玻璃的熔制及成型课件.ppt
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1、第三章第三章 玻璃的熔制及成型玻璃的熔制及成型 3.1 3.1 玻璃的熔制过程玻璃的熔制过程 3.2 3.2 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 3.3 3.3 熔窑熔窑 3.4 3.4 熔窑耐火材料熔窑耐火材料 3.5 3.5 玻璃的成型玻璃的成型 3.1 玻璃的熔制过程 1 1 、硅酸盐形成阶段硅酸盐形成阶段 2 2、 玻璃的形成玻璃的形成 3 3 、玻璃液的澄清玻璃液的澄清 4 4 、玻璃液的均化玻璃液的均化 5 5 、玻璃液的冷却玻璃液的冷却 配合料加热时的各种过程 物理过程物理过程化学过程化学过程物理化学过程物理化学过程1. 配合料的加热配合料的加热1. 固相反应固
2、相反应1. 低共熔物的生成低共熔物的生成2. 吸附水分的蒸发排除吸附水分的蒸发排除 2. 各种盐类的分解各种盐类的分解2. 组分或生成物间的互组分或生成物间的互溶溶3. 某些单独组分的熔融某些单独组分的熔融 3. 水化物的分解水化物的分解3. 玻璃和炉气介质之间玻璃和炉气介质之间的相互作用的相互作用4. 某些组分的多晶转变某些组分的多晶转变 4.化学结合水的排除化学结合水的排除4. 玻璃液和耐火材料的玻璃液和耐火材料的相互作用相互作用5 . 个 别 组 分 的 挥 发个 别 组 分 的 挥 发(Na2O,K2O,B2O3,PbO,SiF4,BF3,F2等)等)5. 组分间的相互反应及组分间的相
3、互反应及硅酸盐的生成硅酸盐的生成5. 玻璃液和其中夹杂气玻璃液和其中夹杂气体的相互作用体的相互作用玻璃熔制过程各阶段间关系图 1 1、 硅酸盐形成阶段硅酸盐形成阶段 硅酸盐生成反应在很大硅酸盐生成反应在很大程度上是在固体状态下程度上是在固体状态下进行的,配合料各组分进行的,配合料各组分在加热过程中,经过了在加热过程中,经过了一系列物理的、化学的一系列物理的、化学的和物理化学的变化,结和物理化学的变化,结束了主要反应过程。大束了主要反应过程。大部分气态产物逸出,到部分气态产物逸出,到这一阶段结束时配合料这一阶段结束时配合料变成了由硅酸盐和剩余变成了由硅酸盐和剩余SiOSiO2 2组成的烧结物。组
4、成的烧结物。2 2、玻璃的形成玻璃的形成 烧结物继续加热时,硅酸盐烧结物继续加热时,硅酸盐形成阶段生成的硅酸钠、硅形成阶段生成的硅酸钠、硅酸钙、硅酸铝、硅酸镁及反酸钙、硅酸铝、硅酸镁及反应后剩余的应后剩余的SiOSiO2 2开始熔融,开始熔融,它们之间相互熔解和扩散,它们之间相互熔解和扩散,到这一阶段结束时烧结物变到这一阶段结束时烧结物变成了透明体,不存在尚未反成了透明体,不存在尚未反应的配合料颗粒。但玻璃中应的配合料颗粒。但玻璃中还有大量气泡和条纹,因而还有大量气泡和条纹,因而玻璃体本身在化学组成上是玻璃体本身在化学组成上是不均匀的,玻璃性质也是不不均匀的,玻璃性质也是不均匀的。均匀的。例1
5、:SiO2+Na2CO3+CaCO3配合料(通常称纯碱配合料)的硅酸盐和玻璃形成 1、加热到、加热到100-120时,配合料的水分蒸发。时,配合料的水分蒸发。 2、低于、低于600时,由于固相反应碳酸钠时,由于固相反应碳酸钠-碳酸钙的复盐生成碳酸钙的复盐生成(熔点(熔点813) 3、当、当575时发生石英的多晶转变,伴随着体积变化产生裂时发生石英的多晶转变,伴随着体积变化产生裂纹,有利于硅酸盐的形成。纹,有利于硅酸盐的形成。 4、到、到600左右时,左右时,CO2开始逸出,它是由于先前生成的复开始逸出,它是由于先前生成的复盐盐CaNa2(CO3)2与与SiO2作用的结果。这个反应是在作用的结果
