季雨亭

（臨沂宏業(yè)化工設(shè)備有限公司，山東臨沂 276017）

1 搪玻璃材料的特性

當(dāng)今世界，科學(xué)在進(jìn)步，新材料不斷涌現(xiàn)。但至今，搪玻璃材料沒有被取代，反而向更多工業(yè)領(lǐng)域延伸，其實(shí)，這就是搪玻璃材料特性的魅力。

搪玻璃材料具備的五大特性：

1.1 耐腐蝕性

以二氧化硅為主體的玻璃質(zhì)釉，其化學(xué)穩(wěn)定性很強(qiáng)，能耐各種濃度的鹽酸、有機(jī)酸、無(wú)機(jī)酸、弱堿和有機(jī)溶劑的腐蝕[1]。搪玻璃材料耐酸腐蝕范圍很廣，勝過不銹鋼，不銹鋼不耐鹽酸腐蝕，特別是化工醫(yī)藥工業(yè)常用的鹽酸，不能采用不銹鋼，只能用搪玻璃產(chǎn)品。

目前世界上發(fā)展較快的精細(xì)化工，煤化工和醫(yī)藥、農(nóng)藥，許多工藝場(chǎng)合離不開鹽酸，鹽酸在生產(chǎn)中作為原料，中間載體達(dá)到生成新物質(zhì)的目的。所以，搪玻璃產(chǎn)品會(huì)在化工、醫(yī)藥、農(nóng)藥、生物醫(yī)藥等工廠使用。如：以治療感冒發(fā)熱為目的的撲熱息痛藥，整個(gè)生產(chǎn)流程中60%是搪玻璃設(shè)備。高效低毒的農(nóng)藥草甘靈，由于高溫和強(qiáng)酸腐蝕，工藝過程中選用許多搪玻璃設(shè)備。而且，每年設(shè)備的更換率也很高。

1.2 不粘性

玻璃層表面結(jié)構(gòu)緊密、光滑，不容易粘附物料，且容易清洗。那些特別需要潔凈，需要清除容器內(nèi)粘附物料的工藝，需要搪玻璃的不粘性。

例如：在藥品生產(chǎn)中，為了達(dá)到藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范要求（GMP），對(duì)盛裝藥品的設(shè)備（容器），要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，表面光滑，少死角，易清洗，達(dá)到符合GMP的特殊需要。也是保證藥品質(zhì)量，不污染細(xì)菌的必要條件。所以在原料藥生產(chǎn)工藝中，會(huì)大量選用搪玻璃產(chǎn)品，原因是容易清洗，不結(jié)污。其他如化工生產(chǎn)、農(nóng)藥、染料等需要換罐生產(chǎn)，要清洗罐內(nèi)生產(chǎn)殘留的污物，都會(huì)選用搪玻璃材料。搪玻璃材料的特性是表面親和性很低，如：同聚四氟乙烯，那些要求表面潔凈，要清洗的場(chǎng)合，需要搪玻璃。

1.3 隔離性

搪玻璃會(huì)讓介質(zhì)與含鐵的鋼體不直接接觸，起到介質(zhì)與鐵離子隔離作用。特別在醫(yī)藥行業(yè)中，藥典對(duì)藥品含鐵量有嚴(yán)格規(guī)定，藥品鐵離子超量，會(huì)發(fā)生副反應(yīng)。在染料行業(yè)中，染料溶入鐵離子，會(huì)對(duì)色度產(chǎn)生影響。

1.4 絕緣性

玻璃層為非導(dǎo)電體，且絕緣性能良好。在真空條件下0.4mm 玻璃層能耐20kV 高電壓沖擊。因此，玻璃產(chǎn)品適用于介質(zhì)帶電荷操作工藝過程，以及生產(chǎn)中介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生電荷的工藝場(chǎng)合。有的化工過程，物料需要外加電荷，促使過程加快，玻璃層的絕緣性正適合了這種工藝場(chǎng)合。

1.5 保鮮性

玻璃分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不滲透、不溶解，它對(duì)液體食品、飲料、釀造制品具有很好的保鮮性能，能長(zhǎng)久地保持其物品的真實(shí)香味。市場(chǎng)上酒類飲品都用玻璃瓶盛裝，主要目的是利用玻璃的保鮮性能。

國(guó)外的搪玻璃容器，相當(dāng)多的用戶是釀造行業(yè)的工廠及飲品、咖啡、可口可樂的工廠。在我國(guó)，釀造、飲料、液體食品行業(yè)的工廠似乎還沒有進(jìn)入搪玻璃產(chǎn)品的用戶行列，一般用不銹鋼容器貯存居多，有的在用大的陶瓷罐裝酒。

