我國保溫瓶玻璃成分的研究進(jìn)展

2.1.2儲藏室玻璃成分。保溫瓶膽的主要工藝特點(diǎn)是壁薄均勻、直徑大、需經(jīng)火焰加工。并且,保溫瓶在使用過程中還需滿足一系列的物理化學(xué)性能要求。因此,保溫瓶玻璃成分首先應(yīng)滿足良好的熔制性能和成形加工性能,要求加工時(shí)不易產(chǎn)生析晶,并且料性較長。因?yàn)槠磕懙撞康陌肭蛐问且揽坎ＡУ谋砻鎻埩韺?shí)現(xiàn)的,料性長則底部玻璃有足夠的時(shí)間在表面張力作用下均勻收縮為球狀。封口也是如此,長性料能使口端平整光滑。接尾是一次性焊接,長性玻璃焊接質(zhì)量較優(yōu)。在此基礎(chǔ)上,瓶膽玻璃還應(yīng)耐水性好,熱膨脹系數(shù)較低。由于瓶膽加工工序較多,故還應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度,以盡可能減少加工損耗。目前,我國保溫瓶行業(yè)由于受原料成本、熔制條件及配料習(xí)慣等因素的影響,在實(shí)際生產(chǎn)中采用的玻璃成分并不十分統(tǒng)一。通常大口瓶采用硼硅酸鹽玻璃,小口瓶采用無硼或少硼的含鎂鋁的鈉鈣硅酸鹽系統(tǒng)玻璃,部分廠家引入少量鋇,含鋅的成分已經(jīng)很少使用。國內(nèi)保溫瓶玻璃的組成范圍大致是:SiO271%~75%、Al2O315%~4%、B2O30%~4.5%、CaO3.5%~8%、MgO0%~2%、Na2O+K2O14%~16.5%、ZnO0%~2%。目前我國在小口保溫瓶的生產(chǎn)中,用得較多的是與7號、9號組成相接近的玻璃成分。大口保溫瓶與小口保溫瓶相比,由于用途和結(jié)構(gòu)的不同,在玻璃組成上有一定的差異。大口保溫瓶直徑一般較大,尤其是瓶口直徑大,封接面大,瓶壁較厚,多用于盛裝冷物,個(gè)別用于特殊要求的使用溫度可達(dá)到-200℃以下。由于保溫瓶內(nèi)表面受熱時(shí)受壓應(yīng)力作用,受冷時(shí)受張應(yīng)力作用,而玻璃的抗壓強(qiáng)度比抗張強(qiáng)度大一個(gè)數(shù)量級,因此,要求大口保溫瓶玻璃比小口保溫瓶玻璃的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度更高。目前,我國大口保溫瓶采用的是半硬質(zhì)硼硅酸鹽玻璃,其成分中以B2O3部分取代R2O(堿金屬氧化物)、RO(堿土金屬氧化物),提高了玻璃的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。玻璃的組成范圍大致是:SiO275%~76%、B2O37%~9%、Al2O33%~5%、RO(CaO、MgO、BaO、ZnO等)3%~4%,余量為R2O。上述組成范圍的玻璃,燈工性能良好,各種物理化學(xué)性能也適合于大口保溫瓶的要求。國外一般認(rèn)為采用SiO270%左右、B2O312%左右的硬質(zhì)硼硅酸鹽玻璃成分制造保溫瓶比較合適,各種性能較為優(yōu)良,但這種玻璃在熔制和成型技術(shù)方面具有一定的難度,加之我國硼砂價(jià)格較貴,因此在我國難以推廣。表8是國外幾種保溫瓶玻璃的典型化學(xué)組成。自1983年以來,日本保溫瓶統(tǒng)一采用SiO270%、B2O312%、Al2O34%、CaO1%、BaO1%、Na2O7%、K2O3%、ZnO1%的硼硅酸鹽硬質(zhì)玻璃,其熱膨脹系數(shù)為55×10-7℃-1,具有優(yōu)良的耐熱沖擊性能和耐水性能。