电熔窑内的玻璃气泡行为物理模拟研究
张港; 田英良; 孙诗兵; 庞建
(北京工业大学材料学院玻璃室, 北京100124)
摘要：物理模拟是对电熔窑内玻璃液行为进行系统研究的重要方法之一。本文以相似理论为基础，模拟电熔窑玻璃澄清时玻璃液中气泡行为，得到了澄清温度、气泡直径对玻璃液澄清效果的影响规律。
关键词：电熔窑；物理模拟；气泡行为
Physical Simulation for Investigation on Bubble Behavior in the Electric Melting Furnace
ZHANG Gang; TIAN Ying-liang; SUN Shi-bin; PANG Jian
（Glass Laboratory, Beijing University of Technology 100124）
Abstract: Physical simulation is one of the important means that the glass liquid behavior carries on the research in the electric melting furnace. Based on the theory of similarity, this text simulates the bubble behavior in glass liquid when it is clarified in the electric melting furnace, and finds the influence law of clarify temperature, bubble diameter on the clarify effect of glass liquid.
Key Words: Electric Melting Furnace; Physical Simulation; Bubble Behavior
1 引言
在玻璃生产过程中,气泡是一种最常见的玻璃缺陷。气泡是玻璃中的可见气体夹杂物，会影响玻璃制品外观、透明度、机械强度、光学均匀性等[1]，全世界每年由此导致的损失在数千万美元以上。越来越严峻的市场竞争,使得所有玻璃生产厂家竭尽所能来寻求降低气泡缺陷的途径。
玻璃液中的气泡来源于配合料的分解和溶解在玻璃液中气体的重新析出，需要通过澄清过程来排除，但玻璃熔窑内的实际状况严重地阻碍了通过直接观察手段来了解和掌握气泡行为的信息。由于玻璃窑中各处玻璃液温度、密度、粘度、三维运动速度和各种气体的浓度等完全不一致,这将导致玻璃液中的气泡大小、气体成份、气泡内部压力、气泡运动速度和位置等随时间的变化非常复杂。一直以来难以通过实验室手段来解决这些问题。然而，随着物理模拟理论与技术的发展与成熟，对玻璃液中气泡行为进行实验室模拟已成为可能[2]。
本文以相似理论为基础，模拟了电熔窑玻璃熔化过程中气泡的运动行为，得到了澄清温度、气泡直径对玻璃液澄清效果的影响规律，期望这些规律对玻璃澄清工艺的改进提供一定的帮助。
2 玻璃液中气泡行为的物理模拟
物理模拟就是以相似理论为指导，在缩小的模型上进行实验，测定各种数据，然后将实验结果转换到实际电熔窑中去。
2.1 基础理论
玻璃电熔窑中玻璃液的物理模拟是以相似理论为基础的。应遵守三个基本定律，分别为：
几何相似
确定物理模型与实际熔窑的相似比例关系，考虑到各测点的数据测量方便、准确及模型材料和模拟液的用量适中。
流体动力相似
根据玻璃液的实际温度-粘度曲线来确定模拟液的温度-粘度曲线。
3）电相似
当达到动力相似后，模拟液和玻璃液在电性质上也应满足相似要求，即模型中的电场分布和电熔窑中的电场分布具有良好的相似性[3]。
2.2 物理模型的建立
本模型是用有机玻璃制作的，比例是1:10。在模型的池底和池壁共装有10对电极，熔窑模型电极采用铜电极，模型尺寸与电极排布如图1，其中铜电极尺寸为Φ5×50mm，电极插入模拟液深度为25mm。
图1电熔窑模型尺寸及电极分布图
Fig.1 Electric furnace model size and electrode distribution
2.3 模拟液的配制
模拟液的选用应满足流体动力相似原则。本实验所采用的模拟液是甘油和氯化锂的混合液，配制了多种不同组成的LiCl+甘油模拟液，从中选择出一组粘度-温度曲线与玻璃液粘度-温度曲线匹配性较好的模拟液，并在180℃的温度下熬制60min，模拟液粘度与玻璃液粘度对比如图2所示。
图2硼硅电子玻璃与模拟液的粘度－温度曲线
