第1章 高硼硅玻璃3.3

——全玻璃真空管用毛坯管

邢作新（山東龍光天旭太陽能有限公司）

一、引言

全玻璃真空管用毛坯管又稱高硼硅玻璃3.3，是以氧化鈉（Na2O）、氧化硼（B2O3）、二氧化硅（SiO2）為基本成分的一種玻璃，因熱膨脹系數為（3.3±0.1）×10-6/K，故也稱為“硼硅玻璃3.3”。它是制造太陽能熱水器的重要原材料，占真空管生產成本的一半以上。

它是一種低膨脹率、耐高溫、高強度、高硬度、高透光率和高化學穩定性的特殊玻璃材料。因其優異的性能，被廣泛應用于太陽能、化工、醫藥包裝、壓制器皿、電光源、工藝飾品等行業，可制成燈具、餐具、標盤、望遠鏡片、洗衣機觀察孔、微波爐盤、太陽能熱水器等多種產品。

它的良好性能已得到世界各界的廣泛認可，特別是在太陽能領域應用更為廣泛，多個國家已進行了較為廣泛的推廣，該種玻璃在我國出現是基礎材料工業的又一次新革命。

二、全玻璃真空管用毛坯管的生產發展歷程

全玻璃真空管用毛坯管是利用高硼硅窯爐生產出來的，它的生產發展經歷了四個關鍵階段。

1．火焰爐的應用

火焰爐是以天然氣燃燒的火焰為熱源的。火焰爐爐膛內的火焰通常與物料直接接觸，火焰直接給物料加熱。爐子內壁既輻射熱量，也部分地反射投射來的熱量，在熱交換過程中起重要作用。

玻璃原材料由外向內逐漸熔化，頂部溫度較高，容易造成氧化硼等氣體揮發，揮發率高達25%～30%，除對環境造成一定的污染外，還造成了原材料的巨大浪費。

2．全電熔爐技術的應用和普及

全電熔爐技術是20世紀國際上發展起來的一種新技術，取代傳統火焰爐，采用全部電加熱方式熔制玻璃產品。雖然玻璃在低溫下幾乎是絕緣體，但在高溫熔融狀態下的玻璃卻是一種良導體，在熔融的玻璃里插入電極，利用玻璃液自身的電阻發熱，使電能轉化為熱能，轉換效率高達90%。

因為全電熔爐采用的是電極加熱，玻璃液從內部加熱，頂部溫度接近室溫，氣體揮發率低于3%，在保證玻璃液熔制質量的基礎上，使原材料能得到充分的利用。

3．維羅平拉技術的推廣和應用

毛坯管生產初期，行業均采用的是垂拉的方式。垂拉成型，火焰爐出料量小，成型制造非常適合垂拉成型，垂拉型由供料機和垂拉機組成。垂拉機上部擺放一小車，小車上分層按縱橫兩向在玻璃管兩邊各擺放石墨磚，用來調節玻璃的橢圓度，垂拉機主要通過拉引量控制外徑、壁厚、彎度等，電助窯爐的出現使垂拉成型出料量開始增大，垂拉成型的缺點開始顯現，所需成型人員多尤其突出。

隨著窯爐熔化量的逐漸提高，迫使各公司找到新的方式來替代垂拉成型，這時維羅生產線被引進中國。經過幾年消化吸收，維羅生產技術成熟起來，并得到大量推廣。維羅生產線比垂拉生產工藝復雜，設備多，但生產用人少，設備維護方便，產品質量穩定，有外徑自動分揀系統。維羅線主要設備有攪拌機、供料機、真空跑道、冷卻跑道、負壓風機、牽引機、三腳架降溫冷卻梳理機等組成，真空跑道、負壓機、牽引機使用調整玻璃管的橢圓外徑。

4．大型全電熔窯爐的推廣和應用

全電熔技術與維羅技術在共同發展中，逐步成熟，使全電熔爐制造的毛坯管單位能耗達到新的低點。經過近幾年發展，太陽能毛坯管行業經過一次次大的洗牌，把全電熔技術應用與維羅生產技術完美結合使用。提高產品質量、提高窯爐熔化率、提高單線產能、降低產品單耗、減低人工費用等方面，山東龍光天旭太陽能有限公司走在了全國前前列，在行業創新領域中處于領先位置。

