第1章 高硼硅玻璃3.3

——全玻璃真空管用毛坯管

邢作新（山东龙光天旭太阳能有限公司）

一、引言

全玻璃真空管用毛坯管又称高硼硅玻璃3.3，是以氧化钠（Na2O）、氧化硼（B2O3）、二氧化硅（SiO2）为基本成分的一种玻璃，因热膨胀系数为（3.3±0.1）×10-6/K，故也称为“硼硅玻璃3.3”。它是制造太阳能热水器的重要原材料，占真空管生产成本的一半以上。

它是一种低膨胀率、耐高温、高强度、高硬度、高透光率和高化学稳定性的特殊玻璃材料。因其优异的性能，被广泛应用于太阳能、化工、医药包装、压制器皿、电光源、工艺饰品等行业，可制成灯具、餐具、标盘、望远镜片、洗衣机观察孔、微波炉盘、太阳能热水器等多种产品。

它的良好性能已得到世界各界的广泛认可，特别是在太阳能领域应用更为广泛，多个国家已进行了较为广泛的推广，该种玻璃在我国出现是基础材料工业的又一次新革命。

二、全玻璃真空管用毛坯管的生产发展历程

全玻璃真空管用毛坯管是利用高硼硅窑炉生产出来的，它的生产发展经历了四个关键阶段。

1．火焰炉的应用

火焰炉是以天然气燃烧的火焰为热源的。火焰炉炉膛内的火焰通常与物料直接接触，火焰直接给物料加热。炉子内壁既辐射热量，也部分地反射投射来的热量，在热交换过程中起重要作用。

玻璃原材料由外向内逐渐熔化，顶部温度较高，容易造成氧化硼等气体挥发，挥发率高达25%～30%，除对环境造成一定的污染外，还造成了原材料的巨大浪费。

2．全电熔炉技术的应用和普及

全电熔炉技术是20世纪国际上发展起来的一种新技术，取代传统火焰炉，采用全部电加热方式熔制玻璃产品。虽然玻璃在低温下几乎是绝缘体，但在高温熔融状态下的玻璃却是一种良导体，在熔融的玻璃里插入电极，利用玻璃液自身的电阻发热，使电能转化为热能，转换效率高达90%。

因为全电熔炉采用的是电极加热，玻璃液从内部加热，顶部温度接近室温，气体挥发率低于3%，在保证玻璃液熔制质量的基础上，使原材料能得到充分的利用。

3．维罗平拉技术的推广和应用

毛坯管生产初期，行业均采用的是垂拉的方式。垂拉成型，火焰炉出料量小，成型制造非常适合垂拉成型，垂拉型由供料机和垂拉机组成。垂拉机上部摆放一小车，小车上分层按纵横两向在玻璃管两边各摆放石墨砖，用来调节玻璃的椭圆度，垂拉机主要通过拉引量控制外径、壁厚、弯度等，电助窑炉的出现使垂拉成型出料量开始增大，垂拉成型的缺点开始显现，所需成型人员多尤其突出。

随着窑炉熔化量的逐渐提高，迫使各公司找到新的方式来替代垂拉成型，这时维罗生产线被引进中国。经过几年消化吸收，维罗生产技术成熟起来，并得到大量推广。维罗生产线比垂拉生产工艺复杂，设备多，但生产用人少，设备维护方便，产品质量稳定，有外径自动分拣系统。维罗线主要设备有搅拌机、供料机、真空跑道、冷却跑道、负压风机、牵引机、三脚架降温冷却梳理机等组成，真空跑道、负压机、牵引机使用调整玻璃管的椭圆外径。

4．大型全电熔窑炉的推广和应用

全电熔技术与维罗技术在共同发展中，逐步成熟，使全电熔炉制造的毛坯管单位能耗达到新的低点。经过近几年发展，太阳能毛坯管行业经过一次次大的洗牌，把全电熔技术应用与维罗生产技术完美结合使用。提高产品质量、提高窑炉熔化率、提高单线产能、降低产品单耗、减低人工费用等方面，山东龙光天旭太阳能有限公司走在了全国前前列，在行业创新领域中处于领先位置。

