粘度对玻璃生产工艺的影响

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1、粘度是玻璃的重要性质之一，它贯穿着玻璃生产的各个阶段，从熔制、澄清、 均化、成形、加工、直到退火都与粘度密切相关。在熔制过程中，石英颗粒的溶 解、气泡的排除、和各组分的扩散都和粘度有关，在工业上，有时加入少量助溶 剂降低熔制玻璃的粘度，以达到澄清和均化的目的，在成形和退火方面，粘度起 着控制性作用，在成形过程中，不同的成形方法和成形速度要求不同的粘度和料 性，例如在高速成形机的生产中，粘度必须控制在一定的范围内，而成形机的机 速决定于粘度随温度的递变速度；在退火过程中，玻璃的粘度和料性对制品内应 力的消除速度都有重要作用，高粘度的玻璃具有较高的退火温度，料性短的玻璃 退火温度一般较窄，此外玻璃

2、的析晶和一些机械性能也与粘度有关。影响玻璃粘度的主要因素是化学组成和温度，在转变区范围内，还有时间有 关。玻璃的粘度随温度下降而增大。从玻璃液到固态玻璃的转变，粘度是连续变 化的，期间没有数值上的突变，这一点不同于晶体，晶体加热至熔化温度时，粘 度是突然变化的。不同的玻璃对应于某一粘度值的温度不同。在玻璃生产中许多 工序（和性能）都可以用粘度作为控制和衡量的标志。鉴于玻璃生产需要，一般把生产控制常用的粘度点同粘度-温度曲线数值相近 的点联系起来，可以反映出玻璃生产工艺中各个特定阶段的温度值，如图1示。13975500 600 700 B00 900 1000 tl(X)1200 1300 14

3、00图1硅酸盐玻璃的粘度-温度曲线（一）常用的粘度值参考点 应变点：大致相当于粘度为1013.6 Pas的温度，即应力能在几小时内消 除的温度，也称退火下限温度； 转变点（T ）:相当于粘度为1012.4 Pas的温度，高于此点玻璃进入粘滞g状态，开始出现塑性变形，力学性能开始迅速变化； 退火点：大致相当于粘度为1012Pas的温度，即应力能在几分钟内消除 的温度，也称退火上限温度； 变形点：相当于粘度为10101011Pas的温度范围； 软化温度（Tf ）:它与玻璃的密度和表面张力有关，相当于粘度为 3x 1061.5x107 Pas之间的温度。密度约2.5g/cm3的玻璃相当于粘度为106

4、-6Pas的 温度，软化温度大致相应于操作温度的下限； 操作范围：相当于成形时玻璃液表面的温度范围。T上限指准备成形操作 的温度，相当于粘度为102103 Pas的温度。T下限指成形时能保持制品形状的温 度，相当于粘度大于105 Pas的温度，操作范围的粘度一般为1031066Pas ； 熔化温度：相当于粘度为10 Pas的温度，在此温度下玻璃能以一般要求 的速度熔化； 自动供料机供料的粘度：102103 Pas ； 人工挑料的粘度：1022 Pas ； 挑料人衬炭模的粘度：103.5 Pas ；脱模（衬炭模）的粘度：106 Pas。（二）粘度在生产中的应用在生产中，玻璃的熔化、澄清、均化、供

5、料、成形、退火等工艺过程的温度 控制，一般都是以其对应的粘度为依据制定的。因此掌握粘度的变化规律对控制 生产、提高产品产量和质量是有利的。1、玻璃的熔制玻璃熔制温度范围所对应的粘度一般为100.710 Pas （如钠钙硅玻璃相当于 145115669）经验证明，在该粘度的温度下，玻璃能较快熔化。在玻璃熔制过程中，石英颗粒是最后进入玻璃熔体的物质，其溶解、扩散关 系到整个熔制过程的速度。随之而来的澄清、均化等过程都与玻璃的粘度有关。 例如在澄清过程中、气泡的上升速度和粘度成反比，因此生产中常通过升高温度 或引入少量助熔剂来降低粘度，达到加速玻璃澄清和均化的目的。2、玻璃成形根据玻璃制品的形状不同

6、，玻璃一般采用吹、压、拉、轧（或这些方法的组 合）等进行成形。在成形过程中粘度具有重要的作用，往往是控制因素。玻璃成 形开始和终了所需的粘度与成形方法、玻璃颜色、制品的形状和重量等许多因素 有关，这些因素在成形过程中对成形速度具有决定性作用。通常成形开始粘度为 101.5iO3Pas，终了的粘度为105107 Pas。在机械成形时还必须考虑以下因素： 粘度为102 Pas与106 Pas的温度差（T上限T下限）。此温度差大则料性 长，成形时机速相对较慢；此温度差小则料性短，机速较快。 成形温度范围内的散热速度。散热速度快则机速可适当加快。 玻璃液相温度的粘度与成形开始温度与液相温度之差。液相温

7、度下粘度 大则成形析晶倾向小，同样成形开始温度与液相温度之差小，则成形时可迅速越 过析晶区，析晶倾向减小。除粘度外，玻璃成形还与玻璃的热传导、表面张力、比热容、密度和热膨胀 等因素有关。3、玻璃退火玻璃中的应力消除一般是通过粘滞流动和弹性松弛来消除的。在粘度为 1011.51013 Pas的温度范围内，主要通过粘滞流动来消除应力，应力消除的速度 与粘度成反比，与应力大小成正比。1012 Pas的粘度可作为退火过程的参考点， 当温度较低（粘度低于1013 Pas的温度，特别是低于粘度为1014 Pas的温度） 时有相当一部分应力是通过弹性松弛来消除的，这时应力的消除与粘度无关（仅 与应力大小有关