2 搪玻璃材料的五大不足

搪玻璃材料有五大特性，但搪玻璃產(chǎn)品卻有五大不足，如何降低搪玻璃產(chǎn)品的不足和減少對(duì)用戶影響的程度，是贏得用戶和市場(chǎng)的重要手段。

2.1 玻璃材料耐溫差急變性能差

成品搪燒出爐后，當(dāng)產(chǎn)品冷卻到400℃以下時(shí)，瓷釉從半液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。由于金屬鋼坯熱膨脹系數(shù)大于非金屬瓷層的熱膨脹系數(shù)；當(dāng)產(chǎn)品繼續(xù)冷卻到常溫時(shí)，瓷層全面處于壓應(yīng)力狀態(tài)。

一般瓷釉的熱膨脹系數(shù)比金屬坯體小20%～35%，而瓷層的熱膨脹系數(shù)比金屬坯體小5%～15%[2]，說(shuō)明從400℃到常溫，金屬的收縮量大，而瓷層收縮量小，瓷層處于壓應(yīng)力。當(dāng)瓷層涂搪于圓簡(jiǎn)體內(nèi)側(cè)，壓應(yīng)力會(huì)分解為三向力，其中，使瓷層受破壞的分力指向鋼坯，所以，內(nèi)搪瓷不易爆瓷。而攪拌部件、溫套管等外圓搪瓷，使瓷層受破壞的分力指向空間，失去了依靠，容易爆瓷。所以制攪拌部件的瓷釉和制容器筒體的瓷釉應(yīng)該不一樣。

瓷層抗壓強(qiáng)度較好80 kgf/mm2～150 kgf/mm2，而抗拉應(yīng)力很差4 kgf/mm2～9 kgf/mm2，抗拉應(yīng)力只有抗壓應(yīng)力1/20[2]。當(dāng)正溫差急變產(chǎn)生時(shí)，隨著急變溫度上升，瓷層膨脹量小于鋼坯，瓷層受拉伸。當(dāng)負(fù)溫差急變產(chǎn)生時(shí)，隨著急變溫度加大，瓷層收縮量小于鋼坯，瓷層受壓縮。在冷熱溫差交換進(jìn)行，頻繁的高梯度的溫差急變，瓷層不斷地接受拉與壓的應(yīng)力作用而極易損壞。如：農(nóng)藥草甘靈生產(chǎn)的水解釜，120℃鹽酸強(qiáng)腐蝕，一般用常溫自來(lái)水冷卻，使用時(shí)，釜體瓷面很快失光，物料界面很快爆瓷。這是因?yàn)闇夭罴弊兲荻忍蟆?biāo)準(zhǔn)規(guī)定正溫差120℃，負(fù)溫差110℃，這是設(shè)備瓷層溫差急變的極限值。這是一個(gè)試驗(yàn)記錄確定的極限值，即把罐體瓷層加溫至110℃，倒入冰水，反復(fù)4 次，不爆瓷定為負(fù)溫差急變控制值。將20℃常溫罐體瓷層倒入140℃灼熱油，反復(fù)4 次不爆瓷，定為正溫差急變控制值。

在生產(chǎn)工藝中，何止急變4 次，要頻繁很多次。頻繁而接近極限值的溫差急變，瓷層受不了，在草甘靈生產(chǎn)中，水解釜的工藝不能變，又要保證設(shè)備較長(zhǎng)使用壽命，辦法是：在冷卻水入口處之前，接一φ360 圓筒，當(dāng)冷卻初始時(shí)，小圓筒通入蒸汽，將冷卻水加熱至50℃～60℃，縮小二者溫差梯度，當(dāng)釜內(nèi)物料溫度下降了，逐步減少蒸汽通入，直至不通蒸汽全用自然冷卻水。同時(shí)，釜內(nèi)瓷釉改用高硅（70%SiO2）瓷釉涂搪，草甘靈水解釜使用壽命就長(zhǎng)了。

2.2 玻璃材料耐抗機(jī)械沖擊性能差和玻璃裂紋的延伸性

瓷層的耐機(jī)械沖擊強(qiáng)度與瓷層硬度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、彈性及密著強(qiáng)度有關(guān)，瓷層是玻璃體，屬脆性材料，對(duì)集中的點(diǎn)受力抗衡性能較差。

