浮法玻璃微氣泡缺陷的原因及解決途徑

浮法玻璃微氣泡缺陷的原因及解決途徑

作為世界著名的玻璃制造商，中國在多年來玻璃生產(chǎn)方面連續(xù)排名第一。“中國洛陽浮法”技術(shù)作為我國平板玻璃的主體工藝,經(jīng)過20多年的研究開發(fā),工藝水平迅速提高,玻璃質(zhì)量也已達到國際先進水平。但對于高質(zhì)量玻璃的需求,仍然無法滿足,需要依靠國外進口解決,因為浮法玻璃微氣泡作為影響玻璃質(zhì)量的重要缺陷之一,始終困擾著國內(nèi)眾多的玻璃生產(chǎn)企業(yè)。雖然浮法玻璃國家標準GB11614—1999對浮法玻璃微氣泡未做要求,但直徑超過0.1mm的氣泡,在玻璃鍍膜后已能被肉眼看出,所以微氣泡的數(shù)量成為衡量優(yōu)質(zhì)浮法玻璃的重要指標。由于導(dǎo)致玻璃微氣泡產(chǎn)生的眾多因素之間相互影響,使得消除玻璃氣泡缺陷問題變得錯綜復(fù)雜。隨著玻璃原片在深加工方面應(yīng)用領(lǐng)域的擴展以及高質(zhì)量玻璃的市場需求,如何解決浮法玻璃微氣泡缺陷成為玻璃行業(yè)持續(xù)發(fā)展所面臨的重要課題。1玻璃中氣泡的產(chǎn)生原因浮法玻璃生產(chǎn)中的氣體主要產(chǎn)生于熔制過程,其次在錫槽的成形過程也會由于某些原因而生成一些氣體。這部分氣體有的溶解于玻璃液中,有的以可見氣泡的形式出現(xiàn),有的會吸附于玻璃熔體表面。這部分氣泡在黏度較高的玻璃熔體中上升速度很慢,所以絕大部分氣泡很難在既定的澄清溫度和時間內(nèi)上升到玻璃的熔體表面。而這些滯留在玻璃產(chǎn)品中的氣泡則導(dǎo)致了玻璃缺陷的產(chǎn)生,造成了生產(chǎn)成本的增加和資源的浪費。氣泡產(chǎn)生的途徑有很多,但不外乎物理反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)以及物理化學(xué)反應(yīng)過程。氣泡的主要來源有:1)配合料中夾帶或表面吸附氣體相對于配合料分解所產(chǎn)生的氣體,由配合料夾帶和吸附的氣體是微不足道的。在熔制階段的初期就會通過揮發(fā)或蒸發(fā)逸出,這部分氣體一般不會導(dǎo)致最終玻璃產(chǎn)品中的氣泡缺陷。2)硅酸鹽玻璃形成過程中各種鹽類分解產(chǎn)生的氣體最終玻璃產(chǎn)品中存在的氣泡主要由這部分氣體構(gòu)成。在硅酸鹽玻璃的熔制過程中,隨著溫度的升高和化學(xué)反應(yīng)的進行,會導(dǎo)致各種鹽類的分解,其中主要包括碳酸鹽、硫酸鹽等化合物的分解和一些復(fù)鹽、低共熔及多組分混合物在加熱過程中發(fā)生的一系列復(fù)雜的固相反應(yīng)及化學(xué)反應(yīng),釋放出大量含有多種成分的氣體。3)外界因素引入的氣體這部分氣體包括:窯內(nèi)火焰燃燒產(chǎn)生的氣體溶入玻璃液;爐體耐火材料與熔融的高溫玻璃液發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的氣體;錫槽耐火材料在高溫時產(chǎn)生的氣體;錫液中氫和氧的反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體等。4)溶解于玻璃液中的氣體重新析出而產(chǎn)生的氣體除由配合料等原因析出的氣體因超出玻璃液的溶解度直接生成氣泡外,已溶解的氣體在一定條件下從液相重新析出而生成氣體。2玻璃液中氣體的擴散一般來說,隨著溫度的上升,氣體在液體中的溶解度會逐漸降低。因此,隨著熔制過程中溫度的不斷升高,除可見氣泡,溶解于玻璃液中的氣體也會逐漸析出成為氣泡。當氣體在玻璃液中的溶解度達到飽和狀態(tài)時,溶解于玻璃液中的氣體從液相轉(zhuǎn)為氣相的傾向增大,在一定條件下形成泡核。隨著玻璃液中氣體向核泡擴散,使得核泡逐漸長大。按M.cable的意見,核泡能否長大,取決于氣泡的臨界半徑rk。rk=2σ?(1?lnCC0)/(P?lnCC0)(1)rk=2σ?(1-lnCC0)/(Ρ?lnCC0)(1)式中,σ為表面張力;C/C0為過飽和度;P為氣泡內(nèi)的氣體壓強。