馬 俊

（中意凱盛（蚌埠）玻璃冷端機(jī)械有限公司，蚌埠 233010）

革新的玻璃熔化技術(shù)

馬 俊

（中意凱盛（蚌埠）玻璃冷端機(jī)械有限公司，蚌埠 233010）

作為日本新能源產(chǎn)業(yè)（NEDO）技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)的能源使用合理化技術(shù)戰(zhàn)略項(xiàng)目“以直接玻璃化達(dá)到革新節(jié)能玻璃熔化技術(shù)”，由井上梧領(lǐng)銜，以物質(zhì)·材料研究機(jī)構(gòu)、東京大學(xué)3研究室、旭玻璃公司、東洋玻璃公司、新玻璃論壇為中心，東京理工大學(xué)、東洋大學(xué)、HOYA、光玻璃共同實(shí)施，中央玻璃公司參與開發(fā)。該文介紹了該項(xiàng)目的研發(fā)過程及技術(shù)要領(lǐng)。

空氣中熔化； 節(jié)能； 環(huán)保； 等離子

玻璃雖不是高精尖產(chǎn)品，但是從住房、汽車、隔熱材料、餐具等到太陽能電池、液晶電視、非球面透鏡等的新玻璃，在我們身邊無處不有。具有優(yōu)秀耐久性的玻璃可以長期地使用或再利用，即使廢棄也不會污染土壤、大氣、水質(zhì)。從地球環(huán)境方面看玻璃是很好的材料，唯一的缺陷就是在制造過程中消耗大量的能源。

在玻璃制造過程中耗能最大的是玻璃熔窯，玻璃熔窯是以1867年德國的西門子發(fā)明的熔窯為基礎(chǔ)，將玻璃原料投放到玻璃液上通過火焰加熱使其逐漸熔化的設(shè)備。

在要求提高質(zhì)量、降低成本、減輕地球溫室效應(yīng)、節(jié)能的大環(huán)境下，加深了人們對玻璃熔化技術(shù)革新的期待。在此背景下，新的玻璃熔化技術(shù)——空氣中熔化（inflight melting），經(jīng)過NEDO技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)證實(shí)原理的有效性，從2009年開始作為日本國家計(jì)劃，開始向?qū)嶋H應(yīng)用方面發(fā)展。

NEDO革新玻璃熔化技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目所推進(jìn)的空氣中熔化玻璃技術(shù)不僅具有工業(yè)意義，在學(xué)術(shù)觀點(diǎn)上也具有非常深遠(yuǎn)的意義。雖然表面鍍膜處理使用的等離子溶射也屬于空氣中熔化范疇，但是還沒有研究過以熔化為主單純在熱等離子中加熱顆粒，在等離子中數(shù)毫秒的滯留時(shí)間完成復(fù)雜的玻璃反應(yīng)。

以前等離子熔射等工藝中，一般使用直流放電等離子，但是空氣中熔化技術(shù)是以降低玻璃熔化所需能源為目的，因此著眼于比其他的熱等離子能源效率更高的多相交流電弧。雖然對放電特性還有許多不明了之處，但是能夠從物理觀點(diǎn)解釋放電現(xiàn)象。

該文介紹了在熱等離子革新的玻璃熔化工藝中重點(diǎn)考慮的題目，即多相交流電弧放電現(xiàn)象和關(guān)于空氣中熔化熔融顆粒溫度測量最新研究成果。

1 新技術(shù)開發(fā)課題

1.1 采用等離子輔助燃燒技術(shù)空氣中熔化難熔玻璃

為了使等離子熔化技術(shù)用于液晶顯示器用無堿玻璃等難熔玻璃，作為加熱源，在開發(fā)多相等離子與氧燃燒火焰復(fù)合化的混合加熱技術(shù)的同時(shí)研究等離子對玻璃質(zhì)量的影響。

