教学PPT浮法玻璃成形设备.ppt

浮法玻璃成形设备 主讲 郭宏伟陕西科技大学材料科学与工程学院 内容提要 概述浮法玻璃及特点浮法玻璃成形原理浮法玻璃的拉薄及堆厚锡槽锡槽的保护气体锡槽的生产操作及控制 1 平板玻璃的定义指其厚度远远小于其长和宽 上下表面平行的板状玻璃制品 2 分为窗玻璃 压花玻璃 夹丝玻璃 夹层玻璃 双层中空玻璃 有色玻璃 吸热和反射玻璃 光致变色玻璃 釉面玻璃 玻璃空心砖 波形玻璃 槽形玻璃 镀膜玻璃等 8浮法玻璃成形设备 3 平板玻璃生产工艺综合图 概述 有槽垂直引上 概述 无槽垂直引上及对辊引上 概述 平拉成形 浮法玻璃成形 浮法玻璃的制造过程示意图 概述 狭缝引下法 薄玻璃 概述 溢流引下成形成形 薄玻璃 概述 8 1浮法玻璃及其特点1952年英国皮尔金顿观察水中漂浮的油滴 产生浮法生产玻璃设想 1953年开始实验 1959年成功并申请了专利 floatprocess 浮法玻璃可与研磨抛光的玻璃表面相比 工艺特点 建设快 投资省 质量好 产量高 成本低 品种多 8浮法玻璃成形设备 1 国内外发展概况皮尔金顿公司1960年建成世界第一条浮法生产线 规模300t d 只能生产厚6 3 6 5mm玻璃 表面有疵点 质量并不高 1962年开始转让专利 美国匹茨堡首先申请购买 60年美国1条浮法线 65年全世界17条 70年30条 77年62条 81年83条线 8浮法玻璃成形设备 各国平板工艺由有槽 无槽 平拉等逐渐转向浮法 机械研磨抛光的平板线几乎全部消失 全世界平板年产量 60年434万吨 90年2300万吨 目前浮法生产产量占世界80 以上 8浮法玻璃成形设备 1967 1977年工艺及产量均是全盛发展时期规模 500 600 715t d产品规格 板宽3 3 4 06m 最大达5 6m 2mm板拉速度900m h 2 30mm4mm板1300m h 利用计算机控制生产 全线生产自动化 1978年后美国owens公司907t d 前苏联1000t d 日本1200t d 8浮法玻璃成形设备 国内情况 自力更生研究开发 60年代中曾去英国购买专利未成 1965年实验室研究到1971年的生产性试验线取得成功 1972年可稳定生产4 9mm的玻璃 以后又生产3mm玻璃 1981年通过国家级鉴定 定名为 中国洛阳浮法 有其独特之处 8浮法玻璃成形设备 目前洛阳浮法技术可控制1 3mm板 对其它板厚的拉制速度 锡耗等指标也达较高的水平 1993年国内浮法生产线统计有25条线生产至今估有200条线以上 包括外资及合资 我国是世界上浮法玻璃产量最大的国家 不是人均 浮法玻璃用于建筑用 车辆用窗玻璃 对于铅玻璃以及用as sb等氧化物做澄清剂的玻璃不能用浮法来成型 锡槽内的锡要求强还原气氛 n2 h2 由于h2及sn的还原作用会导致玻璃中的pb as sb等还原 使玻璃出现问题 8浮法玻璃成形设备 2 浮法成型工艺特点 成型时不需克服玻璃的自重传统成型拉引力需克服重力及玻璃液粘滞力 用辊子夹住 玻璃表面易产生压痕 平拉法用一辊承重 玻璃温度700 长时间使用辊子表面平整度差时在玻璃表面形成不平整面 而浮法靠锡液承托玻璃重量 拉引力只克服粘滞力 玻璃在过渡台处温度在600 且与辊子为线接触 8浮法玻璃成形设备 抛光 充分利用了表面活力 引上法中为不掉炉须使玻璃温度从940 迅速降至600 以下 因粘度变化迅速 表面张力抛光作用显不出来 而浮法中玻璃在较长锡槽中通过 温度下降较慢 在抛光区玻液温度 1000 粘度小使玻璃表面得到充分抛光 