传 统 玻 璃 的 现 状 与 发 展

王承遇1    卢  琪2    陶  瑛1
1 大连工业大学    大连 116034
2 辽宁省进出口商品检验检疫局 大连 116001

（一）

    传统玻璃是指世代相传或相沿已久并有特性的玻璃，传统玻璃是与非传统玻璃（新型玻璃）相对而言，传统玻璃定义有不确定性，而是随科学技术发展而不断变化，例如20世纪50年代末期，微晶玻璃应属于新型玻璃或特种玻璃，但目前矿渣微晶玻璃已大量用作建筑材料，已不归属于特种玻璃或新玻璃之列。
    从科学与工程观点出发，传统玻璃以氧化物成分为主，天然矿物与一般化工产品为原料，窑炉熔化，用吹、拉、压、浇注等方法成形，再经退火，必要时进行机械加工、热加工和化工处理，主要产品包括平板玻璃、安全玻璃、镀膜玻璃、建筑构件玻璃、瓶罐玻璃、器皿玻璃、仪器玻璃、电真空和电子玻璃、光学玻璃、艺术玻璃、玻璃纤维、微晶玻璃等大量生产的玻璃材料与制品。传统玻璃与新玻璃（非传统玻璃）的区别，笔者已在《新玻璃的现状与发展》一文中已进行详细介绍。

