无机非金属课件:第三章 玻璃的熔制及熔窑.ppt
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1、第三章第三章 玻璃的熔制及熔窑玻璃的熔制及熔窑将配合料经高温加热熔融成为均匀的、无气将配合料经高温加热熔融成为均匀的、无气泡的符合成形要求的玻璃液的过程。泡的符合成形要求的玻璃液的过程。玻璃的熔制过程玻璃的熔制过程3.1 玻璃的熔制过程玻璃的熔制过程 玻璃熔制的五个阶段玻璃熔制的五个阶段 (1)硅酸盐形成阶段)硅酸盐形成阶段 硅酸盐形成速度取决于配合料性质和加料硅酸盐形成速度取决于配合料性质和加料方式。方式。 (2)玻璃形成阶段)玻璃形成阶段 (3)玻璃液澄清阶段)玻璃液澄清阶段 (4)玻璃液均化阶段)玻璃液均化阶段 此阶段结束时的温度略低于澄清温度;此阶段结束时的温度略低于澄清温度; 当玻璃
2、液长时间处于高温下,由于对流、当玻璃液长时间处于高温下,由于对流、扩散、溶解等作用,玻璃液中的条纹逐渐扩散、溶解等作用,玻璃液中的条纹逐渐消除,化学组成和温度逐渐趋向均一。消除,化学组成和温度逐渐趋向均一。 (5)玻璃液冷却阶段)玻璃液冷却阶段 将清澄和均化了的玻璃液均匀降温,使玻将清澄和均化了的玻璃液均匀降温,使玻璃液具有成型所需的黏度;璃液具有成型所需的黏度; 在冷却阶段应不破坏玻璃液的质量;在冷却阶段应不破坏玻璃液的质量; 浮法玻璃冷却阶段结束的温度在浮法玻璃冷却阶段结束的温度在11001050左右。左右。3.1.1 硅酸盐的形成硅酸盐的形成(1)配合料的加热及初熔配合料的加热及初熔(2
3、)各种反应简介各种反应简介 多晶转变多晶转变 盐类分解盐类分解 水分的逸出水分的逸出(3)成分的挥发成分的挥发 R2O的挥发的挥发 由纯碱引入时由纯碱引入时:引入量引入量0.032% 由芒硝引入时由芒硝引入时:引入量引入量0.06% 另外要考虑氧化铈、煤粉的挥发量。另外要考虑氧化铈、煤粉的挥发量。 (4)影响配合料熔化的因素)影响配合料熔化的因素 熔化温度:温度每升高熔化温度:温度每升高10,反应速度增,反应速度增加加10%; 原料的形式:颗粒度的搭配、加料方式;原料的形式:颗粒度的搭配、加料方式; 原料的易熔性:助熔剂的多少、原料的活原料的易熔性:助熔剂的多少、原料的活性;性;多组分的加热反
4、应(纯碱配合料:SiO2+Na2CO3+CaCO3)100-120C 水分蒸发600C形成复盐CaCO3+Na2CO3 Ca Na2(CO3)2575 C 石英多晶转变-石英-石英 600-800 C复盐与石英作用Ca Na2(CO3)2+ SiO2Na2SiO3+ CaSiO3+ CO2720-900 C 碳酸钠与石英反应Na2CO3+ SiO2 Na2SiO3 + CO2740-800 C 低温共熔物形成和熔化,与石英开始作用Ca Na2(CO3)2+ Na2CO3+ 3SiO2 2Na2SiO3+ CaSiO3+ 3CO2813 C 复盐Ca Na2(CO3)2熔融855 C Na2CO
5、3熔融912 C CaCO3分解CaCO3CaO +CO2960 C复盐Ca Na2(CO3)2分解Ca Na2(CO3)2 Na2O+CaO +CO21010 C CaO + SiO2 CaSiO31200-1300 C 玻璃液形成3.1.2 玻璃的形成玻璃的形成 (1)玻璃的形成过程玻璃的形成过程 玻璃的形成过程的速度取决于石英颗粒的玻璃的形成过程的速度取决于石英颗粒的熔解和扩散速度。熔解和扩散速度。 助溶剂的多少(熔化速度);助溶剂的多少(熔化速度); 熔体的黏度(扩散速度);熔体的黏度(扩散速度); 熔体温度(熔化速度);熔体温度(熔化速度); 石英颗粒石英颗粒(熔解快慢)。(熔解快慢
6、)。3.1.3 玻璃液的澄清玻璃液的澄清 (1)目的目的 消除玻璃液中的气泡消除玻璃液中的气泡 (2)玻璃液中的气泡形态和种类玻璃液中的气泡形态和种类 形态:可见气泡、溶解气泡、化学结合的形态:可见气泡、溶解气泡、化学结合的气体,还有熔体表面上的气体。气体,还有熔体表面上的气体。 种类:种类: CO2、SO2、SO3、N2、O2、H2O、H2 (3) 排泡与去气排泡与去气 澄清是排出玻璃液中的可见气泡;澄清是排出玻璃液中的可见气泡; 去气是全部排除玻璃液中的气体,包括化去气是全部排除玻璃液中的气体,包括化学结合的气体。学结合的气体。(4)澄清过程中气体间的转化与平衡)澄清过程中气体间的转化与平
