无机非金属材料工艺学课程设计

PAGE４１《无机非金属材料工艺学》课程设计目录1．玻璃制备工艺21.1玻璃原料的具体计算21.2.玻璃制备工艺流程图71.2.1玻璃原料71.2.2燃料101.2.3破粉碎系统的选择101.2.4设备的选择111.2.5配合料的制备111.2.6玻璃的熔制141.3玻璃成型162．陶瓷配料具体计算20设计题目1、某玻璃厂的一种玻璃配料工艺参数与所设数据如下：纯碱挥散率2.95%；玻璃获得率82.5%；碎玻璃掺入率20%；萤石含率0.85%；芒硝含率15%；煤粉含率4.7%；计算基础100Kg玻璃液；计算精度0.01。设有30%的CaF2与SiO2反应，生成SiF4而挥发，SiO2的摩尔量为60.09，CaF2的摩尔量为78.08。玻璃的设计成分见表1，各种原料的化学成分见表2。表1玻璃的成分设计（质量%）SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OSO3总计72.42.10<14.50.2100表2各种原料的化学成分（%）原料含水量SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2ONa2SO4CaF2C硅砂4.588.56.320.340.440.163.66砂岩1.898.760.520.19菱镁石—1.940.290.420.7146.29白云石0.30.690.150.1334.3720.47纯碱1.857.94芒硝90.120.500.3741.4795.03萤石—24.622.080.4351.5670.08煤粉—84.11根据已知条件，（1）试设计合适的原料配量表。（2）画出玻璃制备工艺流程图，并简要叙述各环节主要工艺参数与注意事项。1.1解：玻璃具体计算如下：1.1.1萤石用量的计算根据玻璃获得率得原料总量为：100／0.825=121.21kg设萤石用量为xkg,根据萤石含率得0.85%=0.7008x×100%／121.21x=1.47kg由表2可知：1.47kg萤石引入的氧化物量分别为SiO21.47×24.62%-0.12=0.24kgAl2O31.47×2.08%=0.03kgFe2O31.47×0.43%=0.01kgCaO1.47×51.56%=0.76kg-SiO2=-0.12kg上式中的-SiO2是SiO2的挥发量，按下式计算：SiO2+2CaF2=SiF4↑+2CaO设有30%的CaF2与SiO2反应，生成SiF4而挥发，设SiO2的挥发量为xkg,SiO2摩尔量为60.09，CaF2的摩尔量为78.08，则x=60.09×1.47kg×70.08%×30%/(2×78.08)=0.12kg1.1.2纯碱和芒硝的用量计算：设芒硝引入量为xkg,根据芒硝含率得下式0.4147x/14.5=15%x=5.24kg芒硝引入的各氧化物量见表3表3由芒硝引入的各氧化物量（kg）SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2O0.060.020.010.030.022.18煤粉用量计算：设煤粉用量为xkg，根据煤粉含率得84.11%x/(6.29×95.03%)=4.7%x=0.33kg1.1.3硅砂和砂岩用量的计算：设硅砂用量为xkg，砂岩用量为ykg，则88.5%x+98.76%y=72.4-0.24-0.06=72.16.32%x+.56%y=2.10-0.03-0.02=2.05得：x=28.21kgy=47.73kg表4由硅砂和砂岩引入的各氧化物量（kg）原料SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2O硅砂24.971.751.03砂岩47.140.270.050.070.010.091.1.4白云石和菱镁石用量的计算：设白云石用量为xkg，菱镁石用量为ykg，则34.37%x+0.71%y=6.4-0.76-0.03-0.12-0.07=5.4220.47%x+46029%y=4.2-0.02-0.05-0.01=4.12得x=15.73kgy=1.94kg由白云石和菱镁石引入的各氧化物量见表5表5由白云石和菱镁石引入的各氧化物量（kg）原料SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO白云石0.120.020.025.413.22菱镁石0.040.010.010.010.901.1.5校正纯碱用量和挥发量：设纯碱理论用量为xkg，挥发量为ykg，则59.74%x=14.5-2.18-1.03-0.09=11.2x=19.33kgy÷(19.33+y)=2.95%y=0.59kg1.1.6校正硅砂和砂岩用量:设硅砂用量为xkg，砂岩用量为ykg，则85.5%x+98.76%y=72.4-0.24-0.06-0.12-0.04=71.945.17%x+0.56%y=2.10-0.03-0.02-0.02-0.01=2.02得x=27.62kg，y=48.93kg表6校正后硅砂和砂岩引入的个氧化物的量（kg）如下：原料SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2O硅砂24.441.750.090.120.041.01砂岩48.320.270.050.070.010.091.1.7换算单的计算已知条件，碎玻璃参入率为20%，各种原料含水率见表2，配合料含水量为5%，混合机容量为1200kg干基。计算如下：1200kg中硅砂的干基用量为：[1200-（1200×20%）]×27.62%=219.94kg硅砂的湿基用量=219.94/（1-4.5%）=230.30kg同理计算其他原料用量1.1.8把上述计算结果汇总成原料用量表（表7）表7原料用量表原料用量（kg）（%）SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OSO3含水量干基湿基硅砂27.6222.9124.441.750.090.120.041.014.5219.94230.30砂岩48.9340.5948.320.270.050.070.010.091.8389.66396.80白云石15.7313.050.120.020.025.413.220.3125.28125.66菱镁石1.941.610.040.010.010.010.9015.4615.46纯碱19.3316.0411.21.8153.98156.80纯碱挥发量0.59芒硝5.244.350.060.020.010.030.0945.40萤石1.430.010.7611.7111.71煤粉0.21合计121.1310096.404.1914.480.2961.73984.34碎玻璃240总计1224.34玻璃的获得率=100÷121.13×100%=82.6%根据要求配合料的水分为5%则加水量的计算：加水量=（粉料干基÷（1－5%））－粉料湿基=（1200－240）÷95%－984.34=26.19kg1.2玻璃制备工艺流程图砂岩硅砂菱镁石白云石萤石纯碱芒硝煤粉碎玻璃称量、混合输送窑头料仓投料机燃料横火焰窑炉熔化电磁振动给料机流液道闸阀电子秤氢气站锡槽成型窑头碎玻璃仓过渡辊台提升机退火窑电磁振动给料机玻璃应力仪冷端碎玻璃仓横切、纵切碎玻璃皮带机掰边机玻璃边搅碎机落板装置锤式破碎机装箱叉车入库1.2.1玻璃原料用于制备玻璃配合料的各种物质，统称为玻璃原料。