固态汞知识

2024年2月29日发(作者：陈官庄)

固汞在低气压气体放电灯中的应用

一、固汞的分类

我国古代将“合金”称为“齐”，汞与其它金属组成的合金叫汞齐。汞齐种类很多，也有多种制造方法。灯用汞齐有：Zn-Hg、Bi-Pb-Sn-Hg、Bi-In-Hg等，也包括Zn、Ni、Hg圆柱体汞齐。

固态汞指汞大部分以原子或微细汞粒形式吸附在载体中的含汞固体混合物。如：Fe、Cu等金属与汞组成的圆柱体固态汞，该固态汞中也含少部分汞齐，这种固态汞汞蒸汽压温度特性几乎与液汞完全一样

我们将汞齐和固态汞统称为固汞，固汞常温下呈固体态。

1、固汞按制造方法、颗粒形状分：熔融滴制法，颗粒为球体，产品有Zn-Hg、Sn-Hg、Zn-Sn-Hg、Bi-Sn-Hg、Bi-Pb-Sn-Hg、Bi-In-Hg、In-Pb-Hg等球丸;压制法，颗粒常为圆柱体，产品有Zn、Ni、Hg圆柱体汞齐，Fe、Cu、Hg圆柱体固态汞。

2、固汞按控制汞蒸汽特性可分为两大类：

一类是非控制汞蒸汽压型，包括固态汞和部分汞齐。这类固汞特点：

① 蒸汽压随固汞温度变化的规律与液汞接近，温度低，汞蒸汽压低，温度高，汞蒸汽压高，对应饱和汞蒸汽压为0.8Pa或1.0Pa的温度不同。

②光输出从90%到100%波动对应的连续的工作温度——下称ΔT90约25℃，光输出从95%到100%波动对应的连续的工作温度——下称ΔT95约15℃，缺乏一个使光输出稳定的较宽的工作温度区域。

③低温或常温下饱和汞蒸汽压略小于液汞。

这类固汞一般均不需要辅助In网帮助启动，用于代替液汞。

另一类为控制汞蒸汽压型，如：Bi-Pb-Sn-Hg、Bi-In-Hg、In-Pb-Hg等，这类固汞能在较宽的温度区域将汞蒸汽压控制在1.0 Pa附近，固汞工作于较高的温度下仍可使灯获得高光效。控制汞蒸汽压型固汞随各金属元素组份不同，其工作温度区域ΔT90、ΔT95不同。ΔT90一般大于35℃，ΔT95大于25℃。控制汞蒸汽压型固汞一般均需要辅助In网帮助启动。

3、固汞按熔融温度高低分为：高熔融温度固汞(一般指熔融温度高于180℃

二、固汞的主要性能

固汞的主要性能参数包括：

1、汞蒸汽压温度特性曲线：

特性曲线包括：最佳工作温度、ΔT90温度范围、ΔT95温度范围、高低温汞蒸汽压变化趋势等相关参数。

(注：CWAIB为Zn-Sn-Hg ，CWISB为Sn-Hg，CWORB主要成分为Bi、Pb、Sn、Hg ，CWRTB主要成分为Bi、In、Hg，CWOTB主要成分为In、Pb、Hg，后面的数字表示含汞比例。)

2、汞的有效率。汞的有效率指特定的工作温度下，固汞能不断释放的汞量占固汞含汞量的百分比。

3、汞的蒸发速度。固汞因其结构不同，合金性能不同，汞的蒸发速度也不同。如部分Sn-Hg在50℃时，达到饱和汞蒸汽压1.0Pa的时间较长，不宜放入灯内使用，如放入灯内使用，需要烤汞。Zn-Hg(含Hg 50%)、Zn-Sn-Hg(含Hg 48%)在45℃时，达到饱和汞蒸汽压1.0Pa的时间较短。同一固汞在不同温度下，达到饱和汞蒸汽压所需的时间也不同。

4、固汞固、液相点温度及熔融温度。固相点温度表示在该温度及该温度以下固汞为固态，液相点温度表示该温度及超过该温度固汞完全为液态，熔融温度指固汞熔融变形温度，熔融温度低于液相点温度。