山东龙光天旭太阳能有限公司自行研发并投产，且正在运行的21m2高硼硅全电熔炉，采用一炉两线维罗平拉生产技术，以品质高、节能、环保的优势受到业内好评，目前单台窑炉日产量在35t以上，成品毛坯管单耗控制在1210kW·h/t以下，处于行业领先水平。其生产的毛坯主要供应国内知名企业，部分产品直接运销国外（图1）。

三、全电熔炉的介绍

玻璃电熔窑的技术经济分析应从玻璃制品的质量、窑炉的能耗、节约的挥发性原料、基建投资、电力和燃料的价格、配合料成本、操作成本、粉尘或废气净化设备、冷修成本等方面出发，对产品和电熔工艺过程做比较。

表面上看玻璃电熔不过是欧姆定律、焦耳定理和其他一些基本电工原理的简单应用，但实际上复杂得多。电熔窑设计考虑包括：冷顶还是热顶，单个熔化池还是多个熔化池，单相、两相还是三相供电，六角形截面还是矩形截面，垂直电极还是水平电极，加料方式等。

从热顶的矩形窑到冷顶的圆形窑，有着大量的设计方案可供选择，是采用单层电极还是多层电极。当使用水平电极时，应不断推进电极，电极在使用中的不断耗蚀、损坏，其浸入量是不断减少的。使用垂直电极则电极弯曲损坏的可能性减少了，也减少了由于浸入量变得太短引起池墙损坏的事故。但只要留意钼的选择，维护好电极及其水冷套，电极的弯曲及损坏是可以避免的。

电熔窑的熔化率不会因设计方案的不同而有显著变化，因为控制熔化率的主要因素是玻璃成分和碎玻璃用量。

现今电熔窑的一个倾向是熔化池较深，目前运转的大量电熔窑其深度都超过了2.5m。这一点再次确定了电熔窑应该选取优质耐火材料，其砖缝应尽可能地小，以免炉底砖块间玻璃液的挤出。

1．全电熔窑炉主要尺寸的确定

在确定电熔窑主要尺寸之前，首先要知道所熔制的玻璃成分和窑的日熔化量，电熔窑的熔化率取决于玻璃的种类、电熔窑的大小。玻璃电熔窑的热量是通过所熔化的玻璃的整个体积引入的，应以每天、每立方米的体积熔化量来确定电熔窑的结构。但是，人们常常习惯于采用面积熔化率来表示。可利用表1确定全电熔炉的熔化面积。

2．全电熔窑各部位耐火材料的合理选用和窑的保温

2.1 耐火材料的选用

合理选用全电熔窑各部位耐火材料，以满足熔制工艺上的要求，直接关系到电熔窑的产量、玻璃的质量、电熔窑的寿命、投资的成本。因此必须充分重视。

全电熔窑对耐火材料的要求：

（1）对玻璃无污染或污染程度很小。

（2）在正常使用温度下，必须具有很高的化学稳定性，能抗配合料和玻璃液的侵蚀，相邻耐火材料之间无接触反应。

（3）必须具有很高的高温机械强度。

（4）必须具有很高的耐火度。

（5）必须具有很高的抗热冲击性能。

（6）在正常使用温度下，体积的固定性要好，重烧收缩率和膨胀率应尽可能小。

（7）在正常使用温度下，必须具有很高的电阻率。

（8）尺寸要准确。

此外，选择耐火材料时要全盘考虑，不要由于局部薄弱环节而对整座电熔窑的寿命造成不良影响。

2.2 电熔窑的保温

电熔窑的保温十分重要，直接关系所设计的电熔窑的电耗和运行成本，考虑保温部位时坚持“能保即保”和“既保温又耐用”的原则。包括保温层设计、施工、烘烤、保温效果的研究和评定、保温后窑炉的结构和操作等。

（1）池底保温：池底先用标准黏土砖做好基底，上面再铺设黏土大砖，在黏土大砖上覆盖一层锆质捣打料，其上再铺一层电熔锆刚玉砖。

（2）池壁保温：液面线附近因侵蚀比较严重，不需保温。保温后，玻璃液有可能从砖缝漏出，为防止漏料，相邻的两块池壁砖面要磨平贴紧，并外贴锆质捣打料层。尽量消除水平砖缝，也可以把砖缝留出，并吹冷风。一般采用在池壁砖外贴锆质捣打料，再砌黏土大砖。

