高硼硅玻璃全電爐產(chǎn)品結(jié)石缺陷分析及產(chǎn)生原因探究

冷頂全電熔的垂直熔化技術(shù)有效解決了高硼硅玻璃的難熔化、難澄清、難均化、硼揮發(fā)及玻璃液分層的棘手問題，得到了快速的推廣與應(yīng)用，但在此過程中也出現(xiàn)了各類料質(zhì)缺陷的困擾，這些缺陷產(chǎn)生的根源更值得技術(shù)人員進(jìn)行探究。本文就以某冷頂電熔爐出現(xiàn)的結(jié)石缺陷為例，分析產(chǎn)生原因并對電熔爐的熔化原理、耐材選用、筑爐細(xì)節(jié)及日常技術(shù)管理等需要注意的事項提出一些具體的建議。 

1 結(jié)石缺陷分析 

1.1 背景介紹 

某廠有兩臺熔化池為24邊形，側(cè)插電極，熔化面積為12m2，21.6t/d的高硼硅(玻璃成分見表1)冷頂全電熔爐，每爐4線，共計8條生產(chǎn)線。兩盤池爐在投運初期無結(jié)石缺陷，待池爐運行6個月之后，開始出現(xiàn)結(jié)石缺陷并呈逐步增多趨勢，目測8條生產(chǎn)線的結(jié)石缺陷外觀相似，爐底及料道底無電放料孔。為準(zhǔn)確判定結(jié)石性質(zhì)，8條線分別取樣送到圣戈班上海研發(fā)中心(SGRS)進(jìn)行了偏光顯微定性分析及電子探針的定量分析。 

1.2 結(jié)石分析與結(jié)果 

SGRS對20多個樣品進(jìn)行了偏光顯微檢測，根據(jù)缺陷的形貌特征、大小、象限內(nèi)顏色等判定皆為同類缺陷。

結(jié)石中的ZrSiO4 已逐步分解為ZrO2 與SiO2;3#樣品已無明亮核心，說明結(jié)石中的ZrSiO4 已完全分解成了ZrO2 與SiO2;這些結(jié)石的周圍因富含ZrO2 的成分而形成了明顯的鋯質(zhì)條紋。 

缺陷產(chǎn)生原因探究與預(yù)防 

2.1 結(jié)石來源判斷 

通過電子探針的判定，兩盤池爐的結(jié)石缺陷皆為 ZrSiO4，在斜鋯石相中無剛玉相，且結(jié)石及周圍的Al2O3 含量極低，因此排除電熔鋯剛玉質(zhì)耐材。而鋯英石質(zhì)耐火制品主要是以天然鋯英石砂(ZrSiO4)為原料所制成，鋯英石耐火度可達(dá)1790℃，理論組成因此判定結(jié)石源自含有鋯英石顆粒的燒結(jié)類耐火材料或泥料。根據(jù)池爐設(shè)計選材，兩盤電爐與玻璃液接觸所選用的耐材均為電熔鋯剛玉材質(zhì)，未使用燒結(jié)鋯英石類耐材，只在熔化池底襯磚及分配器、料道底磚下使用了鋯英石質(zhì)搗打料。此類型的結(jié)石缺陷為8條線的共性問題，并具有高溫環(huán)境及較長的熱歷史，使得ZrSO4 有條件逐步分解為ZrO2與SiO2，并且部分樣品中的結(jié)石已經(jīng)完成了ZrO2 與SiO2 的分解，結(jié)合所使用的鋯英石搗打料部位及所處的溫度條件，最終判定玻管上的鋯英石結(jié)石源自于熔化池爐底的鋯英石質(zhì)搗打料層。 

2.2 產(chǎn)生原因探究 

2.2.1 冷頂全電熔爐的熔化原理 

由于冷頂全電熔爐的熔化原理為垂直豎井式熔化方式，玻璃液要在池爐約2m 深度的縱向完成玻璃形成的5個階段。圖6為北玻的高硼硅頂插冷頂全電熔爐的數(shù)學(xué)模擬圖，從圖中可以看出爐底襯磚處的運行溫度約在1600～1605℃之間，并隨著出料量及用電量的增加而增大，此處的玻璃液黏度小、成型液流從池爐下部快速流過進(jìn)入流液洞。因此全電爐的爐底襯磚與火焰池爐爐底襯磚相比較，要承受更高溫度、更高液壓、更高流速的動力性沖擊，這就對爐底襯磚的材質(zhì)與厚度、排磚與砌筑方式及底部搗打料的材質(zhì)選擇與質(zhì)量提出了更高的要求，既關(guān)乎料質(zhì)更關(guān)乎安全，要引起我們的高度重視。 

