玻璃的加工工艺

第三章玻璃生产工艺第一节概述玻璃是一种具有各种优良性能和易加工的材料，它广泛用于各个领域，如建筑玻璃、日用玻璃、光学玻璃、电真空玻璃、药用玻璃、仪器玻璃、激光玻璃等。它们的品种与用途虽各不相同，但它们的生产工艺却有如下相近的生产流程：成分设计原料加工配合料制备坩埚窑熔化或池窑熔化成型一次制品退火窑退火缺陷检验一次制品深加工检验二次制品在上述流程中，不同制品的差异处在于：有各自的成分设计和各自的成型方法；一次制品经深加工可得二次制品。例如，窗用玻璃在成分设计上采用钠钙硅玻璃系统，由浮法成型制得一次制品窗用玻璃；光学玻璃在成分设计上采用磷酸盐玻璃系统，由压制法成型，经研磨、抛光而制得一次制品光学透镜，等等。把一次制品经深加工后，增添了新的性质与新的用途，这种玻璃称二次制品，常称深加工玻璃。例如，把一次制品的窗用玻璃，经磁控离子溅射法制成二次制品镀膜玻璃，使玻璃增加了彩色和反射光的性质，等等。以下按上述生产流程叙述玻璃生产工艺。第二节原料与配合料的制备一•原料的选择原料的选择与配合料的制备是玻璃生产工艺的重要组成部分，它直接影响制品的产量、质量与成本。因此，能否获得优质高产的配合料对后续的熔制工艺和成型工艺的关系极大。在新品种玻璃投产前必须选用原料，有时为配合工艺要求，需要在日常生产中改变原料品种，因此选择原料是一项重要工作。不同的玻璃品种对原料的要求不尽相同，但也有一些选择原料的共同准则，这些准则是：(1)原料的质量应符合玻璃制品的技术要求，其中包括化学成分稳定、含水量稳定、颗粒组成稳定、有害杂质少(主要指Fe2O3)等。(2)便于在日常生产中调整成分；(3)适于熔化与澄清，挥发与分解的气体无毒性；(4)对耐火材料的侵蚀要小；(5)原料应易加工、矿藏量大、分布广、运输方便、价格低等。对所选原料在使用前应进行破粉碎试验、熔制试验和制品的物性检验。第三节原料玻璃原料通常分为主要原料及辅助原料。主要原料：在一般玻璃中，它的主要成分有SiO2、Na2O、CaO、Al203、MgO等五种成分，为引入上述成分而使用的原料称主要原料。辅助原料：为使玻璃获得某种必要的性质，或为加速玻璃熔制过程而引入的原料通称为辅助原料。以下分别叙述上述两类原料。一•引人SiO2的原料SiO2是玻璃中最主要的成分，它使玻璃具有高的化学稳定性、力学性能、电学性能、热学性能，但含量过多时使熔制的玻璃液粘度过大，为此需相应提高熔化温度。引入2的原料主要有硅砂和砂岩。1．硅砂也称石英砂，它主要由石英颗粒所组成。质地纯净的硅砂为白色，一般硅砂因含有铁的氧化物和有机质而呈淡黄色、红褐色。评价硅砂的质量主要有以下三个指标：(1)硅砂的化学组成。它的主要成分是SiO2，另含有少量的Al2O3、Na2O、K2O、CaO等无害杂质。主要的有害杂质为氧化铁，它能使玻璃着成蓝绿色而影响玻璃透明度。有些硅砂中尚含有Cr203，它的着色能力比Fe2O=大30-50倍，使玻璃着成绿色；TiO2使玻璃着成黄色，若与氧化铁同时存在可使玻璃着成黄褐色。(2)硅砂的颗粒组成。它是评价硅砂质量的重要指标。它的颗粒大小与颗粒组成对原料制备、玻璃熔制、蓄热室堵塞均有直接影响。通常颗粒度越细，其铝铁含量也越大。硅砂的粒径应在0.15～O.8mm之间。(3)硅砂的矿物组成。与其伴生的无害矿物有长石、高岭石、白云石、方解石等；与其伴生的有害矿物主要有赤铁矿、磁铁矿、钛铁矿等。2．砂岩是由石英颗粒和粘性物质在地质高压下胶结而成的坚实致密的岩石。根据粘性物质的性质可分为粘土质砂岩、长石质砂岩和钙质砂岩。所以砂岩成分不仅取决于石英颗粒，而且与粘性物质的种类和含量有关。砂岩中的有害杂质是氧化铁。表2—3—1为硅质原料的成分范围。表2—3—1硅质原料的成分范围(％)Si02Al203Fe203CaOMgOR2O硅砂90-981-50.1-0.20.1-10-0.21-3砂岩95-980.3-0.50.1-0.30.05-0.150.1-0.150.2-0.15二、引人Al203的原料引入A1203的原料主要有长石和高岭土。