山東龍光天旭太陽能有限公司自行研發并投產，且正在運行的21m2高硼硅全電熔爐，采用一爐兩線維羅平拉生產技術，以品質高、節能、環保的優勢受到業內好評，目前單臺窯爐日產量在35t以上，成品毛坯管單耗控制在1210kW·h/t以下，處于行業領先水平。其生產的毛坯主要供應國內知名企業，部分產品直接運銷國外（圖1）。

三、全電熔爐的介紹

玻璃電熔窯的技術經濟分析應從玻璃制品的質量、窯爐的能耗、節約的揮發性原料、基建投資、電力和燃料的價格、配合料成本、操作成本、粉塵或廢氣凈化設備、冷修成本等方面出發，對產品和電熔工藝過程做比較。

表面上看玻璃電熔不過是歐姆定律、焦耳定理和其他一些基本電工原理的簡單應用，但實際上復雜得多。電熔窯設計考慮包括：冷頂還是熱頂，單個熔化池還是多個熔化池，單相、兩相還是三相供電，六角形截面還是矩形截面，垂直電極還是水平電極，加料方式等。

從熱頂的矩形窯到冷頂的圓形窯，有著大量的設計方案可供選擇，是采用單層電極還是多層電極。當使用水平電極時，應不斷推進電極，電極在使用中的不斷耗蝕、損壞，其浸入量是不斷減少的。使用垂直電極則電極彎曲損壞的可能性減少了，也減少了由于浸入量變得太短引起池墻損壞的事故。但只要留意鉬的選擇，維護好電極及其水冷套，電極的彎曲及損壞是可以避免的。

電熔窯的熔化率不會因設計方案的不同而有顯著變化，因為控制熔化率的主要因素是玻璃成分和碎玻璃用量。

現今電熔窯的一個傾向是熔化池較深，目前運轉的大量電熔窯其深度都超過了2.5m。這一點再次確定了電熔窯應該選取優質耐火材料，其磚縫應盡可能地小，以免爐底磚塊間玻璃液的擠出。

1．全電熔窯爐主要尺寸的確定

在確定電熔窯主要尺寸之前，首先要知道所熔制的玻璃成分和窯的日熔化量，電熔窯的熔化率取決于玻璃的種類、電熔窯的大小。玻璃電熔窯的熱量是通過所熔化的玻璃的整個體積引入的，應以每天、每立方米的體積熔化量來確定電熔窯的結構。但是，人們常常習慣于采用面積熔化率來表示。可利用表1確定全電熔爐的熔化面積。

2．全電熔窯各部位耐火材料的合理選用和窯的保溫

2.1 耐火材料的選用

合理選用全電熔窯各部位耐火材料，以滿足熔制工藝上的要求，直接關系到電熔窯的產量、玻璃的質量、電熔窯的壽命、投資的成本。因此必須充分重視。

全電熔窯對耐火材料的要求：

（1）對玻璃無污染或污染程度很小。

（2）在正常使用溫度下，必須具有很高的化學穩定性，能抗配合料和玻璃液的侵蝕，相鄰耐火材料之間無接觸反應。

（3）必須具有很高的高溫機械強度。

（4）必須具有很高的耐火度。

（5）必須具有很高的抗熱沖擊性能。

（6）在正常使用溫度下，體積的固定性要好，重燒收縮率和膨脹率應盡可能小。

（7）在正常使用溫度下，必須具有很高的電阻率。

（8）尺寸要準確。

此外，選擇耐火材料時要全盤考慮，不要由于局部薄弱環節而對整座電熔窯的壽命造成不良影響。

2.2 電熔窯的保溫

電熔窯的保溫十分重要，直接關系所設計的電熔窯的電耗和運行成本，考慮保溫部位時堅持“能保即保”和“既保溫又耐用”的原則。包括保溫層設計、施工、烘烤、保溫效果的研究和評定、保溫后窯爐的結構和操作等。

（1）池底保溫：池底先用標準黏土磚做好基底，上面再鋪設黏土大磚，在黏土大磚上覆蓋一層鋯質搗打料，其上再鋪一層電熔鋯剛玉磚。

（2）池壁保溫：液面線附近因侵蝕比較嚴重，不需保溫。保溫后，玻璃液有可能從磚縫漏出，為防止漏料，相鄰的兩塊池壁磚面要磨平貼緊，并外貼鋯質搗打料層。盡量消除水平磚縫，也可以把磚縫留出，并吹冷風。一般采用在池壁磚外貼鋯質搗打料，再砌黏土大磚。

