摘要:根据气体在玻璃液中的溶解度与温度成反比的理论,讨论了窑炉结构及工艺条件对消除气泡的影响,找出了窑炉熔化温度,出料量与气泡数量间的平衡关系,用以指导生产.
关键词:玻璃瓶;高白料;气泡;吸收法
气泡是玻璃中的常见缺陷,其产生的原因很多,有熔化能力不足,温度不够造成的,有澄清不良消除不掉的，也有耐火材料产生的,还有成型时供料操作不当带来的.本文讨论我公司1号玻璃窑炉生产高白料玻璃瓶时消除气泡的做法.
气泡的产生及消除过程
1号玻璃窑炉是座燃煤蓄热室马蹄焰池炉.在设计上采用小动量比,倾斜底板小炉结构,深澄清池,倾斜上升式流液洞与上升料道,无工作池,该窑炉冷修改造后生产高白料玻璃瓶,投产后发现制品上带有气泡,有圆形的,椭圆形的和表面薄皮气泡,数量0个23/!左右,严重影响产品外观质量.起初,我们按排出法的思路采取措施:提高熔化温度,降低熔化率,将火焰空间辐射温度逐步提高,出料量也降低,结果气泡数量增加到523/!,直径增大薄皮气泡增多;提高配合料气体率,加大澄清剂用量,气体率提高,但气泡并未减少;加大助熔剂的引入量,仍无明显效果.面对制品上越来越多的气泡,我们意识到“吸收法”的思路才可能是正确的.于是,将熔化温度降低后气泡数量减少。后又降到0个23/!,接着改进加料机实现薄层裹入式加料,继续降低熔化温度,出料量控制合适,最终气泡数量稳定,直径减小。
玻璃熔制工艺中气泡消除机理
熔制过程是一个复杂的物理化学反应过程,包含硅酸盐形成阶段,玻璃形成阶段,澄清均化阶段,其中澄清阶段是气泡消除的过程.在这一过程中随温度升高玻璃液粘度降低,气泡中的气体,窑内气体与玻璃液中物理溶解和化学结合的气体之间建立平衡,再使可见气泡漂浮于玻璃液面加以消除.在澄清过程中可见气泡的消除按下列两种方式进行:
１气泡体积增大加速上升,漂浮出玻璃表面后破裂消失.
２小气泡中的气体组份溶解于玻璃液中,气泡被吸收而消失.
气泡的大小和玻璃液的粘度是气泡能否漂浮的决定因素.根据斯托克斯定律,气泡的上升速度与气泡的半径平方成正比,而与玻璃液粘度成反比.
根据高白料玻璃的成分计算玻璃液在不同温度下的粘度,并与我公司一翠绿玻璃配方相比较.以澄清位置的玻璃液温度,气泡上浮距离计算不同直径气泡的上浮时间.
提高熔化温度可增加直径0.2mm以上气泡的上浮速度,减少上浮所需要时间,但对直径在0.2mm以下的气泡则很难通过上浮而消除,必须通过对温度进行调节使小气泡在玻璃液中被吸收而消除.
在玻璃液降温过程中,由于气体变冷,气体压力不变的情况下气泡将变小.由于玻璃表面张力的原因,气泡内压力因半径的减小而增大,降温时,玻璃液中气体的饱和压力低于气泡内气体的压力,气泡内的气体释散到玻璃液中.由于放出了气体,气泡半径又减小,玻璃液表面张力使气泡内压力进一步增高,直到最后气泡完全被玻璃液所吸收.
玻璃液在澄清过程中,大气泡排出与小气泡吸收这两个阶段是必不可少的,前者要求必要的温度和持续时间,后者需要一定的温降梯度,如果这些条件有一项达不到就会使制品带上气泡.
窑炉结构及所给出的工艺条件对消除气泡的影响
1.窑炉结构
该窑炉结构有两个特点:一是大倾角小动量比的小炉结构,二是下沉的深澄清池结构.这种结构使火焰有较高的速度和刚性,火焰紧贴玻璃液面,对料堆有一个向前的推力.据测量,当熔化温度不足,出料量偏大时,料堆移后,有的配合料还未完全熔化就到了澄清部,占用了澄清时间,使澄清不充分,本该排出的气泡留在了玻璃液中进入了冷却阶段.制品上直径0.2mm以上的气泡就是这样形成的.
