玻璃熔制及熔窑---玻璃熔制过程

浮法玻璃生产技术与设备,第三章玻璃的熔制及熔窑-熔制过程,玻璃的熔制过程,不透明烧结物,800900,1200完成,透明的玻璃液,14001500,干净的玻璃液,均匀的玻璃液,温度降低200300,适合成型的玻璃液,说明：五个阶段相互联系相互影响，并不是严格按照顺序进行，常常是同时进行或交替进行。,13001400,硅酸盐的形成阶段,配合料在高温的作用下，各个组分本身、各个组分之间经历一系列的物理反应、化学反应和物理化学反应，最后变成硅酸盐和SiO2不透明烧结物的过程。约需34min。,1.定义：,2.配合料中各单组分的加热变化,a.多晶转变：如SiO2、芒硝等,硅酸盐的形成阶段,b.盐类分解：如碳酸盐、硫酸盐、硝酸盐例如：纯碱700左右开始分解放出CO2；石灰石500左右开始分解；白云石700左右MgCO3（先）分解完全，CaCO3（后）分解很少；硝酸钠350左右开始分解。,c.脱水：结晶水、结构水、化学结合水,d.熔融：固态转变为液态,硅酸盐的形成阶段,b.形成复盐,3.各组分之间（多组分）的加热反应,a.固相反应:,c.形成硅酸盐,d.生成低共熔物,注：多组分配合料中碳酸盐分解和硅酸盐形成开始的温度低，反应速度快。在实际生产中（投料口温度达1300）各种反应同时进行。完成时间极短（大概只有34min）。,固相之间的反应（大量气体逸出，CaCO3与MgCO3的分解）,形成复盐,其他组分与SiO2作用,形成硅酸盐,形成低共熔物,少量液相出现,固液之间的反应开始，液相增加（由硅酸盐与游离SiO2组成的不透明烧结物）,硅酸盐的形成阶段,4.配合料组分在加热过程中的挥发损失,意义：在配料设计过程充分考虑到挥发损失量，保证配料计算的准确度。,玻璃中容易挥发的组分及挥发率：,注：SiO2和Al2O3的挥发率通常很小，但当配合料中含有氟化物时，需要考虑SiO2的挥发量，一般每份CaF2，SiO2的挥发量为0.33份，每份Na2SiF6，SiO2的挥发量为0.6或0.4份。,硅酸盐的形成,影响原料挥发量的因素：,（1）熔制温度：温度越高，挥发量越大。熔制温度由1450变化到1550，挥发率将增加一倍。,（2）同一种氧化物，原料不同，挥发量不同。无水硼砂比硼酸和十水硼砂低。,（4）配合料中的水分越高，Se的挥发率越高。,（3）氧化物在原料中的含量越高，挥发量越高。,（5）同一种氧化物在不同的玻璃中挥发率不同。,硅酸盐的形成,影响配合料熔化的因素：,（1）熔制温度：温度越高，反应速度提高。温度每提高10，反应速度约增加10%。,（2）原料的形式：复合原料可以降低熔制温度，同时有利于玻璃液的澄清均化。,玻璃的形成,石英颗粒的消失,玻璃的形成过程：配合料中难熔的石英颗粒在各种硅酸盐和液相的作用下，逐渐溶解、扩散而消失，形成透明的玻璃液。约需要2829min。,玻璃的形成,影响石英砂颗粒在熔体中溶解速度的主要因素：（1）溶解的SiO2从表向熔体的扩散系数；（2）砂粒表面的SiO2与熔体中SiO2的浓度梯度；（3）交界层的厚度；（4）接触面积。而扩散系数与熔体的粘度有关，越大，扩散系数越小。,玻璃的形成,玻璃形成的动力学：,1.玻璃成分：-熔化速度常数，表示玻璃相对难熔的特征。,是一经验常数，要综合各种因素后确定熔化温度。,玻璃的形成,2.石英颗粒的尺寸：-形成玻璃的时间,石英颗粒越小，反应时间越短。注：过小，结团而成为大颗粒，反而不宜熔化。,3.熔体温度：-形成玻璃的时间,b、t与玻璃成分、原料颗粒度等相关的常数,玻璃的形成,4.配合料及投料质量,a.原料的颗粒级配难熔的小一些、易熔的大一些；密度小的粗一些，密度大的细一些。,b.配合料质量均匀性与水分含量,c.投料方式薄层投料、均匀投料,d、碎玻璃,玻璃液的澄清,玻璃液中可见的气体夹杂物消除的过程，称为玻璃液的澄清过程。