（材料学专业论文）浮法玻璃条纹产生机理与冷却水包均化作用数值模拟.pdf

摘要 摘要 本文概述了浮法玻璃工艺的发展过程、浮法玻璃的均匀性缺陷及国内 外浮法玻璃的质量差异。探讨分柝了浮法玻璃端面特征条纹的形成规律， 模拟研究了冷却水包插入玻璃液面以下深度与玻璃液均匀性的关系。通过 采集有均匀性缺陷的样品，采用x 射线荧光光谱仪、x 射线能谱仪、浮法 玻璃条纹图像分析仪、反射光学显微镜等手段，对试验样品的成分和端面 条纹的关系进行了分析。通过建立浮法玻璃熔窑中实际工艺参数条件下的 冷却水包模型，采用a n s y s 软件对其插入液面以下深度与均匀性的关系 进行数值模拟分析。 研究结果表明：不同原因引起的浮法玻璃的端面条纹具有不同的特征 表现。熔化不均引起的条纹主要分布在浮法玻璃的边角和底部，回流曲线 封闭。配合料混合不均引起的条纹主要分布在浮法玻璃的中部，回流曲线 向四周扩散。 模拟的结果表明冷却水包具有使浮法玻璃液均化的作用。本论文的模 拟条件下，冷却水包带来的玻璃液均化作用与其插入液面下的深度成非线 性关系。随着冷却水包插入深度的增加，玻璃液纵向均化作用由弱变强， 插入深度达到o 2m 附近，均化作用急剧增强，当深度达到0 3i i l 后，均 化作用达到最佳值，之后随冷却水包插入深度的继续增加，熔窑的池底和 池壁受到的冲刷将加剧。 关键词浮法玻璃；均匀性；端面条纹：冷却水包：a n s y s 软件 燕山大学t 学学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n to f f l o a tg l a s st e c h n o l o g yp r o c e s s u n i f o r md e f e c t sa n d q u a l i t yd i f f e r e n c eo f f l o a tg l a s sb e t w e e nc h i n aa n do t h e rc o u n t r i e sh a sb e e n s u m m a r i z e di nt h i st h e s i s t h ef o r m i n gr u l eo ff l o a tg l a s ss i d ec h a r a c t e rs t r i p e h a sb e e nd i s c u s s e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n g l a s s f l u i du n i f o r m i t ya n d d e p t h o ft h ec o o l e r ，w h i c hi sp l a c e du n d e rt h eg l a s sf l u i d ，h a sb e e ns i m u l a t e da n d i n v e s t i g a t e d t h es a m p l e sw e r et a k e nf r o mt h ef l o a tg l a s sb a r sw i t l lu n i f o r m d e f e c t s t h e r e l a t i o n s h i p o ft h e c o m p o s i t i o n s a n ds i d e s t r i p e s w e r e c h a r a c t e r i z e db yx r d ，x r f ，e t c a c c o r d i n gt op r a c t i c a l l yt e c h n i c a lp a r a m e t e r o ff l o a tg l a s sf u r n a c e ，t h ec o o l e rm o d e lw a sb u i l t t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n u n i f o r m i t ya n dd e p t h w e r es i m u l a t e da n da n a l y z e db ya n s y ss o f t w a r e t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tf l o a tg l a s ss i d es t r i p e sh a v ec h a r a c t e r f i g u r ed u e t od i f f e r e n tr e a s o n t h es t r i p e sd u et om e l t i n gm o s t l yd i s t r i b u t et h e c o r n e ra n db o t t o mo ff l o a tg l a s s t h e s ec a l v e so fr e t u r nf l o wa r ec l o s e t h e s t r i p