超白浮法玻璃熔化溫度與黏度特性及其對液流影響的分析

武林雨 許世清 王長軍 趙寶盛 劉世民

（1. 河北省超白功能玻璃材料技術創新中心 廊坊 065600；2. 河北南玻玻璃有限公司 廊坊 065600；3. 燕山大學 材料科學與工程學院 秦皇島 066004）

0 引言

超白玻璃又稱高透明玻璃、低鐵玻璃，與普通玻璃相比具有較高的透光率和透明特性，主要應用于高檔建筑的內外裝修、電子產品、高檔轎車玻璃、太陽能電池、高檔園藝建筑、高檔玻璃家具、各種仿水晶制品等行業。然而，與普通的浮法玻璃相比，由于超白玻璃的鐵含量低，玻璃液的溫度、黏度特性與普通玻璃存在較大的差異，對熔窯內玻璃液流的影響也存在較大的不同。

本文結合實際生產工況條件，通過軟件計算對超白浮法玻璃的溫度與黏度特性及其對玻璃液流的影響進行分析，為超白浮法玻璃的穩定優質生產提供參考。

1 研究現狀及方法

1.1 研究現狀

Sakaguchi等［1］研究了鋁-堿土-硅酸鹽和堿土-硅酸鹽玻璃體系中二價鐵離子在紅外波段的吸收峰，并發現采用所獲得的吸收峰數據能夠通過公式來計算光學堿度。Jong-Hee Hwang等［2,3］通過計算和實驗發現，通過控制鐵離子的氧化物狀態，可以調整玻璃液的導熱水平，穩定玻璃的顏色轉變過程，并指出，可通過控制不同顏色玻璃中氧化鐵的含量使玻璃熱傳導率的系數保持不變。同時，測得了透明與彩色玻璃中氧化鐵含量的最優值，使得其高溫下與黑色玻璃有相同的熱傳導率。Xu等［4］指出，在玻璃原料中，Fe2O3的存在會影響玻璃的透熱性，進而影響輻射傳熱能力，增加熔化難度；同時，隨著Fe2O3含量的增大，表層玻璃液的吸熱效果增加，上層玻璃液的流速增大，相關的工藝參數需與之相匹配，才能夠保證玻璃產品的穩定生產。張為民等［5］分析了影響氧化鐵著色的主要因素，以及氧化鐵對玻璃熔制、退火、成形的影響。王升高等［6］測定了無堿玻璃中Fe2+和 Fe3+的含量以及玻璃的透熱性能，并對其吸收光譜進行了分析，發現高溫時無堿玻璃的透熱性能與原料中Fe2+的含量存在定量關系。高艷麗［7］探討了鐵對玻璃顏色、透光度、密度和窯內底溫的影響，并提出了一些相關的措施來改善生產。蔣文玖［8］指出了降低和減少玻璃原料中Fe2O3的含量可以加快熔制和澄清的速度，并提出了必項具體的措施。

1.2 研究方法

采用廈門靈捷軟件有限公司開發的“SMARTDATA 無機玻璃工程師系統GE-SYSTEM”軟件，結合西北輕工學院主編的《玻璃工藝學》，對超白及普白玻璃的溫度、黏度特性進行計算。通過窯內主體環流的流動規律以及實際生產線上工況參數對液流影響進行分析研究。

2 研究內容與分析

2.1 玻璃液溫度與深度的關系

超白玻璃與普通浮法玻璃的主要差別在于含鐵量的不同。無論是以正常組分或以雜質形式存在于原料中的鐵，都會對玻璃的熔化產生影響。因為鐵離子大量吸收火焰的熱輻射，降低熱輻射的透過率，使玻璃液沿玻璃熔窯深度方向產生溫度降。

玻璃熔窯的深度與溫度不呈直線關系，而是存在如下關系［4］：式中：t——玻璃液（熔化池）的深度，m；

T——玻璃液某高度處的溫度，℃；

T0——玻璃液表面的溫度，℃；

A和n——與玻璃中Fe2O3的質量分數有關的常數。

式（1）表明，玻璃液某一高度上的溫度，取決于玻璃液表面溫度T0及常數A和n，T0為設計溫度。A和n由式（2）給出：

x為玻璃組分中Fe2O3的質量百分含量。根據式（1）變形得到的玻璃液深度與溫度之間的關系式：

因此，若知道氧化鐵的含量，便可確定玻璃液深度與溫度的關系。本文以超白玻璃鐵含量0.0096%、普通玻璃鐵含量0.122%為例，計算了不同玻璃液深度下對應的溫度。在計算時，假設超白和普白玻璃在液表處的黏度一致，統一為10 Pa·s，則計算獲得的玻璃液溫度隨深度變化的數據如表1所示。

