玻璃及加工工艺

,第二篇,玻璃及加工工艺,主要内容,一、玻璃的基本特性二、玻璃原料及加工三、玻璃的熔制四、玻璃的成型五、玻璃的退火六、玻璃的加工及改性,玻璃具有一系列的优良特性，如坚硬、透明，气密性、不透性、装饰性、化学耐蚀性、耐热性及电学、光学等性能，而且能用吹，拉、压、铸、槽沉等多种成型和加工方法制成各种形状和大小的制品。,9.1玻璃的基本特性,(1)强度玻璃的强度取决于其化学组成、杂质含量及分布、制品的形状、表面状态和性质、加工方法等。玻璃是一种脆性材料，其强度一般用抗压，抗张强度等来表示。玻璃的抗张强度较低，由于玻璃的脆性和玻璃表面的瑚裂纹所引起的。玻璃的抗压强度约为抗张强度的1415倍。(2)硬度玻璃的硬度较大，硬度仅次子金刚石、炭化硅等材料，它比一般金属硬，不能用普通刀和锯进行切割；玻璃的硬度值在莫氏硬度57之间，可根据玻璃的硬度选择磨料、磨具和加工方法，如雕刻、抛光、研磨和切割等。,(3)光学性质玻璃是一种高度透明的物质，具有一定的光学常数、光谱特性，具有吸收或透过紫外线和红外线、感光、光变色、光储存和显示等重要光学性能。各种玻璃的性能也有很大的差别，如有的铅玻璃具有防辐射的特性。一般通过改变玻璃的成分及工艺条件，可使玻璃的性能有很大的变化。(4)电学性能常温下玻璃是电的不良导体。温度升高时，玻璃的导电性迅速提高，熔融状态时则变为良导体。(5)热性质玻璃的导热性很差，一般经受不了温度的急剧变化。制品越厚，承受温度急剧变化的能力越差。,玻璃简单分类主要分为平板玻璃和特种玻璃。平板玻璃主要分为三种：即引上法平板玻璃(分有槽/无槽两种)、平拉法平板玻璃和浮法玻璃。由于浮法玻璃由于厚度均匀、上下表面平整平行，再加上劳动生产率高及利于管理等方面的因素影响，浮法玻璃正成为玻璃制造方式的主流。特种玻璃则品种众多。,一、玻璃的分类：,(1)普通平板玻璃：1、3-4厘玻璃，画框表面。2、5-6厘玻璃，外墙窗户、门扇等小面积透光造型等。3、7-9厘玻璃，室内屏风等较大面积但又有框架保护的造型。4、9-10厘玻璃，室内大面积隔断、栏杆。5、11-12厘玻璃，地弹簧玻璃门和人流较大的隔断之中。6、15厘以上玻璃，一般市面上销售较少，往往需要订货，较大面积的地弹簧玻璃门外墙整块玻璃墙面。,(2)钢化玻璃。普通平板玻璃经过再加工处理而成一种预应力玻璃。钢化玻璃相对于普通平板玻璃来说，具有高强度和不容易破碎两大特征。(3)磨砂玻璃。是在普通平板玻璃上面再磨砂加工而成。一般厚度多在9厘以下，以5、6厘厚度居多。(4)喷砂玻璃。性能上基本上与磨砂玻璃相似，不同的改磨砂为喷砂。由于两者视觉上类同，很多业主，甚至装修专业人员都把它们混为一谈。,(5)压花玻璃。是采用压延方法制造的一种平板玻璃。透光不透明。(6)夹丝玻璃。是采用压延方法，将金属丝或金属网嵌于玻璃板内制成的一种具有抗冲击平板玻璃，受撞击时只会形成辐射状裂纹而不至于堕下伤人。故多采用于高层楼宇和震荡性强的厂房。(7)中空玻璃。多采用胶接法将两块玻璃保持一定间隔，间隔中是干燥的空气，周边再用密封材料密封而成，主要用于有隔音要求的装修工程之中。(8)夹层玻璃。夹层玻璃一般由两片普通平板玻璃(也可以是钢化玻璃或其他特殊玻璃)和玻璃之间的有机胶合层构成。当受到破坏时，碎片仍粘附在胶层上，避免了碎片飞溅对人体的伤害。多用于有安全要求的装修项目。,(9)防弹玻璃。