3．电熔窑的热平衡计算

电熔窑内所产生的电热效应，根据焦耳定律其热量Q与通过玻璃液的电流I的平方成正比，与电极间玻璃液电阻R成反比，Q=I2Rt=U2t/R，在全电熔窑内配合料熔化所需的化学反应热Q1，窑体的热损失Q2（包括池底、池壁、料毯），电极及冷却水所带走的热量Q3，以及其他热损失Q4，均来自电热效应所产生的热量。因此，电热平衡方程为：Q=Q1+Q2+Q3+Q4，若以单位耗电量[kW·h/kg（玻璃）]来表示，所消耗的电功率是电熔窑的经济性和完善性指标，与电熔窑的尺寸、熔化率、玻璃品种、保温条件等因素有关。

4．电源供电的介绍

对于小型的电熔窑，通常采用单相电源，容量较大者则采用两相或三相电源。多相供电电熔窑的形状和电气特性上可以是对称的，也可以是不对称的。对称系统有利于垂直熔化均匀的能量释放，用加料机使得整个熔化池的表面产生均匀的配比料覆盖层。

全电熔炉所用的电源系统取决于电熔炉的形状与尺寸。反过来，电熔炉的形状又由所用电源系统决定。形状与尺寸同时还取决于许多其他的变量。它们有玻璃成分、电阻率、所用电极的类型与数量、与人身安全有关电压的限制、可接受的电极电流密度以及加料的方式。

