我国保温瓶玻璃成分的研究进展

我国保温瓶玻璃成分的研究进展

2.1.2储藏室玻璃成分。保温瓶胆的主要工艺特点是壁薄均匀、直径大、需经火焰加工。并且,保温瓶在使用过程中还需满足一系列的物理化学性能要求。因此,保温瓶玻璃成分首先应满足良好的熔制性能和成形加工性能,要求加工时不易产生析晶,并且料性较长。因为瓶胆底部的半球形是依靠玻璃的表面张力来实现的,料性长则底部玻璃有足够的时间在表面张力作用下均匀收缩为球状。封口也是如此,长性料能使口端平整光滑。接尾是一次性焊接,长性玻璃焊接质量较优。在此基础上,瓶胆玻璃还应耐水性好,热膨胀系数较低。由于瓶胆加工工序较多,故还应有足够的机械强度,以尽可能减少加工损耗。目前,我国保温瓶行业由于受原料成本、熔制条件及配料习惯等因素的影响,在实际生产中采用的玻璃成分并不十分统一。通常大口瓶采用硼硅酸盐玻璃,小口瓶采用无硼或少硼的含镁铝的钠钙硅酸盐系统玻璃,部分厂家引入少量钡,含锌的成分已经很少使用。国内保温瓶玻璃的组成范围大致是:SiO271%~75%、Al2O315%~4%、B2O30%~4.5%、CaO3.5%~8%、MgO0%~2%、Na2O+K2O14%~16.5%、ZnO0%~2%。目前我国在小口保温瓶的生产中,用得较多的是与7号、9号组成相接近的玻璃成分。大口保温瓶与小口保温瓶相比,由于用途和结构的不同,在玻璃组成上有一定的差异。大口保温瓶直径一般较大,尤其是瓶口直径大,封接面大,瓶壁较厚,多用于盛装冷物,个别用于特殊要求的使用温度可达到-200℃以下。由于保温瓶内表面受热时受压应力作用,受冷时受张应力作用,而玻璃的抗压强度比抗张强度大一个数量级,因此,要求大口保温瓶玻璃比小口保温瓶玻璃的热稳定性、化学稳定性和机械强度更高。目前,我国大口保温瓶采用的是半硬质硼硅酸盐玻璃,其成分中以B2O3部分取代R2O(碱金属氧化物)、RO(碱土金属氧化物),提高了玻璃的热稳定性和化学稳定性。玻璃的组成范围大致是:SiO275%~76%、B2O37%~9%、Al2O33%~5%、RO(CaO、MgO、BaO、ZnO等)3%~4%,余量为R2O。上述组成范围的玻璃,灯工性能良好,各种物理化学性能也适合于大口保温瓶的要求。国外一般认为采用SiO270%左右、B2O312%左右的硬质硼硅酸盐玻璃成分制造保温瓶比较合适,各种性能较为优良,但这种玻璃在熔制和成型技术方面具有一定的难度,加之我国硼砂价格较贵,因此在我国难以推广。表8是国外几种保温瓶玻璃的典型化学组成。自1983年以来,日本保温瓶统一采用SiO270%、B2O312%、Al2O34%、CaO1%、BaO1%、Na2O7%、K2O3%、ZnO1%的硼硅酸盐硬质玻璃,其热膨胀系数为55×10-7℃-1,具有优良的耐热冲击性能和耐水性能。2.2保温瓶玻璃复合添加剂用量保温瓶玻璃所用的主要原料与其它普通玻璃制品所用原料基本一致,在此主要介绍用于保温瓶玻璃的辅助原料和碎玻璃。(1)辅助原料保温瓶玻璃所用的辅助原料主要有澄清剂、助熔剂、脱色剂等。保温瓶玻璃一般无严格的脱色要求,但当采用含铁杂质较多的硅砂时,可引入少量锰粉(MnO2)作脱色剂,它既有物理脱色作用,又有化学脱色作用,从而减弱由铁杂质引起的蓝绿色,增强玻璃的透明性和透热性,便于玻璃熔化。其用量以不使玻璃显蓝绿为度,用量过多,会使玻璃呈紫红色,引起色污染。萤石在保温瓶玻璃中主要起助熔作用,加入量一般不超过配合料总质量的1%。