一种等离子预处理粉体提升玻璃熔融效率的加工方法

本发明涉及玻璃制造，具体为一种等离子预处理粉体提升玻璃熔融效率的加工方法。

背景技术：

1、玻璃熔制是玻璃生产过程中的核心环节，其基本原理是将石英砂、纯碱、石灰石等配合料在高温下加热熔融，使各组分之间发生固相反应和液相形成，最终得到均匀澄清的玻璃液；

2、现有的玻璃熔制工艺中，配合料中的含硅原料粉体直接入窑熔制时，石英砂颗粒表面的硅氧网络结构完整且致密，熔制过程中热量需要从颗粒表面逐步向内部传递，同时助熔剂组分与石英砂的反应也首先发生在颗粒表面，随着表层石英砂逐渐溶解，内部的硅氧网络才能逐步暴露并与助熔剂接触，这种逐层反应的方式使石英砂颗粒的完全熔融需要较长的保温时间和较高的熔制温度，整个熔制过程的效率受到石英砂颗粒熔融速度的限制。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种等离子预处理粉体提升玻璃熔融效率的加工方法，通过双频等离子体梯度活化、助熔剂组分梯度锚定与熔制过程等离子气流协同注入，使含硅原料粉体的硅氧网络解聚过程被前置强化并持续贯穿整个熔制阶段，在保证玻璃液均匀性和澄清度的前提下显著降低了熔制过程的能耗和时间成本。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种等离子预处理粉体提升玻璃熔融效率的加工方法，包括以下步骤：

3、步骤一，将玻璃配合料中的含硅原料粉体置于旋转式等离子体反应器中，在真空或惰性气氛下，施加双频复合射频电源，所述双频复合射频电源包含第一射频源和第二射频源，所述第一射频源的频率为2～10mhz，所述第二射频源的频率为40～100mhz，两射频源同时工作，得到体相表界面协同活化粉体；

4、步骤二，将步骤一得到的所述体相表界面协同活化粉体与液态助熔剂前驱体混合进行喷雾包覆处理，所述液态助熔剂前驱体为碱金属醇盐或碱土金属醇盐的有机溶液，包覆过程中将所述液态助熔剂前驱体雾化，使雾化后的液滴沉积于所述体相表界面协同活化粉体表面，然后进行真空干燥，得到活性组分梯度锚定粉体；

5、步骤三，将步骤二得到的所述活性组分梯度锚定粉体与玻璃配合料中的其余原料粉体混合后送入玻璃熔窑中进行熔制，同时在熔制全程或至少熔制前期阶段，向所述玻璃熔窑的熔池液面下方或配合料层中持续或间歇地注入等离子体活化气流，所述等离子体活化气流是将工作气体经外部等离子体发生器电离后产生的、包含长寿命活性物种的气流，得到均匀澄清的玻璃液。

6、优选的，步骤一中，所述含硅原料粉体的粒径为10～500μm，粒径分布跨度（d90-d10）/d50≤2.0；所述真空或惰性气氛的绝对压力为1～100pa，所采用的惰性气体为氩气或氦气；所述旋转式等离子体反应器内壁设有挡料板，旋转速度为1～20转/分钟；所述第一射频源的功率为50～300w，所述第二射频源的功率为100～600w。

7、优选的，步骤一中，处理温度为室温～300℃，处理时间为5～60分钟；所述双频复合射频电源使等离子体中的离子能量分布呈现双峰特征，其中低能离子峰的能量为1～5ev，高能离子峰的能量为10～30ev。

8、优选的，步骤二中，所述体相表界面协同活化粉体与所述液态助熔剂前驱体的质量比为1:0.1～0.5；所述碱金属醇盐为甲醇钠、乙醇钠、异丙醇钾中的至少一种，所述碱土金属醇盐为乙醇镁、异丙醇钙中的至少一种，所述有机溶剂为无水甲醇、无水乙醇或异丙醇中的至少一种；所述真空干燥的温度为80～180℃、时间为10～60分钟、绝对压力为100～1000pa。

9、优选的，步骤二中，采用超声雾化装置将所述液态助熔剂前驱体雾化，所述超声雾化装置的超声波频率为20～100khz，雾化液滴的平均直径为1～50μm。

10、优选的，步骤一中，施加所述双频复合射频电源的同时，还对所述含硅原料粉体施加轴向磁场，所述磁场强度为0.01～0.5t。

11、优选的，步骤三中，所述等离子体活化气流的工作气体为氩气、氧气、氢气、水蒸气中的一种或多种的混合气体，所述外部等离子体发生器为介质阻挡放电发生器、微波等离子体发生器或射频感应耦合等离子体发生器中的一种；所述长寿命活性物种包括亚稳态惰性气体原子、氧原子自由基、氢原子自由基和oh自由基中的至少一种；所述等离子体活化气流的注入流量为50～1000ml/min。

12、优选的，步骤三中，所述等离子体活化气流从所述玻璃熔窑的侧壁或底部经由耐高温刚玉管或铂铑合金管注入，注入点位于熔池液面以下50～300mm处；所述等离子体活化气流的注入方式为脉冲式注入，脉冲宽度为1～60秒，脉冲间隔为10～300秒。

