超白浮法玻璃熔化温度与黏度特性及其对液流影响的分析

武林雨 许世清 王长军 赵宝盛 刘世民

（1. 河北省超白功能玻璃材料技术创新中心 廊坊 065600；2. 河北南玻玻璃有限公司 廊坊 065600；3. 燕山大学 材料科学与工程学院 秦皇岛 066004）

0 引言

超白玻璃又称高透明玻璃、低铁玻璃，与普通玻璃相比具有较高的透光率和透明特性，主要应用于高档建筑的内外装修、电子产品、高档轿车玻璃、太阳能电池、高档园艺建筑、高档玻璃家具、各种仿水晶制品等行业。然而，与普通的浮法玻璃相比，由于超白玻璃的铁含量低，玻璃液的温度、黏度特性与普通玻璃存在较大的差异，对熔窑内玻璃液流的影响也存在较大的不同。

本文结合实际生产工况条件，通过软件计算对超白浮法玻璃的温度与黏度特性及其对玻璃液流的影响进行分析，为超白浮法玻璃的稳定优质生产提供参考。

1 研究现状及方法

1.1 研究现状

Sakaguchi等［1］研究了铝-碱土-硅酸盐和碱土-硅酸盐玻璃体系中二价铁离子在红外波段的吸收峰，并发现采用所获得的吸收峰数据能够通过公式来计算光学碱度。Jong-Hee Hwang等［2,3］通过计算和实验发现，通过控制铁离子的氧化物状态，可以调整玻璃液的导热水平，稳定玻璃的颜色转变过程，并指出，可通过控制不同颜色玻璃中氧化铁的含量使玻璃热传导率的系数保持不变。同时，测得了透明与彩色玻璃中氧化铁含量的最优值，使得其高温下与黑色玻璃有相同的热传导率。Xu等［4］指出，在玻璃原料中，Fe2O3的存在会影响玻璃的透热性，进而影响辐射传热能力，增加熔化难度；同时，随着Fe2O3含量的增大，表层玻璃液的吸热效果增加，上层玻璃液的流速增大，相关的工艺参数需与之相匹配，才能够保证玻璃产品的稳定生产。张为民等［5］分析了影响氧化铁着色的主要因素，以及氧化铁对玻璃熔制、退火、成形的影响。王升高等［6］测定了无碱玻璃中Fe2+和 Fe3+的含量以及玻璃的透热性能，并对其吸收光谱进行了分析，发现高温时无碱玻璃的透热性能与原料中Fe2+的含量存在定量关系。高艳丽［7］探讨了铁对玻璃颜色、透光度、密度和窑内底温的影响，并提出了一些相关的措施来改善生产。蒋文玖［8］指出了降低和减少玻璃原料中Fe2O3的含量可以加快熔制和澄清的速度，并提出了必项具体的措施。

1.2 研究方法

采用厦门灵捷软件有限公司开发的“SMARTDATA 无机玻璃工程师系统GE-SYSTEM”软件，结合西北轻工学院主编的《玻璃工艺学》，对超白及普白玻璃的温度、黏度特性进行计算。通过窑内主体环流的流动规律以及实际生产线上工况参数对液流影响进行分析研究。

2 研究内容与分析

2.1 玻璃液温度与深度的关系

超白玻璃与普通浮法玻璃的主要差别在于含铁量的不同。无论是以正常组分或以杂质形式存在于原料中的铁，都会对玻璃的熔化产生影响。因为铁离子大量吸收火焰的热辐射，降低热辐射的透过率，使玻璃液沿玻璃熔窑深度方向产生温度降。

玻璃熔窑的深度与温度不呈直线关系，而是存在如下关系［4］：式中：t——玻璃液（熔化池）的深度，m；

T——玻璃液某高度处的温度，℃；

T0——玻璃液表面的温度，℃；

A和n——与玻璃中Fe2O3的质量分数有关的常数。

式（1）表明，玻璃液某一高度上的温度，取决于玻璃液表面温度T0及常数A和n，T0为设计温度。A和n由式（2）给出：

x为玻璃组分中Fe2O3的质量百分含量。根据式（1）变形得到的玻璃液深度与温度之间的关系式：

因此，若知道氧化铁的含量，便可确定玻璃液深度与温度的关系。本文以超白玻璃铁含量0.0096%、普通玻璃铁含量0.122%为例，计算了不同玻璃液深度下对应的温度。在计算时，假设超白和普白玻璃在液表处的黏度一致，统一为10 Pa·s，则计算获得的玻璃液温度随深度变化的数据如表1所示。

