基板玻璃窑炉电熔高锆砖关键性能研究

赵龙江 杨威 徐剑 王答成 徐莉华

（彩虹显示器件股份有限公司 咸阳 712000）

0 引言

电熔高锆砖作为基板玻璃气电混合窑炉池壁及池底的主流应用材料，随着高世代基板玻璃引出量增大，流速增大对池壁及池底的冲刷作用加剧，因此窑炉电熔高锆砖在玻璃熔化过程中不可避免地受到高温玻璃液的侵蚀及窑炉各种电化学气氛的侵蚀，造成窑炉寿命降低［1-3］，所以研究窑炉用电熔高锆砖的关键性能指标如热膨胀性能、体积电阻率、抗玻璃液侵蚀性能及发泡性能，对窑炉升温过程的膨胀管理，延长窑炉寿命及电熔高锆砖的选材、工艺制定方面都有着非常重要的应用价值。

本文通过设计科学的实验测试过程，对两种不同型号电熔高锆砖热膨胀率、体积电阻率、抗玻璃液侵蚀及发泡等关键性能进行测试对比研究，选出性能最优的电熔高锆砖材料为产线窑炉的高效稳定运行提供技术支撑。

1 关键性能研究

1.1 热膨胀率

将A和B两种电熔高锆砖材料加工为矩形结构，测量初始状态下样品的尺寸，从常温以6 ℃/min升温至1600 ℃，升温过程每间隔100 ℃测量一次样品尺寸，计算不同温度下样品体积和体积膨胀率：

式中：PV——材料体积膨胀率；

V0——材料在室温下体积；

Vt——材料加热至试验温度t时的体积；

Ak（t）——当温度为t时，仪器的校正值。

不同温度下的体积膨胀率如图1所示。

图1 两种电熔高锆砖材料膨胀率对比

从图1可知，两种材料在1100 ℃以前体积膨胀率均呈上升趋势，高点达0.7%左右，在1100 ℃以后A材料体积收缩拐点首先出现，在1200 ℃达低点0.22%，B材料在约1240 ℃体积收缩率达低点，约0.08%，通过测试对比，两种电熔材料A、B的升温热膨胀趋势基本相同。

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1.2 体积电阻率

基板玻璃气电混合窑炉在熔化玻璃配合料时电极要加载电流作用于玻璃液中产生焦耳热来熔化玻璃液，因此池壁及池底应用的电熔高锆砖在高温下不能与玻璃液阻值接近产生阻值交互作用。电熔高锆砖在应用于气电混合窑炉时首先要关注材料的高温体积电阻值才能保障玻璃配合料的高效稳定熔化。

将两种电熔高锆砖材料A和B外形加工为圆柱状，圆柱两端接入铂金端子，铂金端子再接入铂金导线然后将样品两端的铂金导线接入直流双臂电桥，固定好测试装置后置于高温井式炉中，以6 ℃/min的升温速率升温至1600 ℃，升温过程中测量不同温度下两种电熔材料对应的电阻值，然后将不同温度下测量的材料电阻值依据式（2）计算不同温度下两种电熔材料的高温体积电阻率，曲线如图2所示：

图2 两种电熔高锆砖材料高温体积电阻率

式中： rt——材料在不同温度t时体积电阻率；

R——材料电阻值；

L——柱状材料高度；

D——柱状材料直径；

S——柱状材料截面积。

从图2可以看出，B材料的体积电阻率在1200～1600 ℃区间内整体较A材料高。

不同温度下玻璃液高温体积电阻率见图3。

图3 不同温度下玻璃液高温体积电阻率

由图3可知，玻璃液在1600 ℃时电阻率约为100 W·cm，B材料在1600 ℃电阻率约为240 W·cm，A材料在1600 ℃电阻率约为120 W·cm，考虑电熔高锆砖在正常使用时与玻璃液可能产生阻值交换造成窑炉加电过程电流偏移，因此B材料在高温段的体积电阻率更符合产线运行的理论要求。

1.3 抗侵蚀性能

由于电熔高锆砖材料在基板玻璃窑炉中与高温玻璃液直接接触，因此不可避免地要受到高温玻璃液的冲刷及窑炉各种电化学气氛的侵蚀，因此在选材过程中电熔高锆砖要具有良好的抗玻璃液侵蚀性能才能提高窑炉的运行寿命，抗高温玻璃液侵蚀性能也是电熔高锆砖材料在基板玻璃窑炉运行过程中受到用户关注的主要性能指标。

将两种电熔高锆砖材料A和B加工为12 mm×24 mm×105 mm的外形尺寸，按照图4所设计的评价方法将样品加工为所需尺寸后固定于玻璃液中，将测试电熔材料抗玻璃液侵蚀的装置置于高温炉中以6 ℃/min的升温速率升温至1650 ℃下保持恒温状态72 h，之后随炉冷却，测量两种电熔材料与玻璃液直接接触面深度方向上的尺寸变化，考察两种电熔材料A和B在侵蚀前后的深度变化，测试结果如表1所示。

表1 两种材料抗玻璃液侵蚀结果

图4 电熔高锆砖抗侵蚀性能评价方法

从表1可知，两种电熔材料抗玻璃液侵蚀速度基本一样，与玻璃液高温作用过程中具有同等的耐玻璃液侵蚀性能。

1.4 发泡性能

基板玻璃在生产过程中产品要求微米级缺陷，才能达到用户端的指标要求，因此对气泡、结石等缺陷的要求也极为严格。由于电熔高锆砖在基板玻璃窑炉中要与高温玻璃液直接接触，二者在交互反应的界面对发泡的性能要求也极为严格，要求二者在高温作用下产生的气泡极少才能满足玻璃液中残留的气泡数量达到澄清排泡的要求，因此，电熔高锆材料与玻璃液高温作用的发泡性能也是其在基板玻璃窑炉中正常使用的关键性能指标。

将两种电熔高锆砖材料A和B加工为5 mm×20 mm×20 mm的薄片状，薄片上表面放置基板玻璃碎片后，按照图5所设计的电熔高锆砖发泡性能评价方法，置于高温炉中以6 ℃/min的升温速率升温至1600 ℃下保温2 h，然后随炉冷却，考察两种材料上表面1 mm以上的发泡个数，测试结果如表2所示。

表2 两种材料表面玻璃液发泡结果

图5 电熔高锆砖发泡性能评价方法

从表2可知，两种电熔高锆砖材料的发泡个数A材料＞B材料，与基板玻璃液高温接触时B材料的发泡性能更优。

2 结论

通过设计合理的实验方法，测试两种电熔高锆砖材料A和B的热膨胀率、体积电阻率、抗玻璃液侵蚀性能及发泡性能，通过对比研究，结果表明：A材料和B材料的升温过程热膨胀曲线基本相同，利于产线升温过程中的膨胀管理；B材料的体积电阻率在1200～1600 ℃区间内整体较A材料高，与玻璃液在此温度区间不存在阻值交互点；A和B两种电熔材料具有同等的耐玻璃液侵蚀性能；高温状态下A和B两种电熔高锆砖材料的发泡个数对比为A材料＞B材料，表明与基板玻璃液高温接触时B材料的发泡性能更优，综合两种电熔材料关键性能对比，B材料在基板玻璃气电混合型窑炉选材方面更符合高效稳定运行的技术要求。