澄清温度大概为14001500,种类：O2、N2、CO2、SO2、SO3、NO2、NO、H2O、H2等,1.定义：,2.玻璃液中气体（1）来源与种类,a.配合料空隙中带入的空气,b.盐类分解放出的气体,c.易挥发物质挥发及水分蒸发和分解,d.耐火材料气孔中气体的排出及被侵蚀过程释放的气体,e.燃料燃烧产物,玻璃液的澄清,a.可见气泡,（2）气体的存在形式,b.溶解气体,（3）几种气体在玻璃液中的性质,CO2：物理溶解度随着T升高，过饱和程度的增加而降低；玻璃液的吸收能力随碱性氧化物浓度增加而增加。化学溶解为主,SO2：低于1200时玻璃液的吸收能力随着T升高而增大，超1200时，溶解量迅速减少。化学溶解为主,O2与N2：一般情况下以物理溶解为主，溶解度很小,物理溶解,化学溶解,玻璃液的澄清,消除可见气体的过程，即排泡的过程，不是去气的过程。,（4）几种气体在玻璃液中的性质,CO2：物理溶解度随着T升高，过饱和程度的增加而降低；玻璃液的吸收能力随碱性氧化物浓度增加而增加。化学溶解为主,SO2：低于1200时玻璃液的吸收能力随着T升高而增大，超1200时，溶解量迅速减少。化学溶解为主,O2与N2：一般情况下以物理溶解为主，溶解度很小,3.澄清的目的：,玻璃液的澄清,3.澄清的过程,（1）大气泡的排出,影响核泡量的因素？,核泡的形成：,玻璃液的澄清,气泡长大的原因,临界半径rk:,排出气泡的方式：半径大于rk的气泡上升排除，小于rk的溶解消失。,玻璃液的澄清,气体间的转化与平衡示意图(澄清剂的作用机理）,玻璃液的澄清,两类澄清剂：,a.变价氧化物类澄清剂：主要有氧化砷、氧化铈等,b.硫酸盐类澄清剂：属于高温澄清剂，特点是分解温度高。主要有芒硝、石膏等。,玻璃液的澄清,以As2O3为例：（澄清剂分解的气体进入气泡）,PCO2熔体=PCO2气泡PSO2熔体=PSO2气泡P熔体=P气泡,P气泡不变,VP熔体=P气泡PCO2熔体PCO2气泡PSO2熔体PSO2气泡,玻璃液的澄清,气泡在玻璃液中上浮的过程：,气泡上浮的条件：,气泡在玻璃液中受到压力与浮力，只有气泡的浮力大于压力时，气泡才能上浮排出。,气泡所受到的压力：窑气的压力（约0.1MPa）；气泡所受玻璃液的压力（池深1.5m计算，压力为0.0368MPa）2/r（表面张力，r气泡的半径)r=1mm时，2/r=0.6kPa；r=0.001mm时，2/r=0.6MPa。,。,结论:表面张力对大气泡的影响可以忽略，对小气泡的影响巨大,玻璃液的澄清,气泡所受到的浮力：,浮力的大小与气泡的直径密切相关,直径越大,气泡所受到的浮力越大,越有可能上浮。,气泡在玻璃液中上浮速度(可以用斯托克斯定律来近似描述）：,玻璃液的澄清,式中：v-气泡的悬浮速度；d-气泡的直径；-玻璃液或气泡内气体的密度-玻璃液的粘度,式中k为常数,玻璃液的澄清,式中：H-澄清带的玻璃液深度；Dg-气泡的直径；-玻璃液的密度；-玻璃液的粘度；C-澄清气体在气泡中与玻璃液中的浓度差；Cb-澄清气体在气泡中的浓度。,常压下消除玻璃液中气泡所需要的最小时间：,玻璃液的澄清,注：在不同温度时气泡上升的速度与在1450的速度比较。,玻璃液的澄清,玻璃液的澄清,2.微小气泡的溶解,卤化物类澄清剂：降低玻璃液的粘度。常用的有氟化物、氯化物。挥发量大，对环境造成不良影响。,式中：Px-窑气的压力（约0.1MPa）；Dggh-气泡所受玻璃液的压力（池深1.5m计算，压力为0.0368MPa）-表面张力r气泡的半径r=1mm时，2/r=0.6kPa；r=0.001mm时，2/r=0.6MPa。,玻璃液的澄清,2.微小气泡的溶解,2.澄清后期温度缓慢降低，气泡体积减小，气泡内部的压力增大，使气泡内气体更易于进入玻璃液，另外，温度降低使玻璃液中气体的饱和压力提高，溶解度增大，有利于气泡的溶解。