表面平整 无波筋条纹 8浮法玻璃成形设备 成型中横向温差小配合料均化及良好的熔化澄清是先决条件 要保证玻液粘度均匀使成型玻璃带横向厚度均匀 成型横向温差小是一重要因素 垂直引上或平拉一般其板中与板边的温度差均大于50 左右 而浮法在长40 60m锡槽内完成 槽内横向温差在 10 以内 8浮法玻璃成形设备 可生产特薄及特厚板国外 0 55 25mm的高质量玻璃利用其它方法成型中要克服重力 对 1mm或 12mm板困难很大 而在较长锡液面上无需克服重力而做水平拉引 可充分发挥玻璃表面张力作用 不影响抛光质量 8浮法玻璃成形设备 成型中温降小 牵引速度快引上 平拉法 玻液引上到成型在 1m左右距离内完成 温度由940 迅速降至600 粘度迅速上升 否则掉炉 设水包使玻璃急冷 还会带来更多问题 浮法 在锡槽内玻璃温度分区控制 槽长依据规模而定 对一种厚度玻板其拉引速度可相差很大 120m h 360 460m h 8浮法玻璃成形设备 浮法的作业操作周期长引上 平拉 成型室玻璃液层厚 上下温差大 易出现析晶 其成型作业期短一般一个月需停拉 加热成型室挖去有析晶的玻璃 以免掉炉等问题和玻璃缺陷 浮法 玻液1100 由流槽进入锡槽 其流量靠流槽及闸板控制 玻液在流槽内流动快而且层厚很小 上下几乎无温差 其成型作业期主要由流槽及流量闸板的质量及冲刷程度决定 一般在一年左右 8浮法玻璃成形设备 可生产大板宽 大板面的玻璃玻液重力由锡液承托及水平拉制 且锡槽横向温差小 可制备大板宽玻板 大于600t d线板宽 4m 特大面积板材19mm 3 5m 15m 可浮法生产切裁 8浮法玻璃成形设备 可在线镀膜在槽装设镀膜装置 通入需蒸镀的金属有机物 用化学沉积蒸镀如si al cu sn等膜 成本远比线外镀膜要低 8浮法玻璃成形设备 易实现切装自动化由于水平拉制 且玻璃经退火炉退火 便于玻璃的检验 纵横切裁 铺纸喷粉等 而引上不这么方便 8浮法玻璃成形设备 应用于tio2薄膜自洁净玻璃生产的溶胶凝胶镀膜生产线 浮法的缺点 基建投资高 一条线 350t d 需总投资3 5 4 5亿 按产量计要低 浮法线规模大 不适宜小批量生产 锡槽内还原气氛 n2 h2 玻璃中fe3 fe2 颜色加重 要求原料质量严而高 配料少用芒硝 避免生成硫化锡粘附在玻璃表面增加锡耗 使玻璃表面不光泽 8浮法玻璃成形设备 3 浮法玻璃的化学组成及特点 化学组成特点 高钙中镁低铝微铁 成型在104 108p粘度区域内呈现出 短料性 的特点 器皿生产人工吹制要求 长料性 8浮法玻璃成形设备 sio2 熔点1713 al2o3 2050 sio2取代部分al2o3有利玻璃熔制 澄清 可克服al2o3快凝给玻璃带来条纹和小波纹 以ro取代部分r2o ro指cao mgo bao等 r2o指na2o k2o等 可弥补因al2o3减少对玻璃化稳性影响 使浮法玻璃光洁明亮 并提高抗霉性能 降低成本 美国浮法玻璃中al2o3从早期1 2 减至0 8 r2o由14 减至13 8 ro由12 2 增至12 4 有些国家al2o3减至0 1 0 15 8浮法玻璃成形设备 cao作用 106 8p 温度 744 03 时cao降低玻璃粘度 促进熔制 744 03 时cao增加粘度 浮法高速拉制提供条件 cao 10 反而增加熔融玻璃粘度且增加韧性 一般控制cao 10 mgo 103 3 1010 7p1147 76 603 72 增加粘度 103 3p 1147 76 及 1010 7p 603 