1)若氣泡的尺寸小于臨界尺寸,隨著氣體壓強P的增大(即氣泡內(nèi)某種成分的氣體分壓增大),此時氣泡變小,氣泡中的氣體溶解于玻璃液中,反之,則氣泡變大。2)當增加某種氣體的過飽和度C/C0時,臨界半徑rk將減小,因此,原屬于玻璃液中臨界半徑的氣泡,此時就大于臨界半徑,氣泡增大。3)對于擴散速度不同的氣體(例如二氧化碳的擴散速度為5×10-7cm/s,氧氣的擴散速度為3×10-6cm/s),因擴散速度小的氣體在核泡周圍的過飽和度C/C0比較大,因此該種氣體的臨界半徑rk較小,故擴散速度小的氣體易于氣泡的成長。3反應(yīng)溫度對玻璃制品品質(zhì)的影響玻璃液的澄清是玻璃熔制過程中極為重要的一環(huán),是指隨著加熱溫度的升高,玻璃液粘度降低,可見氣泡排除直至全部消失的過程,這一階段與玻璃制品的質(zhì)量和產(chǎn)量有著密切的關(guān)系。3.1氣體交換的來源澄清的過程,首先是窯內(nèi)的氣體,氣泡中的氣體,與玻璃液中物理溶解和化學(xué)結(jié)合的氣體之間建立平衡,再使可見氣體漂浮至玻璃液表面加以消除的過程。三者之間平衡的建立是非常困難的,因為在澄清過程中將發(fā)生復(fù)雜的氣體交換,如圖1所示。1)溶解于玻璃液中的氣體從過飽和的玻璃液中分離,進入氣泡或爐氣中;2)氣泡中所含的氣體分離出來進入爐氣或溶解于玻璃液中;3)爐氣中的氣體溶解于玻璃液中。氣體間的轉(zhuǎn)化和平衡與玻璃的成分、熔制溫度、爐氣的組成和壓力,形成氣泡的氣體性質(zhì)等因素密切相關(guān)。澄清時,玻璃液中溶解的氣體,氣泡中的氣體及窯內(nèi)氣體間的平衡關(guān)系由該種氣體在各相中的分壓決定的。氣體由分壓較高的相進入分壓較低的相。如溶解于玻璃液中氣體的分壓大于氣泡內(nèi)同種氣體的分壓,則溶解于玻璃液中的氣體向氣泡內(nèi)轉(zhuǎn)化。反之,如氣泡內(nèi)氣體的分壓大于玻璃液中溶解氣體的分壓,則氣泡內(nèi)的氣體將溶解于玻璃液中,甚至完全消失。3.2上浮、溢出理論針對玻璃液澄清過程中氣泡的消除,目前比較一致的觀點認為該過程分兩個階段進行:第一階段為泉谷氏的氣泡產(chǎn)生、上浮、溢出理論,他認為氣泡的產(chǎn)生和成長是相變現(xiàn)象,首先從過飽和熔液中產(chǎn)生氣泡核,通過氣體擴散而成長到臨界值,上浮,從玻璃液表面溢出。通過模擬實踐證明,玻璃液的澄清過程中確實存在著氣泡的成長;第二階段為CableM凱布樂的氣體擴散理論,他認為氣泡的澄清過程歸結(jié)為氣體的擴散,小氣泡內(nèi)的氣體可在玻璃熔體中因溶解而消失。1氣泡上浮速度的測定這種情況主要在熔化部進行,按照斯托克斯定律,氣泡的上升速度與氣泡半徑的平方成正比,與玻璃液的粘度成反比V=2γ2g(ρ?ρ′)9η(2)V=2γ2g(ρ-ρ′)9η(2)式中,V為氣泡上浮速度,cm/s;γ為氣泡的半徑,cm;g為重力加速度,cm/s2;η為玻璃液黏度,Pa·s;ρ為玻璃液的密度,g/cm3;ρ′為氣泡中的氣體密度,g/cm3。由式可知,大氣泡比小氣泡的逸出速度要快的多,因此,除了玻璃液的對流能引起微小的氣泡移動以外,小氣泡幾乎不可能漂浮到玻璃液面。2內(nèi)壓力的變化這種情況多發(fā)生在澄清區(qū)和冷卻部,玻璃液中氣泡的消除與表面張力所引起的氣泡內(nèi)壓力的變化有關(guān)。由表面張力引起的壓力Pσ與玻璃液表面張力σ以及氣泡半徑r之間的關(guān)系是Pσ=2σ/r(3)Ρσ=2σ/r(3)表面張力對微小氣泡有巨大影響,玻璃液的表面張力越大,氣泡半徑越小,微小氣泡越易溶解于玻璃液中。4浮法玻璃熔制氣泡澄清機理氣泡的澄清是玻璃熔制過程中非常重要一環(huán),不僅是節(jié)能和生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)玻璃的關(guān)鍵,也是整個玻璃行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要。文章通過對浮法玻璃熔制過程中氣泡