Sủi bọt, một kỹ thuật quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong quá trình đồng nhất hóa cưỡng bức, ảnh hưởng đáng kể và phức tạp đến các quá trình làm trong và đồng nhất hóa thủy tinh nóng chảy. Dưới đây là một phân tích chi tiết.
1. Nguyên lý của công nghệ sủi bọt
Quá trình sục khí bao gồm việc lắp đặt nhiều hàng vòi phun (ống dẫn khí) ở đáy lò nung chảy (thường ở phần cuối của vùng nung chảy hoặc vùng tinh chế). Một loại khí cụ thể, thường là không khí nén, nitơ hoặc khí trơ, được bơm vào thủy tinh nóng chảy ở nhiệt độ cao theo định kỳ hoặc liên tục. Khí giãn nở và bốc lên xuyên qua thủy tinh nóng chảy, tạo thành các cột bong bóng nổi lên.
2. Tác động của quá trình sục khí lên quá trình làm trong (Chủ yếu là tích cực)
Sủi bọt chủ yếu giúp loại bỏ các bọt khí, nhờ đó làm cho thủy tinh trong hơn.
Thúc đẩy việc loại bỏ bong bóng
Hiệu ứng hútMột vùng áp suất thấp hình thành sau các bong bóng lớn nổi lên, tạo ra "hiệu ứng bơm". Điều này giúp hút, tập hợp và kết hợp hiệu quả các bong bóng siêu nhỏ từ thủy tinh nóng chảy xung quanh, đưa chúng lên bề mặt để thải ra ngoài.
Giảm độ hòa tan của khíKhí được bơm vào, đặc biệt là khí trơ, có thể làm loãng các khí hòa tan trong thủy tinh nóng chảy (ví dụ: SO₂, O₂, CO₂), làm giảm áp suất riêng phần của chúng. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho sự thoát khí hòa tan vào các bọt khí đang nổi lên.
Giảm độ bão hòa cục bộCác bọt khí nổi lên tạo ra một giao diện khí-lỏng có sẵn, giúp cho các khí hòa tan bão hòa vượt mức dễ dàng thoát ra và khuếch tán vào trong các bọt khí.
Đường lọc rút ngắnCác cột bọt khí nổi lên đóng vai trò như "đường ray nhanh", đẩy nhanh quá trình di chuyển của khí hòa tan và các bọt khí siêu nhỏ lên bề mặt.
Sự phá vỡ lớp bọtGần mặt nước, các bọt khí nổi lên giúp phá vỡ lớp bọt dày đặc có thể cản trở quá trình thoát khí.
Các tác động tiêu cực tiềm ẩn (Cần kiểm soát)
Giới thiệu các bong bóng mớiNếu các thông số sục khí (áp suất khí, tần số và độ tinh khiết) không được kiểm soát đúng cách hoặc nếu vòi phun bị tắc, quá trình này có thể tạo ra các bọt khí nhỏ không mong muốn. Nếu những bọt khí này không thể loại bỏ hoặc hòa tan trong quá trình làm sạch tiếp theo, chúng sẽ trở thành khuyết tật.
Lựa chọn khí đốt không phù hợpNếu khí được bơm vào phản ứng không thuận lợi với thủy tinh nóng chảy hoặc các khí hòa tan, nó có thể tạo ra các khí hoặc hợp chất khó loại bỏ hơn, cản trở quá trình tinh chế.
3. Tác động của quá trình sủi bọt lên quá trình đồng nhất hóa (Chủ yếu là tích cực)
Sủi bọt giúp tăng cường đáng kể khả năng trộn và đồng nhất hóa hỗn hợp.thủy tinh nóng chảy.
Tăng cường đối lưu và khuấy trộn
Lưu thông theo chiều dọcKhi các cột bọt khí nổi lên, mật độ thấp của chúng so với thủy tinh nóng chảy tạo ra một dòng chảy mạnh hướng lên trên. Để bổ sung cho lượng thủy tinh đang nổi lên, thủy tinh xung quanh và phía dưới chảy theo chiều ngang về phía cột bọt khí, tạo ra một lực mạnh.lưu thông thẳng đứnghoặcđối lưuSự đối lưu cưỡng bức này giúp đẩy nhanh đáng kể quá trình trộn đều theo chiều ngang của thủy tinh nóng chảy.
Trộn cắtSự chênh lệch vận tốc giữa các bọt khí nổi lên và thủy tinh nóng chảy xung quanh tạo ra lực cắt, thúc đẩy sự trộn lẫn khuếch tán giữa các lớp thủy tinh liền kề.
Gia hạn giao diệnSự chuyển động từ các bọt khí nổi lên liên tục làm mới các bề mặt tiếp xúc giữa các loại thủy tinh có thành phần khác nhau, cải thiện hiệu quả khuếch tán phân tử.
Sự phá vỡ cấu trúc phân tầng và vân sọc
Đối lưu mạnh có hiệu quả trong việc phân tánphân tầng hóa học hoặc nhiệtVàvân sọcNguyên nhân là do sự khác biệt về mật độ, chênh lệch nhiệt độ hoặc cấp liệu không đều. Hệ thống này kết hợp các lớp này vào dòng chảy chính để trộn lẫn.
