受控搪烧技术在生产大型搪玻璃反应釜上的应用

随着我国化学、医药工业的高速发展，特别是世界500强，如美国杜邦公司、德国巴斯夫、拜耳、赫斯特等化工集团大举进入中国，对搪玻璃反应釜的需求，尤其是对大容积、高质量搪玻璃反应釜的需求与日俱增。这为我国搪玻璃企业提供了一个非常好的发展机遇，同时也是巨大的挑战。到目前为止，国内生产的大型搪玻璃反应釜虽然一定程度上能够满足客户的要求，但质量的稳定性、可靠性及使用寿命与发达国家企业（如法国的德地氏、美国法德尔、日本神钢等）的产品相比仍有较大的差距。粗略估算我国搪玻璃反应釜产品损坏率一般不低于3%，并且瓷釉耐腐蚀性能及设备其它使用性能与国外相比也有很大的距离。

1搪烧过程的主要缺陷类型

通过对国内大型搪玻璃反应釜生产及使用情况的深入了解和仔细分析得出以下结论：在搪烧过程中易产生锈点（指底釉），瓷层产生发纹、暗泡、鳞爆，小嘴法兰R处易流釉（严重会引起爆瓷），铁胎易变形。虽然国内部分企业从宏观上采取了相应的工艺措施，如通过掉头烧、翻身烧等方法但烧成遍数还是要达到7次以上，较多达到20遍，甚至返工。生产高质量搪玻璃反应釜包括很多工序，钢材的选择、铁胎成形、焊接、磨光、打砂、制釉、烧成等。在诸多因素中，至关重要的是必须要用现代搪烧工艺的“受控搪烧技术”取代传统的搪烧工艺。

“受控搪烧技术”是国外搪玻璃反应釜公司的核心技术之一，这种技术是采用计算机程序的有效控制，使得搪玻璃反应釜按照设定的非线性升、降温曲线生产，通过控制曲线上的特征温度或温度段，防止缺陷的产生，改善瓷层质量、降低残余应力，提高耐腐蚀、耐冷热冲击性能，从而提高搪玻璃反应釜的可靠性和稳定性。另外，为了更直观地观察工件各部位随温度变化而产生的现象，可在窑炉内安装带耐高温保护装置的摄像头，这样对控制搪烧效果更佳。

搪烧过程是一个复杂的物理化学过程，它包括瓷釉的变化、钢材的变化以及它们之间的相互反应。一般把这一过程分为两个部分，一部分是工件从室温进炉后受热升温至搪玻璃釉完全玻璃化的温度，称为升温过程；另一部分是工件从搪玻璃釉完全玻璃化的温度降至室温，称为降温过程。以底釉烧成为例，见表l。

对照表1可清楚地看出，传统搪烧工艺主要控制的是搪烧过程的第4阶段，即较低、较高搪烧温度，工件低温处表面有光泽，高温处瓷釉不流动，这是不科学的。对小型搪玻璃反应釜还能基本满足要求，而大型搪玻璃反应釜由于结构复杂，产品各部位受热不均匀，温差大，如仍用传统工艺就会产生发纹、暗泡等一系列缺陷。

2缺陷产生的原因及受控搪烧的优点

2.1对鳞爆及再沸（暗泡）的分析

搪玻璃反应釜的鳞爆及搪烧过程中产生的暗泡均与钢板中溶解的氢有关。氢在钢板中有高温溶解低温析出的特性，在冷却过程中氢向钢釉界面转移，就产生强烈扩散，使瓷层受到主拉伸和切向弯曲力，这个应力很过瓷层的强度，就会导致鳞爆。

搪烧工艺中的再沸（暗泡）产生主要与底釉层的质量有关。反应底釉层质量的两个重要参数是底釉的再沸临界温度和发泡温度。这两个参数对升温曲线的制定有重要意义。在搪面釉时，来不及溶进钢中的氢（俗称二次气体）将面釉鼓成泡，这主要是通过底釉层扩散到面釉层而形成的。加热时底釉层突然鼓起泡的温度称为再沸临界温度，其值越高，再沸倾向就越小。发泡温度是在搪烧的第3阶段，在该温度产生气体（俗称一次气体）较多，放气较激烈。这主要是在升温过程中，钢中的碳化物（Fe3C等）要分解，生成的CO、C02、H2及N2、02、H20等气体析出而形成的。这个温度高或不明显，底釉层的质量就好。

氢主要来源于窑炉气氛和粘土中的水，所以在搪烧的第2升温阶段，粘土结构水释放的温度范围要采取缓慢升温措施，目的是让结构水在瓷层软化之前充分排放，这样就有效地减少了氢的产生。在升温的第4阶段，底釉的加热温度一定要很过钢材的相变（α铁一γ铁）温度，这样就让氢充分地溶解在钢板中，对控制暗泡等缺陷有积很的意义。