3．電熔窯的熱平衡計算

電熔窯內所產生的電熱效應，根據焦耳定律其熱量Q與通過玻璃液的電流I的平方成正比，與電極間玻璃液電阻R成反比，Q=I2Rt=U2t/R，在全電熔窯內配合料熔化所需的化學反應熱Q1，窯體的熱損失Q2（包括池底、池壁、料毯），電極及冷卻水所帶走的熱量Q3，以及其他熱損失Q4，均來自電熱效應所產生的熱量。因此，電熱平衡方程為：Q=Q1+Q2+Q3+Q4，若以單位耗電量[kW·h/kg（玻璃）]來表示，所消耗的電功率是電熔窯的經濟性和完善性指標，與電熔窯的尺寸、熔化率、玻璃品種、保溫條件等因素有關。

4．電源供電的介紹

對于小型的電熔窯，通常采用單相電源，容量較大者則采用兩相或三相電源。多相供電電熔窯的形狀和電氣特性上可以是對稱的，也可以是不對稱的。對稱系統有利于垂直熔化均勻的能量釋放，用加料機使得整個熔化池的表面產生均勻的配比料覆蓋層。

全電熔爐所用的電源系統取決于電熔爐的形狀與尺寸。反過來，電熔爐的形狀又由所用電源系統決定。形狀與尺寸同時還取決于許多其他的變量。它們有玻璃成分、電阻率、所用電極的類型與數量、與人身安全有關電壓的限制、可接受的電極電流密度以及加料的方式。

