董永亮

（秦皇島星箭特種玻璃有限公司 秦皇島 066000）

0 引言

氣泡是玻璃熔化成形過程中常見的一種缺陷，玻璃中氣泡產(chǎn)生的主要原因有：一次氣泡（配合料殘留氣泡）、熔化二次氣泡、外界空氣氣泡、耐火材料氣泡和外界金屬（如金屬鐵、鋁等）污染氣泡等多種。在實際生產(chǎn)過程中，玻璃產(chǎn)生氣泡的原因很多，其產(chǎn)生的情況也很復(fù)雜。通常需要判斷氣泡是如何產(chǎn)生的，研究氣泡產(chǎn)生的熱歷史過程，再根據(jù)原料、熔制、成形、退火工藝技術(shù)參數(shù)條件，采取相應(yīng)的措施加以解決。

抗輻照玻璃是一種用于太空飛行器上硅太陽能電池表面的防護材料，其具有抗高能粒子輻照、耐高低溫沖擊、高透過率等優(yōu)良性能，隨著航天科技的迅速發(fā)展，我國各類新形衛(wèi)星、登月設(shè)備、空間站、深空探測設(shè)備等航天裝備越來越多，各類航天設(shè)備對一次能源和溫度控制系統(tǒng)的要求也越來越高。而作為航天器一次能源系統(tǒng)的配套產(chǎn)品，抗輻照玻璃蓋片本身質(zhì)量對能源系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要的影響，也直接影響航天裝備的應(yīng)用壽命。由于抗輻照玻璃的組成是含有氧化鋁質(zhì)量分數(shù)5%以上的玻璃制品，熔化時玻璃液的黏度較大，其熔化和澄清困難，而這種玻璃的成形料塊需要無條紋、無氣泡、無結(jié)石、無線道、無節(jié)瘤等缺陷，以滿足空間飛行器的長時間工作要求。

1 空間抗輻照玻璃生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的氣泡問題

1.1 生產(chǎn)工藝流程

（1）設(shè)計玻璃的配方

據(jù)空間抗輻照玻璃的性能及熔制、成形工藝要求，設(shè)計玻璃組成配方，空間抗輻照玻璃配方中以質(zhì)量分數(shù)計：SiO253%～65%，Al2O33%～7%，B2O37%～11%，CaO 1%～4%，ZnO 1.5%～2.5%，MgO 4%～6%，Na2O 4.5%～8.5%，SrO 3.5%～6.5%，K2O 2%～4%，CeO24%～9%，Li2O 0.3%～1.9%，Sb2O30.1%～0.6%。

（2）熔化

按上述組分配比的原料經(jīng)過混合均勻后加入電熔窯中，熔化溫度為1 550～1 640 ℃，熔化時間為24～36 h；

（3）澄清均化

熔化好的玻璃液通過流液洞依次進入豎直上升道和水平主料道進行澄清均化，澄清均化溫度范圍為1 580～1 680 ℃，熔化時間為30～40 h；

（4）成形

經(jīng)澄清均化好的玻璃液進入成形模具，成形溫度控制在1 100～1 250 ℃之間，拉引速度為8～40 m/h，玻璃厚度為20～60 mm；

（5）退火

成形后的玻璃帶進入退火窯進行精密退火，退火溫度范圍為530～590 ℃，熔化時間為20～40 h；

（6）切割、包裝出廠

退火完成后的玻璃蓋片根據(jù)所需要的尺寸進行切割等冷加工處理，同時根據(jù)具體使用需要進行表面增強處理，玻璃產(chǎn)品檢驗合格后包裝出廠。

1.2 主要配置及技術(shù)參數(shù)

抗輻照玻璃采用電熔窯來熔化的技術(shù)方案，電熔化的實質(zhì)是在高溫情況下，在無機材料中電極端施以交變電壓，驅(qū)使高溫導(dǎo)電離子的往復(fù)運動。在玻璃介質(zhì)中產(chǎn)生焦耳熱使之溫度升高，電熔窯應(yīng)用于幾乎所有玻璃，特別是難熔玻璃。目前，全電熔爐規(guī)模從日產(chǎn)幾十千克到日產(chǎn)100噸以上，并呈不斷擴展的態(tài)勢。

