洛阳理工学院材料系玻璃毕业设计

洛阳理工学院毕业设计1前言浮法玻璃因熔融玻璃液漂浮在熔融的锡液表面成型为平板玻璃而得名。这种生产方法由于无需克服玻璃本身重力，可使玻璃原板板面宽度加大，拉引速度大大提高，产量和生产规模增大；由于玻璃成型是在熔融锡液表面进行，因此可以获得双面抛光的优质镜面，其表面平整度、平行度可以与机械磨光玻璃相媲美，而机械性能和化学稳定性又优于机械磨光玻璃；到目前为止，采用该方法可以生产出厚度在0.3～25mm之间多种品种、规格的优质浮法玻璃，以满足不同用途的需求；另外，浮法工艺还可以在线生产多种颜色玻璃和Low-E玻璃，大大丰富了平板玻璃的范畴，扩大了平板玻璃在各个领域的应用。中国玻璃工作者自从在洛阳研制出中国浮法后，浮法玻璃在中国迅速得到了发展。经过我国玻璃工作者的不断努力，我国先后在熔窑日熔化量、玻璃生产技术装备、节能降耗、环境保护、多功能玻璃开发以及超薄、超厚品种研制与产业化等方面取得了重大突破。据统计，至2009年末我国日熔化能力500t以上熔窑占浮法玻璃总熔化能力的75.4%,600t以上占54.48%,700t以上占28.83%。600t以上熔窑占浮法玻璃总熔化能力比重首次超过50%,成为我国浮法玻璃主力窑型。浮法玻璃生产线规模结构的提高,提高了我国浮法玻璃生产的能源利用效率,降低了污染物和二氧化碳排放水平。从产能上看,700t以上36条的能力占28.83%,600～620t的42条能力占25.65%,500～550t的40条能力占20.92%,400～480t的38条能力占16.51%,400t以下26条能力占8.08%。大吨位低单位产品能耗和小吨位高产品价值是今后平板玻璃熔窑的发展方向,没有地缘优势,产品无技术特点,小吨位、高能耗的普通浮法玻璃将在市场上没有立足之地。在技术领域,采用中国浮法玻璃技术建设的生产线,技术装备与实物质量已达到国际先进水平。通过对原料配料称量,熔窑、锡槽、退火窑三大热工设备及自动控制系统成套软件的一系列科技攻关,进而对各关键技术进行系统集成和工程转化,形成了具有自主知识产权并全面达到国际先进水平的新一代中国浮法玻璃技术。还有像我国自主开发的余热发电技术与装备、烟气脱硫技术与装备、石英尾洛阳理工学院毕业设计2砂提纯及综合利用技术,全氧燃烧技术与装备也逐渐应用到到浮法熔窑。目前国际玻璃新技术均向能源、材料、环保、信息、生物等五大领域发展。在材料方面，主要指玻璃原片的生产向大片、薄片、厚片、白片四个方向发展。在研发新技术方面，通过对玻璃产品进行表面和内在改性处理，使其更具备强度、节能、隔热、耐火、安全、阳光控制、隔声、自洁、环保等优异功能。本次设计遵循以下原则：(1)认真总结国外同级别浮法熔窑的经验和教训，结合国内生产线的实际情况、操作特点，围绕生产优质玻璃液这个重点来进行设计。(2)着重节能降耗，采用国际先进的节能措施和节能产品，降低生产成本。(3)全窑工艺尺寸确定既要注重以往的经验数据，同时要有理论创新，要在总结以往经验数据的基础上对新结构确立理论依据。(4)本熔窑出现的超出国内设计手册的结构设计，必须确保结构安全，此类结构需建立相应的力学模型，并经过常温和热态理论论证通过后方可用于设计。(5)设计中充分考虑延长窑龄的方法和措施，要注重耐火材料装备水平，又要充分考虑生产后期保窑操作的可能性及方便性。(6)节省投资，材料配置上注重实用性，不搞花架子。主要材料立足于国内采购，尽量少引进硬件，减少外汇开支。洛阳理工学院毕业设计3第1章总工艺计算1.1玻璃成分设计要求玻璃成分设计要求：(1)必须满足使用性质的要求，即依赖于成分和性质与结构的简单关系；(2)所涉及的成分必须能够形成玻璃并具有较小析晶倾向，因而可以借助于玻璃形成区域图和相图来确定；(3)必须符合熔制、成型等工艺要求。1.2设计各成分的作用本次设计是钠钙硅浮法玻璃的设计，其主要成分二氧化硅（SiO2），氧化钠(Na2O)，氧化钙(CaO)，氧化镁(MgO)，氧化铝(Al2O3)，氧化铁(Fe2O3)等。（1）SiO2SiO2是形成玻璃的最主要成分，也是构成玻璃的基础，为玻璃形成体。