5、固汞释汞后汞蒸汽压温度特性。随灯燃点时间延长，固汞中汞不断被消耗，含汞比例减少，释放一部分汞后的固汞汞蒸汽压温度特性会发生变化，不同固汞变化情况不同。如：含汞6%的Bi-Pb-Sn-Hg与失去部分汞变成含汞4%的Bi-Pb-Sn-Hg，含汞50%的Zn-Hg与失去部分汞变成含汞30%的Zn-Hg，释汞前后汞蒸汽压温度特性有差异。制灯企业在设计、选择、使用固汞时均要考虑，使用固汞的灯，其光衰由灯固有的光衰(只考虑使用液汞时，杂质气体、荧光粉等与固汞无关的工艺因素决定)、汞原子的迁移过程、固汞特性变化引起的光衰综合决定。

6、固汞吸汞特性。不同固汞对灯内汞原子的回吸量和回吸速度不同，同一固汞在不同温度下回吸量和回吸速度也不同。固汞回吸灯内的汞原子会导致再次燃点时灯光输出爬升慢。

7、固汞溢汞、表面粘连特性。固汞受温度、振动、氧化或其它因素影响，汞会溢出固汞表面，导致颗粒粘连。部分固汞存在一定程度的溢汞，含汞量高的Zn-Sn-Hg溢汞严重，需要表面处理，添加其它金属可减少溢汞，但可能会降低固汞的汞有效率。

8、其它需要综合考虑的特性。如合金中各金属的蒸汽压、成本等。有的金属蒸汽压大，过高的温度长时间烤汞可能对灯参数有影响，如金属Zn。

三、如何设计选择固汞

1、选择固汞前应明确：

①最佳发光效率对应最佳汞蒸汽压。253.7nm辐射效率与汞蒸汽压有关，当汞蒸汽压小于最佳汞蒸汽压Po，随汞蒸汽压升高，汞原子碰撞机会增多，253.7nm的辐射效率提高，当汞蒸汽压高于最佳汞蒸汽压Po，随汞蒸汽压升高，汞原子产生的253.7nm辐射被相邻汞原子吸收，即共振吸收，253.7nm辐射效率降低。不同规格的灯，其光输出随汞蒸汽压变化的规律不同。

②固汞和液汞的汞蒸汽压在低气压气体放电灯中均为饱和汞蒸汽压，不同固汞饱和汞蒸汽压为1.0Pa对应的温度不同。

③随固汞的放置位置、燃点方向不同，灯内的汞原子分布存在梯度，汞原子会向更低汞蒸汽压的冷端迁移。

2、固汞使用原则:

能用低温固汞的不用中温固汞，能用中温固汞的不用高温固汞。一方面是启动爬升性能：低温固汞优于中温固汞，中温固汞优于高温固汞。另一方面是成本：低温固汞低于中温固汞，中温固汞低于高温固汞。

选择使用固汞的步骤：

1、根据固汞要求的工作温度区域确定固汞的类型。

①管电流密度、固汞放置的位置、灯的结构决定了固汞的温度。

②灯的离散性、燃点方式及相应的参数要求，决定了固汞的工作温度区域。如要同时保证灯头朝上与灯头朝下燃点的光通输出，应选择工作温度区域宽的固汞。

③固汞的工作温度区域确定了固汞的类型。

④确定固汞的类型要同时分析清楚灯内除固汞外的控制、影响汞蒸汽压的控制源，这种控制作用给灯带来什么影响，避免多个控制源引起灯长时间不稳定。

2、确定固汞的大小和粒数。

①根据排气管的大小，确定固汞的大小。

②灯内注汞量及每个固汞颗粒含汞量决定固汞的颗粒数。

③一般不将固汞放入灯内，避免划粉。

3、根据所选择固汞的型号制定配套工艺，包括固汞注入方式及保证排气管留长长度。

①固汞的型号决定了其熔融温度。熔融温度高的固汞可采用固汞上注入的全自动圆排气机，熔融温度低的固汞不宜采用固汞上注入的全自动圆排气机，排气管朝上的全自动圆排气机由于灯管离开烘箱后排气管温度仍然很高，固汞下落并存放于排气管中，熔融温度低的固

