熔融玻璃的超音波脫氣 是一種高效的替代傳統化學澄清方法的方案，可用於去除溶解氣體和降低孔隙率。雖然SO₂和As₂O₃澄清方法會留下殘留物、需要額外的能量，並且面臨日益嚴格的監管挑戰，但超音波空化無需添加任何化學試劑即可去除氣體。 Sialon Ceramics公司的NIMA超音波發生器採用高溫陶瓷換能器，可將可控制的聲音能量傳遞到熔融玻璃中，從而提高脫氣效率、減少夾雜物並降低能耗。
2026年8月8日 · 閱讀時間：12分鐘
太長不看
溶解氣體——尤其是氧氣、氫氣和水分——是玻璃質量的隱形殺手。它們會造成肉眼看不見的孔隙，降低玻璃的光學透明度、機械強度和熱穩定性。傳統的化學澄清劑，例如二氧化硫（SO₂）和三氧化砷（As₂O₃），雖然可以去除大部分氣泡，但有許多限制。二氧化硫會產生有害的硫酸鹽，三氧化砷受到REACH法規的限制，而不斷上漲的能源成本也使得化學澄清的成本日益增加。.
超音波空化採用不同的脫氣方式。聲波氣泡以每立方公尺數萬億個的密度成核，並內爆形成噴流，從而破壞頑固的孔隙。隨後，聲流加速氣體逸出，無需化學添加劑或長時間加熱。結果是脫氣速度提高20%，氧化物夾雜物減少6倍，節能15-30%，且無化學殘留。.
Sialon Ceramics 與 Aktive Arc Ultrasonics搭配專有的高溫陶瓷超音波換能器。此技術已在光學玻璃、高純度硼矽酸鹽玻璃、特殊浮法玻璃以及其他傳統精煉製程難以達到理想品質的嚴苛材料中得到工業級應用驗證。
為什麼需要對熔融玻璃進行超音波脫氣？
熔融玻璃形成之初，便會捕獲溶解的氧氣、氫氣和水汽──這些氣體來自原料本身、原料吸收的大氣水分以及熔爐中的燃燒副產物。玻璃冷卻後，每一個百分點的溶解氣體都會形成孔隙。單一氣泡肉眼不可見，但數十億個微小的空隙會散射光線、降低抗拉強度、形成熱衝擊失效的成核點，並引發晶界處的脫玻化。對於光學應用——例如精密透鏡、科學玻璃器皿和顯示基板——即使是輕微的孔隙率也會嚴重影響透射率和折射率的均勻性。 在容器玻璃中， 孔隙率會加速應力集中，導致玻璃在受力時破裂。 硼矽酸鹽實驗室玻璃器皿則有另一個問題： 被捕獲的氣體膨脹方式與周圍基質不同，會產生內部應力，加速熱疲勞。
國際玻璃委員會 (ICG) 1960 年標準對可接受的孔隙率進行了定義。
化學澄清法是史上常用的權宜之計，幾十年來效果也相當不錯。但隨著環境法規日益嚴格、能源成本不斷攀升，以及現代玻璃配方容差範圍的收窄，化學澄清法的不足之處也越來越難以忽視。.
傳統化學澄清的限制：SO₂、As₂O₃及其失效原因
化學澄清的原理（理論）
添加澄清劑時－通常是硫酸鈉（加熱時會釋放二氧化硫氣體）或氧化砷（As₂O₃）－這些化合物會在熔融玻璃中分解，並釋放出惰性氣體（分別為二氧化硫或氧氣）。氣泡上升，並利用擴散梯度將溶解的氣體帶動上升，將孔隙帶到表面並逸出。理論上，這種方法簡單而巧妙。但實際上，卻充滿了各種權衡取捨。.
