錫槽底磚設(shè)計(jì)及應(yīng)用要點(diǎn)

陸 晨,朱永清

(中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司，上海 200063)

錫槽是浮法玻璃工藝的典型熱工設(shè)備，承擔(dān)著浮法玻璃成形的重要任務(wù)。配合料在熔窯熔化成玻璃液進(jìn)入錫槽，在錫液面上攤開展薄，經(jīng)過拉邊機(jī)的作用，達(dá)到產(chǎn)品需要的厚度后進(jìn)一步冷卻定形離開錫槽，這就是浮法玻璃的成形過程。

浮法錫槽的工作溫度一般為600～1 100 ℃，因此，和熔窯的耐火材料相比，從耐火度的角度來看，錫槽底磚的要求并不高。然而，錫槽由于錫液和保護(hù)氣體的存在，對(duì)于錫槽底磚提出了很多獨(dú)特的要求。

1 我國(guó)錫槽底磚的應(yīng)用發(fā)展歷程

自20世紀(jì)50年代末，英國(guó)皮爾金頓玻璃公司宣告平板玻璃的浮法成形工藝研制成功，浮法玻璃技術(shù)席卷全球，唯獨(dú)對(duì)中國(guó)實(shí)施了嚴(yán)格的技術(shù)封鎖。中國(guó)玻璃行業(yè)的從業(yè)者意識(shí)到，只有通過自己開發(fā)研究，走出一條自主創(chuàng)新之路，開發(fā)出中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的浮法玻璃技術(shù)，才是中國(guó)浮法玻璃發(fā)展的唯一出路。而西方對(duì)中國(guó)的封鎖絕不僅僅局限于浮法玻璃技術(shù)本身，其配套的耐火材料也對(duì)我們實(shí)施了嚴(yán)格的封鎖，尤其是錫槽的關(guān)鍵材料—底磚。即使“洛陽浮法”技術(shù)開發(fā)成功之后，高檔平板玻璃生產(chǎn)線所需錫槽底磚仍然需要依賴進(jìn)口。

改革開放以來，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)和城市發(fā)展的突飛猛進(jìn)，中國(guó)的耐火材料行業(yè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。錫槽底磚已經(jīng)基本不再依賴進(jìn)口，我們自己生產(chǎn)的錫槽底磚已經(jīng)出口全世界，成為世界上主要玻璃生產(chǎn)廠商的第一選擇。

2 錫槽底磚關(guān)鍵技術(shù)要求

錫槽底磚是浮法成形的關(guān)鍵耐火材料，錫槽底磚圍成的槽池里盛著熔融的錫液，為了保護(hù)錫液不被氧化，錫槽內(nèi)充滿了氮?dú)浔Ｗo(hù)氣，玻璃液在錫液上攤開，在拉邊機(jī)的作用下成形。

在錫槽內(nèi)部玻璃液、錫液、保護(hù)氣體和錫槽底磚組成了一個(gè)“生態(tài)系統(tǒng)”，里面存在著以下3個(gè)循環(huán)：

1)熔融的錫液通過底磚內(nèi)部的氣孔向磚體內(nèi)滲透，滲透隨著貫通氣孔不斷進(jìn)行，直到通道阻斷而停止。抑或不斷滲透至槽底螺柱將其侵蝕，導(dǎo)致錫槽底磚漂起，造成重大生產(chǎn)事故。

2)錫槽保護(hù)氣體中的氫氣分子體積非常小，具有很強(qiáng)的滲透力。氫氣溶解在錫液里，繼而通過錫槽底磚的氣孔向內(nèi)部擴(kuò)散。氣體溶解度隨著溫度升高而降低，隨著錫槽溫度的變化，氣體從磚體析出，存于玻璃板下，在玻璃板下表面產(chǎn)生凹坑，形成氣泡缺陷[1]。

3)熔融玻璃液成分中的堿金屬和堿土金屬氧化物向錫液擴(kuò)散，再向錫槽底磚表面擴(kuò)散。這些氧化物和錫槽底磚內(nèi)的SiO2和Al2O3發(fā)生霞石化反應(yīng)[2]，反應(yīng)得到的產(chǎn)物體積膨脹，隨著錫液流動(dòng)及溫度變化而剝落，給玻璃生產(chǎn)帶來隱患。

第一個(gè)循環(huán)造成事故在20世紀(jì)70年代左右曾有發(fā)生，隨著錫槽底磚制作工藝的進(jìn)步，錫槽底磚內(nèi)部貫通氣孔率已經(jīng)控制到很低的水平，錫槽底磚使用安全性大大提高。

第二個(gè)循環(huán)目前還是頻繁出現(xiàn)在浮法玻璃生產(chǎn)過程中，尤其是投產(chǎn)初期，磚體內(nèi)部氣孔形成通道，氫氣輕易地在內(nèi)部擴(kuò)散。在生產(chǎn)穩(wěn)定之后，隨著錫液的滲透，溫度制度的穩(wěn)定以及氣體溶解度飽和，因氫氣擴(kuò)散造成的板下氣泡缺陷也很少出現(xiàn)。錫槽底磚抵抗氫氣在內(nèi)部擴(kuò)散的能力主要依靠氫擴(kuò)散率來表征。

