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日用玻璃制品条纹缺陷的产生原因及解决办法
作者:188BET亚洲体育   来源:  时间:2022-04-03 10:17  点击:

  本文叙述了条纹的形成和性质,分析了条纹的折射率和膨胀系数变化及所产生的应力。指出条纹在玻璃熔窑各个区域中产生的原因。针对国内熔窑产生条纹的原因进行了分析,提出改进措施。

  条纹是玻璃主体内存在的异类玻璃态夹杂物,它是一种普遍的玻璃不均匀性的缺陷,它在化学组成与物理性能上与主体玻璃不同。条纹可理解为几种掺合在一起的玻璃液之间通过化学反应、物理变化、物理化学反应,而进行各种组分之间的相互扩散、组织结构之间的互相渗透和融合,在达到完全均匀之前,被冷却形成玻璃,其内部存在着不均匀的结构组织。它具有与主体玻璃不同的化学组成,结构状态以及可以产生不同的理化性能。表 1 是不同原因产生的条纹对玻璃折射率的影响。

  从产品的外观上看,条纹分布在产品的不同部位,有的在玻璃制品的内部,有的在玻璃制品的表面。条纹与主体玻璃的交界面呈现出不同的形状。以瓶罐玻璃为例,条纹大部分呈现弯曲条状、扭曲线状以及纤维状。大部分条纹从瓶脖开始,经过瓶肩、瓶身一直到瓶底。明显的条纹比较粗、比较宽,宽度在10 mm 以上;不明显的比较细,像细线 mm 以下。较为明显的条纹在玻璃表面凸出来,用手可以感觉到,不明显的条纹,肉眼在光线的照射下隐约可见,有的甚至肉眼看不到,必须借助光学仪器才能够观测到。条纹在许多厂家称呼不同,有的称作“线道”、有的称作“螺丝线”、有的称作“猫爪印”等等。条纹是一种玻璃产品较普遍存在的不均匀性缺陷。

  从条纹的危害性上看,条纹出现后,首先影响产品的美观,严重地影响产品的外观质量,是一项比较明显的外观缺陷,从而大幅度地影响产品的合格率。根据不同产品对条纹缺陷要求的标准不同,对产品的合格率影响的程度也有所不同。对于一些高档的日用玻璃产品,当条纹出现时几乎是百分之百地影响着产品的合格率。

  当有些条纹出现时,在产品内部产生不同大小的特征应力,通常称为结构应力,此应力在产品退火时不能消除,并且能够使产品自行破裂。该应力的出现对产品的理化性能产生很大的影响,如玻璃的机械强度、热稳定性和化学稳定性等,对于一些要求比较高的产品,这些理化性能的降低将大幅度地降低产品的合格率,如对耐压强度和抗冲击强度要求比较高的啤酒瓶。

  玻璃中产生的结构应力与条纹的成分组成有关,当条纹的成分组成与主体玻璃的成分组成相差越大时,其热膨胀系数相差得也越大,产生的特征应力也就越大。图1表示了玻璃中产生的特征应力与基体膨胀系数差值的关系。

  通过对玻璃容器生产的熔制工艺过程分析,可以不难发现条纹产生的过程应该在两个区域内,一个区域是玻璃液在通过玻璃熔窑流液洞之前熔化池内的区域,该部位称作熔制区域; 另外一个区域是玻璃液已经通过流液洞进入工作池内( 或分配料道内) 的区域以及供料道内的区域,该部位称作冷却区域。

  对玻璃在熔制区域内熔制过程的分析,玻璃熔制过程首先是由石英砂、纯碱、石灰石、碎玻璃等组成的配合料投入到玻璃熔窑内,在高温的作用下,部分原料立即分解产生气体,同时进行着各种固相反应,形成硅酸盐体。随后部分硅酸盐体熔化出现了液相,继而转变为组分不同、黏度不同的熔体,这就是最初阶段的玻璃液。

