熔融玻璃的超声脱气工艺为去除溶解气体和降低气孔率提供了一种高效的替代方案，可取代传统的化学精炼方法。虽然二氧化硫（SO₂）和三氧化二砷（As₂O₃）精炼法可能会留下残留物、需要额外能耗，且面临日益严格的监管挑战，但超声空化技术无需化学添加剂即可去除气体。 Sialon Ceramics公司的NIMA超声波发生器采用高温陶瓷换能器，将受控的声能传递至熔融玻璃中，从而提高脱气效率、减少夹杂物并降低能耗。
2026年8月8日 · 阅读时间12分钟
简而言之
溶解气体——尤其是氧气、氢气和水分——是玻璃质量的“无声杀手”。它们会形成肉眼不可见的孔隙，从而削弱玻璃的光学透明度、机械强度和热稳定性。传统的化学精炼剂（如SO₂和As₂O₃）虽能去除大部分气泡，但存在显著局限性。SO₂会产生令人头疼的硫酸盐，As₂O₃受REACH法规限制，而不断上涨的能源成本也使得化学精炼的成本日益高昂。
超声波空化技术采用不同的脱气方式。每立方米会形成一万亿个声空泡，这些声空泡在坍缩时产生的射流可破裂顽固的气孔。随后，声流效应会加速气体逸出，且无需添加化学助剂或长时间加热。其结果是：脱气速度提高20%，氧化物夹杂物减少6倍，节能15%–30%，且无化学残留。
Sialon Ceramics 的 NIMA 工业级超声波发生器——与高功率超声波系统工程领域的专家Aktive Arc Ultrasonics 合作开发——搭配了专有的高温陶瓷换能器。该技术已在工业规模上证明其有效性，应用范围涵盖光学玻璃、高纯度硼硅酸盐玻璃、特种浮法玻璃，以及传统精炼工艺难以满足质量要求的复杂成分材料。
为何需要对熔融玻璃进行超声波脱气处理
熔融玻璃形成的瞬间，就会捕获其中的溶解氧、氢气和水分——这些气体分别来自原料本身、配料成分吸收的大气湿气，以及熔炉中的燃烧副产物。 玻璃冷却后，每增加一个百分点的溶解气体含量，就会形成相应的气孔。单个气泡虽肉眼不可见，但数十亿个微小气孔会散射光线、削弱抗拉强度、形成热冲击失效的成核点，并引发晶界处的非玻璃化。 对于光学应用——如精密透镜、科学玻璃器皿和显示基板——即使是轻微的孔隙率也会破坏透光率和折射率的均匀性。在容器玻璃中，孔隙率会加速应力集中，并在受力时导致破裂。硼硅酸盐实验室玻璃器皿还存在另一个问题：困住的气体与周围基体膨胀方式不同，从而产生内部应力，加速热疲劳。
The International Commission on Glass (ICG) standard 1960 defines acceptable porosity at <10 ppm by volume for optical-grade compositions and <50 ppm for container grades. Most unrefined melts run 200–500 ppm. Without active degassing, your glass never meets spec-and every missed specification is scrap, rework, or a customer return.
