浮法玻璃课程设计说明书Word文档格式.docx

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18世纪，为适应研制望远镜的需要，制出光学玻璃；

1874年，比利时首先制出平板玻璃。

　　　1906年，美国制出平板玻璃引上机，此后，随着玻璃生产的工业化和规模化，各种用途和各种性能的玻璃相继问世。

现代，玻璃已成为日常生活、生产和科学技术领域的重要材料。

300多年前，一艘欧洲腓尼基人的商船，满载着晶体矿物“天然苏打”，航行在地中海沿岸的贝鲁斯河上。

由于海水落潮，商船搁浅了。

于是船员们纷纷登上沙滩。

有的船员还抬来大锅，搬来木柴，并用几块“天然苏打”作为大锅的支架，在沙滩上做起饭来。

船员们吃完饭，潮水开始上涨了。

他们正准备收拾一下登船继续航行时，突然有人高喊：

“大家快来看啊，锅下面的沙地上有一些晶莹明亮、闪闪发光的东西！

”船员们把这些闪烁光芒的东西，带到船上仔细研究起来。

他们发现，这些亮晶晶的东西上粘有一些石英砂和融化的天然苏打。

原来，这些闪光的东西，是他们做饭时用来做锅的支架的天然苏打，在火焰的作用下，与沙滩上的石英砂发生化学反应而产生的晶体，这就是最早的玻璃。

后来腓尼基人把石英砂和天然苏打和在一起，然后用一种特制的炉子熔化，制成玻璃球，使腓尼基人发了一笔大财。

大约在4世纪，罗马人开始把玻璃应用在门窗上。

到1291年，意大利的玻璃制造技术已经非常发达。

“我国的玻璃制造技术决不能泄漏出去，把所有的制造玻璃的工匠都集中在一起生产玻璃！

”就这样，意大利的玻璃工匠都被送到一个与世隔绝的孤岛上生产玻璃，他们在一生当中不准离开这座孤岛。

1688年，一名叫纳夫的人发明了制作大块玻璃的工艺，从此，玻璃成了普通的物品。

第二章玻璃的设计特点

2.1玻璃的定义及特征

玻璃的定义：

一种较为透明的固体物质，在熔融时形成连续网络结构，冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类非金属材料。