電熔爐的特點是結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，死角少，放料溢料靈活，挑料滴料無臟料，耐材優(yōu)化配置，即用材強度和質(zhì)量提高，避免過熱過冷沖擊，爐齡大大提高（最長可以應(yīng)用3～5年），信息化、數(shù)字化甚至智能化在電熔玻璃窯爐中應(yīng)用越來越廣泛。

（1）電熔窯窯爐結(jié)構(gòu)為四方形，采用4對電極的熔化方案，電熔窯中在玻璃液不同深度處布置兩層鉬加熱電極，每層設(shè)置一對鉬加熱電極。鉬加熱電極中的鉬含量不小于99.95%，密度大于10.15 g/cm3，鉬加熱電極的長度為1 500 mm，直徑為f80 mm。

（2）流液洞的橫截面為矩形，該矩形的高度為180 mm、寬度為200 mm。

（3）豎直上升道為與水平主料道垂直設(shè)置的豎直通道，通道內(nèi)全部充滿玻璃液，該豎直中空通道內(nèi)部有分上、下層設(shè)置的2個鉬電極加熱元件。

（4）水平主料道為水平放置的上部為中空、下部為玻璃液的通道，該通道內(nèi)部的頂端設(shè)置有硅碳棒加熱元件，通道的頂端還設(shè)置有通孔，攪拌棒穿過通孔并借助定位機構(gòu)定位，該通道的入口與豎直上升道的出口連通。

（5）退火窯結(jié)構(gòu)中包括玻璃帶入口、玻璃帶出口及在窯內(nèi)設(shè)置的玻璃帶傳送網(wǎng)帶，在玻璃帶傳送網(wǎng)帶上、下方設(shè)置電熱絲，玻璃帶入口與成形機的出口連接。

（6）電熔窯、流液洞及澄清均化用通道均是用氧化法無縮孔澆筑41#無縮孔電熔鋯剛玉磚砌筑而成。

在抗輻照玻璃生產(chǎn)中，初期成形過程中的玻璃料塊里氣泡密集，塊狀玻璃制品無法進行二次加工，嚴重影響玻璃的成品率 。成形玻璃的氣泡分布見圖1。

圖1 生產(chǎn)實驗初期氣泡分布情況

從圖1中可以看出，玻璃中的氣泡分布沒有規(guī)律，玻璃斷面的所有位置都有氣泡產(chǎn)生，其產(chǎn)生的原因可能會有多種，需根據(jù)氣泡產(chǎn)生的原因進行有針對性地分析、調(diào)整和解決。

2 氣泡來源分析

2.1 內(nèi)部氣泡

抗輻照玻璃熔化實驗初期，玻璃料塊內(nèi)部氣泡密集產(chǎn)生。此時在熔化池直接取一定量的玻璃液進行分析，發(fā)現(xiàn)熔化池所取樣品并無氣泡，如圖2所示。

圖2 熔化池取玻璃液樣品氣泡情況

因此排除了由于熔化而產(chǎn)生氣泡。在攪拌鍋內(nèi)部處取出一定量的玻璃液進行觀察，發(fā)現(xiàn)攪拌鍋處玻璃液中有明顯氣泡分布，如圖3所示。

圖3 攪拌鍋處取玻璃液樣品氣泡情況

分析其原因，可能是由于上升道和料道二次加熱而產(chǎn)生的氣泡。

2.2 表層氣泡

當玻璃料塊內(nèi)部氣泡消失后，成形時玻璃上表層出現(xiàn)線狀氣泡，在出料口管壁位置用看火鏡片觀察，發(fā)現(xiàn)氣泡順著出料口管壁流出，在攪拌鍋處取玻璃液進行觀察，所取樣品沒有發(fā)現(xiàn)氣泡，判定氣泡產(chǎn)生原因是由攪拌鍋外鉑金出料管二次加熱產(chǎn)生。綜合進行分析，兩次氣泡產(chǎn)生都是由于二次加熱，說明熔化池的玻璃液溫度較低。調(diào)整后料塊里氣泡消失后表層成形時氣泡分布情況如圖4所示。

