浮法玻璃锡槽保护气体对锡缺陷的影响研究

刘宜忠

（东莞南玻太阳能玻璃有限公司 东莞 523141）

0 引言

某集团浮法线根据其差异化生产经营战略，主要以生产高端产业玻璃为主（AG玻璃、高端制镜、电子扫描级玻璃等），高等级玻璃对产品质量要求很高，目前制约高端产品玻璃生产的主要因素之一是锡槽中常见的锡缺陷，即浮法玻璃在锡槽内成形过程中由于浮托介质锡液和保护气体氮气、氢气受到污染而使玻璃产生了与锡有关的缺陷。主要有沾锡、锡石、彩虹、光畸形变等。锡缺陷严重影响高端玻璃产品质量，造成差异化比例下降，不但影响企业利润，也对企业的声誉构成威胁。

在原有锡槽保护气体系统的基础上，结合实际生产经验，通过对锡槽保护气体进行重新分配和调整，并建立一套锡槽保护气体管理程序，使与锡槽保护气体有关的锡缺陷得到控制。

1 锡缺陷现状

该浮法线自投产以来，熔化缺陷一直稳定受控，但锡缺陷频发，严重时锡缺陷占比达50%以上。如图1所示。

图1 浮法线缺陷占比

该线锡缺陷严重时占比高达53%，严重影响了该线的产成品率。受其表面锡灰印的影响，差异化比例被严重制约。

把锡槽作为一个动态平衡系统，由锡槽结构（入口端、出口端和本体）、锡液、保护气体、玻璃带等几个要素来构成。构成要素的变化，如保护气体氮气、氢气的引入以及水的引入等是造成锡缺陷的主要原因。

2 锡槽保护气体

该浮法线运作着一个独立规模的制氮气设备，为锡槽提供保护气体氛围。合适的保护气体以高纯氮气为载体，基本上不含氧气和水分，只含一定量的氢气，用以还原氧气杂质，预防生成锡液面漂浮的灰渣和玻璃带下表面的霜雾。锡槽中Sn、SnO和SnS等蒸汽的存在使得保护气体管理极为重要。保护气体中各成分需保持一定的比例，氧气过高或者氢气比例不适，都会引起一系列问题。

（1）保护气中氧气含量过高时，过量的氧将锡氧化成氧化锡SnO2和SnO

SnO2的熔点为1630 ℃，比锡熔点（231.9 ℃）高，密度6.5 g/cm3低于纯锡高于玻璃的密度，不溶于锡液，在锡槽的温度和气压条件下为固相，往往以浮渣形式出现在中、低温区的锡液面上，引起玻璃带下表面的霜雾和灰渣。污染后的锡灰渣也是引起沾锡的一个主要因素。长期过量氧的存在还可能促使O2渗透进入槽底耐火材料，与从玻璃中转移出来的钠共同改变底砖的表面化学组成。导致槽底耐火材料中部分晶相向霞石转变，引起底砖表面层的增大和分离，甚至会浮起，破坏了耐火材料原有的结构和性能，影响其正常使用。

（2）SnO的渗透

SnO的渗透导致SnO与槽底砖发生反应，形成棕色高黏度的玻璃相。这个玻璃相能造成底部的液滴状缺陷，以及引起底砖的层状分离。

（3）保护气体中H2含量高可能有双重作用

H2与玻璃中的硫反应，生成H2S，H2S和锡进一步反应生成SnS或SnS2。由此可知，氢存在得越多，最终形成的杂质SnS或SnS2就越多。SnS也可直接由锡跟保护气体中的硫反应而生成。然后SnS/SnS2凝聚于锡槽水包的表面，成为上表面滴落物的来源之一。

保护气体中高含量的氢也能把气氛中的SnS还原成金属锡，导致玻璃上表面出现锡缺陷。闸板区高浓度的氢也会造成玻璃上表面气泡和很小的上表面锡石。这种表面气泡是由于锡槽保护气体的排气在闸板后造成一个局部的再沸腾区域所致。而很小的锡石则可能是H2通过相对多孔的闸板的扩散所致。