22发纹的产生原因

发纹的产生主要是在挡火部位如搪玻璃反应罐烧架、吊具部位，搪玻璃反应罐的上下节环处等，是因为结构复杂、受热不均匀引起，同样发生在搪烧过程的第3阶段。在升温时要充分考虑挡火部位的局部温差，必须控制在一定的范围内(±10℃)使得钢材热膨胀差距缩小，瓷层的玻璃相同步增加，从而提高瓷面的均匀性。

23面釉棕眼、针孔的产生原因

面釉层在加热之前是松散状的颗粒堆积，粉体中有空气、水气的存在，如在瓷釉粘弹状前气体跑不净就会造成棕眼、针孔。这就要求严格控制升温速率，使瓷釉在熔化前气体能够充分排出。这与釉层的粘度在106P时的温度（开始玻璃化温度以前）有关。

24残余应力的产生原因

搪玻璃出炉冷却的过程也是残余应力产生的过程。由于钢材与瓷釉具有不同的热胀冷缩特性，在冷却时，两种物质由于其本身固有的特性，发生不同的收缩。从图1中可以看出在软化温度Tf点应力为0，随着温度的逐步降低，产生张应力，到转变温度Tg点，张应力为较大。随着温度的降低，到固化点开始产生压应力，由于钢材的膨胀系数比瓷釉的膨胀系数大，产生的压应力也随之增大。釉层中的残余应力很过玻璃釉的强度时就形成爆瓷。一般残余应力控制在80～100MPa，这样的瓷釉层才是稳定的。如果应力值很过120MPa就容易引起爆瓷。

北京工业大学在这方面做过试验，结果见表2其中σ1、σ2是两个垂直方向的应力值。从表2可知，受控搪烧工艺较传统工艺降低残余应力39%。
 

通过受控搪烧能够改变膨胀曲线上特征温度点（固化温度Ts、转变温度Tg、软化温度Tf），使得这些温度点有不同程度的降低，所以这些参数决定搪烧过程的制定，同时也是升、降温速率的函数。从这一点也可看出通过受控搪烧能够降低搪烧温度，这些参数的改变直接影响设备的残余应力、抗热冲击性能、耐腐蚀性能和表面均匀性等。

通过以上分析可知受控搪烧的必要性，要生产高质量的搪玻璃反应釜就必须考虑用现代搪烧工艺代替传统搪烧工艺。受控搪烧的特点就是根据产品的形状（尺寸、厚度、曲率）、瓷釉（底釉、面釉）及钢材的物化参数（热膨胀系数、金相变化、弹性模量、泊松比、密度等），通过多目标规划方法进行优化设计：将产生缺陷的因素作为目标函数值(y),各温度段升、降温速率作为变化因素(x),建立数学模型y=f（x），应用计算机控制窑炉内部温度场的变化，使工件在窑炉内的加热、冷却过程变成人为可以调整的过程，从而达到(1）控制搪烧过程中搪玻璃釉与钢材的物理化学变化；(2）促进底釉和基体金属密着；(3）加强面釉与底釉间的浸润和扩散程度；(4）使搪玻璃釉与基体金属之间应力合理；(5)防止出现“再沸”、“发纹”、“爆瓷”等缺陷，较终生产出高质量的搪玻璃产品。

目前国外搪玻璃企业已经全部使用受控搪烧工艺生产搪玻璃反应釜。图2为某国外企业大型搪玻璃反应釜升、降温曲线示意图，从图中可以看出，传统搪烧是线性快速升降温，而受控搪烧升降温曲线是非线性的，而且速度较慢，在特征温度段采取恒温。

3大型搪玻璃反应釜对瓷釉的要求

31对底釉的要求

烧成幅度宽，不易产生锈点；密着性能达到2级以上（丝网状），尤其低温(800～850℃)密着性能优良；抗鳞爆性强；再沸（暗泡、泡影）倾向低；气泡结构合理、细小而均匀，一般不大于40μm（如果在R处气泡达到100～200μm,且比较集中，即使残余应力不大，也会引起爆瓷）。图3为瓷层剖面图。

32对面釉的要求

由于大型搪玻璃反应釜价格昂贵，附加值高，要求用耐腐蚀性能好的釉，这类釉含硅、锆量高，在玻璃化过程中粘度变化小；瓷釉层中的气泡、气孔不易长大，小而少；烧成幅度宽，局部高温区瓷釉不会流动。

4结束语

通过以上分析，我们知道受控搪烧工艺涵盖了数学、计算机、结构力学、电子自动化、搪烧工艺等学科知识，是现代高科技技术。

采用该技术不但是搪玻璃生产企业的要求，也是产品竞争和社会发展的需要。由于生产技术的提高，每件产品的平均搪烧遍数将下降到7遍以下，产品的废品率将大大减小。产品质量提高后，相应的价格也可以提高，国外高质量产品的价格一般为国内价格的6～7倍甚至更高。这充分说明我们国产搪玻璃反应釜质量提高以后在国际市场上将有较强的竞争力，完全有出口创汇的能力。

在创造经济效益的同时，该项技术也能带来社会和环境效应，不但提高了搪玻璃生产技术水平，提高了产品档次，替代进口，而且也能减少环境污染，改变传统产业的落后面貌。