玻璃熔融工艺

玻璃熔融工艺

一、玻璃熔窑的类型、结构及特点

按照熔窑的生产能力可分为坩埚窑和池窑。

1.坩埚窑

坩埚窑是指在坩埚中熔化玻璃的一种间歇式作业的玻璃熔窑。其结构主要包括作业室、喷火筒（小炉）、燃烧室、漏料坑、蓄热室等部分。在作业室内安放8～12只坩埚（要求特殊的玻璃也有仅置放一只坩埚进行熔制）。配合料可分3～5批加入到各坩埚中。当配合料在坩埚中完成熔制、澄清和冷却过程后即可进行成型。在成型结束后，又再重新分批加入配合料，进行下一循环的熔制周期。坩埚窑的熔制周期从第一次加料开始到此坩埚料成型结束，一般为一昼夜。对难熔的玻璃也可适当地延长熔制时间，但这样会对其他坩埚的熔制、澄清和成型带来影响。坩埚窑占地、投资少，同一窑内可熔制多种不同组成或不同颜色的玻璃，生产灵活性大，适用于生产品种多、产量少、质量要求较高或有特殊工艺要求的玻璃。对要求高温熔制、低温成型的硒硫化镉类着色的玻璃，或低价铁着色类的玻璃尤为合适。但坩埚窑的生产能力低、燃料消耗大，难以实现机械化和自动化生产。

坩埚窑按废气余热回收设备分为蓄热室和换热器两种；按火焰在窑内的流动方向分为倒焰式、平焰式、联合火焰式；按坩蜗数量分为单坩埚窑、双坩埚窑和多坩埚窑；按燃料品种区分有全煤气、半煤气和燃油坩埚窑等。以下选取4种坩埚窑进行介绍。

（1）蓄热室坩埚窑

采用蓄热室作为废气余热回收设备的坩埚窑。

（2）换热室坩埚窑

采用换热器作为废气余热回收设备的坩埚窑。

（3）倒焰式坩埚窑

窑内火焰呈倒转流动的坩埚窑。火焰由位于窑底的喷火口向上喷出，然后沿着坩埚自上向下经窑底吸火孔排出。其特点是温度沿整个坩埚高度分布比较均匀，上下温差小，由于火焰自窑底排出，窑底部温度较高，因而使窑底和坩埚都

容易损坏，限制了窑内温度的提高。图 2.5（a）为倒焰式坩埚窑示意图。倒焰式坩埚窑可以配置换热器，也可配置蓄热室。

（4）平焰式坩埚窑

图2.5（b）所示为窑内火焰呈水平方向流动的坩埚窑。火焰在坩埚上部流动，可以提高火焰温度，加强传热过程，有利于提高熔化率。但因沿坩埚纵向温差大，容易造成近坩埚底部玻璃液成型困难，甚至影响玻璃质量，故仅适用于生产熔化温度要求高、成型时间短的玻璃制品。

图2.5 倒焰式坩埚窑和平焰式坩埚窑示意图

2.池窑

池窑是可以连续作业的玻璃熔窑（个别小型池窑也有间歇生产）。其结构主要包括加料池、熔化池、工作池、通道和蓄热室（或换热器）等部分。与坩埚窑相比，池窑具有下列特点：有明显的热点与泡界线位置；加料和出料过程都是连续作业；整个玻璃熔制过程中的五个阶段（见2.4.2目）在池窑中有较明显的分布区域；占地面积较大；厂房设施和动力配套要求较高；投资规模大；适用于生产单一品种和批量较大的产品；热效率较高；有利于机械化和自动化生产；有利于池窑的燃烧；温度、窑压、料液面、加料等实现自动控制。

