日用玻璃制品條紋缺陷的產生原因及解決辦法

本文敘述了條紋的形成和性質，分析了條紋的折射率和膨脹系數變化及所產生的應力。指出條紋在玻璃熔窯各個區域中產生的原因。針對國內熔窯產生條紋的原因進行了分析，提出改進措施。

 

1、條紋的危害與來源

 

條紋是玻璃主體內存在的異類玻璃態夾雜物，它是一種普遍的玻璃不均勻性的缺陷，它在化學組成與物理性能上與主體玻璃不同。條紋可理解為幾種摻合在一起的玻璃液之間通過化學反應、物理變化、物理化學反應，而進行各種組分之間的相互擴散、組織結構之間的互相滲透和融合，在達到完全均勻之前，被冷卻形成玻璃，其內部存在著不均勻的結構組織。它具有與主體玻璃不同的化學組成，結構狀態以及可以產生不同的理化性能。表 1 是不同原因產生的條紋對玻璃折射率的影響。

 

 

表 1 不同條紋對玻璃折射率的影響

從產品的外觀上看，條紋分布在產品的不同部位，有的在玻璃制品的內部，有的在玻璃制品的表面。條紋與主體玻璃的交界面呈現出不同的形狀。以瓶罐玻璃為例，條紋大部分呈現彎曲條狀、扭曲線狀以及纖維狀。大部分條紋從瓶脖開始，經過瓶肩、瓶身一直到瓶底。明顯的條紋比較粗、比較寬，寬度在10 mm 以上;不明顯的比較細，像細線一樣，寬度在0．5 mm 以下。較為明顯的條紋在玻璃表面凸出來，用手可以感覺到，不明顯的條紋，肉眼在光線的照射下隱約可見，有的甚至肉眼看不到，必須借助光學儀器才能夠觀測到。條紋在許多廠家稱呼不同，有的稱作“線道”、有的稱作“螺絲線”、有的稱作“貓爪印”等等。條紋是一種玻璃產品較普遍存在的不均勻性缺陷。

 

從條紋的危害性上看，條紋出現后，首先影響產品的美觀，嚴重地影響產品的外觀質量，是一項比較明顯的外觀缺陷，從而大幅度地影響產品的合格率。根據不同產品對條紋缺陷要求的標準不同，對產品的合格率影響的程度也有所不同。對于一些高檔的日用玻璃產品，當條紋出現時幾乎是百分之百地影響著產品的合格率。

 

當有些條紋出現時，在產品內部產生不同大小的特征應力，通常稱為結構應力，此應力在產品退火時不能消除，并且能夠使產品自行破裂。該應力的出現對產品的理化性能產生很大的影響，如玻璃的機械強度、熱穩定性和化學穩定性等，對于一些要求比較高的產品，這些理化性能的降低將大幅度地降低產品的合格率，如對耐壓強度和抗沖擊強度要求比較高的啤酒瓶。

 

玻璃中產生的結構應力與條紋的成分組成有關，當條紋的成分組成與主體玻璃的成分組成相差越大時，其熱膨脹系數相差得也越大，產生的特征應力也就越大。圖1表示了玻璃中產生的特征應力與基體膨脹系數差值的關系。

 

 

圖 1 玻璃中產生的應力條紋和主體玻璃熱膨脹系數差值( △α) 的關系

 

1、條紋在玻璃熔窯內產生的區域

 

通過對玻璃容器生產的熔制工藝過程分析，可以不難發現條紋產生的過程應該在兩個區域內，一個區域是玻璃液在通過玻璃熔窯流液洞之前熔化池內的區域，該部位稱作熔制區域; 另外一個區域是玻璃液已經通過流液洞進入工作池內( 或分配料道內) 的區域以及供料道內的區域，該部位稱作冷卻區域。

 

2.1 在熔制區域內產生條紋的原因

 

(1)玻璃液熔制不良產生的條紋;

 

(2)窯碹碹滴落入玻璃熔池內沒有充分均化而產生的條紋;

 

(3)耐火材料被侵蝕后部分耐火材料的組分溶入玻璃內而產生的條紋;

 

(4)各種結石熔化后溶入玻璃液內產生的條紋。

 

對玻璃在熔制區域內熔制過程的分析，玻璃熔制過程首先是由石英砂、純堿、石灰石、碎玻璃等組成的配合料投入到玻璃熔窯內，在高溫的作用下，部分原料立即分解產生氣體，同時進行著各種固相反應，形成硅酸鹽體。隨后部分硅酸鹽體熔化出現了液相，繼而轉變為組分不同、黏度不同的熔體，這就是最初階段的玻璃液。