1．长石在自然界中的长石有：呈淡红色的钾长石(K2O·A1203·6SiO2)、呈白色的钠长石(Na2O·Al2O3·6SiO2)和钙长石(CaO·Al2O3·6SiO2)。在矿物中它们常以不同的比例存在，所以长石的化学组成波动较大。对长石的质量要求是：A12O3＞16％；Fe203＜0.3％；R20＞12％。2．高岭土又称粘土(Al2O3·2SiO2·2H20)，由于所含SiO2及A1203均为难熔氧化物，所以在使用前应进行细磨。对高岭土的质量要求是：A1203＞25％；Fe2O3＜O.4％。表2—3—2为长石和高岭土的成分范围。表2—3—2长石和高岭土的成分范围(％)Si02Al203Fe203CaOMgOR2O长石55～6518～21O．15～0．40．15～O．8-13～16高岭土40～6030～400.1～O.45O．15～O．80．05～0.50.1—1.35三、引人Na20的原料主要有纯碱和芒硝。1．纯碱(Na2C03)纯碱是微细白色粉末，易溶于水，它是一种含杂质少的工业产品，主要杂质有NaCl(不大于1％)。纯碱易潮解、结块，它的水含量通常波动在9％～10％之间，应储存在通风干燥的库房内。对纯碱的质量要求是：Na2C03＞98％；NaCl＜1％；Na2SO4＜0.1％；Fe203＜O.1％。2．芒硝(Na2SO4)有无水芒硝和含水芒硝(Na2SO4·10H20)两类。使用芒硝不仅可以代碱，而且又是常用的澄清剂，为降低芒硝的分解温度常加入还原剂(主要为碳粉、煤粉等)。使用芒硝也有如下缺点：热耗大、对耐火材料的侵蚀大、易产生芒硝泡，当还原剂使用过多时，Fe2O3还原成FeS而使玻璃着成棕色。对芒硝的质量要求是：Na2SO4＞85％；NaCl＜2％；CaSO4＜4％；Fe203＜O．3％；H20＜5％。四、引人CaO的原料主要有石灰石、方解石。上述原料均为CaCO3，后者的纯度比前者高。对含钙原料的质量要求是：CaO≥50％；Fe203＜0.15％。五、引人MgO的原料主要为白云石(MgCO3·CaCO3)，呈蓝白色、浅灰色、黑灰色。对白云石的质量要求是：MgO≥20％；CaO≤32％；Fe203＜0.15％。六、澄清剂凡在玻璃熔制过程中能分解产生气体，或能降低玻璃粘度促使玻璃液中气泡排除的原料称澄清剂。常用的澄清剂可分为以下三类：1．氧化砷和氧化锑均为白色粉末。它们在单独使用时将升华挥发，仅起鼓泡作用。与硝酸盐组合作用时，它低温吸收氧气，在高温放出氧气而起澄清作用。由于As203的粉状和蒸气都是极毒物质，目前已很少使用，大都改用Sb2O3。2．硫酸盐原料主要有硫酸钠，它在高温时分解逸出气体而起澄清作用，玻璃厂大都采用此类澄清剂。3．氟化物类原料主要有萤石(CaF2)及氟硅酸钠(Na2SiF6)。萤石是天然矿物，是由白、绿、蓝、紫色组成的微透明的岩石。氟硅酸钠是工业副产品。在熔制过程中，此类原料是以降低玻璃液粘度而起澄清作用。对耐火材料侵蚀大，产生的气体(HF、SiF4)污染环境，目前已限制使用。七、着色剂根据着色机理，着色剂可分为以下三类：1．离子着色剂锰化合物的原料有：软锰矿(MnO2)、氧化锰(Mn203)、高锰酸钾(KMnO4)。Mn2O3使玻璃着成紫色，若还原成MnO则为无色。钴化合物的原料有：绿色粉末的氧化亚钴(C0O)、深紫色的Co2O3和灰色的C0304。热分解后的CoO使玻璃着成天蓝色。铬化合物的原料有：重铬酸钾(K2Cr2O7)、铬酸钾(K2CrO4)。热分解后的Cr203使玻璃着成绿色。铜化合物的原料有：蓝绿色晶体的硫酸铜(CuSO4)、黑色粉末的氧化铜(CuO)、红色结晶粉末的氧化亚铜(Cu2O)。热分解后的CuO使玻璃着成湖蓝色。2．胶体着色剂金化合物的原料有：三氯化金(AuCl3)的溶液，为得到稳定的红色玻璃，应在配合料中加入Sn02。