氧和硫在内的槽内化学反应始终都在进行着。良好的锡槽保护气体管理的目标是降低这些副化学反应的速率，并且在反应产物产生缺陷之前，运用排气装置及时排出锡槽。

3 保护气体合理分配和控制目标

合理的保护气体分配和控制需要满足以下条件：

①良好的锡槽密封；

②合适的保护气体（H2+ N2）分配和充足的流量；

③锡槽中合适的H2百分含量水平；

④锡槽中正确的排气位置和合适的排气量。

4 锡槽维护、保护气体分配使用以及管理措施

锡槽的维护保养是一项长期坚持不懈的工作，如何防止外界的氧和硫进入锡槽是锡槽维护的首要工作。而锡槽的密封则是最基本的工作之一，如何做好锡槽密封此时就显得尤为重要。

4.1 良好的锡槽密封

锡槽按特性分为三个区域：进口区、出口区和周边区。

（1）进口区密封

前闸板的两个侧面都必须切成斜面，在自由吊起时闸板和侧壁砖之间的缝隙不超过4.76 mm，实际上最好是3.18 mm。在前闸板和下游平碹之间应当有一大于（12.7 mm）的缝隙，使得闸板的背面有玻璃时闸板能被推向下游，使闸板与侧壁间保持密封。闸板两端的密封砖以及闸板下游侧沿闸板的密封砖条应当跟闸板严密紧靠。

（2）出口区密封

必须将全部提升辊的下面做成一个接触式的密封（这一点不能用于熔铸石英辊），并且应对辊子加上压力，确保整个长度上的紧密接触。至少要有4道挡帘，最好能跟玻璃表面相接触。因为即使挡帘紧贴玻璃带能产生足够高的槽压，但是仍有相当数量的O2通过扩散侵入到锡槽内。

（3）周边的密封

由于氧能通过扩散侵入，故边封以及拉边机孔周边等都必须有良好的密封。应当用可燃气体探测器，至少每周三次探测密封处是否漏气，而在锡槽有重大操作需打开锡槽孔洞和重新密封之后，也应用探测器探测。

（4）锡槽压力

锡槽压力是锡槽密封是否良好的一个指示器。能够接受的最小槽压是50 Pa。在使用大流量氮气（氮气流量大于1840 m3/h）时，应当以槽压76 Pa作为操作控制目标。锡槽上测压点三个：进口端、中部和出口端。锡槽压力应当保持在正负10 Pa范围内作为操作控制目标。

（5）露点

露点是衡量锡槽密封效果的指标之一。露点必须在所有测点都保持在-60 ℃以下。露点至少应当有三个测点：进口端、中部和出口端。采用一个连续式的露点监测仪。

（6）霜雾试验

霜雾试验是又一项非直接判断锡的干净程度的方法。霜雾试验应当每班都做。

（7）渗锡系数

浮法玻璃渗锡量采用X荧光仪法检测，渗锡量的“锡计数”是光谱分析中的一个专业术语，采用渗锡系数来表示玻璃渗锡量的大小，可以完全反映渗锡的变化趋势，达到控制和指导生产的目的。

测量过程：用一片玻璃作为参照玻璃样（设定系数为1.0），并长期不变，将待测玻璃样和参照玻璃样同时进行测量并比较，得到相对的玻璃渗锡系数。

检测结论计算公式为：渗锡系数= 待测玻璃样的锡强度（KCPS）/参照玻璃样的锡强度（KCPS）。

（8）锡分析

应每月进行一次锡液中的铁、氧和硫的分析，在锡槽的三个不同位置（进口端、中部和出口端）采样。锡液中的铁目标含量对透明白玻璃为0.35‰。每天要有检测N2露点并分析，露点应低于-60 ℃。氧含量应当小于0.001‰。

4.2 适当的保护气体分配和流量

适当增加氮气的流量，跟日常维护操作结合在一起，以便减少锡槽锡缺陷。每一平方米槽顶的氮气流量应当不少于4.2 m3/h。最佳的流量应当为6.1 m3/h。要求至少75%的保护气体流量是经槽顶送入，而余下的25%保护气体流量根据需要从观察窗送入。假如槽顶的送风道已被适当地分隔，那么这个分配在控制上就提供了最大的灵活性。显然，保护气体的最佳分配是避免来自锡槽热端的受污染的保护气体移到锡槽下游。在锡槽下游，保护气体中的污染物会凝聚在锡槽的低温表面，导致缺陷。此外，保护气体的分配也应当满足使母排温度保持低于316 ℃。露点和槽压测定值应当用作锡槽调整和设定的参考。

4.3 锡槽中合适的氢气百分比

氢气应当只用来控制露点、缺陷、霜雾和灰渣量。在锡槽内H2的比例应当为2%或更低一些，最好在1%左右。假如锡槽良好性密封，锡槽低温区的氢气比例应当不超过3%。锡槽中H2流量的研究建议是0.09 m3/（h·m2）。在闸板附近，氢气流量应当是0.15 m3/（h·m2）或更少一些。

