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玻璃气泡缺陷和预防

发布时间:2016/6/2

玻璃中气泡是可见的气体夹杂物,通常被视为缺陷,部分被蓄意制造并作为装饰的形式使 用。气泡大小通常由零点几毫米到几毫米,按尺寸大小,气泡可分为灰泡(直径<0. 8mm)和气 泡(直径>0. 8mm),其形状有纺锤状、线状、圆球状、椭球状、不规则状等,气泡内气体组成 通常含有02、N2、CO、C02、502和氏0等,有时还含有固体成分如硫酸盐或氯化物。图12-1 所示为显微镜观察的典型气泡。气泡缺陷的存在不仅影响玻璃制品的外观质量,也严重影响玻璃 的机械强度和光学性能。因此对玻璃制品气泡缺陷产生原因的分析与研究并提出解决的办法就显 得非常重要。

气泡根据其产生原因可以分为:一次气泡(配合料残留气泡)、二次气泡、外界空气气泡、 耐火材料气泡和外界金属(如铁等)污染泡等多种。实际生产中,玻璃产生气泡的原因很多,情 况很复杂。通常需要判断气泡是何时何地产生的,研究气泡产生的热历史过程,再详细根据原料 及熔制条件,以采取相应的措施加以解决。

       (1) 一次气泡在熔制玻璃过程中,由于配合料各组分一系列物理的、化学的和物理化学的 反应及易挥发组分的挥发,释放出大量的气体,其中有〇2、N2、CO、CC)2、SC)2、Ar和H20 等。这些反应在玻璃熔窑中通常是同时进行的,在硅酸盐形成和玻璃形成阶段,有很大一部分气 体被包裹在玻璃液中使之成为多孔结构,随着温度升高和玻璃黏度降低,气体不断地从玻璃熔体 内逸出,清除玻璃液中的气体必须在澄清阶段完成。通过引入澄清剂以促使较大气泡的产生,吸 引途中小气泡并快速升至熔体表面。气泡体积增大加速上升,漂浮出玻璃表面后破裂消失。过了 澄清部进入冷却部的玻璃液,内有一些小气泡的气体组分溶解于玻璃液中,气泡被吸收而消失。 如果成品玻璃中,配合料分解释放的一些气泡没有完全逸出,则形成可见气泡。因此,一次气泡 也称为“配合料残留气泡”。一次气泡的三个特征是:均匀分布在玻璃板中,以小气泡的形式出 现;气泡中气体组成主要是C02和N2;澄清剂过量会有so2,澄清剂不足时,so2含量很低。

一次气泡产生的主要原因是澄清不良,而玻璃液的澄清过程受诸多因素的影响,包括:化学 澄清剂不足或是超量;能产生澄清气体的原料成分能否集中分解并释放出澄清气体;澄清流起点 处含气泡的深层液流能否顺利上行排泡;以及澄清温度、时间、外界压力等。因此,在生产中, 配合料的用料、含水率、配合料中砂粒粗细不均匀,加入澄清剂种类和数量不适当,加料温度和 速度不适宜,生产操作不稳定,例如原料含铁量的波动、熔制温度分布不合理、造成热点位置移 动、泡界线偏离等,都会使澄清不良,容易产生气泡。加料速度不正常、玻璃液面波动、窑压波 动等都会影响气泡的排除。加入澄清剂种类和数量不适当、澄清条件很差或熔融玻璃的对流状态 不好、配合料中水分过高时,玻璃中就会出现一次气泡。

预防这类气泡的主要措施是:控制配合料的气体率(一般在12%〜18%)、选择适当的原料 颗粒度、延长熔制时间、提高熔制温度、使用搅拌和鼓气、施以高压或是真空、采用超声波及使 用澄清剂等。降低玻璃液的黏度如引人碎玻璃、降低熔窑压力和玻璃液与气泡之间的表面张力等 多种方法可提高气体的逸出速率。降低炉内气体的压力和加入适量的澄清剂。此外,玻璃的氧化 还原指数也要适宜,当熔窑气氛、气压或温度有轻微变化时,就容易出现大量小气泡。工艺人员 需要掌握好配合料的各种成分的合理配比和玻璃化学成分的稳定,当玻璃成分出现波动的时候, 要通过调整配方来修正。当配合料中水分过大,则需将石英砂进行晾晒。要根据实际情况,改进 生产操作,严格执行规范操作来避免气泡缺陷。

(2) 二次气泡澄清好的玻璃液同溶解于其中的气体应处于平衡状态,当玻璃液所处的条件
改变,澄清好的玻璃液内又出现气泡或灰泡,这种气泡称为二次气泡。二次气泡特点是直径小的 圆形气泡(一般小于0.1mm),数量多(每立方厘米可达几千个,密集分布),分布均匀。

造成二次气泡的原因包括物理原因和化学原因等。如果降温后玻璃液再次升温并超过工艺规 定范围,则原来溶解于玻璃液中的气体将由于温度变化而造成溶解度降低,析出十分细小和均匀 分布的二次气泡,这种情况是属于物理上的原因。澄清后的玻璃中所含的气体总量只占玻璃质量 的0.01%〜0.5%,这种残留的溶解气体是产生二次气泡的根源。属于物理原因的还包括窑炉 压力的急剧变化或机械搅拌调节的不当,也会引起二次气泡。溶入玻璃液中的气体的过饱和状态 由于机械扰动而变化以致产生气泡,澄清不充分的玻璃,在工作池、供料道位置的温度下,在搅 拌器表面产生气泡。有些熔窑底部有铂热电偶直接和玻璃液接触,当这些热电偶或电极不慎接 地,就会造成电极气泡。由热作用在高温下产生的二次气泡中主要含o2 sso2之类的澄清气体, 而机械作用在低温中导致的气泡则主要含C02、N2、h2o之类的气体。

化学上的原因主要是与玻璃的化学组成和使用的原料有关。原料中含铁量降低,或是配合料 中引入氧化剂,造成玻璃液透热度增加,玻璃液温度提高,使一些高温溶解度减少的气体低温过 饱和析出,如S()3在钠钙硅玻璃熔体中的溶解度从1100°C加热到1400°C降低了三个数量级,在 这种情况下,温度的微弱变化就会出现二次气泡;熔制芒硝配合料,应使芒硝分解完全,玻璃液 中的S〇3含量不超过0.35%〜0.4%,否则在冷却或成形时受还原物质的作用也引起二次气泡。 若玻璃中含有过氧化物或高价态氧化物,氧化物分解易产生二次气泡。

二次气泡的形成与玻璃熔制工艺密切相关。二次气泡的生成量不仅与温度高低有关,还与升 温速率、压力变化形成的物理过饱和、搅拌引起的玻璃液局部不均匀、氧化还原气氛转变等有 关。比如升温快,二次气泡多。因此,在生产过程中,要严格遵守正确的熔制制度,配合料进人 熔窑时要做到均匀,熔窑冷却部尽可能使玻璃液的降温均匀一致,鼓泡或搅拌时防止玻璃液在熔 窑中剧烈波动。澄清过程中不仅要去除气泡,还要尽可能地去除玻璃熔体中物理化学溶解的气 体,降低过饱和的机会。

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