摘要:根據氣體在玻璃液中的溶解度與溫度成反比的理論,討論了窯爐結構及工藝條件對消除氣泡的影響,找出了窯爐熔化溫度,出料量與氣泡數量間的平衡關系,用以指導生產.
關鍵詞:玻璃瓶;高白料;氣泡;吸收法
氣泡是玻璃中的常見缺陷,其產生的原因很多,有熔化能力不足,溫度不夠造成的,有澄清不良消除不掉的，也有耐火材料產生的,還有成型時供料操作不當帶來的.本文討論我公司1號玻璃窯爐生產高白料玻璃瓶時消除氣泡的做法.
氣泡的產生及消除過程
1號玻璃窯爐是座燃煤蓄熱室馬蹄焰池爐.在設計上采用小動量比,傾斜底板小爐結構,深澄清池,傾斜上升式流液洞與上升料道,無工作池,該窯爐冷修改造后生產高白料玻璃瓶,投產后發現制品上帶有氣泡,有圓形的,橢圓形的和表面薄皮氣泡,數量0個23/!左右,嚴重影響產品外觀質量.起初,我們按排出法的思路采取措施:提高熔化溫度,降低熔化率,將火焰空間輻射溫度逐步提高,出料量也降低,結果氣泡數量增加到523/!,直徑增大薄皮氣泡增多;提高配合料氣體率,加大澄清劑用量,氣體率提高,但氣泡并未減少;加大助熔劑的引入量,仍無明顯效果.面對制品上越來越多的氣泡,我們意識到“吸收法”的思路才可能是正確的.于是,將熔化溫度降低后氣泡數量減少。后又降到0個23/!,接著改進加料機實現薄層裹入式加料,繼續降低熔化溫度,出料量控制合適,最終氣泡數量穩定,直徑減小。
玻璃熔制工藝中氣泡消除機理
熔制過程是一個復雜的物理化學反應過程,包含硅酸鹽形成階段,玻璃形成階段,澄清均化階段,其中澄清階段是氣泡消除的過程.在這一過程中隨溫度升高玻璃液粘度降低,氣泡中的氣體,窯內氣體與玻璃液中物理溶解和化學結合的氣體之間建立平衡,再使可見氣泡漂浮于玻璃液面加以消除.在澄清過程中可見氣泡的消除按下列兩種方式進行:
１氣泡體積增大加速上升,漂浮出玻璃表面后破裂消失.
２小氣泡中的氣體組份溶解于玻璃液中,氣泡被吸收而消失.
氣泡的大小和玻璃液的粘度是氣泡能否漂浮的決定因素.根據斯托克斯定律,氣泡的上升速度與氣泡的半徑平方成正比,而與玻璃液粘度成反比.
根據高白料玻璃的成分計算玻璃液在不同溫度下的粘度,并與我公司一翠綠玻璃配方相比較.以澄清位置的玻璃液溫度,氣泡上浮距離計算不同直徑氣泡的上浮時間.
提高熔化溫度可增加直徑0.2mm以上氣泡的上浮速度,減少上浮所需要時間,但對直徑在0.2mm以下的氣泡則很難通過上浮而消除,必須通過對溫度進行調節使小氣泡在玻璃液中被吸收而消除.
在玻璃液降溫過程中,由于氣體變冷,氣體壓力不變的情況下氣泡將變小.由于玻璃表面張力的原因,氣泡內壓力因半徑的減小而增大,降溫時,玻璃液中氣體的飽和壓力低于氣泡內氣體的壓力,氣泡內的氣體釋散到玻璃液中.由于放出了氣體,氣泡半徑又減小,玻璃液表面張力使氣泡內壓力進一步增高,直到最后氣泡完全被玻璃液所吸收.
玻璃液在澄清過程中,大氣泡排出與小氣泡吸收這兩個階段是必不可少的,前者要求必要的溫度和持續時間,后者需要一定的溫降梯度,如果這些條件有一項達不到就會使制品帶上氣泡.
窯爐結構及所給出的工藝條件對消除氣泡的影響
1.窯爐結構
該窯爐結構有兩個特點:一是大傾角小動量比的小爐結構,二是下沉的深澄清池結構.這種結構使火焰有較高的速度和剛性,火焰緊貼玻璃液面,對料堆有一個向前的推力.據測量,當熔化溫度不足,出料量偏大時,料堆移后,有的配合料還未完全熔化就到了澄清部,占用了澄清時間,使澄清不充分,本該排出的氣泡留在了玻璃液中進入了冷卻階段.制品上直徑0.2mm以上的氣泡就是這樣形成的.