  初熔阶段产生的玻璃液,富含着组分不同、黏度不同的熔体,该熔体是夹杂着未熔化的残余石英砂颗粒和大量的气泡。各个组分和黏度不同的熔体,它们不容易互相融合,其边界层是相对稳定的。其中一些富含二氧化硅或氧化铝的玻璃体,其黏度以及表面张力都很大,夹杂在整个玻璃熔体中,如果此玻璃体原来是球形的,在没有其他外力的作用时就会保持不变,会在整个玻璃熔体中形成一个富含二氧化硅或氧化铝的区域,这就是条纹最初的区域。

  (1) 配合料方面,配合料的质量是确保在玻璃熔制阶段顺利消除条纹的前提,当下面因素出现时,都会造成条纹的产生甚至比较严重。首先是配合料混合的不均匀、配合料在输送过程中产生的分层、配合料中部分原料的颗粒度过大、石英砂等原料的水份不稳定变化较大、加料方式不合理或配合料水份偏低引起某些组分原料的飞扬。其次,碎玻璃在配合料中所占的比例较多,选用的碎玻璃与主体玻璃成分之间的差异较大,碎玻璃与粉料之间混合的均匀程度较差。另外,配合料称量系统出现故障时将会产生严重的条纹。

  (2) 熔制工艺方面,通过对熔制过程的分析,我们不难看出配合料在熔制过程中各项工艺参数的重要性,必须制定出正确合理的工艺参数并严格控制。首先是熔制温度、熔制期熔窑的压力、燃烧时火焰的长短、火焰氧化与还原的气氛,都会对澄清带玻璃液的黏度、表面张力产生影响。凡是对玻璃液黏度、表面张力能够产生影响的因素,都会影响到玻璃液的均化而产生条纹。

  另外,熔池内玻璃液流动状态变化引起的条纹,当熔窑整体出料量、熔窑温度、玻璃液面、鼓泡搅动等工艺发生大的变化时,整体玻璃液流动状态就会发生大的变化,会引起熔窑池底部位或者死角部位不动层的玻璃液参与流动,这样就会引起条纹的产生。

  (3) 碹滴、耐火材料被侵蚀,结石熔化产生的条纹,这 3 方面产生的条纹都是由于玻璃熔窑在高温状态下,将与玻璃配合料组分无关的其他异类材料( 如砌筑熔窑使用的耐火材料) 通过烧损、侵蚀、熔化,形成组分、黏度、表面张力严重与主体玻璃不同的熔体,并掺杂熔入主体玻璃液内形成条纹。碹滴产生条纹时,往往还伴着结瘤的产生。

  对全分隔、半分隔的冷却部结构的分析,在玻璃形成的5个阶段中,当玻璃液通过流液洞进入工作池(分配料道)时,也就是进入了玻璃液形成的最后一个阶段———冷却阶段。根据熔窑结构不同,工作部火焰分隔形式可分为半分隔形式和全分隔形式。采用半分隔形式的工作部,其产品是需要比较高的成型温度,工作部内的玻璃液的温度,完全是利用熔化部火焰空间的辐射热量进行加热。另外工作池一般呈半圆形,熔窑同时供应的几个供料道直接从半圆形的工作池不同部位开口出料。玻璃液从流液洞出来,进入工作池后马上流入供料道,在这样的冷却过程阶段,很少会产生条纹。这种熔窑结构,国内在 90 年代前使用的比较多,在生产相应的酒瓶和饮料瓶时,很少发现在工作池内产生条纹。现在在生产电灯泡泡壳的产品时,仍然采用此种工作池的熔窑结构,也很少看到产品上出现条纹。

  90年代之后,由于大量成型设备的引进、更新换代,出现了对成型温度要求比较严格的双滴式行列机,同时也引进了国外熔窑的先进技术。在玻璃液的冷却阶段,便出现了分配料道式的工作部结构。这种工作部火焰完全是全分隔,工作池内的玻璃液温度不受熔化部火焰空间温度的影响,同时在此工作部火焰空间内部,根据供料道的出口位置情况,将工作部分割成不同的几个火焰空间,在每个火焰空间内配备有完善的、先进的温度控制系统。玻璃液在进入每条供料道之前,根据每条供料道的成型温度要求,通过分配料道内的温控系统,将温度控制在所要求的指标上。同样每条供料道上也分成几个区域,每个区域内都有完善的、先进的温度控制系统,以保证进入料盆内玻璃液的成型温度。对于这样完善的分配料道、供料道的冷却结构,也很难出现条纹缺陷。如90年代后国内相继引进的许多家外资、合资玻璃企业,几乎很少发现由于其分配料道和供料道原因产生的条纹。