根据用量、生产工艺和作用的不同，玻璃原料分为主要原料和辅助原料两大类主要原料主要原料指在玻璃中引入SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、Na2O、K2O等各种氧化物的原料他，他们提供了玻璃的主要组分.1引入二氧化硅（SiO2）的原料二氧化硅（SiO2）是形成玻璃的最主要成分，它以硅氧四面体的结构组成不规则的连续的网状结构，从而形成玻璃的“骨架”因此又称为玻璃形成体氧化物。二氧化硅（SiO2）本身就可以形成玻璃，即石英玻璃。引入二氧化硅可以提高玻璃熔制的温度、粘度、化学稳定性、热稳定性、硬度和机械强度，但同时又降低了玻璃的热胀系数和密度。二氧化硅的缺点是熔点高、粘度大，导致玻璃的融化、澄清和均化困难，能耗增加。直接引入二氧化硅（SiO2）的原料有硅砂、砂岩硅砂石英砂的主要成分是SiO2，常含有：Al2O3、TiO2、CaO、MgO、Fe2O3、Na2O、K2O等杂质。高质量的石英砂含SiO2应在99~99.8%（mass%，在本章中如无特别指明，以后成分均指质量分数）以上。Al2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O是一般玻璃的组成氧化物，Na2O、K2O、CaO和一定含量以下的Al2O3、MgO对玻璃的质量并无影响，是无害杂质。特别是Na2O、K2O还可以代替一部分价格较贵的纯碱，但它们的含量应当稳定。一级的石英砂，Al2O3的含量不大于0.3%。Fe2O3、Cr2O3、V2O5、TiO2能使玻璃着色，降低玻璃的透明度，是有害杂质。一般来说，易于熔制的软质玻璃、铅玻璃，石英砂的颗粒可以粗些；硼硅酸盐、铝硅酸盐、低碱玻璃，石英砂的颗粒应当细一些；池炉用石英砂稍粗一些；坩埚炉用石英砂则稍细一些。通过生产实践，认为池炉熔制的石英砂最适宜的颗粒尺寸一般为0.15mm～0.8mm之间。而0.25mm～0.5mm的颗粒不应少于90%，0.1mm以下的颗粒不超过5%。采用湿法配合料粒化或制块时，可以采用更细的石英砂。矿物组成也是衡量石英砂质量的一项指标，它与确定矿源和选择石英砂精选的方法有关。石英砂中磁铁矿，褐铁矿，钛铁矿，铬铁矿是有害杂质。蓝晶石、硅线石等，熔点高，化学性质稳定，难以熔化，在熔制时容易形成疙瘩、条纹和结石。优质的石英砂不需要经过破碎粉碎处理，成本较低，是理想的玻璃原料。含有害杂质较多的砂，不经富选除铁，不宜采用。砂岩砂岩是石英砂在高压作用下，由胶结物胶结而成的矿岩。根据胶结物的不同，有二氧化硅（硅胶）胶结的砂岩，粘土胶结的砂岩，石膏胶结的砂岩等。砂岩的化学成分不仅取决于石英颗粒，而且与胶结物的性质和含量有关。如二氧化硅胶结的砂岩，纯度较高，而粘土胶结的砂岩则Al2O3含量较高。一般说来，砂岩所含的杂质较少，而且稳定。其质量要求是含SiO298%以上，含Fe2O3不大于0.2%。砂岩的硬度高，近于莫氏七级，开采比石英砂复杂，而且一般需经过破碎、粉碎、过筛等加工处理(有时还要经过锻烧再进行破碎，粉碎处理)，因而成本比石英砂高。粉碎后的砂岩通常称为石英粉。.2引入Na2O的原料纯碱纯碱是微细粉末，易溶于水，是一种含杂质少的工业产品，主要杂志有NaCl(不大于1%)。易潮解、结块，它的含水量通常波动在9%-10%之间，应储存在通风干燥的库房内。芒硝有无水芒硝和含水芒硝两类。使用芒硝不仅可以代替碱，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，而是玻璃呈棕色。.3引入MgO的原料白云石白云石又叫苦灰石，是碳酸钙和碳酸镁的复盐，分子式为CaCO3·MgCO3，理论上含MgO21.9%，CaO30.4%，C0247.7%。一般为白色或淡灰色，含铁杂质多时，呈黄色或褐色，比重2.8～2.95，硬度为3.5～4。白云石中常见的杂质是石英、方解石和黄铁矿。对白云石的质量要求：MgO＞50%,CaO＜32，Fe2O3＜0.15%。白云石能吸水，应储存在干燥处。菱镁矿菱镁矿，亦称菱苦土，为灰白色、淡红色或肉红色。它的主要成分是碳酸镁MgCO3，分子量84.39，理论上含MgO47.9%，CO252.1%。菱镁矿含Fe2O3较高，在用白云石引入MgO的量不足时，才使用菱镁矿。有时也使用沉淀碳酸镁来引入MgO，它与沉淀碳酸钙相似，优点是杂质较少，缺点是质轻，易飞扬，不易使配合料混合均匀。.4引入Al2O3的原料Al2O3属于中间体氧化物，当玻璃中Na2O与Al2O3的分子比大于1时，形成铝氧四面体[AlO4]并与硅氧四面体[SiO4]组成连续的结构网。当Na2O与Al2O3的分子比小于1时，则形成铝氧八面体[AlO6]，为网络外体而处于硅氧结构网的空穴中。Al2O3能降低玻璃的结晶倾向，提高玻璃的化学稳定性、热稳定性、机械强度、硬度和折射率，减轻玻璃对耐火材料的侵蚀，并有助于氟化物的乳浊。Al2O3能提高玻璃的粘度。绝大多数玻璃都引入1%～3.5%的Al2O3，一般不超过8%～10%。.5碎玻璃使用碎玻璃时，要确定碎玻璃的粒度大小、用量、加入方法、合理的熔制制度，以保证玻璃的快速熔制与均化。当循环使用本厂碎玻璃时，要补充氧化物的挥发损失(主要是碱金属氧化物、氧化硼、氧化铅等)并调整料方，保持玻璃的成分不变。碎玻璃比例大时，还要补充澄清剂的用量。使用外来碎玻璃时，要进行清洗，选别，除去杂质，特别是用磁选法除去金属杂质。同时，必须取样，进行化学分析，根据其化学成分，进行配料。碎玻璃的粒度，没有严格的规定，但应当均匀一致。根据实践，如碎玻璃的粒度与配合料的其它原料的粒度相当，则纯碱将优先与碎玻璃反应，使石英砂溶解困难，整个熔制过程就要变慢变坏。碎玻璃的粒度，应当比其它原料的粒度大得多，这样有助于防止配合料分层，并使熔制加快。一般来说，碎玻璃粒度在2～20mm之间，熔制较快，但考虑到片状、块状、管状等碎玻璃加工处理等因素，通常采用20～40mm的粒度。碎玻璃可预先与配合料中的其它原料均匀混合，也可以与配合料分别加入到熔炉中。在熔炉冷修点火时，常用碎玻璃预先装填熔化池，或在烤炉后开始投料时，先投入碎玻璃，使池炉大砖的表面上先涂上一层玻璃液，以减少配合料对耐火材料的侵蚀。坩埚炉更换新坩埚后，也常先投入碎玻璃，用于搪洗坩埚。辅助原料辅助原料是使玻璃获得某些必要的性质和调整熔制过程的原料其用量少但是作用很重要，根据作用不同分为澄清剂、氧化剂、还原剂、着色剂、脱色剂、乳浊剂和助溶剂等澄清剂玻璃配合料或玻璃熔体中加入一种高温下可以分解并放出气体以促进排除气泡的物质称为澄清剂。常用的澄清剂如下：三氧化二砷、三氧化二锑、硝酸盐、硫酸盐、卤化物、二氧化铈氧化剂和还原剂在熔制玻璃时能释放出氧的物质称为氧化剂，反之则称为还原剂。属于氧化剂的原料主要有硝酸盐、二氧化铈、五氧化二砷、五氧化二锑及硫酸盐等属于还原剂的原料主要有碳（煤粉、焦炭粉、木屑）、酒石酸氢钠、氧化锡、二氧化锡、锡粉、酒石酸等着色剂使玻璃着色的物质，称为玻璃的着色剂。着色剂的作用是使玻璃对光线产生选择性的吸收，呈现一定的颜色。根据着色剂在玻璃中的状态，可将着色剂分为离子着色剂、胶体着色剂和半导体化合物微晶着色剂。脱色剂无色玻璃应当具有良好的透明度。但是由于原料质量和工艺的影响，可能会在玻璃带入铁、铬、钛、钒等杂质，从而呈现不希望出现的颜色，降低玻璃的透明度。为了减弱消减这些颜色而在配料中加入的物质称为脱色剂。