在世界上成功地首次使用12相交流等離子和氧燃料燃燒復(fù)合化的混合熱源，并在超過目標(biāo)試驗(yàn)時(shí)間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。通過對等離子放電現(xiàn)象縝密觀察、分析及恰當(dāng)?shù)乩鋮s電極、放電排序、電極位置配列等，加強(qiáng)了對電極消耗的抑制并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地放電。

1.2 普通玻璃的氧燃燒空氣中熔化

普通玻璃（鈉鈣玻璃）采用空氣中熔化技術(shù)時(shí)設(shè)備價(jià)格相對要低，并且要以少的能耗熔化玻璃，一般情況下評價(jià)玻璃熔化技術(shù)的實(shí)用性時(shí)，必須在熔窯上進(jìn)行試驗(yàn)，因此建設(shè)了1t／d的試驗(yàn)窯，通過試驗(yàn)窯進(jìn)行評價(jià)，見圖1。

試驗(yàn)方法是將原料顆粒投入氧燃燒器，在火焰中熔化降落，形成玻璃液。對碎玻璃的熔化、攪拌也在該窯中進(jìn)行。

1.3 掌握空氣中熔化特有現(xiàn)象

用質(zhì)量分析儀定量分析1t／d的試驗(yàn)窯中玻璃液存在的微小氣泡所含成份，各氣泡的氣體成份或多或少有些不同，除CO2、O2、N2、H2O外還有燃料氣體成份，并檢測出CO2分子的O置換成硫磺S后的COS等。

將試驗(yàn)窯得到的玻璃液再熔化時(shí)觀測產(chǎn)生的氣泡，除保持溫度與氣泡數(shù)量的關(guān)系外，還要觀測氣泡直徑的時(shí)效變化等空氣中熔化特有的現(xiàn)象。要有效進(jìn)行澄清，必須對空氣中熔化的玻璃液中溶存的氣體成份進(jìn)行關(guān)注、分析。

1.4 熔化工藝模擬

在先前研究開發(fā)的氣體燃料燃燒、熱傳遞、原料造粒加熱、熔化、玻璃液流、氣泡澄清、均勻化等各種模型的基礎(chǔ)上繼續(xù)開發(fā)液體燃料燃燒、多相等離子加熱、攪拌、耐火材料侵蝕等各種模型。通過組合這些模型，能定量推測窯內(nèi)玻璃液狀況、熱平衡等。

2 熔化用熱源

2.1 空氣中熔化所需熱等離子體

熱等離子體的特點(diǎn)：1）不僅是電子，離子和原子也產(chǎn)生高溫。熱離子的能量密度大時(shí)，能短時(shí)間使被加熱物達(dá)到高溫。2）熱等離子體中存在的電子和離子等的帶電顆粒。因電子和離子受電磁場的影響，所以可以根據(jù)工藝需要以外部電磁場對等離子進(jìn)行控制。3）等離子體中電子沖擊容易生成原子團(tuán)等的活性種，因此能形成利用原子團(tuán)反應(yīng)的材料工藝。4）自由選擇氣氛。等離子體可以自由地選擇使用氬的惰性氣氛、使用氧的氧化氣氛、使用氫的還原氣氛等，因此適合材料工藝。

材料工藝主要采用利用電弧放電的熱等離子體和高頻電磁場感應(yīng)發(fā)生的熱等離子體。重要的是掌握各等離子體的特征，根據(jù)材料工藝要求的內(nèi)容選擇適當(dāng)種類的等離子體。

2.2 直流電弧

直流電弧的等離子是可以適用的高輸出和高密度的高溫?zé)嵩?，容易得到高溫、高速、高活性的熱等離子流。直流等離子槍有圖2所示的被稱為等離子流的非移動(dòng)式和移動(dòng)式。移動(dòng)式電弧向離開噴嘴位置的導(dǎo)電性物質(zhì)施加正電位。移動(dòng)式電弧適合加熱位于陽極上的原料，但不適合用于導(dǎo)電性低的玻璃液。