银化合物的原料有：硝酸银(AgNO3)、氧化银(Ag20)、碳酸银(Ag2CO3)。其中以AgN03所得的颜色最为均匀，添加Sn02能改善玻璃的银黄着色。铜化合物的原料有：Cu2O及CuSO4，添加SnO2能改善铜红着色。3．化合物着色剂硒与硫化镉：常用原料有金属硒粉、硫化镉、硒化镉。单体硒使玻璃着成肉红色；CdSe着成红色；CdS使玻璃着成黄色；Se与CdS的不同比例可使玻璃着成由黄到红的系列颜色。八、脱色剂主要指减弱铁氧化物对玻璃着色的影响。根据脱色机理可分为化学脱色剂和物理脱色剂两类。常用的物理脱色剂有Se、MnO2、NiO、C0203等；常用的化学脱色剂有As203、Sb203、Na2S、硝酸盐等。九、氧化剂和还原剂在熔制玻璃时能释出氧的原料称氧化剂，能吸收氧的原料称还原剂。属氧化剂的原料主要有硝酸盐(硝酸钠、硝酸钾、硝酸钡)、氧化铈、As205、Sb205等。属还原剂的原料主要有碳(煤粉、焦炭、木屑)、酒石酸钾、氧化锡等。十、乳浊剂使玻璃产生乳白不透明的原料称乳浊剂。最常用的原料有氟化物(萤石、氟硅酸钠)、磷酸盐(磷酸钙、骨灰、磷灰石)等。十一、其他玻璃工业所采用的原料主要是矿物原料与工业原料两类。随着工业发展，新的矿物原料不断发现，工业废渣、尾矿的不断增加，影响了环境，为此，应根据玻璃制品的要求而选用新矿与废渣来改变现有的原料结构。国内目前采用的有含碱矿物、矿渣、尾矿，用它们来引入部分氧化钠。这些原料主要有以下品种：1．天然碱其中含较多的Na2CO3和Na2SO4，是一种较好的天然矿物原料，它的成分为：SiO25%～6％；Na2C0367％；Na2S0417％；Fe2030.3％。2．珍珠岩它是火山喷出岩浆中的一种酸性玻璃熔岩，其成分随各地而异，一般为灰绿、绿黑，并有珍珠状光泽。其成分主要为：Si0273％；Al2O313％；R209％；Fe2O30.9％～4％。3.钽铌尾矿其主要成分为：Si0270％；Al2O317％；R2O8％；Fe2030.1％。它是目前应用较多的一种代碱尾矿。4．碎玻璃它是生产玻璃时的废品，常用作回炉料。对制品质量要求不高的小型企业也可全部采用碎玻璃来生产玻璃制品。第四节原料的加工一•工艺流程若采用块状原料进厂都必须经过破碎、粉碎、筛分而后经称量、混合制成配合料，其一般工艺流程如下：各厂的工艺流程并不相同，这主要表现在以下几个方面：1．破粉碎系统的选择一般日用玻璃厂由于熔化量不大，常以粉料进厂，直接拆包把粉料送入粉料仓，因此原料车间不设原料的破粉碎。日熔化量大的平板玻璃厂，一般以块料进厂，则须设原料的破粉碎设备。原料的破粉碎系统可分为单系统、多系统与混合系统。单系统是指各种原料共用一个破碎、粉碎、筛分系统；多系统是指每一种原料单独使用一套。实际上，大中型厂大都采用混合系统，即把用量较多的原料组成多系统，而把用量较少、性质相近的原料组成单系统。2．设备的选择不同的工艺流程对设备的选择也不尽相同，例如，采用排库或塔库的工艺流程时，前者的每种原料多使用单独称量，而后者使用集中称量。二、原料的破碎与粉碎日熔化量较大的平板玻璃厂一般都是矿物原料块状进厂。为此，必须进行破碎与粉碎。根据矿物原料的块度、硬度和需要的粒度等来选择加工处理方法和相应的设备。要进行破粉碎的原料有砂岩、长石、石灰石、萤石、白云石等。砂岩是胶结致密、莫氏硬度为7的坚硬矿物。早先是把砂岩煅烧水淬后再进行破粉碎，由于劳动强度大、能耗高、生产率低而不再使用煅烧的方法，目前一般直接由破碎机破碎。采用的粗碎设备是各种型号的颚式破碎机，常用的有复摆式的颚式破碎机。可供选用的中碎与细碎的设备有反击式破碎机、锤式破碎机及对辊破碎机。颚式破碎机的构造简单、维修方便、机体坚固，能处理粒度范围大和硬度大的矿物。因此，至今它仍是广泛使用的粗碎设备。其不足之处是破碎比不大，一般为4～6。它不宜用于片状岩石和湿的塑性物料的破碎。反击式破碎机适宜对硬脆矿物进行中碎，具有破碎比大、效率高、电耗小、生产能力大、产物粒度均匀、构造简单等优点，其不足之处是板锤