碎玻璃对玻璃制备工艺及性能的影响
汪庆卫，宁伟，罗理达，丁博，刘津
(东华大学先进玻璃制造技术教育部工程研究中心，上海 200052)
摘要：本文介绍了碎玻璃的来源及分类，分析列举了碎玻璃的主要作用及对玻璃性能的影响，指出碎玻璃在利用过程的注意事项。
关键词：碎玻璃，能耗，熔制温度，性能
Influence of cullet on manufacturing technique and properties of glass
(Advanced Glass Manufacturing Technology Research Engineer Center, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai, 200052)
Abstract: the resource and catalogue of cullet were introduced in the article, and the main effect of cullet on the properties of glass was listed. The key items were pointed out when the cullet was utilized.
Key words: cullet, energy consumption, melting temperature, property
1． 前言
碎玻璃，是指经过高温熔化后，并经过成型冷却工艺，在接下来的生产、加工或使用过程中造成不能再作为产品的玻璃。其可能是碎片状，也可能是整体。由于玻璃制备工艺不同，几乎所有玻璃制品在玻璃生产和加工过程都会产生一定碎玻璃。建材行业的平板玻璃由于产量大、产品单一易回收，目前回收率非常高[1，2]。而轻工行业的玻璃制品由于外形各异，产量较低，回收复杂，如常见的玻璃制品的碎玻璃比例如下表所示。
表1 不同玻璃的碎玻璃的主要来源及比例
玻璃种类
主要来源
产生的碎玻璃比例/%
备注
器皿
爆口部分
15~50
合格率较低
瓶罐
瓶口及合格率
10~15
合格率很高
电光源
圆口及外径
15~35
水钻系列
飞边及磨切
30~50
合模缝
乳白玻璃
10~30
合格率较高
微晶玻璃板材
切边及合格率
20~50
由于原料中适量的加入碎玻璃有助于玻璃的制造，是因为碎玻璃与其它原料相比可以在较低湿度下融熔。因为回收玻璃制瓶需要的热量较少，而且炉体磨损也能减少。研究表明，在玻璃制造过程中，掺入一定比例的碎玻璃是可行的，也是适宜的，还可以提高回收玻璃的利用率，增进环境保护。目前，玻璃制造过程中大都使用20%的碎玻璃，以促进玻璃熔化以及与石英沙、纯碱等原料的最佳混合。
但是碎玻璃中由于富含玻璃熔化过程引入的杂质元素，如Fe，Al等影响玻璃性能，而且在碎玻璃的回收中，很容易掺入铅玻璃以及含砷玻璃，因此碎玻璃的监控和检测非常必要。为了提高碎玻璃的使用量，需要建立了一整套碎玻璃监控以及快速检测方法，实现提高碎玻璃的利用率。
2． 碎玻璃的分类
碎玻璃根据成份划分有很多种，首先根据生产的不同碎玻璃分为生产碎玻璃、加工碎玻璃和回收碎玻璃。这三种碎玻璃分别是在生产、加工和使用后产生的。如生产碎玻璃主要是料头、边角料、在线废品等，而加工碎玻璃主要是经过磨、切等机械加工后产生的碎玻璃。而回收碎玻璃主要是生活中再利用的玻璃制品。其主要特点如下表。
表2 不同来源的碎玻璃的性能对比
生产碎玻璃
加工碎玻璃
回收碎玻璃
备注
杂质含量
低
较高
较高
回收成本
低
较低
高
实际回收率
很高
较高
低
是否除铁
不需要
需要
必需
主要应用行业
所有行业
玻璃器皿、电光源、乳白玻璃
玻璃瓶罐