实际上就是夹层玻璃的一种，只是构成的玻璃多采用强度较高的钢化玻璃，而且夹层的数量也相对较多。多采用于银行或者豪宅等对安全要求非常高的装修工程之中。(10)热弯玻璃。由优质平板玻璃加热软化在模具中成型，再经退火制成的曲面玻璃。样式美观，线条流畅，在一些高级装修中出现的频率越来越高。(11)玻璃砖。玻璃砖的制作工艺基本和平板玻璃一样，不同的是成型方法。其中间为干燥的空气。多用于装饰性项目或者有保温要求的透光造型之中。(12)玻璃纸。也称玻璃膜，具有多种颜色和花色。根据纸膜的性能不同，具有不同的性能。绝大部分起隔热、防红外线、防紫外线、防爆等作用。,二、玻璃产业的发展现状,国际市场优质浮法玻璃市场62由四大公司占有（2005年）：日本旭硝子公司22英国皮尔金顿公司15法国圣戈班公司13美国加迪安公司122006年日本板硝子公司收购英国皮尔金顿公司股权，成为世界第二大优质浮法玻璃生产企业。,专业汽车玻璃供应商,全球汽车玻璃产能相对集中，Asahi、NSG（2006年收购Pilkington）、Saint-Gobain和PPG集中了全球62%的平板玻璃产能以及75%左右的汽车玻璃产能。,国内知名大型玻璃企业,上海耀华皮尔金顿玻璃有限公司中国洛阳浮法玻璃有限公司中国南玻集团股份有限公司中国福建耀华玻璃有限公司山东玻璃集团-淄博金晶科技有限公司台湾玻璃集团-青岛浮法玻璃有限公司、长江玻璃有限公司威海蓝星玻璃有限公司圣戈班韩洛玻璃有限公司浙江玻璃有限公司北玻集团-秦皇岛耀华玻璃有限公司大连旭硝子玻璃、苏州旭硝子,目前福耀玻璃全国汽车玻璃市场占有率达到50%，公司在国内主要汽车生产基地投资建设了汽车玻璃生产线，预计新线投产后汽车玻璃产能扩张60%。（第六位）,1、我国玻璃工业已成为世界上生产规模最大的工业体系近年来我国平板玻璃产量迅速增长，浮法产量比重已达85%以上，全国现有浮法线约164条。我国自主设计日产700吨、日产900吨生产线均已建成投产，装备水平也相对较高。我国安全玻璃生产企业已上千家，生产能力达1亿m2以上，中空玻璃生产线达千余条，能力1.1亿m2，从总量上讲，平板玻璃、加工玻璃生产能力都大于市场需求、但优质超薄玻璃、特种玻璃仍然依靠进口。据统计，2004年1月11月份工业用玻璃进口额3.68亿美元，列建材进口产品第一位，初加工玻璃进口同比增长204.5%，列主要建材进口产品增幅第一，工业用玻璃进口同比增长84.5%，列第二位，说明结构需求仍然不足,国内玻璃工业现状,2、国内外的差距我国浮法玻璃发展速度过快，但整体技术水平有待提高。我国浮法玻璃与国外相比在工艺技术或产品质量都存在明显差距。发达国家熔窑规模平均要比我国大5080%，能耗要低2030%，锡耗要低1倍之多，窑龄延长1倍，劳动生产率是我国的510倍。我国近年建设的大型优质浮法玻璃生产线有相当多是请外国公司设计，并选用外国设备。我国优质玻璃深加工的关键技术，也是依靠国外引进。,9.2玻璃的工艺特性,玻璃的成型工艺视制品的种类而异，但其过程基本上可分为配料、熔化和成型三个阶段，一般采用连续性的工艺过程，如图92所示。,一、种类主要原料：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。,9.3玻璃原料及加工,二、原料的选择原则(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。