圖4 表層成形時氣泡分布

3 玻璃液中氣泡消除方法

3.1 增大熔化部電流，提高玻璃液整體溫度

當熔化部鉬電極電流為750 A時，池壁溫度為870 ℃；熔化部鉬電極電流加至850 A時，池壁溫度達到940 ℃；再次增加熔化部鉬電極電流至1 000 A時，熔化部池壁溫度達到1 000 ℃，此時變壓器輸出達到額定上限。取熔化池玻璃液樣品觀察分析，未發(fā)現(xiàn)有氣泡產(chǎn)生。

3.2 降低上升道電極和料道電極電流

為避免二次加熱產(chǎn)生氣泡，調(diào)整電流使上升道電極和料道電極只起到輔助保溫作用，促進熔化部溫度達成平衡狀態(tài)。

（1）當上升道電極電流200 A、料道電極210 A時，熔化部池壁溫度900 ℃（采用盲孔測溫），上升道溫度920 ℃（采用盲孔測溫）、料道池壁930 ℃（采用盲孔測溫），溫度高于熔化部溫度，在攪拌鍋處取玻璃液樣品觀察分析，發(fā)現(xiàn)玻璃液中有密集氣泡存在，同時取熔化池內(nèi)玻璃液樣品，未發(fā)現(xiàn)有氣泡。

（2）當上升道電極電流180 A，料道電極170 A時，并適當增加熔化部電流，池壁溫度達到1 000 ℃，上升道、料道溫度分別為985 ℃和975 ℃，攪拌鍋處取玻璃液樣品觀察分析，玻璃液質(zhì)量良好，未發(fā)現(xiàn)有氣泡產(chǎn)生。

3.3 提升攪拌鍋空間溫度

通過提升攪拌鍋的空間溫度，避免從料道過來的玻璃液因攪拌鍋處空間溫度降低，造成鉑金出料管二次加熱，在玻璃的表面產(chǎn)生氣泡。

當料道空間溫度達到1 400 ℃，而攪拌鍋空間溫度為1 350 ℃時，發(fā)現(xiàn)鉑金出料口管壁外有小氣泡順著流下，呈線狀分布在成形玻璃帶上層表面，此時玻璃帶里面并無氣泡；將攪拌鍋空間溫度升至1 420 ℃， 料道空間溫度降至1 380 ℃時，成形的玻璃上層表面氣泡消失。

3.4 調(diào)整結(jié)果

經(jīng)過多次實驗調(diào)整，使熔化池溫度、上升道溫度、料道溫度、攪拌鍋空間溫度、鉑金出料管溫度達到由高到低的一條曲線狀態(tài)，熔化池池壁溫度1 000 ℃（采用盲孔測溫），上升道池壁溫度985 ℃（采用盲孔測溫），料道池壁溫度975 ℃（采用盲孔測溫），攪拌鍋空間1 420 ℃，鉑金出料管溫度1 300 ℃）。最終使玻璃料塊內(nèi)部和表面的氣泡完全消失，滿足應(yīng)用要求。其效果見圖5所示。

圖5 經(jīng)過實驗調(diào)整后最終玻璃產(chǎn)品

從圖5中可以看出，經(jīng)過一系列實驗調(diào)整后，最終氣泡基本完全消失，經(jīng)過加工的玻璃料塊無氣泡，透過率高。經(jīng)過深加工處理后，其產(chǎn)品將應(yīng)用于各種型號的衛(wèi)星及航天器上，各項性能指標完全滿足應(yīng)用要求。

4 結(jié)語

由于抗輻照玻璃對氣泡、條紋方面的缺陷要求較高，在生產(chǎn)過程中對其溫度的穩(wěn)定性要求嚴格，必須控制好玻璃的溫度等各項參數(shù)。

由于目前實驗窯爐采用的是盲孔測溫，所有溫度電流等需要摸索試驗，針對熔化部、上升道和料道的具體要求，在窯爐設(shè)計上攪拌鍋處采用鉑金套管來精準測量玻璃液溫度，以便根據(jù)溫度分布狀況來調(diào)整熔化部、上升道、料道和攪拌鍋空間電極的電流情況，避免由于二次加熱而導(dǎo)致氣泡的產(chǎn)生，滿足空間抗輻照玻璃的制備要求。