光伏玻璃生產(chǎn)工藝管理與控制

劉著

（海控三鑫（蚌埠）新能源材料有限公司 蚌埠 233000）

0 引言

光伏超白壓延玻璃主要應(yīng)用于光伏組件產(chǎn)業(yè)的蓋板或背板玻璃，產(chǎn)品主要特點(diǎn)為低鐵、高透光率，采用壓延成形的工藝方式。為了實(shí)現(xiàn)低鐵高透光率的要求，原材料采用低鐵化工原料和礦物原料。玻璃成分、窯爐設(shè)計(jì)思路以及成形工藝特點(diǎn)要求均有別于普通浮法玻璃及超白浮法玻璃。本文就工藝設(shè)計(jì)、原材料、熔化、成形等相關(guān)工藝對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響進(jìn)行闡述。

1 工藝設(shè)計(jì)

基于光伏超白壓延玻璃的低鐵、高透光率以及玻璃成形方式等特點(diǎn)，工藝設(shè)計(jì)相對(duì)普通浮法和超白浮法窯爐玻璃成分、窯爐設(shè)計(jì)上均有所差異，如表1、表2所示。

表1 光伏玻璃透光率性能對(duì)比

表2 玻璃成分對(duì)比 %

為了實(shí)現(xiàn)低鐵高透光率的要求，光伏玻璃工藝控制需滿足：玻璃熔化質(zhì)量、煙氣氣氛要求、合理的工藝指標(biāo)設(shè)定等。

相對(duì)浮法工藝窯爐一窯一線結(jié)構(gòu)方式，光伏窯爐結(jié)構(gòu)一般采用一窯多線的結(jié)構(gòu)方式，其窯爐產(chǎn)能、質(zhì)量穩(wěn)定性相對(duì)浮法窯爐較差，為實(shí)現(xiàn)高效低成本的光伏玻璃制造穩(wěn)定運(yùn)行，工藝控制管理工作需從窯爐設(shè)計(jì)初衷至生產(chǎn)工藝優(yōu)化深入挖掘。

2 工藝控制點(diǎn)及管理

2.1 金屬鐵管理

光伏玻璃對(duì)鐵要求極為嚴(yán)格，金屬鐵主要為原材料鐵和外來(lái)帶入鐵，外來(lái)帶入鐵含機(jī)械鐵、外來(lái)鐵等，為實(shí)現(xiàn)低鐵的要求產(chǎn)線設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)的原料工藝設(shè)備選型監(jiān)制及產(chǎn)線運(yùn)行后現(xiàn)場(chǎng)防污染控制尤其重要。

機(jī)械鐵主要源于礦物原材料破碎運(yùn)輸設(shè)備以及原料上料配料輸送等工藝設(shè)備長(zhǎng)期磨損造成的，故進(jìn)行原料工藝設(shè)計(jì)及工藝設(shè)備選型時(shí)，需考慮與物料接觸的筒體、喂料口、下料溜口等鋼體結(jié)構(gòu)，均需采用高密度100萬(wàn)分子量以上的PE板作為內(nèi)襯，并且做好現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)制工作，可有效延長(zhǎng)PE板使用壽命并降低機(jī)械鐵的帶入量。機(jī)械鐵隨著原料工藝設(shè)備使用時(shí)長(zhǎng)的逐步增加，需要定期對(duì)關(guān)鍵易磨損設(shè)備進(jìn)行維護(hù)檢修更換，制定合理檢修維護(hù)計(jì)劃。經(jīng)生產(chǎn)總結(jié)，產(chǎn)線機(jī)械鐵含量一般維持200 g/d以內(nèi)為正常，對(duì)生產(chǎn)造成的影響較低。

外來(lái)鐵主要源于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維修，產(chǎn)線設(shè)備維修未得到合理管控，部分檢修金屬鐵部件進(jìn)入碎玻璃系統(tǒng)，造成檢修期間外來(lái)鐵出現(xiàn)劇增，如鉚釘、螺栓、焊條等，若未得到適當(dāng)處理對(duì)生產(chǎn)影響巨大。

