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玻璃近年來，由于其高可靠性（90%以上），超白玻璃（也被稱為低鐵玻璃）深受市場歡迎。它在高端建筑、汽車、太陽能集熱器、太陽能發(fā)電等領域得到了廣泛應用，許多研究人員對此給予了關注。超白玻璃的透過率較高,原因在于其鐵含量很低,已有的許多文獻重點研究了鐵對玻璃光學性能的影響以及鐵離子在玻璃中的存在狀態(tài)。M.Khoukhi等研究表明,太陽能集熱器中低鐵玻璃蓋板比透明玻璃蓋板的瞬時效率高;J.Deubener等指出含鐵低的Na-Ca-Si玻璃比普通浮法玻璃更適合做光電轉換板和基體;TakashiUchino等研究了鐵含量低于1wt%的Na-Ca-Si玻璃中八面體和四面體的三價鐵和八面體二價鐵對光譜吸收的影響;T.T.Volotinen等人研究了Na-Ca-Si玻璃中鐵離子的價態(tài)及影響因素。然而,對于超白玻璃熱學特性的研究相對較少,這些熱學參數(shù)(如熱導率、溫度梯度、粘度等)對于熔窯結構設計和熔化過程的工藝條件控制具有重要指導意義。Jong-HeeHwang等研究了氧化鐵含量對高溫熱導率的影響;王升高等通過建立高溫熱阻模型對含鐵無堿玻璃的高溫透熱性進行研究,發(fā)現(xiàn)高溫表觀熱導率與亞鐵離子之間有定量關系;童樹庭也研究了高溫下玻璃液的熱導率,發(fā)現(xiàn)鐵含量低的無色玻璃液在靜止狀態(tài)時的溫度分布情況,其溫度梯度小,在玻璃液中間部分表現(xiàn)出較好的線性關系。這些研究并未結合超白玻璃的化學成分給出具體的數(shù)據(jù)。迄今為止,有關超白玻璃的成分、熱導率、高溫粘度、溫度梯度的研究未見報道。本文對超白玻璃的化學成分進行了分析,并結合已有文獻提供的經(jīng)驗公式,對超白玻璃的熱導率、溫度-粘度關系、溫度梯度物理參數(shù)進行了計算,給出了超白玻璃在高溫熔化時上述參數(shù)的具體數(shù)值。2熱質超白玻璃溫度的計算采用Y-2000型X熒光光譜儀(X-rayFluorescenceSpectrometer,XRF)對某廠生產(chǎn)的超白玻璃樣品進行了分析;采用基于無機材料物理性能加和法開發(fā)的GE-SYSTEM(V2.5.2.11)軟件計算了超白玻璃的熱導率、“溫度-粘度”的關系等相關性能;采用文獻提供的基于實測數(shù)據(jù)擬合的關于溫度梯度的經(jīng)驗公式對玻璃熔窯中玻璃液表面及池底的溫度進行了計算。文獻列出了實際生產(chǎn)中不同氧化鐵濃度的玻璃熔窯中玻璃液表面及池底的溫度,如表1所示。并據(jù)此擬合出了玻璃熔窯的溫度、深度與含鐵量之間的經(jīng)驗關系:T=T0(1?Ahn)(1)Τ=Τ0(1-Ahn)(1)其中:A和n是與玻璃中Fe2O3的百分含量有關的常數(shù),A=0.0462+0.00985x,n=0.9-0.7e-1.8x,x為玻璃組分中Fe2O3的百分含量;h為玻璃液(熔窯)的深度(英寸);T為玻璃液某高度處的溫度(℃);T0為玻璃液表面的溫度(℃)。3分析與討論的結果3.1myp/msp/msp/msp/msp/msp/hp/hp/hp/hp/hp/hp/hp/”鐵含量較低對超白玻璃樣品進行了化學成分分析,結果列于表2。由表2可見,與普通浮法玻璃相比,此超白玻璃樣品中MgO含量較低,K2O含量較高,但其最顯著特點是鐵含量很低,大約只有普通玻璃的十分之一。鐵含量低可以使超白玻璃具有較高的透明度和白度,并且其光學、熱學性能均與此有關。3.2鐵離子含量對超白玻璃透熱性的影響采用GE-SYSTEM軟件計算出了不同含量(0.01～0.105wt%)玻璃的熱導率,如圖1所示。由圖1可知,玻璃的熱導率隨著Fe2O3含量的增加而線性減小,并且氧化鐵與玻璃熱導率的關系式為:λ=1.3146?0.0055x(2)λ=1.3146-0.0055x(2)其中:x為Fe2O3的含量(%);λ為玻璃的熱導率(W·m-1·K-1)。