玻璃配合料制备技术5

玻璃成分设计与原料选择系别：材料工程系班级：玻璃141姓名：候莉杨文涛李霖顾学文唐率张启兵欧均伟陈鹏宇陈代明日期：2015年3月20一、任务题目：500t/d白色浮法玻璃成分的设计与原料的选择及成分确定二、主要内容：1、确定玻璃性质要求；2、合理设计玻璃的成分；3、确定玻璃的生产工艺流程；4、分析各种成分对玻璃性质的影响；5、合理选择原料种类并确定其化学成分；6、确定各种原料的质量控制方案。三、基本要求：1、玻璃成分应符合实际生产情况要求，便于组织生产；2、工艺流程选择合理、先进；3、熟悉玻璃中各种成分对玻璃性能的影响；4、提交一份打印的任务说明书及电子文档；5、提交本小组成员的成绩表（100分制）。陈代明杨文涛李霖顾学文唐率张启兵欧钧伟陈鹏宇候莉889187908990889090确定玻璃性质要求1.表观密度:玻璃的表观密度与其化学成分有关，故变化很大。而且随温度升高而减小。普通硅酸盐玻璃的表观密度在常温下大约是2500kg/m3。2.力学性质:玻璃的力学性质决定于化学组成、制品形状、表面性质和加工方法。凡含有未熔杂物、结石、节瘤或具有微细裂纹的制品，都会造成应力集中，从而急剧降低其机械强度。在建筑中玻璃经常承受弯曲、拉伸、冲击和震动，很少受压，所以玻璃的力学性质的主要指标是抗拉强度和脆性指标。玻璃的实际抗拉强度为30～60MPa。普通玻璃的脆性指标(弹性模量与抗拉强度之比E／R拉)为1300～1500(橡胶为0.4～0.6)。脆性指标越大，说明脆性越大。3.热物理性质:(1)玻璃的导热性很差，在常温时其导•热系数仅为铜的1／400，但随着温度的升高将增大。另外，它还受玻璃的颜色和化学组成的影响．(2)玻璃的热膨胀性决定于化学组成及其纯度，纯度越高热膨胀系数越小。(3)玻璃的热稳定性决定于玻璃在温度剧变时抵抗破裂的能力。玻璃的热膨胀系数越小，其热稳定性越高。玻璃制品越厚、体积越大，热稳定性越差。因此须用热处理方法提高制品的热稳定性。4.化学稳定性:玻璃具有较高的化学稳定性，但长期遭受侵蚀性介质的腐蚀，也能导致变质和破坏。合理设计玻璃的成分浮法玻璃的化学成分主要包括：二氧化硅（SiO2）、氧化钠（Na2O）、氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）、氧化铝（Al2O3）、氧化铁（Fe2O3）等。氧化物SiO2Al2O3CaOMgOR2OSO3Fe2O3Wt%72.191.608.134.1113.720.080.17经过人们长时间生产实践得出“高钙、中镁、低铝、微铁”的化学组合成分是生产优质浮法玻璃的条件之一。高钙：浮法玻璃拉引速度快，在成型中必须采用硬化速度快的“短”性玻璃成分，调整CaO到8.0-9.0%。(8.40%)中镁：CaO含量增加，使玻璃发脆并容易产生硅灰石析晶（CaO.SiO2）。因此MgO控制在4%左右，以改善玻璃的析晶性能。(4.00%)低铝：铝高将增加玻璃的粘度，不利于均化和澄清，将Al2O3的含量降低到1.3%以下。(1.2%)微铁：熔化时着色能力强的Fe2+被氧化为着色能力弱的Fe3+，但在锡槽中又被还原成Fe2+因此严格限制在0.1%以内。(0.08%)确定玻璃的生产工艺流程玻璃的生产工艺包括：配料、熔制、成形、退火等工序1．配料,按照设计好的料方单,将各种原料称量后在一混料机内混合均匀.玻璃的主要原料有：石英砂、石灰石、长石、纯碱、硼酸等.2．熔制,将配好的原料经过高温加热,形成均匀的无气泡的玻璃液.这是一个很复杂的物理、化学反应过程.玻璃的熔制在熔窑内进行.熔窑主要有两种类型：一种是坩埚窑,玻璃料盛在坩埚内,在坩埚外面加热.小的坩埚窑只放一个坩埚,大的可多到20个坩埚.坩埚窑是间隙式生产的,现在仅有光学玻璃和颜色玻璃采用坩埚窑生产.另一种是池窑,玻璃料在窑池内熔制,明火在玻璃液面上部加热.玻璃的熔制温度大多在1300~1600゜C.大多数用火焰加热,也有少量用电流加热的,称为电熔窑.