  以上是对熔窑工作部结构的分析,在此基础上,针对国内一些自行设计的冷却区域(以分配料道结构形式的工作池) ,玻璃液冷却过程中的一些情况进行分析,也不难发现在此阶段过程中条纹产生的原因。

  分配料道、供料道里玻璃液的温度,玻璃液从流液洞出来通过上升道进入分配料道之前,其温度一般在1270~1320 ℃范围内。玻璃液在分配料道内需要通过降温和保温控制,然后进入供料道内,进入供料道内玻璃液的温度一般在 1210~1250 ℃范围内。玻璃液在供料道内,同样要进行降温、保温以及加热控制,然后进入料盆,玻璃液在料盆内其温度一般在1100 ℃左右。在料盆内同样更需要温度控制系统的控制,以便调整到能够满足产品要求的滴料温度。

  在正常生产过程中,分配料道、供料道里的玻璃液在流动时总是要残存一部分玻璃液,该部分玻璃液的温度与刚流进来的玻璃液温度相比较要低,甚至低得多。分配料道、供料道中间部位流淌着刚流进来的、温度比较高的玻璃液,四周流动着料道里残存的、温度较低的玻璃液。因此玻璃液在流经分配料道、供料道期间始终要经历一个高温玻璃液与低温玻璃液混合、渗透、均化的过程。由于温度对玻璃液的黏度影响很大,因此在分配料道、供料道里不同黏度的玻璃液总是混杂在一起,如果其黏度相差比较大时,就会产生条纹。温度相差得越大,产生的条纹就越明显,严重时将会很粗、很宽,用手都能够感觉到。

  ①在分配料道式的工作池内其砖结构存在一些边角部位,在此部位经常凝积着一些不流动的玻璃料,一般称为“死料”,该部分料由于长期凝积,其组分和黏度与正常流动的玻璃液有所不同。其次玻璃液在长期流经分配料道、供料道时,随着时间的积累,其底部沉积着一些黏度比较大的玻璃液,当生产上出现出料量、玻璃液的温度发生大的变化时,这些部位的不动料、沉积料会参与流动,而形成条纹。另外,当分配料道、供料道等边角部位沉积着一些铁质杂物时,会在产品上形成带有黄色、褐色的条纹。

  ②在还原性条件下,玻璃液黏度高于氧化性条件下玻璃黏度两个数量级,同时表面张力也比在氧化性条件下大。表面张力小的物质倾向于在表面张力大的物质表面扩散开并形成薄膜。因此对于燃烧气体、液体燃料的分配料道、供料道,当玻璃液表面处于还原性气氛时,表面张力将增大,表面玻璃会立即被排挤开而让下层物料翻到上面,这样便出现两种不同表面张力和黏度的玻璃料掺合在一起,而形成条纹。

  ③在分配料道、供料道里,由于玻璃液表面处于敞开状态,部分易挥发组分发生蒸发,造成表面玻璃液组分与内部玻璃液组分不同,从而导致内外玻璃液表面张力出现差别,使得上下层玻璃液产生对流,而形成条纹。

  ④在分配料道、供料道里,玻璃液的温度较低,玻璃液对料槽砖的侵蚀不大,但尽管如此,玻璃液对料槽砖仍然有冲刷和侵蚀,侵蚀下来的物质黏度较大难以扩散,粘附在液面线附近。当玻璃液面每一次波动时,都会带动富含侵蚀物的玻璃液上升或下降,当分配料道、供料道的温度、出料量发生大的变化时或玻璃液面发生大的波动时,这部分侵蚀物便参与流动,而形成条纹。