e sd u e t or a wm i x t u r em o s t l yd i s t r i b u t et h em i d d l eo ff l o a tg l a s s t h e s e c u r v e so fr e t u r nf l o wa r ed i f f u s ea r o u n d t h es i m u l a t i v er e s u l t ss h o wt h ec o o l e rh a st h ef u n c t i o nw h i c hu n i f o r m f l o a tg l a s sf l u i d i nt h es i m u l a t i o no ft h i sp a p e r ，t h er e l a t i o n s h i pi sn o n - l i n e a r b e t w e e nt h eu n i f o h nf u n c t i o n o f g l a s s f l u i dd u et ot h ec o o l e ra n dd e p t ht h a tt h e c o o l e ri sp l a c e du n d e rt h eg l a s sf l u i d t h el o n g i t u d i n a lu n i f o r m i t yf u n c t i o ni s f r o mw e e kt os t r o n gw i t hd e p t ha d d i t i o n t h eu n i f o r m i t yf u n c t i o ni n c r e a s e s r a p i d l yw h e nd e p t h i so v e r0 2m t h eu n i f o r m i t yf u n c t i o ni so p t i m a lw h e n d e p t h i s0 , 3m t h e nt h ee r o s i o nt of u r n a c ew a l la n db o t t o mi n c r e a s ei n t e n s e l y w i t hd e p t ha d d i t i o n k e y w o r d sf l o a tg l a s s ；u n i f o r m i t y ；s i d es t r i p e ；c o o l e r ；a n s y ss o f t w a r e 第1 章绪论 第1 章绪论 浮法玻璃工艺最初由英国皮尔金顿公司于1 9 5 9 年率先提出，它是将熔 融玻璃液漂浮在重金属液面( 现通用锡) 上，借助于这两种液体的表面张 力和重力的共同作用，使玻璃液获得抛光成形的一种工艺，因为玻璃液是 用漂浮法成形的，所以生产出的玻璃叫做浮法玻璃1 。”。浮法玻璃生产线见 图1 - 1 所示： 图1 一】浮法玻璃生产线示意| 茎l f i g l 一1t h es c h e m a t i co f t h ef l o a tg l a s sp r o d u c tl i n e 浮法玻璃工艺是平板玻璃工业的一次重大改革，与传统玻璃工艺相比， 浮法玻璃工艺是真正的水平拉制成形工艺。浮法玻璃工艺现已成为现代玻 璃工业生产中的主流，其玻璃产品广泛应用于社会生活中的各个方面。 1 1 浮法玻璃的发展史 浮法指玻璃液漂浮在熔融锡表面上生产平板玻璃的方法。浮法生产的 成型过程是在锡槽中完成的。经熔化、澄清并冷却至11 5 0 11 0 0 左右的 玻璃液，通过与锡槽连接的流道及伸入锡槽内的流槽，流迸锡槽内熔融锡 液面上，并浮在锡液面上，玻璃的上表面暴露在锡槽上部的保护气氛中。 玻璃的自重使玻璃液流出并摊开，表面张力使玻璃液保持在平衡厚度，并 使玻璃具有光洁、平整的表面，浮法玻璃的表面质量达到磨光玻璃的水平。 采用拉边机、石墨档条，能生产从1 5 2 5m m 不同厚度的玻璃。 燕山大学工学硕士学位论文 浮法玻璃生产线可长达2 1 5 m ，每小时能生产2 3 t 成品玻璃。锡槽长 度可达4 5m ，它的宽度可以使4m 宽的玻璃原板通过，最终的成品板宽 3 7 m 。锡槽内的保护气体为氮氢混合气体，使锡槽保持弱还原性气氛。玻 璃进入锡槽时的温度是l1 5 0 ，对应粘度是1 0 0 0p a s ，出锡槽的温度是 6 5 0 。由于温度和锡槽内还原性气氛的限制，浮法工艺只适用于生产钠 钙硅酸盐平板玻璃j 。 众所周知，由于玻璃具有透明的特点，使玻璃获得十分广泛的用途。 随着全球经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，对平板玻璃数量和 质量不断提出更高的要求。 过去制造的平板玻璃有两种，即窗玻璃法和压延、磨光玻璃。窗玻璃， 就是用有槽( f o u r c a u l t p r o c e s s ) 、无槽( p i t t s b u r g h p r o c e s s ) 、平拉法( c o l b u r n p r o c e s s ) 以及旭法( c o l b u r np r o c e s s ) 生产的平板玻璃。