因此，對(duì)外來(lái)金屬物管理形成制度，對(duì)金屬物突發(fā)出現(xiàn)增多時(shí)，做好現(xiàn)場(chǎng)排查工作，及時(shí)進(jìn)行整改，既有效排查出設(shè)備隱患，又能降低金屬物持續(xù)性增長(zhǎng)給生產(chǎn)帶來(lái)的隱患問(wèn)題。

2.2 碎玻璃管理

碎玻璃作為外加原材料之一，作為配合料熔化有效的助熔劑，是玻璃生產(chǎn)企業(yè)寶貴的資源。

過(guò)低的碎玻璃比例會(huì)降低配合料的熔解效率，打破原有的熔化制度，料堆、泡界線及液流均會(huì)發(fā)生變化，降低產(chǎn)品質(zhì)量，窯爐能耗升高；過(guò)高的碎玻璃比例，雖然可降低碎玻璃庫(kù)存，但是大量使用時(shí)會(huì)造成玻璃成分的波動(dòng)并且易產(chǎn)生二次氣泡，降低玻璃產(chǎn)品性能，提高玻璃澄清難度。

如何合理地利用和管理碎玻璃同樣也是一個(gè)很重要的生產(chǎn)課題。近幾年，隨著光伏生產(chǎn)企業(yè)工藝技術(shù)和工藝管理的完善，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量跨越式提升，碎玻璃比例一般維持15%～25%，基本可以滿足內(nèi)部消化和吸收。

對(duì)于外購(gòu)碎玻璃，碎玻璃在回收、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)中容易產(chǎn)生污染，會(huì)直接影響生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定性，因此，外購(gòu)碎玻璃必須加強(qiáng)管控，嚴(yán)格控制碎玻璃的采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，采用專車專用的方式進(jìn)行運(yùn)輸，降低運(yùn)輸車輛造成的風(fēng)險(xiǎn)。

由于玻璃生產(chǎn)企業(yè)采用的配方均有差異，做好化驗(yàn)分析，選擇滿足本企業(yè)要求的碎玻璃，才能降低工藝及生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 熔化工藝管理

光伏玻璃窯爐基本結(jié)構(gòu)與浮法窯爐相同，存在的差異主要為應(yīng)對(duì)光伏玻璃低鐵成形工藝等特點(diǎn)需求進(jìn)行特定的設(shè)計(jì)：一窯多線結(jié)構(gòu)、窯爐池深偏深結(jié)構(gòu)、溢流口結(jié)構(gòu)、通路結(jié)構(gòu)等。受此類差異性及產(chǎn)品需求特性的影響，光伏熔化工藝管理與浮法工藝制度存在一定差異性。

2.3.1 一窯多線設(shè)計(jì)

某新建光伏窯爐采用一窯四線結(jié)構(gòu)方式，產(chǎn)能1000～1200 t/d，單線產(chǎn)能250～300 t/d，產(chǎn)能波動(dòng)性較大。主要原因：原板寬偏寬、溢流口玻璃橫向溫度波動(dòng)影響厚度不均、成形日常操作等。單線產(chǎn)能波動(dòng)3～5 t/d，整體產(chǎn)能波動(dòng)10～20 t/d，窯爐工藝長(zhǎng)時(shí)間處于此類變化中，必然會(huì)造成長(zhǎng)時(shí)間的產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)。

