优点，有着广泛的用途，是石英玻璃良好的代用品。高硅氧玻璃的基础配方中硼含量达到20%以上，硼有较高的挥发性，用火焰窑不适用。因此探索使用电熔窑进行熔制，取得了较为满意的效果。

关键词：高硅氧玻璃、高硼硅玻璃、电熔炉。

     高硅氧玻璃（vycor　glass)是一种含二氧化硅在95%以上的玻璃。许多性能和石英玻璃相像。是石英玻璃良好的代用品。制法比普通玻璃复杂。

     玻璃通常有钠硅酸盐二元系统和钠硼硅酸盐三元系统玻璃制得。

     该研究是以纯碱、石英砂和硼砂为主要原料制备钠硼硅酸盐原始玻璃纤维,经酸沥滤、水洗、烘干、烧结等工艺处理后,得到SiO₂含量达96％以上的高硅氧玻璃纤维，它是一种耐高温的无机纤维，具有优良的耐温、耐腐、绝缘、介电等性能, 软化点接近1700℃，长期使用温度在900℃以上，已广泛应用于耐高温绝缘材料、防火防护材料、高温气体和液体过滤材料和航天飞行器的防热抗烧蚀及透波材料等。可制成多种制品。

     最初高硅氧玻璃的发明主要是使用在军工和航空、航天领域。由于高硅氧玻璃的上述优点，今天己广泛地应用在民用行业。例如用于熔融金属的过滤净化，有效提高铸造质量和铸件合格率，过滤网具有良好的耐高温、耐金属熔体冲刷，发气量低，滤渣效果好，使用方便，经济等优点。适用于灰铸铁、球墨铸铁、小型铸钢件浇铸的过滤净化。

（一）高硅氧玻璃成分：

表1

（二）质量标准

①玻璃球内不允许有直径为1.0mm以下的密集气泡,直径为1.0mm以上的气泡不得超过10个。
②玻璃球内不允许夹有结石及有色杂质。
③二次冒泡温度：≥1035℃

（三）小型电熔窑研究设计和试验

    高硅氧纤维的基础玻璃组成中，硼含量超过20%，属高硼硅酸盐玻璃系统。火焰窑中Na₂O和B₂O₃的挥发量分别高达143%和76%，因此配合料中Na₂O、B₂O₃的引入量分别为基础成份中的2.43倍和1.76倍。高硼玻璃(一般含B₂O₃15%以上) 在高温下均有所谓的“硼反常”现象。

   （1）火焰窑、电熔窑熔化中Na₂O和B₂O₃的挥发量及原料成本比较。用以熔制高硅氧玻璃的日产1.0t的小型电熔窑，与火焰窑进行对比。根据玻璃全分析的报告B₂O₃和Na₂O的挥发量仅为1%，因此生产每吨玻璃的原料成本，仅硼酸一项可降低约40%。数据列于表2。

表2

在料盆的底部装有一铂金坩埚，用于控制玻璃液的流量，即使玻璃液的表面有硼皮，也只能浮在玻璃液的表面，也不可能进入玻璃球。

   （3）电熔窑砖材选择。参考有关的文献，通常熔化高硅氧玻璃的窑炉的耐火材料选用白泡石、石英砖、锆英石、电熔锆刚玉等。石英砖价格较高。锆英石、电熔锆刚玉砖有部分的氧化锆熔化到玻璃液中，拉成丝织成玻璃纤维后，无法除去。　　

    最后决定选用了白泡石砌筑小型电熔窑，窑炉运行了二个月零十天后，结果如图3。对于生产高硅氧玻璃的使用白泡石砌筑小型电熔窑的寿命一般在60天－90天。该电窑在70天的运行中玻璃球的质量还是很好，后来由于电极孔附近腐蚀严重，漏玻璃液而被迫停产。下一个窑期电极孔附近的白泡石不再保温，其使用效果略好一些。

    对于生产高硅氧玻璃的窑炉也只能用白泡石，因为白泡石主要化学成分是SiO₂，这正是高硅氧玻璃中所需要的组成。该电窑所用的白泡石在工厂中经过了预烧，由于砖材的体积选的较大，在预烧过程中成品率很低，预烧过的白泡石很疏松，建窑过程中一不小心就断裂。