它赋予了玻璃一系列优良性能，如透明度，机械强度，透紫外光性，化学稳定性和热稳定性等。玻璃液的粘度、热稳性和化学稳定性均随含量增高的增加而提高；密度和热膨胀系数随含量的增加而降低。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，一般在控制在71%~73%。（2）Al2O3少量的Al2O3在玻璃中为四面体结构，起到补网的作用，也可以提高玻璃的化学稳定性和热稳定性，称网络中间体。太多了会使玻璃的熔化速度减慢和会使澄清时间延长，也不利于均化，而且对玻璃液在锡槽中摊平抛光也不利。一般控制在0.1%~1.6%。（3）Fe2O3钠钙硅玻璃中的Fe一般以Fe2+和Fe3+状态存在，均有颜色，因此在玻璃中Fe是杂质，引入Fe会使玻璃产生颜色，降低玻璃的透明度和白度，因此玻璃中Fe的含量应尽量的低，一般控制在0.07~0.21%。CaOCaO是玻璃网络外体，在一定范围内能加速玻璃的熔化和澄清过程，并提高玻璃化稳性。高温时降低玻璃粘度，低温时增加玻璃液粘度，亦可调整玻璃的料性，提高玻璃的硬化速度。但玻璃中CaO的含量不宜太大，如大于10%，洛阳理工学院毕业设计4则玻璃易产生结晶。一般在7.7%~10.0%。（5）MgOMgO能提高玻璃的化学稳定性和机械强度，并能减低玻璃的析晶倾向，与CaO一样为网络外体。生产中MgO对玻璃液的粘度有复杂的作用，当温度高于1200℃时，会使玻璃的粘度降低，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MgO含量不宜太大，一般控制在4.0%左右。（6）R2O这里主要是Na2O和K2O，Na2O在玻璃结构中主要起断网作用为网络外体，可以大幅降低玻璃液的粘度，降低玻璃的熔化温度，增加玻璃的流动性，是良好的助熔剂。但过多的Na2O会降低玻璃的化学稳定性、热稳定性及机械强度，还容易使玻璃析碱、发霉，并使生产成本增加。K2O和Na2O一样为网络外体，起助熔作用。K2O代替Na2O具有“双碱”效应，提高玻璃化学稳定性，减少玻璃的析晶，改善玻璃的析晶倾向。在浮法玻璃生产中引入K2O主要是它能降低玻璃表面张力，有利于玻璃液在锡槽中摊平和抛光，获得高质量的玻璃表面并改善玻璃的光泽。R2O的含量一般在13.4%~14.6%。某实际厂家的玻璃成分见表1-1。表1-1某浮法玻璃厂实际生产的成分单位：%（质量分数）氧化物SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOR2OSO3Wt%72.101.300.208.284.0613.900.07根据以上理由和实际厂家玻璃成分的参考本次设计玻璃的主要成分见表1-2：表1-2玻璃成分单位：%（质量分数）氧化物SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOR2OSO3Wt%72.191.600.178.104.0113.720.081.3各种物理性质的计算（1）玻璃粘度并绘制η-T曲线粘度是玻璃的一个重要物理性质，贯穿于玻璃生产的全过程。在熔制过程中，石英颗粒的溶解、气泡的排除和各组分的扩散都与粘度有关。温度与粘度关系公式[2]洛阳理工学院毕业设计5（1-1）使用富尔切尔法计算玻璃粘度，此法适用于实用工业玻璃。其成分以相对于SiO2为1.00mol来表示，即以氧化物的物质的量/SiO2的物质的量表示。计算系统使用玻璃成分范围为：SiO21.00mol，Na2O0.15~0.20mol,CaO0.12~0.20mol,MgO0.00~0.051mol,Al2O30.0015~0.073mol,且满足公式1-1在公式1-1中，A，B和T0可由下式求出A=-1.4788Na2O+0.8350K2O+1.6030CaO+5.4936MgO-1.5183Al2O3+1.4550B=-6039.4Na2O-1439.6K2O-3919.3CaO+6285.3MgO+2253.4Al2O3+5736.4T=-25.07Na2O-321.0K2O+544.3CaO-384.0MgO+294.4Al2O3+198.1[注意：η的单位为P（1P=10-1Pa12Pa,一般实验与计算的结果一般偏差为3℃。