,三、原料加工工艺流程,备注中有意义,（一）选择设备1.原则：根据原料块度、硬度、粉碎程度、设备性能等选择。2.破、粉碎设备性能特征颚式破碎机反击式破碎机锤式破碎机,颚式破碎机,反击式破碎机,四、原料的破碎与粉碎,(4)对辊粉碎机,优点：过粉碎的物料少，能破碎坚硬的物料，设备的磨损小，常用作中块砂岩的细碎设备。缺点：入料粒度不能过大、产量偏低、噪声和震动大。,相对转动的主动辊和从动辊，将物料拽入两辊之间，压碎物料。,3.选用设备：砂岩：颚式破碎机、对辊、自磨机等；石灰石、白云石：颚式破碎机、锤式破碎机、反击式破碎机等；长石：颚式破碎机、反击式破碎机等；纯碱、芒硝：笼形碾等。（二）选择流程：1.间歇破碎2.开路破碎3.闭路破碎,工作原理,4.原料的筛分,（一）筛分作用：控制物料粒度（二）筛分设备1、六角筛,适用于筛分砂岩、白云石、长石、石灰石、纯碱、芒硝等粉料，但不适用于含水量高的物料。其优点是运转平稳、密闭性好、振动小、噪声小，其缺点是筛面利用率仅为整个筛面的1/6，因而产量低,2.机械振动筛,主要用来筛分砂岩。其优点是筛分效率高、构造简单、维修方便、密闭性好，能分出多种粒级的物料，电耗低。其缺点是振动和噪声大，若筛与筛间分隔不当易蹦大颗粒。,3.平面摇筛,用于硅砂筛分,倾斜安装的筛面被传动系统带动而摇动，砂粒从筛孔漏出，杂物从筛低端排除。,9.4玻璃的熔制,玻璃的熔制是指将配合料经过高温熔融，形成均匀无气泡井符合成形要求的玻璃液的过程，它是玻璃生产中很重要的环节，足获得优质玻璃制品的重要保证。玻璃的熔制是一个非常复杂的工艺过程。它包括一系列物理的、化学的、物理化学的现象和反应，其结果是使各种原料混合物变成复杂的熔融物，即玻璃蔽。各种配合料在加热至高温并形成玻璃的过程中所发生的变化，从工艺角度而论，大致可以分为硅酸盐的形成、玻璃的形成、迢漓、均化和冷却五个,一、玻璃熔制过程,二、玻璃的熔制,1.硅酸盐的形成阶段作用、特点（1）作用：形成硅酸盐；（2）产物：SiO2和硅酸盐形成的不透明烧结物（3）特点：温度900左右；速度快，影响因素（1）熔化温度：随着温度的升高，其反应速度也随着提高；当温度不变时，反应速度也逐渐减慢；温度每升高10，反应速度约增加10。（2）反应物量：量，速度（3）物料颗粒度：颗粒度，速度（4）配合料均匀度：均匀度，速度（5）原料的种类、形式：,2.玻璃的形成机理:（1）砂粒表面SiO2断键、溶解（2）溶解的SiO2向熔体扩散作用、特点：（1）作用：生产含气泡、不均匀的玻璃液；（2）特点：温度1200左右；速度较快；在熔窑中几十分钟可以完成（28-29分）。,3.澄清（1）概念：除去玻璃液中可见气泡的过程（2）气体来源配合料料粒空隙、配合料水分分解与蒸发、挥发分的挥发、氧化物的氧化还原、耐火材料的孔隙及被侵蚀分解、窑炉气体的孔隙及被侵蚀分解。（3）气体存在形式A、可见气泡1%B、溶解：物理溶解、化学溶解（4）澄清的两种方法A、气泡长大B、气泡变小、溶解澄清与去气的区别,2、澄清过程（1）气泡的形成和长大（2）气体的转化与平衡影响因素：温度、炉内压力与气氛、气泡中气体分压与种类、玻璃成分与气体在玻璃液中的扩散速度。,4.