普通玻璃化学氧化物的组成（Na2O·

6SiO2）,主要成份是二氧化硅。

玻璃的特性：

1.各向同性：

均质玻璃在各个方向的性质如折射率、硬度、弹性模量、热膨胀系数等性能相同。

2.介稳性：

当熔体冷却成玻璃体时，它能在较低温度下保留高温时的结构而不变化。

3.可逆渐变性：

熔融态向玻璃态转化是可逆和渐变的。

4.连续性：

熔融态向玻璃态转变时物理化学性质随温度变化是连续的。

浮法工艺优点多例如建设快，质量好，产量高，成本低，品种多等。

所以为进一步提高产品质量和产量，节约成本，我们将使用浮法工艺来生产玻璃。

2.2玻璃组成的设计原则：

根据组成、结构和性能的关系，使设计出来的玻璃满足预订的性能要求。

根据玻璃成型或相图，使设计出的组成在成型区内，并且析晶倾向小。

根据生产条件，使设计出的玻璃能适应熔制、成形、退火及精加工的要求。

1.熔制方面。

要求玻璃易于熔化、澄清和均化，要有适合的气体比，对耐火材料的侵蚀要小。

2.成形退火方面。

要求玻璃的R——温度曲线应符合成形作业要求，塑性“长”“短”既要考虑成形方法和设计要求，又要保证退火要求。

3.加工方面。

适合于切、钻、磨等冷加工要求和钢化、热弯、热熔等热加工要求。

4.设计玻璃的成本低廉，原料易得，符合环保要求。

第三章浮法玻璃的成分及物料的衡算

3.1浮法玻璃化学成分

SiO2：

硅砂，硅石粉

降低玻璃热膨胀系数，提高热稳定性、化学稳定性、软化温度、硬性机械强度

AL2O3：

硅砂，白云石

降低玻璃的结晶倾向，提高玻璃的化学稳定性和热稳定性、机械强度、硬度和折射率

Fe2O3：

硅砂，石灰石

属于杂质，少量可以引起玻璃着色

CaO：

石灰石，白云石

能增加的化学稳定性，在高温时能够降低玻璃的粘度，有利于玻璃的澄清和融化，在温度降低时，玻璃的粘度增加，成型后必须立刻进行退火，否则易炸裂

MgO：

白云石

可以改善玻璃的成型性能，降低结晶倾向和结晶速度，增加玻璃的高温粘度，提高玻璃的化学稳定性和机械强度

Na2O：

纯碱，芒硝

可以降低玻璃的粘度，使玻璃易于融化，有利于降低溶质温度，节约能源的作用，是最好的助熔剂。

碎玻璃

可以节约原料，加速玻璃熔制过程，节约能耗，提高融化率，有利于澄清和均化，改善成型性能，而且保管简便

3.2物料的衡算

物料衡算的目的：

计算各种原料的需要量以及从原料进厂至成品出厂各工序所需处理的物料量，作为工厂原料需要量，运输量，工艺设备选型计算的依据

根据玻璃组成和所用的化学组成来进行配料计算。

在计算中，应该认为在加热的过程中全部分解逸出，而分解后的氧化物则全部转入玻璃组成中去。

随着对制品质量要求不断的提高，必须考虑会影响玻璃组成的各种因素。

例如，耐火材料的侵蚀，原料的飞料损失以及玻璃的组成等。

因而在配料计算时，应对某些组成作适当的增件和修正，以保证设计组成尽如期望而实现。

3.3工艺参数

（1）芒硝含率芒硝含率指由芒硝引入的Na2O与芒硝和纯碱引入的Na2O总质量之比，即

芒硝含率=芒硝中引入Na2O量/芒硝中引入的Na2O量+纯碱中引入的Na2O量

芒硝含率随原料供应和熔化情况而异，一般应该在3%---6%之间

（2）碎玻璃掺入量碎玻璃掺入率指配合料中碎玻璃用量与配合料总量之比，即碎玻璃掺入量=碎玻璃量/生料量+碎玻璃量

它随着熔化条件与碎玻璃的贮存量而增减，正常情况下一般应为15%---25%

表2.原料成分表

表1玻璃的设计成分

单位：

%

硅砂

硅石粉

白云石

纯碱

芒硝

石灰石

SiO2

91.60

99.35

4.00

2.60

Al2O3

4.21

0.34

0.40

CaO

0.52

0.15

31.00

54.00

MgO

0.17

0.10

21.20

0.94

Na2O

3.21

57.91

42.79

Fe2O3

0.29

0.05

0.19

0.13

损失量

2

0.5

含水量

3

0.1

1

表2各种原料的化学成分

SO3

72.8

0.9

8.2

4.52

13.26

0.12

0.20

玻璃获得率83%芒硝含率4%

碎玻璃掺入量19%计算基础100Kg玻璃液

计算精度0.01

3.3物料的计算

纯碱和芒硝的用量

芒硝（X）：

42.79%X／13.26=4%

纯碱（Y）：

Y=（13.26-0.4279X）/0.5791

解得X=1.23954195

Y=20.33679068

硅砂与硅石粉的用量，分别设为X和Y

0.9160X+0.9935Y=72.80

0.0421X+0.0034Y=0.9

解得X=16.7036

Y=57.8757

表3由砂岩和长石引入的各氧化物量

单位：

kg

用量

16.7036

0.02839612

0.0868587

0.5361856

57.8757

0.0578557

0.0868136

3.白云石和石灰石的用量，分别设为X和Y

0.31X+0.54Y=8.2-0.0868136-0.0868587=8.026328

0.212X+0.0094Y=4.52-0.02839612-0.0578557=4.433728

解得X=20.7895

Y=2.9289

表4由白云石和石灰石引入的各氧化物量

20.7895

0.83158

0.083158

2.9289

0.0761514

0.0117156

4.对硅砂和硅石粉用量的校正，分别设为x和y

0.9160x+0.9935y=72.80-0.83158-0.0761514=71.89227

0.0421x+0.0034y=0.9-0.083158-0.0117156=0.805126

解得x=14.3485

Y=59.1334

硅砂中含Na2O的量为0.4605869

5.对芒硝和纯碱的用量校正

芒硝（x）：

0.4279x/（13.26-0.4605869）=4%

纯碱（y）:

y=（13.26-0.4605869-0.4279x）/0.5791

解得x=1.196486389

Y=21.18634631

表5生产100Kg玻璃液物料用量

原料

含量

14.34

11.93

13.14

0.604

0.074

0.024

0.460

0.042

59.13

49.17

58.74

0.201

0.088

0.059

0.030

20.78

17.28

0.83

0.083

6.44

4.40

0.208

2.92

2.44

0.076

0.012

1.58

0.028

0.004

21.18

17.62

12.26

1.20

1.00

0.512

合计

119.58

99.44

72.80

0.900

8.10

13.24

0.282

碎玻璃的掺入量为A，原料总量为B

A+83%B=100A/B=19/77

A=22.92B=92.87

解得碎玻璃掺入量为22.92

玻璃获得率为100/119.58=83.62%

表6生产460t浮法玻璃需要的原料

碎玻璃

干基

53.15

219.07

76.99

10.87

78.50

4.46

107.90

550.94

湿基

54.23

225.84

77.07

10.88

79.29

4.47

559.68

需求

55.33

230.45

77.45

10.93

79.68

4.49

266.23

第四章浮法平板玻璃的工艺

浮法玻璃生产工艺是指玻璃液在熔融金属液面上漂浮成型的平板玻璃生产的工艺方法。

该方法不需要经过磨光，却能得到与磨光玻璃同样的平整度、两面光滑的平板玻璃，而且具有生产的玻璃质量好、品种多、产量高、作业周期长等优点，是目前生产平板玻璃应用最广泛的工艺。

浮法玻璃生产工艺一般包括四个主要步骤：

●配料

●熔制

●成型

●退火

图1浮法平板玻璃的工艺流程图

4.1玻璃的熔制过程

在玻璃生产中，混合均匀的配合料经过高温加热熔融，形成均匀、透明、纯净适合于成型玻璃液的过程称为玻璃的熔制。

玻璃熔制是玻璃生产过程中非常重要的环节，熔制的质量和速度决定着产品的质量和产量。

玻璃熔制是一个非常复杂的过程，它包括一系列的物理变化、化学变化、物理化学的变化。

其主要变化过程见表7。

表7配合料加热时的各种变化

物理变化

化学变化

物理化学变化

配合料加热

各种盐类的分解

固相反应

配合料脱水

水化物的分解

共熔体的生成

各组分的熔化

化学结合水的排除

固态的溶解和液态间的互溶

某些组分的多晶转化

组分间的相互反应及硅酸盐的形成

玻璃液、炉气、气泡的相互作用

个别组分的挥发

玻璃液与耐火材料间的作用

从配合料加热到熔制成玻璃液，玻璃的熔制过程大体上可分为五个阶段：

（1）硅酸盐的形成

配合料中的各组分在800～1000℃温度范围发生一系列物理的、化学的和物理-化学的反应，如粉料受热、水分蒸发、盐类分解、多晶转变、组分熔化以及石英砂与其他组分之间进行的固相反应。