7、衡 (5)澄清过程)澄清过程 澄清过程就是首先使气泡中的气体、窑内澄清过程就是首先使气泡中的气体、窑内气体与玻璃液中物理溶解和化学结合的气气体与玻璃液中物理溶解和化学结合的气体之间建立平衡,再打破这种平衡,使玻体之间建立平衡,再打破这种平衡,使玻璃液中溶解的气体进入较小的可见气泡,璃液中溶解的气体进入较小的可见气泡,可见气泡漂浮于玻璃液的表面而加以消除。可见气泡漂浮于玻璃液的表面而加以消除。(6)澄清原理)澄清原理 a.大气泡(大气泡(0.1mm) 影响气泡变大的因素:影响气泡变大的因素: 一是多个小气泡(可见)集合为一个大气一是多个小气泡(可见)集合为一个大气泡(由于小气泡相距较远较难进行)
8、;泡(由于小气泡相距较远较难进行); 二是溶解的气体渗入气泡,使之扩大(实二是溶解的气体渗入气泡,使之扩大(实际进行);际进行); 三是澄清剂分解的气体渗入气泡或玻璃液。三是澄清剂分解的气体渗入气泡或玻璃液。 澄清剂分解的气体若渗入气泡,则使得气澄清剂分解的气体若渗入气泡,则使得气泡中某一种气体的分压比原来的分压大,泡中某一种气体的分压比原来的分压大,相应的其他气体的分压就比液体中该气体相应的其他气体的分压就比液体中该气体的分压减小,就可以从液体中吸收该气体,的分压减小,就可以从液体中吸收该气体,使气泡增大;使气泡增大; 澄清剂分解的气体若渗入玻璃液中,则液澄清剂分解的气体若渗入玻璃液中,则液
9、体中气体的分压就大于气泡中的分压,气体中气体的分压就大于气泡中的分压,气泡可以从液体中吸收,使气泡增大。泡可以从液体中吸收,使气泡增大。 b.中气泡(中气泡(0.1 0.01 mm) 这类气泡较小,气泡之间不会相容变大,这类气泡较小,气泡之间不会相容变大,只能靠澄清剂来澄清。只能靠澄清剂来澄清。 c .微小气泡(微小气泡(0.01 mm) 这类气泡在澄清过程中不会消失,在后期这类气泡在澄清过程中不会消失,在后期会溶解于玻璃液中。会溶解于玻璃液中。(7)表面张力的影响)表面张力的影响 A.气泡在玻璃液中所受的压力气泡在玻璃液中所受的压力 P=窑气的压力(约窑气的压力(约0.1MPa)+气泡所受玻
10、气泡所受玻 璃液的压力(最大璃液的压力(最大0.0368MPa)+ 2/r 表面张力表面张力 R气泡的半径气泡的半径 只有气泡的浮力大于只有气泡的浮力大于P时,气泡才能上浮排时,气泡才能上浮排出出。 r=1mm时,时, 2/r =0.6kPa; r0.01mm时,时, 2/r 0.06MPa; R= 0.001mm时,时, 2/r= 0.6MPa。 可以看出,表面张力对大气泡的影响可以可以看出,表面张力对大气泡的影响可以忽略,对小气泡的影响则是巨大的。忽略,对小气泡的影响则是巨大的。 玻璃液中存在的微小气泡,在温度降低时,玻璃液中存在的微小气泡,在温度降低时,内部的压力急剧增大,使气泡内的气体
11、分内部的压力急剧增大,使气泡内的气体分压明显大于玻璃液中气体的分压,从而溶压明显大于玻璃液中气体的分压,从而溶解于玻璃液中;温度升高时,气泡又会析解于玻璃液中;温度升高时,气泡又会析出。出。 B.新气泡的产生新气泡的产生 澄清好的玻璃液一般不能再次产生气泡。澄清好的玻璃液一般不能再次产生气泡。 原因是:原因是: 新生气泡的半径新生气泡的半径r0,需要克服的,需要克服的2/r。(8)影响澄清的因素)影响澄清的因素 A.配合料中的气体率配合料中的气体率 一般一般1520% B.澄清温度澄清温度 温度高,黏度小,有利于澄清;熔窑温度温度高,黏度小,有利于澄清;熔窑温度受耐火材料的限制。受耐火材料的限