二氧化硫 (SO₂) 澄清：殘留問題
二氧化硫澄清法是最常用、最便宜的方法。但這種方法的問題日益增多，原因如下：
硫酸鹽的後續影響： 未完全逸出的二氧化硫氣體在熔爐和工作槽的較冷區域會重新轉化為硫酸根離子（SO₄²⁻），這些區域的溶解度較低。這些硫酸鹽會殘留在玻璃中，更糟的是，它們會以不需要的晶體夾雜物（硫酸鋇、硫酸鈣，取決於成分）的形式析出。精美的玻璃器皿上常會出現因硫酸鹽析出而產生的可見條紋。
不完全澄清： 並非所有溶解氣體都隨澄清氣泡上升。當二氧化硫氣泡在罐頂附近冷卻時，它們會收縮，並且只有部分氣泡會帶走擴散速度最快的氣體（氫氣很容易逸出，但氧氣和水分則滯後）。即使經過積極的澄清處理，殘餘孔隙率（通常為 50–100 ppm）仍然存在。
能源成本： 傳統的澄清製程需要更高的溫度（將爐溫提高 20–40°C）才能最大限度地提高氣體釋放率並防止過早凝固。一台玻璃爐每年運行 1200 小時，溫度提高 10%，僅為了使澄清劑高效工作，每天就會額外消耗 100 多千瓦時的燃料——每台爐每年大約需要 3000 至 5000 歐元。 （估算基於歐洲典型的能源價格，即每千瓦時 0.08 至 0.12 歐元。）
環境與合規方面的阻力： 二氧化硫（SO₂）是一種公認的空氣污染物。如果將有害氣體排放到大氣中（而不是捕獲和循環利用），監管審查力度將會加大。 歐盟環境空氣品質指令（2008/50/EC） 收緊了二氧化硫的排放限制。即使是循環利用的二氧化硫也需要謹慎處理和監測。
氧化砷（As₂O₃）：逐步淘汰
As₂O₃ 非常有效——它產生的氧氣性質穩定，不會與玻璃基質發生反應，因此比 SO₂ 的效果更清潔。但是：
REACH限制：根據歐盟REACH（化學品註冊、評估、授權和限制）法規， As₂O₃被列為1類致癌物。自2022年起，歐盟已嚴格限制其在玻璃澄清劑中的使用，並且在許多司法管轄區正逐步淘汰。許多歐盟製造商已停止使用As₂O₃；仍在使用As₂O₃的非歐盟供應商則面臨日益嚴格的出口障礙。
成本上漲： 即使在仍允許的情況下，由於監管整合和供應鏈的不確定性，As₂O₃ 的價格在五年內也上漲了兩倍。
風險因應： 在生產製造方面，As₂O₃粉塵和煙霧會帶來職業健康風險。額外的防護措施、個人防護裝備 (PPE) 和廢棄物處理規程會增加作業的複雜性和成本。
常見缺陷：微孔隙持續存在
即使採用最佳的SO₂或As₂O₃處理方案、精細的溫度控制和充足的停留時間，從熔爐出來的玻璃通常仍含有30-80 ppm的殘餘孔隙，而化學澄清根本無法解決這個問題。為什麼？因為化學澄清產生的氣泡是被動上升的－它們不會主動破壞現有的孔隙，也不會排出熔體中緩慢流動區域內頑固的氣泡。一個以5-10公分/秒的速度向上漂移的氣泡，會經過成千上萬個微孔，卻從未真正接觸過它們。.
熔融玻璃超音波脫氣的工作原理：此方法背後的物理原理
超音波脫氣技術徹底改變了這個問題。它不再等待被動氣泡上升，而是將聲能直接引入熔體中——30 kHz 的振動會引發一系列劇烈的氣泡成核、破裂和氣體釋放，整個過程只需幾分鐘。.