光伏玻璃窯爐采用一窯多線的結(jié)構(gòu)方式，成形工序由于壓延壓輥損傷、溢流口唇磚侵蝕斷裂等因素影響，需不定期進(jìn)行換機(jī)換磚作業(yè)，窯爐產(chǎn)能降低約25%，熔化溫度變化明顯，自成形換機(jī)換磚開(kāi)始，熔化區(qū)池底玻璃液溫度逐步升高，前區(qū)對(duì)流強(qiáng)度增強(qiáng)，熔化區(qū)液流縮短，澄清部池底玻璃液溫度逐步降低，澄清區(qū)液流縮短，料堆泡界線相應(yīng)向投料口回收。由于成形換機(jī)換磚時(shí)間長(zhǎng)短存在不確定性，目前基本為4 h以上，熔化燃料分配制度作相應(yīng)調(diào)整，降低前區(qū)比例20%以上，穩(wěn)步維持基本制度，以降低換機(jī)換磚作業(yè)對(duì)熔化溫度制度的影響。換機(jī)換磚結(jié)束后，窯爐玻璃液溫度隨著產(chǎn)能的提升，熔化區(qū)池底玻璃液溫度逐步降低，前區(qū)對(duì)流強(qiáng)度減弱，熔化區(qū)液流逐步延長(zhǎng)，澄清部池底玻璃液溫度逐步降低，澄清區(qū)液流縮短，料堆泡界線相應(yīng)向投料口外移，熔化燃料分配換機(jī)換磚結(jié)束前提前逐步恢復(fù)到位。

光伏窯爐熔化工藝控制過(guò)程中，窯爐產(chǎn)能變化頻繁性、料堆泡界線制度的穩(wěn)定性考驗(yàn)整個(gè)工藝制度的健全及穩(wěn)定性，確定產(chǎn)能指標(biāo)，明確溫度制度，最大程度降低產(chǎn)能波動(dòng)所引發(fā)的惡循環(huán)。

2.3.2 窯爐池深

在玻璃熔制過(guò)程中，火焰是以輻射方式把熱量傳遞給物料。熔化窯爐溫度為1500～1600 ℃時(shí)，火焰及碹頂?shù)妮椛鋫鳠嵩诩s1500 nm處有一個(gè)極大值；另一方面鈉鈣玻璃中的Fe2+在1050 nm處的吸收值為最大。因此，由窯爐中的輻射傳熱所造成的熔化池深處玻璃溫度分布與玻璃中的鐵含量有直接關(guān)系，F(xiàn)e2O3含量為0.088%的玻璃液，池窯玻璃表面與池窯底溫差為35 ℃，而Fe2O3達(dá)到0.51%的玻璃液，其溫差可達(dá)380 ℃。而光伏玻璃生產(chǎn)企業(yè)均采用低鐵原材料，玻璃總鐵含量要求0.015%以下，玻璃液熱透性更強(qiáng)，沿玻璃液深度方向，所形成溫差更小，對(duì)流強(qiáng)度相對(duì)更弱，物料的熔化效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于浮法玻璃熔化效率，能耗相對(duì)同級(jí)別的浮法窯爐高。

受此制約，設(shè)計(jì)之初光伏玻璃窯爐一般采用設(shè)計(jì)池深為1500～1550 mm，相對(duì)浮法1350～1400 mm，增加上下溫差，有利于形成較強(qiáng)的對(duì)流，達(dá)到更高的熔化效率。

經(jīng)長(zhǎng)期生產(chǎn)摸索，從燃料分配比例上進(jìn)行優(yōu)化，窯爐的溫度制度設(shè)計(jì)中需強(qiáng)調(diào)投料口與熱點(diǎn)間的溫差，熔化區(qū)燃料比例50%逐步提升至60%以上，熔化質(zhì)量及窯爐狀態(tài)達(dá)到預(yù)期要求，配合深池窯爐結(jié)構(gòu)改善熔化區(qū)玻璃液前后及上下溫差不足的問(wèn)題。

2.3.3 通路結(jié)構(gòu)