1．传统玻璃的现状
    传统玻璃中平板玻璃和容器玻璃是最大的两部分产品。平板玻璃主要市场为建筑用玻璃和汽车用玻璃，其产量增加迅速，20世纪50年代世界平板玻璃年产量只有400万吨，2003年产量达3600万吨（40亿m2），2004年世界平板玻璃产量达4100万吨，预测2010年4600万吨，1998年到2004年平均增长率为3.7%，国际平板玻璃由于近年受经济增长的拉动，一直保持年平均3.5%的增长率，超过了GDP的增长率。我国平板玻璃在世界上占有很大比重，1985年来一直是世界上平板玻璃生产第一大国，2004年已占世界总产量的39%，2005年总产量35745万重量箱，1500万吨以上。从1980年到2005年平均增速10.8%，超过世界平板玻璃增速。2006年我国平板玻璃产量维持近几年快速增长的势态，前三季度平板玻璃产销2.94亿重量箱，增长13.2%，连续17年占世界第一。
2004年我国日用玻璃（包括瓶罐、器皿、仪器玻璃等）785.22万吨，2005年达871.75万吨，对比增长率11.45%。预测2010年达1320万吨。从这些数据可以看出我国传统玻璃产量比较高，增长速度比较快，特别是平板玻璃为世界上的玻璃大国。总体上讲，传统玻璃工业虽然产量很高，产值份额很多，发展速度也很快，但仍存在下列问题：
    （1）传统玻璃消耗了大量不可再生的资源和能源   传统玻璃大部分钠钙玻璃成分，消耗了石英、石灰石、长石、白云石等矿物原料以及煤、石油等燃料。我国硅质原料开采中，有10%~15%可用矿石被丢弃，硬质砂岩出产率平均不超过60%，石英砂选矿后产出率不超过70%，矿产综合利用率低。国际上每吨日用玻璃耗标准煤160~200kg，我国每吨日用玻璃耗标准煤380~400kg，国际上平板玻璃每重量箱耗标准煤16~20kg，我国为19.5~33.6kg，国际上单位能耗为5300~7250kJ/kg，我国为6900~8300 kJ/kg，每重量箱电耗国际上低于8.5kWh，我国为8.5~11.5 kWh。随着世界能源价格的上升，能源占玻璃成本的比例不断增加，2004年美国能源占玻璃成本为25%~30%，而我国为40%以上。资源和能源的消耗，限制了传统玻璃规模扩大和产量进一步增长。
    （2）传统玻璃企业对环境的污染严重   传统玻璃对环境污染有废气、粉尘、废水、噪声、固体废弃物等。在原料处理e和加工中主要污染物是粉尘，尤其粒径小于5μm的硅质粉尘，对人类危害最大。在熔化过程中原料挥发出的气体（如含铅、锌、砷、硫、氟、氯的气体）；燃料燃烧的废气、烟尘（如硫氧化合物SOx、氮氧化合物NOx、氟化物、氯化物及烟尘）和废渣；玻璃液的浮渣和放出废玻璃液；浮法锡槽的浮渣；窑炉热修和冷修砖渣和泥渣。成形和加工设备中排出废油、废水、废品碎玻璃；研磨抛光排出含有磨料和抛光剂的废水；玻璃洗涤排出的含洗涤剂的废水；化学抛光和蒙砂排出的含氟化氢、硫酸的废水。煤气中CO、CO2、H2、CnHm等，锡槽使用保护气体中CO、H2等，煤气气化过程中煤粉尘、烟尘、含酚等有机物废水；制造温度计、电光源、显象管、铅晶质玻璃工厂的含铅、汞等重金属的废水。玻璃制造过程中设备的噪声等。我国600t/d浮法玻璃池窑，排出废气量为5700Nm3/h，废气中含尘量200mg/Nm3，SOx 为2800mg/Nm3，NOx 1170~3000Nm3/h。国际上环保比较先进的国家，玻璃厂废气中粉尘为50mg/Nm3、SOx为400mg/Nm3、NOx为1170mg/Nm3，由此可见即使环保先进国家，传统玻璃生产也会有一定污染。
    （3）传统玻璃企业为设备、资本密集型，投入大，效益低   传统的玻璃如浮法、瓶罐玻璃生产时，需要原料处理、熔化、成形、退火、加工、检验等多种设备，大型浮法玻璃，熔窑日产1000t以上，设备投资均需数亿元，而效益低。瓶罐玻璃也是如此，均是薄利与微利企业，有时甚至亏损，往往依靠投资来增加产值，产值和效益是周期性波动，至于器皿和艺术玻璃的部分产品还依赖人工成形和加工，为劳动密集型，工作条件差，生产率低。
    （4）传统玻璃面临其他材料的竞争，发展受到影响   玻璃容器自身重量大，脆性高，运输过程中破损多，面临与塑料、金属和纸制品的竞争。以酒瓶和饮料瓶为例，已采用聚酯瓶、金属易拉罐和纸盒包装。聚酯瓶比玻璃瓶轻很多，500mL聚酯瓶最轻只有28g，而640mL的玻璃啤酒瓶为480g，我国有的工厂重达520g；玻璃瓶抗冲击强度只有0.6~0.8J，易破裂，我国甚至出现在使用中发生自爆。饮料已很少用玻璃瓶而为聚酯瓶、易拉罐和纸盒代替。由于聚酯瓶不能抽真空，需有专门包装线，因此目前亚洲啤酒中三分之二为玻璃瓶包装，我国大部分啤酒仍用玻璃瓶，金属罐仅占2%~3%。至于药品包装方面，欧美和日本等发达国家已淘汰了输液瓶的玻璃包装，但我国输液瓶的塑料软包装仅占5%，绝大部分仍为玻璃瓶。西药片剂和胶囊用铝塑泡罩包装，口服液主要为玻璃瓶和管制玻璃瓶包装，但已有塑料易开盖式口服液瓶面世，针剂仍用安瓿玻璃包装，而一次性注射器的应用，使安瓿玻璃面临挑战。仅有葡萄酒、香槟酒、威士忌、白兰地、白酒及一些高档酒和化妆品，玻璃仍是理想的包装材料。其他传统玻璃也有为性能相近而性价比优越的材料代替的可能。