72 降低粘度 提高玻璃韧性 降低退火温度及失透倾向 一般mgo 4 8浮法玻璃成形设备 随耐材质量提高 可对玻璃采取双高 高温熔融及澄清 作业 r2o有降低趋势 提高k2o na2o比值 有利提高玻璃化稳性 防止玻璃发霉 一般拉制r2o 14 有13 5 或更低 fe2o3为有害成分 影响透光性 熔制影响透热性 0 1 fe2 兰 着色能力为fe3 黄绿 十倍 浮法因还原气氛而使玻璃兰绿色 原料应水洗 浮选 酸洗 磁选 设计浮法玻璃成分 应满足玻璃性能需求 其次考虑原料 不能迁就原料使等级下降 8浮法玻璃成形设备 8浮法玻璃成形设备 各国浮法玻璃组成 8 2浮法玻璃成型原理 1 玻璃粘度及表面张力玻璃的成型是一个流变过程 随粘度的变化而变化 表面张力使玻璃表面平滑光亮 玻璃粘 温特性对浮法生产的成型及退火起十分重要作用 浮法采用富尔切尔计算粘 温特性 也可参考大连王承遇文计算熔化温度 8浮法玻璃成形设备 玻璃熔制 澄清 抛光 展薄 冷固退火对应粘度值 玻璃组成对应前表中国设计 8浮法玻璃成形设备 8浮法玻璃成形设备 8浮法玻璃成形设备 8浮法玻璃成形设备 2 玻璃的表面张力浮法生产中 玻璃液在锡槽中的抛光成型过程受多个力作用支配 其中玻璃液与保护气 锡液三相共存 相邻两相间均有一个表面张力分别记为 g t gt 表面张力是形成单位新表面所需的表面能 又称为表面能 指最大有效功 dz d 式中 d 为新增表面积 dz为生成1cm2表面积等压位的变化 新生表面积的过程不是自动进行的 必须对系统做功才行 因而消耗能量 8浮法玻璃成形设备 a 玻璃的表面张力 g钠钙硅玻璃表面张力与温度的关系为一直线 其计算可用加和法计算 b 锡液表面张力 t每升高100 减少8 10 3n m 8erg cm2 232 表面张力531 10 3n m c 玻璃与锡液界面的表面张力 gt均为液相而又互不相溶 至今未测出 8浮法玻璃成形设备 玻璃的抛光温度 玻璃抛光需在 高温且均匀温度场内 玻液与浮托介质不润湿 不反应 有足够时间进行抛光 培养皿断口利用火焰断口同时对口部进行火焰抛光 利用了玻璃的粘 温特性及表面张力 温度特性 8浮法玻璃成形设备 8浮法玻璃成形设备 抛光区间在103 7 104 2 p 在该粘度区间的温度下 相应的表面张力与温度成线性关系 其两者的图如下 3 玻璃与锡液的接触 自由厚度 上图中h为玻璃液在锡液面上的自由厚度 8浮法玻璃成形设备 在锡槽中为液 液 气三相 由表面张力表示液滴在固体上的浸润状态有下式 气 液 固三相 8浮法玻璃成形设备 若 t g gt 玻液由表面张力展薄 t g gt 玻液展薄有限 用fs表示铺展系数fs t g gt fs g cos 1 前面分析 175 fs为负值 若不施加外力时 玻璃在锡液上不可能自动展薄 而是一个较厚的板 8浮法玻璃成形设备 分析其在锡液面上的受力平衡 fx 0 fy 0 fz 0可得式 p231 8浮法玻璃成形设备 h受表面张力值 锡液及玻璃密度值影响 850 以上各值均为一常数 因而平衡厚度为一定值 计算得约为7 0mm 实际测定值为6 7 7 0mm 8浮法玻璃成形设备 玻璃抛光的时间玻璃液从流槽流下进入锡槽 50 100mm落差 然后摊平并向前漂移 从其断面看上表面如一个正弦曲线 其数学式 p232 通过一些假设及数学推导可求出 2 4cm 取a 0 01cm时 8浮法玻璃成形设备 玻璃液流入锡槽开始阶段表面波以重力波为主 重力作用下的表面波能量逐渐消耗衰减 其振幅及波长逐渐减少 