    在烤窑过程中白泡石的膨胀系数很大，但开裂现象不严重，在在烤窑过程中要注意窑炉钢结构的顶丝的松动。

   （4）电熔窑的烤窑

    采用冷安装，把所有的电极安装到位，加满碎玻璃，插入硅碳棒烤窑，烤窑的温度曲线如图4。白泡石砖的热膨胀系数大，所制定的烤窑速度较慢。700℃以下，每小时升温速度为7℃。700℃－1100℃，每小时升温速度为10℃。到1100℃保温至上层电极通电。在整个烤窑过程中发现，这样的烤窑速度还是有点快。

     白泡石砖的导热系数小，高硅氧玻璃的导电率曲线在低温时斜率较大，流液洞和上升道较难导通。平时采用锆刚玉砖砌筑的熔化其它硼硅玻璃的电熔窑，采用这样的烤窑工艺很快就导通了。

（四）为了提高拉丝的产量，采取的几项技术措施。

     在与某厂签订的开发合同中，要求制成的玻璃球能拉丝。试生产的初期，生产出的玻璃球就能拉丝，但拉丝的产量不高，断头率高。

     课题组成员进行了分析和讨论，产生断头的主要原因有：①白泡石熔解于玻璃液中，产生结石。②玻璃球的成分不均匀。③玻璃球中有气泡。

    （1）控制熔制温度，防止局部过热和产生白泡石结石。

     白泡石均匀的熔于玻璃液中，与玻璃液熔为一体是允许的，所不能容忍的是局部温度过高，白泡石过量的熔于玻璃液中。在试验过程中为了防止冷料毯的温度不过高（小于100℃），曾经关闭上层电极的功率，而把所有的功率都加到下层，出现了冷顶层太厚的现象，并且拉丝的产量有所降低，大家分析认为是下层集中供电，是有较多的白泡石熔于玻璃液中形成微不均匀的结石所致，然后又恢复上、下层同时供电，冷顶层温度大概在150℃，拉丝的产量有所提高。

     在小型电熔窑试验中，做过改变熔制温度的试验，经对应的拉丝试验表明，高硼料的熔制温度一般控制在1450℃以下为宜，温度过高，耐火材料侵蚀严重，拉丝断头率将明显升高。

（2）消除玻璃球成份的不均匀。

     上面提到由于高硼料易挥发份含量高，宜采用“速熔”，不宜让玻璃液在窑内长时间停留。在配合料方面，降低石英砂的颗粒度。

    小型电熔窑试验采用干法混料，水分控制在3－5%左右为好。配合料不含水份，容易分层。水份含量过高，又容易结团。

作者设计的日产1.0高硅氧玻璃球的电熔窑

（3）合理确定电熔窑的体积熔化率。

     一般说来，熔窑的体积熔化率取得低一些，对玻璃液的熔化和澄清是有利的。但对高硼料来说，玻璃液在窑中停留超过一定的时间，反而不利，既增大成分波动，又影响质量。在试验中曾做过加大出料量的试验(相应提高电功率)，使体积熔化率先后达1.2t/m³·d、 1.5t/m³·d和1.8t/m³·d以上。从拉丝效果来看，面积熔化率低于1.5t/m³·d以下，玻璃球质量均能满足拉丝要求，面积熔化率高于1.5t/m³·d，质量明显下降，影响拉丝。由此可见，在电熔窑中适当地提高体积熔化率，不会使玻璃球质量变坏，相反，体积熔化率过高或过低均会影响熔制质量。

    属高硼硅玻璃的高硅氧球，采用白泡石砌筑的电熔窑熔制，从其玻璃的熔制特性与要求出发，严格控制原料的颗粒度、配合料的水分及合理控制其熔制工艺参数，熔制出的玻璃球质量比火焰窑生产的球质量大大提高，基本上能满足拉丝工艺的要求。

主要参考文献

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.

2.陈金方.熔制硼硅酸盐玻璃的电熔窑――浅谈窑型、冷炉顶、配方三者关系[J].玻璃与搪瓷，2004，（5）：24-25.

作者介绍：陈金方（1963），男，副教授，硕士生导师，《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 E-mail:jfchen@ujs.edu.cn

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