8、）。典型的钠钙硅玻璃在粘度为10111013 Pas的温度为583C至 539C，这是工业生产中常用的退火温度。除粘度外，应力的消除还取决于玻璃的滞后弹性、热传递和热膨胀等。此外， 在玻璃制品热处理，如显色、分相、微晶化、烧结和钢化等过程中温度制度的制 定，粘度同样是一个重要的考虑因素。（三）粘度的计算与测量1、粘度的计算在实际工作中，需要根据组成对玻璃的粘度进行近似计算，主要有三种方法：（1 ）奥霍琴法此法适用于含有MgO、Al2O3的钠钙硅系统玻璃，当Na2O为12%16%、（ CaO+ MgO )为5%12%、Al2O3为05% , SiO2为64%80%时，可应用式(1 )计算 Tq=

9、Ax+By+Cz+D( 1 )式中Tn该粘度值对应的温度；x , y , zNa2O、( CaO+MgO 3% ) Al2O3 的质量分数；A , B , C , DNa2O、( CaO+MgO 3%)A12O3、SiO2 的特性常数，随 粘度值而变化，可通过查表获得。如果玻璃成分中MgO含量不等于3%，必须 加以校正。(2 )富尔切尔(Fulcher )法此法适用于实用工业玻璃。其成分以相对于SiO2为1.00 mol来表示，即以 氧化物的物质的量/SiO2的物质的量表示。计算系统适用玻璃的成分范围为SiO2 1.00 mol，Na2O 0.150.20 mol，CaO 0.120.20 m

10、ol，MgO 0.000.051 mol，Al2O3 0.00150.073 mol。此时粘度温度关系式为：T=T0 + B0 lgi + A式中的A、B、T0可由下式求出A= - 1.4788 Na2O+0.8350 K2O+1.6030CaO+5.4936 MgO - 1.5183Al2O3+1.4550B= - 6039.7 Na2O - 1439.6 K2O - 3919.3 CaO+6285.3 MgO+2253.4 Al2O3+5736.4T0 二-25.07 Na2O - 321.0 K2O + 544.3 CaO - 384.0 MgO + 294.4 Al2O3 + 198.

11、1(3 )博-洁涅尔(Bo-Tepnep )法此法适用于瓶罐和器皿玻璃组成的调整。此法不能直接应用于计算一定温度 下的粘度值，应用此法，必须先知道接近待计算玻璃组成在一定温度下的粘度值。2、粘度的测定由于玻璃组成、温度不同，各种玻璃的粘度值范围很广(11015Pas )，因此 不可能用一种方法把整个范围的粘度都测定出来，需要分段测定。(1 )旋转法本法能测定玻璃熔化、澄清、成形等温度范围内的粘度，测定范围为1107Pas。此法是将玻璃熔体充满在共轴的旋转体与坩埚之间，给旋转体和坩埚以不同 的角速度，则旋转体和坩埚因玻璃熔体的粘滞阻力而产生扭力矩。通过扭矩测量 装置测出扭力矩，即可获得玻璃熔体的

12、粘度。假定承载玻璃熔体的坩埚不动，而 使旋转体以一定的角速度旋转时，根据式（3 ）计算玻璃熔体的粘度“M耳二K式中K仪器常数，是由坩埚、旋转体的形状及其设定位置等所确定的 常数；M扭力矩；w一角速度。此法设备复杂，但测定范围广，且易实现自动化，缩短测定时间，操作简单， 准确度和精确度高。（2 ）落球法此法能测定玻璃熔化、澄清、成形开始等温度范围内的粘度，测定范围为1103Pas。此法的测定原理是根据斯托克斯定律，即球在一个无边界的广阔的液体中等 速运动时，液体的粘度可按下式计算2耳=ggr2式中n粘度，Pas ； g重力加速度 ,m/s2 ； r 球半径，m ；P球的密度，g/m3 ； p玻璃

13、液密度 ,g/m3 ；V球的运动速度 ,m/so斯托克斯定律只是当球体在一无限范围的液体中运动才是正确的，在实际测 量中，必须考虑有限的边界条件，即坩埚臂和底带来的影响，因此，实际使用时， 引入仪器常数K加以修正。此法的特点是：设备结构简单，容易制造，准确度较高，但操作不方便，粘 度值测定范围较窄。（3 ）压入法此法测定玻璃的粘度范围为1071012Pas。此法是在平板试样上，用加有一定负荷的针状、球状或棒状的压头压入，从 压头压入的速度求粘度的方法，粘度可由下式算出。9 Pt 132 迈R 13/2式中P负荷；1压头压入深度；t从1=01所需的时间；R球的半径。（4 ）拉丝法本法测定的粘度范围为10710i4Pas，为低温粘度。该法是用一定长度和直径的无缺陷的玻璃丝，在直立的管状电炉中受一定的 荷重作用而伸长，其伸长过程分为三个阶段（见图2）:最初的弹性伸长（曲线 ab），之后的缓慢伸长（曲线be），最后到达粘性的均匀伸长（曲线cd）半图2玻璃丝伸长与时间的关系当玻璃的粘度不是很大时，前两个阶段经历的时间很短，故可利用最后这一 阶段的伸长速率按照下式计算粘度Pig3n r2Al / At式中n粘度，Pas ； g重力加速度，m/s2, ； /玻璃丝长度，m ；p所加负荷，kg ； r玻璃丝半径，m ；玻璃丝伸长 速率 ,m/so