搪玻璃容器法蘭密封為什么不采用螺栓連接，而用卡子。其原因是螺栓在穿越兩法蘭螺栓孔時(shí)，容易碰碎涂搪在法蘭孔邊緣的瓷層，玻璃耐機(jī)械沖擊性差，瓷層邊緣只要產(chǎn)生一點(diǎn)點(diǎn)碎裂，玻璃的特性之一是裂紋延伸性，裂紋在不知不覺中，自動(dòng)延伸到釜內(nèi)，引起容器失效。

所以，設(shè)備運(yùn)輸給對(duì)方，所有外露搪瓷管口均要求有軟物包裹牢靠，就怕邊緣碰壞。運(yùn)輸中，設(shè)備裝車后定位，不能相互碰撞尤為重要，操作人員不允許用鐵錘在罐外錘擊，以防瓷層受損。制造廠都要對(duì)使用者說(shuō)明清楚，指導(dǎo)用戶如何愛護(hù)搪玻璃產(chǎn)品。要求用戶必須請(qǐng)專業(yè)搪玻璃安裝公司運(yùn)輸、安裝設(shè)備，以保萬(wàn)無(wú)一失。

2.3 玻璃材料熱阻大

玻璃材料熱阻大，材料熱阻大說(shuō)明傳熱性能差。化工過程中，幾乎所有的工藝過程都涉及到傳熱。努力使搪玻璃產(chǎn)品傳熱過程加快，有利于工業(yè)生產(chǎn)，提高用戶對(duì)設(shè)備使用的信心。搪玻璃產(chǎn)品的傳熱速度慢，主要是影響夾套傳熱和影響套管測(cè)溫的應(yīng)答速度。因此，玻璃材料熱傳性能的優(yōu)劣，與化工生產(chǎn)息息相關(guān)。

（1）搪玻璃容器夾套傳熱計(jì)算已在工搪簡(jiǎn)訊上發(fā)表，夾套傳熱系數(shù)k 計(jì)算公式：

式中：k — 夾套傳熱系數(shù)，kcal/m2?h?℃；

R — 總熱阻；

λ1— 鋼板導(dǎo)熱系數(shù)，取40 kcal/m2?h；

λ2— 瓷層導(dǎo)熱系數(shù)，取0.8 kcal/m2?h；

δ1— 鋼板厚度，mm；

δ2— 瓷層厚度，mm；

α1— 夾套流體給熱系數(shù)[3]；

夾套內(nèi)水靜流時(shí)取 635 kcal/m2?h；

夾套內(nèi)安裝水噴咀時(shí)取 2 000 kcal/m2?h；

夾套內(nèi)蒸汽冷凝時(shí)取 1 800 kcal/m2?h；

α2— 物料給熱系數(shù)，當(dāng)物料釜內(nèi)湍流攪拌時(shí)取2 000 kcal/m2?h。

計(jì)算結(jié)果：當(dāng)瓷層平均厚度2mm 時(shí)，夾套對(duì)容器傳熱系數(shù)為：

當(dāng)瓷層平均厚度1.2mm 時(shí)，夾套對(duì)容器傳熱系數(shù)為：

上表可見，當(dāng)瓷層由2mm 減少為1.2mm 時(shí)，夾套對(duì)容器傳熱系數(shù)能提高1.26～1.35 倍。這對(duì)加快傳熱過程、節(jié)約能源很有意義。

（2）玻璃材料熱阻大，會(huì)使搪玻璃容器溫度計(jì)套測(cè)溫滯后現(xiàn)象十分嚴(yán)重。對(duì)溫度計(jì)套管而言，影響測(cè)溫應(yīng)答速度的因素是套管內(nèi)導(dǎo)熱油層熱阻和套管外瓷層熱阻。因此，套管末端必須要有縮頭，以減少套管內(nèi)導(dǎo)熱油層厚度，減少油層的熱阻。同時(shí)，瓷層也不能太厚，一般建議用戶采用快速測(cè)溫頭，讓測(cè)溫金屬觸點(diǎn)與釜內(nèi)液體直接接觸。據(jù)試驗(yàn)（日本報(bào)道），帶縮頭的搪玻璃套管測(cè)溫滯后時(shí)間大于250 s，而快速測(cè)溫頭，滯后時(shí)間為10 s，25 倍之差。加快測(cè)溫應(yīng)答速度，對(duì)精確掌握化工過程十分重要。

2.4 瓷層耐腐蝕的局限性

搪玻璃是一種優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕材料，是材料五大特性之一，但也有局限性。

