超白玻璃熔化性能的研究

超白玻璃熔化性能的研究

1na-ca-si玻璃近年来，由于其高可靠性（90%以上），超白玻璃（也被称为低铁玻璃）深受市场欢迎。它在高端建筑、汽车、太阳能集热器、太阳能发电等领域得到了广泛应用，许多研究人员对此给予了关注。超白玻璃的透过率较高,原因在于其铁含量很低,已有的许多文献重点研究了铁对玻璃光学性能的影响以及铁离子在玻璃中的存在状态。M.Khoukhi等研究表明,太阳能集热器中低铁玻璃盖板比透明玻璃盖板的瞬时效率高;J.Deubener等指出含铁低的Na-Ca-Si玻璃比普通浮法玻璃更适合做光电转换板和基体;TakashiUchino等研究了铁含量低于1wt%的Na-Ca-Si玻璃中八面体和四面体的三价铁和八面体二价铁对光谱吸收的影响;T.T.Volotinen等人研究了Na-Ca-Si玻璃中铁离子的价态及影响因素。然而,对于超白玻璃热学特性的研究相对较少,这些热学参数(如热导率、温度梯度、粘度等)对于熔窑结构设计和熔化过程的工艺条件控制具有重要指导意义。Jong-HeeHwang等研究了氧化铁含量对高温热导率的影响;王升高等通过建立高温热阻模型对含铁无碱玻璃的高温透热性进行研究,发现高温表观热导率与亚铁离子之间有定量关系;童树庭也研究了高温下玻璃液的热导率,发现铁含量低的无色玻璃液在静止状态时的温度分布情况,其温度梯度小,在玻璃液中间部分表现出较好的线性关系。这些研究并未结合超白玻璃的化学成分给出具体的数据。迄今为止,有关超白玻璃的成分、热导率、高温粘度、温度梯度的研究未见报道。本文对超白玻璃的化学成分进行了分析,并结合已有文献提供的经验公式,对超白玻璃的热导率、温度-粘度关系、温度梯度物理参数进行了计算,给出了超白玻璃在高温熔化时上述参数的具体数值。2热质超白玻璃温度的计算采用Y-2000型X荧光光谱仪(X-rayFluorescenceSpectrometer,XRF)对某厂生产的超白玻璃样品进行了分析;采用基于无机材料物理性能加和法开发的GE-SYSTEM(V2.5.2.11)软件计算了超白玻璃的热导率、“温度-粘度”的关系等相关性能;采用文献提供的基于实测数据拟合的关于温度梯度的经验公式对玻璃熔窑中玻璃液表面及池底的温度进行了计算。文献列出了实际生产中不同氧化铁浓度的玻璃熔窑中玻璃液表面及池底的温度,如表1所示。并据此拟合出了玻璃熔窑的温度、深度与含铁量之间的经验关系:T=T0(1−Ahn)(1)Τ=Τ0(1-Ahn)(1)其中:A和n是与玻璃中Fe2O3的百分含量有关的常数,A=0.0462+0.00985x,n=0.9-0.7e-1.8x,x为玻璃组分中Fe2O3的百分含量;h为玻璃液(熔窑)的深度(英寸);T为玻璃液某高度处的温度(℃);T0为玻璃液表面的温度(℃)。3分析与讨论的结果3.1myp/msp/msp/msp/msp/msp/hp/hp/hp/hp/hp/hp/hp/”铁含量较低对超白玻璃样品进行了化学成分分析,结果列于表2。由表2可见,与普通浮法玻璃相比,此超白玻璃样品中MgO含量较低,K2O含量较高,但其最显著特点是铁含量很低,大约只有普通玻璃的十分之一。铁含量低可以使超白玻璃具有较高的透明度和白度,并且其光学、热学性能均与此有关。3.2铁离子含量对超白玻璃透热性的影响采用GE-SYSTEM软件计算出了不同含量(0.01～0.105wt%)玻璃的热导率,如图1所示。由图1可知,玻璃的热导率随着Fe2O3含量的增加而线性减小,并且氧化铁与玻璃热导率的关系式为:λ=1.3146−0.0055x(2)λ=1.3146-0.0055x(2)其中:x为Fe2O3的含量(%);λ为玻璃的热导率(W·m-1·K-1)。