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浮法锡槽技术的进展周天辉(杭州聚能玻璃技术有限公司 杭州310014)摘要: 浮法锡槽技术一直处在不断发展中。我国由耐热混凝土槽底发展为粘土砖槽底,目前国外用一种兼具高弹性及低渗透性的粘土砖槽底。锡槽顶盖国内多使用耐热混凝土预制块吊平顶结构，国外则采用硅线石质的烧成砖组合吊顶。国外锡液流动的调控技术已非常成熟，重要有槽底挡坎、侧面挡板、直线电机,国内在这方面探索时间不长。控制硫及氧污染物的最新技术重要采用足量保护气、并加上高温区导流排空技术、同时在锡槽尾部采用直线电机及时排除锡渣。关键词: 浮法锡槽，锡液流动，硫污染，氧污染，直线电机，气氛导流 锡槽是浮法玻璃生产的核心热工设备，国内外都对其严格保密，因此技术进展轨迹也各不相同。回顾进展历程，理解最新进展，对进一步发展我国浮法技术水平、引进吸取国外真正高水平的浮法技术，将起积极的作用。1 槽底耐火材料的演变锡槽底砖是用于砌筑锡槽槽体内衬的特殊耐火材料，对其的质量规定着重在尺寸精度、高弹性、低发泡性及低渗透性等方面，对于耐压强度等一些常规的指标则无特殊规定。目前衡量底砖发泡倾向的指标为氢扩散度，一般认为氢扩散度小于150mmH2O即可防止冒泡。透气度则用于判断底砖抗Na2O的渗透能力，从一个侧面间接判断抗霞石化的能力，透气度越小，抗Na2O渗透能力越好。高弹性可防止砖体水平断裂上浮，常用应变率指标恒量弹性-即砖体通过变形释放内应力的能力。1.2 国内底砖的进展80年代中期之前，由于初期株洲初步探索实验锡槽漏锡的教训，我国设计的几座锡槽特别强调槽底的密封。当时的洛阳一线、南宁一线、通辽一线、洛阳二线均采用在槽底钢壳内现场捣打大块耐热混凝土的做法，混凝土块与块之间的膨胀缝夹石棉板，缝上部用水玻璃砂浆灌封。此种槽底具有大量水分，槽内温度波动时会大量冒泡，气泡上浮冲击并破坏柔软的玻璃带。槽底中的水分被烘烤升华之后，留下许多贯通气孔，锡槽保护气很容易渗透，也易引起冒泡1。洛阳二线因冒泡问题被迫于1986年进行小冷修，初次尝试用粘土砖更换高温区10米左右的混凝土槽底获成功，之后国内开始大量采用粘土砖槽底。开始时锡槽底砖直接从熔窑专用的底砖中挑选，这些砖基本满足当时的浮法技术规定，但应变率指标不合规定，砖体弹性很差，必须预留足够大的砖缝，以防止砖体互相挤压受损。这种 “大砖缝”的做法一直沿用至今。“大砖缝”保证了槽底的安全性，但牺牲了锡槽高温区锡液的温度均匀性。锡液温度的均匀性对于生产优质薄玻璃是极其关键的。大砖缝中贯通到钢壳的锡液成为优良的热导体，在承托玻璃的锡液中形成“冷筋”，最终作用到玻璃上加重了表面变形。采用应变率较大的底砖，能预留较小的砖缝，升温后砖之间互相挤紧，将渗下的锡液量减少到最低限度，有助于锡液中的热均匀。应变率较大的底砖，其砖体弹性较好，受热膨胀产生的较高挤压应力能通过变形得到部分释放，避免了应力蓄积引起砖体断裂浮起。目前国内已有多家专业槽底砖生产厂家，产品的氢扩散度和透气度指标优于国外产品，因此基本没有冒泡和霞石化剥落的问题。但国内底砖生产厂只是通过减少气孔率的办法来获取低氢扩散度和低透气度的产品，生产工艺与其他粘土质产品大同小异，并没有真正掌握锡槽砖的生产技术。由于国内锡槽设计上一直沿用大砖缝的做法，没有对砖材应变率指标提出规定，故底砖生产厂并未刻意控制此指标，生产的底砖在应变率指标方面存在较大差距，无法适应现代浮法的技术规定。应变率与氢扩散度、透气度二指标存在逆向相关关糸2，如不考虑前者，后两者是很容易控制的。