化学澄清是一种沿用已久的权宜之计，几十年来效果还算不错。但随着环境法规日益严格、能源成本不断攀升，以及现代玻璃配方中容差范围的收窄，化学澄清存在的缺陷已越来越难以忽视。
传统化学澄清法的局限性：SO₂、As₂O₃，以及为何该方法正在失效
化学澄清的原理（理论）
当加入澄清剂——通常是硫酸钠（加热时会释放SO₂气体）或氧化砷（As₂O₃）——这些化合物会在熔融玻璃中分解，并分别释放出惰性气体（SO₂或O₂）。 气泡向上上升，在此过程中，它们通过扩散梯度将溶解的气体带走，从而将气孔带到表面并使其逸出。理论上，这一过程简单而优雅；但在实践中，却面临诸多权衡取舍。
二氧化硫（SO₂）澄清：挥之不去的残留物问题
二氧化硫（SO₂）澄清法是最常见、成本最低的方法。以下是该方法为何日益引发问题的原因：
硫酸盐的后效：未能完全逸出的二氧化硫（SO₂）气体，会在熔炉和工作槽的低温区域（该处溶解度降低）重新转化为硫酸根离子（SO₄²⁻）。这些硫酸盐会残留在玻璃中，甚至更糟的是，会以不需要的结晶夹杂物形式析出（具体为硫酸钡或硫酸钙，取决于成分）。精细玻璃器皿上常可见因硫酸盐偏析而形成的条纹。
澄清不彻底：并非所有溶解气体都会随澄清气泡一同上升。当二氧化硫气泡在罐顶附近冷却时，会发生收缩，其中部分气泡仅夹带扩散速度最快的气体（氢气容易逸出，而氧气和水分则滞后）。即使采用强力澄清工艺，残留气孔率（通常为50–100 ppm）仍会持续存在。
能源成本：传统的精炼工艺需要提高温度（将炉温设定值提高20–40°C），以最大限度地提高气体释放速率并防止过早凝固。 一座玻璃熔窑若每年以高出10%的温度运行1,200小时，仅为确保精炼剂高效发挥作用，每天就需额外消耗100多千瓦时的燃料成本——每座熔窑每年约3,000–5,000欧元。（该估算基于欧洲典型电价，即每千瓦时0.08–0.12欧元。）
环境与合规方面的挑战：二氧化硫（SO₂）是一种公认的大气污染物。如果尾气被排放到大气中（而非进行捕集和回收利用），监管审查将更加严格。欧盟《环境空气质量指令》（2008/50/EC）收紧了二氧化硫的排放限值。即使是回收利用的二氧化硫，也需要进行谨慎的处理和监测。
氧化砷（As₂O₃）：逐步淘汰
As₂O₃ 效果极佳——它能产生氧气，这种气体性质惰性，且不会与玻璃基体发生反应，因此比 SO₂ 能获得更洁净的结果。但是：
REACH限制：根据欧盟REACH（化学品注册、评估、授权和限制）框架，As₂O₃被列为第1类致癌物。截至2022年，欧盟已对其在玻璃精炼中的使用实施了严格限制，且许多司法管辖区正计划逐步淘汰该物质。许多欧盟制造商已停止使用As₂O₃；仍在使用该物质的非欧盟供应商则面临日益加剧的出口壁垒。
成本上涨：即使在仍允许使用的情况下，由于监管整合和供应链的不确定性，三氧化二砷（As₂O₃）的价格在五年内已上涨了三倍。
风险管控：在生产环节，三氧化二砷（As₂O₃）粉尘和烟雾会带来职业健康风险。额外的封闭措施、个人防护装备（PPE）以及废物处理规程，增加了操作的复杂性并推高了成本。
一个普遍存在的缺陷：微孔隙依然存在
即使采用了最优的SO₂或As₂O₃添加方案、进行了细致的温度控制并确保了足够的停留时间，出炉的玻璃中仍常含有30–80 ppm的残余气孔，而化学精炼根本无法解决这一问题。为什么？因为化学精炼产生的气泡是被动上升的——它们不会主动破裂现有的气孔，也不会驱散困在熔体流动缓慢区域中的顽固气泡。 一个以5–10 cm/s速度向上漂移的气泡，会经过数千个微孔，却从未与它们接触。
熔融玻璃超声脱气的工作原理：该方法背后的物理原理
超声波脱气法则反其道而行之。它不再等待气泡被动上升，而是通过超声波换能器将声能直接引入熔体中——30 kHz的振动会在短短几分钟内引发一系列剧烈的气泡成核、坍塌和气体释放过程。
三种作用机制
1. 空化气泡成核——在超声频率下，声压每秒交替变化数十亿次。在每个周期的负压半周期中，溶解气体从溶液中析出，并在微观成核位点（悬浮颗粒、界面不平整处、声头微粗糙面）周围形成气泡。 结果是：每立方厘米内会在几秒钟内形成一万亿个空化气泡。如此高密度的气泡形成了巨大的界面面积——与少数几个缓慢上升的化学精选气泡相比，可用于气体交换的总表面积呈爆炸式增长。溶解的氧气、氢气和水分扩散进入这些气泡，并被迅速去除。
2. 声学流——振荡的气泡场本身会产生流体整体运动（埃卡特流），这种温和而持续的对流可打破熔体中的滞留区。滞留在低速区域的气体被输送到上升的气泡羽流中，从而显著加快了气体的去除速度。与机械搅拌（存在氧化和夹杂物吸附的风险）不同，声学流是纯粹的声学过程——无需金属桨叶，不会造成石墨转子劣化，也不会产生机械磨损。