 

初熔階段產生的玻璃液，富含著組分不同、黏度不同的熔體，該熔體是夾雜著未熔化的殘余石英砂顆粒和大量的氣泡。各個組分和黏度不同的熔體，它們不容易互相融合，其邊界層是相對穩定的。其中一些富含二氧化硅或氧化鋁的玻璃體，其黏度以及表面張力都很大，夾雜在整個玻璃熔體中，如果此玻璃體原來是球形的，在沒有其他外力的作用時就會保持不變，會在整個玻璃熔體中形成一個富含二氧化硅或氧化鋁的區域，這就是條紋最初的區域。

 

通過上面對玻璃熔制過程的分析，不難發現在熔制區域內產生條紋的原因。

 

(1) 配合料方面，配合料的質量是確保在玻璃熔制階段順利消除條紋的前提，當下面因素出現時，都會造成條紋的產生甚至比較嚴重。首先是配合料混合的不均勻、配合料在輸送過程中產生的分層、配合料中部分原料的顆粒度過大、石英砂等原料的水份不穩定變化較大、加料方式不合理或配合料水份偏低引起某些組分原料的飛揚。其次，碎玻璃在配合料中所占的比例較多，選用的碎玻璃與主體玻璃成分之間的差異較大，碎玻璃與粉料之間混合的均勻程度較差。另外，配合料稱量系統出現故障時將會產生嚴重的條紋。

 

(2) 熔制工藝方面，通過對熔制過程的分析，我們不難看出配合料在熔制過程中各項工藝參數的重要性，必須制定出正確合理的工藝參數并嚴格控制。首先是熔制溫度、熔制期熔窯的壓力、燃燒時火焰的長短、火焰氧化與還原的氣氛，都會對澄清帶玻璃液的黏度、表面張力產生影響。凡是對玻璃液黏度、表面張力能夠產生影響的因素，都會影響到玻璃液的均化而產生條紋。

 

另外，熔池內玻璃液流動狀態變化引起的條紋，當熔窯整體出料量、熔窯溫度、玻璃液面、鼓泡攪動等工藝發生大的變化時，整體玻璃液流動狀態就會發生大的變化，會引起熔窯池底部位或者死角部位不動層的玻璃液參與流動，這樣就會引起條紋的產生。

 

(3) 碹滴、耐火材料被侵蝕，結石熔化產生的條紋，這 3 方面產生的條紋都是由于玻璃熔窯在高溫狀態下，將與玻璃配合料組分無關的其他異類材料( 如砌筑熔窯使用的耐火材料) 通過燒損、侵蝕、熔化，形成組分、黏度、表面張力嚴重與主體玻璃不同的熔體，并摻雜熔入主體玻璃液內形成條紋。碹滴產生條紋時，往往還伴著結瘤的產生。

 

2.2 在冷卻區域產生條紋的原因

 

對全分隔、半分隔的冷卻部結構的分析，在玻璃形成的5個階段中，當玻璃液通過流液洞進入工作池(分配料道)時，也就是進入了玻璃液形成的最后一個階段———冷卻階段。根據熔窯結構不同，工作部火焰分隔形式可分為半分隔形式和全分隔形式。采用半分隔形式的工作部，其產品是需要比較高的成型溫度，工作部內的玻璃液的溫度，完全是利用熔化部火焰空間的輻射熱量進行加熱。另外工作池一般呈半圓形，熔窯同時供應的幾個供料道直接從半圓形的工作池不同部位開口出料。玻璃液從流液洞出來，進入工作池后馬上流入供料道，在這樣的冷卻過程階段，很少會產生條紋。這種熔窯結構，國內在 90 年代前使用的比較多，在生產相應的酒瓶和飲料瓶時，很少發現在工作池內產生條紋?，F在在生產電燈泡泡殼的產品時，仍然采用此種工作池的熔窯結構，也很少看到產品上出現條紋。

 