    至于我国传统玻璃除了存在与国际上传统玻璃的问题以外，还具我国特有的问题。
    （1）产品结构性矛盾突出，优质品比例少，附加值低   不论平板玻璃和容器玻璃均存在产品档次低，优质品比例少，中、低挡产品供大于求，如目前我国优质浮法玻璃仅占浮法玻璃总产量的10%左右，普通浮法玻璃供大于求，而用于汽车风挡和高级建筑上的钢化、夹层、中空、真空玻璃以及电子器件基片、特殊用途玻璃仍需进口，2001年以来每年需进口2000~2500万重量箱优质浮法玻璃。钢化、夹层、中空玻璃等深加工玻璃也需进口900多万m2。国际上玻璃工业70%以上利润来自功能薄膜等深加工产品，通过镀膜、表面处理，产值可增加几倍。目前国际上平板玻璃深加工率达85%，我国仅有25%左右，大部分生产为附加值低的原片。日用玻璃更是如此，出口为低挡产品，高挡器皿还需进口，国内中、低档产品库存增加，如玻璃器皿，没有自己的名牌，出口数量虽然多，但创汇额仅占世界出口额的1.5%左右。2006年浮法玻璃平均售价50.32元/重量箱，比上年平均降低3.01元/重量箱，实现利润-3.47元，为负增长。
    （2）装备落后，技术水平低   日用玻璃行业目前达到国际先进水平装备的还不到10%，尚有40%的生产设备属于一般和落后水平，生产工序自动化企业仅占1/3。玻璃机械自主开发能力弱，整机性能差，尤其是机电一体化水平远远低于国际水平，制约行业水平的提高。我国浮法玻璃大多数企业仍停留在国外20世纪80年代的成形工艺水平，产品外观质量的微气孔、微缺陷、表面平整度（斑马角）以及内在质量的端面均匀度、下表面渗锡、钢化彩虹方面与国外有较大差距，特别是国内玻璃表面渗锡量为30~50μg/cm2，发达国家仅为25~30μg/cm2，国内锡耗量为每重量箱2~4g，发达国家为0.7~1g，不仅增加了锡耗量，更主要的是浮法玻璃钢化时就会产生钢化虹彩，影响了深加工产品的质量和应用。
    （3）创新能力差，生产管理、质量控制不够完善   玻璃工业是一个系统工程需要现代化的管理模式，我国有些工厂虽然引进了先进设备，硬件是一流的，但管理模式仍是粗放方式，技术指标控制不严格，产品质量不稳定，例如国外浮法玻璃在生产小于或大于自然厚度时，有一套调整投料量、温度、燃烧等系列工艺参数的软件，还有“生产过程控制”与“专家诊断系统”软件。而国内尚未形成生产工艺操作软件，因此生产重复性和稳定性差。在质量控制方面，有在线检测或离线检测两种方式，如国外制造的全自动玻璃瓶在线检验机，可在生产线上检验瓶子尺寸、裂纹、缺陷及模腔识别，随时在控制器的电脑显示屏上显示，并按照缺陷自动分类，有缺陷的模具也被自动识别出来，便于找出缺陷原因，从而采取措施。国内虽已引进检验线，但离国产化尚远。至于新产品的开发、创新更任重道远，目前自主知识产权的产品和技术是相当少的。

2．传统玻璃的发展趋势
    传统玻璃成分与制造工艺由过去摸索性阶段、经验性阶段到目前实验性阶段逐步发展到理论性阶段。根据材料设计方法，按性质和功能要求来设计成分，改进制造工艺，最大限度地优化成分和制备工艺，降低成本，达到最大的性/价比。同时提高现有的性能和功能，降耗节能，减少污染，进行绿色生产。
2.1 按材料设计的方法，优化玻璃成分、性质和制备工艺
    材料设计是依据积累的经验、归纳的实验规律、制备出预先确定目标性能材料的科学。长期以来，传统的玻璃成分和制备工艺依赖于经验和实验进行大面积筛选才能得到合适的成分和工艺，此种方法有很大的盲目性和偶然性，并且要消耗大量的人力、物力和时间。20世纪70年代以来，采用计算机辅助玻璃成分设计，取得较好效果，窑炉、成形和模具设计也用了计算机辅助设计，但没有达到全方位材料设计的范围，材料设计包括材料的制备、材料的结构与性能、材料的使用，如图1所示。设计主要工作及相互关系见图2。