13、优选的，步骤三中，所述熔窑中的熔制温度为1200～1650℃，升温速率为5～20℃/分钟，熔制的总时间为0.5～3小时。

14、本发明提供了一种等离子预处理粉体提升玻璃熔融效率的加工方法。与现有技术相比具备以下有益效果：

15、1、通过双频复合射频电源的协同作用实现了含硅原料粉体从表层到体相的梯度活化。低频射频源产生的较高能量离子能够在颗粒表层下方产生晶格畸变和结构疏松区域，高频射频源产生的高密度活性粒子使颗粒最表层的硅氧键断裂并形成无序结构，二者的配合使粉体颗粒从表面到内部形成活化程度递减的梯度分布状态，为后续助熔剂组分的锚定和渗透提供了结构基础。

16、2、通过醇盐溶液雾化包覆和真空干燥工艺实现了助熔活性组分在活化粉体中的梯度锚定，雾化后的微米级液滴能够渗入粉体表面活化层的孔隙中，干燥后醇盐分解生成的碱金属或碱土金属组分既锚定在表层孔隙内，又沿疏松结构向颗粒内部迁移，形成由表及里的浓度梯度分布；通过梯度锚定结构使熔制过程中表面的活性组分先与硅质原料反应，内部活性组分后续持续向外扩散补充，保证了助熔作用的持久性和均匀性，同时避免了直接混入大量助熔剂导致的组成不均匀问题。

17、3、通过在熔制过程中从熔池液面下方脉冲注入等离子体活化气流，使活性物种直接进入玻璃液内部参与熔制过程，氧自由基促进碱金属离子从锚定位点释放进入硅氧网络，氢自由基和oh自由基直接攻击硅氧键降低解聚活化能，亚稳态惰性气体原子通过能量传递加速熔体中的传质和扩散过程，同时上升气泡对熔体产生搅拌作用并携带排出微小气泡，使熔体均化和澄清同步完成，在提升熔融效率的同时改善了玻璃液的均匀性和品质。

1.一种等离子预处理粉体提升玻璃熔融效率的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种等离子预处理粉体提升玻璃熔融效率的加工方法，其特征在于：步骤一中，所述含硅原料粉体的粒径为10～500μm，粒径分布跨度（d90-d10）/d50≤2.0；所述真空或惰性气氛的绝对压力为1～100pa，所采用的惰性气体为氩气或氦气；所述旋转式等离子体反应器内壁设有挡料板，旋转速度为1～20转/分钟；所述第一射频源的功率为50～300w，所述第二射频源的功率为100～600w。

3.根据权利要求1所述的一种等离子预处理粉体提升玻璃熔融效率的加工方法，其特征在于：步骤一中，处理温度为室温～300℃，处理时间为5～60分钟；所述双频复合射频电源使等离子体中的离子能量分布呈现双峰特征，其中低能离子峰的能量为1～5ev，高能离子峰的能量为10～30ev。

4.根据权利要求1所述的一种等离子预处理粉体提升玻璃熔融效率的加工方法，其特征在于：步骤二中，所述体相表界面协同活化粉体与所述液态助熔剂前驱体的质量比为1:0.1～0.5；所述碱金属醇盐为甲醇钠、乙醇钠、异丙醇钾中的至少一种，所述碱土金属醇盐为乙醇镁、异丙醇钙中的至少一种，所述有机溶剂为无水甲醇、无水乙醇或异丙醇中的至少一种；所述真空干燥的温度为80～180℃、时间为10～60分钟、绝对压力为100～1000pa。

5.根据权利要求1所述的一种等离子预处理粉体提升玻璃熔融效率的加工方法，其特征在于：步骤二中，采用超声雾化装置将所述液态助熔剂前驱体雾化，所述超声雾化装置的超声波频率为20～100khz，雾化液滴的平均直径为1～50μm。

6.根据权利要求1所述的一种等离子预处理粉体提升玻璃熔融效率的加工方法，其特征在于：步骤一中，施加所述双频复合射频电源的同时，还对所述含硅原料粉体施加轴向磁场，所述磁场强度为0.01～0.5t。

7.根据权利要求1所述的一种等离子预处理粉体提升玻璃熔融效率的加工方法，其特征在于：步骤三中，所述等离子体活化气流的工作气体为氩气、氧气、氢气、水蒸气中的一种或多种的混合气体，所述外部等离子体发生器为介质阻挡放电发生器、微波等离子体发生器或射频感应耦合等离子体发生器中的一种；所述长寿命活性物种包括亚稳态惰性气体原子、氧原子自由基、氢原子自由基和oh自由基中的至少一种；所述等离子体活化气流的注入流量为50～1000ml/min。

8.根据权利要求1所述的一种等离子预处理粉体提升玻璃熔融效率的加工方法，其特征在于：步骤三中，所述等离子体活化气流从所述玻璃熔窑的侧壁或底部经由耐高温刚玉管或铂铑合金管注入，注入点位于熔池液面以下50～300mm处；所述等离子体活化气流的注入方式为脉冲式注入，脉冲宽度为1～60秒，脉冲间隔为10～300秒。

9.根据权利要求1所述的一种等离子预处理粉体提升玻璃熔融效率的加工方法，其特征在于：步骤三中，所述熔窑中的熔制温度为1200～1650℃，升温速率为5～20℃/分钟，熔制的总时间为0.5～3小时。