90年代之后，由于大量成型設備的引進、更新換代，出現了對成型溫度要求比較嚴格的雙滴式行列機，同時也引進了國外熔窯的先進技術。在玻璃液的冷卻階段，便出現了分配料道式的工作部結構。這種工作部火焰完全是全分隔，工作池內的玻璃液溫度不受熔化部火焰空間溫度的影響，同時在此工作部火焰空間內部，根據供料道的出口位置情況，將工作部分割成不同的幾個火焰空間，在每個火焰空間內配備有完善的、先進的溫度控制系統。玻璃液在進入每條供料道之前，根據每條供料道的成型溫度要求，通過分配料道內的溫控系統，將溫度控制在所要求的指標上。同樣每條供料道上也分成幾個區域，每個區域內都有完善的、先進的溫度控制系統，以保證進入料盆內玻璃液的成型溫度。對于這樣完善的分配料道、供料道的冷卻結構，也很難出現條紋缺陷。如90年代后國內相繼引進的許多家外資、合資玻璃企業，幾乎很少發現由于其分配料道和供料道原因產生的條紋。

 

以上是對熔窯工作部結構的分析，在此基礎上，針對國內一些自行設計的冷卻區域(以分配料道結構形式的工作池) ，玻璃液冷卻過程中的一些情況進行分析，也不難發現在此階段過程中條紋產生的原因。

 

(1) 溫度方面產生的條紋

 

分配料道、供料道里玻璃液的溫度，玻璃液從流液洞出來通過上升道進入分配料道之前，其溫度一般在1270～1320 ℃范圍內。玻璃液在分配料道內需要通過降溫和保溫控制，然后進入供料道內，進入供料道內玻璃液的溫度一般在 1210～1250 ℃范圍內。玻璃液在供料道內，同樣要進行降溫、保溫以及加熱控制，然后進入料盆，玻璃液在料盆內其溫度一般在1100 ℃左右。在料盆內同樣更需要溫度控制系統的控制，以便調整到能夠滿足產品要求的滴料溫度。

 

在正常生產過程中，分配料道、供料道里的玻璃液在流動時總是要殘存一部分玻璃液，該部分玻璃液的溫度與剛流進來的玻璃液溫度相比較要低，甚至低得多。分配料道、供料道中間部位流淌著剛流進來的、溫度比較高的玻璃液，四周流動著料道里殘存的、溫度較低的玻璃液。因此玻璃液在流經分配料道、供料道期間始終要經歷一個高溫玻璃液與低溫玻璃液混合、滲透、均化的過程。由于溫度對玻璃液的黏度影響很大，因此在分配料道、供料道里不同黏度的玻璃液總是混雜在一起，如果其黏度相差比較大時，就會產生條紋。溫度相差得越大，產生的條紋就越明顯，嚴重時將會很粗、很寬，用手都能夠感覺到。

 

(2) 其他方面原因產生的條紋

 

①在分配料道式的工作池內其磚結構存在一些邊角部位，在此部位經常凝積著一些不流動的玻璃料，一般稱為“死料”，該部分料由于長期凝積，其組分和黏度與正常流動的玻璃液有所不同。其次玻璃液在長期流經分配料道、供料道時，隨著時間的積累，其底部沉積著一些黏度比較大的玻璃液，當生產上出現出料量、玻璃液的溫度發生大的變化時，這些部位的不動料、沉積料會參與流動，而形成條紋。另外，當分配料道、供料道等邊角部位沉積著一些鐵質雜物時，會在產品上形成帶有黃色、褐色的條紋。

 

②在還原性條件下，玻璃液黏度高于氧化性條件下玻璃黏度兩個數量級，同時表面張力也比在氧化性條件下大。表面張力小的物質傾向于在表面張力大的物質表面擴散開并形成薄膜。因此對于燃燒氣體、液體燃料的分配料道、供料道，當玻璃液表面處于還原性氣氛時，表面張力將增大，表面玻璃會立即被排擠開而讓下層物料翻到上面，這樣便出現兩種不同表面張力和黏度的玻璃料摻合在一起，而形成條紋。

 

③在分配料道、供料道里，由于玻璃液表面處于敞開狀態，部分易揮發組分發生蒸發，造成表面玻璃液組分與內部玻璃液組分不同，從而導致內外玻璃液表面張力出現差別，使得上下層玻璃液產生對流，而形成條紋。

 

④在分配料道、供料道里，玻璃液的溫度較低，玻璃液對料槽磚的侵蝕不大，但盡管如此，玻璃液對料槽磚仍然有沖刷和侵蝕，侵蝕下來的物質黏度較大難以擴散，粘附在液面線附近。當玻璃液面每一次波動時，都會帶動富含侵蝕物的玻璃液上升或下降，當分配料道、供料道的溫度、出料量發生大的變化時或玻璃液面發生大的波動時，這部分侵蝕物便參與流動，而形成條紋。

 

3、條紋缺陷的檢查方法

 

