材料制备工程：6 玻璃配合料的制备

1、玻璃工艺学,1,玻璃配合料的制备,一、玻璃成分的设计和确定,一）玻璃成分设计原则： 、根据组成、性质和结构的关系，要求设计的玻璃满足预定 性能要求； 、设计的组成能形成玻璃而析晶倾向小； 、设计的玻璃必须符合熔制、成形等工艺要求； 、按设计生产的玻璃价格低、原料易得,具体地 首先：根据玻璃制品的物理-化学性能和工艺性能，选择合适的氧化物系统，确定-种总量达左右的主要氧化物含量。这里，在利用相图或玻璃形成区图选择组成点时，应当使组成点接近低共熔点或相界线，远离析晶区，以降低玻璃的析晶倾向,玻璃工艺学,2,二）玻璃成成分的设计和确定的过程 、提出设计玻璃的性能要求： 根据玻璃制品使用要求，列出以下

2、主要性能要求： 膨胀系数、软化点、热稳性、化稳性、机械强度、电学性质、 光学性质等以及如熔制温度、成形温度、退火温度等工艺性能。 有关的一些参数可以参照国家标准，同类产品性能要求,最后，还应当考虑加入适当的辅助原料如澄清剂、助熔剂等,此外还加入一些赋予玻璃必要性质而不使玻璃主要性质变差的 氧化物，使其组成氧化物在-种以上。这里须结合各种氧化物的作用，以及双碱效应、硼反常、铝反常等知识,玻璃工艺学,3,拟定玻璃的组成 一般有两类情况,选择玻璃组成点，拟定玻璃组成,对于已有成分作局部调整,然后按照有关性质计算公式算出主要性质，并与预期要求对照，不符和要求时，反复调整组成，直至达到要求，最终拟定玻璃

3、的组成,对于玻璃新成分的确定,有关相图,玻璃形成区图,首先：根据性能要求，参考已有成分，结合生产条件，调整玻 璃中各氧化物的比例，拟定出原始组成,玻璃工艺学,4,实验、测试、确定组成,性能测试,未达到要求,达到要求,中试,调整,熔制参数,组成确定，投产,组成,配料,实验,玻璃工艺学,5,三）玻璃新成分的确定方法举例,根据相图确定玻璃成分 设计一种化学仪器玻璃，要求热膨胀系数低于*,现采用- 系统由图可知，红点与黄点平衡温度分 别为 和 ，都处 于低共熔点，不易析晶。后者更易熔化， 添加其它成分后，一般所须温度会高出 低共熔点- ，工业窑炉 可以达到次温度。故可选此组成点,玻璃工艺学,6,该点组

4、成（）： ：.：.,另外，为了符合仪器玻璃的要求，加入一定量的其它氧化物。 因为要求的膨胀系数较小，所以加入的氧化物必须有利于降低热膨胀系数，为此加入半径小、电荷高的阳离子（如、等,最终经过性质计算，确定设计玻璃组成如下,玻璃工艺学,7,根据玻璃形成区图确定玻璃成分,图中黄色部分为玻璃生成区,设计一种色散低、折射率为1.548的 磷酸盐玻璃,其次，应注意： I、满足光学性能要求； II、磷酸盐玻璃中P2O5的量不可过 高，以免挥发过多不易控制光 学性质； III、具有足够化学稳定性，析晶倾 向小,根据以上特点，选择图中红点处为玻璃组成点(,P2O5：61.2,BaO:35.0,Al2O3:3.

5、8,玻璃工艺学,8,为进一步减少P2O5的挥发，提高化稳性，降低析晶倾向和调整 光学常数，以B2O3代替P2O5，以CaO和ZnO代替BaO，通过实验 和性质测定，确定组成如下,玻璃工艺学,9,四）对已有成分局部调整方法举例,由于实用性能的提高、生产上熔化率提高等原因，须通过少量 多次的方式逐渐调整以达到所设计的成分。 一般地，玻璃中Al2O3、ZrO等难熔物调整量要比SiO2、Na2O、 CaO的小些，后者较大，但一般也不宜超过0.1%，而对前者幅度就更小。这样可以保持正常生产，减少制品中缺陷的产生,现需要在近似器皿玻璃的成分基础上，设计一种刚化玻璃绝缘 子成分,原玻璃组成易熔制，料性太长，

6、抗电性能不高，化稳性对绝缘 子来说不高,玻璃工艺学,10,所以， 、必须降低碱含量，以提高抗电性，化稳性和料性。 、提高Al2O3的含量，增大粘度 、二价金属氧化物具有压制效应，因此，提高CaO量，减少 MgO量后加入BaO,降低电导和介电损耗，同时缩短了料性； 、利用双碱效应，调整NaO/K2O的比例，提高抗电性和化稳 性,调整结果如下,玻璃工艺学,11,二、配合料的计算,基础数据：玻璃的重量百分比组成和原料的干湿基化学成分（重量百分含量,计算程序 1、先以100公斤玻璃为计算基准，求出各原料的用量： 对含两种以上主要成分的原料，列出多元联立方程式，求解各原料的需要量； 对含单一成分的原料，