玻璃液的均化1、概念：成分、温度2、产生不均质体的原因（1）配合料的不均匀性（2）耐火材料被侵蚀（3）熔化制度不稳定（4）玻璃液导热性差（5）熔窑的加热和冷却,3、均化过程（1）不均质体扩散：从高浓度到低浓度（2）玻璃液对流均化：纵向、横向、深向（3）因气泡上升而引起的搅拌均化作用4、影响均化的因素粘度、表面张力、液流、机械搅拌、鼓泡、辅助电加热、配合料的均匀度、配合料的预处理、熔窑结构,5.冷却1、目的：104PaS左右2、要求适合成型的温度、不破坏玻璃液的均匀性、不产生二次气泡3、二次气泡（1）特点均匀分布、直径小于0.1毫米、数量多、不容易消除,（2）产生原因A、溶解气体的析出B、碳酸盐、硫酸盐的分解C、流股间的化学作用D、耐火材料的作用E、含钡玻璃高温分解F、电化学反应4、冷却方法：自然、强制,三、玻璃熔窑,1.作用：把合格的配合料熔制成无气泡、条纹、析晶的透明玻璃液，并使其冷却到所需的成型温度。2.分类：,3.熔窑构成（1）熔制部分包括：投料口、熔化部、卡脖、冷却部（2）燃料燃烧部分包括：小炉、喷枪（3）余热回收部分包括：蓄热室或换热器（4）排烟供气部分包括：分支烟道、支烟道、总烟道以及分支烟道闸板、总烟道闸板、空气交换器、助燃风机、风管等,4.熔窑工作过程,浮法生产用横焰窑工作原理图,配合料由投料口进入熔化部，由窑的一侧的小炉喷焰加热，火焰把热量传给配合料，熔化与澄清后的玻璃液进入冷却部，经流槽口进入锡槽。燃烧后的废气进入另一侧的小炉，经蓄热室、烟道、烟囱排出，,横截面图,平面图,5.熔窑作业制度（1）温度制度两种温度曲线1、山型温度曲线热点突出，泡界线明显，各处液流轨迹稳定，但投料口温度偏低，熔化用时较长。2、桥型温度曲线热点不明显，位置部稳定液流轨迹也不稳定，燃料消耗量大。,山型温度曲线,桥型温度曲线,（2）窑压概念：液面附近的气压要求：零压微正压。正压过大：燃料人少困难而降低熔化部温度；泡界线模糊；冷却部温度上升；耐火材料损坏加快。负压：冷空气入窑降低火焰温度；影响传热；影响澄清和均化测压点：大碹内表面，或近液面处（3）泡界线概念：熔化好的与没有熔化好的玻璃液之间的分界线，是生产流与热对流达到平衡的结果影响因素：投料量与拉引量；料堆宽度与厚度；热点与投料口温度差；温度制度；配合料熔化难易程度等,（4）液面1、要求做到投料量与玻璃拉引量相适应，保持稳定。2、投料（1）要求A、投料量与玻璃拉引量适应；B、料堆薄而小，不跑偏；C、振动小，落差小（2）投料设备A、垄式投料机B、毯式投料机C、辊式投料机D、螺旋投料机E、振动喂料机,6.液面监控设备（1）铁钩；（2）液面镜；（3）固定式铂探针；（4）移动式铂探针（5）核子液面仪（6）气压液面控制仪,7.熔窑的节能通常采用以下措施：1、高温熔化制度2、熔窑保温3、废气余热利用4、改进玻璃的熔化工艺5、改进燃烧技术6、采用鼓泡与机械搅拌技术7、改进熔窑结构8、采用辅助电熔及实现生产自动化。,9.5玻璃成型,物理成型,玻璃的成型是将熔融的玻璃液加工成具有一定形状和尺寸的玻璃制品的工艺过程。,一、浮法成型,成型过程1150左右的玻璃液，通过熔窑与锡槽相连接的流道、流槽，流入熔融的锡液面上，在自身重力、表面张力以及拉引力的作用下，玻璃液摊开成为玻璃带，在锡槽中完成抛光与拉薄，在锡槽末端的玻璃带已冷却到600左右，辊道的拉引把即将硬化的玻璃带引出锡槽，通过过渡辊台进入退火窑。