根据脱色机理，脱色剂分为物理脱色剂和化学脱色剂：常用的物理脱色剂有铯、二氧化锰、三氧化铬、稀土化合物常用的化学脱色剂有三氧化二砷、硫化钠、硝酸盐、氟化物、氯化物等乳浊剂使玻璃产生不透明的乳白色的物质，称为乳浊剂。当熔制玻璃的温度降低时，乳浊剂呈10~100nm的结晶或无定性的微粒析出，其折射率与周围玻璃基体不同，因反射，衍射作用使光线产生散射，从而使玻璃呈现不透明的乳浊状态。常用的乳浊剂有氟化物、磷酸盐、氧化锡、氧化锑、氧化砷及滑石等助溶剂能够出金伯利熔制过程加速的原料称为助溶剂或加速剂。常用的助溶剂有氟化合物、硼化合物、含锂矿物、硝酸盐和钡化合物等1.2.2燃料采用烟煤或无烟煤以及氢气作为燃料1.2.3一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。1.2.4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。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、菱镁石、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，其不足之处是板锤和反击板磨损大，须经常更换。它主要用来进行砂岩的中碎。对辊破碎机的优点是过粉碎的物料少，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。其缺点是入料粒度不能过大、产量偏低、噪声和震动大。锤式破碎机适于中等硬度物料的中、细碎，具有较高的粉碎比(10～50)，产品粒度较细、机体紧凑，但锤子的磨损较大。它主要用于白云石、菱镁石、萤石等原料的中细碎。原料的筛分原料粉碎后都必须进行筛分。生产中常用的筛分设备主要有六角筛和机械振动筛两种。在小型厂常采用摇筛。六角筛适用于筛分砂岩、白云石、菱镁石、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。目前大型厂都采用机械振动筛来筛分砂岩粉。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。1.2.5配合料的制备对配合料的质量要求保证配合料的质量要求是加速玻璃熔制和提高玻璃质量，防止产生缺陷的基本措施，对配合料的主要要求是：构成配合料的各种原料均应有一定的粒度组成，即同一种原料以应有适宜的粒度，不同原料间保持一定的粒度比，以保证配合料的均匀度、玻璃液均匀度，提高混合质量，防止配合料的分层。配合料中应有一定的水分，使水在石英颗粒原料表面上形成水膜，5%的纯碱和芒硝溶于水膜中，有助于加速熔化。为了有利于玻璃液的澄清和均化配合料需有一定的气体率。必须混合均匀，以保证玻璃液的均匀性。选择适当的碎玻璃比率。避免金属和其他杂质的混入。配合料制备的工艺流程图纯碱萤石白云石芒硝菱镁石硅砂碎玻璃煤粉砂岩纯碱萤石白云石芒硝菱镁石硅砂碎玻璃煤粉砂岩岩加水运输称量混合混合称量称量粉库粉库粉库粉库粉库粉库粉库粉库粉库筛分粉碎筛分筛分筛分粉碎粉碎粉碎粗碎干燥破碎选矿洗涤筛分水洗粗碎粗碎煅烧加水运输称量混合混合称量称量粉库粉库粉库粉库粉库粉库粉库粉库粉库筛分粉碎筛分筛分筛分粉碎粉碎粉碎粗碎干燥破碎选矿洗涤筛分水洗粗碎粗碎煅烧拆包拆包拆包拆包水冷粉碎粉碎水冷粉碎粉碎筛分筛粉碎筛分筛粉碎筛分筛分投料机料仓投料机料仓配合料的称量、混合及输送称量准确性是制备合格配合料的先决条件。现代生产中多采用带斗的自动称量器，称量的方式有两种：一次称量和减量称量。混合过程要保证各组分粒子得以均匀分布，辅助原料在配合料中胶南混合均匀，可以先于某一种大宗原料或几种小料一道预先混合，以增大它的分散量，除此之外，各种原料加入混合机的先后顺序对混合均匀性也有一定的影响，最后要注意碎玻璃的加入方式。大多数混合机不允许碎玻璃与配合料一道混合，因为磨损太大，一般都是在配合料送到窑头料仓的途中参入。常用的办法是用振动喂料器将碎玻璃从贮料仓中加到在皮带上正在运行的配料层上面。配合料的输送办法有多种，批量大时用皮带运输机或斗式提升机，批量小时用料罐或小车输送。不论用哪一种，最重要的是防止配合料发生分层，，粉尘飞扬及混入杂质。配合料制备的质量控制配合料的质量对玻璃制品的产量和质量有较大的影响。虽然不同的玻璃制品对配合料的质量有不同的要求，但在一些基本要求上是一致的。因此，在生产过程中必须控制各个工艺环节以保证配合料的质量。现分述如下。原料成分的控制，分为厂外、厂内控制两类：厂外控制：要求矿山的原料成分波动范围小，因此，应使用同一矿山与同一矿点的原料。厂内控制：对进厂的原料成分要勤加分析，各种原料应分别堆放，不能混放，对不同时间进厂的原料也应分别堆放。原料的水分控制。原料的水分波动将直接影响称量的精度，对易潮解的原料，如纯碱、芒硝等，应在库中存放；对水分波动较大的硅砂应进行自然干燥或强制干燥；对防尘用水应严格控制用量。对各种原料应定期检测水分含量。原料的粒度控制。目前一般均采用筛分法以控制粒度的上限，有时由于混合质量较差而产生料蛋时，往往把配合料进行再筛选，这有利于提高玻璃的熔制质量。称量误差程度的控制。称量误差程度直接影响各原料间的配比。它的误差取决于秤的精度误差、容量误差及操作误差。当所称的原料量越接近秤的全容量时，就越接近秤本身所标定的精度，即容量误差越小。因此，在选用秤时必须遵循大料用大秤、小料用小秤的原则。操作误差主要有工人的读数误差、库闸关闭不严造成的漏料误差以及加料过猛造成的冲击误差。混合均匀度的控制。混合均匀度主要与下列因素有关：混合机的选型：根据工作原理可分为重力式(如鼓形混合机等)和强制式(如盘式混合机等)两类。后者在物料混合过程中与物料的粒度、形状、密度和容积密度无关，因而它的混合质量优于前者。进料顺序的影响：合理的进料顺序能防止原料结块，并使难熔原料表面附有易熔原料。一般的进料顺序是：先加难熔的硅砂和砂岩，并同时加水混合，使硅质原料表面附有一层水膜，然后加入纯碱，使其部分溶解于水膜之中，最后加入白云石、石灰石、萤石及已预混合的芒硝和碳粉。混合时间的影响：混合均匀度与混合时间有关，混合时间过长与过短都不利于配合料的混合均匀。它的最佳值应由实验决定。其他。在配合料的运输过程中往往会产生分料、飞料与沾料等。配合料的质量要求配合料的质量是根据其均匀性与化学组成的正确性来评定的，对配合料的质量要求有以下几个方面：①配合料称量具有准确性；②要有适当的含水率（纯碱配合料为3%-5%，芒硝配合料为3%-7%）；③要有适当的气体率（钠钙硅酸盐玻璃为15%-20%，硼硅酸盐玻璃为9%-15%）；④尽量避免金属和其他杂志的混入。配合料的计算1.2.6玻璃的熔制合格配合料经高温加热形成均匀的、无缺陷的并符合成型要求的玻璃液的过程称为玻璃的熔制过程。玻璃熔制是玻璃生产最重要的环节，玻璃制品的产量、质量、成品率、成本、燃料耗量、窑炉寿命等都与玻璃熔制过程密切相关。因此，进行合理的玻璃熔制是非常重要的。玻璃熔制过程是一个很复杂的过程，它包括一系列的物理的、化学的和物理化学的现象和反应，其综合结果是使各种原料的混合物形成了透明的玻璃液。从加热配合料直到熔成玻璃液，常可根据熔制过程中的不同实质而分为五个阶段：硅酸盐形成阶段；玻璃形成阶段；玻璃液的澄清阶段；均化阶段；玻璃液的冷却阶段。玻璃熔制的五个阶段互不相同各有特点，但又彼此关联，在实际熔制过程中并不严格按上述顺序进行。例如，在硅酸盐形成阶段中有玻璃形成过程，在澄清阶段中又包含有玻璃液的均化。