  条纹缺陷的检查方法有多种,通常采用偏光显微镜观察,以环切均匀度等级A、B、C等级别来衡量,见表2。

  A级玻璃一般指光学玻璃,一般高档的日用玻璃是B级玻璃( 如水晶器皿产品),啤酒瓶、饮料瓶一般是C+级玻璃。当玻璃的环切均匀度达到D级时,生产出的产品其内在的结构应力比较大,理化性能比较差,不能够满足产品相应的性能要求,可以说是不合格玻璃产品。

  熔制过程产生的条纹是产生于熔化池内,主要是由于熔制不良造成的。在生产过程中,只要控制好能够影响玻璃液熔制的各项因素,就可以达到产品对条纹要求的标准。在这方面首先要制定出合理的、完善的工艺规程和工艺制度,并严格按着相关的工艺文件执行,控制好原料工段,熔制工段的工艺参数与工艺制度。一旦出现问题,必须马上进行分析、整改和纠错,防止问题扩大化。

  制定正确、合理的澄清温度,澄清温度是玻璃熔窑的热点区域( 熔窑中温度最高的区域) 温度,在此高温的作用下,组分和黏度不同的熔体其黏度和表面张力大幅度下降,通过扩散作用,富含二氧化硅或氧化铝的区域慢慢消失,各项组分逐渐趋于均匀一致。

  玻璃液澄清过程对均化的作用,在保证熔化池澄清温度的前提下,随着玻璃熔体黏度的降低,气泡在玻璃熔体中会向上做排除运动,气泡在上升过程中,可将不规则的条纹区域分开或拉长。澄清过程就是那些不均匀的熔体区域(条纹区域) 在许多气泡排除过程中被拉伸成极薄的玻璃层的过程,这一过程是由扩散过程与变形过程合并进行。

  在热点区域,澄清剂发生热分解排出气体,澄清剂在分解同时对玻璃熔体产生物理化学作用,将熔体的黏度大幅度地降低,同时其排出的气体,能够集聚周围熔体中的大量小气泡,形成大气泡从熔体中排出,同时发挥出其对均化的作用。

  鼓泡是在熔制的热点区附近增设强制的外界搅拌装置,在其搅拌下,能够快速地将玻璃液达到均匀一致。电助熔,是在熔化池内增设的电辅助加热系统,它可以将熔化池内局部区域(热点处) 的玻璃液温度提高,大幅度地降低玻璃液的黏度,同时可以加快此区域内玻璃液产生强烈的对流,这样便可以大幅度地加快玻璃液的均化。

  碹滴、结石、耐火材料这3方面产生的条纹也都是玻璃熔制过程中产生的。玻璃熔窑熔化部的碹大部分都是优质硅砖,其荷重软化温度大于1680 ℃,一般情况下是不会熔融形成碹滴。但在碱蒸汽比较浓重的熔窑气氛下,其荷重软化温度会大幅度降低,一旦熔化温度偏高、窑压偏高,就会产生熔融碹滴而脱落掉入熔化池内,产生碹滴条纹。因此要控制好配方中纯碱的含量,配合料的水份以及熔窑的熔制温度等。对于结石,要诊断出结石的种类,找到结石产生的根源,只要将产生结石的源头问题解决了,自然而然由结石产生的条纹也就解决了。耐火材料产生的条纹,是指砌筑熔窑的耐火材料在高温状态下,或被烧损、冲刷脱落掉入熔化池内,或被侵蚀溶入熔化池内。对于这部分条纹首先在熔窑修建时,要对耐火材料进行优选,选购质量合格的材料,其次是控制好熔窑运行参数,熔窑的温度、熔窑的压力、玻璃液面的波动以及配合料的水份。这样便能够控制住耐火材料产生的条纹。