三種機制共同作用
1. 空化氣泡成核 －在超音波頻率下，聲壓每秒交替變化數十億次。在每個週期的負壓半週期中，溶解氣體從溶液中析出，並在微觀成核位點（懸浮顆粒、界面不規則處、超音波換能器微粗糙度）周圍形成氣泡。結果是：每立方公分在幾秒鐘內形成數萬億個空化氣泡。如此高的氣泡密度創造了巨大的界面面積——與少量緩慢上升的化學精製氣泡相比，可用於氣體交換的總表面積呈爆炸式增長。溶解的氧氣、氫氣和水分擴散到這些氣泡中，並迅速被去除。
2. 聲流 －振蕩的氣泡場本身會產生整體流體運動（埃卡特流），這是一種輕柔但持續的循環，能夠擾亂熔體中的停滯區域。滯留在緩慢流動區域的氣體被輸送到上升的氣泡羽流中，從而顯著加速其去除。與機械攪拌（有氧化和夾雜物混入的風險）不同，聲流完全依靠聲學原理—無需金屬槳葉，不會造成石墨轉子磨損，也不會產生機械損耗。
3. 空化潰滅噴流 －在每個聲波週期結束時，空化氣泡發生內爆，會噴射出速度高達100公尺/秒的微小射流。這些噴流會破壞頑固孔隙周圍的保護性氧化膜，並排出其中的固體顆粒。如果孔隙被氧化層部分封閉或被耐火材料包圍，空化噴流可以破壞這層屏障，將困住的氣體釋放到開放的熔體中，使其自由上升。這種主動機制解釋了為什麼超音波脫氣比單獨使用化學澄清法能使氧化物夾雜物減少6倍——它不僅能去除溶解的氣體，還能主動破壞並排出現有的孔隙。
結果：更快、更乾淨的脫氣
典型的超音波脫氣循環 在 25 kHz 頻率下持續 3-4 分鐘，而 SO₂ 精製則需要 10-15 分鐘。效率提升 20% 源自於高氣泡密度（加速擴散）、聲流（消除死區）和主動破裂（排出頑固孔隙）的綜合作用。
根據2026年獨立冶金研究報告，後處理測量結果顯示：
- 溶解氣體減少率： 75-85% （化學澄清法為50-65%）
- 氧化物夾雜物數量：比未處理的玻璃低6倍
- 殘餘孔隙率： <20 ppm 即使在要求苛刻的成分中
超音波玻璃脫氣節能
由於超音波脫氣速度更快，而且不需要長時間的高溫，因此爐子的能耗明顯下降。.
基準： 一台 10 kW 的熔爐，每年運轉 1,200 小時，基準溫度為 1,250°C，每年約消耗 12,000 kWh 的電量。
採用化學澄清： 溫度提高 30°C，延長澄清週期（每批次 10-15 分鐘），每年增加約 10-12% 的能源消耗——約 1200 千瓦時，相當於歐洲能源市場每年 96-144 歐元。
採用超音波脫氣：
- 無需升高溫度（超音波處理在正常熔化溫度下即可工作）
- 3-4分鐘的周期意味著更快的吞吐量
- 與化學澄清方案相比，總節能率： 15%–30% 。
對於經營多個熔爐的中型玻璃生產商而言，這意味著每年可節省 5,000 至 15,000 歐元的能源成本，此外還能減少熔爐煙囪排放的環境污染物，帶來額外的好處。.
品質改進：光學清晰度、機械強度和熱穩定性
光學透明度
殘餘微孔會散射光線。肉眼看起來透明但含有 50–100 ppm 微孔的玻璃在透射光下會呈現可測量的霧度（ASTM D1003）。光學儀器（精密鏡片、科學玻璃器皿、顯示基板）即使在百萬分之一的霧度等級下也無法達到霧度標準。超音波脫氣處理可將殘餘孔隙率降低至 <20 ppm，從而可靠地滿足硼矽酸鹽、鈉鈣玻璃和熔融石英玻璃的光學級規格要求。.
機械強度
孔隙率會降低斷裂韌性。孔隙會形成應力集中點－應變集中在孔隙周圍，在熱負荷或機械負荷作用下，裂紋萌生不可避免。例如，硼矽酸鹽實驗室玻璃器皿必須能夠承受熱衝擊（從冰箱到爐灶的加熱）。孔隙率為 100 ppm 的玻璃器皿在 ΔT ~80°C 的熱循環中會發生斷裂；而孔隙率 <20 ppm 的相同成分的玻璃器皿 抗熱衝擊性能提高了2-3倍 。
容器玻璃的耐久性
浮法玻璃和容器玻璃同樣受益。低孔隙率的瓶罐刮痕擴展較少，內部耐壓能力較高（適用於碳酸飲料），並且在熱循環（倉庫儲存溫度在-10°C至+50°C之間波動）下具有更長的保質期。生產商報告稱，更換脫氣方法後，缺陷率降低了15%至25% 。
環境和監管優勢
不含任何化學添加劑
超音波脫氣無需任何澄清劑－不產生二氧化硫，無需處理三氧化砷，也不會殘留硫酸鹽。熔體僅透過聲波進行處理。這簡化了批次化學反應，降低了合規成本，並避免了未來對化學澄清劑的監管收緊。.