熔制的五个阶段，在池窑中是在不同空间同一时间内进行，在坩埚炉中是在同一空间不同时间内进行。以下分别叙述玻璃熔制的五个阶段。硅酸盐的形成硅酸盐生成反应在很大程度上是在固体状态下进行的，配合料各组分在加热过程中经过了一系列的物理的、化学的和物理化学变化，结束了主要反应过程，大部分气态产物逸散，到这一阶段结束时配合料变成了由硅酸盐和剩余SiO2组成的烧结物。对普通钠钙硅玻璃而言，这一阶段在800～900℃终结。玻璃的形成烧结物继续加热时，在硅酸盐形成阶段生成的硅酸钠、硅酸钙、硅酸铝、硅酸镁及反应后剩余的SiO2开始熔融，它们间相互溶解和扩散，到这一阶段结束时烧结物变成了透明体，再无未起反应的配合料颗粒，在1200～1250℃范围内完成玻璃形成过程。但玻璃中还有大量气泡和条纹；因而玻璃液本身在化学组成上是不均匀的，玻璃性质也是不均匀的。由于石英砂粒的溶解和扩散速度比之其他各种硅酸盐的溶扩散速度低得多，所以玻璃形成过程的速度实际上取决于石英砂粒的溶扩散速度。石英砂粒的溶扩散过程分为两步，首先是砂粒表面发生溶解，而后溶解的SiO2向外扩散。两者的速度是不同的，其中扩散速度最慢，所以玻璃的形成速度实际上取决于石英砂粒的扩散速度。由此可知，玻璃形成速度与下列因素有关：玻璃成分、石英颗粒直径以及熔化温度。除SiO2与各硅酸盐之间的相互扩散外，各硅酸盐之间也相互扩散，后者的扩散有利于SiO2的扩散。硅酸盐形成和玻璃形成的两个阶段没有明显的界限，在硅酸盐形成阶段结束前，玻璃形成阶段就已开始，而且两个阶段所需时间相差很大。例如，以平板玻璃的熔制为例，从硅酸盐形成开始到玻璃形成阶段结束共需32min，其中硅酸盐形成阶段仅需3～4min，而玻璃形成却需要28～29min。玻璃液的澄清玻璃液的澄清过程是玻璃熔化过程中极其重要的一环，它与制品的产量和质量有着密切的关系。对通常的钠钙硅玻璃而言，此阶段的温度为1400～1500℃。在硅酸盐形成与玻璃形成阶段中，由于配合料的分解、部分组分的挥发、氧化物的氧化还原反应、玻璃液与炉气及耐火材料的相互作用等原因析出了大量气体，其中大部分气体将逸散于空间，剩余气体中的大部分将溶解于玻璃液中，少部分以气泡形式存在于玻璃液中，也有部分气体与玻璃液中某种组分形成化合物，因此，存在于玻璃液中的气体主要有三种状态，即可见气泡、物理溶解的气体、化学结合的气体。玻璃液的均化玻璃液的均化包括对其化学均匀和热均匀两方面的要求，在玻璃形成阶段结束后，在玻璃液中仍带有与主体玻璃化学成分不同的不均体，消除这种不均体的过程称玻璃液的均化。对普通钠钙硅玻璃而言，此阶段温度可低于澄清温度下完成，不同玻璃制品对化学均匀度的要求也不相同。当玻璃液存在化学不均体时，主体玻璃与不均体的性质也将不同，这对玻璃制品产生不利的影响。例如，两者热膨胀系数不同，则在两者界面上将产生结构应力，这往往就是玻璃制品产生炸裂的重要原因；两者光学常数不同，则使光学玻璃产生光畸变；两者粘度不同，是窗用玻璃产生波筋、条纹的原因之一，等等。由此可见，不均匀的玻璃液对制品的产量与质量有直接影响。玻璃液的冷却为了达到成型所需粘度就必须降温，这就是熔制玻璃过程冷却阶段的目的。对一般的钠钙硅玻璃通常要降到1000℃左右，再进行成型。在降温冷却阶段有两个因素会影响玻璃的产量和质量，即玻璃的热均匀度和是否产生二次气泡。在玻璃液的冷却过程中，不同位置的冷却强度并不相同，因而相应的玻璃液温度也会不同，也就是整个玻璃液间存在着热不均匀性，当这种热不均匀性超过某一范围时会对生产带来不利的影响，例如造成产品厚薄不均、产生波筋、玻璃炸裂等。在玻璃液的冷却阶段，它的温度、炉内气氛的性质和窑压与前阶段相比有了很大的变化，因而可以认为它破坏了原有的气相与液相之间的平衡，要建立新的平衡。由于玻璃液是高粘滞液体，要建立平衡是比较缓慢的，因此，在冷却过程中原平衡条件改变了，虽不一定出现二次气泡，但又有产生二次气泡的内在因素。二次气泡的特点是直径小(一般小于0.1mm)、数量多(每1cm2玻璃中可达几千个小气泡)、分布均(密布于整个玻璃体中)。影响玻璃熔制过程的因素在玻璃生产中往往需要不断地研究燃料耗量、熔窑生产率、窑的侵蚀、产品的产质量、产品成本等，而这些与玻璃熔制过程的状况密切相关。因此，研究影响玻璃熔制过程的因素是必要的。以下叙述一些主要因素。玻璃成分玻璃成分对玻璃熔制速度有很大的影响，例如玻璃中SiO2、Al203含量提高时，其熔制速度就减慢；当玻璃中Na2O、K20增加时，其熔制速度就加快。配合料的物理状态对熔制过程影响较大的因素有：原料的选择。当同一玻璃成分采用不同原料时，它将在不同程度上影响配合料的分层(如重碱与轻碱)、挥发量(硬硼石与硼酸)、熔化温度(铝氧粉Al2O3的熔点为2050℃，钾长石为1170℃)等。原料的颗粒组成。其中影响最大的是石英的颗粒度，这是由于它具有较高的熔化温度和小的扩散速度。其次是白云石、石灰石、长石的颗粒度熔窑的温度制度熔窑的熔制温度是最重要的因素。温度越高，硅酸盐反应越强烈，石英颗粒的溶解与扩散越快，玻璃液的去泡和均化也越容易。试验表明，在1450～1650℃范围内，每升高10℃可使熔化能力增加5％～10％。因此，提高熔窑温度是强化玻璃熔融，提高熔窑生产率的最有效措施。但必须注意：随着温度的升高，耐火材料的侵蚀将加快，燃料耗量也将大幅度提高。采用加速剂和澄清剂大部分加速剂是化学活性物质。它通常并不改变玻璃成分和性质，其分解产物也可组成玻璃成分，它们往往降低熔体的表面张力、粘度，增加玻璃液的透热性，所以加速剂往往也是澄清剂。澄清剂是用来加速玻璃液的澄清过程。属于此类的物质有：硝酸盐、硫酸盐、氟化物、变价氧化物等。采用高压与真空熔炼在石英光学玻璃生产工艺中常采用真空和高压熔炼技术来消除玻璃液中的气泡。采用高压使可见气泡溶解于玻璃液中，采用真空法能使可见气泡迅速膨胀而排除。辅助电熔在用燃料加热的熔窑作业中，同时向玻璃液通入电流使之增加一部分热量，从而可以在不增加熔窑容量下增加产量，这种新的熔制方式称为辅助电熔。一般分别设在熔化部、加料口、作业部，可提高料堆下的玻璃液温度40～70℃，这就大大提高了熔窑的熔化率。机械搅拌与鼓泡在窑池内进行机械搅拌或鼓泡是提高玻璃液澄清速度和均化速度的有效措施。1.3玻璃成型浮法成型浮法是指熔窑熔融的玻璃液在流入锡槽后在熔融金属锡液的表面上成型平板玻璃的方法。熔窑的配合料经熔化、澄清、冷却成为1150～1100℃左右的玻璃液，通过熔窑与锡槽相连接的流槽，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，把即将硬化的玻璃带引出锡槽，通过过渡辊台进入退火窑。其过程如图2-浮法玻璃的成型机理浮法玻璃的成型是在锡槽中进行的。玻璃液由熔窑经流槽进入锡槽后，其成型过程包括自由展薄、抛光、拉引等，为此讨论以下四个相应问题：玻璃液在锡液面上的浮起高度。玻璃液与锡液互不浸润、互无化学反应。锡液的密度大于玻璃液，因而玻璃液浮于锡液表面，如图2-3-1l所示。其浮起高度h1，和沉入深度h2可用下式表示：(2-3-2)式中：dg、dτ——玻璃液与锡液的密度；H——玻璃液在锡液面上的自由厚度。浮法玻璃的自由厚度。当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称自由厚度。它决定于下列各力之间的平衡：玻璃液的表面张力σg、锡液的表面张力σt、玻璃液与锡液界面上的表面张力σgt以及玻璃液与锡液的密度dg、dτ。