2.2.2 爐底耐材的選擇與砌筑細(xì)節(jié)處理 

該爐電熔磚砌筑時為了外觀好看，磚體進(jìn)行了磨磚加工，殊不知這在無形之中就把電熔磚的最堅硬耐侵蝕的界(表)面層破壞了。電熔磚磚體不同部位取樣進(jìn)行的抗侵蝕能力測試試驗可以看出，電熔磚的表面層抗侵蝕能力要比其它層高出30%以上，因此磨掉了表面層之后，電熔磚的抗侵蝕能力大大降低，這就是為何該爐在投運6個月之后開始逐步顯現(xiàn)問題的原因。 

 另外該爐在爐底襯磚的處理上也出現(xiàn)了一些問題，這也是一個會產(chǎn)生結(jié)石的潛在原因。爐底襯磚的排列方式與膨脹縫的預(yù)留也很有講究，現(xiàn)用電爐多為24邊形或36邊形，最外側(cè)襯磚的形狀復(fù)雜，如果膨脹縫再預(yù)留不當(dāng)，在烤爐膨脹過程中就會造成膨脹縫合不攏，更有甚者還會造成襯磚的變形翹起或受力折斷，不斷加速了襯磚的侵蝕速度，也為搗打料進(jìn)入爐內(nèi)創(chuàng)造出了“便利”條件。因此對于此類型電爐的爐底襯磚處理方式最好采用圖8方式，襯磚不預(yù)留膨脹縫，在與池壁接口處可統(tǒng)一預(yù)留出20～30mm 環(huán)形膨脹縫，然后設(shè)計寬度100mm 的壓縫磚進(jìn)行密封壓蓋，爐底襯磚可進(jìn)行自由膨脹，同時即使膨脹不夠充分，也依然能夠保證爐底安全。 

2.2.3 碎玻璃的管理 

碎玻璃的管理是一個“老生常談”的問題，但對于冷頂全電爐來說意義更為重要，因為即使?fàn)t底襯磚沒有問題，但如果日常的碎玻璃管理不到位，加料過程中大量雜質(zhì)鐵的混入勢必會引起鐵質(zhì)低共熔物對襯磚的“向下鉆蝕”;待襯磚被鉆蝕出洞，滲入的玻璃液與搗打料層接觸后又會產(chǎn)生“向上鉆蝕”，這些侵蝕大大加速了襯磚的被侵蝕速度，爐底搗打料顆粒便會逐步隨著向上侵蝕液流進(jìn)入爐內(nèi)造成料質(zhì)缺陷。 

3 結(jié)語 

通過對某硼硅玻璃冷頂全電爐產(chǎn)品上結(jié)石缺陷的定性與定量檢測，確定為鋯英石缺陷。通過推斷結(jié)石來源于爐底襯磚下的鋯英石搗打料層顆粒。 

根據(jù)缺陷分析并結(jié)合高硼硅冷頂電爐的垂直熔化原理，爐底襯磚部分要引起設(shè)計者及操作者更高的重視，要選用更高品質(zhì)的電熔磚及搗打料，并且電熔磚的界(表)面層要保留好不要進(jìn)行磨磚加工，更好的保證電熔磚的抗侵蝕能力;同時爐底襯磚的膨脹縫宜采用周邊預(yù)留、條磚蓋縫的方式;進(jìn)一步提高碎玻璃的管控力度，盡最大努力減少鐵質(zhì)的混入對耐材的侵蝕及對料質(zhì)的污染與破壞。 

作為以上措施的有益補充，冷頂全電熔爐的熔化池底、分配器底與料道底一定要設(shè)置電放料裝置，并保持定期定量的常態(tài)化放料操作，確保料質(zhì)的長期穩(wěn)定。