乳白玻璃陶瓷電熔爐紅頂缺陷分析與解決措施

蔡佳才

摘 要：本文論述了乳白玻璃陶瓷的特點，提出采用電熔爐進行熔制的優(yōu)勢，對電熔爐熔制過程中易產生紅頂?shù)脑蜻M行分析和提供解決措施，并進行詳細的論述。

關健詞：玻璃陶瓷；電熔爐；紅頂；料層厚度

1 前言

陶瓷是人們日常生活的必需品，但是陶瓷的生產過程需要在瓷泥階段進行塑形，然后進行高溫燒制而成形，其過程具有不可逆的工藝技術，一旦燒制后的產品不合格，則成為廢品，難以重新利用。我公司生產的乳白玻璃陶瓷制品具有玻璃的熱塑性，可以將原材料和玻璃生產過程中的邊角料一起熔制進行塑形，通過機械化連續(xù)生產，從而降低成本和保護環(huán)境。但是乳白玻璃陶瓷的電熔爐在使用過程中，容易出現(xiàn)“紅頂”、“翻滾”、“氣泡”、“結石”等一系列的缺陷，我公司玻璃工藝技術人員經(jīng)過不斷探索和攻關，積累了較豐富的生產經(jīng)驗，使得我們的產品白度、光澤度、抗熱震性不斷提高，產品暢銷國內外，受到眾多顧客的好評。

2 玻璃陶瓷產品的定義與優(yōu)勢

2.1 日用玻璃陶瓷的定義

根據(jù)GB/T 30771-2014《日用玻璃陶瓷》標準，其中對玻璃陶瓷的定義為“由結晶相和玻璃相構成的一類陶瓷復合材料，一般通過對玻璃進行適當加熱處理以使玻璃體內產生足量結晶相而獲得”；對日用玻璃陶瓷的定義為“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雙重特性，比普通玻璃和傳統(tǒng)陶瓷的硬度高；變廢為寶、具有環(huán)保清潔特點，是當前普通日用陶瓷產業(yè)的替代產品。

2.2 乳白玻璃陶瓷的優(yōu)勢

乳白玻璃大多數(shù)是通過氟化物（如氟硅酸鈉、氟鋁酸鈉、螢石等）使玻璃進行析晶，屬于晶粒乳濁方式。

乳白日用玻璃陶瓷的外觀質量不亞于高檔次的日用陶瓷，根據(jù)GB/T3532-2009《日用瓷器》標準之5.4.1白瓷白度表2規(guī)定，我公司的乳白玻璃陶瓷白度≥84，而白瓷白度≥70為優(yōu)等品；乳白玻璃陶瓷產品類型可以搭配盤、碗、碟、匙等餐具；乳白玻璃陶瓷產品的耐熱溫差普遍達到120℃，可用于微波爐，可以滿足人們的日常使用要求。

乳白玻璃陶瓷具有如此優(yōu)勢，但是國內生產乳白玻璃陶瓷的廠家并不多，原因主要是產品的外觀質量白度達不到要求，產品的抗熱震性不達標等，這些是制約我國乳白玻璃陶瓷發(fā)展的瓶頸，目前的先進技術大多被美國康寧公司，法國弓箭所掌握。

3 乳白玻璃陶瓷的熔制要求與選擇電熔爐熔化的優(yōu)勢

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產過程中最重要的階段。氟化物乳白玻璃陶瓷通常采用SiO2-R2O3-RO-R2O-F-系統(tǒng)，在系統(tǒng)中加入一定比例氟化物（如氟硅酸鈉、氟鋁酸鈉、螢石等），然后把各種原料混合均勻形成配合料，在高溫作用下形成粘滯的硅酸鹽熔體，被稱為玻璃液。

氟化物熔點較低，易揮發(fā)，加之乳濁產生的晶粒，受熱歷史因素的影響，玻璃的乳濁程度波動較大，因而控制氟化物的揮發(fā)量是獲得優(yōu)質乳白玻璃陶瓷的重要因素。氟化物乳白玻璃陶瓷對熔制溫度有嚴格要求，應該保持爐溫的穩(wěn)定，減少爐溫的波動。如果熔制溫度過高，則氟化物揮發(fā)量增大，玻璃中的氟化物含量相對減少，對乳濁度不利，玻璃顏色趨于半透明；如果熔制溫度過低，則玻璃未能完全熔化，產品的機械強度和耐熱穩(wěn)定性達不到質量要求 。