第三個(gè)循環(huán)長(zhǎng)期存在于玻璃生產(chǎn)過程中。錫槽底磚霞石化是一個(gè)非常漫長(zhǎng)的反應(yīng)，有些錫槽底磚在使用兩三年后就會(huì)出現(xiàn)霞石化剝落的情況，有些在使用七八年后才會(huì)出現(xiàn)霞石化。然而，隨著窯爐耐火材料的性能提升，現(xiàn)在對(duì)于窯爐窯齡的要求越來越高[3]，國(guó)外已經(jīng)有連續(xù)生產(chǎn)15年的記錄，而且已經(jīng)有廠家提出要建設(shè)20年窯齡的窯爐。這對(duì)于錫槽底磚抗霞石化能力提出了非常高的要求，需要從錫槽底磚的化學(xué)組成、晶相結(jié)構(gòu)和燒成工藝來優(yōu)化提升。

錫槽底磚之間留有膨脹縫，用于錫槽升溫時(shí)消化底磚的膨脹。如果脹縫留設(shè)偏大，預(yù)留的膨脹縫不能合攏；如果留設(shè)偏小，磚體之間互相擠壓，造成磚體開裂。事實(shí)上，錫槽底磚在膨脹過程中無法避免這兩種情況的發(fā)生。這就要求錫槽底磚本身具有一定的“彈性”，能夠承受磚體互相之間的擠壓，這對(duì)錫槽底磚提出了彈性模量的要求。

3 錫槽底磚設(shè)計(jì)要點(diǎn)

錫槽底磚由很多塊單獨(dú)的磚組合而成。錫液在1 000 ℃時(shí)的密度約為6.8 g/cm3，而錫槽底磚的密度約為2.1～2.4 g/cm3，密度小于錫液。為了保證錫槽底磚浸沒在錫液中而不浮起來，每一塊錫槽底磚通過槽底螺柱和槽底鋼板固定，槽底螺柱焊接在槽底鋼板上，錫槽底磚設(shè)計(jì)時(shí)要留設(shè)用于安裝固定螺栓的開孔，下半部分為直徑約40 mm的直形孔，用于槽底螺柱穿過，槽底螺柱四周的間隙用石墨粉或石墨套管填充，阻擋錫液倒灌進(jìn)直形孔內(nèi)，進(jìn)一步侵蝕螺柱，造成漂磚事故。錫槽底磚上半部分開孔為圓臺(tái)孔，圓臺(tái)上直徑約為70 mm，下直徑約為100 mm。槽底螺柱穿過下部直形孔而伸入上部圓臺(tái)孔內(nèi)，利用鋼墊片和螺母，將圓臺(tái)下表面和槽底螺柱固定在一起。最后在圓臺(tái)孔內(nèi)灌入和錫槽底磚化學(xué)成分、膨脹系數(shù)接近的封孔料，搗實(shí)后上部抹平。如圖1所示，是錫槽底磚的斷面圖，錫槽底磚下部開孔不宜過大或過小，應(yīng)保證螺柱外側(cè)具有適當(dāng)厚度的石墨層，石墨層厚度太薄容易導(dǎo)致錫液向內(nèi)部滲透侵蝕螺柱，石墨層太厚容易導(dǎo)致石墨層不易搗實(shí)而形成空隙導(dǎo)致錫液向內(nèi)滲透侵蝕螺柱。上部宜設(shè)置圓臺(tái)孔，孔徑上小下大，即使在浮力的作用下，封孔料不易因結(jié)合不緊而漂出。圓臺(tái)孔應(yīng)要求加工時(shí)不要刻意拋光，應(yīng)保持一定的粗糙度，增強(qiáng)磚體和封孔料之間的結(jié)合力。

錫槽底磚設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重視膨脹縫的留設(shè)。每一批錫槽底磚出廠前應(yīng)送專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)，測(cè)試關(guān)鍵理化指標(biāo)及不同溫度下的膨脹系數(shù)。根據(jù)膨脹系數(shù)，技術(shù)人員計(jì)算后確定不同溫度區(qū)間下底磚脹縫值，并設(shè)計(jì)出脹縫布置圖。錫槽底磚上表面溫度可高達(dá)1 000～1 100 ℃，下部溫度僅為100 ℃左右，巨大的溫差會(huì)導(dǎo)致磚塊上下膨脹不一致，磚縫留設(shè)時(shí)需考慮這一點(diǎn)。另外，磚縫留設(shè)應(yīng)考慮槽底鋼板的膨脹量，槽底鋼板正常生產(chǎn)時(shí)的溫度一般控制在100 ℃左右，而錫槽施工時(shí)冬季和夏季的氣溫偏差很大，即槽底鋼板的膨脹起始溫度相差最大約20～30 ℃，鋼板的膨脹率約為1.2×10-5/℃，假設(shè)磚的長(zhǎng)度為600 mm，30 ℃的溫差，槽底鋼板的膨脹量差值為0.216 mm，這是一個(gè)無法忽略的差值，膨脹縫計(jì)算時(shí)，應(yīng)綜合考慮升溫前的環(huán)境溫度。