非移動(dòng)式電弧被稱為等離子流，陽極與陰極之間發(fā)生的電弧從噴嘴噴出，將由此形成的高溫區(qū)域用于材料工藝。移動(dòng)式電弧在槍以外不存在陽極，因此可以用于等離子熔化。但是等離子流的溫度及速度在半徑及軸方向中存在大的梯度，在等離子流內(nèi)很難對原料進(jìn)行均勻地加熱。另外高溫區(qū)域小、流速快的等離子流也不適合等離子熔化。

2.3 感應(yīng)結(jié)合型等離子

高頻（RF）等離子通過槍外部的感應(yīng)線圈，使槍內(nèi)部氣體處于等離子狀態(tài)，屬感應(yīng)結(jié)合型放電。因RF等離子是無電極放電，因此電極的物質(zhì)不會混入等離子中，可用于對玻璃原料的熔化。但是無極放電對外部的干擾極其敏感，因此向等離子內(nèi)供給原料物質(zhì)時(shí)，要將原料的供給量限定在等離子不產(chǎn)生波動(dòng)的范圍內(nèi)。

RF等離子主要的特點(diǎn)在于直徑大（10cm），與直流電弧相比，其氣體流速低一位數(shù)。直流等離子內(nèi)物質(zhì)的滯留時(shí)間為1ms，RF熱等離子體的滯留時(shí)間為10ms，因此能夠充分進(jìn)行空氣中熔化。

2.4 多相交流電弧

采用多相交流放電取代直流后，能在若干槍間發(fā)生大口徑的電弧。多相交流電弧是通過放射狀配置電極，向各電極施加相位不同的交流電壓，根據(jù)電極之間的電源頻率發(fā)生旋轉(zhuǎn)的等離子，形成新的等離子。

多相交流電弧從電力向熱等離子體的能量轉(zhuǎn)換率高，由于等離子流速慢，因此在顆粒飄落過程的加熱效率高，并且輸出大。由于具有這些優(yōu)點(diǎn)，因此能夠應(yīng)用于玻璃原料的空氣熔化。

玻璃的空氣中熔化時(shí)，從安裝在裝置上部的水冷式粉體供給噴嘴投入原料，將原料供給電極之間放電的電弧中。為了定量地評價(jià)玻璃化反應(yīng)的進(jìn)展程度，用X射線衍射法評價(jià)結(jié)晶性硅砂的殘存量。檢測RF等離子和以12相交流電弧進(jìn)行空氣中熔化顆粒內(nèi)部殘存硅砂量時(shí)，硅砂晶格造成的衍射線消失。

2.5 多相交流電弧與燃燒火焰的復(fù)合加熱

在空氣中熔化時(shí)與只使用熱等離子體相比，和能源效率好的燃燒火焰組合，能得到更大的節(jié)能效果。由于氧氣燃燒火焰溫度在3 000K，玻璃原料很難在空氣中飄落時(shí)間內(nèi)完全被熔化，但是與溫度10 000K以上的熱等離子體組合，能在有限的飄落時(shí)間內(nèi)使原料充分熔化。

空氣中熔化使用的多相交流電弧如圖3所示。在多相電弧的上部設(shè)置氧氣燃燒管，從氧氣燃燒管中心供給玻璃原料和作為載氣的空氣。采用鎢做電極，以電極夾進(jìn)行水冷。另外為了防止鎢氧化，在電極周圍進(jìn)行氬氣保護(hù)。將6相分2段錯(cuò)開30°，12相交流電弧能向上下方向擴(kuò)大電弧區(qū)域。

作為組合不同高溫?zé)嵩吹钠渌椒?，還有組合RF等離子和DC等離子流的混合等離子。該混合等離子不是將各自等離子單獨(dú)組合的高溫?zé)嵩?，而是通過復(fù)合兩種高溫?zé)嵩矗侔l(fā)前所未有的新的高溫場。該研究的多相交流電弧和燃燒火焰的復(fù)合加熱源不是只將不同的熱源組合，而是以利用燃燒火焰和熱等離子體各自特性，找出適合空氣中熔化的高溫?zé)嵩礊槟康摹?/p>