3.2 乳白玻璃陶瓷選擇電熔爐進行熔化的優(yōu)勢

采用垂直電熔爐進行熔化，為獲得優(yōu)質乳白玻璃陶瓷提供條件，可以降低揮發(fā)性配合料組分的揮發(fā)，同時還能保護環(huán)境。據(jù)資料顯示，在常規(guī)燃料火焰加熱的情況下，配合料中氟化物有大約40%因揮發(fā)而損失掉；而采用全電熔時，氟化物的揮發(fā)量僅為2%。

冷頂垂直電熔爐的優(yōu)勢，將配合料從電熔爐上方的投料口均勻投放，形成一定厚度的配合料料層，配合料料層覆蓋在高溫玻璃液的液面上，一般料層厚道為30 ～ 60 cm，合適的料層厚度，不僅能促使低溫玻璃液的形成，加速玻璃熔化，還能阻擋易揮發(fā)成分的外逸并起隔熱作用，優(yōu)化工作環(huán)境。隨著料層厚度的增加，先熔化的玻璃液向出料口方向流出，熔化成澄清的玻璃流體，通過電熔爐底部的流液洞，經(jīng)上升道、料道、流入料盆，再由料盆分配給成型模具。我公司采用自動離心機成型，利用高速旋轉產生的離心力，使流體沿模具內表面中心向四周流動逐漸冷卻成型為所需形狀的玻璃陶瓷制品。

4 乳白玻璃陶瓷電熔爐容易產生紅頂

采用冷頂垂直電熔爐熔制乳白玻璃陶瓷具有節(jié)能、減少氟化物揮發(fā)的優(yōu)點，但也有一系列的缺點，如容易出現(xiàn)紅頂、生料層太厚或者太薄、電極外露氧化等缺陷。大型電熔爐配套有自動加料機，可以節(jié)省大量的人工，提高料層的均勻度，但是大多數(shù)電熔爐的“冷層”控制不容易，往往容易形成玻璃配合料出現(xiàn)“紅頂”，造成玻璃配合料與初步形成的玻璃液一起“翻滾”，使產品出現(xiàn)“氣泡”、“結石”等致命的缺陷，從而出現(xiàn)大量廢品。然而玻璃電熔爐的生產具有連續(xù)性、不可間斷，一旦出現(xiàn)生產問題，解決起來就相當棘手，沒有良好的技術經(jīng)驗，是解決不好的。

5 乳白玻璃陶瓷電熔爐產生紅頂分析

5.1 乳白玻璃陶瓷熔制過程的原理

玻璃電熔爐熔化的原理是將電流通過電極引入玻璃液中，玻璃液直接通電加熱，通電后兩根電極間的玻璃液在交流電的作用下產生電流焦耳熱，從而達到熔化和調溫的目的。玻璃在高溫狀態(tài)下是一種電導體，在大多數(shù)玻璃的電熔中，玻璃的電阻率取決于溫度和堿金屬含量；熔融的玻璃中含有大量的堿金屬，如Na+、K+ 、Li+等金屬離子，其中Na+最有利于增加玻璃液的導電性，Na2O含量的增加使玻璃電阻率幾乎呈直線下降。依據(jù)玻璃電阻率ρ（Ω·cm）和電導率σ（S/cm）關系是互為倒數(shù)關系，即隨著玻璃成分中堿金屬含量的增加，可以增大玻璃液的電導率（由于在電熔化和電加熱中研究的對象是高溫液態(tài)玻璃，所以僅對于1000℃以上的玻璃電阻率感興趣）。但是隨著堿金屬含量的提高，玻璃液的熔化速率也會相應提高，造成配合料料層厚度變薄或者熔透，勢必造成熔化溫度下降。