这种玻璃具有自 然光泽的表面，但由于其成形方法固有的原因，使制得的玻璃很难避免波 筋和条纹等缺陷，使得通过玻璃所观察的物体产生了畸变现象。这样，就 限制了玻璃有更广泛的用途。这种玻璃只能作一般住宅的窗玻璃用。为了 满足汽车、火车、船舶、飞机和高级建筑等的需要，只能将压延玻璃( 无 条纹) 经研磨、抛光制得机械磨光玻璃；我国也有用有槽和无槽法生产的 平板玻璃生产的平板玻璃再经研磨抛光制造磨光玻璃，这是很不合理的。 压延、磨光玻璃，是指玻璃经无花纹的钢辊( 上下两个) 滚压成形，退火 的玻璃再经研磨抛光制得机械磨光玻璃。当然压延法亦可生产压花和压花 夹丝玻璃。由于压延玻璃经滚压成形，大大降低其透明度，一般只适用于 卫生间和不希望室外能看清室内的建筑。 这种经研磨抛光的玻璃表面平整而无波筋，质量优美，过去被广泛应 用于高级建筑和汽车玻璃等。但由于它建设投资大、生产成本高，因而也 限制了它更普遍的应用。所以玻璃工作者在很早以前，就曾想将上述两种 工艺方法的优点综合起来，发明一种生产质量优异而价格又便宜的平板玻 璃的方法，来满足建筑、交通和国防工业等日益发展的需要。 第1 章绪论 早在1 9 0 2 年，美国的希奇柯克( h i t c h c o o k ) 和黑尔( h e a l ) 就曾提 出了使玻璃漂浮在熔融金属表面，进行热处理的设想。但由于当时还没有 连续水平成形方法而未能实现【2 1 。 到了1 9 5 9 年英国皮尔金顿( p i l k i n g t o n ) 平板玻璃兄弟有限公司集中 了大批科技人员，经过七年多的不断努力、花了4 0 0 万英镑的巨额费用， 终于发明了一种生产平板玻璃的革命性的方法一一浮法工艺( f l o a t p r o c e s s ) 。用这种方法生产的平板玻璃称为浮法玻璃。它是因玻璃液漂浮 在熔融金属表面获得抛光成形而得名的。制得的玻璃表面平整无波筋，可 与机械磨光玻璃相媲美【引。 1 1 】浮法玻璃工艺发展历史 浮法工艺大致经历了如下几个发展阶段： 1 1 9 6 1 1 9 6 2 年，解决了玻璃带在锡槽被污染的问题。 2 1 9 6 8 年，用电浮法制得了改性玻璃，也称为电浮法吸热玻璃。也叫 电脉冲吸热玻璃。 3 1 9 7 0 年2m r t l 玻璃拉制成功。 4 七十年代初期前后，实现了全生产线的自动控制。 5 1 9 7 5 年，4i l l m 拉制速度达到1 3 0 0m h ：同年，美国p p gc o ( 匹 滋堡平板玻璃公司) 取得了新浮法工艺( n e w f l o a t p r o c e s s ) 一l b 法专利 权。 6 1 9 8 2 年，p p g 公司获得了浮法玻璃双向展薄工艺的专利权，使拉薄 水平达到了较高层次。 7 1 9 8 5 年，日本制得0 5 5m m 的浮法超薄玻璃。使浮法可生产厚度拓 展到o 5 5 5 0m m 的新水平。 8 八十年代末到九十年代初，冷段实现了联网控制，最佳切裁确保获 得最高的经济效益。 燕山大学工学硕十学位论文 1 1 2 浮法玻璃特点 浮法玻璃有以下特点1 1 1 ： 1 有槽法、无槽法和平拉法，实际上都属于“垂直拉制工艺”。而浮 法才是“水平拉制工艺”。浮法在玻璃成形的过程中，拉引力主要用于克 服玻璃液内摩擦力即粘滞力；而其重力，则基本上由锡液来承载。传统法 拉引力却要克服玻璃的粘滞力和重力。 2 成形室具有均匀的温度场，玻璃带在锡槽中的横向温差a t 5 ，这 为传统法所不具备的。 3 。在成形过程中，对玻璃带各部粘度控制有多种多样的方法。玻璃带 的摊平( 6 7r a m ) 之后才开始抛光。摊平、抛光、展薄、冷固等各个阶 段是层次分明。在这些方面，传统法远远不及浮法。 4 玻璃带离开成形室一一锡槽，由传动棍子台起而送入退火窑中进行 退火。 5 玻璃带与机械传动棍子的接触情况。有槽法或无槽法都是双辊夹住 玻璃带传动，向上拨起，对玻璃带产生很大的压力。温度稍有变化，玻璃 会产生轴花和压口缺陷。平拉法的转向辊棍子只是承托玻璃带的，并有1 4 的包角。缺点是玻璃带温度很高，以及转向辊的水冷强度大，又会引起斑 点和表面平整度极差等弊病。采用气垫转向辊克服如上的毛病，且温度较 低，不对玻璃带产生上述的缺陷。 1 1 3 浮法玻璃的优点 浮法玻璃与机械磨光玻璃相比，具有以下明显的优点： 1 建设快 由于浮法玻璃生产不需要庞大的沙子分级和机械磨光设备的制造和安 装，因此其建设速度要比连续机械磨光线快得多。国外，一般从筹建到投 产只需一年左右。 4 第1 章绪论 2 投资省 由于浮法玻璃生产不需大量的砂子分级和研磨抛光设备投资，而且其 占地面积相对来讲也比较小，因此，其基建费用只需相同规模的双面连续 磨光玻璃生产线的5 0 左右。 3 质量好 浮法玻璃的平整度、平行度和透光度完全可以与机械磨光玻璃相媲美。 而其他性能如机械强度和热稳定性，都要比机械磨光玻璃好。 4 产量高 浮法玻璃的产量，主要取决于玻璃熔窑的熔化量和玻璃带成形的拉引 速度，对于相同厚度的玻璃，浮法的拉引速度，比连续压延磨光玻璃要快 好几倍，而且其板宽加大也比较容易，所以其生产量很高。