3 空氣中熔化顆粒的溫度測量

測量空氣中熔化的各熔融顆粒的溫度對高效熔化玻璃具有重要意義，然而在熱等離子中測量熔融顆粒的溫度卻不是件簡單的事。幸運(yùn)的是開發(fā)出了根據(jù)等離子溶射用雙色放射測溫法的熔融顆粒溫度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于玻璃空氣中熔化的熔融顆粒溫度測量。但是用雙色放射測溫法測量熔融顆粒溫度時(shí)，會接收到熔融顆粒發(fā)出的放射光以外的發(fā)光，因此測量的溫度與實(shí)際溫度存在差異。

玻璃在空氣中熔化的熔融顆粒的測量采用Tecnar公司制的DPV－2000。熔融由透鏡采集熔融顆粒的發(fā)光，以分離器將光路分開后經(jīng)帶通濾波器導(dǎo)入光檢測部。測量（787±25）nm、（995±25）nm雙波長中的發(fā)光強(qiáng)度，根據(jù)其強(qiáng)度比計(jì)算熔融顆粒的溫度。該測量裝置留有兩處光導(dǎo)纖維射入縫，根據(jù)漂落時(shí)間同時(shí)測量顆粒的速度。采用DPV－2000，可假設(shè)兩個(gè)波長段被測物質(zhì)的放射率相等，用雙色放射測溫法求出溫度。

圖4表示DPV－2000得到的發(fā)光強(qiáng)度的時(shí)效變化。發(fā)光體通過DPV－2000的測量范圍時(shí)，得到兩個(gè)射入縫對應(yīng)的兩個(gè)波峰。出現(xiàn)來自等離子和隔熱材料的發(fā)光時(shí)，溫度測量中重要的是其時(shí)間變動(dòng)的周期。如果該周期比來自顆粒的發(fā)光波峰時(shí)間長，可以考慮分離直接入射光。多相交流電弧時(shí)，考慮到等離子的發(fā)光周期是20ms，來自多相交流電弧的交流成份，比顆粒通過測量區(qū)域（約是0.1ms）的時(shí)間長。另外，來自隔熱材料的直接光不會出現(xiàn)大的時(shí)間變動(dòng)。因此，DPV－2000不會受到直接入射光的影響。

4 NEDO研究項(xiàng)目的成果

玻璃原料在坩堝中熔化時(shí)，加熱1h就能得到均質(zhì)的玻璃液，為什么在玻璃熔窯中需要1～6d的時(shí)間，受這一問題的啟發(fā)，開發(fā)出的空氣中熔化方法與現(xiàn)行的玻璃熔化方式有很大的不同?？諝庵腥刍椒ㄊ菍⒃霞?xì)粉碎，造粒成1mm以下的粒體，每個(gè)粒體在通過高溫氣氛中瞬間熔化，并能在微小玻璃液滴的狀態(tài)下將氣泡排除，落到下方的玻璃液上形成均質(zhì)的玻璃液。由于是將原料直接投放到在高溫氣氛中，所以能源利用效率高，能夠大幅度降低能源消耗。

NEDO研究項(xiàng)目中，作為基礎(chǔ)技術(shù)重視原料的造粒與空氣中加熱。對于鈉鈣玻璃和液晶顯示用無堿玻璃兩種原料，研究了噴霧干燥法、旋轉(zhuǎn)法及壓縮法等3個(gè)造粒方法及直流等離子、高頻等離子、多相電弧等離子—氧燃燒復(fù)合熱源等5個(gè)空氣中加熱方法。

這些科研開發(fā)得到的成果如下：

1）鈉鈣玻璃原料造粒體及液晶顯示用無堿玻璃原料造粒體，用直流等離子以外的4種熱源時(shí)，雖然有某種程度的不同，但是在飄落過程中能夠瞬間在空氣中加熱熔化。

2）在空氣中加熱過程雖然鈉鈣玻璃原料造粒體出現(xiàn)Na2O揮發(fā)，但是不影響實(shí)際使用。原料中含有的分解氣體成分在加熱過程中不會被封入造粒體內(nèi)，幾乎全部釋放到外部。