这个阶段结束时，大部分气态产物从配合料中逸出,配合料最后变成由硅酸盐和二氧化硅组成的不透明烧结物。

（2）玻璃液的形成

配合料加热到1200℃时，形成了各种硅酸钠盐，出现了一些熔融体，还有一些未熔化的石英砂粒。

伴随着温度的继续升高，硅酸盐和石英砂粒完全熔解于熔融体中，成为含大量可见气泡、条纹、在温度上和化学成分上不够均匀的透明的玻璃液。

（3）玻璃液的澄清

玻璃液形成阶段生产的产物含有大量的可见气泡，从玻璃液中去处可见气泡的过程称为玻璃液的澄清。

玻璃液的黏度随温度的升高而降低，黏度低则玻璃液的流动性好，有利于气泡的排除，所以，玻璃澄清的过程应处于高温阶段，约为1400℃。

（4）玻璃液的均化

玻璃液形成后，其化学成分和温度分布都不够均匀，所以需进行均化。

玻璃液的均化与澄清阶段没有明显的界限，均化阶段结束的温度可低于澄清的温度。

（5）玻璃液的冷却

澄清均化后的玻璃液温度高、黏度低、不适合成型，需要均匀冷却到成型温度，以适应制品成型的需要。

浮法玻璃冷却阶段结束的温度在1100～1050℃左右。

玻璃熔制的五个阶段，各有特点，互不相同，但又彼此密切联系、相互影响。

在实际生产中，五个阶段没有明显的界限，往往是交错进行的。

如硅酸盐形成阶段尚未结束，玻璃液形成阶段已经开始，硅酸盐形成阶段进行速度极快，而玻璃液形成阶段进行却很缓慢，有时生产上把这两个阶段看成是一个阶段，称为配合料熔化阶段。

图2熔窑截面图

4.2浮法玻璃的成型原理

浮法玻璃的成型原理是让处于高温熔融状态的玻璃液浮在比它重的金属液表面上，受表面张力作用使玻璃具有光洁平整的表面，并在其后的冷却硬化过程中加以保持，则能生产出接近于抛光表面的平板玻璃，基本路线示意图如图所示。

图3浮法生产工艺示意图

1-窑尾；

2-安全闸门；

3-节流闸板；

4-流槽；

5-流槽电加热；

6-锡液；

7-锡槽槽底；

8-锡槽上部加热空间；

9-保护其他管道；

10-锡槽空气分隔墙；

11-锡槽进口；

12-过渡辊台传动辊子；

13-过渡辊台加热；

14-退火窑；

15-锡槽顶盖；

16-玻璃带

4.3浮法玻璃的成型基本过程

浮法玻璃的成型过程原理主要是描述玻璃液在锡液面上的摊开过程、平衡厚度、抛光时间、玻璃液的拉薄或增厚。

①玻璃液在锡液面上的摊平过程

自然界的液体自由表面是最光滑平坦的，所以密度大的液体就可以起到理想的成型模具的作用。

借鉴玻璃液和锡液不起化学反应以及互不浸润原理，同时后者的密度大于前者，因而玻璃液可浮在锡液面上。

两者的静态接触从物理化学上讲属于液体-液体-气体的三相平衡系统，即玻璃液-锡液-保护气体三相系统[3]。

玻璃液只是有限度地摊开，当摊开到一定程度时，玻璃液的表面张力和重力充分起作用并达到平衡，玻璃液就形成一定厚度的表面光滑平整的液层。

②平衡厚度

浮在锡液面上的玻璃液，在没有外力作用的情况下，它的厚度主要取决于两个因素：

一个是表面张力，它力图使玻璃收缩增厚，从而使其表面积最小；

二是重力，他力图使玻璃液变薄展开，从而使其位能最低。

当两种相反倾向的力相等时，即达到了平衡。

此时玻璃液的厚度，称之为平衡厚度。

③玻璃液的拉薄

玻璃液在重力和表面张力平衡时，在锡液面上形成自然厚度约7mm的玻璃带。

拉引厚度小于自然厚度的玻璃时，必须对玻璃带施加一定的拉力。

但是当增加拉引速度时，随着拉引力的增加，玻璃宽度和厚度就成比例地减小，因为在玻璃带被拉薄的同时，表面张力的作用使得玻璃带增厚或使带宽有所收缩，因此要使拉薄过程有效地、顺利地进行，必须选择适宜的温度范围、采用合理的工艺参数和拉薄措施。