四、全玻璃真空管用毛坯管的常见质量缺陷、形成原因及控制措施

1．结石（主要分为以下3类）

配合料结石、耐火材料结石、析晶结石。

1.1 配合料结石产生原因（主因）

（1）石英砂中有大颗粒。

（2）氢氧化铝有时也有可能生成玻璃结石。

（3）碎玻璃中有异类物质。

配合料结石产生的原因较多，这些原因与原料的选择加工、配合料制备工艺、加料方法、熔化温度等因素有关，例如配合料中有大颗粒石英砂、混料不均等。

控制措施：

（1）原料一定符合原料质量标准。

（2）严格按照料方要求称料。

（3）严格按照倒料顺序倒料。

（4）控制混料时间，按要求更换混料机铲片，尽可能地提高配料均匀度。

（5）制定合理、稳定的大炉温度。

1.2 耐火材料结石产生的原因

（1）耐火材料质量不好。

（2）熔化温度太高导致耐火材料熔化。

（3）玻璃液的侵蚀，尤其是液面线附近。

（4）耐火砖掉入料道及料盆内。

（5）液面波动大忽高忽低。

（6）助溶剂用量过大。

控制措施：

（1）选用优质耐火材料。

（2）大炉温度合理。

（3）控制好液面。

（4）防止一些意外出现（如掉砖）。

1.3 析晶结石

析晶结石是由于玻璃在一定温度范围内自身的析晶而造成的。

控制措施：

（1）增加组分，以降低析晶温度。

（2）提高成型速度。

（3）更换护管时，要仔细烘烤至高温，使护管烤透。

（4）制定合理的成型温度。

2．条纹和节瘤

产生的原因：①熔化不均；②耐火材料被侵蚀；③结石熔化；④成型搅拌机构不合适；⑤成型工装使用时间过长。

另外，大炉温度的稳定与否与条纹和节瘤的产生密切有关，当温度不稳定时，破坏了均化澄清工艺，同时引起死料参与液流，导致条纹和节瘤的产生。

3．气泡（气线）

产生的原因：①石英砂中的尾粉超标；②大炉温度偏低；③澄清均化的时间不够；④大炉红顶；⑤成型温度搭配不合理；⑥挥发物、异类物质等掉入料盆。

4．弓弯

产生的原因：

①偏壁；②牵引机、跑道与出口料中心不在同一直线上；③跑道弯曲；④石墨块磨损严重。

整改措施：

（1）调整壁厚至均匀。

（2）安装生产线时务必做到三点一线（牵引机、跑道出料口中心）。

（3）调整跑道。

（4）更换石墨块。

5．蛇弯

产生的原因：

（1）料温过高。

（2）牵引机偏转过快。

（3）端头与所产玻璃管规格不符。

整改措施：

（1）降低料温。

（2）减少偏转。

（3）更换合适端头。

6．椭圆

产生的原因：

（1）料温不合适。

（2）负压过低。

（3）牵引机偏转小，玻璃管未转动。

整改措施：

（1）调整料温（换合适端头）。

（2）更换大功率负压风机，若风机无问题则需更换负压跑道。正常生产时负压变小，查看封跑道用的纸片有无脱落。

（3）调整牵引机偏转。

7．偏壁

产生的原因：

（1）料碗椭圆。

（2）护管椭圆过大。

（3）料温不均。

整改措施：更换合适的护管或料碗。

8．对偏

产生的原因：

（1）玻璃液分层。

（2）料碗椭圆或护管筒椭圆。

整改措施：

（1）加快搅拌桨转速。

（2）转护管90°，若调不好换护管筒料碗。

9．壁厚不稳，压帽不紧，料温不均

整改措施：

（1）换护管时一定要压好压帽。

（2）调整料道温度。

10．外径不稳

此项为成型过程最难控制的一项，产生的原因：

（1）端头不合适。

（2）料碗不合适。

（3）料过大。

（4）吹气大小不当。

（5）料温不均。

（6）各料道温度调整不到位。

（7）大炉功率不稳定。

（8）保温罩大小不合适。

（9）投料不匀。

（10）吹杆氧化堵塞。

整改措施：

（1）用合适的端头拉合适的管。

（2）换合适的料碗。

（3）调整吹气至正常。

（4）调整料道各区温度。

（5）稳定出料，稳定配合料从而稳定大炉功率。

（6）用合适保温罩，使用时间长。

五、全玻璃真空管用毛坯管的生产过程

1．毛坯管的生产工艺流程

1.1 配料

高硼硅玻璃3.3的生产需要以下六种原材料：石英砂、硼砂、硼酸、氢氧化铝、熟料、食盐。配料前，首先对各原材料进行检验，达到要求方可使用。

1.1.1 石英砂

外观要求：白色结晶体，色泽洁白、颗粒度均匀，无混合物杂质。

颗粒度要求：60目以上为零，60～140目之间大于85%，200目以上的细粉不允许有。

成分要求：SiO2≥99.30%，Fe2O3≤0.03%。

1.1.2 硼砂

外观要求：白色结晶体，色泽洁白，颗粒度均匀，无混合物杂质。

成分要求：Na2O≥21%，B2O3≥47%，Fe2O3≤0.01%。

1.1.3 硼酸

外观要求：颜色雪白，具有合适的流动性，看不到机械杂质，粒度细且手捻能更细腻或者手捻即碎。

成分要求：B2O3≥56（±1）%，Fe2O3≤0.01%。

1.1.4 氢氧化铝

外观要求：包装完好无破损、无杂质、不能有潮解结块现象。

成分要求：Al2O3≥21%，Fe2O3≤0.03%。

1.1.5 熟料

外观要求：片状玻璃。

成分要求：与高硼硅玻璃3.3成分符合。

1.1.6 食盐

外观要求：包装完好无破损，无杂质，不能有潮解结块现象。

成分要求：NaCl≥95%，Fe2O3≤0.05%。

将符合要求的材料按一定的比例先后倒入混料机内，并搅拌均匀，配合料均匀度要在95%以上，保证玻璃熔制和成形作业稳定。

1.2 投料

目前，行业内的投料方式有两种：人工投料、自动投料。

自动加料机应符合下列要求：上部结构紧凑，当电熔窑表面未被配合料覆盖时，对此温度必须适应；防尘简易可靠，至少能良好地密闭，粉尘要少；配合料的播散要与能量、温度和电流的分配相适应；操作要方便；在遇故障的情况下，整个电熔窑表面应能迅速地用配合料覆盖住。加料机把配合料撒播到整个熔化池的玻璃液面上，提供了一种真正的垂直熔化。

将配好的混合料，根据窑炉运行设定的投料量，定量均匀的投入窑炉内部。每30分钟测量一次液面，保持液面稳定。

1.3 熔化

熔化工序是窑炉生产控制的核心工序，该工序要求熔化功率稳定。在投料稳定和配料稳定的前提下，稳定熔化电流，根据窑炉玻璃液电阻显示，控制合理的电流、电压，将原料充分熔化，达到成型要求。熔化工根据电阻不定时调节熔化功率，将电阻控制在控制范围之内，经常检查各窑炉电极水套是否通水，各窑炉附属设备的使用是否正常，并每隔一小时记录各层电流、电压、电阻、出料量等各项关键指标，记录必须真实、准确，若发现异常情况，要及时处理并上报。