同时控制三个指标与只控制二个指标，在砖材生产技术上是完全不同样的。1.2 国外槽底砖的进展过程从浮法工艺诞生之日起，国外锡槽就一直使用粘土砖槽底3。1970年之前，所用的粘土砖的氧化铝含量约25%左右，并富含1.5%的碱金属氧化物。此种砖在吸取从玻璃扩散出的钠后，在砖表面形成含Na2O 20%的低共熔物，其低共熔点为732oC。在锡槽作业温度下，砖表面产生大量液相共熔物，它们呈 “小蝌蚪”状上浮粘在玻璃上形成缺陷。因此1970-1980年之间，将砖中铝含量增长到38%-40%，砖吸取20%左右的Na2O之后，Na2O-Al2O3-SiO2糸统的低共熔点上升为760oC，大大减少了液相量，很好地解决了“小蝌蚪”问题。但又出现了新问题，这种砖的玻璃相含量高达30%，应变率较低，脆性大、易断裂，导致了多起在砖厚方向的断裂事故，砖上半部分约7英寸厚上浮，俗称 “7英寸效应”。继而在1980?990年期间，采用减少碱金属氧化物含量、提高氧化铝含量的办法，将砖体中玻璃相含量减少到15%。这种砖氧化铝含量在43-46%左右，虽然通过减少砖中的玻璃相增长了弹性，但这种砖的抗渗透性能力较差，钠扩散入砖体形成霞石类产物，反映产物因体积膨胀，出现卷曲剥落的问题。1990年之后，国外开发出了同时具有低氢扩散度、低透气度和高应变率的锡槽专用底砖，很好地满足了现代浮法工艺对底砖的规定。这种底砖具有合适的玻璃相，在底砖表面形成阻碍钠进一步扩散的阻挡层，不会出现霞石化问题。这种砖又兼具较高的应变率，虽然在作业温度下砖体互相挤压，仍不会发生“7英寸效应”。2 锡槽顶盖结构的演变浮法成型工艺规定严格的热均匀性，拱形顶盖对热辐射有聚焦效应，无法满足锡槽横向温度分布的规定，所以国内外不约而同地采用吊平顶结构。2.1 国内顶盖结构的发展国内最早的洛阳一线、南宁一线、通辽一线的锡槽结构比较简朴，顶盖上没有钢制密封罩，必须靠耐火材料顶盖自身密封。所以当时使用大块的耐热钢筋混凝土预制块，吊挂组合在支承钢梁上，预制块之间用砂浆灌缝，形成比较严密的锡槽顶盖。为了改善整个锡槽的密闭性，1985年投产的洛阳二线锡槽一方面采用钢制大密封罩，但顶盖仍采用耐热钢筋混凝土预制块。这种结构被随后新建的大多数浮法线所采用。就这样，耐热钢筋混凝土预制块渐渐成为中国浮法的特点之一。耐热混凝土预制块吊平顶结构最大优点在于造价低、底部平整、易吹扫、安装容易。缺陷在于形状复杂、预埋件多、笨重、电加热器布置灵活性差、容易开裂、寿命只有一个窑期。80年代后期发展出了组合式锡槽顶盖4，结合了耐热混凝土顶盖与烧成砖顶盖的优点，将顶盖提成支承模块与加热模块二部分。支承模块仍采用耐热钢筋混凝土预制块，预制块形状得到简化、尺寸较小、不易开裂、可反复使用几个窑期。加热模块用莫来石烧成砖制成，电加热元件安装在此模块上。国内目前的锡槽许多采用组合式锡槽顶盖。2.2国外顶盖结构的发展国外一直采用硅线石质烧成砖与保温砖的组合模块，各种模块拼装成锡槽吊顶，吊顶外有钢制密封罩密闭整个锡槽顶盖。1990年代初期之前，采用的硅线石砖形状复杂、砖型繁多、尺寸较小、精度规定高，组装后的平顶其下表面是波浪形的，锡槽内的挥发物易冷凝聚集在波谷，需要频繁吹扫以防止冷凝物滴落污染玻璃带5。1990年代中后期，根据对锡槽顶盖结构与玻璃锡滴缺陷之间关糸的最新结识6，国外对顶盖结构进行了重新设计。新老顶盖之间的最大区别，在于内表面改用了平面结构，避免了旧式波浪型结构的缺陷。新型顶盖能更好地发挥热端气氛导流技术的作用，大大减轻了锡滴危害。