表1 两种玻璃在不同玻璃液深度处的温度对照

从表1中的对比数据可以看出，超白玻璃液的表面与池底之间的温差较小，即随着玻璃液深度的逐渐加深，超白玻璃的玻璃液温度下降趋势要比普通玻璃小很多，也就是说超白玻璃的透热性要高，池底温度明显高于普通浮法玻璃。

2.2 玻璃液黏度与深度的关系

玻璃液温度与黏度之间的对应关系［9］：

式中：T——玻璃液的温度；

h——玻璃液的黏度；A'、B、C——分别为与成分有关的常数。

为了表达玻璃液深度与黏度之间的关系，将式（1）代入到式（5）中，得到玻璃液深度t与黏度h之间的关系式为：

因此，若知道氧化铁的含量，便可确定玻璃液深度与黏度的关系。本文以超白玻璃铁含量0.0096%，普通玻璃铁含量0.122%为例，计算不同玻璃液深度下对应的黏度，如表2所示。

表2 两种玻璃在不同玻璃液深度处的黏度

从表2可以看出，随玻璃液深度的增大，两种玻璃的黏度均增大。但超白玻璃液黏度梯比普通浮法玻璃小，随着玻璃液深度的增加，玻璃液的黏度增加的程度将不再明显。

2.3 对玻璃液流的影响

由于超白玻璃的透热性较好，底部玻璃液的温度较高，黏度较小。玻璃液的黏度和温度对熔窑内玻璃液的流动有直接关系。温度是玻璃液可以流动的直接驱动因素，有了温度的梯度差异，才会导致玻璃液其他物性参数的梯度差异。在熔窑的长度、宽度和深度方向，玻璃液黏度、密度的梯度差异才导致了玻璃液的自然流动。

从窑内整体玻璃液的环流情况来分析，窑内的主体环流为典型的三环流［12］，其在窑内的主要分布形式如图1所示。

图1 窑内主体三环流示意［10］

由于超白玻璃底部玻璃液温度较高，黏度较低，必然会导致第一循环区下层玻璃液的流速增大。一般情况下，与普通浮法玻璃相比，超白玻璃池底对应热电偶的温度值会比普通玻璃高70～80 ℃。而这一系列的变化，将会导致池底处玻璃液的相对不动层较浅，透过池底耐火材料到达窑底的温度会较高，高温会对耐火材料的寿命带来一定的影响，同时较大的流速也会增加对池底耐火材料的侵蚀。超白与普通浮法窑内主体三环流影响变化对比示意图如图2所示。

图2 超白与普通浮法窑内主体三环流影响变化对比示意

因此，对于生产超白玻璃的熔窑而言，为了提高熔窑池底的抗侵蚀性，会采用双层池底铺面砖进行铺设，并且为了避免池底温度过高，会减少对池底耐火材料的保温。此外，高温玻璃液对池壁的侵蚀也较为明显。采用相同的池壁耐火材料，在生产普白玻璃产品时，一般4～5年才会开始对池壁进行第一次绑砖，而生产超白玻璃产品时，一般2～3年就会第一次绑砖。所以，如果从熔窑的使用寿命角度考虑，熔化部可以适当采用更高标号的耐火材料，同时还要加大对池壁的巡检。

由于超白玻璃透热性好，液表与池底之间的温差减小，进而导致玻璃液在深度方向的对流减弱，水平方向的流速增大。对于第一循环区而言，其下层的前进流为玻璃配合料迅速分解，并发生主要物理化学反应的阶段，也是气泡产生的主要阶段。当该区段处玻璃液的流速增大，对应在该段处的停留时间便会缩短，进而缩短了气泡的排除时间，同时，由于玻璃液的透热性高，玻璃液在深度方向上的黏度梯度较低，气泡的上升速度加快，澄清时间缩短，进而在澄清段会带来澄清困难的问题。

在生产超白玻璃时，由于较低的铁含会减少对火焰空间热辐射的吸收，导致超白料比较难熔，一般会提高火焰空间的温度，尤其是澄清区的温度。与普白相比，生产超白玻璃时，澄清区的温度一般都会升高20～30 ℃来提高澄清效果。

3 结语

超白玻璃的铁含量较低，对火焰空间红外辐射的吸收能力较弱，在熔窑中整体液流的透热性较强，因此超白玻璃液的液表与池底之间的温差较小，黏度梯度也较小，池底温度较高，下层液流流速较大，对耐火材料的侵蚀较大，且澄清较难。因此在进行超白玻璃的生产时，需要选择合适的池底耐火材料和厚度，提高池底的抗侵蚀能力，同时也应适当提高澄清温度，避免澄清不足的问题。