目前，国外的 浮法玻璃生产线的熔窑熔化量在4 0 0 6 0 0 t ，d ，最高达9 0 0 t d 。我国的浮法 过去大多为2 0 0 - 3 0 0t d ，最近十年来，也有许多条浮法线达5 0 0t d ，今后 拟向更大规模发展。 5 成本低 由于浮法玻璃生产线可以长期连续生产，不仅产量大，而且机械化自 动化水平高，生产工人少、劳动生产率高，设备维修费用少。因此，生产 成本要比机械磨削玻璃低得多，基本与普通窗玻璃相接近。 6 品种多 用浮法可以生产o 5 5 2 5m m 的优质平板玻璃，供各种用途；而机械磨 削很难生产薄于4m m 玻璃。同时浮法还可以生产各种本体着色和在线镀 膜玻璃，这更是机械磨削玻璃望尘莫及的。 总之，浮法工艺的问世，确实是平板玻璃生产工艺技术的一次重大突 破，是上世纪平板玻璃生产的所有成就中最大的成就。 燕山大学工学硕士学位论文 1 2 国内浮法玻璃发展概况 1 2 1 国内浮法玻璃的发展经历与质量状况 我国的浮法工艺的试验研究，经过了实验室的小型试验，中间工业性 试验和生产型试验三个阶段。1 9 8 1 年4 月通过国家级技术鉴定，由于该生 产试验线是在洛阳玻璃厂试验成功，故定名为“中国洛阳浮法”。 到1 9 9 4 年我国已建成投产的浮法玻璃生产线有2 8 条，其生产规模为 1 5 0 5 0 0t d 。同时，在这期间，英国的皮尔会顿公司和美国的匹滋堡平板 玻璃公司，用他们的浮法工艺与我国合资，在上海和广东深圳各建成一条 2 0 0t d 和5 0 0 似的浮法玻璃生产线。到目前国内已有1 0 0 条2 0 0 9 0 0 “d 的生产线。 浮法玻璃按其综合性质量情况，可分为：一类制镜；二类交通工具用 的原片玻璃：三类供建筑业使用。中空玻璃用的无色透明玻璃、彩色玻璃 和真空镀膜的热反射玻璃属三类一级品；单层门、窗用的玻璃属三类二级 品。 目前，我国除上海耀华皮尔金顿玻璃有限公司( s y pc o ) 等一部分 采用国外技术的企业生产线及部分国内新上高档生产线能生产一、二、三 类的浮法玻璃之外，其余大部分生产线因种种原因，只能生产三类的浮法 玻璃。 1 2 2 国内浮法玻璃存在的问题 国内浮法玻璃主要存在以下问题【5 】： 1 质量 2 0 0 1 年4 月，国家玻璃质量监督检查中心检查结果表明，我国浮法玻 璃质量是中低档的多，高档优质的少，且不稳定，与国外先进水平相比还 有较大差距。目前，国内市场上能提供的优质浮法玻璃( 由洛阳浮法技术 生产的) 仅占平板玻璃生产总量的l o 左右。图1 2 显示了中外浮法玻璃 在质量上的差距。 6 第1 章绪论 图1 2 中外浮法技术生产的玻璃的均匀性对比图 ( a ) 国外；( b ) 国内 f i 9 1 2t h ee o n t r a s t i v ec h a r to f t h eg l a s su n i f o r m i t yb yc h i n aa n df o r e i g nc o u n t r i e sf l o a t g l a s st e c h n o l o g y ( a ) f o r e i g n ；( b ) s i n o 2 深加工玻璃 深加工玻璃，又称二次加工玻璃，它是利用一次成形的平板为原片， 进行机械、物理和化学等二次加工处理后制造出来的各种玻璃制品。目前 世界玻璃工业发达国家，已将一次成形平板玻璃的6 0 8 0 经深加工后再 投放市场交付用户使用，而我国仅为2 1 左右。深加工玻璃的利润是普通 平板玻璃的几倍，这也是我国玻璃企业要做大、做强所需要突破的瓶颈之 一【6 l 。 3 重复建设 据对2 0 0 1 2 0 0 5 年需求量预测，每年要增长5 11 条浮法玻璃生产线( 以 平均值计算和按4 0 0 5 0 0 吨级计算) ，四年增长总数为1 8 - 3 1 条( 按保守 和乐观两种方案计算及5 0 0 吨级折算) 。这样的发展速度适合于我国未来 经济发展的需要。然而仅在2 0 0 1 年投产和规划建设的浮法玻璃生产线达 2 5 条，其中要投产1 0 条熔化能力为7 5 0t ，生产能力2 0 0 0 万重量箱，平 板玻璃可能引发新一轮的重复建设高潮，导致平板玻璃又出现严重供大于 求的局面。可见，就某种意义上讲，浮法玻璃质量的提高，远比增加产量 更为急迫1 7 1 。 如果现在即开展提高浮法玻璃质量的工作，并注重发展深加工制品， 那么，就可以在日后供需平衡，或供过于求的情况下，在激烈的竞争中稳 操胜券l ”。 燕山大学工学硕士学位论文 1 3 浮法玻璃条纹的成因 平板玻璃均匀性是指平板玻璃体的物理、化学性质的一致性。国内外 的研究表明，条纹图像是玻璃均匀性缺陷的主要表现形式之一。 1 3 1 关于条纹的概念 条纹是由于物理和化学性质上与玻璃基体不同，能够在光的照射下出 现的干涉图像，并且大都形状不规则，与玻璃基体也没有清晰的分界。这 种条纹主要是玻璃原料在熔融时物理的、化学的熔化过程和成形时机械流 动过程进行的不够充分而形成的。此外，在成分均匀的情况下，由于退火 过程的热不均匀也会形成条纹。