不同直径气泡上浮速度和所需时间不一样。窑长方向上澄清距离短,澄清时间相对不足,大气泡的排出有时是不充分的.从澄清池结构分析,所谓深澄清池下沉也有限,比较以往下沉的深池,垂直方向上玻璃液向下冷却的距离缩短,时间减少,温度降低幅度小.玻璃液向下澄清的时间短，小气泡不能完全溶解于玻璃液中,进入上升料道的玻璃液既有直径0.2mm以上的气泡,也有直径0.2mm以下的灰泡.
玻璃液从上升料道底部到顶端一直到料盆附近还有一个冷却过程,由于上升料道保温强度高,这个阶段温降梯度不大,顶端的玻璃液温度高,为使成型温度合适须加大冷却风量,玻璃液被快速强制冷却,表皮处的玻璃因过冷而影响了对小气泡的吸收,这就出现了制品上小气泡分布不匀的现象.为充分发挥玻璃液进入流液洞以后这个过程吸收小气泡的作用,我们把上升料道的保温强度降低,拆掉保温砖,测量结果显示上升料道顶端的玻璃液温度降低，调温风机的转速下降。这样处理的结果是制品上的气泡直径变小,数量变少。
2.加料机改造,出料量控制
窑炉配备的加料机不能实现裹入式薄层加料,碎玻璃比例只有%7,配合料入炉后漂浮在玻璃液面上的高度大,这给火焰的吹动增加了作用面积,推力增加漂动速度加快.比较碎玻璃比例大的绿料(部分裹入式加料),料堆浮在液面上的高度小,料堆前冲的现象就不明显.改进加料机缩小吐料口,将加料机下移使加入的配合料部分浸入到玻璃液中,料堆的厚度减小,受力面积减小了,料堆前冲的距离减少,有利于防止跑料,增加澄清时间.
3.熔化温度
一般而言,提高熔化温度是解决气泡最直接的措施,它是通过加快配合料的熔化速度,提高玻璃液的温度,降低粘度,从而有利于气泡的排出.就本例而言,熔化温度提高后有以下几个直接作用.
①加大了火焰的喷出速度和火焰长度.火焰速度提高的作用是对料堆的推力加大,火焰加长的结果是热点前移.热点前移使冷却段缩短,不利于小气泡吸收.
②提高了玻璃液的温度,降低了玻璃液中气体的溶解度,析出的气体增多,当澄清时间不充分时起不到使气泡减少的作用而是相反.
③降低了玻璃液的粘度.粘度降低一方面有利于大气泡排出,另一方面使料堆向前漂移的阻力减小更容易跑料,恶化澄清质量，不利于气泡排出.观察到的情况是气泡时多时少的现象更加严重了,这说明第二方面的作用大.
④气泡直径变大.这些长大的气泡来不及从玻璃液中排出就进入了冷却段,反而变得不易吸收.
而适当降低熔化温度,火焰喷出速度减小,玻璃粘度增大不易跑料,热点后移澄清时间延长,气体在玻璃中的溶解度提高,气泡就能够减少或者消除.当然也不是温度越低越好,当温度降低到一定程度时,问题会走向反面,不但气泡减轻不了,结石还会出现.
4.配方中气体率对气泡数量的影响
增大气体率虽然能缩短熔化时间,相应延长澄清时间,但这一效果比起气体率增大需要更长的澄清时间来说是负面的,同时气体率提高还增加了配合料的成本,是不合算的,所以最后我们将气体率降低。
5.玻璃粘度的影响
为了研究玻璃粘度对跑料的影响,我们比较了另一座生产绿料窑炉加料口处玻璃液的温度和粘度,两种料的粘度上的差异对料堆漂移速度的影响很明显,从人工拨料的难易程度上也能看得出来.这可以解释同一座窑炉生产绿料时出料量大不易跑料,而生产白料时出料量小还容易跑料的原因.
总结
此次解决气泡问题思路来自大多数气体在玻璃液中的溶解度与温度成反比的理论,用于生产实践,通过采取降低温度的措施提高气体在玻璃液中的溶解度,使大量影响制品外观质量的气泡被玻璃液吸收.
事实上这座窑炉生产高白料玻璃瓶其熔化温度,出料量和气泡数量之间存在一个平衡关系,即出料量减少时熔化温度还可以适当降低,出料量增加时,熔化温度应适当提高,但不能超高.用这一规律指导生产,可使制品气泡数量控制在允许范围之内. |
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