6、。这个反应是在600-830范围内进行的。范围内进行的。 5、在、在720-900时,碳酸钠和二氧化硅反应。时,碳酸钠和二氧化硅反应。 石英石英32323 2()CaCONa COCaNa CO32323 2()CaCONa COCaNa CO232232Na COSiONa SiOCO23 222332()22CaNa COSiONa SiOCaSiOCO 6、740-800时,时,CaNa2(CO3)2Na2CO3低共熔物形成和低共熔物形成和熔化,与熔化,与SiO2开始作用。开始作用。 7、在、在813时,时,CaNa2(CO3)2复盐熔融。复盐熔融。 8、在、在855时,时,Na2CO3
7、熔融。熔融。 9、到、到912和和960时,时,CaCO3和和CaNa2(CO3)2相继分解。相继分解。 10、约、约1010时,时, 11、在、在1200-1300时形成玻璃,并且进行熔体的均化。时形成玻璃,并且进行熔体的均化。3223 222()2CaCOCaOCOCaNa CONa OCaOCO 23CaOSiOCaSiO例2:SiO2+Na2SO4+CaCO3配合料(通常称芒硝配合料)的硅酸盐和玻璃形成 1、100-120排除吸附水分;排除吸附水分; 2、235-239硫酸钠发生多晶转变:硫酸钠发生多晶转变: 3、260,煤开始分解,有部分物质挥发出来;,煤开始分解,有部分物质挥发出来
8、; 4、400,Na2SO4与碳之间的固相反应开始进行;与碳之间的固相反应开始进行; 5、500,开始有,开始有Na2S和和Na2CO3生成,并有生成,并有CO2放出:放出: 6、500以上,有偏硅酸钠和偏硅酸钙开始生成:以上,有偏硅酸钠和偏硅酸钙开始生成:22422322422332222Na SNa SOSiONa SiOSOSCaSNa SOSiONa SOCaSiOSOS2424(Na SONa SO 斜方晶体)(单斜晶体)2422232322Na SOCNa SCONa SCaCONa COCaS 7、575左右,左右, 8、740,由于出现了,由于出现了Na2SO4-Na2S低温共
9、熔物,玻璃的形低温共熔物,玻璃的形成过程开始;成过程开始; 9、740-880,玻璃的形成过程加速进行;,玻璃的形成过程加速进行; 10、800,CaCO3的分解过程完成;的分解过程完成; 11、851,Na2CO3熔融;熔融; 12、885,Na2SO4熔融,同时熔融,同时Na2S和石英颗粒在形成的熔和石英颗粒在形成的熔体中开始熔解;体中开始熔解; 13、在、在900-1100时,硅酸盐生成的过程剧烈地进行,氧化时,硅酸盐生成的过程剧烈地进行,氧化钙和过剩的二氧化硅起作用,生成偏硅酸钙:钙和过剩的二氧化硅起作用,生成偏硅酸钙:23CaOSiOCaSiO 石英石英3、玻璃液的澄清澄清的过程就是
10、:首先使气泡中的气体,窑内气体澄清的过程就是:首先使气泡中的气体,窑内气体于玻璃液中物理溶解和化学结合的气体之间建立平于玻璃液中物理溶解和化学结合的气体之间建立平衡,再使可见气泡漂浮于玻璃液的表面而消除。衡,再使可见气泡漂浮于玻璃液的表面而消除。(1)在澄清过程中气体间的转化与平衡)在澄清过程中气体间的转化与平衡澄清过程中将发生的气体交换:澄清过程中将发生的气体交换: 1 1、气体从过饱和的玻璃液中分离出来,进入气泡、气体从过饱和的玻璃液中分离出来,进入气泡或炉气中;或炉气中; 2 2、气泡中所含的气体分离出来进入炉气或溶解于、气泡中所含的气体分离出来进入炉气或溶解于玻璃液中;玻璃液中; 3