条纹的存在会引起浮法玻璃的光学性能、 热性能和机械性能的改变甚至是外观上不同程度的畸变。本论文研究的条 纹均为化学不均匀性的条纹。 玻璃中的非均一物几乎总是由化学原因造成，因而玻璃专业人员一般 都以化学上的差异作为条纹的主要特征。可是检定条纹一般不采用化学方 法，即将试样损坏的方法，如用氢氟酸或氢氧化钠以检查其耐侵蚀的性能 之类。比较常用的是无损试样的光学方法。这是根据化学组成的差别必然 造成光学性质的差别如折射率的差别这一规律。除了少数例外，任何化学 非均一物都会导致光学上的不均一，通常用肉眼就可以看出由于条纹造成 物像的歪扭现象。 玻璃的折射率与组成、温度和其热历史有关。不同成份的玻璃的折射 率不同。浮法玻璃的折射率开始时随温度的升高而稍有增加，在软化温度 范围时急剧降低。所以说不同热历史条件下的玻璃的折射率也是不同的。 条纹区的折射率与基质玻璃不同，是产生光学畸变的原因【9 1 。玻璃主体内 存在的异类玻璃夹杂物称为玻璃态夹杂物( 条纹和节瘤) ，它属于一种比 较普遍的玻璃不均匀性方面的缺陷，在化学组成和物理性质上( 折射率、 密度、粘度、表面张力、热膨胀、机械强度、有时包括颜色) 与玻璃主体 不同。不同条纹对玻璃折射率的影响如表1 1 所示 1 0 1 。 8 第1 章绪论 表1 1 不同条纹对玻璃折射率的影响 t a b l e l - 1t h ee f f e c to nr e f r a c t i v ei n d e xb yd i f f e r e n ts t r i p e 条纹的形成原因折射率变化 1 夹杂物对折射率的变化值 1 配合料熔化不好，引起玻璃液局部富集 二氧化硅降低o 0 0 0 5 o 0 0 1 氧化钙增加o 0 0 2 5 氧化铺增加o 0 0 0 7 氧化钾增加o 0 0 0 6 氧化铝增加o o 0 0 1 长杠增加0o o o l 锆化物剧烈增加 2 玄滴溶解 降低oo 0 0 1 3 耐火粘土溶解产物增加o0 0 0 0 5 - o o o o l 4 石英耐火砖溶解产物 降低o 0 0 0 5 5 高岭耐火砖溶剂产物增加o 0 0 0 0 9 6 高铝耐火砖溶解产物 增加o 0 0 0 3 5 1 3 2 浮法玻璃条纹的成因 条纹根据其产生的原因不同，可以分成熔制不均匀、窑内液流、窑玄 玻璃滴、耐火材料侵蚀、结石熔化、组分挥发和成型等。可以看出条纹与 结石产生的原因十分接近，且常常观察到条纹中夹杂结石。 1 3 2 1 熔制不均匀引起的条纹 ( 1 ) 玻璃在熔化过程中，通过“均化”阶段的作用，使熔体内各部 分互相扩散，消除不均一性。若是均化进行的不够完善，玻璃体中将存在 不同程度的不均一性。与此有关的因素如配合料均匀度、粉料飞扬、碎玻 璃的使用情况和用量等问题。 9 燕山大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 熔制制度的稳定对于条纹的产生关系十分密切。当熔制温度不 稳定时，破坏了均化的温度制度，同时也引起冷凝区的玻璃液参加液流， 导致条纹的出现。 ( 3 ) 窑内气体也是一个对条纹有影响的因素。玻璃的表面张力受窑 内气体影响甚大。同一种玻璃，受还原性气体作用后，它的表面张力要比 受氧化性气体作用时提高2 0 ，当处于平衡的玻璃液面受到还原性的炉气 作用时，熔体表面张力增加，表面撕裂，表面张力比较小的内部熔体推到 表面上来，这一过程继续进行到玻璃熔体全部被还原为止。这种现象说明 了窑内气体( 还原性气体) 可以促使玻璃液翻动，由此可见窑内气体对玻 璃均匀性产生的影响。对于氧化还原作用而着色的含硫酸枯玻璃。窑内气 体就可能对它产生着色( 棕黄色) 条纹。 ( 4 ) 在生产实际中，熔制不均匀引起的条纹往往富含二氧化硅，而 且在玻璃中比较分散。一般澄清良好的玻璃，均化也良好，也就是说在一 般情况下，在无一次气泡的玻璃中，由于熔制不均匀而产生的条纹极少。 工厂中大量出现的熔制不均匀而产生的条纹，都伴随有一次气泡和熔制不 良引起的结石。 1 3 2 2 窑玄玻璃滴引起的条纹玄滴滴入或流入玻璃体中，由于其化学组 成和主体玻璃显然不同，也将形成条纹。窑玄和胸墙部位的硅砖受腐蚀后 形成的玻璃滴，属于富二氧化硅质的。池壁耐火材料被侵蚀后形成的玻璃 滴属于富氧化铝质的。这两种玻璃滴的粘度都很大，在玻璃熔体中扩散很 慢，往往来不及溶解，形成了条纹。 1 _ 3 2 3 耐火材料被侵蚀引起的条纹 ( 1 ) 这种条纹是最常见的一种。玻璃熔体侵蚀耐火材料，被破坏的 部分可能以结晶态落入玻璃体内形成结石。也可能形成玻璃态物质溶解在 玻璃体内，使玻璃熔体中增加了提高粘度和表面张力的组分，所以形成了 条纹。沿池壁大砖处出现的严重不均匀性玻璃体，一般形成富氧化铝条纹。 ( 2 ) 对于侵蚀性强的玻璃，这种侵蚀产生的条纹几乎是无法防止的， 有时为了促进玻璃的均化而提高温度，但对耐火材料的侵蚀也加强了，以 致于玻璃中条纹更多。相反要是降低温度，则均化困难。因此解决这样的 1 0 第1 章绪论 问题主要是提高耐火材料的质量。遵守既定的温度制度，避免温度过高等 也是防止和消除条纹节瘤的重要因素。 1 3 2 4 结石熔化引起的条纹条纹的产生有时由结石而来，因为结石在玻璃 体中受玻璃熔体的作用，逐渐以不同的速度溶解。