其间的关系可用下式表一般的成型方法有吹制（机吹，人工吹），压制，离心旋转，烧制（辅助作用）。玻璃模具一般采用生铁铸件。模具质量的好坏也会影响产品品质，因为有的铁质有砂子，则出来的产品就粗糙，有凸粒，在高温下，易脱铁屑而沾在产品上。一般的模具都有几个排气孔，排气孔很少，一般不影响产品的成型效果，排气效果好的模具，产品的图案，字母则较清晰，模合缝的大小也会影响产品利角的轻重，模具必须预热后方可使用，否则刚产出的产品易破裂。熔化的料入模具有自动进料与人工操作两种自动进料，每种产品生产前都调好进料量，而人工操作则完全靠工人的经验了，所以人工操作时，量的多少是很重要的，量太多易使边太厚。太少，则可能产品不完整，因人工剪料控制的问题，易出现产品边避和底的厚薄以及产品轻重不一致等问题。吹制产品靠气压而成，所以与气压的大小有很大的关系，气压太大，可能出现底部薄，口部厚，气压太小，则口部可能太薄或根本吹不到，口部却缺少了。一般的吹制产品有瓶类，罐类。压制是通过内模压入外模，把玻璃料挤压成型。两模间的空隙影响产品的厚薄，而内模是通过气压来控制的，所以气压太大可能减少两模上下的空隙，使产品底变薄：若气压太小，则相反。一般直筒的杯壮都采用压制，但如产品比较高且边要求较薄，则一般用吹，而这种产品最薄处在中部，所以中部易破。离心旋转用模具安装在电动机上，通过模具一定的转速把料甩开成型。电动转速太小，可能甩不开，而使产品不完整，转速太大，可能把料甩出去了或料全甩到上部，使上端厚，底部薄，一般盘壮物采用此方法。产品出模后需要用钳夹出来，若钳生锈，则可能使产品上沾有锈班，无法清除，所以必须保证钳的干净无锈，一般用玻璃水去擦试，或采用无锈材质的钳。一般的产品到此时就可进行后段工序—烧边，但有些产品无法用一种模成型，而需要再熔接，熔接必须在产品刚出模时就进行，并且要熔接的另一部分必须是刚挑出的熔化的料，这样才能熔接好，否则易接不牢或炸裂产品。烧边产品刚出模，一般的口部都不圆滑，而要用高温将之烧圆滑，多用火力。褪火产品出模后温度很高约500-600度，若这样自然冷却，则会炸爆，故要采用褪火设备使温度慢慢降低。褪火设备是一个顶部和两侧封闭的输送带形状，一般长10几米，宽1米左右，共有几个不同的温度带，初段温一般与出模产品的温度一样，即500-600度，然后逐渐减低，末温一般是60度左右，褪火时间不宜太短，否则产品极易炸裂，并且一般产品都不是当时炸裂，而是以后或在运输中会炸掉。检查后进入后段加工，如贴花纸或蒙砂等。玻璃产品容易出现的问题：A炸裂有很多炸裂的产品在刚褪火后是没有炸裂的，而是在包装箱中或由于碰撞或自动炸裂，主要是退火不够或包装不良造成。B汽泡产品上有一个个大小不等的汽泡，主要是受料的纯度和回收料的含量，以及炉内温度的影响，料含杂质越多或加收料含量越高，以及炉内温度达不到，都可能产生汽泡。C水纹表面不光滑，有皱或水波纹，主要是由于温度不够而影响的，或模温太低。D杂质或斑点是由于料内含有杂质或熔化的料混在其中，包括料花，黑点黑斑等E边避太薄或太厚主要是人工操作时剪料的多或少所致。F表面有锈斑主要的模具或夹钳的磨擦所致。G模合线太粗或太利两块模的吻合度不好或压力太大。H产品不完整。字体不清晰料太少或压力不足，或温度太低以及排气不良所致。I产品表面脏环境差清洁不足或操作不当使污物吸附在产品表面上。2、MgO-Al2O3-SiO2为重要的高温陶瓷材料体系之一，在窑具、电路基板、蜂窝陶瓷等方面具有广泛用途。现利用煤矸石、工业氧化铝、菱镁矿为原料，辅以组分氧化物调节，配制分子式为Mg1.8Ca0.2Al3.8Fe0.2Si5O18的陶瓷配方，若煤矸石用量为50wt%，其余Al2O3由工业氧化铝、MgO由菱镁矿补充，配方最终由分析纯组分氧化物试剂调节至配方要求。请问配制1Kg该陶瓷粉料时，需要各种原料各多少(精确0.001)？其中，煤矸石、磷镁矿化学成分如表所示，工业氧化铝按纯物质计。表1煤矸石化学组成CompositionSiO2Al2O3MgOFe2O3CaOMassfraction/wt%6525532表2磷镁矿化学组成CompositionMgCO3FeCO3CaCO3Massfraction/wt%95322.解：陶瓷的具体计算如下2.1计算坯式的分子量将坯式改写为：(MgO)1.8(CaO)0.2(Al2O3)1.9(Fe2O3)0.1(SiO2)51mol熟料的质量如下表：项目MgOCaOAl2O3Fe2O3SiO2合计氧化物摩尔数0.15氧化物分子质量40.304456.0794101.9613159.692260.0843氧化物质量（g）72.54811.216193.72615.969300.422593.881氧化物所占百分比12.2161.88932.6202.68950.5861002.2计算分解百分比由MgCO3分解生成MgO的百分比MgO/MgCO3=40.3044/84.3142=0.478由FeCO3分解生成Fe2O3的百分比Fe2O3/2FeCO3=79.8461/115.8562=0.689由CaCO3分解生成CaO的百分比CaO/CaCO3=56.0794/100.0892=0.5602.3初步计算2.3.1煤矸石的加入因为熟料为1000g，设煤矸石用量为55wt%，则煤矸石的用量为550g煤矸石引入的氧化物的量（g）,见下表：SiO2Al2O3MgOFe2O3CaO357.5137.527.516.5112.3.2计算计算磷镁矿的量设磷镁矿的量为Xg，经计算，按照加氧化镁足够的方法添加磷镁矿，这样其他两种氧化物就不会加多。12.216%×1000－27.5=X×0.478×95%X=208.456g2.3.3还需要引入纯组分氧化物试剂的量SiO2：50.586%×1000－357.5=148.360gAl2O3：32.620%×1000－137.5=188.700gFe2O3：2.689%×1000－16.5－208.456×0.689×0.03=6.081gCaO：1.889%×1000－11－208.456×0.560×0.02=5.455g2.3.4原料的总量煤矸石+磷镁矿+纯组分氧化物试剂=550+208.456+188.700+148.360+5.455+6.081=1107.052g2.3.5验证煤矸石的含量550／1107.052=49.681%2.4对煤矸石的量进行调整：2.4.1煤矸石的加入假设煤矸石的用量为553g煤矸石引入的氧化物量（g）,见下表：SiO2Al2O3MgOFe2O3CaO359.45138.2527.6516.5911.062.4.2计算磷镁矿的量设磷镁矿的量为Xg，经计算，按照加氧化镁足够的方法添加磷镁矿，这样其他两种氧化物就不会加多。12.216%×1000－27.65=X×0.478×95%X=208.126g2.4.3还需要引入纯组分氧化物试剂的量SiO2：50.586%×1000－359.45=146.410gAl2O3：32.620%×1000－138.75=187.950gFe2O3：2.689%×1000－16.59－208.126×0.689×0.03=5.998gCaO:：1.889%×1000－11.06－208.126×0.560×0.02=5.499g2.4.4计算原料的总量煤矸石+磷镁矿+纯组分氧化物试剂=553+208.126+146.410+187.950+5.998+5.499=1106.983g2.4.5验证煤矸石的含量553／1106.983=49.956%2.5对煤矸石的量进行调整2.5.1煤矸石的加入假设煤矸石的用量为553.5g煤矸石引入的氧化物量（g）,见下表：SiO2Al2O3MgOFe2O3CaO359.775138.37527.67516.60511.072.5.2计算磷镁矿的量设磷镁矿的量为Xg，经计算，按照加氧化镁足够的方法添加磷镁矿，这样其他两种氧化物就不会加多。