3． 碎玻璃的主要影响
3.1 碎玻璃对玻璃熔化温度及能耗的影响
碎玻璃是已经熔化过的玻璃，因此不需要经过高温下的化学反应，减少了熔化过程的能耗，在一定情况下能降低熔制温度。在这方面有非常典型的案例就是玻璃纤维坩埚炉。目前的玻璃纤维有两种生产方式，一种是池炉，采用配合料高温熔化工艺；另一种是坩埚炉，采用玻璃球高温熔制。根据相关资料表明，30%的碎玻璃能降低玻璃熔化温度约10~20℃。
由于碎玻璃不仅不需要化学反应的能耗，而且碎玻璃的导热系数比配合料高，因此在熔制过程中需要的能耗较低。根据玻璃熔制过程的理论能耗分别可知，仅化学能一项，使用20%的碎玻璃能降低熔制能耗约3~4%，考虑到导热、均化等综合效应，其实际节能效果能达到5%以上。
3.2 碎玻璃对玻璃性能的影响
碎玻璃对玻璃的外观性能有一定影响。如碎玻璃对玻璃的气泡、结石和条纹的影响。如果碎玻璃较大较多，由于不能与配合料很好的均化，会产生一定的条纹。
碎玻璃对玻璃的理化性能有一定影响，其主要体现在以下方面。首先是化学组份的变化。对于同样配方的碎玻璃，由于经过高温熔化，与新的配合料相比，该碎玻璃中含有因熔化而引入的各种耐火材料、电极、燃料和混料等过程引进的杂质。如玻璃配合料中的ZrO2含量一般不超过10ppm，但是碎玻璃中一般为50ppm，其它元素影响如下表。
表3 配合料和碎玻璃中含有的不同元素的含量对比
元素
配合料可能含量
碎玻璃含量
主要来源
Zr
10ppm
50ppm
耐火材料
Mo
<1ppm
约10ppm
电极
Fe
100ppm
1000ppm
混料、耐火材料
S
<5ppm
30ppm
燃料
其次会影响玻璃的力学和光学性能。由于碎玻璃的反复利用，杂质含量的升高，会降低[SiO4]四面体网络的结合力，造成玻璃的脆性明显增加。此外杂质会使玻璃呈现一定的颜色，需要通过补色来提高白度，但是透过率明显降低。
3.3 碎玻璃颗粒度对熔制工艺的影响
碎玻璃的颗粒度对熔制工艺也有一定影响。如果碎玻璃颗粒度较大较多，由于碎玻璃表明熔融后，对内部的碎玻璃产生保护作用，容易形成条纹和结石。而如果颗粒度过细，则会产生很多的灰泡，提高澄清难度。并且碎玻璃的加入会减低配合料的气体率，因此需要适当增加澄清剂的含量。此外碎玻璃在加入窑炉后，在高温下直接软化，很容易结成一片造成表面结皮现象，即常说的“发缸”现象。根据玻璃品种和品质要求，一般控制碎玻璃的最大尺寸低于5mm，90%以上的碎玻璃颗粒度应超过0.1mm。
4 结论
根据碎玻璃实际应用情况，有以下几点建议：
(1)碎玻璃能降低熔化能耗，降低成本，因此如有可能，最大限度使用产品自身产生的碎玻璃。
(2)碎玻璃由于经过多次熔化，因此因混料及耐火材料侵蚀等含有较多杂质，因累积作用会影响玻璃的力学和光学性能，因此对于高品质的产品应合理控制碎玻璃含量，对于低品质产品可以适当提高碎玻璃使用量。
(3)碎玻璃的利用率与自身碎玻璃产生率和玻璃质量要求都有关系，一般如果玻璃品质要求较高，应控制碎玻璃比例不超过30%。为防止累积效应，应定期检测杂质含量或不使用碎玻璃。
(4)品质要求高的产品尽量不使用外来碎玻璃。确需使用，应做好分类和检测工作，使用量应3%依次增加使用，避免大批量的质量事故。
5参考文献
[1] 陈兰武;议碎玻璃回收[J].门窗,2012.11:12-13
[2]卞致璋;发达国家的做法看我国废玻璃的回收与利用[J].国建材;2003年06期
[3]徐美君;国际国内废玻璃的回收与利用(上)[J].材发展导向;2007年01期
[4]才秀芹;曾雄伟;冯明良;黄建斌;苟金芳;;废玻璃的回收处理与利用[J].璃;2010年02期
[5] 徐研;璃再利用问题的探讨[J].中国资源综合利用,2005,4:24-26