12、制。 C.窑压窑压 微正压微正压(9)加速澄清的措施)加速澄清的措施A.延长澄清时间延长澄清时间B.提高澄清温度提高澄清温度C.搅拌搅拌D.鼓泡鼓泡E .加澄清剂(最常用)加澄清剂(最常用)3.1.4 玻璃液的均化玻璃液的均化 (1)目的)目的 达到化学成分和热均一性达到化学成分和热均一性 (2)原因)原因 膨胀系数不同将产生结构应力;光学性质膨胀系数不同将产生结构应力;光学性质不同将产生光畸变;产生玻筋、条纹;析不同将产生光畸变;产生玻筋、条纹;析晶。晶。(3)均化过程)均化过程 不均体的溶解与扩散是主要的均化过程;不均体的溶解与扩散是主要的均化过程; 扩散系数是温度和黏度的函数;扩散系数是
13、温度和黏度的函数; 提高均化的方法是提高熔制温度和减小玻提高均化的方法是提高熔制温度和减小玻璃液的黏度。璃液的黏度。(4)影响均化的因素)影响均化的因素 A.温度温度 温度越高,黏度越小,溶解扩散速度越快;温度越高,黏度越小,溶解扩散速度越快; B.黏度黏度 玻璃液的黏度越小,溶解扩散速度越快,玻璃液的黏度越小,溶解扩散速度越快,可选择降低黏度的配方或原料;可选择降低黏度的配方或原料; C.表面张力表面张力 表面张力越小,越易均化;表面张力大的表面张力越小,越易均化;表面张力大的条纹和不均体,即使受到剪切力作用也难条纹和不均体,即使受到剪切力作用也难以伸长和消失;以伸长和消失; D.玻璃液的对
14、流玻璃液的对流 玻璃液的对流有利于均化,但对耐火材料玻璃液的对流有利于均化,但对耐火材料侵蚀加大;侵蚀加大; E.气泡的上升气泡的上升 澄清过程,带动玻璃液均化;澄清过程,带动玻璃液均化;(5)强制均化技术)强制均化技术 A.鼓泡鼓泡 B.搅拌搅拌 水平搅拌水平搅拌 垂直搅拌垂直搅拌3.1.5 玻璃液的冷却玻璃液的冷却 (1)目的)目的 将澄清均化好的玻璃液,降温将澄清均化好的玻璃液,降温200300,达,达到到1100 ,进入锡槽成型。,进入锡槽成型。 (2)影响因素)影响因素 A.热均匀程度热均匀程度 熔窑四周和玻璃液的上下层之间温度的均匀性,熔窑四周和玻璃液的上下层之间温度的均匀性,一般
15、采用自然降温。一般采用自然降温。 B.二次气泡(灰泡,直径小于二次气泡(灰泡,直径小于0.1mm) 硫酸盐和其他盐类的继续分解;硫酸盐和其他盐类的继续分解; 溶解气体的析出;溶解气体的析出; 耐火材料气泡耐火材料气泡 玻璃液流股间的化学反应;玻璃液流股间的化学反应; 电化学反应电化学反应3.1.6影响玻璃熔制过程的工艺因素影响玻璃熔制过程的工艺因素3.1.6.1玻璃成分 高熔点成分越多,熔化速度越慢,所需熔化温度越高。 熔化速度常数值越大,熔化温度越高。2232232222223223222322232232232222SiO +Al OSiO +Al O= =Na O+K ONa O+K O
16、SiO +Al OSiO +Al O= =Na O+K O+0.5B ONa O+K O+0.5B OSiO +Al OSiO +Al O= =Na O+K O+0.125PbONa O+K O+0.125PbO普通硅酸盐:普通硅酸盐:含硼硅酸盐玻璃:含硼硅酸盐玻璃:含铅硅酸盐玻璃:含铅硅酸盐玻璃:6.03.54.84.2TmC1450-146014201380-14001320-1340 值与熔化温度对应关系值与熔化温度对应关系若干玻璃的若干玻璃的 值值玻璃种类PyrexJena20 Soda-lime glassCrownglass Flint glass值8.47.94.8-54.82.
17、5 注意:常数注意:常数 是一经验值,确定熔制温度时,此常数不能是一经验值,确定熔制温度时,此常数不能 认为是唯一的决定因素,它未考虑如粒度、温度等因素。认为是唯一的决定因素,它未考虑如粒度、温度等因素。 Stocks 定律:定律:玻璃液黏度小,有利于不均匀体扩散。玻璃液黏度小,有利于不均匀体扩散。 1. 按使用热源分按使用热源分 (1)火焰窑)火焰窑 以燃料燃烧为热能来源。燃料可以是煤气,以燃料燃烧为热能来源。燃料可以是煤气, 重油和水;重油和水; (2)电热窑)电热窑 以电能作为热量来源;以电能作为热量来源; (3)火焰电热窑)火焰电热窑 以燃料为主要热源,电能为辅助热源。以燃料为主要热源
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