图1     玻璃材料设计范围        

图2     材料设计主要工作相关图

    玻璃材料设计是多科学交叉结合，相互渗透的新兴领域。玻璃材料也和其他材料设计一样，分为微观、介观、宏观三层次。
    （1）微观设计层次   空间尺度约1nm数量级，是电子、原子、分子层次的设计。
    （2）介观设计层次(连续模型层次)   典型尺度1μm数量级，材料被视作连续介质，是组织结构层次。
    （3）宏观设计层次(工程应用层次） 尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的成分、结构、性能和应用的设计研究。
    不同层次所用的理论及方法是不同的，不同层次间常常是交叉、联合的，任务及应用也不相同，各层次的研究关键是根据基础理论和数据，建立符合实际的解析与数理模型，再用计算机进行计算。玻璃材料设计宏观上是一个系统工程，建立成分、结构、性能、功能之间的数理模型是整个系统优化和控制的基础，也是实现计算机智能化设计的前提。
    目前玻璃材料主要是在宏观设计层次（工程应用层次），部分达到介观设计层次，很少为微观设计层次。大都为实验阶段，个别如氟化物红外光学玻璃正向理论阶段发展。所用方法为分子动力学模拟(MD)、蒙特卡罗(Monte Carlo)、有限元、遗传算法(CA)、分形理论等。中国科学院上海光机所周忠益等利用人工智能(Artificial Intelligence)技术，根据一位或多位专家提供的玻璃材料领域的知识和经验建立数据库DB(Data Base)、知识库KB(Knowledge Base)、推理机IE(Inference Engine)和解析部分(Explain Part)进行推理、判断和模拟专家所做的决定的过程来解决那些需要专家决定的复杂问题，以求解决问题的周密、科学性和保持知识的完整、持久性。周忠益建立的预测玻璃材料性能的专家系统组成示意图见图3。此系统的开发采用功能丰富、表达能力强、使用灵活方便和目标程序效率高的主控语言，在操作系统配置下，运用友好下拉式菜单功能，可进行多组分的玻璃材料预测，使用起来很方便。

知识库管理
↓
        专家        知识库 → 数据库 → 玻璃材料
规则/事实                          

输入           规则 → 推理机     答案（输出）        
要求解决的问题                                          

图3     专家系统组成系统示意图

    在玻璃成分设计、窑炉设计、性能设计（如光学性质、强度）、模具设计方面已用了数据库(database)和专家系统(expert system)。需要指出的是俄罗斯专家Priven等从20世纪90年代起与美国专家合作开发玻璃成分与性质计算软件Sci Glass数据库，到2006年6月发表了Sci Glass6.6版本。该数据库由主数据库和附属数据库构成，收集了最近120多年来13339位作者发表在3699个专利，828个刊物和书籍上的11521原创论文上的64种氧化物，25000玻璃和熔体的38种物理性质、化学性质和熔体性质的数据，有些性质是其他数据库中很难进行计算的，如析晶性能、透光曲线、玻璃形成范围等，并可画出曲线图。采用Sci Glass6.6的数据，输出要求的性能数据，即可预测到所需玻璃成分，在英国此数据库已制成简本，笔者已此英国简版。在制造工艺和管理方面，材料设计方法应用不多。今后要发展新的技术方法和软件，同时要在各个方面，特别在制造工艺上要广泛应用。

< 下一页 >

参考文献
[1]王承遇，潘玉昆，陶瑛. 玻璃与搪瓷，2002，30[3]：48
[2]李建保，周益春主编. 新材料科学及其实用技术. 北京：清华大学出版社，2004
[3]Langfeld R, Petzoltd J. ?Fundamental of Glass Science and Technology. Venice: Stazione Sperimentabl Vetro. 1993
[4]徐美君. 玻璃与搪瓷， 2005，33[6]：51~56
[5]韩永奇. 中国玻璃， 2006，31[3]：8~13
[6]艾博理. 建筑玻璃与工业玻璃， 2006[3]：6~11
[7]Ross C P. Bull. Amer Ceram Soc, 2004, 83[1]:22~26
[8]Beerkens R. Bull. Amer Cerama Soc, 2004, 83[4]:28~32
[9]戴起勋，赵玉涛等编著. 材料科学研究方法. 北京：国防工业出版社， 2004
[10]周忠益，姜中宏，唐永兴. 玻璃与搪瓷， 1995，23[6]：18~22
[11]陈镜波. 玻璃， 2005，32（6）：7~9
[12]王承遇，姜妍彦，庞世红. 硅酸盐学报，2007，35（51）：143~148
[13]王承遇，柳鸣，汤华娟. 硅酸盐通报，2005，24（6）：3~7
[14]王承遇，陈敏，陈建华主编. 玻璃制造工艺. 北京：化学工业出版社，2006
[15]Tao Ying, Wang Chengyu. Boletin de Socieded Espanola de Ceramica y Vidrio ,1992, 31-C(6):477~482
[16]庾莉萍. 建筑玻璃与工业玻璃， 2007，（4）：5~8
[17]Tincher G.. Bull. Amer. Ceram, 2004, 83(4):33~36
[18]Poolos W A. Bull. Amer. Ceram, 2004, 83(1):22~26

（未经作者本人同意，不得转载）