首先，搪玻璃瓷層不耐氫氟酸及一切含有氟離子溶液的腐蝕，耐堿性能也較差，特別是當(dāng)操作溫度升高時(shí)，腐蝕現(xiàn)象將變得嚴(yán)重。

舉例：鹽酸：使用溫度大于180℃，濃度小于10%，不可用；

硫酸：使用溫度大于175℃，濃度小于20%，不可用；

水：使用溫度大于150℃，會(huì)有水腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)；

氨：使用溫度大于155℃，氫離子當(dāng)量濃度大于12 時(shí)，不可用；

磷酸：濃度98%，溫度100℃時(shí)，年腐蝕率大于1.25mm 時(shí)，不可用；

氫氧化納和氫氧化鉀：使用溫度大于110℃，氫離子當(dāng)量濃度大于12 時(shí)，不可用；

氫氧化納：濃度4%，溫度75℃，年腐蝕率大于1.25mm 時(shí)，不可用。

2.5 搪玻璃工藝對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的制約而影響設(shè)備使用效果

搪玻璃是將非金屬燒結(jié)在金屬表面，這是一種特殊的制造工藝，因此對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生許多制約，這帶來(lái)了設(shè)備及零部件使用功能的下降，最明顯的是攪拌器攪拌效率的不佳。

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)搪玻璃攪拌器結(jié)構(gòu)進(jìn)行的規(guī)定，其實(shí)這種橢圓截面形狀的攪拌槳，如果和板式截面攪拌槳相比較，當(dāng)攪拌槳攪拌面幾何投影面積相同時(shí)，其效率只是板式的0.7 倍；如果是圓截面其效率是0.49倍。

工搪分會(huì)致力于提倡專用搪瓷鋼板研制和選用，其目的之一，希望將園形、橢園形攪拌槳葉改為板形截面，提高攪拌效率。同時(shí)，讓搪玻璃攪拌容器能裝上真正意義上的擋板，使化工反應(yīng)處于全擋板條件下的操作，能達(dá)到最佳攪拌效果。

淄博三田公司是第一家將鋼制翼形軸流攪拌的原理應(yīng)用到搪玻璃攪拌器的制造上，針對(duì)那些要求攪拌槳泵送流量大（翻動(dòng)量大），能形成介質(zhì)在容器內(nèi)軸向流動(dòng)的主體循環(huán)，有利于物料快速混合均勻，同時(shí)又減少動(dòng)力消耗，受到用戶的歡迎。

攪拌槳的功能，是制造容器內(nèi)液體流型的主要工具。不同的化學(xué)過程需要不同的液體流型，以達(dá)到最佳工藝目的。

目前，標(biāo)準(zhǔn)搪玻璃攪拌器只有三種型式：

（1）錨式（框式），屬?gòu)较蛄魅鯏嚢?，用于高粘度物料及物料傳熱及大顆粒結(jié)晶。

（2）葉輪式（三葉后掠式），屬?gòu)较蛄鲝?qiáng)攪拌，特點(diǎn)輸出性能強(qiáng)，排放量大，適用于較強(qiáng)的物料體積循環(huán)和低粘度物料的攪拌，特別適用于非牛頓型物料的攪拌。對(duì)混合、導(dǎo)熱、聚合、乳化、氣體吸收和懸浮的工藝過程有較好的效果。缺點(diǎn)是會(huì)在容器內(nèi)形成上下二個(gè)液流區(qū)，對(duì)整體混合有一定影響。

（3）槳式，徑向流型，屬慢速攪拌，主要功能是剪切，斜槳能產(chǎn)生一定軸向流，用于低粘度物料分散、小顆粒物料結(jié)晶操作。

這三種攪拌型式對(duì)廣大用戶來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了他們的要求，千變?nèi)f化的化工工藝，需要不同結(jié)構(gòu)形狀的攪拌槳葉以制造多種型式液休流型。

國(guó)外工廠和淄博三田、淄博貝特公司，已經(jīng)制造出有更多型式和功能的攪拌槳，是基于開發(fā)新的攪拌品種，其意義很大。

3 結(jié)束語(yǔ)

搪玻璃產(chǎn)品需要不斷開發(fā)，以獲得更多化工、制藥生產(chǎn)領(lǐng)域的使用。所以，我們努力的方向可概括為：用搪玻璃材料五大特性發(fā)展用戶；改善搪玻璃產(chǎn)品五大缺陷，贏得用戶信心。

[1]盧進(jìn)標(biāo).中國(guó)搪瓷手冊(cè)[M].北京：中國(guó)輕工出版社，2001.

[2]蔣偉忠、厲益駿.搪瓷與搪玻璃[M].北京：中國(guó)輕工出版社，2013.

[3]中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.