表1 兩種玻璃在不同玻璃液深度處的溫度對照

從表1中的對比數據可以看出，超白玻璃液的表面與池底之間的溫差較小，即隨著玻璃液深度的逐漸加深，超白玻璃的玻璃液溫度下降趨勢要比普通玻璃小很多，也就是說超白玻璃的透熱性要高，池底溫度明顯高于普通浮法玻璃。

2.2 玻璃液黏度與深度的關系

玻璃液溫度與黏度之間的對應關系［9］：

式中：T——玻璃液的溫度；

h——玻璃液的黏度；A'、B、C——分別為與成分有關的常數。

為了表達玻璃液深度與黏度之間的關系，將式（1）代入到式（5）中，得到玻璃液深度t與黏度h之間的關系式為：

因此，若知道氧化鐵的含量，便可確定玻璃液深度與黏度的關系。本文以超白玻璃鐵含量0.0096%，普通玻璃鐵含量0.122%為例，計算不同玻璃液深度下對應的黏度，如表2所示。

表2 兩種玻璃在不同玻璃液深度處的黏度

從表2可以看出，隨玻璃液深度的增大，兩種玻璃的黏度均增大。但超白玻璃液黏度梯比普通浮法玻璃小，隨著玻璃液深度的增加，玻璃液的黏度增加的程度將不再明顯。

2.3 對玻璃液流的影響

由于超白玻璃的透熱性較好，底部玻璃液的溫度較高，黏度較小。玻璃液的黏度和溫度對熔窯內玻璃液的流動有直接關系。溫度是玻璃液可以流動的直接驅動因素，有了溫度的梯度差異，才會導致玻璃液其他物性參數的梯度差異。在熔窯的長度、寬度和深度方向，玻璃液黏度、密度的梯度差異才導致了玻璃液的自然流動。

從窯內整體玻璃液的環流情況來分析，窯內的主體環流為典型的三環流［12］，其在窯內的主要分布形式如圖1所示。

圖1 窯內主體三環流示意［10］

由于超白玻璃底部玻璃液溫度較高，黏度較低，必然會導致第一循環區下層玻璃液的流速增大。一般情況下，與普通浮法玻璃相比，超白玻璃池底對應熱電偶的溫度值會比普通玻璃高70～80 ℃。而這一系列的變化，將會導致池底處玻璃液的相對不動層較淺，透過池底耐火材料到達窯底的溫度會較高，高溫會對耐火材料的壽命帶來一定的影響，同時較大的流速也會增加對池底耐火材料的侵蝕。超白與普通浮法窯內主體三環流影響變化對比示意圖如圖2所示。

圖2 超白與普通浮法窯內主體三環流影響變化對比示意

因此，對于生產超白玻璃的熔窯而言，為了提高熔窯池底的抗侵蝕性，會采用雙層池底鋪面磚進行鋪設，并且為了避免池底溫度過高，會減少對池底耐火材料的保溫。此外，高溫玻璃液對池壁的侵蝕也較為明顯。采用相同的池壁耐火材料，在生產普白玻璃產品時，一般4～5年才會開始對池壁進行第一次綁磚，而生產超白玻璃產品時，一般2～3年就會第一次綁磚。所以，如果從熔窯的使用壽命角度考慮，熔化部可以適當采用更高標號的耐火材料，同時還要加大對池壁的巡檢。

由于超白玻璃透熱性好，液表與池底之間的溫差減小，進而導致玻璃液在深度方向的對流減弱，水平方向的流速增大。對于第一循環區而言，其下層的前進流為玻璃配合料迅速分解，并發生主要物理化學反應的階段，也是氣泡產生的主要階段。當該區段處玻璃液的流速增大，對應在該段處的停留時間便會縮短，進而縮短了氣泡的排除時間，同時，由于玻璃液的透熱性高，玻璃液在深度方向上的黏度梯度較低，氣泡的上升速度加快，澄清時間縮短，進而在澄清段會帶來澄清困難的問題。

在生產超白玻璃時，由于較低的鐵含會減少對火焰空間熱輻射的吸收，導致超白料比較難熔，一般會提高火焰空間的溫度，尤其是澄清區的溫度。與普白相比，生產超白玻璃時，澄清區的溫度一般都會升高20～30 ℃來提高澄清效果。

3 結語

超白玻璃的鐵含量較低，對火焰空間紅外輻射的吸收能力較弱，在熔窯中整體液流的透熱性較強，因此超白玻璃液的液表與池底之間的溫差較小，黏度梯度也較小，池底溫度較高，下層液流流速較大，對耐火材料的侵蝕較大，且澄清較難。因此在進行超白玻璃的生產時，需要選擇合適的池底耐火材料和厚度，提高池底的抗侵蝕能力，同時也應適當提高澄清溫度，避免澄清不足的問題。