2.2保溫瓶玻璃復(fù)合添加劑用量保溫瓶玻璃所用的主要原料與其它普通玻璃制品所用原料基本一致,在此主要介紹用于保溫瓶玻璃的輔助原料和碎玻璃。(1)輔助原料保溫瓶玻璃所用的輔助原料主要有澄清劑、助熔劑、脫色劑等。保溫瓶玻璃一般無嚴(yán)格的脫色要求,但當(dāng)采用含鐵雜質(zhì)較多的硅砂時(shí),可引入少量錳粉(MnO2)作脫色劑,它既有物理脫色作用,又有化學(xué)脫色作用,從而減弱由鐵雜質(zhì)引起的藍(lán)綠色,增強(qiáng)玻璃的透明性和透熱性,便于玻璃熔化。其用量以不使玻璃顯藍(lán)綠為度,用量過多,會使玻璃呈紫紅色,引起色污染。螢石在保溫瓶玻璃中主要起助熔作用,加入量一般不超過配合料總質(zhì)量的1%。保溫瓶玻璃中過去一直采用白砒(As2O3)或氧化銻(Sb2O3)與硝酸鹽(主要是硝酸鈉)共用作為澄清劑,澄清效果較好,但因其劇毒性,給操作和管理帶來不便,并且用量不當(dāng)時(shí),在瓶膽燈加工時(shí)會導(dǎo)致玻璃發(fā)黑,因此,近年來逐漸采用新型微毒無污染的復(fù)合添加劑(兼具澄清、脫色和助熔作用),取得良好效果,其用量以粉料質(zhì)量的0.3%~0.6%為宜。(2)碎玻璃保溫瓶玻璃配合料中一般不用外購碎玻璃。保溫瓶膽的生產(chǎn)加工工序復(fù)雜,加工破損率高,回頭料多,以2L瓶膽為例:外膽毛坯質(zhì)量在470~480g,內(nèi)膽毛坯質(zhì)量在270~280g,經(jīng)過割口、拉底后制成的白瓶膽(還未鍍銀的瓶膽)質(zhì)量在500±5g,一般毛坯成品率在90%左右,瓶膽加工成品率在80%左右,則從滴料到白瓶膽半成品的生產(chǎn)過程中,玻璃利用率只有50%左右,將產(chǎn)生50%左右的碎玻璃廢料。因此,在保溫瓶玻璃配合料中加入一定比例的同質(zhì)碎玻璃,不僅可以提高玻璃的熔制速率,降低玻璃熔制過程中的熱量消耗,而且是一種廢物利用,可以有效的降低生產(chǎn)成本和增加產(chǎn)量。但其加入量一定要穩(wěn)定,不能隨著加工工序成品率和出料量的變化而隨意變化。碎玻璃用量一般占配合料總質(zhì)量的40%~60%。加入量過多時(shí),會使玻璃發(fā)脆,強(qiáng)度降低,不利于瓶膽的加工和使用,并且會降低配合料的氣體率,影響玻璃液的澄清、均化等。使用碎玻璃時(shí)需注意,嚴(yán)禁使用鍍銀的或含有大量結(jié)石的玻璃。碎玻璃使用前應(yīng)先確定其粒度大小、用量多少、加入方法和合理的熔制制度等,以保證玻璃的熔制和均化。碎玻璃的粒度應(yīng)當(dāng)均勻一致,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在20~40mm較好。當(dāng)循環(huán)使用本廠碎玻璃時(shí),為保持玻璃成分不變,應(yīng)補(bǔ)充氧化物的揮發(fā)損失(主要是B2O3和R2O等),并調(diào)整配方。2.2.2生產(chǎn)過程不能改變照抄眾所周知,玻璃配方取決于玻璃組成和所使用的原料組成,因此,在實(shí)際生產(chǎn)中不能全部照搬照抄。在此給出幾例較有代表性的配方,意在使讀者了解保溫瓶玻璃較常使用哪些原料,尤其是輔助原料的使用情況。國內(nèi)保溫瓶玻璃典型配方見表9。