此时毛细压强逐渐加强 在表面张力作用下毛细压强引起的表面波逐渐衰减 直至消失 此时玻璃得到抛光 但粘度越大表面波衰减越难 液体表面在毛细压强作用达到动平衡时的速度为v cm s 由此自身抛光时间 8浮法玻璃成形设备 可算出 72 3s 流槽进入锡槽玻璃在均匀温度场 抛光区内 玻璃停留1 1 5min可得光洁平整的抛光表面 玻液进入锡槽流速过大 下落高度过大对抛光不利 应调整流槽宽度及玻璃液的自由悬落高度 产量300 450t d线 流槽宽850 1100mm 自由悬落高度50 70mm 8浮法玻璃成形设备 由前述有以下结论 a 抛光区粘度 103 7 4 2p表面张力 对应温度下 可充分发挥作用 温度区间ts tr为 抛光区 b 抛光区应保证是一个均匀温度场才能得各处均匀抛光 c 表面张力是玻璃自动抛光的核心 玻璃液在降低其表面能的自发过程中 由于表面张力作用使玻璃表面变得光洁平滑 8浮法玻璃成形设备 d 抛光区玻璃液与锡液是互不浸润 接触角为175 e 平衡厚度仅受锡液 玻璃液密度及其表面张力影响 f 玻璃抛光需足够时间 8浮法玻璃成形设备 8 3玻璃的拉薄及堆厚 1 拉薄工艺原理 平衡厚度为7mm 稍施外力可拉成6 6 5mm 拉引速度 纵向拉伸厚度 宽度减小 板厚在5 6mm左右时很容易拉制 欲拉更薄板 难度提高 越薄越难 但反映工艺水平 8浮法玻璃成形设备 拉薄适宜粘度玻璃粘度越小 越可拉薄 可结果厚度减少不多宽度却大减 如拉面 103pa s拉薄 单纯向前拉薄 厚度h 7mm 6 17mmh1 hn 1 13宽度w 3m 0 85mw1 wn 3 54 8浮法玻璃成形设备 平衡厚度 fx 0 使厚度 横向加fc力 其随玻璃减薄而增大 拉薄的程度也就依fc大小而定 因 随温度变化小 而 随温度变化却较大 因而fc克服的力一是玻璃本身的粘滞阻力 另一是玻璃增厚的力 增厚力 表面张力所致 由于其随温度变化小 因而温度对这一部分力影响也小 另一方面温度则对玻璃粘滞力影响较大 8浮法玻璃成形设备 高温下 小 增厚所需克服的粘滞力小 增厚速度大 使得在拉薄过程中增厚作用显著 而在低温下106p时就比104p的拉薄速度显著 其粘滞阻力增大而增厚力变化不大 拉薄就有效 通常拉薄粘度范围为 105 25 106 75p 此时拉引力克服 力为100n m2 而克服粘滞力为10000n m2 在前面粘 表 温曲线图中 tq tp段为拉薄段 8浮法玻璃成形设备 2 拉薄方法 强冷重热拉薄工艺 p233 皮尔金顿最初方法 先将抛光后玻璃 700 750 108p t 107p展薄 玻璃带侧边放拉边机实现横 纵向拉伸展薄 可有效减少玻璃带宽度收缩 8浮法玻璃成形设备 8浮法玻璃成形设备 存在问题 1 抛光质量降低 急冷与重热产生不均匀的冷 热冲击 造成应力 2 能耗大 冷却后又加热需多耗能量 3 生产水平低 3mm板或提高机速受宽度收缩 产量质量及槽长限制 3mm玻璃与5 7mm比减产15 25 多耗400 600kw h 破损率7 15 板宽收缩率28 32 4 最薄只能到3mm 8浮法玻璃成形设备 缓冷拉薄工艺 pb法 单向展薄皮尔金顿1970年拉制2mm玻璃成功 1973年后完全采用 玻璃抛光后缓冷至850 106泊 用若干拉边机展薄高速拉制 生产出表面质量比机械磨光更优良薄板其宽度收缩 28 2mm板速度914m h 1200m h 破损率1 3 不减产 玻璃质量好 8浮法玻璃成形设备 8浮法玻璃成形设备 双向拉薄工艺 美国ppg公司 