熱力學(xué)計算研究浮法玻璃的生產(chǎn)工藝過程研究

李文峰?常亮

在玻璃產(chǎn)品中，最重要的就是就是浮法玻璃。浮法玻璃的產(chǎn)量很大，其整個工藝流程比較復(fù)雜，其中涉及到的因素也很多。本文就是簡述通過熱力學(xué)計算分析的方法來對浮法玻璃的生產(chǎn)過程的研究。

由于浮法玻璃的產(chǎn)量相當巨大，所以其嚴重影響到我國的經(jīng)濟和相關(guān)產(chǎn)業(yè)。浮法玻璃制造工藝一向被公認為是玻璃生產(chǎn)工藝里面的規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)水平最高的，但是它也存在諸多的問題，比如：其溶制時間很長、其溶制的溫度很高、其余熱和廢氣度環(huán)境的危害很大、能源和原材料的消耗量也很大等等。除此以外，生產(chǎn)出來的玻璃產(chǎn)品還依賴高溫、嚴格的氣氛控制以及長時間保溫等來確保錫槽和熔窯等生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定。所以，對其的生產(chǎn)還需要做進一步研究，以促進發(fā)展的平衡。

化學(xué)熱力學(xué)就是一個能到做到全方位分析和研究的工具，不需要太多的數(shù)據(jù)就可以研究材料生產(chǎn)制備的熱加工過程和過程中材料的相結(jié)構(gòu)以及其性能的嬗變規(guī)律。對于這一點，在鋼鐵材料的研究運用中最為顯著。然而，大家也都清楚，玻璃是典型的非晶態(tài)無定型的物質(zhì)，并且它的結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，和相結(jié)構(gòu)和相組成比較簡單的金屬材料是大有不同。因此，所采用的模型、計算方法還有對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫以及其數(shù)據(jù)整理等都會不同，需要對此一一展開研究。本文是闡述通過嘗試使用化學(xué)熱力學(xué)方法來研究浮法玻璃的一些工作，希望可以啟到一定的作用。

化學(xué)熱力學(xué)計算的研究平臺MTDATA

MTDATA是一整套電子計算機軟件程序包和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，是用于多項復(fù)雜體系化學(xué)熱力學(xué)、熱過程計算分析。它的工作原理就是以熱力學(xué)物理相平衡的原則。通過積累的簡單系統(tǒng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)和專門構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫來作為基礎(chǔ)，根據(jù)選擇的或者設(shè)計的模型來展開計算分析工作。全過程通過相變熱力學(xué)計算分析以及非平衡計算的模型方法和實際測量的數(shù)據(jù)，就可以氣相在內(nèi)的體系各相間的真實相互轉(zhuǎn)變的關(guān)系，由此可以很清楚地知道材料的制備和加工的過程，從而找出可以提高產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵點和環(huán)保的途徑，這樣有助于可持續(xù)發(fā)展。針對平板玻璃而言，其結(jié)構(gòu)的形成，產(chǎn)品性能的變化，玻璃氣泡與玻璃產(chǎn)品性能，其熔化制備過程中的硅酸鹽反應(yīng)過程細節(jié)，氣氛與澄清，氣體成分分布以及熔窯侵蝕等對玻璃生產(chǎn)工藝過程很重要，可是傳統(tǒng)的方法卻很難深入到系統(tǒng)的研究，所以采用這種方法比較合適。

數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)庫

之前就有提到說浮法玻璃的組成是非常的復(fù)雜的，而且整體體系的化學(xué)熱力學(xué)相變過程所涉及到的因素也很多。所以在這個計算處理的過程中，不能僅是簡單的數(shù)據(jù)疊加，需要專門設(shè)計計算的流程和模型以及專業(yè)的數(shù)據(jù)庫才可以滿足。所以，NPL的方法是和皮爾金頓等企業(yè)合作建設(shè)MTOX數(shù)據(jù)庫，并且不斷地升級，可以涵蓋研究中可以包含的所有的氣體系統(tǒng)。其數(shù)據(jù)庫的問題對于研究的結(jié)果是否具有準確性和實用性啟著關(guān)鍵的作用。在研究中，發(fā)現(xiàn)了浮法玻璃在高溫液態(tài)的時的氣態(tài)的含量對玻璃液的澄清和產(chǎn)品的光學(xué)性能影響較大。所有計算體系中，對采用的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫需要進行部分實測和計算調(diào)整。因為一般的浮法玻璃都是氧化物體系，含氧類的氣體為主，通過氧化物的氣體傳感器，利用電化學(xué)原理，形成系統(tǒng)的裝置，實施實驗室和生產(chǎn)在線測量，經(jīng)過整理、對比以及計算分析，便可以推算出玻璃窯和玻璃液中氣體的含量變化規(guī)律，以此作為化學(xué)熱力學(xué)計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一。

玻璃形成的過程

普通硅酸鹽玻璃成分結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，玻璃結(jié)構(gòu)的形成過程對于玻璃的研究者和制造者來說，十分重要。如果可以掌握玻璃結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律以及與制備環(huán)境條件和原料的組成的關(guān)系，就可以很全面地控制玻璃的改性、玻璃的生產(chǎn)以及其加工，找到工藝制度需要改進的地方和可以采用環(huán)保的生產(chǎn)的措施等等。雖然熱力學(xué)計算出的相比較復(fù)雜，但是它的結(jié)構(gòu)變化是對應(yīng)著普通平板玻璃液相形成的變化規(guī)律，這便可以結(jié)合現(xiàn)代的結(jié)構(gòu)分析方法來分析總結(jié)出玻璃的結(jié)構(gòu)和形成的特點。

玻璃生產(chǎn)中所用的澄清劑

玻璃澄清也就是將玻璃里面的氣泡清除掉。現(xiàn)在采用熱力學(xué)研究的方法就是，通過設(shè)計研制的探測器，定位安放和測量獲得氣體、氣泡的信息。進行計算，做好化學(xué)組成、溫度的研究，從而建立模型，掌握氣泡的衍生和變化的規(guī)律。從而專門研發(fā)相關(guān)的澄清劑和專門的數(shù)據(jù)庫，促進深入研究氣泡的形成變化。

總結(jié)

總而言之，熱力學(xué)計算的研究方法在浮法玻璃的生產(chǎn)工藝的研究中，起到了很大作用，得到了很應(yīng)用。熱力學(xué)計算對于玻璃的生產(chǎn)工藝、玻璃結(jié)構(gòu)和以及其性能的關(guān)系、還有玻璃生產(chǎn)的技術(shù)的進步都是具有重要意義。

（作者單位：河北南玻玻璃有限公司）