光伏玻璃窯爐設(shè)計(jì)中通常采用一窯多線結(jié)構(gòu)，而近幾年來(lái)為降低能耗，提高生產(chǎn)效率，采用窄卡脖深水包的設(shè)計(jì)。在實(shí)際生產(chǎn)中，雖然通路回流較低，但玻璃的成形流相對(duì)速度更快，帶來(lái)的熱量相對(duì)集中。通過(guò)對(duì)多座光伏冷修窯爐的觀察了解，通路及熔化池池底并無(wú)與浮法玻璃窯爐相似的不動(dòng)層現(xiàn)象，分析原因主要是由于光伏玻璃低鐵特性、熱透性要遠(yuǎn)強(qiáng)于普通浮法玻璃。通路易出現(xiàn)大量較為固定的長(zhǎng)度為3 mm以上的池底空氣泡，隨著通路池底溫度的波動(dòng)，氣泡數(shù)量也隨之變化。對(duì)于一窯五線光伏窯爐650 t/d窯爐，橫通路與支通路合計(jì)總長(zhǎng)超過(guò)100 m，池底面積超過(guò)350 m2，不確定性氣泡產(chǎn)生源大大增加，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量控制和生產(chǎn)效率。

實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，采取以下方式加以控制：

①窯爐設(shè)計(jì)中，除了考慮耐火材料實(shí)際膨脹系數(shù)和窯爐結(jié)構(gòu)膨脹外，盡可能地控制集中膨脹縫的數(shù)量；

②鋪設(shè)通路鋪面磚時(shí)，采用刷漿方式實(shí)施找平，禁止采用泥料找平，并且投產(chǎn)前窯爐清理時(shí)，重點(diǎn)清理通路橫向集中、上升臺(tái)階脹縫、蓋縫磚膨脹縫等部位；

③成本控制允許條件下，采用雙層鋪面磚結(jié)構(gòu)，相應(yīng)錯(cuò)開(kāi)集中膨脹縫，或采用較寬的條形磚壓蓋住集中脹縫；

④已投入生產(chǎn)的光伏窯爐，若出現(xiàn)通路池底空氣泡，為穩(wěn)定熔化工藝制度，確?！八男》€(wěn)”，同時(shí)采用通路池底冷卻降溫方式，降低通路池底溫度波動(dòng)幅度，如增設(shè)冷卻風(fēng)機(jī)局部冷卻，或采用通路整體增設(shè)冷卻風(fēng)管系統(tǒng)的方式冷卻。

2.3.4 窯爐氣氛

透過(guò)率是光伏玻璃的重要性能之一，其直接影響組件的光電轉(zhuǎn)換效率。影響玻璃基體透光率的成分主要為鐵，鐵在玻璃中的存在形式有兩種：Fe3+和 Fe2+， 而Fe2+理 論上的著色能力是Fe3+的十倍左右。因此，控制原料COD值的同時(shí)，窯爐氣氛制度也需要得到有效的管理。

結(jié)合各項(xiàng)指標(biāo)要求，光伏玻璃窯爐工藝對(duì)窯爐氣氛進(jìn)行必要的控制且對(duì)整體的氣氛控制要求要嚴(yán)于浮法。玻璃相同總鐵含量時(shí)，工藝控制應(yīng)采 用 抑 制Fe2+產(chǎn) 生，或Fe2+向 Fe3+轉(zhuǎn) 變，從 而 降 低Fe2+對(duì) 透光率的影響。如圖1［4］所示，F(xiàn)e2+對(duì)光的吸收能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Fe3+，從540 nm開(kāi)始以近乎100%的速度急劇上升，直到1000 nm。