汞会软化变形、熔融掉入灯内。使用熔融温度低的固汞建议使用排气管朝下的圆排气机生产，固汞采用机械或人工预注入方式。

②固汞温度与排气管留长长度和固汞限位方式密切相关，制灯工艺应满足排气管留长长度和放置方便的需要。

③固汞自动注入装置应加冷却水套将温度控制在25℃以下，并同时采用惰性气体密闭保护，可更好地避免固汞由于高温、转动引起溢汞粘连，同时减少汞向生产场地扩散。

4、根据排气管的留长长度决定整灯的结构。

选择固汞一般可按上述顺序设计，但前后顺序又交互影响，要综合考虑，整体设计，在此不一一列出。以下就最常用的几种灯及所用固汞作一介绍。

四、直管型荧光灯用固汞

目前国内T10、T8、 T5直管型荧光灯固汞放置有两种方式，一种是置于灯内，优点是生产方便，成本低;缺点是灯在振动的储运过程中易划粉，选择这种工艺应考虑尽可能使用高含汞量、熔融温度高的小颗粒球丸固汞，放多粒。小颗粒球丸固汞是为了减轻划粉，用熔融温度高的固汞是为了避免固汞在圆排机排气后粘连，小颗粒球丸固汞变成大颗粒，大颗粒易划粉。

另一种方法是置于排气管中：

1、根据固汞要求的工作温度区域确定固汞的类型。

首先应测试排气管的温度，方法是在灯头中开小孔将点温探头固定在对应固汞位置的排气管外壁，在燃点条件下测试排气管外壁温度，40-45℃可用Fe、Cu、Hg固汞，Zn、Ni、Hg固汞，Zn-Hg球丸，Zn-Sn-Hg球丸，45-55℃可用Bi-Zn-Hg球丸。T10、T8、 T5直管型荧光灯常温25℃下燃点，排气管内的温度较低，应选择使用工作温度低、低温下汞有效率高的固汞代替液汞。

T10、T8、 T5直管型荧光灯不宜使用含汞量低的Zn-Hg(如含汞20-30%)、Zn- Sn-Hg(如含汞20-35%)，低含汞量的固汞工作温度略高，低温汞有效率低，不符合灯的需要。在试验条件下我们测得：Zn-Hg(含Hg 50%)在50℃、90℃汞有效率约为90%，Zn-Hg(含Hg 20%)汞有效率约为55%，Zn-Sn-Hg(含Hg 48%)汞有效率约为88%。造成上述固汞汞有效率不能达到100%是由于一部分汞溶解在Zn中不能释放，一部分汞与Sn结合成化合物，在测试温度下释放慢的缘故。T10、T8、 T5直管型荧光灯用固汞的金属成分中应避免使用Cu，Sn含量尽量低。

2、确定固汞的大小和粒数。

T10、T8、 T5直管型荧光灯排气管普遍较大，一般用一粒即可。

①、采用夹扁排气管使固汞存留在排气管内的方法时，为保证排气抽气速率，夹扁不宜

过深，同时又要阻止固汞掉入灯内，应选择大颗粒固汞，可用Fe、Cu、Hg固汞，Zn、Ni、Hg固汞，这种方法芯柱制造成本低，固汞成本略高;

②、采用大排气管内置一短小排气管使固汞存留在排气管内的方法时，固汞颗粒可小些，可用Fe、Cu、Hg固汞，Zn、Ni、Hg固汞，也可用Zn-Hg球丸，Zn-Sn-Hg球丸，这种方法芯柱制造成本高，固汞成本略低。