減排
傳統的化學澄清方法會在爐內釋放氣體（即使採用良好的抽氣方法，仍有部分二氧化硫逸出）。超音波脫氣則是在熔體內部進行，聲能被吸收，不會向外部排放。 歐盟對玻璃製品企業的排放監控 更加簡單。
減少浪費
化學澄清通常會留下一些不必要的殘留物（硫酸鹽、氧化物沉澱物），這些殘留物必須作為廢物處理或作為玻璃中的污染物接受。超音波脫氣則只留下玻璃本身，不會產生二次廢物。.
NIMA熔融玻璃超音波脫氣系統：助力工業規模化生產
這就是理論與實務的交會點。實驗室規模的超音波處理（1-10公斤的測試批次）已經過數十年的驗證。而工業規模——500公斤到1噸以上的熔融玻璃熔爐——正是大多數超音波系統難以應付的領域。 Sialon Ceramics與系統整合合作夥伴Aktive Arc Ultrasonics合作開發的NIMA（無駐波智慧多頻架構）技術，正是在此領域取得了突破性進展。
NIMA 生成器架構
駐波問題： 傳統的超音波產生器（即使是熔融金屬脫氣常用的25 kHz頻率）也會在大體積區域內產生駐波共振－高振幅區域被近乎零振幅的波節隔開。波節內的熔體幾乎無法獲得聲能；波腹內的熔體則可能出現過度處理和氣泡聚並（這違背了超音波脫氣的初衷）。對於一台500 kg的爐子來說，死區可能佔據30%至50%的體積，嚴重降低整體效率。
NIMA解決方案： Sialon Ceramics公司20年來在超音波系統領域的研發成果，催生出一種自適應多頻發生器軟體，該軟體能夠即時檢測共振模式並調整頻率以避免駐波。 這項正在申請專利的「無駐波」演算法 每秒多次調整一個頻帶（通常為20-30 kHz）內的工作頻率，從而確保熔體中聲能分佈均勻。最終實現：整個熔體體積內空化密度均勻，脫氣均勻，且批次間結果可重複。
規格：
- 輸出功率： 1–5 kW（可依熔體體積配置）
- 工作頻率： 20–30 kHz（自適應多頻）
- 冷卻方式： 氣冷或水冷壓電換能器
- 控制介面： 可程式邏輯控制器（PLC），具有即時駐波偵測和頻率調變功能
專有陶瓷超音波換能器
聲波換能器（將聲能耦合到熔融玻璃中的換能器尖端）是成敗的關鍵部件。 1200–1450°C 的熔融玻璃具有很強的化學腐蝕性和極高的熱穩定性。傳統的石墨聲波換能器會發生氧化和性能退化。鎢和鉬材質較脆，在熱衝擊下容易斷裂。鈦會擴散到玻璃中，造成污染。.
Sialon Ceramics的解決方案： 自主研發的陶瓷超音波換能器，結合了Sialon（矽鋁氧氮化物）和專有摻雜劑。特性：
- 不潤濕： 熔融玻璃不會黏附在陶瓷表面；不會形成積垢或結殼，不會阻礙聲波傳輸。
- 極佳的熱耐久性： 可承受反覆1200–1450°C的高溫循環而不開裂。斷裂韌性比石墨替代品高2–3倍。
- 高楊氏模量： 聲阻抗匹配可最大限度地將能量傳遞到熔體中。聲損耗低於石墨。
- 經驗證的使用壽命： 工業應用表明，在因腐蝕而需要更換之前，可連續運行 5 年以上。石墨聲波換能器通常可使用 6-12 個月。
規模化營運的成功經驗
Sialon Ceramics公司已在工業玻璃熔爐中部署了NIMA系統， 每次循環處理量高達400公斤——這是目前有史以來規模最大的工業級超音波脫氣應用。獨立的同儕審查評估（Springer，2026）證實：
- 脫氣效率： 比旋轉/化學方法快 20%
- 孔隙率降低： 去除75-85%的溶解氣體；
- 氧化物夾雜物： 較基線減少 6 倍，較單獨化學澄清法減少 2 倍。
- 機械性質： 屈服強度+210 MPa，抗拉強度+303 MPa，延伸率+6%（在鑄造試樣上測量）
對於玻璃熔爐而言，同樣的物理原理也適用：氫氣和氧氣的溶解速率、空化氣泡動力學以及聲流在熔融玻璃和熔融鋁中的作用機製完全相同。特殊玻璃製造商（硼矽酸鹽實驗室、光學級浮法玻璃）的早期應用也報告了類似的效率提升和品質改進。.