3 槽内硫及氧污染物的控制国内外初期的锡槽均采用过煤气及半燃烧煤气作为锡槽保护气体，这些气体纯度很低，具有大量污染物。当时的槽内污染重要来自保护气体自身。现代锡槽所有改用高纯氮氢混合气作为保护气体，气体纯度己非常高。锡槽内的污染物重要是氧和硫。 氧的来源重要归结于密封不严引起的空气渗透。而硫则重要来自玻璃液自身。3.1氧污染物的控制氧在锡液中的溶解度随温度而变，其关糸见表1。高温时氧的溶解度大，低温时氧溶解度急剧减小，所以锡槽出口端的锡液表面易生成氧化锡浮渣，如不及时清除，很容易导致玻璃沾锡。锡槽高温区的过量氧会引起氧化亚锡挥发，冷凝在顶盖上，最终落在玻璃带上形成缺陷，但与硫污染相比，这并不是重要的。玻璃下表面渗锡量也与氧有关，过量的渗锡易产生钢化彩虹。表1 氧在锡液中的溶解度与温度的关糸7温度 oC5506507508509501050溶解度 ppm31570280650900控制氧污染的主线措施在于加强锡槽的密封性，尽量减少外部空气进入锡槽。锡槽的密封重要涉及三个方面: 进口端、出口端、以及两侧边封，其中出口端的密封是最关键的。锡槽出口端通过过渡辊台与退火窑联结。过渡辊及传动完全是退火窑的延伸，而过渡辊台壳体(渣箱)则与锡槽连成一体，同一装置的不同部分分别附属于不同的热工设备，其热状态经常处在矛盾之中，所以几乎每条生产线在投产时均会在此处出问题，在高温环境下，往往只解决传动问题，主线无瑕顾及密封问题。因此，沾锡一直是氧污染引起的最令人头痛的问题。解决氧污染问题的最新思绪是将锡槽尾端与过渡辊台作为一个糸统，统一考虑热变形、密封、槽体几何形状及锡液流态等因素之间的协调关系。组织好热变形是要保证各机构高温下仍然能维持其基本功能。密封重要靠保持机构功能与合理选用材料二个方面，缺一不可。组织好热变形与良好密封两者共同起作用，就能尽量减少外部空气进入锡槽。对于难免泄漏进的少量氧生成的污染物，可借助合理的锡液流动及时从玻璃板下清除。槽体几何形状是要保证锡液自然流动的有序性，使污染物不蓄积在玻璃板下面。在同样的密封条件下，有些锡槽，如某地一座进口锡槽，对沾锡特别敏感，其因素就是不合理的槽体几何尺寸，紊乱的自然锡液流使污染物累积在玻璃板下方。采用直线电机加强有益的锡液流，被证明是一种非常有效的清除污染物的方法8, 但必须以有序的自然液流作为基础。根据锡槽尾部槽体的不同尺寸，设计最优化的诱导式扒渣耳池，己成为最新的氧污染控制技术。3.2硫污染物的控制芒硝(硫酸钠)是玻璃有效的澄清剂，在浮法配合料中占较大比例，所以硫重要由玻璃液自身带进锡槽。硫从流进锡槽的玻璃液中挥发及溶解在锡液中。纯锡的蒸气压很小(见表2)，但受硫污染的锡的挥发性很大(见表3)，形成的硫化物蒸气冷凝在顶盖上，被氢还原成金属锡滴落到玻璃上形成缺陷。表2 金属锡的蒸气压9温度 oC730812880940蒸气压mmHg0.000001420.00007510.0001730.00301表3 SnS的蒸气压10温度 oC5947057609001010蒸气压mmHg0.010.11.010100进入锡槽的硫的数量是无法控制的，减少污染的传统办法是定期吹扫顶盖。最新的技术重要采用加大保护气体用量、分比例供氢、并加上高温区导流排空技术，形成向上游的逆向气氛流，将污染物迅速排出。在保护气体中加入氢气的目的是消耗漏进的氧，所以氢只对控制氧污染起作用。氢对控制硫污染起到的是反面作用，因此对硫污染而言，氢比例越低越好。这就规定在锡槽的不同区域，针对各区域的首要污染物，采用不同比例供氢。增长保护气体供应量，是为运用高温区导流排空技术发明条件。