实践证明[6]，温度范围883～769℃，相应的黏度范围为104.25～105.75Pa·

s时，有利于玻璃带的拉薄，同时，玻璃带在拉薄区内获得了展薄。

为了得到并维持玻璃带在拉薄区内所获得的宽度，在拉薄区玻璃带的两边，可根据工艺要求安置若干个拉边机。

薄玻璃的生产方法可分为低温拉薄法（或称加热重热法）和徐冷拉薄法（或称正常降温拉薄法）。

低温拉薄法是在玻璃带离开抛光区后急速冷却到700℃左右（黏度约108Pa·

s），然后进入加热重热区，将玻璃加热到850℃左右（黏度约106Pa·

s），此时，拉引速度增加，玻璃就被拉薄。

这种方法的特点是经过抛光后的玻璃带在急冷区被冷却到软化温度以下后被硬化，可以保证抛光的质量，并且可以取得良好的拉薄效果，但是，这种操作对玻璃带产生急冷急热作用，很难保证温度的均匀性，这种温度的不均匀性,可能会造成玻璃带的不均匀收缩，也可能造成抛光玻璃带质量下降。

另外，这种方法，能耗大，生产成本高。

徐冷拉薄法是目前常用的薄玻璃生产方法。

徐冷法没有急速冷却区和重热区，温度曲线是平缓下降的，不是马鞍形,避免了热冲击，玻璃带温度比较均匀，拉薄过程对玻璃质量没有明显影响。

徐冷拉薄法操作简单，耗电量小。

徐冷拉薄法的工艺过程可分为4个区，即

（1）摊平（抛光）区该区温度为1065～996℃，相应的黏度范围为102.7～103.2Pa·

s。

该区目的是使刚进锡槽的玻璃液能够充分摊平和抛光,达到自然平衡厚度。

（2）徐冷区该区温度为996～883℃，相应的黏度范围为103.2～104.25Pa·

在摊平区达到自然厚度的玻璃带因受出口拉辊牵引力的作用,在该区开始纵向伸展。

玻璃纵向伸展时将同时减少厚度和宽度,但后者比前者变化显著,因此在该区设置拉边辊,以保持宽度不变，使玻璃带的变化主要是减少厚度。

在这一区将使厚度减薄一半,拉边辊的摆角为5°

～10°

。

（3）成型区（或拉薄区）该区温度为883～769℃，相应的黏度范围为104.25～105.75Pa·

在该区根据生产需要，设置若干对拉边器，给玻璃带以横向和纵向拉力，使玻璃带横向拉薄，在玻璃带增宽的同时减小玻璃带的厚度。

（4）冷却区该区温度范围为769～600℃，相应的黏度范围为105.75～1010Pa·

玻璃带在该区不再展薄，而是逐步冷却，玻璃带出锡槽的温度为600℃左右。

4.4玻璃的退火

当玻璃在室温度与软化温度之间进行热处理时，其结构和性能往往能发生显著的变化,如应力的产生或消除、分相与析晶等等。

浮法玻璃退火是指熔融玻璃液在锡槽中成型后，于退火窑中通过适当控制温度降低速度，将玻璃带中产生的热应力控制在允许的范围内。

图4退火窑截面图

在玻璃工艺中，所谓玻璃的退火主要是指将玻璃置于退火窑中经过足够长的时间通过退火温度范围或以缓慢的速度冷却下来，以便不再产生超过允许范围的永久应力和暂时应力,或者说是尽可能使玻璃中产生的热应力减少或消除的过程。

玻璃退火的目的是消除浮法玻璃中的残余内应力和光学不均匀性，以及稳定玻璃内部的结构。

浮法玻璃的退火可分成两个主要过程：

一是内应力的减弱和消失，二是防止内应力的重新产生。

玻璃中残余内应力的减少或消除，只有将玻璃重新加热到开始塑性变形时才有可能。

玻璃在此塑性变形时的温度范围，称为玻璃的退火温度范围。

最高退火温度是指此温度下保温2min，应力可以消除95%，一般对应于玻璃的转变温度；

最低退火温度是指在此温度下保温2min，应力可以消除5%，一般对应于玻璃的应变温度。

这两个温度构成了玻璃的退火温度范围。

退火温度的上下限，一般介于50～100℃之间，它与玻璃本身的特性有关。