高硼硅玻璃全電爐產品結石缺陷分析及產生原因探究

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

1 結石缺陷分析 

1.1 背景介紹 

某廠有兩臺熔化池為24邊形，側插電極，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條生產線。兩盤池爐在投運初期無結石缺陷，待池爐運行6個月之后，開始出現結石缺陷并呈逐步增多趨勢，目測8條生產線的結石缺陷外觀相似，爐底及料道底無電放料孔。為準確判定結石性質，8條線分別取樣送到圣戈班上海研發中心(SGRS)進行了偏光顯微定性分析及電子探針的定量分析。 

1.2 結石分析與結果 

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

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

缺陷產生原因探究與預防 

2.1 結石來源判斷 

通過電子探針的判定，兩盤池爐的結石缺陷皆為 ZrSiO4，在斜鋯石相中無剛玉相，且結石及周圍的Al2O3 含量極低，因此排除電熔鋯剛玉質耐材。而鋯英石質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1790℃，理論組成因此判定結石源自含有鋯英石顆粒的燒結類耐火材料或泥料。根據池爐設計選材，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，未使用燒結鋯英石類耐材，只在熔化池底襯磚及分配器、料道底磚下使用了鋯英石質搗打料。此類型的結石缺陷為8條線的共性問題，并具有高溫環境及較長的熱歷史，使得ZrSO4 有條件逐步分解為ZrO2與SiO2，并且部分樣品中的結石已經完成了ZrO2 與SiO2 的分解，結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石源自于熔化池爐底的鋯英石質搗打料層。 

2.2 產生原因探究 

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學模擬圖，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與厚度、排磚與砌筑方式及底部搗打料的材質選擇與質量提出了更高的要求，既關乎料質更關乎安全，要引起我們的高度重視。 

2.2.2 爐底耐材的選擇與砌筑細節處理 

該爐電熔磚砌筑時為了外觀好看，磚體進行了磨磚加工，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問題的原因。 

 另外該爐在爐底襯磚的處理上也出現了一些問題，這也是一個會產生結石的潛在原因。爐底襯磚的排列方式與膨脹縫的預留也很有講究，現用電爐多為24邊形或36邊形，最外側襯磚的形狀復雜，如果膨脹縫再預留不當，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，也為搗打料進入爐內創造出了“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，襯磚不預留膨脹縫，在與池壁接口處可統一預留出20～30mm 環形膨脹縫，然后設計寬度100mm 的壓縫磚進行密封壓蓋，爐底襯磚可進行自由膨脹，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，因為即使爐底襯磚沒有問題，但如果日常的碎玻璃管理不到位，加料過程中大量雜質鐵的混入勢必會引起鐵質低共熔物對襯磚的“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入爐內造成料質缺陷。 

3 結語 

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

根據缺陷分析并結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計者及操作者更高的重視，要選用更高品質的電熔磚及搗打料，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留、條磚蓋縫的方式;進一步提高碎玻璃的管控力度，盡最大努力減少鐵質的混入對耐材的侵蝕及對料質的污染與破壞。 

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置電放料裝置，并保持定期定量的常態化放料操作，確保料質的長期穩定。