超白浮法玻璃熔化溫度與黏度特性及其對(duì)液流影響的分析

武林雨 許世清 王長(zhǎng)軍 趙寶盛 劉世民

（1. 河北省超白功能玻璃材料技術(shù)創(chuàng)新中心 廊坊 065600；2. 河北南玻玻璃有限公司 廊坊 065600；3. 燕山大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 秦皇島 066004）

0 引言

超白玻璃又稱高透明玻璃、低鐵玻璃，與普通玻璃相比具有較高的透光率和透明特性，主要應(yīng)用于高檔建筑的內(nèi)外裝修、電子產(chǎn)品、高檔轎車玻璃、太陽能電池、高檔園藝建筑、高檔玻璃家具、各種仿水晶制品等行業(yè)。然而，與普通的浮法玻璃相比，由于超白玻璃的鐵含量低，玻璃液的溫度、黏度特性與普通玻璃存在較大的差異，對(duì)熔窯內(nèi)玻璃液流的影響也存在較大的不同。

本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工況條件，通過軟件計(jì)算對(duì)超白浮法玻璃的溫度與黏度特性及其對(duì)玻璃液流的影響進(jìn)行分析，為超白浮法玻璃的穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供參考。

1 研究現(xiàn)狀及方法

1.1 研究現(xiàn)狀

Sakaguchi等［1］研究了鋁-堿土-硅酸鹽和堿土-硅酸鹽玻璃體系中二價(jià)鐵離子在紅外波段的吸收峰，并發(fā)現(xiàn)采用所獲得的吸收峰數(shù)據(jù)能夠通過公式來計(jì)算光學(xué)堿度。Jong-Hee Hwang等［2,3］通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過控制鐵離子的氧化物狀態(tài)，可以調(diào)整玻璃液的導(dǎo)熱水平，穩(wěn)定玻璃的顏色轉(zhuǎn)變過程，并指出，可通過控制不同顏色玻璃中氧化鐵的含量使玻璃熱傳導(dǎo)率的系數(shù)保持不變。同時(shí)，測(cè)得了透明與彩色玻璃中氧化鐵含量的最優(yōu)值，使得其高溫下與黑色玻璃有相同的熱傳導(dǎo)率。Xu等［4］指出，在玻璃原料中，F(xiàn)e2O3的存在會(huì)影響玻璃的透熱性，進(jìn)而影響輻射傳熱能力，增加熔化難度；同時(shí)，隨著Fe2O3含量的增大，表層玻璃液的吸熱效果增加，上層玻璃液的流速增大，相關(guān)的工藝參數(shù)需與之相匹配，才能夠保證玻璃產(chǎn)品的穩(wěn)定生產(chǎn)。張為民等［5］分析了影響氧化鐵著色的主要因素，以及氧化鐵對(duì)玻璃熔制、退火、成形的影響。王升高等［6］測(cè)定了無堿玻璃中Fe2+和 Fe3+的含量以及玻璃的透熱性能，并對(duì)其吸收光譜進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)高溫時(shí)無堿玻璃的透熱性能與原料中Fe2+的含量存在定量關(guān)系。高艷麗［7］探討了鐵對(duì)玻璃顏色、透光度、密度和窯內(nèi)底溫的影響，并提出了一些相關(guān)的措施來改善生產(chǎn)。蔣文玖［8］指出了降低和減少玻璃原料中Fe2O3的含量可以加快熔制和澄清的速度，并提出了必項(xiàng)具體的措施。

1.2 研究方法

采用廈門靈捷軟件有限公司開發(fā)的“SMARTDATA 無機(jī)玻璃工程師系統(tǒng)GE-SYSTEM”軟件，結(jié)合西北輕工學(xué)院主編的《玻璃工藝學(xué)》，對(duì)超白及普白玻璃的溫度、黏度特性進(jìn)行計(jì)算。通過窯內(nèi)主體環(huán)流的流動(dòng)規(guī)律以及實(shí)際生產(chǎn)線上工況參數(shù)對(duì)液流影響進(jìn)行分析研究。