4 錫槽底磚應(yīng)用要點(diǎn)

錫槽底磚結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，磚縫的恰當(dāng)留設(shè)，是決定錫槽底磚能否滿足玻璃生產(chǎn)的基礎(chǔ)，對(duì)于錫槽底磚能否長(zhǎng)期穩(wěn)定使用有著重要影響，但是好的設(shè)計(jì)只是成功的一半，后期的安裝、烘烤都對(duì)錫槽底磚的長(zhǎng)期穩(wěn)定使用起著重要作用。

4.1 錫槽底磚安裝

錫槽底磚安裝步驟可簡(jiǎn)單劃分為底磚定位、焊接螺柱、填充石墨、旋緊螺母和填充封孔料[4]。其中每一步都至關(guān)重要，直接關(guān)系到錫槽底磚長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性和安全性。

底磚定位要根據(jù)磚縫留設(shè)圖進(jìn)行施工，確保磚縫實(shí)際尺寸滿足設(shè)計(jì)公差要求。過緊會(huì)導(dǎo)致脹縫片不易取出，存在傷磚的風(fēng)險(xiǎn)。過松會(huì)導(dǎo)致脹縫無法合攏。底磚上表面標(biāo)高要嚴(yán)格控制，要求偏差控制在1 mm以內(nèi)，底磚下部墊片要墊實(shí)，以磚塊四個(gè)角均不晃動(dòng)為合格，墊片數(shù)量盡可能少。底磚定位完成后用膠帶將磚縫貼好，避免雜物掉進(jìn)磚縫無法取出，影響錫槽底磚膨脹。

螺柱焊接關(guān)系到螺柱和槽底鋼板是否有足夠的強(qiáng)度固定錫槽底磚。焊接一定要由具有豐富經(jīng)驗(yàn)的焊工施焊，焊接前要試焊以確定合適的電流和熔接時(shí)間，焊接完成后要用扭力扳手進(jìn)行扭力測(cè)試，不滿足要求的應(yīng)將底磚吊起，然后將焊接處磨平后重新施焊。

石墨墊圈要按圖紙安裝，如果采用石墨粉填充，石墨粉務(wù)必要求搗實(shí)。如果采用石墨套管，要精確測(cè)量石墨套管的長(zhǎng)度，現(xiàn)場(chǎng)切割，不得過高或過低。

螺母旋緊前將鋼墊圈安裝就位，旋緊時(shí)應(yīng)控制合適的松緊度，使用扳手帶上勁即可。

封孔料填充前要用毛刷蘸水將孔壁潤(rùn)濕，以增加其和磚體間的結(jié)合力。封孔料每次倒孔內(nèi)剩余體積的1/3即可，打?qū)嵑笊媳砻婀蚊倮^續(xù)倒入封孔料進(jìn)行搗打，直到搗打完成的封孔料略微高出磚面，使用刮刀將高出磚面的封孔料刮掉并磨平。

4.2 錫槽底磚的烘烤

錫槽烘烤是使錫槽向正常生產(chǎn)過渡的過程，是讓耐火材料排出水分，緩慢膨脹的過程。正常生產(chǎn)時(shí)，錫槽不同區(qū)段有著不一樣的工作溫度，因此，錫槽烘烤也根據(jù)區(qū)段劃分烘烤溫度，且一般比工作溫度略高。錫槽烘烤過程對(duì)于錫槽底磚在正常生產(chǎn)時(shí)的工作性能有著至關(guān)重要的作用。

錫槽烘烤的升溫速率一般控制在3～5 ℃/h，且在升溫過程中應(yīng)在多個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行保溫，整個(gè)錫槽升溫過程可根據(jù)錫槽的大小確定，一般在20～28 d左右。合理的升溫曲線、充分的保溫以及足夠的升溫時(shí)間有利于錫槽底磚水分的充分排出，有利于控制錫槽底磚上下表面不均勻膨脹，有利于封孔料和磚體的均勻膨脹，有利于膨脹縫的充分合攏。

5 結(jié) 語

錫槽底磚是浮法錫槽的關(guān)鍵材料之一，直接影響著浮法玻璃生產(chǎn)。得益于我國(guó)耐火材料行業(yè)的快速發(fā)展，目前我們已經(jīng)擺脫了國(guó)外廠商的限制，可以使用到大量?jī)?yōu)質(zhì)的性能可靠的國(guó)產(chǎn)錫槽底磚。在這樣的大好形勢(shì)下，應(yīng)該不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)施工方式，提升控制水平，著眼于高窯齡錫槽底磚的要求，著眼于特種浮法錫槽底磚的特殊要求，力爭(zhēng)早日使我們?nèi)鎻牟Ａ袠I(yè)“追趕者”成為“領(lǐng)導(dǎo)者”。