  料道槽砖一般选用电熔锆刚玉砖、硅线石砖、电熔的氧化铝砖( α-β 砖) 以及致密的烧结氧化铝砖。电熔锆刚玉砖被冲刷后很容易产生含有二氧化锆成分的条纹,不容易消除,硅线石材料的料道槽砖很少出现条纹,但由于其材料的质量问题,其抗侵蚀的能力很差,很难使用 3 年以上。对于电熔的氧化铝砖( α-β 砖) 是最近料道槽砖上首选的材料,其抗侵蚀、抗冲刷的能力很强,与电熔锆刚玉相当,同时其内在成分较纯,玻璃相很少,不会因其玻璃相渗出对玻璃液造成污染,产生条纹。但要注意使用该材料时的工作温度,不要高于1 350 ℃。

  对于在分配料道、供料道上使用的料槽砖一定要做成一体,成 U 形状,底部与侧墙接触的角部一定要做成大圆弧的,避免此处积聚死料。同时分配料道与供料道在设计布置上一定要简单流畅,避免多处出现转角。在槽砖施工时,砖与砖之间缝隙一定要小,槽砖的底面一定要平整,不得出现高低不平的现象,否则将会给玻璃液的沉积创造条件。

  “取料比”是指单位时间(1h) 内成型设备使用的玻璃液量分别与分配料道、供料道所容纳的玻璃液量之间的比。该参数设计的是否合理,直接影响到玻璃液的来料温度、玻璃液的流速、料道内残留玻璃液的多少以及料道内玻璃液温度的均匀性。在最初设计时,要考虑产品的品种、产品的大小、玻璃液的颜色等诸多因素,也可以说这是个经验数据。

  在分配料道、供料道里玻璃液的3面都与料槽砖相接触,热量要向料槽砖释放和散失,释放散失的越多,温度下降的就越低,与主体玻璃液的温度相差的就越大。图2是某玻璃厂供料道均化段处料槽砖底部,左中右3点温度测量的结果。

  因此必须要做好分配料道、供料道的保温工作,尽量减少玻璃液向外释放散失的热量,使得料道槽砖接触玻璃液的温度降低得越少越好。

  料道里玻璃液的表面是敞开的,向外释放热量,是冷却阶段正常的现象,但为防止玻璃液的温度过度降低,要采取必要的加热措施。加热系统要设计合理,根据供料道的出口位置,将分配料道的火焰空间分成几个封闭的区域,分别具有独立加热的能力,对每条供料道之间温度互不干扰。完善的温度控制系统,同时应该具有冷却措施。

  由于玻璃液长期流动,在供料道的底部会沉积一些黏度比较大的、组分与主体玻璃不同的玻璃液,一旦参与流动将会造成条纹的产生。解决该部位沉积玻璃液的办法是,在供料道适当位置的底部,安装一套卸料装置。此装置设置在供料道的槽砖上,有一个卸料孔和电加热装置,其单独具备电加热的自控系统和流料系统。当供料道使用的时间比较久了,产品上出现条纹时,可以启动卸料装置的,将供料道底部沉积的玻璃液放出,可以快速解决因此产生的条纹。

  搅拌装置是安装在供料道均化区域附近的机械搅动装置,它由机械传动系统、耐火材料的搅拌桨系统构成。通过耐火材料桨叶的搅动作用,将玻璃液中的条纹打散、搅匀。在供料道里采用搅拌装置对消除条纹确实是一个很好的解决措施。

  由于最初分配料道、供料道设计不合理以及保温措施不完善等原因,来料玻璃液温度与残存玻璃液温度相差较大,虽然在供料道里采取了卸料、搅拌等措施,但效果并不明显,仍然存在着比较明显的条纹。针对此种情况,最近几年内,做了更深入的研究,研制出更为有效的办法,在一些生产厂家应用后,取得了比较好的效果,基本上解决了那些顽固的条纹缺陷。

  综上所述,条纹是一种产生原因比较复杂的玻璃缺陷,在实际生产过程中,很容易出现。当产品出现时,首先要准确地分析条纹产生的原因,是来源于熔化区域还是来源于冷却区域,然后采取相应的解决措施。一般情况下,找准问题的所在,对症下药,基本上是可以解决的。

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