］设以100g原料为基准，根据原料成分表1-2得各氧化物折合系数见表1-3：表1-3各氧化物的折合系数组分SiO2CaOMgOAl2O3Na2O质量(g)72.198.104.011.6013.72物质的量(mol)1.20140.14440.09950.15570.2214折合物质的量(mol)1.00000.12020.08280.01300.1843根据表1-3可求出：A==1.81B=4701.90T0=洛阳理工学院毕业设计6=230.94有A,B和T0的值，根据公式1-1求得见表1-4：表1-4各温度所对应的粘度单位：Pa应变点转变点退火点变形点软化点操作点熔化点粘度η1013.61012.410121010.510710310lgη13.612.41210.5731温度T(℃)517.47540.03548.42584.20710.241040.221465.03洛阳理工学院毕业设计7（2）玻璃表面张力σ熔融玻璃的表面张力在玻璃制品的生产中有着重要的意义，特别是在玻璃的澄清、均化、成形、玻璃液与耐火材料相互作用等过程中起着重大的作用。硅酸盐玻璃的表面张力一般为（220~380）-3N/m，较水的表面张力大3~4倍，也比熔融的盐类大，而与熔融的金属的数值相近。计算公式：σ=（1-2）式中σ—玻璃的表面张力；—各种氧化物的平均表面张力因数；—每种氧化物的摩尔分数。在温度1400℃下各氧化物表面张力因数[2]见表1-5：表1-5各氧化物的表面张力因数组分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2O324585440492549122根据表1-1玻璃成分可以求得：==N/m符合硅酸盐玻璃表面张力的一般值。（3）玻璃密度玻璃的密度表示玻璃单位体积的质量。它主要取决于构成玻璃原子的质量，也与原子的堆积紧密程度以及配位数有关，是表征玻璃结构的一个标志。在实际生产中，通过测定玻璃的密度来控制工艺过程，借以控制玻璃成分。普通钠钙硅玻璃的密度为2.5g/cm3左右。采用Knapp系数可以直接用加和性公式计算出密度，此种方法计算简便，即将玻璃成分的质量分数（%）乘以加和系数[2]。洛阳理工学院毕业设计8表1-6各氧化物的Knapp加和系数组分SiO2Al2O3CaOMgONa2OKnapp系数0.022840.025300.034950.029420.02890根据表1-2玻璃的成分求得：SiO2:Al2O3：CaO:MgO:Na2O:=2.4869g/㎝3,符合一般钠钙硅玻璃的密度。（4）热膨胀系数玻璃的热膨胀系数对玻璃的成形、退火、钢化、封接以及玻璃的热稳定性等性质都有着重要的意义。玻璃受热后都要膨胀，膨胀多少是由它们的线膨胀系数和体膨胀系数来表示。3式中：由于玻璃的线膨胀系数为10-7℃-1数量级，3数值都很小，可以忽略不计，近似取。采用体积膨胀系数的场合比较少，因此玻璃热膨胀系数一般指线膨胀系数。采用高桥健太郎法求玻璃的线膨胀系数[3]，根据玻璃的成分表1-2，y氧化物=（1-3）Y氧化物=（1-4）洛阳理工学院毕业设计9表1-7各组分对应的y和Y组分SiO2NaO0.5CaOAlO1.5MgOFeO1.5总和y氧化物1.2010.4430.1440.0310.0990.0021.920Y氧化物（%）62.623.17.51.65.20.1100.1在0~400℃温度范围内高桥的加和性计算系数[3]如下表：表1-8各组分氧化物的高桥加和性系数组分SiO2NaO0.5CaOAlO1.5MgOFeO1.5加和性系数/10-8℃-10.6029.514.53.16.05.0根据以上两表表1-7和表1-8，得玻璃在0~400℃温度范围内的线膨胀系数（5）玻璃比热玻璃的比热容常用语熔炉热工中计算燃料消耗