当结石具有较大的溶解 度和在高温停留一定时间后，就可以消失。结石溶解后的玻璃体与主体玻 璃仍具有不同的化学组成，形成节瘤或条纹。结石熔化后在它的周围形成 溶解环，有时这种溶解环形成包裹状，若为粘土质耐火材料结石，可以从 包裹中引出富含氧化铝的条纹，拖有长尾巴，结石本身留在包裹中有时也 钻出包裹外。 1 4 玻璃制造中易产生条纹的几个方面 1 4 1 配合料 1 4 1 1 配合料的制备 ( 1 ) 原料的质量必须符合要求，而且成分稳定。原料的化学成分， 矿物组成，颗粒组成都要符合规定的要求。首先是原料的纯度必须符合要 求。化学成分要稳定，其波动范围一般是根据玻璃化学成分所允许的偏差 值进行确定。在不调整配合料配方的情况下，原料的化学成分所允许的偏 差值如表1 2 。 ( 2 ) 对耐火材料的侵蚀要小。氟化物，如萤石等是有效的助熔剂， 但它对耐火材料的侵蚀较大，如能够满足熔制条件下，最好不用【1 2 1 。 ( 3 ) 配合料必须能保证熔制成的玻璃成分正确和稳定。为此必须使 原料的化学成分、水分、颗粒度等保持稳定。并且要正确计算料方，根据 原料成分和水分的变化，随时对配方进行调整。同时要经常校正料秤，务 求称量准确【”】。 ( 4 ) 必须混合均匀，配合料在化学物理性质上，必须均匀一致。如 果混合不均匀，则纯碱等易熔物较多之处熔化速度快，难熔物较多之处， 熔化就比较困难，甚至会残留未熔化的石英颗粒使熔化的时间延长。这样 就破坏了玻璃的均匀性，并易产生结石、条纹、气泡等缺陷，而且易熔物 燕山大学工学硕士学位论文 较多之处，与池壁或坩锅接触时，易侵蚀耐火材料，也造成玻璃不均匀。 因此必须保证配合料充分均匀混合。决定配合料混合均匀度的因素是： 原料配合的比例；原料粒度；原料比重；混合时间；配合料中 水分；混合机构等。混合时间一般为2 5 分钟，时间过长反会引起分料。 保持3 5 的水分对于防止混合料分料是非常有效的。 表1 2 原料化学成分允许偏差 ( ) t a b l e l - 2t h ea l l o w a b l ew a r po f r a wm a t e r i a lc o m p o n e n t 原料( 化学成分) s i 0 2a 1 2 0 1 c a o m a on a 2 s o m 空s o c a s o 硅砂0 3 5 0 4 5o 3 - 0 4 白灰石，白垩0 20 6 - 1o02 白云石o 2 o 30 2 0 3o 4 - o 5o 6 ，1 0 硫酸钠2 - 308 - 1 20 6 - 09 1 4 1 2 优质浮法玻璃的质量目标 ( 1 ) 优质浮法玻璃生产用原料质量：硅质原料成分及稳定性关系 如表1 3 ：硅质原料粒度，如表1 - 4 ；水份( 均化库内作为成品原料 运输出厂前) ：含水率：5 ：高温难熔矿物含量，如表1 5 。 表1 - 3 硅质原料成分及稳定性关系表 ( w t ) t a b l e l - 3t h e c o m p o n e n t a n d s t a b i l i t yo f t h e s i l i c a t e 元素含量波动范围批料量之间波动范围 s i 0 2 9 6 5 9 950 35 0 a 1 2 0 1 0 8 0 - 1 5 0 0 1 05 0 f e 2 0 1 0 0 3 0 - 0 1 0 50 0 0 55 0 注：考虑到我国玻璃行业实际应用中有砂岩和硅砂两种硅质原料情况，故给出了允素的含量范嗣 表1 4 硅质原料粒度的影响 t a b l e l 一4t h ee f f e c to fs i l i c o nr a w g r a n u l a r i t y 粒径( r a m ) 1 0 o 60 6 0 50 5 - 0 1 0 1 0 比例( )0 1 59 0 o 时是前流，v x o 时是回流。在图a 中没有出现增强的前流，说明冷却水 包在此插入深度下的均化作用还不明显。在图e 中看到强烈的前流已经作 用到熔窑的底部。图b - d 也显示了在靠近窑墙处和液流中部的前流速度大 于其它地方的前流速度。出现这种情况是因为液流在到达窑墙时，由于窑 墙的反射作用，液流在窑墙附近产生叠加。产生这种现象的主要原因有两 4 6 第3 章冷却水包的数值模拟 个：冷却水包的外形和冷却水包的冷却作用。用一个对比实验来检验是这 两种原因哪一个才是产生的这种现象的主要原因。 图3 - 8 是相同深度( d u o 2 6m ) 和相同位置( x = l7m ) 的不同条件 的对比图。其中，a 是考虑冷却作用的结果，b 是不考虑冷却作用的结果。 图中的色标也表示x 方向上的速度矢量。 图3 - 8 相同深度和位置的对比图 ( a ) 考虑冷却作用；( b ) 不考虑冷却作用 f i 9 3 8t h ec o n u a s t l v ef i ga tt h es a m ed e p t ha n dl o c a t i o n ( a ) t h ec o o l i n gf u n c t i o ni sc o n s i d e r e d ；( b ) t h ec o o l i n gf u n c t i o ni s n tc o n s i d e r e d 在b 中在y 方向上( 窑宽方向上的) 的前流速度几乎相同。