现在,池窑都是连续生产的,小的池窑可以是几个米,大的可以大到400多米2.3．成形,是将熔制好的玻璃液转变成具有固定形状的固体制品.成形必须在一定温度范围内才能进行,这是一个冷却过程,玻璃首先由粘性液态转变为可塑态,再转变成脆性固态.4．退火,玻璃在成形过成中经受了激烈的温度变化和形状变化,这种变化在玻璃中留下了热应力.这种热应力会降低玻璃制品的强度和热稳定性.如果直接冷却,很可能在冷却过程中或以后的存放、运输和使用过程中自行破裂（俗称玻璃的冷爆）.为了消除冷爆现象,玻璃制品在成形后必须进行退火.退火就是在某一温度范围内保温或缓慢降温一段时间以消除或减少玻璃中热应力到允许值。分析各种成分对玻璃性质的影响SiO2：是形成浮法玻璃最主要的氧化物。SiO2以硅氧四面体的结构单元形成不规则的连续网络，成为玻璃的“骨架”。它能赋予玻璃一系列优良性能，能增加玻璃的粘度，提高玻璃的热稳定性和化学稳定性；玻璃的密度和热膨胀系数随SiO2含量增加而降低。其缺点是熔点高、粘度大，使玻璃熔化、澄清和均化困难，能耗增加。CaO：它能加速玻璃的熔化和澄清过程，并提高玻璃的机械强度、硬度及化学稳定性。适量的CaO在高温时能降低玻璃液的粘度，有利于熔化和澄清，低温时增加玻璃液的粘度，即可以调整玻璃的料性，加快玻璃硬化速度，有利于玻璃的快速成型。因此浮法玻璃成分中采用较高含量的CaO来适应浮法生产工艺高速拉引、快速成型的要求。但CaO会增加玻璃的析晶倾向，因此玻璃中CaO的含量也不宜太大，如大于10%则会使玻璃发脆，成型难度增大。MgO：适量的MgO可降低玻璃的高温粘度，降低玻璃的析晶倾向和析晶速度，提高机械强度和化学稳定性，对提高玻璃的热稳定性也有良好的影响。MgO对玻璃的粘度有复杂的作用：当温度高于1200℃时，会使玻璃液的粘度降低；而在1200～900℃之间，又有使玻璃液的粘度增加的倾向；低于900℃，反而使玻璃的粘度下降。因此，玻璃中的MgO含量也不宜太大。Al2O3：能降低玻璃的析晶倾向和结晶速度，降低玻璃的膨胀系数，提高玻璃的粘度、表面张力、软化温度、化学稳定性、热稳定性和机械强度，是最有效的玻璃稳定剂；Al2O3对增加玻璃液粘度的影响程度比SiO2大，随Al2O3增加，玻璃液粘度和表面张力增大，不仅使玻璃的熔化速度减慢和使澄清时间延长，也不利于均化，容易在玻璃板面形成玻筋及线道；而且对玻璃液在锡槽中摊平、抛光、展薄也不利。因此应对玻璃成分中的Al2O3含量严格控制。Na2O：能降低玻璃的熔化温度，大幅度降低玻璃液的粘度，增加玻璃液的高温流动性，是良好的助熔剂。含量过多，则会降低玻璃的机械强度、化学稳定性以及热稳定性，增大膨胀系数，使玻璃发脆；而且还容易使玻璃析碱、发霉，并使玻璃生产成本增加。因此，玻璃成分中Na2O含量不能太高。Fe2O3：在无色透明浮法玻璃生产中，Fe2O3纯属有害杂质，它能使玻璃着成黄绿色而影响玻璃的光学性能。玻璃成分中的铁含量不仅影响到玻璃的色泽，而且影响到玻璃液的粘度、透热性、硬化速度等性能。钠-钙-硅玻璃中的Fe一般以Fe2+或Fe3+状态存在。Fe3+离子着色很弱，使玻璃产生淡黄色。而Fe2+会使玻璃产生淡蓝色，着色能力比Fe3+高10倍左右。因此，在生产无色透明浮法玻璃时，成分中的含量及稳定性要严加控制。合理选择原料种类并确定其化学成分自然界中含有玻璃构成元素的物质很多。用于制备玻璃配合料的各种物质，统称为玻璃原料。为了在生产中得到合理的技术经济指标，通常玻璃原料很少使用纯粹的氧化物，而多使用天然矿物原料。生产浮法玻璃的原料可分为生料和熟料两种。其中生料根据它们的用量和作用不同，可分为主要原料和辅助原料两大类；而熟料是指在实际生产中往配合料中按一定比例加入的碎玻璃。主要原料是指向玻璃中引入各种组成氧化物的原料，是形成玻璃结构的主体原料，它们决定玻璃的基本物理、化学性能。这些原料经熔融、反应后即生成硅酸盐构成玻璃液的主体。对于浮法玻璃来说，主要原料引入SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Na2O（或K2O）等氧化物，决定着玻璃的物理性质和化学性质。