按照窑内火焰流向，可将池窑分为横火焰熔窑、马蹄形熔窑和纵火焰熔窑。

（1）横火焰熔窑

横火焰熔窑火焰流动方向与池窑纵轴互成垂直方向，小炉分设在窑池的左右两侧。与马蹄焰池窑相比，窑内火焰分布合理，火焰对玻璃液的覆盖面积大，热点位置容易控制，能有效地提高玻璃的熔化质量和熔窑的熔化率。熔化面积较大的蓄热室横火焰池窑常用来生产平板玻璃、瓶罐玻璃、器皿玻璃和显像管玻璃等，是当前国内大型池窑中普遍采用的一种熔窑。图2.6（a）为横火焰熔窑示意图。

图2.6 横火焰熔窑和马蹄形火焰熔窑的示意图

（2）马蹄形火焰熔窑

图2.6（b）为马蹄形火焰熔窑的示意图。窑内火焰形状呈马蹄形，仅在熔化部的端头设置一对小炉，可配置蓄热室也可配置换热器。火焰在窑内的行程较长，有利于燃料充分燃烧。窑两侧宽敞，便于维护和检修。缺点是温度沿窑长方向较难控制，热点位置不易掌握，在池窑宽度方向上温差较大，仅适用于中小型熔窑。

（3）纵火焰熔窑

纵火焰熔窑的火焰流动方向与窑池纵轴相一致，通常配置换热器，小炉设置在换热器端头，废气由另一端排出，具有结构简单、砌筑方便、火焰不需要换向等特点。缺点是熔窑的热效率低，沿窑的纵向作业制度较难控制，适用于熔制质量要求不高的产品，属小型熔窑。图2.7为纵火焰熔窑示意图。

图2.7 纵火焰熔窑示意图

二、玻璃熔制的主要工艺制度及控制

将混合均匀的配合料经过高温加热熔融，形成透明、纯净、均匀并适合于成型的玻璃液，这道工序称为玻璃的熔制。玻璃熔制是玻璃制造中的重要环节。为达到熔制的目的，必须研究熔制前配合料的配制情况和熔制后成型加工的要求，同时要相应采取一系列合理的操作制度（如温度制度、压力制度、气氛制度等），选用合理的窑炉结构型式、加热方式和耐火材料来予以保证。玻璃制成品的质量主要取决于熔制过程，因为绝大部分的玻璃缺陷是在熔制过程中产生的。只有进行合理的玻璃熔制才能制出优质产品，并保证整个生产过程连续、顺利地进行。加快玻璃熔制过程可以大大提高产量并降低成本。

玻璃熔制是一个十分复杂的过程，它包括各种物理变化（如加热、挥发、熔化、排除吸附水、晶型转化等）、化学变化（如分解反应、固相反应、排除化学结合水）和物理化学变化（如气液相的平衡、各组分相互溶解等）等。玻璃的熔制过程可分为五个阶段：硅酸盐形成、玻璃形成、澄清、均化和冷却。这些阶段互不相同，各有特点，但又相互密切联系，在实际的熔制过程中，各阶段之间没有明显的界限。有些阶段可能是同时或部分同时进行的，例如硅酸盐形成和玻璃形成，澄清和均化，这主要取决于熔制的工艺制度和玻璃熔窑的结构特点。

1.硅酸盐形成阶段

硅酸盐形成是玻璃熔制过程的第一个阶段。在这个阶段中，配合料中各组分由于加热，会发生一系列物理变化、化学变化和物理化学变化。SiO

（石英砂）

2

和其他组分之间会在固相时就开始相互作用。这阶段结束后，配合料变成了由硅酸盐和游离SiO

组成的不透明烧结物。当制造玻璃时，这一阶段在温度为800℃～

2

900℃时结束。

2.玻璃形成阶段

硅酸盐形成阶段结束后，温度继续升高，硅酸盐和石英颗粒完全熔融，成为含有大量可见气泡的、在温度和化学成分上不均匀的半透明玻璃液，这就是玻璃形成阶段。普通平板玻璃的这一阶段约在1 200℃结束。

3.玻璃液的澄清

玻璃形成阶段结束时，整个熔融体包含有许多小气泡（直径小于0.3mm），从玻璃液中除去可见的气体夹杂物的过程，称为玻璃液的澄清，它是玻璃熔制过程中的重要阶段。