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玻璃色泽对玻璃瓶生产工艺的影响

1、引言

市场上的玻璃瓶罐按色泽划分主要包括无色、淡青色、翠绿色和棕色四大类。关于玻璃色泽,人们比较关注它的产品属性和生产过程中的化学反应现象;而对于生产过程中与玻璃色泽有关的物理现象,如玻璃色泽与热传递的关系以及热传递过程的差异对生产工艺的影响等问题,则缺乏必要的研究。在此,我们根据生产实践经验和一些测试数据,就上述问题做一个粗浅的探讨,以供同行们参考。

2、玻璃色泽与“传热差异”

不同色泽的玻璃对于近紫外线、可见光和近红外线具有不同的吸收能力。几种颜色玻璃的光透过率曲线示于图1。


图1 几种颜色玻璃的透过率曲线

由图1可见,棕色玻璃对于400nm附近波长的可见光具有极强的吸收能力,在400nm处出现最大值。翠绿色玻璃对于440nm和630nm附近波长的可见光具有较强的选择性吸收能力,在440nm和630nm处出现极大值。淡青色玻璃对于可见光的吸收能力较弱,在500nm处出现最小值。对于近紫外区域光线的吸收能力,棕色玻璃很强,翠绿色玻璃适中,淡青色玻璃较弱。对于近红外区域光线的吸收能力,三种颜色玻璃之间存在一定差异,但这种差异已逐渐缩小。当色质相同而色浓度不同时,对光线的吸收能力与色浓度的变化呈正比例关系。

在玻璃生产过程中,光辐射与热传递是密不可分的两个物理现象。对于不同色泽的玻璃而言,吸收辐射光的能力愈强,亦即吸收高温辐射热的能力愈强,玻璃表面吸收的热量就愈多,透过玻璃体以辐射形式传递的热量则愈少。这种因玻璃色泽不同所致的吸热能力的差异和传热能力的差异,我们姑且称之为“传热差异”。在玻璃生产过程中,当玻璃色泽变更或玻璃色浓度发生变化时,将使熔化、成型、退火等工艺过程的状况发生显著的变化。只有了解了不同色泽玻璃的“传热差异”,并对因“传热差异”带来的工艺变化采取相应的对策,才能使生产过程得到有效的控制。

3、玻璃色泽与熔化过程

在玻璃熔炉内,存在着辐射、对流、传导三种热传递形式。玻璃色泽的变化对于传热形式和传热效率有着至关重大的影响。就熔化过程而言,玻璃色泽变化对于工艺状况的影响比玻璃成分变化的影响要明显得多、严重得多。不同颜色的玻璃在熔炉中的温度分布存在着较大的差别。为了便于比较,以48m2燃油马蹄焰熔炉为参考炉型,炉体全保温,无鼓泡装置,熔化池深1200mm,过熔制热点做铅垂线进行不同颜色玻璃的温度分布监测,对于有关监测数据进行处理后列于表1。

表1、几种颜色玻璃在熔炉内的温度参数

玻璃色泽 碹顶热电偶温度 玻璃液面观测温度 池底热电偶温度
淡青色 1520℃ 1420~1430℃ 1200~1210℃
翠绿色 1520℃ 1430~14440℃ 1040~1060℃
棕色 1520℃ 1450~1460℃ 1120~1150℃

由表1可见:在相同的熔制温度下,不同颜色的玻璃其液面温度和池底温度均存在着明显的差别。从液面温度来看,与玻璃色泽的“传热差异”存在对应关系,棕色玻璃的吸热能力最强,液面温度最高;翠绿色玻璃次之,淡青色玻璃又次之。从池底温度来看,问题变得有些复杂;淡青色玻璃的情形容易理解,因为它吸收辐射光的能力较差,透过玻璃体以辐射方式传到池底的热量较多,故此池底温度较高;翠绿色玻璃的情形也容易理解,它吸收辐射光的能力较强,透过玻璃体以辐射方式传到池底的热量较少,故此池底温度较低。www.sfmingjie.com

可是,棕色玻璃的情形就有些难以理解,它吸收辐射光的能力极强,为什么池底温度反而比翠绿色玻璃高出许多呢?是什么因素造成了这种“传热反常”现象呢?原因可能是这样的:我们可以把料池中的玻璃体分成若干个液层,由于棕色玻璃的透光能力较弱,以辐射方式从较上液层向较下液层传递的热量较少,故此各液层间的温差较大,沿池深方向本应存在较大的温度梯度。然而,由于棕色玻璃的吸热能力很强,上层玻璃液吸收热量后,温度升高,体积膨胀,沿水平方向产生向周围的推力,这种推力经池壁改变传向较下的液层,形成了对流作用力。下层的玻璃液受对流作用力的挤压逐渐上升,在上升中吸收热量发生体积膨胀,产生向周围的推力,进而加强了对流作用。棕色玻璃的强吸热能力导致了熔化池内的强对流作用,对流传热的加强弥补了辐射传热的不足,这就是棕色玻璃池底温度较高的原因所在。