保温瓶玻璃中过去一直采用白砒(As2O3)或氧化锑(Sb2O3)与硝酸盐(主要是硝酸钠)共用作为澄清剂,澄清效果较好,但因其剧毒性,给操作和管理带来不便,并且用量不当时,在瓶胆灯加工时会导致玻璃发黑,因此,近年来逐渐采用新型微毒无污染的复合添加剂(兼具澄清、脱色和助熔作用),取得良好效果,其用量以粉料质量的0.3%~0.6%为宜。(2)碎玻璃保温瓶玻璃配合料中一般不用外购碎玻璃。保温瓶胆的生产加工工序复杂,加工破损率高,回头料多,以2L瓶胆为例:外胆毛坯质量在470~480g,内胆毛坯质量在270~280g,经过割口、拉底后制成的白瓶胆(还未镀银的瓶胆)质量在500±5g,一般毛坯成品率在90%左右,瓶胆加工成品率在80%左右,则从滴料到白瓶胆半成品的生产过程中,玻璃利用率只有50%左右,将产生50%左右的碎玻璃废料。因此,在保温瓶玻璃配合料中加入一定比例的同质碎玻璃,不仅可以提高玻璃的熔制速率,降低玻璃熔制过程中的热量消耗,而且是一种废物利用,可以有效的降低生产成本和增加产量。但其加入量一定要稳定,不能随着加工工序成品率和出料量的变化而随意变化。碎玻璃用量一般占配合料总质量的40%~60%。加入量过多时,会使玻璃发脆,强度降低,不利于瓶胆的加工和使用,并且会降低配合料的气体率,影响玻璃液的澄清、均化等。使用碎玻璃时需注意,严禁使用镀银的或含有大量结石的玻璃。碎玻璃使用前应先确定其粒度大小、用量多少、加入方法和合理的熔制制度等,以保证玻璃的熔制和均化。碎玻璃的粒度应当均匀一致,根据经验在20~40mm较好。当循环使用本厂碎玻璃时,为保持玻璃成分不变,应补充氧化物的挥发损失(主要是B2O3和R2O等),并调整配方。2.2.2生产过程不能改变照抄众所周知,玻璃配方取决于玻璃组成和所使用的原料组成,因此,在实际生产中不能全部照搬照抄。在此给出几例较有代表性的配方,意在使读者了解保温瓶玻璃较常使用哪些原料,尤其是辅助原料的使用情况。国内保温瓶玻璃典型配方见表9。2.2.3保温瓶玻璃熔窑保温瓶玻璃配合料的制备与瓶罐玻璃、器皿玻璃等相同,首先按料方对原料进行准确称量,然后将各种原料送至混料机均匀混合,再将混合好的配合料输送至熔窑的窑头料仓,即完成配合料制备的整个工艺过程。原料的称量采用磅秤、台秤或自动秤。中小型工厂通常采用磅秤和台秤,它们是常见的手动操作衡器;大型工厂自动化程度高,一般采用自动秤进行称量。选用料秤时,应根据玻璃料方中各种原料用量的多少来确定其不同的精确度。一般质量在1kg以上的原料用磅秤,质量不到1kg的原料用台秤,而少于100g的小料用天平称量。保温瓶玻璃混料所用设备有筒形混料机、轮碾式混料机、螺旋混料机和盘式混料机等。一般配料量不大时用筒形混料机,配料量较大时可用轮碾式混料机,配料量更大时用盘式混料机。螺旋混料机混料均匀性较差,使用得不多。混料机中配合料的加料量,一般为混料机容积的30%~50%。配合料中水分含量视具体情况而定,一般在4%~5%为宜。根据混合设备不同,混料时间大约在2.5~6min之间,具体混料时间应通过探索试验而定。混合好的配合料,通常采用吊料罐、皮带运输机或斗式提升机等运输设备输送到窑头料仓。保温瓶玻璃的熔制是整个保温瓶胆生产过程中的重要环节,这一过程进行得好坏,将直接关系到瓶坯内在质量的好坏,并影响到瓶坯的进一步加工,同时影响到保温瓶胆的产量、燃耗及成本等经济技术指标。保温瓶玻璃的熔制,与其它玻璃一样,从配合料加入熔窑,到熔化出成形所需的玻璃液,要经历硅酸盐形成、玻璃形成、玻璃液的澄清、均化和冷却五个阶段,整个过程的温度制度大体和瓶罐等玻璃相同。从窑型上看,由于蓄热式马蹄焰池窑具有燃耗低、占地小、投资少等优点,已被大多保温瓶厂家所采用。