此超白玻璃样品的Fe2O3%≈0.01wt%,依照式(2)计算可得热导率约为1.3145W·m-1·K-1,其值较高,表明该超白玻璃样品的透热性好,这主要是由于铁离子含量较低所致。众所周知,玻璃中铁离子有较强的吸热作用。当铁含量较高时,吸热性好,透热性差;而当铁含量较低时,玻璃液流动层的吸热性差,透热性好。3.3温度和粘度与温度的关系通过GE-SYSTEM软件计算,得到超白玻璃样品的“温度-粘度”的关系式如下:T=285.1+3907.6844/(lgη+1.4454)(3)Τ=285.1+3907.6844/(lgη+1.4454)(3)普通浮法玻璃样品的“温度-粘度”的关系式如下:T=230.61+4646.8014/(lgη+1.8233)(4)Τ=230.61+4646.8014/(lgη+1.8233)(4)假定超白玻璃液与普通浮法玻璃液的表面温度相同(均为1446℃),根据式(1)、(3)及(4),可以计算出超白玻璃液和普通浮法玻璃液在熔窑中深度h与温度T、粘度η之间的关系,如图2所示。由图2可以看出,在深度为120cm处,超白玻璃液温度为1291℃,粘度为269Pa·s,而普通浮法玻璃液的温度为1196℃,粘度为980Pa·s。超白玻璃液温度高约95℃,粘度是普通浮法玻璃液的1/3左右。超白玻璃液的底部粘度较低,可能影响玻璃窑底不动层的状态。假定超白玻璃液与普通浮法玻璃液的表面粘度均为100Pa·s。根据式(1)、(3)及(4),计算出超白玻璃液和普通浮法玻璃液在熔窑中深度h与温度T、粘度η之间的关系,如图3和表3所示。由表3可以看出,表面粘度相同时,超白玻璃液的表面温度比普通浮法玻璃液低1.85%(27℃);底部的温度比普通浮法玻璃液高5.94%(71℃);底部粘度比普通浮法玻璃低65.10%(636Pa·s);平均温度梯度比普通浮法玻璃液低39.42%(0.82℃/cm)。由图2和图3可以看出,当玻璃液表面温度或表面粘度相同时,两种玻璃液的温度都随深度的增加而降低,粘度则随深度的增加而增加。超白玻璃液与普通浮法玻璃液相比,在玻璃液的相同深度处(除玻璃液表面外),温度较高,粘度较低,并且差距随深度的增加而增加。温度梯度与粘度梯度在玻璃液中的变化并非线性的,而是随着玻璃液深度的增加而减小,超白玻璃温度梯度与粘度梯度较小。由于超白玻璃中的铁含量只有普通浮法玻璃的1/10,导致其热导率比普通浮法玻璃的高,因此在垂直方向上,热量在超白玻璃中的传递较快,热损失较少,故当表面温度很接近时,在熔池相同深度处,超白玻璃液的温度比普通浮法玻璃液高,粘度比普通浮法玻璃液小。假定超白玻璃液的底部粘度与普通浮法玻璃液相同(均为977Pa·s),根据式(1)、(3)及(4),计算出超白玻璃液和普通浮法玻璃液在熔窑中深度h与温度T、粘度η之间的关系,如图4和表4所示。由图4可以看出,当两种玻璃液的底部粘度相同时,超白玻璃液与普通浮法玻璃液相比,温度梯度与粘度梯度较小,并且在玻璃液中的变化并非线性的,随着玻璃液深度的增加而减小。在玻璃液的相同深度,温度较低,粘度较高。由表4可知,当玻璃液在120cm处粘度相同时(均为977Pa·s),超白玻璃液与普通浮法玻璃液相比,底部温度低约2.50%(30℃),表面温度低约9.71%(140℃),表面粘度高约141%(141Pa·s)。4玻璃液深度对温度和粘度的影响超白玻璃中Fe2O3含量约为0.01%;对应的热导率约为1.3145W·m-1·K-1;“温度-粘度”的关系式为T=285.1+3907.6844/(lgη+1.4454);平均温度梯度较小,在玻璃液中的变化并非线性变