Điều này đặc biệt hữu ích trong việc loại bỏ“vùng chết”ở đáy bể, giúp giảm hiện tượng kết tinh hoặc sự không đồng nhất nghiêm trọng do tình trạng tù đọng kéo dài.
Hiệu quả đồng nhất hóa được cải thiện
So với đối lưu tự nhiên hoặc dòng chảy chênh lệch nhiệt độ, đối lưu cưỡng bức do sủi bọt tạo ra có những đặc điểm sau:mật độ năng lượng cao hơn và phạm vi tiếp cận rộng hơnĐiều này giúp rút ngắn đáng kể thời gian cần thiết để đạt được mức độ đồng nhất mong muốn hoặc đạt được độ đồng nhất cao hơn trong cùng một khoảng thời gian.
Các tác động tiêu cực tiềm ẩn (Cần lưu ý)
Sự ăn mòn vật liệu chịu nhiệtLuồng khí sủi bọt tốc độ cao và sự đối lưu mạnh mẽ mà chúng tạo ra có thể gây xói mòn và ăn mòn mạnh hơn đối với vật liệu chịu lửa ở đáy và thành lò, làm giảm tuổi thọ của lò. Điều này cũng có thể đưa các sản phẩm xói mòn vào thủy tinh nóng chảy, tạo ra các nguồn không đồng nhất mới (đá, vệt).
Sự gián đoạn của các mô hình dòng chảyNếu bố trí điểm sủi bọt, kích thước bọt khí hoặc tần suất sủi bọt được thiết kế kém, chúng có thể gây nhiễu loạn đến nhiệt độ và dòng chảy tự nhiên có lợi ban đầu bên trong bể nấu chảy. Điều này có thể tạo ra các vùng không đồng nhất hoặc xoáy nước mới.
4. Các thông số điều khiển chính cho công nghệ sủi bọt
Vị trí sủi bọtThông thường, vị trí này nằm ở phần sau của vùng nóng chảy (đảm bảo hầu hết nguyên liệu thô được nóng chảy) và vùng tinh chế. Vị trí phải được lựa chọn để tối ưu hóa dòng chảy và trường nhiệt độ.
Lựa chọn khí đốtCác lựa chọn bao gồm không khí (chi phí thấp, nhưng có tính oxy hóa mạnh), nitơ (trơ) và các khí trơ như argon (độ trơ tốt nhất, nhưng đắt tiền). Sự lựa chọn phụ thuộc vào thành phần thủy tinh, trạng thái oxy hóa khử và chi phí.
Kích thước bong bóngLý tưởng nhất là tạo ra các bọt khí lớn hơn (đường kính vài milimét đến vài centimet). Các bọt khí nhỏ nổi lên chậm, có lực hút yếu và có thể khó bị đẩy ra ngoài, trở thành các khuyết tật. Kích thước bọt khí được kiểm soát bởi thiết kế vòi phun và áp suất khí.
Tần số sủi bọtSục khí định kỳ (ví dụ: vài phút một lần) thường hiệu quả hơn sục khí liên tục. Phương pháp này tạo ra sự xáo trộn mạnh mẽ đồng thời cho phép bọt khí bị đẩy ra ngoài và thủy tinh ổn định lại. Cường độ (tốc độ dòng khí và áp suất) phải phù hợp với độ dày và độ nhớt của thủy tinh.
Bố cục điểm sủi bọtViệc bố trí nhiều hàng theo kiểu so le trải rộng toàn bộ chiều rộng của bể đảm bảo sự đối lưu lan tỏa đến mọi ngóc ngách, ngăn ngừa "vùng chết". Khoảng cách giữa các hàng cần được tối ưu hóa.
Độ tinh khiết của khíĐể tránh các tạp chất như hơi ẩm hoặc các loại khí khác, cần phải loại bỏ chúng để ngăn ngừa các vấn đề mới phát sinh.
Tóm lại, sục khí là một công nghệ quan trọng, bơm khí vào thủy tinh nóng chảy để tạo ra sự tuần hoàn và khuấy trộn mạnh theo chiều dọc. Điều này không chỉ đẩy nhanh đáng kể quá trình làm mịn bên trong, giúp các bọt khí nhỏ và lớn hợp nhất và bị đẩy ra ngoài, mà còn phá vỡ hiệu quả các lớp không đồng nhất về hóa học và nhiệt độ, đồng thời loại bỏ các vùng chết trong dòng chảy. Do đó, nó cải thiện đáng kể hiệu quả đồng nhất hóa và chất lượng của thủy tinh. Tuy nhiên, việc kiểm soát chặt chẽ các thông số chính như lựa chọn khí, vị trí, tần số và kích thước bọt khí là rất cần thiết để tránh tạo ra các khuyết tật bọt khí mới, làm trầm trọng thêm sự ăn mòn vật liệu chịu lửa hoặc làm gián đoạn trường dòng chảy ban đầu. Vì vậy, mặc dù có những nhược điểm tiềm tàng, sục khí là một công nghệ quan trọng có thể được tối ưu hóa để nâng cao đáng kể quy trình sản xuất thủy tinh.
Thời gian đăng bài: 21/08/2025