3、根据所选择固汞的型号确定制灯工艺。

上述固汞熔融温度均较高，可采用固汞上注入的全自动圆排气机生产，排气管留长长度应使固汞温度与固汞的工作温度相适应。

4、根据排气管的留长长度决定整灯的结构。

在粗管径直管型荧光灯中排气管内温度较低，如缩短排气管的留长长度，仍不足以提高固汞的温度，可考虑对灯头泥材料或灯头上稍作改进，进一步提高固汞的温度来提高光输出。

考虑未来灯内含汞量标准进一步降低的发展趋势，同时考虑同一圆排气机在不同时间使用三基色粉(固汞含汞量小于5mg)和卤粉(固汞含汞量小于10mg)生产更替方便，建议使用压制生产的固汞。如Fe、Cu、Hg圆柱体固汞，Zn、Ni、Hg圆柱体固汞。这种固汞可以做到含汞量2.5mg、4.5mg、9.0mg的颗粒均为同一尺寸，使用时不会因为三基色粉和卤粉转换而需要更换固汞装置。这种固汞通过添加Fe、Cr、Ni等金属粉使固汞性能不改变而颗粒变大，熔融法生产的球体固汞要保证固汞性能不改变而颗粒变大是难以实现的。

Fe、Cu、Hg固汞不易出现汞回吸，但表面易溢汞，引起颗粒含汞量不均匀，对运输储存条件要求高。Zn、Ni、Hg固汞表面不易溢汞，颗粒含汞量均匀，运输储存条件要求低，常温汞回吸比Sn-Hg要少，综合性能较好。球体的Zn、Ni、Hg固汞使用更方便，是我们期盼的一种较理想球丸。

五、紧凑型荧光灯裸灯用固汞

紧凑型荧光灯由于排气管内径普遍较小，一般使用球丸形固汞。

1、根据固汞要求的工作温度区域确定固汞的类型。

当固汞放于排气管中，固汞温度可能达到100℃，使用中、高温固汞成本高，需要辅助In网，生产工序复杂。是否一定要用中、高温固汞呢?

①在灯头朝上燃点时，固汞温度约100℃，我们可以将三U管分为六支直管来分析，放固汞的一支，固汞端为热端(约100℃)，另一弯管端为冷端(约43℃)，如使用低温固汞，热端汞蒸汽压均远大于1.0Pa，在这支直管中汞蒸汽压呈梯度分布，发光效率略低，但另五支直管中汞蒸汽压受冷端控制，发光效率高，灯总的发光效率接近液汞。这种情况下，尽管固汞温度达到100℃，但只要控制好冷端温度，灯发光效率仍然很高，灯长时间燃点后，固汞中的汞主要沉积在冷端，灯由微动态进入稳定态，完全可以用低温固汞。

②在灯头朝下燃点时，固汞温度约80℃，无合适冷端，灯发光效率低，但可加长排气管的长度，降低固汞温度，使固汞温度接近其最佳工作温度，提高灯的发光效率。双U紧凑型荧光灯类似。

裸露式双U、三U、双Π、三Π、双UΠ、三UΠ紧凑型荧光灯从灯发光效率考虑，在灯头朝上燃点时，Zn-Hg、Zn-Sn-Hg、Bi-Zn-Hg、Sn-Hg 、Bi-Sn-Hg均可放于排气管中使用，使用成本低。

不同固汞工作温度不同，低温汞饱和蒸汽压也不同。

低温汞饱和蒸汽压：10℃饱和汞蒸汽压：液汞%26gt; CWIS-20%26gt;

CWARB-15%26gt;CWAIB-48 %26gt;Zn-Hg (50%)%26gt;CWIRB-15%26gt;CWLS-20，25℃饱和汞蒸汽压：液汞%26gt; CWISB-20%26gt; CWAIB-48%26gt; CWARB-15%26gt; CWLS-20 %26gt;

CWIRB-15%26gt; Zn-Hg (50%)。

启动性能除了考虑低温汞饱和蒸汽压，还要考虑汞回吸的影响，除Fe、Cu、Hg固汞外，目前所有固汞产品均存在汞易回吸现象，不同固汞回吸速度、回吸量不同，由于常温真实状态下测试时间长，目前测试数据不充分。理论上Sn-Hg、Bi-Sn-Hg由于合金中Sn与Hg原子数之比较大，易形成化合物，汞较易回吸，另外合金表面光亮致密，汞蒸发速度慢，灯如未经烤汞释汞，长期存放后，易引起灯的光输出爬升慢。Zn-Hg、Bi-Zn-Hg也存在汞回吸现象，在43℃以下，Zn与Hg也有化合物，Bi与Hg不会形成化合物，从形成化合物的角度看，Bi-Hg、Bi-Zn-Hg(少量Zn)，灯常温长期存放后，灯的启动爬升性能优于Sn-Hg，这一点还有待更多的测试数据证明。Bi-Sn-Hg存在类似Sn-Hg长期存放后光输出爬升慢的问题，部分企业使用Bi-In-Sn-Hg、Bi-Pb-Sn-Hg，不加In网尤其要注意灯长期存放后的爬升特性，因为In、Pb吸汞能力更强。综合考虑我们建议紧凑型荧光灯裸灯使用Zn-Hg、Zn-Sn-Hg(含Sn应低于15%)、Bi-Zn-Hg。

