熔融玻璃中气泡行为及其减少措施.doc

熔融玻璃中气泡行为及其减少措施 乐军” 宋力昕2 孙承绪3 (1、2、中国科学院上海硅酸盐研究所上海200050)(3、华东理工大学上海20023D 摘 要：在分析玻璃液内气泡行为的基础上，建立了描述浮法玻璃熔窑澄清过程的数学模型。模拟结果表明，玻璃液澄 清能力与浮法熔窑结构有着密切联系：升高热点温度或降低烙窑生产能力的澄清效果应视熔窑结构而定：无冷却部向熔 化部回流的池窑．虽然能降低能耗，但对玻璃液澄清十分不利。 关键词：浮法玻璃熔窑数学模拟玻璃液澄清熔窑结构 X 1引言 在玻璃熔制过程中，残留气泡问题一直是困惑玻璃生产技术人员的难题之一，消除残留气泡已成为 提高产品质量、降低生产成本的关键。 在玻璃熔窑中，玻璃的熔制需要经历配合料熔化、玻璃液澄清、均化和冷却四个阶段。在硅酸盐形 成和玻璃形成阶段，由于配合料各组份的分解和部分组份的挥发，析出大量气体，大约为玻璃重量的17～ 18％，其体积是玻璃熔体的几千倍。这些气体直至玻璃形成阶段结束，仍有很少部分没有从玻璃液中完 全排出。玻璃液的澄清过程就是从熔融的玻璃液中排除气泡的过程。澄清过程对玻璃产品的质量具有决 定性影响，是玻璃熔制中的重要阶段。对于浮法玻璃，澄清一般在1400～1500℃结束，这时的玻璃液粘 度为10帕·秒左右。 玻璃液中的气体有几种存在形式，它可能是可见的气泡，可能是呈溶解状态，也可能是与玻璃组份 形成化学的结合。 玻璃液中一般含有下列几种气体：C02、0z、H20、S03、N：等。其中C02来自于碳酸盐，02来自 于氧化物和空气，H20来自配合料中的水分，S03来自硫化物(澄清剂)，N2来自吸收的空气。氮气一 般是以物理溶解状态存在于玻璃液中。其他气体大部分以化学结合状态存在。C02、S03与玻璃中的一 价或二价金属氧化物结合成为碳酸盐和硫酸盐存在于玻璃中。氧常与玻璃中的某些变价元素结合形成高 价氧化物。除氮外其他几种气体在玻璃中的含量与玻璃组成有关。Si02含量愈高，一价和二价金属氧化 物含量愈少时，这些化学结合状态的气体就愈少。 一般说来，气体在液体中的溶解度随着温度的升高而降低(也有特殊的情况)。由于气体在玻璃熔 体中的溶解有一定限度，所以就出现了气泡。气泡中包含多种气体，每种气体在气泡中的分压是不一致 的，但每种气体在气泡中的分压应该与这种气体在玻璃液中的分压处于平衡状态。 澄清过程首先是使气泡中的气体、窑内气体与玻璃液中物理溶解和化学结合的气体之间建立平衡， 再使可见气泡漂浮于玻璃液的表面而加以消除。 在澄清时，玻璃液内溶解的气体、气泡中的气体以及窑内气体间平衡关系是由该种气体在各相中的 分压所决定。气体由分压较高的相进入分压较低的相，如窑内气氛中某一气体分压大于玻璃液内同种气 体的分压，则该气体将溶人玻璃液内，直至两相分压相等为止。如果溶解于玻璃液中气体的分压大于气 泡内同种气体的分压，则气泡就要从四周玻璃液中吸取气体。 气泡中含有气体的种类愈多，则每种气体的分压就愈小，从而吸收玻璃液中溶解气体的能力就愈强， 气体的排除就较容易。因为各种不同的气体分压总值，比较容易达到自玻璃液中将它们排除出去所需的 压力。 窑内气体分压的大小决定着玻璃液内溶解气体的转移方向，为了便于排出从玻璃液中分离出来的气 体，窑内气体的分压必须小些，同时窑内气体的组成和压力必须保持稳定。在澄清过程中，可见气泡的 消除，按下列两种方式进行： (1)使气泡体积增大加速上升，漂浮出玻璃表面后破裂消失： (2)使小气泡中的气体组份溶解于玻璃液中，气泡被吸收而消失。 前一种情况主要是在熔化部进行的。气泡的大小和玻璃液的粘度是决定气泡能否漂浮的主要因索。 按照斯托克斯(Stockes)定律，气泡的上升速度与气泡的半径平方成正比，而与玻璃液粘度成反比。通 过池深为l米的玻璃液所需的时间为：  气泡直径(毫米) 气泡上浮速度(厘米14,时) 气泡上浮1米所需时间(小时) 1．0 70．0 1．4 0．1 0．7 140 0．0l 0．007 14000 由此可见，大直径的气泡比小直径的气泡从玻璃液中逸出的速度要快得多。真径为0．1毫米或小于 0．1毫米的气泡，从玻璃中逸出，就需要经过很长的时间。因此，对于微细气泡来说，除了玻璃的对流 能引起它们的移动之外，几乎不可能漂浮到玻璃液面。由于玻璃液的对流，实际气泡不沿垂直方向上升。 在等温等压下，使玻璃液中气泡变大有二个因素： (1)多个小气泡集合为一个大气泡： (2)玻璃液中溶解的气体渗入气泡，使之扩大。 关于第一种因素，在实际的澄清过程中不可能发生。因为通常小气泡彼此距离比较远，而且玻璃液 的表面张力又很大，都阻碍小气泡的聚合。 第二种因素具有重要的实际意义。玻璃液中溶解气体的过饱和程度愈大，这种气体在气泡中的分压 愈低，则气体就愈