此超白玻璃樣品的Fe2O3%≈0.01wt%,依照式(2)計算可得熱導率約為1.3145W·m-1·K-1,其值較高,表明該超白玻璃樣品的透熱性好,這主要是由于鐵離子含量較低所致。眾所周知,玻璃中鐵離子有較強的吸熱作用。當鐵含量較高時,吸熱性好,透熱性差;而當鐵含量較低時,玻璃液流動層的吸熱性差,透熱性好。3.3溫度和粘度與溫度的關系通過GE-SYSTEM軟件計算,得到超白玻璃樣品的“溫度-粘度”的關系式如下:T=285.1+3907.6844/(lgη+1.4454)(3)Τ=285.1+3907.6844/(lgη+1.4454)(3)普通浮法玻璃樣品的“溫度-粘度”的關系式如下:T=230.61+4646.8014/(lgη+1.8233)(4)Τ=230.61+4646.8014/(lgη+1.8233)(4)假定超白玻璃液與普通浮法玻璃液的表面溫度相同(均為1446℃),根據(jù)式(1)、(3)及(4),可以計算出超白玻璃液和普通浮法玻璃液在熔窯中深度h與溫度T、粘度η之間的關系,如圖2所示。由圖2可以看出,在深度為120cm處,超白玻璃液溫度為1291℃,粘度為269Pa·s,而普通浮法玻璃液的溫度為1196℃,粘度為980Pa·s。超白玻璃液溫度高約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較低,可能影響玻璃窯底不動層的狀態(tài)。假定超白玻璃液與普通浮法玻璃液的表面粘度均為100Pa·s。根據(jù)式(1)、(3)及(4),計算出超白玻璃液和普通浮法玻璃液在熔窯中深度h與溫度T、粘度η之間的關系,如圖3和表3所示。由表3可以看出,表面粘度相同時,超白玻璃液的表面溫度比普通浮法玻璃液低1.85%(27℃);底部的溫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);平均溫度梯度比普通浮法玻璃液低39.42%(0.82℃/cm)。由圖2和圖3可以看出,當玻璃液表面溫度或表面粘度相同時,兩種玻璃液的溫度都隨深度的增加而降低,粘度則隨深度的增加而增加。超白玻璃液與普通浮法玻璃液相比,在玻璃液的相同深度處(除玻璃液表面外),溫度較高,粘度較低,并且差距隨深度的增加而增加。溫度梯度與粘度梯度在玻璃液中的變化并非線性的,而是隨著玻璃液深度的增加而減小,超白玻璃溫度梯度與粘度梯度較小。由于超白玻璃中的鐵含量只有普通浮法玻璃的1/10,導致其熱導率比普通浮法玻璃的高,因此在垂直方向上,熱量在超白玻璃中的傳遞較快,熱損失較少,故當表面溫度很接近時,在熔池相同深度處,超白玻璃液的溫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與普通浮法玻璃液相同(均為977Pa·s),根據(jù)式(1)、(3)及(4),計算出超白玻璃液和普通浮法玻璃液在熔窯中深度h與溫度T、粘度η之間的關系,如圖4和表4所示。由圖4可以看出,當兩種玻璃液的底部粘度相同時,超白玻璃液與普通浮法玻璃液相比,溫度梯度與粘度梯度較小,并且在玻璃液中的變化并非線性的,隨著玻璃液深度的增加而減小。在玻璃液的相同深度,溫度較低,粘度較高。由表4可知,當玻璃液在120cm處粘度相同時(均為977Pa·s),超白玻璃液與普通浮法玻璃液相比,底部溫度低約2.50%(30℃),表面溫度低約9.71%(140℃),表面粘度高約141%(141Pa·s)。4玻璃液深度對溫度和粘度的影響超白玻璃中Fe2O3含量約為0.01%;對應的熱導率約為1.3145W·m-1·K-1;“溫度-粘度”的關系式為T=285.1+3907.6844/(lgη+1.4454);平均溫度梯度較小,在玻璃液中的變化并非線性變