小爐結構對氣泡的影響

最新 02-27

氣泡是玻璃生產中常見的缺陷之一，為了弄清氣泡形成的原因，除能看到玻璃板上氣泡的大小和位置等外觀外，最好通過氣體的成份分析，在了解氣體的化學組成之後，再對氣體的成因進行詳細的判斷。我公司一條生產線長期出現一種以氮氣為主，泡內含有液珠的氣泡。

1　氣泡的特徵及組份

泡徑為1.5～2.0 mm，絕大多數都在玻璃的下表面，為閉口泡，有時也表現為上、中、下都有（剛開始以上部為主，拆冷卻部保溫後則以中、下部為主），泡內有液珠。圖1為帶液珠泡的顯微結構照片。

圖1　帶液珠泡的顯微結構照片

為了弄清氣泡產生的根本原因，我公司對上述形態的氣泡先後兩次進行了送檢，結果見表1。

從表1中可以清晰地看出：此類氣泡都是以氮氣為主要成份，且內有沉積液珠的氮氣泡，另外從Ar的含量來看，非常接近空氣中的惰性氣體。由此可以初步判定，此類氣泡與空氣有關。

表2是2013年10月18日送往「捷克」的氣體檢測報告。

分析表2數據，此類氣泡仍然是含有沉積物的氮氣泡，並且報告中明確指出附著的沉積物為液態的單質硫，從Ar的含量判定泡內的氣體來源於空氣。

2　氣泡形成的原因分析

浮法玻璃的整個生產過程中，氮氣的所有來源大致有三處：

配合料中裹進的空氣（包括配合料自身的空隙以及投料機簸箕往複運動過程中捲入的空氣）；

低溫攪拌裹入的空氣泡；

來自耐火材料的孔或從縫隙中吸入的空氣。

根據以上判斷和生產實際，技術攻關小組從各方面分析解決氣體的形成。表3的廢氣分析表明前區氣氛為還原性。

註：以空氣過剩係數是1.1～1.2時為弱還原，1.2時為中性火焰，1.2～1.3時為氧化，1.3以上為強氧化火焰。

熔化過程中析出的氣體，除了碳酸鹽分解時放出大量的氣體外，還有一部分是從配合料自身的空隙中攜帶進入的空氣。這些氣體需要在料堆、料堆的前沿以及泡沫區至澄清的範圍內排除掉，否則將會殘留在玻璃中。

過去曾認為氮氣在玻璃熔體中只是物理溶解，因而溶解度很小。後來發現，在還原條件下較大量的氮化學溶解在玻璃熔體中，當改變為氧化條件時又分離出來，這種由於還原氧化氣氛的轉換而析出氣體可以說明含氮氣泡產生的原因。

用還原性火焰製成的玻璃熔體中溶解的氮（1.5×10-4%）約相當於物理溶解量的10倍以上，加入3 %的碳，吹入N2（2 h，1 400℃，鈉鈣硅玻璃）就會有0.36 %的N2化學結合在玻璃中。

其反應機理：在高溫下，氮氣加還原劑與玻璃熔體將按下式進行反應：

玻璃O＋N2＋C玻璃N＝＋CO，即氮化學溶解在玻璃中。

3　氣泡形成的推導過程

玻璃熔窯內空間的熱傳導主要是通過火焰的輻射。配合料層的表面在熱的作用下很快就形成一層薄熔體，其厚度只有幾毫米，在重力的作用下往下流。由於料層的導熱係數小，所以配合料層內部的反應情況與表面不一樣，配合料層的下面比較熱的熔化前沿形成的反應氣體滲入鬆散的料層經過孔隙向上流動時，先是靠近熔化面的料層加熱，而氣體自身則逐漸被冷卻。後來冷的氣體在上半部的料層中正好出現相反的過程，即氣體吸收熱量而將料層冷卻。故在氣流的影響下，配合料層下面要比上面熔化得快些。

假設配合料堆存在一個上升的氣泡，在反應的整個過程中，此氣泡可能還有的成份為：N2、O2、Ar、SO2、CO2。

如果在強還原性的氣氛下一方面會發生如下的反應：C＋O2＝CO2；C＋SO2＝S＋CO2；C＋CO2＝CO；另一方面N2的溶解度也變大。此時氣泡內的成份可能變為：N2、Ar、S、CO2、CO。

越過熱點之後，CO2開始進行物理溶解，隨著溫度的降低，CO2的溶解度變大，逐漸被熔體所吸收，反之，熔體中的N2或以小氣泡存在的N2都將進入這個較大的氣泡中。所以這個氣泡內的成份又將變為以N2、Ar、S為主，並伴有少量的CO2、CO。

單質硫的熔點為112.8℃，沸點為444.67℃，故隨著玻璃板溫度的降低，開始以氣態存在的硫會逐漸變為液態，以小液珠的形式存在於氣泡內。

4　還原性氣泡形成的原因

（1）窯爐氣氛偏還原；

（2）原料中引入還原性物質；

（3）以煤氣為燃料的熔窯中，燃料中硫成分高且煤氣燃燒不充分；

（4）小爐結構設計問題，造成空氣、煤氣分層，無法在預燃室內充分混合。

5　還原性氣泡的解決方法

（1）調整風火配比，打破前區的過還原性氣氛；

（2）控制原料及碎玻璃，防止引入還原性物質；