11、3、气体从炉气中扩散到玻璃液中。、气体从炉气中扩散到玻璃液中。加速玻璃液澄清的方法有:延长熔制时间,加速玻璃液澄清的方法有:延长熔制时间,提高澄清温度,使玻璃液沸腾搅拌、鼓泡、提高澄清温度,使玻璃液沸腾搅拌、鼓泡、施以真空或高压,采用超声波及澄清剂等。施以真空或高压,采用超声波及澄清剂等。在配合料中引入适量的澄清剂是一种最常用在配合料中引入适量的澄清剂是一种最常用的方法。的方法。AAAAAAAApppppppp 泡液泡液 炉液炉液炉气中的气体玻璃液中溶解的气体飘浮排除气泡中气体 (2)在澄清过程中气体与玻璃液的相互作用 纯物理熔解,气体与玻璃成分不产生相互纯物理熔解,气体与玻璃成分不产生相互的
12、化学作用;的化学作用; 气体与玻璃成分间产生氧化还原反应,其气体与玻璃成分间产生氧化还原反应,其结果是形成化合物,随后在一定条件下又结果是形成化合物,随后在一定条件下又析出气体,这一类在一定程度上还有少量析出气体,这一类在一定程度上还有少量的物理熔解。的物理熔解。(3) 澄清剂在澄清过程中的作用机理 (1)(1)变价氧化物类澄清剂变价氧化物类澄清剂在低温下吸收氧气,而在高温下放出氧气。在低温下吸收氧气,而在高温下放出氧气。 (2)(2)硫酸盐类澄清剂硫酸盐类澄清剂分解后产生分解后产生OO2 2和和SOSO2 2,对气泡的长大与溶解,对气泡的长大与溶解起着重要的作用。起着重要的作用。 (3)(3
13、)卤化物类澄清剂卤化物类澄清剂降低玻璃粘度,使气泡易于上升排除。降低玻璃粘度,使气泡易于上升排除。 (4)玻璃性质对澄清过程的影响 在澄清过程中,可见气泡的消除,按下列两在澄清过程中,可见气泡的消除,按下列两种方式进行:种方式进行: 1 1、使气泡体积增大而加速上升,漂浮出玻、使气泡体积增大而加速上升,漂浮出玻璃表面后破裂消失;璃表面后破裂消失;在等温等压下,使玻璃液中气泡变大有两个在等温等压下,使玻璃液中气泡变大有两个因素:因素:多个小气泡集合为一个大气泡;多个小气泡集合为一个大气泡;玻璃液中溶解的气体渗入气泡,使之扩大。玻璃液中溶解的气体渗入气泡,使之扩大。 2 2、使小气泡中的气体组分溶
14、解于玻璃液中,、使小气泡中的气体组分溶解于玻璃液中,气泡被吸收而消失。气泡被吸收而消失。4、玻璃液的均化 玻璃液长时间处于高温下,其化学组成逐渐趋向玻璃液长时间处于高温下,其化学组成逐渐趋向均一,即由于扩散的作用,使玻璃中条纹、结石均一,即由于扩散的作用,使玻璃中条纹、结石消除到允许限度,变成均一体。消除到允许限度,变成均一体。 玻璃液的均化过程通常按下述三种方式进行。玻璃液的均化过程通常按下述三种方式进行。1 1、不均体的熔解与扩散的均化过程、不均体的熔解与扩散的均化过程2 2、玻璃液的对流均化过程、玻璃液的对流均化过程3 3、因气泡上升而引起的搅拌均化作用、因气泡上升而引起的搅拌均化作用5
15、、玻璃液的冷却 经澄清均化后玻璃液的温度降低经澄清均化后玻璃液的温度降低200-300200-300,以便使,以便使玻璃液具有成型所必须的粘度。玻璃液具有成型所必须的粘度。 在降温冷却阶段有两个因素会影响玻璃的产量和质量,在降温冷却阶段有两个因素会影响玻璃的产量和质量,即玻璃的热均匀度和是否产生二次气泡。即玻璃的热均匀度和是否产生二次气泡。 生产实践表明,产生二次气泡的主要情况有:生产实践表明,产生二次气泡的主要情况有:1 1、碳酸盐或硫酸盐的热分解、碳酸盐或硫酸盐的热分解2 2、物理溶解的气体析出、物理溶解的气体析出3 3、玻璃中某些组分易产生二次气泡、玻璃中某些组分易产生二次气泡4 4、电