,1-玻璃液2-流槽3-闸板4-碹顶5-玻璃带6-锡液7-槽底8-保护气体管道9-过渡辊台,重油燃烧,气氛保护,锡槽,熔窑,熔融玻璃,熔融锡,牵引辊,玻璃带,浮法玻璃的制造过程示意图,增加的,浮法玻璃工艺示意图,增加的,1、浮法成型的特点,成型时不需克服玻璃自身的重力可以充分发挥玻璃表面张力的作用玻璃带横向温度均匀可以比较容易地生产特薄和特厚的玻璃成型过程中温度降落慢、拉引速度快避免了玻璃结晶缺陷、作业周期长板宽加大比较容易可以在线生产镀膜玻璃容易实现切装机械化自动化可以比较容易地生产特大片玻璃,式中，h1、h、dg、d、分别为浮起高度、玻璃自然厚度、玻璃密度、锡液密度。,2.浮法玻璃的成型机理（1）玻璃液在锡液面上的浮起高度,（2）浮法玻璃自然厚度概念:浮在锡液面上的玻璃液不受到任何外力作用时所显示的厚度。影响因素:玻璃液的表面张力g、锡液的表面张力t、玻璃液与锡液界面上的表面张力g、t以及玻璃液与锡液的密度dg、d。,（3）抛光原理,抛光的概念,一般的抛光是指对物件进行机械加工，使它的表面变得十分光滑。,浮法玻璃的抛光过程主要是依赖于玻璃液表面张力的作用一种内力的作用实现的。,玻璃的表面张力,不同成分的玻璃液，其表面张力不同，一般变化在（2.203.80）10-1N/m范围内。,对于钠钙硅玻璃，表面张力与组成的关系为：,各种氧化物的表面张力系数,ai氧化物的含量,锡液的表面张力玻璃液的表面张力,锡液的表面张力,锡槽中的锡液是一种复杂的溶液，其杂质对表面张力的影响很小，可以用纯锡液的表面张力来代替。,玻璃与锡液界面上的表面张力,高温下，玻璃液和锡液是两种不相容的液体，在它们的界面上存在表面张力。,两相界面上表面张力与两相的密度差有关。,气相密度液相密度，液-气界面的表面张力液-液界面的表面张力,在重力和表面张力平衡时，玻璃液在锡液面上形成约7mm厚的玻璃带。在拉引略小于平衡厚度的玻璃时，如6-6.5mm，只要适当增大拉引速度，对玻璃带产生一定的拉力就可以了。,（4）拉薄原理,难点,拉引更薄的玻璃,在拉薄过程中，拉力使玻璃变薄，而表面张力有使玻璃增厚的趋势，使带宽有收缩的趋势。,适宜粘度：106Pas，常用范围是105.25-106.75Pas,拉薄的方法：,解决办法,拉薄的适宜粘度,拉薄的方法,徐冷法,重新加热法,拉薄的措施,高速拉引,施加横向拉力,（5）拉边器的配置A、原理：通过调节拉边器安装位置、角度、运转速度、压入深度等方法调节玻璃带的厚度。B、数量：与厚度有关。,使用中的拉边器,厚玻璃是指大于平衡厚度的玻璃,（6）厚玻璃生产原理,当玻璃液厚度大于平衡厚度时，重力和侧向力的合力大于表面张力的合力，合力方向使玻璃展薄，合力Fc称为展薄力。,玻璃愈厚，展薄力愈大。要获得厚玻璃，必须有一个阻挡力F0来平衡展薄力Fc，即,3超薄玻璃的生产（1）概念：3mm以下的平板玻璃称为薄玻璃，而厚度在1.5mm以下的称为超薄玻璃。,（2）主要生产难点A、玻璃板厚薄差小，对玻璃原片的厚薄差要求小于0.05mm；B、有波纹度的特别要求，一般要求是0.15Um/20mm；C、玻璃质量要求极高，几乎要求无气泡、杂物、铅锡等；D、包装要求质量高，不能有任何细小划伤，贮存周期要求长，对包装纸等都有特殊要求。,（3）生产方法A、电极法B、挡墙拉边机法,电极法,挡墙拉边机法法,（1）拉边机法（RADS法）（2）挡墙拉边机法（DT法）,4.厚玻璃的生产方法,5.