但由于保温瓶瓶坯的成形特点以及瓶胆加工对玻璃的质量要求,保温瓶玻璃熔窑在结构和设计参数上也有其独特之处。(1)熔化率低目前,国内瓶罐玻璃熔窑的熔化率大都达到了2.0以上,而保温瓶玻璃熔窑的熔化率基本在1.1~1.3范围内徘徊。保温瓶玻璃熔窑之所以保持较低的熔化率,有以下一些原因:(1)碎玻璃用量大,虽然有利于熔化,但需要较长的均化时间。(2)玻璃组成中硅铝合量高达76%~77%,而钙含量低,碱含量居中,因此并不属于易熔玻璃。(3)瓶胆加工工艺对玻璃均匀性要求较高,而对保温瓶生产来说,提高瓶胆加工成品率是最重要的,即便损失熔化率也是值得的。(2)浅池深低熔化率的结果必然是浅池深,加之保温瓶玻璃对含铁量要求不严格,玻璃含铁量较高,透热性差,因此,国内保温瓶熔窑的池深大多在1.2~1.3m。为了增加玻璃的均匀性,建议对保温瓶熔窑进行鼓泡,随之而来的是增加池深和增大熔化率,目前已有熔化率达到1.8t·m-2·d-1的保温瓶玻璃熔窑。(3)大工作池这是由保温瓶毛坯成形生产线决定的。保温瓶毛坯机械成形用的吹泡机占地面积大,并且通常一座熔窑要带4条以上生产线,有的熔窑还要留人工挑料口,用于拉尾管或人工吹制异型瓶,用机械拉管时还要留出拉管机供料道等,因此,保温瓶玻璃熔窑通常采用面积较大的半圆形工作池,以利于吹泡机、拉管机等的布置。(4)火焰上部空间多为半分隔由于保温瓶玻璃熔窑的工作池较大,为节约能源,习惯上采用火焰空间半分隔的方式。这种方式的缺点是工作池半圆碹易烧损,并使即将成形的玻璃液受到污染,形成无法削除的较宽的佩带式瓜印表面条纹。建议尽量将工作池与熔化池全分隔,单独加热,或采用间接辐射加热式隔墙。为减少工作池的存料量,可将工作池上抬,设计成浅工作池,或者用分配料道代替工作池。一种火焰空间半分隔的带挑料口半园形工作池的保温瓶玻璃熔窑见图7。保温瓶玻璃的熔制制度与其它普通硅酸盐玻璃的熔制制度类似,要力争做到温度、液面、窑压和气氛四稳定。炉温是决定玻璃熔化率和保证玻璃熔制质量的根本因素,同时关系到燃料的消耗和熔窑的寿命。对于大多数保温瓶玻璃,熔化池玻璃液面最高温度一般在1400~1500℃,熔化池2/3热点处火焰辐射最高温度在1550~1600℃。熔制气氛取决于配合料的氧化还原性以及助燃空气的用量,可通过分析废气成分的方法来掌握和控制。在没有废气分析的情况下,可经常检查和观察火焰情况,要保持火焰具有一定的光亮性和长度。窑压应保持微正压,碹顶下压力要求不超过19.6Pa,近液面压力在0.8Pa以下。窑压过大,火焰长而浑浊,不仅增加热损失、加剧对窑体耐火材料的侵蚀,还会影响玻璃液的澄清;窑压过小,近液面处可能呈负压而吸入冷空气,使火焰短而清亮,引起炉温下降。玻璃池窑是连续生产的工艺设备,配合料的加入和玻璃制品的成形是连续进行的,玻璃液面的稳定显示了熔窑出料量与加料量的平衡。随着科学技术的发展,玻璃液面的控制手段越来越多,精度也越来越高,在此不做赘述。3保温瓶气的成形保温瓶的内外瓶坯均采用吹制法成形。为满足保温瓶的性能要求,瓶坯的壁厚要做到薄而均匀(厚度一般在0.7~2.2mm),尤其是口部和底部的厚度要均匀,不允许有合缝线,瓶口要圆整,以适应加工工艺要求。成形过程采用旋转吹制法,利用玻璃的表面张力、黏度和温度的关系,用具有弹性的空气气体对处于塑性状态的玻璃进行成形。瓶坯的成形方式有人工成形和机械成形两种。目前在国内,瓶坯的成形已基本采用吹泡机进行机械成形,人工吹制成形已经很少。以前,大口瓶和某些异形瓶需要采用手工吹制成形,现在也基本上都由吹泡机完成,具体做法是:不改变吹泡机口钳大小,只是模具设计时将割口部位下移,从吹