目前行业内较为普遍的全电熔窑截面采用十二边形的结构，电极采用炉体斜插式和底面垂直插入式结构，使原料垂直熔化，在垂直方向上依次形成冷顶层、硅酸盐形成层、玻璃形成层、澄清层和冷却层。

窑炉上半部分为熔化区和澄清区；下面为均化区。均化区的玻璃液有所冷却，玻璃液经过上升道进入料道，在经过供料机及成型装置，进入成型工序。

1.4 成型

成型是毛坯管生产过程的关键工序。过程中要做好窑炉牵引量稳。成型好坏关系毛坯质量等各方面因素，熔化好的原料经过料道和端头，模具成型，通过调节空气压力，达到毛坯的圆度要求，通过调节原料流速，控制毛坯壁厚，在前面三大稳的基础上，控制合理的牵引速度，调整好控制外径的大小的激光，最终生产出合格的产品。

1.5 包装入库

成型后的毛坯，按要求切割成一定的长度，由专业质量检验员，将合格产品逐支挑拣出，然后由专业包装人员按客户要求入库存放。

六、全玻璃真空管用毛坯管的质量要求

1．材质要求

玻璃管应采用平均线热膨胀系数α=（3.3±0.1）×10-6K-1的硼硅玻璃，其基本成分应符合表2要求。

2．玻璃管的规格尺寸及偏差（表3）

3．理化性能

3.1 平均线热膨胀系数α（50～300℃）=（3.3±0.1）×10-6K-1。

3.2 密度ρ（20℃）=2.23±0.02g/cm3。

3.3 太阳透射比τ（AM 1.5）≥0.89。

3.4 抗冲击检测

玻璃管的撞击破损能量应不小于2.5J，通过率不低于95%。

3.5 环切等级

环切等级不大于HQ-8，具体等级分类参照表4。

4．外观

（1）玻璃管上不得有石棉印、铁锈、铁屑、泥土和油污，不得有目测可见的光学变形，不得有裂纹划伤。

（2）气线：宽度不得大于0.5mm，在玻璃管上长度大于40mm的不允许存在；长度在20～40mm范围内的气线不允许超过两条；管长方向150mm范围内，5～20mm的不允许超过两条，5mm以下的气线不允许超过5条；距管口端200mm范围内不允许有气线存在。

（3）节瘤：玻璃管上大于2.0mm的节瘤不允许存在；1.5～2.0mm的节瘤不得多于5个；管长150mm范围内：1mm以下的节瘤不得密集，即10mm×10mm范围内不得多于2个。

（4）结石：玻璃管上大于1.0mm的结石不允许存在；1.0mm以下的结石不得密集，即10mm×10mm范围内不得多于1个；整支管子上结石不得多于5个；结石周围不得有裂纹。

（5）目视玻璃管不得有可见析晶物。

（6）不允许有严重的直楞线，必要时可封实物标准样。

（7）擦伤：单支轻微擦伤长度不超过100mm，累计长度不超过200mm。

作者简介

邢作新：山东龙光天旭太阳能有限公司董事长。从事玻璃行业30余年，对日用玻璃、药用玻管、高硼硅玻璃、钠钙玻璃、真空管、太阳能等多种产品都有深入了解，对行业的生产和销售均有很深的研究。2007年，他亲手创建了山东瑞光新能源科技有限公司，并在短短的几年时间里，取得了骄人的成绩。2013年起，在他的带领下，山东龙光天旭太阳能有限公司迎来了新的发展机遇，在整个行业发展速度减缓的大环境下，公司实现了发展和进步的几大跨越，为下一步的飞速提升奠定了坚实的基础，目前作为全国最大的毛坯管、真空管生产基地，在行业内起着举足轻重的作用。山东龙光天旭太阳能有限公司立志与行业有志之士一起，共同做好、做大、做强太阳能及相关产品这项伟大的事业，为推动新能源发展进步尽一份微薄之力。