圖1 Fe 3+和 Fe 2+的光吸收曲線

光伏玻璃的料單中，采用硝酸鈉配合氧化銻、焦銻酸鈉或復(fù)合澄清劑使用，為達(dá)到更好的澄清效果，需對(duì)各小爐氣氛進(jìn)行控制（以6對(duì)小爐光伏窯爐為例）。窯爐工藝控制中料堆區(qū)采用還原性氣氛，即1#、 2#、 3#小爐上游為還原氣氛，沫子區(qū)為氧化偏中性氣氛，即3#下游、4#小爐為氧化偏中性氣氛，泡界線后區(qū)采用氧化氣氛，即5#、 6#小爐為強(qiáng)氧化氣氛，見(jiàn)表3。燃燒器調(diào)整過(guò)程中5#、 6#小爐燃燒器角度在確保強(qiáng)氧化性的同時(shí)火焰不得沖擊玻璃液面，防止與玻璃液接觸后造成的火焰不完全燃燒而形成的局部還原氣氛，確保最大程度地促進(jìn)Fe2+向 Fe3+轉(zhuǎn)變。同時(shí)前區(qū)的還原氣氛工藝控制特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了降低硝酸鈉和芒硝的提前分解來(lái)促進(jìn)澄清劑的利用率，達(dá)到了優(yōu)化澄清效果。

表3 窯爐各氣氛分布

在光伏玻璃的實(shí)際生產(chǎn)中，嚴(yán)格控制窯爐后部區(qū)域氣氛，確保玻璃液處于氧化氣氛，可有效降 低Fe3+向 Fe2+的 轉(zhuǎn) 變，降 低Fe2+的 含 量 占 比，相同鐵含量玻璃透光率的提升帶來(lái)明顯的改善。

2.4 成形工藝管理

成形工序作為企業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)核心工序之一，有成形機(jī)構(gòu)、壓輥管理、唇磚管理等方面。

2.4.1 溢流口管理

光伏窯爐成形端采用敞開(kāi)方式的溢流口結(jié)構(gòu)，敞開(kāi)區(qū)玻璃液寬度達(dá)2.5 m以上，成形玻璃深度較淺，約110 mm。玻璃液橫向溫差達(dá)50 ℃以上，溫降較大。在玻璃液流模擬分析中，光伏玻璃成形所需液流主要為上表面成形液流，抗外界干擾能力較弱。

受產(chǎn)品的多樣性、玻璃液溫度、環(huán)境溫度變化等影響，未能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)化調(diào)整，壓延成形設(shè)備基本采用人工干預(yù)調(diào)整，由于有時(shí)存在一定的滯后性，影響較大，隨著新建產(chǎn)線規(guī)模增加，單線產(chǎn)能可達(dá)250 t/d以上。在采用壓輥材質(zhì)均勻、偏心一定的條件下，成形玻璃液溫度與玻璃厚度呈一定線性關(guān)系，壓延參數(shù)不動(dòng)條件下，成形玻璃液溫度升高，玻璃原板厚度降低，反之，厚度提高，最終體現(xiàn)產(chǎn)能相應(yīng)變化。圖2為3.2 mm玻璃有效板寬厚度與溢流口溫度關(guān)系。

圖2 溢流口溫度分布與橫向厚度關(guān)系

由于成形溢流口端采用敞開(kāi)方式作業(yè)，冷熱氣流交替，易出現(xiàn)冷凝產(chǎn)物，生產(chǎn)期間做好定期清理工作，避免冷凝產(chǎn)物富集過(guò)多，玻璃表面易出現(xiàn)滴落物，影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2.4.2 壓輥管理

壓輥?zhàn)鳛楣夥a(chǎn)成形設(shè)備關(guān)鍵構(gòu)件之一，其質(zhì)量穩(wěn)定性直接影響換機(jī)周期，入廠裝機(jī)前后需做好相關(guān)的檢查檢測(cè)工作，并對(duì)每根壓輥制定臺(tái)賬，主要為內(nèi)外輥徑、壁厚、花紋、粗糙度、運(yùn)行跳動(dòng)等參數(shù)，相關(guān)參數(shù)直接影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量及相關(guān)性能指標(biāo)。一對(duì)壓輥上線后，其正常使用周期基本3個(gè)月以上，裝機(jī)后也需按相關(guān)壓輥管理制度進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)檢測(cè)，對(duì)異常壓輥?zhàn)龊酶綦x處理。

