液滴成像法测定玻璃液密度_邢文忠.pdf
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1、玻璃纤维2023 年 第 3 期 36测试分析中图法分类号:TQ171.77+6.2 文献标识码:A液滴成像法测定玻璃液密度邢文忠,柏晓强,曹国荣,章 林,洪秀成,许明初,左双宝(巨石集团有限公司,桐乡314500)摘 要:对玻璃液密度测试技术进行分析,并提供一种新的玻璃液密度测定方法:基于高温玻璃液滴球形轮廓曲线积分测定玻璃液的密度。方法中,在高温下通过玻璃液滴的轮廓曲线参数,积分计算玻璃液滴的体积,并在常温下测定该玻璃的质量,用密度公式计算高温下玻璃液的密度。研究结果表明:本方法重复性精度偏差在-0.0050.005 g/cm3以内,在升温、降温或者加热保温状态下均可测定玻璃液密度,同时也
2、可连续温度测定。关键词:积分球法;玻璃液;密度测定;玻璃熔体MeasurementofLiquidGlassDensitybyDropletImagingMethodXingWenzhong,BaiXiaoqiang,CaoGuorongZhangLin,HongXiucheng,XuMingchu,ZuoShuangbao(JushiGroupCo.,Ltd.,Tongxiang314500)Abstract:This article reviews the liquid glass density measurement technology,and provides a new meth
3、od for measuring the density of liquid glass.In the method,the volume of the glass droplet is calculated integrally using the profile curve parameters of the glass droplet at high temperature,the mass of the glass is measured at normal temperature,after which the density of the liquid glass at high
4、temperature is calculated by the density formula.The research results show that the repeatability accuracy deviation of this method is within-0.0050.005 g/cm3.It can be used to measure the density of liquid glass under the state of heating,cooling or heat preservation,and can also be used for contin
5、uous temperature measurement.Key words:integrating sphere metnod;liquid glass;density determination;glass melt0 前言玻璃密度是玻璃的重要性能参数。常温下,玻璃密度可作为监控玻璃生产稳定性的指标1,可用阿基米德法测定,该方法已成熟且有国标2。常温到玻璃软化点以下,玻璃密度可作为玻璃结构稳定性与热稳定性的指标,可用玻璃的体积膨胀换算。玻璃软化点以上,即玻璃液(玻璃熔体)的密度对窑炉熔化参数、熔体特性参数(表面张力、电阻率、热容等)、成型工艺参数等具有指导意义3-4,但是其测定难度较大。实
6、际上,在软化点之后温度下,密度液的变化比较复杂。据此,本文对玻璃液密度测试技术进行分析,并提供一种新的玻璃液密度测定方法。收稿日期:2022-07-12修回日期:2023-05-05作者简介:邢文忠(1978),高级工程师。主要从事玻璃原料及玻璃配方研究。邢文忠,等:液滴成像法测定玻璃液密度DOI:10.13354/32-1129/tq.2023.03.005玻璃纤维2023 年 第 3 期 37测试分析1 现有玻璃液密度测试技术目前,公布的关于玻璃液密度测定方法的专 利 有:CN109975175A(北 京 工 业 大 学)5、CN106124361A(郑州旭飞光电科技有限公司、东旭光电科技
7、股份有限公司)6。专利CN109975175A中,通过耐高温试件在玻璃熔体中的浮力变化,计算高温玻璃液的密度,公式如式(1)所示:(1)式中:高温下玻璃液密度,kg/m3;M1耐高温试件与耐高温连接线浸入前质量,N;M2耐高温试件与耐高温连接线浸入后质量,N;g当地的重力加速度,N/kg;V不同温度条件下浸入玻璃熔体的耐高温试件的体积,m3。专利CN106124361A中,在常温下通过耐热器件在水中的浮力测定耐热器件的体积,在高温下测定耐热器件放入玻璃液前后的质量变化来计算玻璃液的密度,公式如式(2)、(3)所示:(2)(3)式中:V耐热器件体积,m3;m耐热器件的质量,kg;g当地的重力加速
8、度,N/kg;G1耐热器件浸入水中后的质量,N;1水的密度,kg/m3;所测玻璃液的密度,kg/m3;G2耐热器件浸入高温玻璃液后整体的质量,N;K耐热器件的线膨胀系数,。此外,也有用成像法来测定玻璃液的密度7-11,均是在测定玻璃液表面张力时同步测定玻璃液的密度,测试中用Young-Laplace方程对玻璃熔体特性进行分析测算12-14,计算出密度和表面张力。其中,玻璃液滴体积测算均是基于数据迭代法。综上,现有玻璃液密度测试技术主要是基于阿基米德法,用浮力偏差来测定玻璃液的密度。这与常温下玻璃密度的测定类似,不同的是:常温密度测定时,玻璃为固体,水为液体介质;高温密度测定时,耐热器件为固体,
9、玻璃液为液体介质。同时也有液滴成像法测定玻璃液密度。2 积分球法测定玻璃液密度的原理本文提供一种新的玻璃液密度测定方法:基于高温玻璃液滴球形轮廓曲线积分测定玻璃液的密度。在高温下,测定玻璃所熔化成的玻璃液体积V,在常温下,测定待玻璃的质量m,用计算玻璃液的密度。本测试方法属于液滴成像法。由于玻璃液滴在高温下为均匀的球形,且平面方向内对称,因此可将玻璃液滴的球形截面看作是图1、图2两种情况。图1是小球缺的球形截面,图2为大球缺的球形截面。图1 小球缺液滴体积测定的截面图图2 大球缺液滴体积测定的截面图邢文忠,等:液滴成像法测定玻璃液密度玻璃纤维2023 年 第 3 期 38测试分析根据液滴形状轮
10、廓参数,用曲线积分计算液滴体积V,图1和图2中的情况分别见式(4)、式(5):(4)(5)式中:a液滴底面最右方到原点的距离,cm;b液滴最右方到Z轴的距离,cm。以液滴所在的平面即液滴承托板为X轴和Y轴,以液滴所在平面的中心为原点,X轴和Y轴以向右为正方向,Z轴以原点的正上方为正方向;图2中的曲线,根据函数的定义,在X-Z(x)平面坐标内,球形轮廓曲线并非Z(x)与x的函数。因此,测试时,需看成Z1(x)与Z2(x)分别关于x的两段函数,在图像上两段函数的分解点为液滴最右方所对应的点。需要说明的是,体积V的计算公式也可以是、,或者其他同含义积分式。3 积分球法测定玻璃液密度的装置及步骤3.1
11、 积分球法测定玻璃液密度的装置根据积分球法测定玻璃液密度的原理,搭建装置,如图3所示。注:1-计算系统;2-摄像系统;3-导轨;4-加热炉炉体;5-承托板;6-试样;7-托架;8-热电偶;9-光源;10-进气系统图3 积分球法测定玻璃液密度的装置装置包括加热及控制系统、成像系统、计算系统、气氛系统、承托装置。加热及控制系统用于控制炉体的升温、降温和保温,包括加热炉底座及导轨、加热炉炉体和热电偶;成像系统用于液滴的成像记录,包括光源和摄像系统;计算系统用于图像的记录、处理和体积的计算,为图3中的1;气氛系统用于保护承托板不被氧化,包括进气系统和气体流量计;承托装置用于玻璃液的承托,包括托架、承托
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