2 研究?jī)?nèi)容與分析

2.1 玻璃液溫度與深度的關(guān)系

超白玻璃與普通浮法玻璃的主要差別在于含鐵量的不同。無論是以正常組分或以雜質(zhì)形式存在于原料中的鐵，都會(huì)對(duì)玻璃的熔化產(chǎn)生影響。因?yàn)殍F離子大量吸收火焰的熱輻射，降低熱輻射的透過率，使玻璃液沿玻璃熔窯深度方向產(chǎn)生溫度降。

玻璃熔窯的深度與溫度不呈直線關(guān)系，而是存在如下關(guān)系［4］：式中：t——玻璃液（熔化池）的深度，m；

T——玻璃液某高度處的溫度，℃；

T0——玻璃液表面的溫度，℃；

A和n——與玻璃中Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)的常數(shù)。

式（1）表明，玻璃液某一高度上的溫度，取決于玻璃液表面溫度T0及常數(shù)A和n，T0為設(shè)計(jì)溫度。A和n由式（2）給出：

x為玻璃組分中Fe2O3的質(zhì)量百分含量。根據(jù)式（1）變形得到的玻璃液深度與溫度之間的關(guān)系式：

因此，若知道氧化鐵的含量，便可確定玻璃液深度與溫度的關(guān)系。本文以超白玻璃鐵含量0.0096%、普通玻璃鐵含量0.122%為例，計(jì)算了不同玻璃液深度下對(duì)應(yīng)的溫度。在計(jì)算時(shí)，假設(shè)超白和普白玻璃在液表處的黏度一致，統(tǒng)一為10 Pa·s，則計(jì)算獲得的玻璃液溫度隨深度變化的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 兩種玻璃在不同玻璃液深度處的溫度對(duì)照

從表1中的對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，超白玻璃液的表面與池底之間的溫差較小，即隨著玻璃液深度的逐漸加深，超白玻璃的玻璃液溫度下降趨勢(shì)要比普通玻璃小很多，也就是說超白玻璃的透熱性要高，池底溫度明顯高于普通浮法玻璃。

2.2 玻璃液黏度與深度的關(guān)系

玻璃液溫度與黏度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系［9］：

式中：T——玻璃液的溫度；

h——玻璃液的黏度；A'、B、C——分別為與成分有關(guān)的常數(shù)。

為了表達(dá)玻璃液深度與黏度之間的關(guān)系，將式（1）代入到式（5）中，得到玻璃液深度t與黏度h之間的關(guān)系式為：

因此，若知道氧化鐵的含量，便可確定玻璃液深度與黏度的關(guān)系。本文以超白玻璃鐵含量0.0096%，普通玻璃鐵含量0.122%為例，計(jì)算不同玻璃液深度下對(duì)應(yīng)的黏度，如表2所示。

表2 兩種玻璃在不同玻璃液深度處的黏度

從表2可以看出，隨玻璃液深度的增大，兩種玻璃的黏度均增大。但超白玻璃液黏度梯比普通浮法玻璃小，隨著玻璃液深度的增加，玻璃液的黏度增加的程度將不再明顯。

2.3 對(duì)玻璃液流的影響

由于超白玻璃的透熱性較好，底部玻璃液的溫度較高，黏度較小。玻璃液的黏度和溫度對(duì)熔窯內(nèi)玻璃液的流動(dòng)有直接關(guān)系。溫度是玻璃液可以流動(dòng)的直接驅(qū)動(dòng)因素，有了溫度的梯度差異，才會(huì)導(dǎo)致玻璃液其他物性參數(shù)的梯度差異。在熔窯的長(zhǎng)度、寬度和深度方向，玻璃液黏度、密度的梯度差異才導(dǎo)致了玻璃液的自然流動(dòng)。

從窯內(nèi)整體玻璃液的環(huán)流情況來分析，窯內(nèi)的主體環(huán)流為典型的三環(huán)流［12］，其在窯內(nèi)的主要分布形式如圖1所示。