3）在空氣中加熱過程雖然無堿玻璃原料造粒體B2O3的揮發(fā)通過造粒方法和加熱方法有所減少，但是要達(dá)到使用還需進(jìn)一步改善。

4）在1t／d規(guī)模的熔窯中對空氣中加熱鈉鈣玻璃原料造粒體，落下形成的玻璃液進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，玻璃液表面不產(chǎn)生泡層，在加熱耗能1 370kcal／kg玻璃的情況下能夠穩(wěn)定連續(xù)地熔化。

5）利用空氣中熔化模型和氣泡澄清模型對100t／d熔窯進(jìn)行模擬計(jì)算，原料加熱、澄清池、制氧、原料粉碎等總共耗能是1 267kcal／kg玻璃，該值是現(xiàn)行蓄熱式玻璃熔窯的一半。同時(shí)判斷出可以用多相電弧等離子—氧燃燒復(fù)合熱源生產(chǎn)玻璃。

5 結(jié) 語

玻璃熔化需要大量的能源，導(dǎo)致玻璃工業(yè)成為耗能大戶。傳統(tǒng)工藝通過各種措施，能耗已降到極限，因此新的熔化技術(shù)能給玻璃行業(yè)節(jié)帶來生機(jī)。

對于玻璃原料在等離子的高溫場飄落的短時(shí)間內(nèi)熔化，這一新的空氣中熔化玻璃原料技術(shù)的研究還屬首次。這不僅具有工業(yè)上的意義，從學(xué)術(shù)上也具有非常深遠(yuǎn)的意義。經(jīng)過幾年的研究，證實(shí)了空氣中熔化原理的有效性。用空氣熔化法可以降低玻璃熔化過程所消耗能源1／3，在短時(shí)間熔化玻璃的同時(shí)，還可以使玻璃熔窯小型化、省略蓄熱室、提高玻璃質(zhì)量。不僅如此，這種方法還能減少廢氣排放、減少熔窯更新時(shí)的廢磚。

將空氣中熔化方法作為“節(jié)能的玻璃熔化技術(shù)”加以實(shí)現(xiàn)。從科學(xué)、工學(xué)方面的觀點(diǎn)出發(fā)具有深刻的意義，作為項(xiàng)目的最終能耗目標(biāo)是900kcal／kg玻璃，屆時(shí)能夠在進(jìn)一步降低環(huán)境負(fù)荷的情況下制造玻璃。

［1］渡邊隆行.用于空氣中熔化玻璃的等離子發(fā)生技術(shù)［J］.日本新玻璃，2010，25（1）：35－40.

［2］矢野哲司.空氣中熔化玻璃［J］.日本新玻璃，2010，25（2）：34－40.

［3］灑本修.無堿硼硅酸玻璃在空氣中熔解技術(shù)的應(yīng)用［J］.日本新玻璃，2011，26（2）：30－33.

［4］伊式田徹.NEDO革新玻璃熔化技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目的進(jìn)展?fàn)顩r［J］.日本新玻璃，2010，25（4）：45－49.

Innovative Glass Melting Technology

MA Jun
（Sino－Italian CTIEC （Bengbu）Glass Cold－End Machinery Co，Ltd，Bengbu 233010，China）

As the technical strategy project of rationalized energy consumption of New Energy and Industrial Technology Development Organization（NEDO）－“Achieving innovative energy saving glass melting technology through direct vitrification”，leading by Satoru Inoue and centered on National Institute for Material and Science，three laboratories of University of Tokyo，Asahi Glass Company，Toyo Glass Machinery and new Glass Forum，it has been implemented by Tokyo Institute of Technology，Toyo University，HOYA，and Optical Glass as well as the Central Glass Co，Ltd involved in its development.This article introduces the developing procedure and technical key points of this project.

in－flight melting； energy saving； environment protection； plasma

10.3963／j.issn.1674－6066.2014.02.014

2013－10－20.

馬 ?。?981－），工程師.E－mail：mafeiyun＿bj＠163.com