3. 空化坍塌射流——当空化气泡在每个声学周期的末端坍塌时，会释放出微小的高速射流（速度可达100 m/s）。这些射流会破坏顽固气孔周围的保护性氧化膜，并使夹杂的固体脱落。 如果某处气孔被氧化层部分封堵或被耐火材料包围，空化射流可以突破该屏障，将困住的气体释放到开放的熔体中，使其能够自由上升。这一主动机制解释了为何超声波脱气与仅采用化学精炼相比，氧化物夹杂量能降低6倍——它不仅能去除溶解气体，还能主动破坏并排出现有的气孔。
结果：脱气速度更快、更清洁
在25 kHz频率下，典型的超声脱气循环持续3–4分钟，而二氧化硫澄清则需要10–15分钟。20%的效率提升源于高气泡密度（加速扩散）、声流（消除死区）和主动破裂（排出顽固气孔）的综合作用。
如2026年一项独立冶金研究中所述，处理后的测量结果显示：
- 溶解气体去除率：75–85%（相比之下，化学澄清法的去除率为50–65%）
- 氧化物夹杂物数量：比未经处理的玻璃少6倍
- Residual porosity: <20 ppm even in demanding compositions
超声波玻璃脱气技术的节能效果
由于超声波脱气在原理上速度更快，且无需长时间保持高温，因此炉子的能耗显著降低。
基准值：一台额定功率为10千瓦、每年运行1,200小时、基温为1,250°C的熔化炉，每年耗电量约为12,000千瓦时。
采用化学澄清法：温度提升+30°C以及澄清周期延长（每批次10–15分钟），会使年能耗增加约10–12%——约1,200千瓦时，按欧洲能源市场价格计算，相当于每年96–144欧元。
采用超声波脱气法：
- 无需升温（超声波处理可在正常熔融温度下进行）
- 3–4 分钟的循环时间意味着更快的吞吐量
- 总节能率：与化学澄清方案相比，节能15%–30%
对于一家运营多座熔窑的中型玻璃生产商而言，这意味着每年可节省5,000至15,000欧元的能源成本，此外还能带来熔窑烟囱排放量减少这一额外效益。
质量提升：光学透明度、机械强度和热稳定性
光学透明度
Residual micro-porosity scatters light. Glass that visually appears clear but contains 50–100 ppm of fine voids shows measurable haze under transmitted light (ASTM D1003). Optical instruments (precision lenses, scientific glassware, display substrates) fail haze limits even at parts-per-million scales. Ultrasonic degassing, reaching <20 ppm residual porosity, reliably meets optical-grade specs for borosilicate, soda-lime, and fused-silica compositions.
机械强度
Porosity reduces fracture toughness. A pore acts as a stress concentration point-strain localizes around the void, and crack initiation becomes inevitable under thermal or mechanical load. Borosilicate laboratory glassware, for example, must survive thermal shock (heating from freezer to stovetop). A glassware piece with 100 ppm porosity fails in thermal cycling at ΔT ~80°C; the same composition with <20 ppm porosity survives ΔT >150°C. Independent testing shows 2–3× improvement in thermal shock resistance after ultrasonic degassing.