16、化学反应引起的二次气泡、电化学反应引起的二次气泡返回3.2 影响玻璃熔制过程的工艺因素 1 1、 玻璃成分玻璃成分 2 2、 原料及配合料的性质原料及配合料的性质 3 3、 加速剂的使用加速剂的使用 4 4、加料方式加料方式 5 5 、玻璃的熔制制度玻璃的熔制制度 6 6 、辅助电熔和搅拌辅助电熔和搅拌 7 7 、耐火材料的性质耐火材料的性质 8 8 、其它熔制新工艺其它熔制新工艺 1 1、 玻璃成分玻璃成分 玻璃的化学组成对玻璃的熔制速度有决定性的影玻璃的化学组成对玻璃的熔制速度有决定性的影响。不同组成的玻璃其相应配合料熔化速度不同,响。不同组成的玻璃其相应配合料熔化速度不同,一般而言,玻璃
17、中的高熔点组分一般而言,玻璃中的高熔点组分(SiO(SiO2 2、AlAl2 2OO3 3等等) )含量越多熔化速度越慢,而配合料中助熔剂含量含量越多熔化速度越慢,而配合料中助熔剂含量越多熔化速度越快。也就是说,玻璃组成中碱金越多熔化速度越快。也就是说,玻璃组成中碱金属氧化物和碱土金属氧化物与高熔点氧化物的比属氧化物和碱土金属氧化物与高熔点氧化物的比值越高,则相应的配合料熔化速度越快。值越高,则相应的配合料熔化速度越快。2 2、 原料及配合料的性质原料及配合料的性质 原料的颗粒原料的颗粒越细,反应表面就越大,反应速度就越越细,反应表面就越大,反应速度就越快。但也不益过细,否则会引起配合料分层而
18、破坏快。但也不益过细,否则会引起配合料分层而破坏其均匀性,同时也会产生粉料飞扬现象。其均匀性,同时也会产生粉料飞扬现象。 配合料中加入部分配合料中加入部分碎玻璃碎玻璃,可以促进玻璃的熔化。,可以促进玻璃的熔化。 配合料的润湿配合料的润湿能改善配合料的均匀性,提高配合料能改善配合料的均匀性,提高配合料的反应能力及减轻飞料现象。还有利于配合料的热的反应能力及减轻飞料现象。还有利于配合料的热传导,同时水分汽化时对玻璃液起着强烈的搅拌作传导,同时水分汽化时对玻璃液起着强烈的搅拌作用,从而促进熔化。但水分过多,会造成大量热损用,从而促进熔化。但水分过多,会造成大量热损失,影响熔化。失,影响熔化。 在湿配
19、合料中,在湿配合料中,温度温度低于低于3535时,纯碱的一水化合时,纯碱的一水化合物将转变为七水化合物或十水化合物,使配合料产物将转变为七水化合物或十水化合物,使配合料产生胶结作用,因此必须维持在生胶结作用,因此必须维持在3535以上。以上。3 3、 加速剂的使用加速剂的使用 氟化物氟化物降低玻璃液的粘度,提高玻璃液的透热性。降低玻璃液的粘度,提高玻璃液的透热性。所蒸发的所蒸发的SiFSiF4 4气体也有助于澄清过程的进行,因此大气体也有助于澄清过程的进行,因此大大加速了玻璃的形成过程。大加速了玻璃的形成过程。 B B2 2OO3 3降低玻璃熔体的高温粘度,加速玻璃液的降低玻璃熔体的高温粘度,
20、加速玻璃液的澄清和均化过程,提高玻璃质量。澄清和均化过程,提高玻璃质量。 AsAs2 2OO3 3使使FeOFeO转化为转化为FeFe2 2OO3 3并生成无色的铁砷酸盐并生成无色的铁砷酸盐络合物,提高玻璃的透明度,增高透热性,并放出含络合物,提高玻璃的透明度,增高透热性,并放出含氧气体,从而加速熔制过程。氧气体,从而加速熔制过程。 Li Li2 2O O (如锂辉石)(如锂辉石) 降低玻璃液的粘度和加速熔降低玻璃液的粘度和加速熔化澄清的作用,还可以提高玻璃的化学稳定性,热稳化澄清的作用,还可以提高玻璃的化学稳定性,热稳定性和机械强度等。用它代替萤石,可以减少空气污定性和机械强度等。用它代替萤