權衡利弊：化學澄清何時仍然有意義
超音波脫氣並非萬能－沒有任何技術是萬能的。在以下情況下，化學澄清仍然是正確的選擇：
- 您的爐子很小（每次處理量小於 50 公斤），而且購買設備的成本超過了節能效益。.
- 您的成分非常簡單（標準鈉鈣玻璃容器），其中 50-80 ppm 的殘餘孔隙率是可以接受的。.
- 您的工廠沒有 1-5 kW 超音波系統的外部電源基礎設施（儘管這在已開發市場很少見）。.
對於其他所有產品——光學玻璃、硼矽酸鹽實驗室器皿、特殊成分，以及任何因孔隙率缺陷而導致廢品率居高不下的應用——超聲波脫氣已經從“錦上添花”變成了“難以證明不做是合理的”。
熔融玻璃超音波脫氣入門：評估要點
如果您正在考慮對您的爐子進行超音波除氣：
- 確定您目前的孔隙率基線。 測量熔體中的溶解氣體含量（真空萃取、密度指數測試，或如果您的目標是光學應用，則測量光學霧度）。確定目前由孔隙率導致的缺陷率和廢品率。
- 聯絡Sialon Ceramics公司進行試點試驗。 他們提供 免費網路研討會和技術諮詢 ，以評估您的特定配方和爐子容積。在非關鍵生產週期內進行為期1-2週的試驗，即可獲得真實數據－孔隙率、缺陷減少率和能耗影響。
- 建立財務回報模型。 考慮節能（15-30%）、廢品率降低（缺陷率降低）、生產效率提高（脫氣週期加快）以及設備成本。大多數中型生產商可在 18-36 個月內收回成本。
- 規劃超音波焊頭整合方案。 NIMA 系統可直接安裝至現有爐膛端口或接入點。安裝簡單（停機時間僅需幾天），而且與石墨或旋轉齒輪焊頭相比，陶瓷焊頭所需的維護量極少。
試試Sialon Ceramics－啟動您的脫氣試驗
Sialon Ceramics 二十年來致力於完善熔融玻璃的超音波處理技術。其 NIMA 工業發生器和專有的陶瓷超音波換能器已證明，在處理複雜成分的 500 公斤以上大型熔爐時，能夠實現卓越的脫氣效率、節能效果和光學品質。如果您正苦於解決孔隙率導致的缺陷、傳統精煉製程的高昂能耗或化學添加劑合規性方面的難題，Sialon Ceramics 已為您找到解決方案。 造訪他們的網站，參加網路研討會，並申請針對您特定應用的技術評估。
常見問題解答
超音波處理會損壞我的玻璃熔爐耐火材料嗎？
不。超音波能量純粹是聲波振動，而非熱能。超音波換能器在熔體溫度下以 25 kHz 的頻率振動，無需外部加熱。 Sialon Ceramics 的 NIMA 系統 可在標準爐溫條件下安全運作。
我可以在現有的爐子上加裝超音波系統嗎？
是的。 NIMA 發電機 可安裝在標準爐膛檢修口內。安裝通常需要2-3天的停機時間。無需重新設計爐膛，因此對於正在運行的工廠來說，改造非常簡單。
超音波脫氣對所有玻璃成分都有效嗎？
確實如此。空化物理過程－氣泡成核、聲流、坍縮噴流－與材料成分無關。鈉鈣玻璃、硼矽酸鹽玻璃、熔融石英和特殊鉛玻璃的反應都符合預期。極高黏度的材料會略微降低效率，但仍可處理。.
陶瓷超音波換能器多久需要更換一次？
賽隆陶瓷在連續工業使用（8000 小時以上運行）中通常可使用 5 年以上，比石墨替代品的使用壽命長 5-10 倍。更換起來非常簡單，只需更換螺栓即可，無需任何專用工具。.
NIMA系統的典型電力需求是多少？
NIMA 發電機 採用標準的三相工業電源，功率為 1–5 kW（可根據熔體體積進行配置）。風冷式發電機需要環境通風；水冷式發電機需要冷卻水系統，但體積更小。