12.216%×1000－27.675=X×0.478×95%X=208.071g2.5.3还需要引入纯组分氧化物试剂的量SiO2：50.586%×1000－357.775=146.085gAl2O3：32.620%×1000－138.375=187.825gFe2O3：2.689%×1000－16.605－208.071×0.689×0.03=5.984gCaO:：1.889%×1000－11.07－208.071×0.560×0.02=5.490g2.5.4计算原料的总量煤矸石+磷镁矿+纯组分氧化物试剂=553.5+208.071+187.825+146.085+5.984+5.490=1106.955g2.5.5验证煤矸石的含量553.5／1106.955=50.002%综上可知：煤矸石的加入量为553.5g

无机非金属材料工艺学课程设计某玻璃厂的一种玻璃配料工艺参数与所设数据如下:纯碱挥散率3.1%;玻璃获得率81.5%;碎玻璃掺入率25%;萤石含率0.85%;芒硝含率15%;煤粉含率4.7%;计算基础100Kg玻璃液;计算精度0.01。设有28%的CaF2与SiO2反应,生成SiF4而挥发,SiO2的摩尔量为60.09,CaF2的摩尔量为78.08。玻璃的设计成分见表1,各种原料的化学成分见表2。表1玻璃的成分设计(质量%)SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O SO3 总计72.4 2.10 0.2 6.4 4.2 14.5 0.2 100表2各种原料的化学成分(%)原料 含水量 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O Na2SO4 CaF2 C硅砂 4.5 88.63 6.46 0.34 0.42 0.16 3.48 砂岩 1.0 98.76 0.56 0.10 0.18 0.02 0.19 菱镁石 ? 1.74 0.29 0.42 0.84 46.39白云石 0.3 0.68 0.14 0.13 34.37 19.12纯碱 2.457.94 芒硝 4.2 1.19 0.26 0.14 0.52 0.38 41.42 95.42萤石 ? 24.52 2.37 0.43 51.8670.08 煤粉 ? 85.11根据已知条件,(1)试设计合适的原料配量表。(2)画出玻璃制备工艺流程图,并简要叙述各环节主要工艺参数与注意事项。1、萤石用量计算根据玻璃获得率得原料总量为:122.699kg设萤石的用量为xkg,根据萤石含率得:0.85%×100%得x1.488kg由表2可知引入1.488kg萤石将带入的氧化物量分别为:SiO21.488×24.52%?0.110.253kgAl2O31.488×2.37%0.035kgFe2O31.488×0.43%0.006kgCaO1.488×51.86%0.772kg?SiO20.11kg上式中的?SiO2是SiO2的挥发量,按下式计算:SiO2+2CaF2SiF4↑+2CaO设有28%的CaF4和SiO2反应,生成SiF4而挥发,设SiO2的挥发量为xkg,SiO2的摩尔质量为60.09,CaF4的摩尔质量为78.08,则:x60.09×1.488×70.08%×28%×0.112kg2、纯碱和芒硝用量的计算设芒硝引入量为xkg根据芒硝含率得下式:×100%15%得x5.251kg芒硝引入的个氧化物的量见表2.1表2.1由芒硝引入的各氧化物的量(kg)SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O0.0625 0.014 0.007 0.0273 0.0199 2.175纯碱用量21.27kg3、煤粉用量设煤粉用量为xkg,根据煤粉含率得:×100%4.7%得x0.277kg4、硅砂和砂岩用量的计算设硅砂和砂岩为xkg,砂岩用量为ykg,则:0.8863x+0.9876y72.4?0.253?0.06272.0850.0646x+0.0056y2.10?0.035?0.0142.051得:x27.566kgy48.251kg由硅砂和砂岩引入的个氧化物的量见表4.1表4.1由硅砂和砂岩引入的个氧化物的量(kg)原料 Si2O Al2O3 Fe2O CaO MgO Na2O硅砂 24.43 1.78 0.094 0.116 0.044 0.959砂岩 47.65 0.27 0.048 0.087 0.009 0.0925、白云石和菱镁石用量的计算设白云石的用量为xkg,菱镁石的用量为ykg,则:0.3437x+0.0084y6.4?0.772?0.027?0.116?0.0875.3980.1912x+0.4639y4.2?0.019?0.044?0.00974.126得:x15.647kgy2.446kg由白云石和菱镁石引入的个氧化物量见表5.1表5.1由白云石和菱镁石引入的个氧化物量(kg)原料 Si2O Al2O3 Fe2O3 CaO MgO白云石 0.106 0.0219 0.0203 5.3778 2.992菱镁石 0.0426 0.007 0.0103 0.0205 1.1356、校正纯碱用量和挥散量设纯碱的理论用量为xkg,挥散量为ykg,则:0.5794x14.5?2.175?0.959?0.092得x19.458kg×100%3.1%得y0.6225kg7、校正硅砂和砂岩用量设硅砂用量为xkg,砂岩用量为ykg,则:0.8863x+0.9876y72.4?0.2526?0.0625?0.0426?0.10671.9360.0646x+0.0056y2.1?0.03527?0.0137?0.007?0.0222.022得:x22.095kgy48.523kg8、把上述计算结果汇总成原料用料表玻璃获得率得计算:玻璃获得率82.78%已知条件:碎玻璃掺入率为25%;各种原料含水率见表1,配合料含水率为4%,混合机容量为1200kg干基,计算如下:1200kg中硅砂的干基用量为:[1200?1200×25%]×22.43%201.87kg硅砂的湿基量为211.38kg同理可计算其他原料,结果见表8.1表8.1原料用量表原料 用量kg % SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O SO3 含水率 干基 湿基硅砂 27.095 22.43 24.43 1.78 0.09 0.12 0.04 0.964.5 201.87 211.38砂岩 48.523 40.17 47.65 0.27 0.05 0.09 0.01 0.091.0 361.53 365.18白云石 15.647 12.95 0.11 0.02 0.02 5.378 2.99 0.3 116.55 116.90菱镁石 2.446 2.02 0.045 0.007 0.01 0.02 1.135 ? 