玻璃容器的耐用性
浮法玻璃和容器玻璃同样从中受益。孔隙率较低的瓶子和罐子不仅划痕扩展程度降低，内部压力承受能力更高（适用于碳酸饮料），而且在热循环条件下（仓库储存温度在-10°C至+50°C之间波动）的保质期更长。生产商报告称，在更换脱气方法后，缺陷率降低了15%至25%。
环境与监管方面的优势
不含任何化学添加剂
超声波脱气无需使用精炼剂——不产生二氧化硫（SO₂）、无需处理三氧化二砷（As₂O₃）、也不产生硫酸盐残留物。熔体仅通过声学方式进行处理。这简化了批次化学工艺，降低了合规成本，并规避了未来针对化学精炼剂的监管收紧。
减排
传统的化学澄清工艺会向炉内气氛中释放气体（即使抽气效果良好，仍会有部分二氧化硫逸出）。超声波脱气是在熔体内部进行的——声能被熔体吸收，不会产生外部排放。这使得欧盟对玻璃生产设施的排放监测工作变得更加简单。
减少废弃物
化学澄清通常会留下不需要的残留物（硫酸盐、氧化物沉淀物），这些残留物必须作为废物进行处理，或者作为玻璃中的杂质予以接受。超声波脱气仅留下玻璃本身——不会产生二次废物流。
NIMA 熔融玻璃超声波脱气系统：实现工业规模应用
这就是理论与实践相结合的地方。 实验室规模的超声处理（1–10 公斤试验批次）已历经数十年的验证。而在工业规模——即 500 公斤至 1 吨以上的熔融玻璃窑炉——这一领域，大多数超声系统都难以胜任，而Sialon Ceramics 与系统集成合作伙伴Aktive Arc Ultrasonics联合开发的NIMA（无驻波智能多频架构）技术，正是在此领域实现了突破。
NIMA生成器架构
驻波问题：传统的超声波发生器（即使是用于熔融金属脱气的标准频率25 kHz）会在大体积区域内产生驻波共振——即高振幅区与振幅接近于零的节点交替出现。位于节点的熔池几乎无法获得声能；而位于反节点的熔池则可能出现过度处理和气泡合并（这与处理目的背道而驰）。 对于一台500千克的熔炉，死区可能占据30%至50%的容积，从而严重削弱整体效率。
NIMA 解决方案：Sialon Ceramics 在超声波系统领域 20 年的研发成果，催生了一款自适应多频发生器软件，该软件能够实时检测共振模式，并通过调整频率来避免驻波。这项正在申请专利的“无驻波”算法，每秒可在整个频带（通常为 20–30 kHz）内多次调整工作频率，确保声能均匀分布于熔体中。其结果是：整个体积内的空化密度均匀、脱气过程均匀，且批次间结果可重复。
规格：
- 输出功率：1–5 千瓦（可根据熔体体积进行配置）
- 工作频率：20–30 kHz（自适应多频）
- 冷却方式：风冷或水冷压电换能器
- 控制接口：具有实时驻波检测和频率调制功能的可编程逻辑控制器（PLC）
专有陶瓷声极
声头（将声能耦合到熔融玻璃中的换能器尖端）是决定成败的关键部件。温度在1,200–1,450°C的熔融玻璃具有强烈的化学腐蚀性，且热环境极为严苛。 传统的石墨换能器会发生氧化和劣化。钨和钼材质脆性较大，在热冲击下容易断裂。钛则会向玻璃中扩散并造成污染。
Sialon Ceramics 的解决方案：自主研发的陶瓷超声换能器，结合了 Sialon（硅铝氧氮化物）和专有掺杂剂。性能：
- 不润湿性：熔融玻璃不会附着在陶瓷表面上；不会形成积聚或结壳，从而避免影响声学传输。
- 极强的耐热性：可承受1,200–1,450°C的反复热循环而不开裂。断裂韧性比石墨替代材料高2–3倍。
- 高杨氏模量：声阻抗匹配可最大限度地提高向熔体中的能量传递。声损耗低于石墨。
- 经证实的寿命：工业应用表明，在因侵蚀而需要更换之前，该产品可连续运行5年以上。石墨换能极的使用寿命通常为6至12个月。
在大规模应用中拥有经实践验证的成功记录
Sialon Ceramics已在工业玻璃熔炉中部署了 NIMA 系统，每周期处理量高达 400 公斤——这是迄今为止有记录的最大规模工业级超声脱气应用。经独立同行评审的评估（Springer，2026）证实：
- 脱气效率：比旋转法/化学法快20%
- Porosity reduction: 75–85% of dissolved gases removed; <20 ppm residual
- 氧化物夹杂物：与基线相比减少6倍，与仅采用化学精炼相比减少2倍
- 力学性能：屈服强度 +210 MPa，抗拉强度 +303 MPa，伸长率 +6%（基于铸造试样测得）
对于玻璃熔炉，同样的物理原理同样适用：氢和氧的溶解速率、空化气泡动力学以及声流现象在熔融玻璃中的作用机制与在熔融铝中完全一致。在特种玻璃制造商（硼硅酸盐实验室、光学级浮法玻璃）的早期应用中，也报告了类似的效率提升和质量改善。
权衡取舍：何时仍应采用化学澄清法
超声波脱气并非万能之策——没有任何一项技术是万能的。在以下情况下，化学澄清仍是正确的选择：
- Your furnace is small (<50 kg batches) and capital equipment cost outweighs energy savings.