4.4 锡槽的排气

最理想的排气位置应当在热端水包的上游，从边封或边封之上和槽顶之下的位置。排气口的数量和大小由排气量的多少决定。排气量应当为保护气体流量的15%～25%。

4.5 压缩空气的分隔

在氮气或压缩空气用作互相备用的部位，如出口唇板冷却，提升辊离合器以及应急母排冷却等，其接口应确保实质性的分隔，以防止空气意外地进入到N2供应系统中。

5 保护气体调整实施

5.1 同拉引量情况下，本浮法线与集团其它子公司浮法线锡槽保护气体等数据对比分析

（1）保护气体量对比（锡槽主体结构长度划分为23节，称“贝”或简称“B”）见表1。

表1 保护气体量对比 Nm 3/h

（2）锡槽结构尺寸分布对比见表2。

表2 锡槽结构尺寸分布对比

（3）锡槽各区域保护气体气量分布对比见表3。

表3 锡槽各区域保护气体流量分布对比

5.2 保护气体调整方案

调整总方向：经锡槽保护气体等数据对比，保护气体主要调整思路为微调整高温区，升中温区，降低温区。

（1）保护气体（N2）调整目标（总氮气流量：1530 Nm3/h→1700 Nm3/h）见表4。

表4 保护气体（N 2）调整目标 Nm 3/h

（2）保护气体（N2）调整步骤：（降和升至少分3～5次完成）

①调整速率：5 Nm3/贝；

②调整周期（7天），一个周期稳定一天；

③如果调整没有影响，调整速度可以适当加快。

（3）保护气体（H2）调整目标：（总氢气量：90 Nm3/h→96 Nm3/h）

调整速率：总氢气2 Nm3/次，与氮气调整同步进行。

5.3 预备方案调整

总保护气体量控制在2100 m3左右，如果以上保护气体调整对锡缺陷没有明显变化，增加保护气体总量400 Nm3/h，在吹扫锡槽时增加。

高温区：100 Nm3/h；中温区：200 Nm3/h；低温区：100 Nm3/h。

5.4 保护气体调整期间注意事项

①在调整初期，要分多次完成，避免掉落物；

②多关注掉落物变化情况；

③多关注三角区变化；

④出口温度要逐步走高，2 ℃左右；

⑤成形高温区温度升高，改扩板时注意参数调整；

⑥槽底泡会增多，注意高温区温度，必要时调整高温区水包；

⑦多关注槽顶温度变化，加测槽底温度；

⑧注意工作部压力、锡槽压力等；

⑨保护气体调整期间，做好相关数据记录（含在线监测数据），其含氧量越低越好。

6 保护气体调整后锡缺陷占比及检测渗锡系数数据对比

自保护气体调整后，经过稳定运行两个月，该线锡缺陷占比明显下降，锡缺陷总占比由调整前的50%左右下降到了10%左右。其中锡石占比5%，锡灰掉落物占比2%，锡点及沾锡1%，表面锡印迹占比2%，产成品率显著提升。

其次，经过对锡槽保护气体调整，渗锡系数也有明显的改善，见表5。

表5 3.2 mm玻璃调整后渗锡系数变化

从表5中数据看出，3.2 mm玻璃渗锡系数最高由1.63下降到0.89，玻璃板横向位置同比渗锡系数均呈明显下降的趋势。

7 结语

通过分析、摸索、总结，此次保护气体调整后，锡槽工况得到明显改善，该浮法线梳理出一套完整的工艺控制方案和操作流程。玻璃板下渗锡变化，直接关系到锡液的纯净度，渗锡系数降低，大大减少了锡槽污染，对锡槽产生的锡缺陷：如锡印、锡点、锡斑及沾锡等起到关键性治理作用。另外，还可以减少锡耗及吹扫锡槽的频率，调整后锡槽吹扫9～12月/次，产品质量完全能够满足高端产业玻璃客户需求。

锡槽工况维持是一项细致的工作，需要相关技术人员持续跟踪、检测，出现问题及时调整。由于锡槽工况时刻受到保护气体的冲击，因此，在日常控制中，要建立起合理的保护气体管理程序，定期对保护气体进行监测和分析，以便快速察觉保护气体纯度变化、锡槽氧浓度变化、锡液纯度变化等，以便快速的找出问题并及时加以解决。