所以，根 据图3 8 可知，冷却水包的冷却作用是产生了这种现象的主要原因。这是 由于冷却水包的冷却作用使得在冷却水包后不流动层，不流动层阻碍了前 流的流动，迫使前流向有两侧流动的趋势，从而增加了窑墙的反射，出现 了如图3 7 所示的现象。 图3 - 9 是在y = 2 m ( 即在模型y 方向上的中线) 处的x 方向的速度矢 量云图。其中a - e 表示的是不同插入深度，图f 表示截面在模型中的位置。 图3 - 9 也说明随深度的增大，在x 方向上产生回流的区域增大，并且 前流和回流的强度也随之增大。而且在图3 7 中，a 圈的回流区域很小，说 明其均化作用不大；d 图的较强前流和回流的区域已经作用到整个z 方向， 说明均化效果明显；e 图中的前流已经作用到池底且可以清晰的看到二次 回流，这将会增加熔窑的侵蚀和搅乱熔窑的熔化制度，从而对浮法玻璃的 生产带来负面影响。 燕山大学工学硕士学位论文 图3 - 9 在y = 2 m 处x 方向的速度矢量云图 ( a ) 插入深度d 为0 1 5 m ：( b ) 插入深度d 为o 2 0 m ； ( c ) 插入深度d 为o 2 6 m ：( d ) 插入深度d 为0 3 0 m ； ( c ) 插入深度d 为o 3 5 m ；( f ) 截面在模型中的位置。 f i 9 3 9t h ev e l o c i t yv e c t o ri nt h exd i r e c t i o na ty = 2m ( a ) d e p t h i s0 1 5 m ；( b ) d e p t h i s0 2 0 m ( c ) d e p t hi s0 2 6m ；( d ) i ) e p t hi s0 3 0m ( e ) d e p t hi s0 3 5m ；( e ) t h el o c a t i o no fs e c t i o ni nt h em o d e l 图3 1 0 是在z = 0 5 m ( 即在模型z 方向上的中线) 处的x 方向的速度 矢量云图，其中a - e 表示的是不同插入深度，图f 表示截面在模型中的位 置。 圈3 1 0 没有出现x 方向的回流，说明回流的区域只作用在模型的上 部，并且前流的强度也随着深度的增加而增大。其中a 、b 两图几乎相同也 说明冷却水包插入液面以下的深度太低起不到应有的均化作用，而且在圈 3 1 0 中，e 图可以清晰的看到两个较强的前流区域，说明其已经搅乱了熔 窑的熔化制度。 第3 章冷却水包的数值模拟 图3 1 0 在z = 05 m 处x 方向的速度矢量图云图 ( a ) 插入深度为01 5m ；( b ) 插入深度为o ，2 0 m ； ( c ) 插入深度为o 2 6m ；( d ) 插入深度为0 3 0m ： ( c ) 插入深度为o 3 5m ；( f ) 截面在模型中的位置 f i 9 3 1 0t h ev e l o c i t yv e c t o ri nt h ex d i r e c t i o na tz = 0 5m ( a ) d e p t h i s0 1 5 m ；( b ) d e p t h i s0 2 0 m ( c ) d e p t h i so 2 6 m ；( d ) d e p t h i so 3 0 m ( e ) d e p t hi so 3 5m ；( e ) t h el o c a t i o no fs e c t i o ni nt h em o d e l 图3 1 l 为不同深度下的回流体积占模型体积的百分数图。回流体积的 百分比( t ) 的计算如下： t = n x ，n ( 3 1 3 ) 4 9 塞当奎兰三兰堡主兰堡篓苎 式中：n x 表示在x 方向的速度矢量小于0 的节点数；n 是模拟的模型总节 点数。 美 雕 世 鬟 画 图3 - 1 1 回流体积随深度变化曲线 f i 9 3 llt h eo b r v oo f r e t u r nf l o wp e r c e n tv o l u m ew i t hd e p t h 从图3 一1 1 中可以看出回流体积从深度为0 1 5m 时迅速增长，到 o2 6 0 3 0m 之间时的回流体积增长率最大，从深度为o 3 0m 开始回流体 积的增长率又开始降低，说明回流体积和冷却水包插入液面以下的深度不 成正比。 回流的存在增加液流在窑炉内的滞留时间，而玻璃液在熔窑内的滞留 时间越长它的均化效果越好6 3 】。因此。适当的回流有益于玻璃质量的改善。 当冷却水包插入深度过低时，回流体积所占比例较少，即起不到应有的均 化效果；并且当冷却水包插入的深度超过一定限度时，回流体积增加有限， 即均化作用增加有限。 为了进一步研究回流体积随深度变化曲线进一步模拟了冷却水包插 入深度为0 1m 和0 4 m 的两种情况，并根据模拟结果拟合后得到图3 - 1 2 。 