18.18 18.18纯碱 19.458 16.1111.272.4 144.99 148.56纯碱挥散量 0.623 芒硝 5.251 4.35 0.062 0.014 0.007 0.027 0.02 2.1754.2 39.15 40.86萤石 1.488 1.23 0.253 0.035 0.006 0.772? 11.81 11.81煤粉 0.277 0.23? 2.21 2.21合计 120.808 100 72.55 2.126 0.183 6.407 4.195 14.49 0.1896.29 915.08碎玻璃240总计1221.291、玻璃制备工艺流程图2、主要原料硅砂、砂岩、菱镁石、白云石、纯碱、芒硝、萤石、煤粉其主要化学成分及含水率等工艺参数见表13、辅助原料3.1澄清剂硫酸盐原料.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。3.2着色剂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CoO、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3.3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等;常用的化学脱色剂有As203、Sb203、Na2S、硝酸盐等。3.4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。3.5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。3.6助溶剂选用氟化物(CaF2)作助溶剂加速玻璃的熔制过程。4、原料处理4.1、砂岩在机械破碎之前在1000℃以上进行煅烧,然后经过淬冷后用复摆式颚式破碎机粗碎、反击式破碎机细碎,采用机械振动筛筛分出0.15mm?0.80mm范围内的颗粒,电磁除铁后放入粉库待用。4.2、精选的硅砂经回转干燥筒进行干燥,干燥后其水分控制在0.2%以下,采用机械振动筛筛分出0.15mm?0.80mm范围内的颗粒,电磁除铁后放入粉库待用。4.3、菱镁石和白云石经颚式破碎机粗碎、反击式破碎机细碎,采用机械振动筛筛分出140目至8目之间颗粒,电磁除铁后分别放入粉库待用。4.4、用水把萤石表面冲洗干净,然后颚式破碎机粗碎、反击式破碎机细碎,电磁除铁后放入粉库待用。4.5、纯碱和芒硝拆包后经反击式破碎机细碎,采用机械振动筛筛分出0.10?0.50mm范围内的颗粒,电磁除铁后分别放入粉库待用。4.6、煤粉采用机械振动筛筛分出符合要求的颗粒,电磁除铁后放入粉库待用。4.7、碎玻璃经过料仓、皮带机、旋转垄式喷射管、沉淀池等设备清除所有的泥砂,是碎玻璃表面干净、明亮、便于分捡。然后通过皮带机,经反击式破碎机破碎后,用机械振动筛对碎玻璃进行分级,合适的碎玻璃块度为20~40mm,符合要求的碎玻经过电磁除铁后放入粉库待用。5、配合料的制备5.1、配合料的称量配料的称量用电脑控制,采用自动电子秤;其优点是可以实行远距离给定、远距离操作及回零指示,这样可达到配料线自动化。对秤的精度要求秤在出厂时的精度达到1/1000。5.2、配料的混合原料的混合指多种原料在外力作用下通过运动速度和方向的发生变化,使各种原料得到均匀分布的操作。混合系统主要由混合机、混合控制系统和混合机加水设备构成,混合机采用桨叶式混合机,桨叶式混合机是一种结构简单的混合机。在横向圆筒内,中间主轴旋转,带动焊在其上的括板回转,使配合料搅拌混合,它的使用和维修均较方便,混合机的装载量控制指标为40%。5.3、配合料的输送与储存配合料的输送与储存要求保证生产的连续性和均衡性,避免分层、结块和飞料。所选用设备:胶带输送机、?斗提升机。6、玻璃的熔化玻璃的熔化过程是一个很复杂的物理、化学过程。大体上可分为:硅酸盐的形成、玻璃液的形成、玻璃液的澄清、玻璃液的均化和玻璃液的冷却五个阶段。6.1、硅酸盐的形成硅酸盐生成反应在很大程度上是在固体状态下进行的,配合料各组分在加热过程中经过了一系列的物理的、化学的和物理化学变化,结束了主要反应过程,大部分气态产物逸散,到这一阶段结束时配合料变成了由硅酸盐和剩余SiO2组成的烧结物。对普通钠钙硅玻璃而言,这一阶段在800~900℃终结。对于普通钠-钙硅酸盐水泥来说,这一阶段结束后配合料转变为硅酸盐和残余石英颗粒组成的烧结体。6.2、玻璃液的形成烧结物继续加热时,在硅酸盐形成阶段生成的硅酸钠、硅酸钙、硅酸铝、硅酸镁及反应后剩余的SiO2开始熔融,它们间相互溶解和扩散,到这一阶段结束时烧结物变成了透明体,再无未起反应的配合料颗粒,在1200~1250℃范围内完成玻璃形成过程。但玻璃中还有大量气泡和条纹;因而玻璃液本身在化学组成上是不均匀的,玻璃性质也是不均匀的。由于石英砂粒的溶解和扩散速度比之其他各种硅酸盐的溶扩散速度低得多,所以玻璃形成过程的速度实际上取决于石英砂粒的溶扩散速度。石英砂粒的溶扩散过程分为两步,首先是砂粒表面发生溶解,而后溶解的SiO2向外扩散。这两者的速度是不同的,其中扩散速度最慢,所以玻璃的形成速度实际上取决于石英砂粒的扩散速度。由此可知,玻璃形成速度与下列因素有关:玻璃成分、石英颗粒直径以及熔化温度。除SiO2与各硅酸盐之间的相互扩散外,各硅酸盐之间也相互扩散,后者的扩散有利于SiO2的扩散。硅酸盐形成和玻璃形成的两个阶段没有明显的界限,在硅酸盐形成阶段结束前,玻璃形成阶段就已开始,而且两个阶段所需时间相差很大。6.3、玻璃液的澄清玻璃液的澄清过程是玻璃熔化过程中极其重要的一环,它与制品的产量和质量有着密切的关系。对通常的钠钙硅玻璃而言,此阶段的温度为1400~1500℃。在硅酸盐形成与玻璃形成阶段中,由于配合料的分解、部分组分的挥发、氧化物的氧化还原反应、玻璃液与炉气及耐火材料的相互作用等原因析出了大量气体,其中大部分气体将逸散于空间,剩余气体中的大部分将溶解于玻璃液中,少部分以气泡形式存在于玻璃液中,也有部分气体与玻璃液中某种组分形成化合物,因此,存在于玻璃液中的气体主要有三种状态,即可见气泡、物理溶解的气体、化学结合的气体。对玻璃配合料的气体率、玻璃的得率的计算可知玻璃熔化过程中,放出的气体的量约为配合料质量的15%~20%。6.4、玻璃的均化均化过程是为了消除玻璃液中条纹和其他化学组成与玻璃液组成的不均匀体,从而获得化学组成均匀一致的玻璃液。均化过程就是不均匀体在玻璃液中的溶解,扩散过程。由于扩散速度明显低于溶解速度,故均化过程的快慢取决于不均匀体的扩散速度的大小。不均匀体与玻璃液组成间的浓度差是不均匀体溶解和扩散的源动力。熔窑不同部位玻璃液的浓度差引起的自然对流也有助于不均匀体的扩散。除此之外,搅拌、鼓泡等辅助措施引起的玻璃液的强制对流也促进了不均匀体的溶解和扩散。6.5、玻璃液的冷却为使玻璃液满足成形所需的黏度要求,经高温澄清、均化后的玻璃液需进一步降温冷却。整个冷却过程应力求平稳进行,以保证玻璃液的热均匀性,并防止出现温度波动,以免引起二次气泡。玻璃熔化的五个阶段在实际生产中是难以完全分开的,有时甚至是同步发生的。浮法窑平面图l-投料口;2-熔化部;3、6-小炉;4-冷却部;5-流料口浮法窑立面图1-小炉口;2-蓄热室;3-格子体;4-底烟道;5-联通烟道;6-支烟道;7-燃油喷嘴7、玻璃的成型及工艺制度玻璃的浮法成型原理是玻璃液从池窑连续流入并浮在有还原气氛保护的锡液上;由于各物相界面张力和应力的综合作用,摊成厚度均匀,上下两表面平行,平整和火抛光的玻璃带,经冷却硬化后脱离锡液,再经退火,切割而得浮法玻璃。