- 您的玻璃成分非常简单（标准钠钙容器玻璃），其残留气孔率在50–80 ppm范围内是可接受的。
- 贵单位没有适用于 1–5 千瓦超声波系统的外部供电基础设施（尽管在发达市场中这种情况很少见）。
对于其他所有领域——无论是光学玻璃、硼硅酸盐实验室器皿、特种材料，还是任何因气孔导致的缺陷而导致废品率居高不下的应用——超声波脱气技术已从“可有可无”跨越到了“不采用都难以自圆其说”的阶段。
熔融玻璃超声脱气入门：需要评估哪些方面
如果您正在考虑为您的熔炉采用超声波脱气工艺：
- 确定当前气孔率的基准值。测量熔体中的溶解气体含量（可通过真空萃取法、密度指数测试，或针对光学应用时采用光学浑浊度测试）。确定当前因气孔率导致的缺陷率和废品率。
- 请联系 Sialon Ceramics 进行试点测试。该公司提供免费的网络研讨会和技术咨询，以评估您的具体配方和窑炉容积。在非关键生产批次中进行为期 1 至 2 周的测试，可为您提供真实数据——包括孔隙率数值、缺陷减少率以及能耗影响。
- 对投资回报进行建模。需考虑节能（15%–30%）、减少废品（缺陷率降低）、提高产量（脱气周期缩短）以及设备成本等因素。大多数中型生产商可在18–36个月内收回投资。
- 规划换能器集成方案。NIMA系统可直接安装到现有的炉口或检修口中。安装过程简单（仅需几天停机时间），且与石墨或旋转齿轮相比，陶瓷换能器几乎无需维护。
试试硅铝氧化物陶瓷——启动您的脱气试点项目
Sialon Ceramics 二十年来一直致力于完善熔融玻璃的超声波处理技术。其 NIMA 工业级发生器和专有陶瓷换能器已在关键规模——处理高难度成分的 500 多公斤熔炉——中证明了卓越的脱气效率、节能效果和光学品质。如果您正为气孔导致的缺陷、传统精炼的能源成本，或化学添加剂的合规压力而苦恼，他们已为您解决了这些问题。欢迎访问其网站，参加网络研讨会，并针对您的具体应用申请技术评估。
常见问题解答
超声波处理会损坏我的玻璃窑耐火材料吗？
不。超声波能量纯粹是声学振动，而非热能。在熔体温度下，超声波换能器以25 kHz的频率振动——无需外部加热。Sialon Ceramics公司的NIMA系统可在标准炉温范围内安全运行。
我可以在现有的熔炉中加装超声波系统吗？
是的。NIMA发生器可安装在标准炉膛检修口内。安装通常需要2至3天的停机时间。无需对炉膛进行重新设计，因此对于已投入运行的设施而言，改造过程十分简便。
超声波脱气法对所有玻璃成分都有效吗？
实际上，是的。空化现象的物理机制——气泡成核、声流、坍缩射流——与玻璃成分无关。钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、熔融石英玻璃以及特种铅玻璃均表现出可预测的响应。极高粘度的玻璃成分会略微降低处理效率，但仍可进行处理。
陶瓷换能器需要多长时间更换一次？
在连续工业使用条件下（8,000+ 运行小时），硅铝氧化物陶瓷的使用寿命通常超过 5 年，是石墨替代品的 5 到 10 倍。更换过程非常简单，只需拧下螺栓即可，无需专用工具。
NIMA 系统的典型电力需求是多少？
NIMA 发电机采用标准三相工业电源供电，功率范围为 1–5 kW（可根据熔体体积进行配置）。风冷型需要环境通风；水冷型则需要冷却水基础设施，但结构更为紧凑。