第3 章冷却水包的数值模拟 装 驱 蛙 煺 回 图3 - 1 2 回流体积随深度拟台曲线 f i 9 3 - 1 2t h ed r a f tc u r v eo fr e t u r nf l o wp e r c e n tv o l u m ew i t hd e p t h 在图3 1 2 中对回流玻璃液体积随深度变化曲线进行了拟合，所采用的 拟合方程为： y = 差斋鹄( 3 - 1 4 ) 式中：a l = 0 2 4 4 8 1 ：a 2 = 6 2 2 0 6 0 ；x 0 = o 2 5 5 7 0 1d x = 0 0 4 2 4 9 。 所以在插入深度从0 1 0m 到o 4 0m 范围内得到的拟合曲线为： y “2 2 0 6 一_ 要雾：而 (315)1上e 2 洲、。一”2 3 ， 或 y = 6 2 2 0 6 5 9 7 5 7 9 1 + e x pf 2 3 3 3 4 9 5 x 一6 1 2 1 0 2 ) 1 “ ( 3 - 1 6 ) 从图3 1 2 中可以看出拟合后的曲线的趋势：在深度小于或等于0 1m 时，玻璃液回流的百分体积趋近于一个常数；从o 1m 开始回流体积随深 度的增加而增长迅速：从o 3 5m 后增加的趋势迅速放缓，在o 4m 以后又 趋近于一个常数。这是由于在冷却水包插入玻璃液面以下深度小于0 1m 时，玻璃液的回流主要是由于冷却水包阻挡玻璃液流动形成的，即冷却水 包插入深度过浅，起不到应有的均化作用：由于玻璃液的回流区域只能作 燕山大学工学硕士学位论文 用于冷却水包的上部，所以当插入深度超过0 4m 后，回流已经充满能产 生回流的区域，回流百分体积又趋近于一个常数。 图3 1 3 为不同深度下的回流速度的曲线图。 罨 划 耀 强 回 深度m 图3 1 3 回流速度随深度变化曲线 f i 9 3 1 3t h ec a l v eo fr e t u mf l o wv e l o c i t yw i t hd e p t h 从图3 1 3 中可以看出在冷却水包插入深度从o 1 5 m 增加到0 2 0 m 时， 回流速度增加缓慢；插入深度为o 3m 时回流速度有最大值；再增大插入 深度，回流速度减小。回流速度越大说明其搅拌能力越强，即其均化效果 越好。从图3 1 3 中也说明当插入深度超过o 3 m 后，冷却水包的均化作用 在减小。 从图3 7 和图3 - 9 中可以看出是在窑底处流速太快会增大玻璃液对池 底的冲刷，从而降低窑炉的寿命。由于浮法玻璃工业的特殊条件，窑炉的 寿命严重制约着玻璃的成本，从降低玻璃的成本角度来说冷却水包深度被 不能无限制的增大。综上所述，从图3 7 到图3 1 3 中可知在本论文模拟条 件下适宜的深度为0 3n l ( 模拟深度d ) 。 第3 章冷却水包的数值模拟 3 7 本章小结 模拟的结果表明冷却水包具有使浮法玻璃液均化的作用。本论文的模 拟条件下，冷却水包带来的玻璃液均化作用与其插入液面下的深度成非线 性关系，其中回流体积( x ) 与插入的深度( y ) 遵循指数方程规律，即 y = 6 2 2 0 6 5 9 7 5 7 9 1 + e x p ( 2 3 3 3 4 9 5 x 一6 1 2 1 0 2 ) 1 。( 0 1 x o 4 ) 。随着冷 却水包插入深度的增加，玻璃液纵向均化作用由弱变强，插入深度达到o 2 m 附近，均化作用急剧增强，当深度达到0 3m 后，均化作用达到最佳值， 之后随冷却水包插入深度的继续增加，熔窑的池底和池壁受到的冲刷将加 恩f 。 燕山大学工学硕士学位论文 结论 1 、采用y t f 2 0 0 0 型浮法玻璃条纹图像分析仪采集并分析了浮法玻璃 条纹产生原因。结果表明，配合料混合不均引起的条纹主要分布在浮法玻 璃的中部，形成的条纹有扩散状特征，熔化不均引起的条纹主要分布在浮 法玻璃的边角和底部，形成的条纹呈封闭型。 2 、数值模拟的结果表明，冷却水包带来的玻璃液均化作用与其插入 液面下的深度成非线性关系，其中回流体积( x ) 与插入的深度( y ) 遵循 指数方程规律，即y = 6 2 2 0 6 5 9 7 5 7 9 1 1 + e x p ( 2 3 3 3 4 9 5 x 6 1 2 1 0 2 ) 】1 ( 0 1 x 0 4 ) 。随着冷却水包插入深度的增加，玻璃液纵向均化作用由弱变强， 当插入深度为o 2m 时，均化作用开始快速增强；在深度达到0 3m 后， 均化作用达到最佳值。之后，随冷却水包插入的深度继续增加，均化作用 变得平缓，同时熔窑池底和池壁受到的冲刷将加剧。 参考文献 参考文献 1 陈正树等浮法玻璃武汉：武汉工业山版社，1 9 9 5 ：1 - 4 2 陈恭源浮法玻璃j 二厂设计建线生产玻璃编辑部。1 9 9 3 1 3 黄钧| 、浮法玻璃的原理和生产洛阳玻璃厂玻璃编辑部，1 9 8 7 ：6 6 6 7 4赵开芝，郭虹从英国匹尔金顿公司的发展看我国大型平板玻璃企业改革之路玻 璃1 9 9 8 ，2 5 ( 4 ) ：5 - 7 5 任菁杰浮法玻璃生产技术展望山西建材，1 9 9 9 ，( 2 ) ：1 5 - 1 7 6 徐美君我国加工玻璃的发展及市场建筑玻璃和上业玻璃，2 0 0 3 ，( 6 ) ：1 0 1 8 7 江蓉我国浮法玻璃生