條紋缺陷的檢查方法有多種，通常采用偏光顯微鏡觀察，以環切均勻度等級A、B、C等級別來衡量，見表2。

 

 

表 2 條紋缺陷級別

A級玻璃一般指光學玻璃，一般高檔的日用玻璃是B級玻璃( 如水晶器皿產品)，啤酒瓶、飲料瓶一般是C+級玻璃。當玻璃的環切均勻度達到D級時，生產出的產品其內在的結構應力比較大，理化性能比較差，不能夠滿足產品相應的性能要求，可以說是不合格玻璃產品。

 

4 解決條紋的措施

 

4.1 對于熔制過程產生的條紋應采取的措施

 

4.1.1 嚴格控制工藝過程

 

熔制過程產生的條紋是產生于熔化池內，主要是由于熔制不良造成的。在生產過程中，只要控制好能夠影響玻璃液熔制的各項因素，就可以達到產品對條紋要求的標準。在這方面首先要制定出合理的、完善的工藝規程和工藝制度，并嚴格按著相關的工藝文件執行，控制好原料工段，熔制工段的工藝參數與工藝制度。一旦出現問題，必須馬上進行分析、整改和糾錯，防止問題擴大化。

 

4.1.2 充分發揮好玻璃液的澄清、均化作用

 

制定正確、合理的澄清溫度，澄清溫度是玻璃熔窯的熱點區域( 熔窯中溫度最高的區域) 溫度，在此高溫的作用下，組分和黏度不同的熔體其黏度和表面張力大幅度下降，通過擴散作用，富含二氧化硅或氧化鋁的區域慢慢消失，各項組分逐漸趨于均勻一致。

 

玻璃液澄清過程對均化的作用，在保證熔化池澄清溫度的前提下，隨著玻璃熔體黏度的降低，氣泡在玻璃熔體中會向上做排除運動，氣泡在上升過程中，可將不規則的條紋區域分開或拉長。澄清過程就是那些不均勻的熔體區域(條紋區域) 在許多氣泡排除過程中被拉伸成極薄的玻璃層的過程，這一過程是由擴散過程與變形過程合并進行。

 

4.1.3 采取必要的熔制工段輔助措施

 

4.1.3.1 合理使用澄清劑

 

在熱點區域，澄清劑發生熱分解排出氣體，澄清劑在分解同時對玻璃熔體產生物理化學作用，將熔體的黏度大幅度地降低，同時其排出的氣體，能夠集聚周圍熔體中的大量小氣泡，形成大氣泡從熔體中排出，同時發揮出其對均化的作用。

 

4.1.3.2 配備必要的“鼓泡”和電助熔設施

 

鼓泡是在熔制的熱點區附近增設強制的外界攪拌裝置，在其攪拌下，能夠快速地將玻璃液達到均勻一致。電助熔，是在熔化池內增設的電輔助加熱系統，它可以將熔化池內局部區域(熱點處) 的玻璃液溫度提高，大幅度地降低玻璃液的黏度，同時可以加快此區域內玻璃液產生強烈的對流，這樣便可以大幅度地加快玻璃液的均化。

 

4.1.4 控制碹滴、結石、耐火材料產生的條紋

 

碹滴、結石、耐火材料這3方面產生的條紋也都是玻璃熔制過程中產生的。玻璃熔窯熔化部的碹大部分都是優質硅磚，其荷重軟化溫度大于1680 ℃，一般情況下是不會熔融形成碹滴。但在堿蒸汽比較濃重的熔窯氣氛下，其荷重軟化溫度會大幅度降低，一旦熔化溫度偏高、窯壓偏高，就會產生熔融碹滴而脫落掉入熔化池內，產生碹滴條紋。因此要控制好配方中純堿的含量，配合料的水份以及熔窯的熔制溫度等。對于結石，要診斷出結石的種類，找到結石產生的根源，只要將產生結石的源頭問題解決了，自然而然由結石產生的條紋也就解決了。耐火材料產生的條紋，是指砌筑熔窯的耐火材料在高溫狀態下，或被燒損、沖刷脫落掉入熔化池內，或被侵蝕溶入熔化池內。對于這部分條紋首先在熔窯修建時，要對耐火材料進行優選，選購質量合格的材料，其次是控制好熔窯運行參數，熔窯的溫度、熔窯的壓力、玻璃液面的波動以及配合料的水份。這樣便能夠控制住耐火材料產生的條紋。

 

4.2 分配料道、供料道內產生的條紋應采取的措施

 

4.2.1 料道槽磚材料的選擇

 