5.2 乳白玻璃陶瓷電熔熔制過程的產生紅頂?shù)姆治?/p>

在電熔窯爐的生產中，熔化溫度、操作功率及玻璃液電阻三者是密切相關的，是控制電熔窯爐運行的主要參數(shù)。玻璃電熔爐溫度是通過操作功率來調節(jié)的，一般是采用"恒功率模式"，增大了堿金屬的含量，使得玻璃液的電阻率下降，根據(jù)熱功率P=I2R理論和歐姆電阻R=ρL/S（式中：R--電極間電阻，Ω；L--電極間距，cm；S--玻璃液深和電極的導電寬度的乘積，cm2；ρ--玻璃液電阻率，Ω·cm），會造成電極輸入電流的增加，導致鉬電極周圍溫度上升，使得鉬電極外露加快氧化，一旦鉬電極被氧化侵蝕后，其電極的電阻值也會變大，那么“恒功率模式”下的熱功率提供的熱量就會增多，導致窯爐的冷層厚度變薄，玻璃電熔爐內的爐中熱量被大量散失，最終使電熔爐中的溫度被快速下降，這時就會造成玻璃配合料下沉，把未熔化的配合料帶入電熔爐的熔化區(qū)和澄清部位，產生結石和氣泡，形成“惡性循環(huán)”。由此可見，控制合適的料層厚度對電熔玻璃乳白玻璃是非常重要的，料層太薄或者被熔透是導致乳白玻璃陶瓷冷層垂直電熔爐“紅頂”的原因。

6 乳白玻璃陶瓷電熔爐產生紅頂?shù)慕鉀Q措施

6.1 乳白玻璃陶瓷電熔爐熔制過程的產生紅頂解決措施

那么，一旦料層厚度被破壞，料層太薄或者被熔透，需要怎樣補救呢？

通常有以下解決措施：第一步、適當減少出料量，讓未充分熔化的玻璃液進行較長時間的保溫。其目的是熔融消除掉未熔化的結石，同時讓氣泡在保溫期間得到吸收，從而減少氣泡的出現(xiàn)。第二步、在減少出料量的同時，適當快速地增厚配合料冷層的厚度（盡量不要加入碎玻璃），讓料層厚度盡快得到恢復。第三、在進行第一步和第二步的同時，還要把"恒功率模式"的電功率適當進行調試，一般是先降功率再恒功率，然后再恢復到常態(tài)。

6.2 乳白玻璃陶瓷熔制過程的產生紅頂利用配方進行解決的措施

解決乳白玻璃陶瓷電熔爐紅頂?shù)膯栴}，還可以從玻璃成分配方進行修改。

經(jīng)過一系列實驗得出結論：玻璃液發(fā)生紅頂及翻滾主要是原因是高溫玻璃液的黏度太大，導致玻璃流體中的氣體散發(fā)不出去。如果氣體想要突破溢出，必然需要很大的熱量使玻璃流體的黏度變小，才能使得氣泡被釋放，一旦氣泡爆發(fā)，就會讓熱量散發(fā)出去，導致配合料的冷層料下沉。

生產乳白玻璃陶瓷的原料主要有：石英砂、氫氧化鋁、純堿、五水硼砂、碳酸鋇、碳酸鈣、氟硅酸鈉、氧化鋅等，在進行試驗過程中，發(fā)現(xiàn)五水硼砂對玻璃液的黏度有重要的影響。在玻璃生產中加入五水硼砂是為了改善玻璃產品的性質，B2O3可以降低玻璃的熱膨脹系數(shù)和提高玻璃的耐熱性能，最重要的是B2O3可以起到助熔的作用，五水硼砂的熔點只有75℃，很容易熔化，當加熱到120℃完全失去結晶水。在試驗過程中，當五水硼砂的加入量比較多時（占比14%配合料）就會引起玻璃液翻滾，形成大氣泡，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%為宜。

綜上所述，乳白玻璃陶瓷在生產過程中，當冷頂配合料料層的適宜厚度被破壞后，出現(xiàn)料層變薄或者熔透，就會出現(xiàn)冷層配合料紅頂現(xiàn)象，導致產品中出現(xiàn)氣泡和結石等缺陷，這些缺陷對玻璃制品來說，都是不致命的。所以在我們認識到出現(xiàn)紅頂?shù)臋C理后，尋求有效的解決方法，才能為生產和研發(fā)做出更多的貢獻。

參考文獻

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