圖1 窯內(nèi)主體三環(huán)流示意［10］

由于超白玻璃底部玻璃液溫度較高，黏度較低，必然會(huì)導(dǎo)致第一循環(huán)區(qū)下層玻璃液的流速增大。一般情況下，與普通浮法玻璃相比，超白玻璃池底對(duì)應(yīng)熱電偶的溫度值會(huì)比普通玻璃高70～80 ℃。而這一系列的變化，將會(huì)導(dǎo)致池底處玻璃液的相對(duì)不動(dòng)層較淺，透過池底耐火材料到達(dá)窯底的溫度會(huì)較高，高溫會(huì)對(duì)耐火材料的壽命帶來一定的影響，同時(shí)較大的流速也會(huì)增加對(duì)池底耐火材料的侵蝕。超白與普通浮法窯內(nèi)主體三環(huán)流影響變化對(duì)比示意圖如圖2所示。

圖2 超白與普通浮法窯內(nèi)主體三環(huán)流影響變化對(duì)比示意

因此，對(duì)于生產(chǎn)超白玻璃的熔窯而言，為了提高熔窯池底的抗侵蝕性，會(huì)采用雙層池底鋪面磚進(jìn)行鋪設(shè)，并且為了避免池底溫度過高，會(huì)減少對(duì)池底耐火材料的保溫。此外，高溫玻璃液對(duì)池壁的侵蝕也較為明顯。采用相同的池壁耐火材料，在生產(chǎn)普白玻璃產(chǎn)品時(shí)，一般4～5年才會(huì)開始對(duì)池壁進(jìn)行第一次綁磚，而生產(chǎn)超白玻璃產(chǎn)品時(shí)，一般2～3年就會(huì)第一次綁磚。所以，如果從熔窯的使用壽命角度考慮，熔化部可以適當(dāng)采用更高標(biāo)號(hào)的耐火材料，同時(shí)還要加大對(duì)池壁的巡檢。

由于超白玻璃透熱性好，液表與池底之間的溫差減小，進(jìn)而導(dǎo)致玻璃液在深度方向的對(duì)流減弱，水平方向的流速增大。對(duì)于第一循環(huán)區(qū)而言，其下層的前進(jìn)流為玻璃配合料迅速分解，并發(fā)生主要物理化學(xué)反應(yīng)的階段，也是氣泡產(chǎn)生的主要階段。當(dāng)該區(qū)段處玻璃液的流速增大，對(duì)應(yīng)在該段處的停留時(shí)間便會(huì)縮短，進(jìn)而縮短了氣泡的排除時(shí)間，同時(shí)，由于玻璃液的透熱性高，玻璃液在深度方向上的黏度梯度較低，氣泡的上升速度加快，澄清時(shí)間縮短，進(jìn)而在澄清段會(huì)帶來澄清困難的問題。

在生產(chǎn)超白玻璃時(shí)，由于較低的鐵含會(huì)減少對(duì)火焰空間熱輻射的吸收，導(dǎo)致超白料比較難熔，一般會(huì)提高火焰空間的溫度，尤其是澄清區(qū)的溫度。與普白相比，生產(chǎn)超白玻璃時(shí)，澄清區(qū)的溫度一般都會(huì)升高20～30 ℃來提高澄清效果。

3 結(jié)語

超白玻璃的鐵含量較低，對(duì)火焰空間紅外輻射的吸收能力較弱，在熔窯中整體液流的透熱性較強(qiáng)，因此超白玻璃液的液表與池底之間的溫差較小，黏度梯度也較小，池底溫度較高，下層液流流速較大，對(duì)耐火材料的侵蝕較大，且澄清較難。因此在進(jìn)行超白玻璃的生產(chǎn)時(shí)，需要選擇合適的池底耐火材料和厚度，提高池底的抗侵蝕能力，同時(shí)也應(yīng)適當(dāng)提高澄清溫度，避免澄清不足的問題。