lb法前述两种工艺是单向展薄工艺 板宽收缩率相当大 且薄玻璃表面质量差 测试结果认为 表面的微观起伏度即小波纹 又称斑马纹 存在着 纵向重横向轻 两边重中间轻 上表面重下表面轻 薄板重厚板轻 的普遍规律 8浮法玻璃成形设备 小波纹产生原因 1 玻璃液化学不均匀 2 玻璃液温度不均匀 3 玻璃液流股不均匀 4 机械干扰 如 纵向拉引力变化 拉边机速度变化 机杆跳动 拉边机与拉引速度速比不协调 挡边轮 冷却器 八字砖 pb法 限流器 lb法 切割掰板振动 锡液振动等导致玻璃带的应力折皱 波纹 8浮法玻璃成形设备 pb法波纹波长 6 35 25 4mmlb法波纹波长 30 48 35 56mm 双向拉薄工艺 美国ppg公司专利ppg co将锡槽分为缓和区 纵向拉薄区 横向拉薄区及冷却区 对pb法记作a b c d四区 对lb法 ppg co 为q r s t四区 8浮法玻璃成形设备 8浮法玻璃成形设备 1 缓和区pb法 a区 玻璃温度1093 927 玻璃粘度103 6 104 9p平衡厚度7mm 此后开始抛光 粘度较低流动性好的玻璃液可逐渐减弱其动量干扰 其动量正弦波得到了收敛 lb法 q区 不允许玻璃液横向伸展 采用侧向限位器控制 进入锡槽的玻璃带即宽又薄 温度均匀 无悬空下落的两个90 转弯 极大减轻动量干扰 8浮法玻璃成形设备 2 纵向拉薄区pb法 b区玻璃温度927 815 玻璃104 9 106 5p 最好899 843 105 2 105 9p 最佳105 5p 871 玻璃厚度 5 7 6 3mm 维持带宽 玻带两边安装四对拉边机 摆角5 10 加大纵向拉引力 拉薄至最终厚度的1 5倍 总拉薄值50 60 lb法 r区维持玻带宽度不变 8浮法玻璃成形设备 3 横向拉薄区pb法 c区玻璃温度877 788 玻璃粘度105 5 106 65p最好温度843 788 粘度105 9 106 65p最佳843 105 9p 装设5对拉边机 增大摆角 加强横向分力作用 8浮法玻璃成形设备 拉边机之间位于玻璃带边部上空设置水冷却器 边部温度比中部低28 使边部粘度为中部的40倍 相对较 硬 的边子 可稳定玻璃带 同时可保证纵向拉引力有效的传递到b区去 8浮法玻璃成形设备 该区有纵向展薄 主要横向展薄 玻璃带的横向扩展 wc 1 05 1 10 wbwb为b区玻璃带宽 wc为c区玻璃带宽 最好wc 1 5wblb法 s区ws 1 05 1 5 wr4 冷却区pb法 d区玻璃粘度106 65 1011p玻璃带已不再展薄 降温达到可拉离锡槽的粘度 lb法 t区玻璃粘度106 65 1011p 8浮法玻璃成形设备 为建立各区的温度制度 在纵向 横向 拉薄区之间 横向拉薄及冷却区之间的锡槽部位应设置分隔堰 阻止锡液的纵向返流 分隔堰高处离锡液面有9 53mm距离 留得过小会擦伤玻璃 太大起不到控制锡液纵向返流的作用 锡槽内设冷却水包 使玻璃带逐步降温 双向展薄工艺不但使玻璃表面质量得到提高 还可获得更宽的玻璃带 8浮法玻璃成形设备 3 堆厚生产有两种工艺及我国秦皇岛院dt法 拉厚玻璃板恰好与拉薄相反 在堆厚的同时如何克服其摊薄是关键 温度降至805 以下时玻璃带的铺展速度已很小 其厚度实际上已经稳定 8浮法玻璃成形设备 倒八字拉边机法 rwverseassisteddirectstretch 简称rads法 工艺 通过倒八字角度的拉边机给玻璃带施加向内的分力 将已摊薄的玻璃带堆积至大于平衡厚度 8浮法玻璃成形设备 优点 不需其他辅助设备