2.4.3 唇磚管理

唇磚作為光伏壓延玻璃生產(chǎn)過(guò)程中成形工藝關(guān)鍵設(shè)備，由于直接接觸玻璃液，要具備良好的耐侵蝕性、熱穩(wěn)定性、低氣孔率，較小的線性膨脹，且上線后排泡時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定和高效性具有決定性的作用。

目前唇磚基本采用a-b剛玉材質(zhì)和鋯莫來(lái)石材質(zhì)，兩種磚材由于材料特性及成型工藝的不同各有利弊。

a-b剛玉材質(zhì)唇磚耐侵蝕能力優(yōu)于鋯莫來(lái)石唇磚，上線后可達(dá)6個(gè)月以上，但是排泡時(shí)間受a-b剛玉唇磚成型工藝影響較大，在磚材驗(yàn)收過(guò)程中，無(wú)法通過(guò)外觀進(jìn)行識(shí)別，上線后需有較為嚴(yán)格的升溫制度，對(duì)磚材需長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)步升溫預(yù)熱，防止投入使用后出現(xiàn)磚材斷裂，造成產(chǎn)品出現(xiàn)隱線、固定泡源問(wèn)題。

鋯莫來(lái)石材質(zhì)唇磚相對(duì)剛玉質(zhì)唇磚排泡時(shí)間短，上線后穩(wěn)定，可作2700 mm以上整磚制作，降低分體磚中間存在隱線或氣泡源的風(fēng)險(xiǎn)。但作為整體磚使用時(shí)，如果安裝或引板前預(yù)熱時(shí)間未按要求執(zhí)行，極易出現(xiàn)斷裂或裂紋，降低唇磚的使用壽命和產(chǎn)品質(zhì)量。

唇磚安裝前需提前烘干，將唇磚放置在窯爐澄清部區(qū)域進(jìn)行烘干。安裝過(guò)程嚴(yán)格遵循唇磚安裝標(biāo)準(zhǔn)和安裝程序執(zhí)行，對(duì)上線后唇磚整體標(biāo)高進(jìn)行測(cè)定并調(diào)整，降低唇磚與尾磚的高度差，防止唇磚口出現(xiàn)下扒或上翹等問(wèn)題。

目前唇磚采用整體磚結(jié)構(gòu)逐步成為趨勢(shì)，長(zhǎng)度可達(dá)2700 mm以上，故引頭子前后按計(jì)劃調(diào)整唇磚頂絲，防止唇磚過(guò)度膨脹、中間位置鼓起或出現(xiàn)擠壓斷裂等問(wèn)題，引發(fā)玻璃隱線重、固定泡源等質(zhì)量問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

玻璃生產(chǎn)企業(yè)需控制物料的源頭，尤其是針對(duì)低鐵高透光率的光伏玻璃生產(chǎn)，企業(yè)應(yīng)實(shí)施提效降本管理，做好進(jìn)場(chǎng)物料按品位實(shí)施等級(jí)管理，如物料的鐵含量、顆粒度、主體化學(xué)成分等，不同批次不同等級(jí)差異性搭配，最大化降低品位差異帶來(lái)的工藝性波動(dòng)。

光伏玻璃生產(chǎn)工藝控制需深入了解光伏窯爐設(shè)計(jì)的初衷，工藝調(diào)整、窯爐結(jié)構(gòu)以及成形方式相結(jié)合。由于光伏窯爐結(jié)構(gòu)及成形方式的差異性，工藝控制點(diǎn)較多，工藝技術(shù)人員需要更長(zhǎng)時(shí)間的工藝摸索，采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制方式，通過(guò)生產(chǎn)實(shí)際不斷優(yōu)化改進(jìn)，挖掘更為合適的工藝控制方式，為實(shí)現(xiàn)低成本高質(zhì)量的光伏發(fā)展作出貢獻(xiàn)。