浮法成型的几种缺陷,（1）“彩虹”：SnO+1/2O2=SnO2（2）沾锡Sn2+对金属锡的粘附力，通常沾锡呈细粒的点状，严重时则呈片状。（3）“斑点”（或光畸变点）玻璃表面的微笑凹陷，其形状呈平滑的圆形。这种斑点缺陷损害了玻璃的光学质量，使观察到的物象发生畸变。产生的原因：SnO和SnS蒸汽的聚集冷凝。（4）“小波纹”玻璃表面的微细不平整缺陷。产生的原因：高温区温度不均匀；锡液中的氧被氧化为氧化锡，体积局部膨胀而产生应力，当玻璃温度低时，应力来不及消失，在玻璃的继续冷却过程中产生不均匀收缩，从而促进了小波纹的形成。,二、平拉成型,1.原理1、板根形成玻璃液被引砖分流，在引砖上的液面由两块“硬皮”合成板根。2、边子形成依靠拉边辊和边部冷却形成稳定边子。3、板面拉伸向上拉力需要克服转向辊摩擦力、玻璃液表面张力、粘滞力、重力等的作用。4、转向玻璃呈粘弹性状态时转向。,2.成型过程,从成型室浅层玻璃液的自由液面引出原板，经过转向辊转向90由垂直拉引变为水平拉引，经过退火后切割成原片。,与引上法相比：成型速度快，生产周期长，产品质量高；与浮法相比：便于控制厚度，易生产1mm以下的薄玻璃。,3.几个部件作用,1、C型砖分隔空间，阻挡浮渣。2、引砖分流、挡热，稳定板根。3、主水包稳定气流，冷却板根。4、唇砖（或L型砖）稳定气流，平衡板根内外冷却强度，便于打炉。5、转向辊使玻璃带转向,主要成型设备：槽子砖、冷却机、引上机,三、垂直成型,有槽引上法,玻璃液从唇形的槽口引出，经过冷却水包的硬化，在引上机机膛内退火后切割成原片。,用一块沉在玻璃液中引砖与上面的冷却水包一起形成板根。,无槽引上法,生产控制难度较大，不易生产2mm以下的薄玻璃,四、压延法,用来制造刻花玻璃、夹丝玻璃及少量特殊用途的平板玻璃。,间歇压延法：将玻璃液倒在浇铸台的金属板上，然后用沉重的金属辊压延使之变为平板玻璃。,连续压延法：玻璃液由池窑的溢流槽连续流出，流入压延机被辊压成一定厚度的玻璃带,经辊道输送进入连续式退火窑中退火。,半连续压延法：从池窑或坩埚窑中取出一定量的玻璃液，倾倒在两根直径相同的压辊之间，两个压辊相向转动，使玻璃液从辊间辊压成板状。,玻璃制品在生产中由于要经受激烈和不均匀的温度变化，导致制品内部产生热应力。结构变化的不均匀及热应力的存在会降低制品的强度和热稳定性，很可能在成型后的冷却、存放和机械加工曰程中自行破裂；制品内部结构变化的不均匀性又可能造成玻璃制品光学性质的不均匀。因此。玻璃制品成型后，一般都要经过热处理。玻璃制品的热处理一般包括退火和淬火两种工艺。退火就是消除或减小玻璃制品中的热应力的热处理过程，对光学玻璃和某些特种玻璃制品，通过退火可使内部结构均匀，以达到要求的光学性能；淬火就是使玻璃表面形成一个有规律，均匀分布的压力层以提高玻璃制品的机械强度和热稳定性。,9.6玻璃的热处理,退火温度曲线,可考虑增加退火设备内容,p190,成型后的玻璃制品，除极少数能直扭符合要求外(如瓶罐等)，大多数还须作进一步加工，以得到符合要求的制品。经过二次加工可以改善玻璃制品的表面性质、外观质量和外观效果玻璃制品的二次加工可分为冷加工、热加工和表面处理三大类：(1)玻璃制品的冷加工冷加工是指在常温下通过机械方法来改变玻璃制品印外形和表面状态所进行的工艺过程。冷加工的基本方法包括研磨、抛光、切割、喷砂，钻孔和车刻等。1.研磨是为了唐除玻璃制品的表面缺陷或成形后残存的凸出部分，使制品获得所要求的形状，尺寸