料道槽磚一般選用電熔鋯剛玉磚、硅線石磚、電熔的氧化鋁磚( α－β 磚) 以及致密的燒結氧化鋁磚。電熔鋯剛玉磚被沖刷后很容易產生含有二氧化鋯成分的條紋，不容易消除，硅線石材料的料道槽磚很少出現條紋，但由于其材料的質量問題，其抗侵蝕的能力很差，很難使用 3 年以上。對于電熔的氧化鋁磚( α－β 磚) 是最近料道槽磚上首選的材料，其抗侵蝕、抗沖刷的能力很強，與電熔鋯剛玉相當，同時其內在成分較純，玻璃相很少，不會因其玻璃相滲出對玻璃液造成污染，產生條紋。但要注意使用該材料時的工作溫度，不要高于1 350 ℃。

 

4.2.2 料道槽磚的形狀

 

對于在分配料道、供料道上使用的料槽磚一定要做成一體，成 U 形狀，底部與側墻接觸的角部一定要做成大圓弧的，避免此處積聚死料。同時分配料道與供料道在設計布置上一定要簡單流暢，避免多處出現轉角。在槽磚施工時，磚與磚之間縫隙一定要小，槽磚的底面一定要平整，不得出現高低不平的現象，否則將會給玻璃液的沉積創造條件。

 

4.2.3 分配料道、供料道“取料比”的優化設計

 

“取料比”是指單位時間(1h) 內成型設備使用的玻璃液量分別與分配料道、供料道所容納的玻璃液量之間的比。該參數設計的是否合理，直接影響到玻璃液的來料溫度、玻璃液的流速、料道內殘留玻璃液的多少以及料道內玻璃液溫度的均勻性。在最初設計時，要考慮產品的品種、產品的大小、玻璃液的顏色等諸多因素，也可以說這是個經驗數據。

 

4.2.4 分配料道、供料道的保溫

 

在分配料道、供料道里玻璃液的3面都與料槽磚相接觸，熱量要向料槽磚釋放和散失，釋放散失的越多，溫度下降的就越低，與主體玻璃液的溫度相差的就越大。圖2是某玻璃廠供料道均化段處料槽磚底部，左中右3點溫度測量的結果。

 

 

圖 2 供料道均化段處料槽磚底部左中右3點的溫度

 

因此必須要做好分配料道、供料道的保溫工作，盡量減少玻璃液向外釋放散失的熱量，使得料道槽磚接觸玻璃液的溫度降低得越少越好。

 

4.2.5 配備完善的分配料道、供料道的加熱系統

 

料道里玻璃液的表面是敞開的，向外釋放熱量，是冷卻階段正常的現象，但為防止玻璃液的溫度過度降低，要采取必要的加熱措施。加熱系統要設計合理，根據供料道的出口位置，將分配料道的火焰空間分成幾個封閉的區域，分別具有獨立加熱的能力，對每條供料道之間溫度互不干擾。完善的溫度控制系統，同時應該具有冷卻措施。

 

4.2.6 卸料裝置的使用

 

由于玻璃液長期流動，在供料道的底部會沉積一些黏度比較大的、組分與主體玻璃不同的玻璃液，一旦參與流動將會造成條紋的產生。解決該部位沉積玻璃液的辦法是，在供料道適當位置的底部，安裝一套卸料裝置。此裝置設置在供料道的槽磚上，有一個卸料孔和電加熱裝置，其單獨具備電加熱的自控系統和流料系統。當供料道使用的時間比較久了，產品上出現條紋時，可以啟動卸料裝置的，將供料道底部沉積的玻璃液放出，可以快速解決因此產生的條紋。

 

4.2.7 攪拌裝置的使用

 

攪拌裝置是安裝在供料道均化區域附近的機械攪動裝置，它由機械傳動系統、耐火材料的攪拌槳系統構成。通過耐火材料槳葉的攪動作用，將玻璃液中的條紋打散、攪勻。在供料道里采用攪拌裝置對消除條紋確實是一個很好的解決措施。

 

4.2.8 冷卻區產生的條紋

 

由于最初分配料道、供料道設計不合理以及保溫措施不完善等原因，來料玻璃液溫度與殘存玻璃液溫度相差較大，雖然在供料道里采取了卸料、攪拌等措施，但效果并不明顯，仍然存在著比較明顯的條紋。針對此種情況，最近幾年內，做了更深入的研究，研制出更為有效的辦法，在一些生產廠家應用后，取得了比較好的效果，基本上解決了那些頑固的條紋缺陷。