2.2.3保溫瓶玻璃熔窯保溫瓶玻璃配合料的制備與瓶罐玻璃、器皿玻璃等相同,首先按料方對原料進(jìn)行準(zhǔn)確稱量,然后將各種原料送至混料機(jī)均勻混合,再將混合好的配合料輸送至熔窯的窯頭料倉,即完成配合料制備的整個(gè)工藝過程。原料的稱量采用磅秤、臺秤或自動(dòng)秤。中小型工廠通常采用磅秤和臺秤,它們是常見的手動(dòng)操作衡器;大型工廠自動(dòng)化程度高,一般采用自動(dòng)秤進(jìn)行稱量。選用料秤時(shí),應(yīng)根據(jù)玻璃料方中各種原料用量的多少來確定其不同的精確度。一般質(zhì)量在1kg以上的原料用磅秤,質(zhì)量不到1kg的原料用臺秤,而少于100g的小料用天平稱量。保溫瓶玻璃混料所用設(shè)備有筒形混料機(jī)、輪碾式混料機(jī)、螺旋混料機(jī)和盤式混料機(jī)等。一般配料量不大時(shí)用筒形混料機(jī),配料量較大時(shí)可用輪碾式混料機(jī),配料量更大時(shí)用盤式混料機(jī)。螺旋混料機(jī)混料均勻性較差,使用得不多。混料機(jī)中配合料的加料量,一般為混料機(jī)容積的30%~50%。配合料中水分含量視具體情況而定,一般在4%~5%為宜。根據(jù)混合設(shè)備不同,混料時(shí)間大約在2.5~6min之間,具體混料時(shí)間應(yīng)通過探索試驗(yàn)而定?；旌虾玫呐浜狭?通常采用吊料罐、皮帶運(yùn)輸機(jī)或斗式提升機(jī)等運(yùn)輸設(shè)備輸送到窯頭料倉。保溫瓶玻璃的熔制是整個(gè)保溫瓶膽生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié),這一過程進(jìn)行得好壞,將直接關(guān)系到瓶坯內(nèi)在質(zhì)量的好壞,并影響到瓶坯的進(jìn)一步加工,同時(shí)影響到保溫瓶膽的產(chǎn)量、燃耗及成本等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。保溫瓶玻璃的熔制,與其它玻璃一樣,從配合料加入熔窯,到熔化出成形所需的玻璃液,要經(jīng)歷硅酸鹽形成、玻璃形成、玻璃液的澄清、均化和冷卻五個(gè)階段,整個(gè)過程的溫度制度大體和瓶罐等玻璃相同。從窯型上看,由于蓄熱式馬蹄焰池窯具有燃耗低、占地小、投資少等優(yōu)點(diǎn),已被大多保溫瓶廠家所采用。但由于保溫瓶瓶坯的成形特點(diǎn)以及瓶膽加工對玻璃的質(zhì)量要求,保溫瓶玻璃熔窯在結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)上也有其獨(dú)特之處。(1)熔化率低目前,國內(nèi)瓶罐玻璃熔窯的熔化率大都達(dá)到了2.0以上,而保溫瓶玻璃熔窯的熔化率基本在1.1~1.3范圍內(nèi)徘徊。保溫瓶玻璃熔窯之所以保持較低的熔化率,有以下一些原因:(1)碎玻璃用量大,雖然有利于熔化,但需要較長的均化時(shí)間。(2)玻璃組成中硅鋁合量高達(dá)76%~77%,而鈣含量低,堿含量居中,因此并不屬于易熔玻璃。(3)瓶膽加工工藝對玻璃均勻性要求較高,而對保溫瓶生產(chǎn)來說,提高瓶膽加工成品率是最重要的,即便損失熔化率也是值得的。(2)淺池深低熔化率的結(jié)果必然是淺池深,加之保溫瓶玻璃對含鐵量要求不嚴(yán)格,玻璃含鐵量較高,透熱性差,因此,國內(nèi)保溫瓶熔窯的池深大多在1.2~1.3m。