21、石,可以减少空气污染。染。 4 4、加料方式、加料方式 加料方式影响到熔化速度、熔化区的温度、液面状加料方式影响到熔化速度、熔化区的温度、液面状态和液面高度的稳定,从而影响产量和产品质量。态和液面高度的稳定,从而影响产量和产品质量。 一般配合料和碎玻璃预先混合。采用一般配合料和碎玻璃预先混合。采用薄层加料时,时,配合料中各组分容易保持分布均匀使硅酸盐形成和配合料中各组分容易保持分布均匀使硅酸盐形成和玻璃形成速度增加。玻璃形成速度增加。 配合料和碎玻璃也可不预先混合而同时按比例加入,配合料和碎玻璃也可不预先混合而同时按比例加入,把碎玻璃垫在配合料层的下面一起送入窑中,使配把碎玻璃垫在配合料层的下
22、面一起送入窑中,使配合料象在碎玻璃垫子上熔化一样。这种加料方式,合料象在碎玻璃垫子上熔化一样。这种加料方式,可增加配合料表面的受热面积、强化玻璃的熔融过可增加配合料表面的受热面积、强化玻璃的熔融过程。程。5 5 、玻璃的熔制制度、玻璃的熔制制度 熔制温度熔制温度 熔窑压力制度熔窑压力制度 窑内的气氛窑内的气氛 熔化部玻璃液面的状态熔化部玻璃液面的状态 玻璃液面的高度玻璃液面的高度 6 6 、辅助电熔和搅拌、辅助电熔和搅拌 在用燃料加热的熔窑作业中、同时向玻璃液在用燃料加热的熔窑作业中、同时向玻璃液通入电流使之增加一部分热量,从而可以在通入电流使之增加一部分热量,从而可以在不增加熔窑容量下增加产
23、量,这种新的熔制不增加熔窑容量下增加产量,这种新的熔制方式称为辅助电熔。一般分别设在熔化部、方式称为辅助电熔。一般分别设在熔化部、加料口、作业部、可提高料堆下的玻璃液温加料口、作业部、可提高料堆下的玻璃液温度度40-7040-70,这就大大提高了窑炉的熔化率。,这就大大提高了窑炉的熔化率。 在窑炉内进行机械搅拌或鼓泡是提高玻璃液在窑炉内进行机械搅拌或鼓泡是提高玻璃液澄清速度和均化速度的有效措施。澄清速度和均化速度的有效措施。7 7 、耐火材料的性质、耐火材料的性质 玻璃池窑中所用的耐火材料和坩埚的性质,玻璃池窑中所用的耐火材料和坩埚的性质,对于玻璃池窑的作业和玻璃的质量和产量对于玻璃池窑的作业
24、和玻璃的质量和产量均有显著的影响。使用质量不高的耐火材均有显著的影响。使用质量不高的耐火材料不但限制熔制温度,还会缩短熔窑寿命,料不但限制熔制温度,还会缩短熔窑寿命,降低熔窑的产量,而且还会使玻璃带有各降低熔窑的产量,而且还会使玻璃带有各种缺陷,降低玻璃的质量。种缺陷,降低玻璃的质量。 此外,如玻璃池窑的结构和砌筑质量等,此外,如玻璃池窑的结构和砌筑质量等,都对玻璃熔制过程有重大的影响。都对玻璃熔制过程有重大的影响。8 8 、其它熔制新工艺、其它熔制新工艺 为适应不同品种玻璃熔制的需要,还发展了为适应不同品种玻璃熔制的需要,还发展了连续熔制法、高频等离子体熔制法、激光熔连续熔制法、高频等离子体
25、熔制法、激光熔制法、气相沉淀法、组合熔制法、真空常压制法、气相沉淀法、组合熔制法、真空常压熔制法和真空加压熔制法等。熔制法和真空加压熔制法等。返回3.3 熔窑 1 1、 池窑池窑 2 2 、坩埚窑坩埚窑 3 3 、间歇式池窑间歇式池窑 4 4 、单元式熔窑单元式熔窑 5 5 、电熔窑电熔窑 1 1、 池窑池窑 大批量生产玻璃时是在池窑大批量生产玻璃时是在池窑中连续熔制的。各个熔制阶中连续熔制的。各个熔制阶段在窑的不同部位进行,各段在窑的不同部位进行,各部位的温度是稳定的。配合部位的温度是稳定的。配合料在池窑的一侧加入,供成料在池窑的一侧加入,供成型的玻璃熔融体在另一端排型的玻璃熔融体在另一端排
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