四、全玻璃真空管用毛坯管的常見質量缺陷、形成原因及控制措施

1．結石（主要分為以下3類）

配合料結石、耐火材料結石、析晶結石。

1.1 配合料結石產生原因（主因）

（1）石英砂中有大顆粒。

（2）氫氧化鋁有時也有可能生成玻璃結石。

（3）碎玻璃中有異類物質。

配合料結石產生的原因較多，這些原因與原料的選擇加工、配合料制備工藝、加料方法、熔化溫度等因素有關，例如配合料中有大顆粒石英砂、混料不均等。

控制措施：

（1）原料一定符合原料質量標準。

（2）嚴格按照料方要求稱料。

（3）嚴格按照倒料順序倒料。

（4）控制混料時間，按要求更換混料機鏟片，盡可能地提高配料均勻度。

（5）制定合理、穩定的大爐溫度。

1.2 耐火材料結石產生的原因

（1）耐火材料質量不好。

（2）熔化溫度太高導致耐火材料熔化。

（3）玻璃液的侵蝕，尤其是液面線附近。

（4）耐火磚掉入料道及料盆內。

（5）液面波動大忽高忽低。

（6）助溶劑用量過大。

控制措施：

（1）選用優質耐火材料。

（2）大爐溫度合理。

（3）控制好液面。

（4）防止一些意外出現（如掉磚）。

1.3 析晶結石

析晶結石是由于玻璃在一定溫度范圍內自身的析晶而造成的。

控制措施：

（1）增加組分，以降低析晶溫度。

（2）提高成型速度。

（3）更換護管時，要仔細烘烤至高溫，使護管烤透。

（4）制定合理的成型溫度。

2．條紋和節瘤

產生的原因：①熔化不均；②耐火材料被侵蝕；③結石熔化；④成型攪拌機構不合適；⑤成型工裝使用時間過長。

另外，大爐溫度的穩定與否與條紋和節瘤的產生密切有關，當溫度不穩定時，破壞了均化澄清工藝，同時引起死料參與液流，導致條紋和節瘤的產生。

3．氣泡（氣線）

產生的原因：①石英砂中的尾粉超標；②大爐溫度偏低；③澄清均化的時間不夠；④大爐紅頂；⑤成型溫度搭配不合理；⑥揮發物、異類物質等掉入料盆。

4．弓彎

產生的原因：

①偏壁；②牽引機、跑道與出口料中心不在同一直線上；③跑道彎曲；④石墨塊磨損嚴重。

整改措施：

（1）調整壁厚至均勻。

（2）安裝生產線時務必做到三點一線（牽引機、跑道出料口中心）。

（3）調整跑道。

（4）更換石墨塊。

5．蛇彎

產生的原因：

（1）料溫過高。

（2）牽引機偏轉過快。

（3）端頭與所產玻璃管規格不符。

整改措施：

（1）降低料溫。

（2）減少偏轉。

（3）更換合適端頭。

6．橢圓

產生的原因：

（1）料溫不合適。

（2）負壓過低。

（3）牽引機偏轉小，玻璃管未轉動。

整改措施：

（1）調整料溫（換合適端頭）。

（2）更換大功率負壓風機，若風機無問題則需更換負壓跑道。正常生產時負壓變小，查看封跑道用的紙片有無脫落。

（3）調整牽引機偏轉。

7．偏壁

產生的原因：

（1）料碗橢圓。

（2）護管橢圓過大。

（3）料溫不均。

整改措施：更換合適的護管或料碗。

8．對偏

產生的原因：

（1）玻璃液分層。

（2）料碗橢圓或護管筒橢圓。

整改措施：

（1）加快攪拌槳轉速。

（2）轉護管90°，若調不好換護管筒料碗。

9．壁厚不穩，壓帽不緊，料溫不均

整改措施：

（1）換護管時一定要壓好壓帽。

（2）調整料道溫度。

10．外徑不穩

此項為成型過程最難控制的一項，產生的原因：

（1）端頭不合適。

（2）料碗不合適。

（3）料過大。

（4）吹氣大小不當。

（5）料溫不均。

（6）各料道溫度調整不到位。

（7）大爐功率不穩定。

（8）保溫罩大小不合適。

（9）投料不勻。

（10）吹桿氧化堵塞。

整改措施：

（1）用合適的端頭拉合適的管。

（2）換合適的料碗。

（3）調整吹氣至正常。

（4）調整料道各區溫度。

（5）穩定出料，穩定配合料從而穩定大爐功率。

（6）用合適保溫罩，使用時間長。

五、全玻璃真空管用毛坯管的生產過程

1．毛坯管的生產工藝流程

1.1 配料

高硼硅玻璃3.3的生產需要以下六種原材料：石英砂、硼砂、硼酸、氫氧化鋁、熟料、食鹽。配料前，首先對各原材料進行檢驗，達到要求方可使用。

1.1.1 石英砂

外觀要求：白色結晶體，色澤潔白、顆粒度均勻，無混合物雜質。

顆粒度要求：60目以上為零，60～140目之間大于85%，200目以上的細粉不允許有。

成分要求：SiO2≥99.30%，Fe2O3≤0.03%。

1.1.2 硼砂

外觀要求：白色結晶體，色澤潔白，顆粒度均勻，無混合物雜質。

成分要求：Na2O≥21%，B2O3≥47%，Fe2O3≤0.01%。

1.1.3 硼酸

外觀要求：顏色雪白，具有合適的流動性，看不到機械雜質，粒度細且手捻能更細膩或者手捻即碎。

成分要求：B2O3≥56（±1）%，Fe2O3≤0.01%。

1.1.4 氫氧化鋁

外觀要求：包裝完好無破損、無雜質、不能有潮解結塊現象。

成分要求：Al2O3≥21%，Fe2O3≤0.03%。

1.1.5 熟料

外觀要求：片狀玻璃。

成分要求：與高硼硅玻璃3.3成分符合。

1.1.6 食鹽

外觀要求：包裝完好無破損，無雜質，不能有潮解結塊現象。

成分要求：NaCl≥95%，Fe2O3≤0.05%。

將符合要求的材料按一定的比例先后倒入混料機內，并攪拌均勻，配合料均勻度要在95%以上，保證玻璃熔制和成形作業穩定。

1.2 投料

目前，行業內的投料方式有兩種：人工投料、自動投料。

自動加料機應符合下列要求：上部結構緊湊，當電熔窯表面未被配合料覆蓋時，對此溫度必須適應；防塵簡易可靠，至少能良好地密閉，粉塵要少；配合料的播散要與能量、溫度和電流的分配相適應；操作要方便；在遇故障的情況下，整個電熔窯表面應能迅速地用配合料覆蓋住。加料機把配合料撒播到整個熔化池的玻璃液面上，提供了一種真正的垂直熔化。

將配好的混合料，根據窯爐運行設定的投料量，定量均勻的投入窯爐內部。每30分鐘測量一次液面，保持液面穩定。

1.3 熔化

熔化工序是窯爐生產控制的核心工序，該工序要求熔化功率穩定。在投料穩定和配料穩定的前提下，穩定熔化電流，根據窯爐玻璃液電阻顯示，控制合理的電流、電壓，將原料充分熔化，達到成型要求。熔化工根據電阻不定時調節熔化功率，將電阻控制在控制范圍之內，經常檢查各窯爐電極水套是否通水，各窯爐附屬設備的使用是否正常，并每隔一小時記錄各層電流、電壓、電阻、出料量等各項關鍵指標，記錄必須真實、準確，若發現異常情況，要及時處理并上報。

