Formation and behavior of nitrogen bubbles in glass melts

Abstract

This study is an investigation into the behavior of gas bubbles in supersaturated glass melts. A simplified mathematical model, based on the diffusion of one component in a liquid of constant concentration was developed to have a theoretical description of the processes. Bubble behavior was approximated by means of a numerical computation which was developed using known mass transfer rules for bubbles under the influence of external flow. The numerical results were compared with experimental results. The experiments were carried out using a soda-lime-silica glass with additions of Si3N4 to provide nitrogen. Melts obtained from these compositions were exposed to oxidizing conditions. Time, temperature, and nitrogen content were varied as experimental parameters. The quantities which were measured were principally the number and volume of bubbles as a function of depth in the specimen. At constant temperature, the number of bubbles is nearly independent of concentration; however, the bubble size has a clear dependence on the concentration. Temperature has an influence on the number as well as the size of bubbles. Using known material data, the agreement between theory and experiments is good.

Die vorliegende Untersuchung dient der Erforschung des Verhaltens von Gasblasen in übersättigten Glasschmelzen. Zur theoretischen Beschreibung der Vorgänge wurde ein vereinfachtes mathematisches Modell entwickelt, das auf der Basis der Diffusion einer Komponente in eine Flüssigkeit konstanter Konzentration beruht. Unter Anwendung bekannter Stoff Übergangsgesetze für den Stoff Übergang an umströmten Blasen wurde mit einem numerischen Rechenverfahren das Blasenverhalten angenähert. Die numerischen Ergebnisse wurden mit experimentellen Werten verglichen. Zur Durchführung der Experimente wurde ein Kalk-Natronsilicatglas durch Zugabe von Si3N4 mit Stickstoff versetzt. Die so erhaltenen Schmelzen wurden anschließend oxidierenden Bedingungen ausgesetzt. Als Versuchsparameter wurden Zeit, Temperatur und Stickstoffgehalt variiert. Untersuchte Größen waren in erster Linie Blasenanzahl und Blasenvolumen in Abhängigkeit von der Probentiefe. Bei konstanter Temperatur ist die Blasenanzahl näherungsweise unabhängig von der Konzentration, die Blasengröße zeigt dagegen eine deuthche Konzentrationsabhängigkeit. Die Temperatur beeinflußt sowohl die Blasenanzahl als auch die Blasengröße. Unter Verwendung bekannter Stoffdaten ist die Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment gut.