一般说来,在相同的工艺条件和温度制度下,用基本组分相同而色泽不同的玻璃相比较,熔制棕色玻璃可以获得较好的玻璃均匀性和较高的熔化率。究其原因,恰恰是由于棕色玻璃的强吸热能力导致的强对流作用。当然,这里回避了存在鼓泡装置的情况,鼓泡装置的介入将改变传热条件,而鼓泡装置的作用也正是为了加强对流。当熔制翠绿色玻璃时,如欲提高池底温度、玻璃均匀性和熔化效率,安装鼓泡装置是一个行之有效的措施。当在同一熔炉内欲更换不同色泽的料液时,熔化部、工作部和供料道的工艺要素都要做相应的调整,方能适应因玻璃色泽的“传热差异”引起的工艺状态变化。

4、玻璃色泽与成型过程

在玻璃成型阶段,料坯内部及料坯与模具之间的传热,主要是以辐射和传导方式进行的。而在该温度范围,辐射热主要是以可见光和近红外线形式传播的。此时,不同色泽的玻璃其吸热能力和传热能力还存在着相当大的差异,这种“传热差异”必然会给传热进程施予重要影响。

我们可以把雏型和瓶子都看作若干玻璃层组合的整体。在整个成型工艺过程中,处于中间的玻璃层温度最高,与工艺气和模具相接触的内外两个层温度最低,热量以辐射和传导方式不断地从高温层向低温层转移。玻璃色泽不同,以辐射方式传递热量的速度就不同。传热速度的快慢顺序是:无色、淡青色、翠绿色、棕色。

在此引入一个“表层硬化速度”的概念,它是左右模具冷却强度和瓶子成型速度的生要因素之一。对于不同色泽的玻璃来说,传热速度快则表层硬化速度慢,而传热速度慢则表层硬化速度快。在成型过程中,料坯经历了扑气、倒吹气、重热、延伸、正吹气等工艺步骤,热量不断从玻璃体内部向玻璃表层转移,再经过玻璃表层向模具周围空间传递热量。模具及工艺气吸收热量并使玻璃体逐渐冷却,当玻璃表层硬化并足以维持玻璃体的形状时,瓶子便成型了。

实际上,瓶子出模时,不同色泽的玻璃其瓶体温度是有较大差别的。无色玻璃传热速度较快,释放热量较多,出模时瓶体温度较低;棕色玻璃传热速度较慢,释放热量较少,出模时瓶体温度较高;淡青色和翠绿色玻璃则介于它们之间。生产无色玻璃瓶时,需要较高的冷却强度,否则瓶子就容易变形;生产棕色玻璃瓶时,需要较低的冷却强度,否则瓶子易于产生冷斑及表面微裂纹。调整冷却强度主要有两种途径,即机械调整和工艺调整。机械调整包括调整工艺气用量、调整模具冷却风用量、调整机构动作配时等;工艺调整包括调整机速、调整滴料温度、调整料坯形状和重量等。

5、玻璃色泽与退火过程

在玻璃退火阶段,辐射热主要是以近红外线形式传递的。在退火温度下,棕色玻璃与翠绿色玻璃的辐射传热能力基本相当,而淡青色玻璃和无色玻璃的辐射传热能力要高一些。在同样的设备条件下,不同色泽的瓶子进入退火窑时的瓶体温度是有差异的,棕色瓶子温度较高,翠绿色瓶子次之,淡青色瓶子又次之。因此,在加热保温带,不同色泽的瓶子所需外界补偿的热量是不同的。

使用电加热退火窑时,会发现不同色泽的瓶子在功率消耗上的差异。当然,这对于玻璃内应力的消除不会产生明显的影响。在缓冷带,无色及淡青色瓶子释放热量的速度较快,而棕色及翠绿色瓶子释放热量的速度较慢。因此,由缓冷带进入急冷带时,不同色泽的瓶子其瓶体温度略有差异。在以后的冷却过程中,热辐射逐步进入远红外线区域,不同色泽玻璃的放热速度已无明显差异,但以前的瓶体温差将对冷却进程产生一定影响。当玻璃色泽变更时,由于冷端喷涂工序的要求,为了获得适当的窑门出口温度,需要对冷却带的温度制度做相应的调整。

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