不同直徑氣泡上浮速度和所需時間不一樣。窯長方向上澄清距離短,澄清時間相對不足,大氣泡的排出有時是不充分的.從澄清池結構分析,所謂深澄清池下沉也有限,比較以往下沉的深池,垂直方向上玻璃液向下冷卻的距離縮短,時間減少,溫度降低幅度小.玻璃液向下澄清的時間短，小氣泡不能完全溶解于玻璃液中,進入上升料道的玻璃液既有直徑0.2mm以上的氣泡,也有直徑0.2mm以下的灰泡.
玻璃液從上升料道底部到頂端一直到料盆附近還有一個冷卻過程,由于上升料道保溫強度高,這個階段溫降梯度不大,頂端的玻璃液溫度高,為使成型溫度合適須加大冷卻風量,玻璃液被快速強制冷卻,表皮處的玻璃因過冷而影響了對小氣泡的吸收,這就出現了制品上小氣泡分布不勻的現象.為充分發揮玻璃液進入流液洞以后這個過程吸收小氣泡的作用,我們把上升料道的保溫強度降低,拆掉保溫磚,測量結果顯示上升料道頂端的玻璃液溫度降低，調溫風機的轉速下降。這樣處理的結果是制品上的氣泡直徑變小,數量變少。
2.加料機改造,出料量控制
窯爐配備的加料機不能實現裹入式薄層加料,碎玻璃比例只有%7,配合料入爐后漂浮在玻璃液面上的高度大,這給火焰的吹動增加了作用面積,推力增加漂動速度加快.比較碎玻璃比例大的綠料(部分裹入式加料),料堆浮在液面上的高度小,料堆前沖的現象就不明顯.改進加料機縮小吐料口,將加料機下移使加入的配合料部分浸入到玻璃液中,料堆的厚度減小,受力面積減小了,料堆前沖的距離減少,有利于防止跑料,增加澄清時間.
3.熔化溫度
一般而言,提高熔化溫度是解決氣泡最直接的措施,它是通過加快配合料的熔化速度,提高玻璃液的溫度,降低粘度,從而有利于氣泡的排出.就本例而言,熔化溫度提高后有以下幾個直接作用.
①加大了火焰的噴出速度和火焰長度.火焰速度提高的作用是對料堆的推力加大,火焰加長的結果是熱點前移.熱點前移使冷卻段縮短,不利于小氣泡吸收.
②提高了玻璃液的溫度,降低了玻璃液中氣體的溶解度,析出的氣體增多,當澄清時間不充分時起不到使氣泡減少的作用而是相反.
③降低了玻璃液的粘度.粘度降低一方面有利于大氣泡排出,另一方面使料堆向前漂移的阻力減小更容易跑料,惡化澄清質量，不利于氣泡排出.觀察到的情況是氣泡時多時少的現象更加嚴重了,這說明第二方面的作用大.
④氣泡直徑變大.這些長大的氣泡來不及從玻璃液中排出就進入了冷卻段,反而變得不易吸收.
而適當降低熔化溫度,火焰噴出速度減小,玻璃粘度增大不易跑料,熱點后移澄清時間延長,氣體在玻璃中的溶解度提高,氣泡就能夠減少或者消除.當然也不是溫度越低越好,當溫度降低到一定程度時,問題會走向反面,不但氣泡減輕不了,結石還會出現.
4.配方中氣體率對氣泡數量的影響
增大氣體率雖然能縮短熔化時間,相應延長澄清時間,但這一效果比起氣體率增大需要更長的澄清時間來說是負面的,同時氣體率提高還增加了配合料的成本,是不合算的,所以最后我們將氣體率降低。
5.玻璃粘度的影響
為了研究玻璃粘度對跑料的影響,我們比較了另一座生產綠料窯爐加料口處玻璃液的溫度和粘度,兩種料的粘度上的差異對料堆漂移速度的影響很明顯,從人工撥料的難易程度上也能看得出來.這可以解釋同一座窯爐生產綠料時出料量大不易跑料,而生產白料時出料量小還容易跑料的原因.
總結
此次解決氣泡問題思路來自大多數氣體在玻璃液中的溶解度與溫度成反比的理論,用于生產實踐,通過采取降低溫度的措施提高氣體在玻璃液中的溶解度,使大量影響制品外觀質量的氣泡被玻璃液吸收.
事實上這座窯爐生產高白料玻璃瓶其熔化溫度,出料量和氣泡數量之間存在一個平衡關系,即出料量減少時熔化溫度還可以適當降低,出料量增加時,熔化溫度應適當提高,但不能超高.用這一規律指導生產,可使制品氣泡數量控制在允許范圍之內. |
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