,1.当气泡的半径小于0.01mm时，由于表面张力引起的附加压力很大，造成气泡内气体压力急剧增大，使气泡内气体的气体分压明显大于玻璃液中气体的分压，从而使气泡中的气体进入玻璃液中，使气泡缩小以至于消失。,玻璃液的澄清,a.配合料中的气体率：过小，玻璃液得不到强烈的翻腾，太大，泡沫过多，气泡难以消除。一般1520%。b.澄清温度：温度高，粘度小，有利于澄清；但熔制温度受耐火材料的限制。温度过高，玻璃液易渗透到耐火材料孔道内，形成微小气泡，加剧玻璃液对耐火材料的侵蚀，局部增加玻璃液的粘度，不利于澄清。粘度在10Pa.s。c.玻璃的组成:不同的组成，在相同的温度下粘度不同。d.窑压：稳定，微正压。,4.影响澄清的因素：,玻璃液的澄清,A.延长澄清时间B.提高澄清温度C.鼓泡、搅拌D.引入适量的澄清剂（最常用）,5.加速澄清的措施：,总结：,1.在澄清阶段前期，温度升高，粘度下降，是大气泡长大，上浮排出的过程。,2.澄清的后期，温度降低，是微小气泡的溶解消失过程。,玻璃液的澄清,1.影响玻璃澄清的因素有哪一些？2.如何提高玻璃的澄清效果？3.玻璃中的大气泡是如何消除的？4.玻璃中的小气泡是如何消除的？,本节的重点：,1.澄清剂的澄清机理；2.临界半径rk的概念。,本节的难点：,玻璃液的澄清,1.如何提高玻璃的澄清效果？2.以Na2SO4为例说明澄清剂的作用机理。3.通过查找资料，了解新型的玻璃澄清剂有哪些。,作业：,下节课预习内容：,1.玻璃液均化的目的；2.玻璃液均化的过程；3.提高玻璃均化的措施；,玻璃液的均化,1.定义：,2.均化过程：,不均体的溶解与扩散（主要是浓度扩散）,当玻璃液长时间处于高温下，由于对流、溶解、扩散等作用，玻璃液中的条纹逐渐消除、化学组成和温度逐渐趋于均一的过程。,气泡上升而引起的搅拌,玻璃液的均化,扩散系数D：,菲克第一定律:,接触面积s：,提高均化的方法,分子扩散：,玻璃液的均化,影响对流传质系数的主要因素：,紊流扩散,提高均化的方法,流体的流动状态：层流或紊流层流的系数小，紊流的大玻璃液中存在着对流，但流动属于层流。,a.粘度越大，对流传质系数越小,b.相对运动速度越大，对流传质系数越大,玻璃液的均化,影响对流传质系数的因素：,提高均化的方法,2.扩散系数D：扩散系数越大，对流传质系数越大。,3.表面张力：不均体处玻璃的表面张力越小，越容易被主体玻璃均化。不均体处的玻璃的表面张力越大，越难以被均化。,提高熔制温度，选择合适的玻璃组分降低玻璃的表面张力,气泡上升而引起的搅拌：,气泡上升带动引起周围玻璃液的对流，形成某种程度的翻滚，导致不均体的拉长，有利于均化的进行。,采取强制技术，如鼓泡、搅拌等措施，加强玻璃液的对流。翻滚,玻璃液的均化,鼓泡：将净化的压缩空气，从窑底鼓泡管鼓入玻璃液中，使它在玻璃液的深层中产生一定压力的气泡，随着气泡的上升，可以吸收玻璃液中的小气泡，同时周围的玻璃液向上流动形成机械循环流，当机械循环流与熔化池热点的液流区相吻合时，玻璃液的热对流体系得到强化变得更为激烈，从而起到强制均化和促进澄清的作用。,搅拌：设置搅拌器对玻璃液进行强制均化的有效措施。搅拌器的转速与玻璃液的温度、粘度、搅拌器直径等因素有关。一般在15150rmin。有水平搅拌和垂直搅拌两种，搅拌器的材质耐热钢管（通冷却水）、优质耐火材料等。,玻璃液的均化,1.影响玻璃均化的因素有哪一些？2.如何提高玻璃的均化效果？3.玻璃的均化过程有哪一些？4.均化的目的是什么？,本节的重点：,作业：,1.如何提高玻璃的均化效果？2.简述表面张力对于均化过程的影响。,下节课预习内容：,1.玻璃液冷却的目的；2.二次气泡产生的原因,玻璃液的冷却,1）目的：将澄清均化好的玻璃液的粘度增大到成型所需要的范围。对于Na-Ca-Si玻璃一般降