目前行業內較為普遍的全電熔窯截面采用十二邊形的結構，電極采用爐體斜插式和底面垂直插入式結構，使原料垂直熔化，在垂直方向上依次形成冷頂層、硅酸鹽形成層、玻璃形成層、澄清層和冷卻層。

窯爐上半部分為熔化區和澄清區；下面為均化區。均化區的玻璃液有所冷卻，玻璃液經過上升道進入料道，在經過供料機及成型裝置，進入成型工序。

1.4 成型

成型是毛坯管生產過程的關鍵工序。過程中要做好窯爐牽引量穩。成型好壞關系毛坯質量等各方面因素，熔化好的原料經過料道和端頭，模具成型，通過調節空氣壓力，達到毛坯的圓度要求，通過調節原料流速，控制毛坯壁厚，在前面三大穩的基礎上，控制合理的牽引速度，調整好控制外徑的大小的激光，最終生產出合格的產品。

1.5 包裝入庫

成型后的毛坯，按要求切割成一定的長度，由專業質量檢驗員，將合格產品逐支挑揀出，然后由專業包裝人員按客戶要求入庫存放。

六、全玻璃真空管用毛坯管的質量要求

1．材質要求

玻璃管應采用平均線熱膨脹系數α=（3.3±0.1）×10-6K-1的硼硅玻璃，其基本成分應符合表2要求。

2．玻璃管的規格尺寸及偏差（表3）

3．理化性能

3.1 平均線熱膨脹系數α（50～300℃）=（3.3±0.1）×10-6K-1。

3.2 密度ρ（20℃）=2.23±0.02g/cm3。

3.3 太陽透射比τ（AM 1.5）≥0.89。

3.4 抗沖擊檢測

玻璃管的撞擊破損能量應不小于2.5J，通過率不低于95%。

3.5 環切等級

環切等級不大于HQ-8，具體等級分類參照表4。

4．外觀

（1）玻璃管上不得有石棉印、鐵銹、鐵屑、泥土和油污，不得有目測可見的光學變形，不得有裂紋劃傷。

（2）氣線：寬度不得大于0.5mm，在玻璃管上長度大于40mm的不允許存在；長度在20～40mm范圍內的氣線不允許超過兩條；管長方向150mm范圍內，5～20mm的不允許超過兩條，5mm以下的氣線不允許超過5條；距管口端200mm范圍內不允許有氣線存在。

（3）節瘤：玻璃管上大于2.0mm的節瘤不允許存在；1.5～2.0mm的節瘤不得多于5個；管長150mm范圍內：1mm以下的節瘤不得密集，即10mm×10mm范圍內不得多于2個。

（4）結石：玻璃管上大于1.0mm的結石不允許存在；1.0mm以下的結石不得密集，即10mm×10mm范圍內不得多于1個；整支管子上結石不得多于5個；結石周圍不得有裂紋。

（5）目視玻璃管不得有可見析晶物。

（6）不允許有嚴重的直楞線，必要時可封實物標準樣。

（7）擦傷：單支輕微擦傷長度不超過100mm，累計長度不超過200mm。

作者簡介

邢作新：山東龍光天旭太陽能有限公司董事長。從事玻璃行業30余年，對日用玻璃、藥用玻管、高硼硅玻璃、鈉鈣玻璃、真空管、太陽能等多種產品都有深入了解，對行業的生產和銷售均有很深的研究。2007年，他親手創建了山東瑞光新能源科技有限公司，并在短短的幾年時間里，取得了驕人的成績。2013年起，在他的帶領下，山東龍光天旭太陽能有限公司迎來了新的發展機遇，在整個行業發展速度減緩的大環境下，公司實現了發展和進步的幾大跨越，為下一步的飛速提升奠定了堅實的基礎，目前作為全國最大的毛坯管、真空管生產基地，在行業內起著舉足輕重的作用。山東龍光天旭太陽能有限公司立志與行業有志之士一起，共同做好、做大、做強太陽能及相關產品這項偉大的事業，為推動新能源發展進步盡一份微薄之力。