抱负的导流技术应当连续排空、排气量至少为总供气量的15%、同时须保持槽内压力至少达成40 Pa，并借助在线露点仪实时监测尾部槽内气氛露点。4锡液流动的调控锡槽内的温度大约在1100-600 oC之间，首尾之间存在450oC左右的温差，这种温差导致的锡液对流使上层锡液向低温区流动、同时下层锡液流向高温区。漂浮在锡液面上的玻璃带的运动也带动锡液向下游流动，向上游的返流重要集中在板边外侧。与玻璃带引起的液流相比，温差液流强度很弱。这二种锡液对流统称为 “自然液流”。当今先进锡槽在设计时就考虑了充足运用有益的自然液流，同时广泛采用液流强制调控装置来灵活地控制锡液流动。液流调控装置分为被动式和积极式二类。被动式锡流控制装置重要有槽底活动挡坎、侧面活动挡板等。积极式控流装置只有直线电机一种。4.1 被动式锡流控制装置槽底活动挡坎用石墨制成，内部填充金属钨，可沉在锡槽的任意部位，横贯锡槽内宽。挡坎能显著减少锡液流量，继而控制槽内热互换过程，提高玻璃质量。活动挡板安装在两侧无玻璃覆盖的自由锡面处，用于阻挡锡液回流。玻璃板下及两侧无玻璃的自由液面处锡液的流动情况见图11。挡坎高度对热互换的影响效果见图212。图1. 锡槽中锡液流态(a为两侧无玻璃覆盖区域。b为玻璃带下面)图2. 挡坎高度对热流的影响4.2 锡槽直线电机直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的电力装量。当直线电机三相绕组通入交变电流时，产生“行波磁场”，位于“行波磁场”中的导体因切割磁力线而感应出电流，电流与磁场互相作用便产生电磁力。在锡槽中，这种电磁力推动锡液运动，通过调节电机的参数，就可方便地控制锡液流动的方向与速度13。直线电机头部位于玻璃带上方，不与玻璃接触，距离玻璃表面约 30?0毫米。直线电机驱动玻璃下面的锡液按预定方向流动，改变直线电机的出力就能改变锡液流动的方向与速度。在锡槽进口端，熔融的玻璃液流入锡槽中部，加热了它下面的锡液，而位于锡槽侧墙附近的锡液仅得到较少的热量。结果，在该区域形成了较大的横向温度梯度。该温度梯度阻碍了玻璃液的自由扩展、影响了其消除厚度和表面上存在的不规则缺陷。为改善锡槽的横向温度分布，在锡槽两侧靠近流槽砖的锡液上方，安装两部直线电机。热端应用对于厚玻璃的生产是重要的，由于由于顶部冷却器的作用使得堆积的玻璃上表面过冷，结果经常会导致严重的表面缺陷和沿玻璃带横向的厚度不均。薄玻璃则由于这些锡液循环可以获得更好的光学质量。直线电机应用方面的最新进展是在生产优质薄玻璃与超薄玻璃方面14。在锡槽的拉薄区域和收缩段使用直线电机，是减少玻璃带下表面光学变形缺陷的有效方法。为生产薄玻璃，拉边机速度机必须逐次提高，玻璃带的加速运动带着锡液涌向锡槽出口端。为补偿玻璃下锡液向下游流动，较冷的锡液向上游返回流动。冷热流股在拉薄区相遇，使玻璃表面各微区冷热不均。在拉薄区，玻璃处在转变区域，对微小的温差特别敏感，温度每下降一度，玻璃液粘度就约上升4%。各微区的粘度差导致了拉伸不均，在玻璃上产生光学变形。直线电机已被证明是控制这些有害液流的最有效装置。5 结语我国是少有的从头开始研究开发浮法技术的国家，长期的原理性探索培养了一批对浮法技术有全面深刻理解的专业技术人员。国内浮法的技术水平己有巨大长进，最高水平已接近国外先进水平，差距重要体现在技术管理、生产管理、质量管理的水平及体糸上。 近2023也是国外浮法水平大发展时期，各大重要公司的技术水平发展也并不平衡，有些公司的技术己经落后，此后应当在对外交往中注意这一点。