文档介绍：第12章玻璃的熔制
玻璃的熔制过程
熔制是玻璃生产中重要的工序之一,它是配合料经过高温加热形成均匀的、无气泡的、并符合成形要求的玻璃液的过程。玻璃制品的大部分缺陷主要在熔制过程中产生的,玻璃熔制过程进行的好坏与产品的产量、质量、合格率、生产成本、燃料消耗和池窑寿命都有密切关系,因此进行合理的熔制,是使整个生产过程得以顺利进行并生产出优质玻璃制品的重要保证。
玻璃的熔制是一个非常复杂的过程,它包括一系列物理的、化学的、物理化学的现象和反应,这些现象和反应的结果使各种原料的机械混合物变成了复杂的熔融物即玻璃液。
为了尽可能缩短熔制过程和获得优质玻璃,必须充分了解玻璃熔制过程中所发生的变化和进行熔制所需要的条件,从而寻求一些合适的工艺过程和制定合理的熔制制度。
各种配合料在加热形成玻璃过程中有许多物理的、化学的和物理化学的现象是基本相同的,其主要变化如表12-1所示:
表12-1配合料在加热形成玻璃过程中的变化
序号
物理变化过程
化学变化过程
物理化学变化过程
1
配合料加热
固相反应
生成低熔混合物
2
吸附水的排除
盐类分解
各组分间相互溶解
3
个别组分的熔化
水化物的分解
玻璃和炉气介质间的相互作用
4
多晶转变
化学结合水的排除
玻璃和耐火材料之间的相互作用
5
个别组分的挥发
各组分相互作用并形成硅酸盐的反应
玻璃熔制过程大致上可分为五个阶段,即硅酸盐形成、玻璃形成、澄清、均化和冷却成形等。现将这五个阶段的特点分述如下:
(1) 硅酸盐形成阶段
硅酸盐生成反应在很大程度上是在固体状态下进行的。料粉的各组分发生一系列的物理变化和化学变化,粉料中的主要固相反应完成,大量气体物质逸出。这一阶段结束时,配合料变成由硅酸盐和二氧化硅组成的不透明烧结物。大多数玻璃这个阶段在800~900°C时完成。
(2) 玻璃形成阶段
由于继续加热,烧结物开始熔融,低熔混合物首先开始熔化、同时硅酸盐与剩余的二氧化硅相互熔解,烧结物变成了透明体,这时已没有未起反应的配合料,但在玻璃中还存在着大量的气泡和条纹,化学组成和性质尚未均匀一致,普通玻璃在这个阶段的温度约为1200~1250°C之间。
(3) 澄清
随着温度的继续提高,粘度逐渐下降,玻璃液中的可见气泡慢慢跑出玻璃进入炉气,即进行去除可见气泡的所谓澄清过程。
普通玻璃的澄清过程在1400~1500°C,澄清时玻璃液的粘度维持在10Pa·s左右。
(4) 均化
玻璃液长时间处于高温下,由于玻璃液的热运动及相互扩散、条纹逐渐消失,玻璃液各处的化学组成与折射率亦逐渐趋向一致,均化温度可在低于澄清的温度下完成。
(5) 冷却
通过上述四个阶段后玻璃的质量符合了要求。然后,将玻璃液的温度冷却200~300°C,
使粘度达到形成所需要的数值(一般在η为102~103Pa·s)。
以上所述玻璃熔制过程的五个阶段,大多是在逐步加热情况下进行研究的。但在实际熔制过程中是采用高温加料,这样就不一定按照上述顺序进行,而是五个阶段同时进行。
玻璃熔制的各个阶段,各有其特点,同时他们又是彼此互相密切联系和相互影响的。在实际熔制过程中,常常是同时进行或交错进行的。这主要决定于熔制的工艺制度和玻璃熔窑结构的特点。它们之间的关系可以用图12-1表示。
图12-1 玻璃熔制过程各阶段关系图
在玻璃的熔制过程中存在着固相、液相和气相。以上诸项相互作用,由此而构成极为复杂的相的转化和平衡关系。纵观玻璃的熔制过程,其实质一是把配合料熔制成玻璃液;二是把不均质的玻璃液进一步改善为均质的玻璃液,并使之冷却到成形所需的粘度。因此也有把玻璃熔制的全过程分为两个阶段,即配合料的熔融阶段和玻璃液的精炼阶段。
硅酸盐形成和玻璃的形成
配合料的加热反应
玻璃通常是由SiO2、Al2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O所组成,根据玻璃的不同要求还可以引入其它氧化物,如B2O3、ZnO、BaO、PbO等。为研究玻璃的熔制,就必须了解配合料各组分在加热过程中的各种反应。。
从单组分的加热反应来看,其变化可归纳为:
(1) 多晶转变
具有多种晶型的组分,在高温下可有一种晶型转变为另一种晶型。
(2) 盐类分解
各种碳酸盐、硫酸盐和硝酸盐在一定温度下均发生分解并释放出气体。
(3) 析出结晶水和化学结合水
从多组分的加热反应来看,可以得出如下结论:
它不仅包括单组分加热反应所具有的特点,而且还包括多组分所特有的加热反应,即硅酸盐形成反应和形成复盐的反应。例如,在三组分中可形成复盐和低共熔混合物。又如,以CO2为例,它可来自:
(1)单组分的
各种碳酸盐的热分解。
(2)双组分的
各种碳酸盐的热分解和