2、确定固汞的大小和粒数。

排气管内径大于1.8mm可选择一粒Bi-Zn-Hg，排气管内径大于1.4mm可选择一粒Zn-Hg或Zn-Sn-Hg，排气管内径小于1.2mm可选择两粒Zn-Hg或Zn-Sn-Hg。典型Zn-Hg、Zn-Sn-Hg由于含汞比例高，颗粒小，典型Bi-Zn-Hg由于含汞比例低，颗粒大。目前市场上这三种固汞的含汞量分别为：Zn-Hg含Hg 50%、Zn-Sn-Hg含Hg 40-50%、Bi-Zn-Hg含Hg 10-15%。

3、根据所选择固汞的型号确定制灯工艺，包括固汞注入方式及保证排气管留长长度。

Zn-Hg、Zn-Sn-Hg、Bi-Zn-Hg固汞熔融温度均较高，可采用固汞上注入式全自动圆排气机。灯头朝下燃点时，排气管留长长度尽量长，使固汞温度与固汞的工作温度相适应。

4、根据排气管的留长长度决定整灯的结构。

在电子节能灯中，电子整流器线路板上应留孔并满足排气管留长长度的要求，保证固汞的温度符合设计要求，固汞的温度不仅由灯的规格、排气管留长长度决定，也和电子整流器

性能及整灯的结构有关。

小结

各国都在寻求降低能耗、减少有害物质排放的办法，紧凑型荧光灯作为成熟的高效光源，将迎来空前发展，随着减少有害物质排放标准严格实施，荧光灯降低汞污染的形势将更加紧迫。

液汞由于表面张力难于微量准确称量，准确注入，液汞耗散在生产场地难以清理干净，不利环保;液汞在高于60℃温度下，汞蒸汽压大于3.0Pa，光输出明显降低。固汞能准确控制灯内的注汞量，降低灯寿命期结束后对环境造成的污染，降低生产场地的汞污染，能使高管壁负载的紧凑型荧光灯获得高光效。固汞取代液汞是目前较理想的选择，也是发展的方向，国内外制灯企业正加快固汞取代液汞的步伐。但固汞也有一些缺点：成本高，光输出爬升慢等。

随着产品质量要求的提高，固汞生产企业也将面临更多的考验，一方面要不断创新，设计新产品适应新要求，严格把好产品质量关，另一方面要严格控制固汞生产生产场地的汞污染，确保废气、废水、废渣的排放符合国家相关标准。制灯企业一方面要对固汞有充分认识，统筹设计，正确选择使用固汞，提高灯的质量，另一方面也要严格控制制灯生产场地的汞扩散污染。

从我们与许多制灯企业交流情况看，制灯企业对固汞的特性缺乏充分了解，对固汞与制灯工艺配套认识不足，整体设计意识不强。使用固汞的荧光灯潜伏着一些问题，直管型荧光灯用固汞普遍忽视汞有效率的问题，某批次或部分产品可能寿命达不到要求，带罩紧凑型荧光灯用固汞普遍忽视固汞熔融温度及工作特性问题，灯的离散性大。要把固汞做好，把灯做好，固汞生产企业与制灯企业应充分交流，密切配合，共同提高。

对固汞的研究还有许多工作要做，在此仅就目前固汞的情况及使用情况作一介绍，抛砖引玉，请我们专家、同行批评指正，交流提高，让固汞产品能更好适应灯的要求，促进高效节能，绿色环保照明的发展。