目前，我国浮法玻璃企业通常使用的原料主要包括石英砂（硅砂）、长石、白云石、石灰石、纯碱、芒硝、碳粉等。硅质原料是玻璃制造中最主要和用量最大的原料，它主要引入玻璃成分中的SiO2。天然硅砂也叫石英砂，硅砂是配合料中最难熔化的原料。其颗粒的大小、粒度分布，甚至颗粒的形状对于配合料的混匀、分聚、熔化和均化都有重要影响。当玻璃配合料中由硅质原料引入的Al2O3不能满足玻璃成分需要时，一般就用长石来补充。白云石主要成分是CaCO3和MgCO3，它主要引入玻璃成分中的CaO和MgO。浮法玻璃配合料中引入的CaO原料主要有白云石、石灰石、方解石和白垩（CaO3）等，由于需要引入MgO，所以又以用白云石为主，CaO不足部分用石灰石或方解石补充。石灰石主要成分是CaCO3，主要引入玻璃成分中的CaO。当玻璃成分要求氧化铁含量极严格时，可用方解石代替，它比石灰石纯度高得多，方解石是生产浮法玻璃的优质原料。纯碱是一种化工原料，其主要成分是Na2CO3，引入玻璃成分中的Na2O。纯碱熔点低，化学性质活泼，是玻璃生产过程中的助熔剂。芒硝是一种化工原料，其主要成分是Na2SO4，引入玻璃成分中的Na2O。浮法玻璃生产采用无水芒硝，它在玻璃熔制过程中的主要作用是促进熔化、加速澄清，是一种有效的澄清剂。无水芒硝的熔点为884℃，热分解温度在1120～1220℃之间。由于分解温度高于熔点，在熔融时往往形成芒硝溶液，称为芒硝水，对耐火材料侵蚀严重，甚至可以在玻璃板面上形成白色的芒硝泡。碎玻璃又称熟料，是玻璃生产不可缺少的一种原料。碎玻璃加入后可提高熔化率，有助于澄清和均化。配合料的熔融主要是SiO2的熔融，随着碎玻璃用量的增加，配合料的熔融时间相应缩短，熔化速度提高。当碎玻璃加入量合适时，碎玻璃的助熔作用时玻璃熔体粘度降低，缩短澄清和均化时间。碎玻璃的加入有利于节省能源、延长窑炉的使用寿命。在节约纯碱的同时，增加碎玻璃的量还可以大大节约燃料。辅助原料：1.澄清剂：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的统称。分为三类：（1）As2O3和Sb2O3：单独使用时仅起鼓泡作用，但与硝酸盐组合作用时在低温吸氧，在高温放氧而起澄清作用，但As2O3极毒，故少用。（2）硫酸盐原料：主要有Na2SO4，在高温时分解逸出气体而起澄清作用。（3）氟化物类原料：主要有萤石（CaF2）及氟硅酸钠（Na2SiF6）。（4）NaCl：高温时挥发出NaCl蒸气。2.着色剂：（1）离子着色剂：锰化物原料、锆化物原料、铬化物原料、铜化物原料（2）胶体着色剂：金化合物原料、银化合物原料、铜化合物原料（3）化合物着色剂：硒与硫化镉确定各种原料的质量控制方案硅砂：SiO2＞99%、Fe2O3-0:04%及大于30目颗粒≤1％，Si02在硅砂中几乎为全量，在玻璃中也为主要成分，占72.5%左右。它丝毫的变化都将对玻璃生产产生巨大的影响。Fe2O3含量的变化将直接影响玻璃成分中Fe2O3含量的波动，从而导致玻璃透光率的波动，产生色差.白云石：白云石中Fez03≤0.18%，CaO含量为30.0一31．0%，Mg0含量为21．0一22.0%，这3项为主要控制指标；石灰石中Fe2O3≤0.15%，CaO≥52.0%，这2项为主要控制指标。而粒度指标对白云石、石灰石而言，并不是非常严格控制。CaO含量波动将引起玻璃料性发生变化，影响成形退火作业，直接影响生产稳定。由于白云石是大料，其引人了玻璃中相当部分的CaO量，为此，我们可通过严格控制白云石中CaO含量。来减弱石灰石中CaO量波动对玻璃中CaO的冲击，稳定生产。长石：将长石中Fe2O3≤0.3%，AL2O3:≥15.0%，R20≥11.0%K20一般在8.0一9.8之间，Na20在2.0一4.2之间。根据以前的经验，K20、Na20含量较接近的长石，通常伴生有霞石，或在条件具备的情况下易转型为霞石。而霞石是很难熔化的，在玻璃成品中表现为结石。因