Fig. 2 Viscosity-temperature relations of borosilicate electronic glass and model liquid
2.4 实验过程[4~5]
在模拟实验过程中，利用恒温槽使底面保持恒温，从上至下四层电极的送电能量比为25：60：10：5，并以一定的加料量和出料量保证模拟液的流动，然后从电熔窑的中央部位处通入气泡，气泡间隔一定高度，连续对气泡跟踪拍照，记录相应的时间，一直到气泡鼓出模拟液液面为止。
3 结果与分析
3.1 实验结果
在两组不同温度的情况下，其中温度制度2的温度高于温度制度1。通入气泡进行实验，观测气泡高度与所需时间的关系。以模型底部处的高度为0mm，开始通入气泡时的时间计为0s，此时的高度表示气泡通入点的高度位置。随着时间的推移，气泡逐渐上升，记录某时刻的气泡高度位置。
图3是两组实验模型内温度与模拟液高度的关系，图4和图5是在温度制度1下获得的，图4表示气泡在电熔窑中部通入，图5表示直径0.85mm气泡是从上升道通入，直径0.87mm气泡是从电熔窑中部通入。图6中表示直径0.75mm气泡是在温度制度2下获得，直径0.72mm气泡是在温度制度1下获得。
图3温度与高度的关系图4不同直径的气泡时间与高度的关系
Fig.3 Relationship between temperature and heightFig.4 Relationship between time and height
图5 不同气泡通入位置，时间与高度的关系图6不同温度制度条件下，时间与高度的关系
Fig.5 Relationship between time and heightFig.6 Relationship between time and height (Different
(Different access to the location of the bubble)bubble diameterat the different temperature regime)
3.2实验结果分析
(1) 由图4可以得出，在温度相近的情况下，气泡直径越大，上升所消耗的时间越少，即速度越快；由图5可以得出，在泡径相近的情况下，气泡在上升道中上升所消耗的时间比在熔化池中要少，即在上升道中上升速度快些；由图6可以得出，在泡径相近的情况下，温度越高，上升所消耗的时间越少，即速度越快。
(2) 从图4～6中可以看出，某点的切线代表了在该点处的速度，气泡的上升速度与泡径、模拟液的温度及上升高度有关。
(3) 从图5可以得出气泡在上升道中的上升速度快些，那么在上升道顶部设置排气口是效果的，可以去除部分残留气泡。
4 结论
采用物理模拟的方法可以观测气泡上升速度，通过数学拟合可以得出速度公式，下面是不同泡径的速度公式。
0.55mm泡径的速度公式为v=0.04741+0.00212h
0.72mm泡径的速度公式为v=0.03916+0.00617h
0.75mm泡径的速度公式为v=－0.14504+0.00989h
0.85mm泡径的速度公式为v=－0.19838+0.01562h
0.87mm泡径的速度公式为v=－0.25142+0.01556h
1.04mm泡径的速度公式为v=0.0498+0.01981h
式中v表示气泡的速度，h表示气泡上升的高度。
由上面不同直径气泡的速度公式可以看出，在同一温度制度下，熔化池中部通入的气泡，随着泡径的增大，基本遵循常数项减小，高度的系数逐渐增大，表明随高度的升高，气泡的速度在增大；0.72mm和0.75mm的气泡是不同温度制度下，通入熔化池中部同一位置的气泡，比较速度公式得出，温度制度高的气泡常数项反而小，但高度的系数大，表明其他条件一样的情况下，温度越高，气泡的速度越快；0.85mm的气泡是上升道中通入，0.87mm的气泡在熔化池中部通入，比较速度公式得出，上升道中气泡常数项大，但两者系数相近，表明上升道中的气泡速度要大于熔化池中气泡速度。
参考文献
[1] 王承遇,陈敏,陈建华.玻璃制造工艺.化学工业出版社,2006:123～124
[2] 胡桅林,陈泽敬,熊明.气泡在玻璃熔体中的行为.硅酸盐通报,1998增刊:96-99
[3] J.Stank. Electric Melting of Glass.Elsevier.New.York:Amsterdam.Oxford,1977
[4] 孙承绪,耿海棠. 玻璃液澄清和均化过程的模拟研究.玻璃, 1992,(02):13～18
[5] 赵学辉,刘春江,吕晓龙.粘性液体中气泡流体力学特性的模拟研究.天津工业大学学报,2007,8:28～31