為了增加玻璃的均勻性,建議對保溫瓶熔窯進(jìn)行鼓泡,隨之而來的是增加池深和增大熔化率,目前已有熔化率達(dá)到1.8t·m-2·d-1的保溫瓶玻璃熔窯。(3)大工作池這是由保溫瓶毛坯成形生產(chǎn)線決定的。保溫瓶毛坯機(jī)械成形用的吹泡機(jī)占地面積大,并且通常一座熔窯要帶4條以上生產(chǎn)線,有的熔窯還要留人工挑料口,用于拉尾管或人工吹制異型瓶,用機(jī)械拉管時(shí)還要留出拉管機(jī)供料道等,因此,保溫瓶玻璃熔窯通常采用面積較大的半圓形工作池,以利于吹泡機(jī)、拉管機(jī)等的布置。(4)火焰上部空間多為半分隔由于保溫瓶玻璃熔窯的工作池較大,為節(jié)約能源,習(xí)慣上采用火焰空間半分隔的方式。這種方式的缺點(diǎn)是工作池半圓碹易燒損,并使即將成形的玻璃液受到污染,形成無法削除的較寬的佩帶式瓜印表面條紋。建議盡量將工作池與熔化池全分隔,單獨(dú)加熱,或采用間接輻射加熱式隔墻。為減少工作池的存料量,可將工作池上抬,設(shè)計(jì)成淺工作池,或者用分配料道代替工作池。一種火焰空間半分隔的帶挑料口半園形工作池的保溫瓶玻璃熔窯見圖7。保溫瓶玻璃的熔制制度與其它普通硅酸鹽玻璃的熔制制度類似,要力爭做到溫度、液面、窯壓和氣氛四穩(wěn)定。爐溫是決定玻璃熔化率和保證玻璃熔制質(zhì)量的根本因素,同時(shí)關(guān)系到燃料的消耗和熔窯的壽命。對于大多數(shù)保溫瓶玻璃,熔化池玻璃液面最高溫度一般在1400~1500℃,熔化池2/3熱點(diǎn)處火焰輻射最高溫度在1550~1600℃。熔制氣氛取決于配合料的氧化還原性以及助燃空氣的用量,可通過分析廢氣成分的方法來掌握和控制。在沒有廢氣分析的情況下,可經(jīng)常檢查和觀察火焰情況,要保持火焰具有一定的光亮性和長度。窯壓應(yīng)保持微正壓,碹頂下壓力要求不超過19.6Pa,近液面壓力在0.8Pa以下。窯壓過大,火焰長而渾濁,不僅增加熱損失、加劇對窯體耐火材料的侵蝕,還會影響玻璃液的澄清;窯壓過小,近液面處可能呈負(fù)壓而吸入冷空氣,使火焰短而清亮,引起爐溫下降。玻璃池窯是連續(xù)生產(chǎn)的工藝設(shè)備,配合料的加入和玻璃制品的成形是連續(xù)進(jìn)行的,玻璃液面的穩(wěn)定顯示了熔窯出料量與加料量的平衡。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,玻璃液面的控制手段越來越多,精度也越來越高,在此不做贅述。3保溫瓶氣的成形保溫瓶的內(nèi)外瓶坯均采用吹制法成形。為滿足保溫瓶的性能要求,瓶坯的壁厚要做到薄而均勻(厚度一般在0.7~2.2mm),尤其是口部和底部的厚度要均勻,不允許有合縫線,瓶口要圓整,以適應(yīng)加工工藝要求。成形過程采用旋轉(zhuǎn)吹制法,利用玻璃的表面張力、黏度和溫度的關(guān)系,用具有彈性的空氣氣體對處于塑性狀態(tài)的玻璃進(jìn)行成形。瓶坯的成形方式有人工成形和機(jī)械成形兩種。目前在國內(nèi),瓶坯的成形已基本采用吹泡機(jī)進(jìn)行機(jī)械成形,人工吹制成形已經(jīng)很少。以前,大口瓶和某些異形瓶需要采用手工吹制成形,現(xiàn)在也基本上都由吹泡機(jī)完成,具體做法是:不改變吹泡機(jī)口鉗大小,只是模具設(shè)計(jì)時(shí)將割口部位下移,從吹