浮法生产的成型过程是在锡槽中进行的。锡槽各部分尺寸项目数值项目数值玻璃带宽度B/m4.4窄段长度L2/m21.6拉引量Q/(t/d)600收缩段长度/m3拉引速度V3(m/s)750锡槽宽度S83mm玻璃带在锡槽中停留时间T3/min4.75宽段长度S1/m7.6保护气用量Vm3/h2000窄带宽度S2/m5锡槽长度L/m60收缩段水平宽度S3/m6.3宽段长度L1/m35.34锡槽面积F/m2417高温(1050℃)锡液面上的玻璃液,再没有外力作用下,其所受重力和表面张力达到平衡时,玻璃带的厚度有一个固定植,成为平衡厚度,数值约为6~7mm。因为玻璃的表面张力随玻璃液的温度而变化,所以平衡厚度也随具体条件的不同有所差异。实际上由于外加纵向拉力,此值略小。欲使玻璃带厚度薄于或厚于平衡厚度,应采取相应措施。如生产浮法玻璃时采用机械拉边法,即在锡槽中段玻璃带的两边放置若干横向拉边器,拉边其主要起横向拉边作用和阻止退火窑辊子的纵向拉力传递到高温区的玻璃带上,以减少其横向收缩,当提高拉引速度后,玻璃带逐渐被拉薄,宽度也有所减少。而生产浮法厚玻璃时则在锡槽高温区两侧设置石墨挡边器,以阻止玻璃液摊薄。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,把即将硬化的玻璃带引出锡槽,通过过渡辊台进入退火窑。徐冷拉薄法和强冷拉薄法有括号和虚线者为强冷拉薄法.其余为徐冷法浮法生产示意图1一流槽;2?玻璃液;3?壁顶;4一玻璃带5?锡液6?槽底;7一保护气体管道。8一拉边器;9一过渡辊台;10?闸板7.1徐冷拉薄法成型工艺制度7.11、玻璃通过坎式宽流槽流入锡槽,温度约为1100℃7.12、摊平抛光区,温度约为1050~900℃,玻璃液粘度为102.7~103.2Pa?s。连续均匀流入锡槽的玻璃液在锡液表面,摊平并被抛光,摊平抛光过程所需时间约为2min。7.13、徐冷区,温度由900℃降至850℃,玻璃液粘度从103.2Pa?s变为104.25Pa?s7.14、拉薄区,温度从850℃降至700℃,玻璃液粘度为104.25?105.75Pa?s。该粘度下,表面张力使玻璃变厚作用已不明显,受拉力作用玻璃易于伸展变薄,且厚度、宽度几乎按比例减小。玻璃带在该区形成一个收缩过渡段,或称为变形区。拉边辊都设在此区。7.15、硬化区,温度从700℃降至650?600℃,玻璃液粘度为105.75?1010Pa?s。由于粘度迅速增加,使其能在原状情况下被拉出锡槽进入退火窑。如锡槽出口温度偏高,则玻璃带在被引上转动辊时,会出现塑性变形。反之,温度过低,则会断板,并使锡液的氧化加剧。玻璃的退火及工艺制度8.1退火窑技术指标生产能力:600t/d原板宽:4000?4400mm原板厚;3?19mm玻璃板进窑温度:600士10℃玻璃板出窑温度:士70℃玻璃板进窑横向温差:15℃玻璃板出窑B区温度波动:士2℃8.2、玻璃的退火工艺制度玻璃的退火温度范围为了消除玻璃中的永久应力,必须将玻璃加热到转变温度Tg附近的某一温度,使应力松弛。这个选定的保温均热温度称为退火温度,玻璃的最高退火温度是指在此温度下经过3min能消除应力95%,一般相当于退火点的温度,也叫退火上限温度;最低退火温度是指在此温度下经3min只能消除应力5%,也叫退火下限温度。最高退火温度至最低退火温度之间称为退火温度范围。平板玻璃550?570℃,一般采用的退火温度都比最高退火温度低20?30℃最低退火温度低于最高退火温度50?150℃。玻璃退火工艺制度玻璃制品的退火包括加热、保温、慢冷、快冷四个阶段。8.21加热阶段玻璃制品进入退火窑后,必须把制品加热到退火温度。玻璃在加热时,其表面层受压应力,内层受张应力。由于玻璃的抗压强度约是其抗张强度的10倍,所以,加热速度可以较快。但在加热过程中温度梯度所产生的暂时应力与固有应力之和不能大于其抗张强度极限,否则将发生破裂。一般技术玻璃加热速度取值为最大加热速度的15%?20%。8.22保温阶段主要目的是消除快速加热时制品存在的温度梯度,并消除制品中所固有的内应力。这一阶段的主要参数是退火温度和在此温度下的保温时间。8.23慢冷阶段在玻璃中原由应力消除后,必须防止在降温过程中由于温度梯度产生新的应力。这主要靠正确的制定并严格控制玻璃在退火温度范围的冷却制度来实现。这个阶段的冷却速度应该很低,尤其在温度较高阶段。因为这时由温度梯度产生的应力松弛速度很大,转变成永久应力的趋势大,所以初冷速度应最低。慢冷速度主要有制品所允许的永久应力决定。慢冷阶段的结束温度,必须低于玻璃的应变点,即要使玻璃冷却到玻璃的结构完全固定以后,才不会有永久应力产生的可能。8.24快冷阶段快冷阶段是指应变温度到室温这段区间。在本阶段内只能引起暂时应力,在保证制品不致因热力而破坏的前提下,可以尽快冷却玻璃制品。9、玻璃板的切割玻璃的切割是采用金刚石刀具直接切割或划痕后施加外力使伤痕处收到张应力而切断。平板玻璃生产时,使用超应力砂轮在线切割;而平板玻璃的深加工时的进一步切割是在大型自动切割机上完成的。玻璃的切割时常加入煤油、水或研磨液等液体,起到提高切割效率和保护刀具的作用。生产能力:600t/d玻璃原板宽度:4000?4400mm玻璃厚度:3?19mm玻璃温度:70℃在线切割玻璃板尺寸:最大4000mm6000mm最小1830mm1650mm横向切割精度:士1mm纵向切割精度:士1m对角线偏差:最大3mm10、原片装箱:采用水平堆垛机将玻璃板从工作台移至木质玻璃箱内11、注意事项1、须严格控制原料的含水率2、在玻璃重熔后,易挥发组分将进行第二次挥发,导致组分的含量减少。3、由于玻璃液对耐火材料的侵蚀,使玻璃中增加Fe2O3和Al2O3的含量,所以二次融化就产生二次积累。5、某些化学稳定性较差的玻璃,由于表面水解造成表面成分与内层成分之间的差别,若熔制温度较低或玻璃液对流不大时,在熔制玻璃内部往往会留下明显的线痕。6、在玻璃重熔时,热分解会使Fe2O3会转变成FeO,同时铁的变价,也影响到硒的脱色作用,使玻璃的颜色变坏。热分解放出的氧,容易扩散到周围的气泡中去,与之一同逸出玻璃液外,导致玻璃缺氧,呈还原性熔制,。对变价元素为基础的颜色玻璃会引起色泽上的变化。7、在碎玻璃中含有少量的化学结合气体,在重熔时产生相当于二次气泡那样的微笑气泡。因此,加入碎玻璃多时就难以澄清。8、在使用外购碎玻璃时,要进行清洗,选择。除去杂质,特别是要用磁选法除去金属杂质。同时,必须进行化学分析,根据其化学成分,对配合料作适当调整。.9、熔窑的熔制温度是最重要的因素。温度越高,硅酸盐反应越强烈,石英颗粒的溶解与扩散越快,玻璃液的去泡和均化也越容易。试验表明,在1450~1650℃范围内,每升高10℃可使熔化能力增加5%~10%。因此,提高熔窑温度是强化玻璃熔融,提高熔窑生产率的最有效措施。但必须注意:随着温度的升高,耐火材料的侵蚀将加快,燃料耗量也将大幅度提高。二、某水泥厂采用煤料分别粉磨法,已知原燃料的有关分析数据如表1、表2所示,熟料热耗为4086kJ/(kg熟料)。熟料率值为KH0.87±0.1,n2.0±0.1,p1.3±0.1。入磨原料水分控制值为石灰石0.8%,粘土1.7%,铁粉4%。试求白生料的各原料入磨配合比。计算精确至0.01。表1原料与煤灰的化学成分(%)名称 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO 烧