7、若 2 中算中已有某原料含此成分时，首先扣除其引入量，再计算还应加入的量。不然，则单独求其需要量； 2、计算辅助原料的需要量，若同时引入了主要成分，则须 减去引入此成分的主要原料相应的用量； 3、对挥发性成分，补加所挥发的量,玻璃工艺学,12,4、计算配料的气体率和产率,5、换算成一付配合料的原料用量并计算碎玻璃用量： 一付配合料（包括碎玻璃在内）的总重量由所选的混料机加 工能力决定，如500公斤,6、计算每付配合料原料湿基用量,玻璃工艺学,13,7、计算配合料中生料加水量,注意： 先计算干基用量，后计算湿基用量； 计算配合料的气体率应在引入辅助原料和补挥发之后进行，必要的情况下需调整气体率，

8、可用引入同量组成氧化物条件下气体生成量大的原料代替生成量小的原料，增加气体率；相反的替换则降低气体率。如碳酸钠与硝酸钠、白云石与碱式碳酸镁等之间的替换等。 若原料化学组成为湿基，则需求出干基总重，然后求加水量,玻璃工艺学,14,经过计算，应得出下列结果： 熔制100公斤玻璃液时所需的各种原料用量； 配合料气体率； 各挥发性原料补入量； 校正后配合料的料方； 按每付配料量（除去碎玻璃）求出增大系数，计算出每付配合料的干基料方； 湿基原料的用量； 配合料的加水量； 每付配合料中碎玻璃用量,玻璃工艺学,15,另外，已知配合料料方以及各原料的化学组成，求玻璃的化学 组成的过程： 根据各原料的成分和用量

9、，计算出每种原料引入玻璃中的氧 化物数量； 除去挥发性原料的挥发损失； 求各氧化物的总和，再计算出各氧化物的百分数，即所求的 玻璃成分,玻璃工艺学,16,三、配合料的制备,一）配合料的质量要求,1、具有正确性和稳定性： 即各原料的化学成分，配合料的水分和粒度要求正确并保持稳定。这就要求原料组成正确、稳定，料方计算正确，针对原料成分变化及时调整，经常校正称量设备，做到称量准确,2、具有一定量的水分： 加入一定量的水分，可以起减少粉尘、防止分层、加速熔化（先润湿石英原料，形成水膜，溶解3-5%的纯碱和芒硝）、提高混合均匀度的作用。 含水量：一般纯碱配合料在3-5%，芒硝配合料在3-7%，砂粒越细，

10、所需水量越多,注意纯碱配合料的水化特性造成的影响和针对措施,水分测定,玻璃工艺学,17,3、具有一定的气体率： 受热分解后所逸出的气体对配合料和玻璃液的搅拌作用有利于硅酸盐形成和玻璃均化。 过高和过低的气体率都不利于澄清。钠钙硅玻璃配合料气体率应在15-20%内，硼硅酸盐玻璃配合料则在9-15%内,4、具有高均匀度： 配合料均匀度高是熔制均匀玻璃液的前提。均匀度低会造成 熔制的不同步，导致缺陷产生和对耐火材料侵蚀的加剧,玻璃工艺学,18,均匀性的测定： 测定方法有滴定法、电导法、比重法、筛分析法等。现有人 提出在线监测法（如通过检测配合料的温度间接地分析出配合料的 均匀度）。 表示方法： 均匀

11、度=(Max测定值Min测定值)100% 一般均匀度要求95% 也可用允许误差表示：一般要求 水不溶物：小于0.1%； 酸不溶物：小于 0.1%； 含 碱 量：小于 0.50.6%； 水 分：小于 0.50.6,玻璃工艺学,19,5、配合料的氧化还原态势(Reducing and Oxydizing Potential,其中 wi-各原料以100公斤石英砂为基准的用量 Kg Ri-各原料的氧化还原数,玻璃工艺学,20,各种原料的氧化还原数,注意： + 氧化性，- 还原性； 其它原料氧化还原数为0,玻璃工艺学,21,配合料制备（掌握,玻璃组成的设计和确定(熟悉,设计依据,玻璃的物理和化学性质,玻

12、璃组成的表示,以组成玻璃的化合物的质量分数,配合料的计算（熟悉,依据,以玻璃的组成和原料的化学成分为基础，计算出熔化100kg玻璃液所需各种原料的用量，再算出每副配合料中，即500kg或1000kg玻璃配合料各种原料的用量,方法,预算法和联立方程式法,步骤,先进行粗算 进行校正 把计算结果换算成实际料单,配合料计算过程中的几个工艺参数,1）纯碱（芒硝）挥发率,指纯碱中未参与反应而挥发、飞散量与总量之比。即,是一个经验值，与加料方式、熔化方法、熔制温度、纯碱的特性等有关。一般为0.23.5,2）碳粉含率,由碳粉引入的固定碳与芒硝引入的Na2SO4之比。即,生产上一般控制在35,3）芒硝含率,由芒

13、硝引入的Na2O与芒硝和纯碱引入的Na2O总重量比。即,一般掌握在58,4）萤石含率,由萤石引入的CaF2量与玻璃总量之比,一般在1%以下,5）碎玻璃掺入率,指配合料中碎玻璃用量与配合料量之比,一般控制在2530,配合料的制备（掌握,配合料的质量要求 原料的运输和贮存 原料的加工处理 配合料的称量 配合料的混合 配合料的输送与贮存 配合料的质量检验与粒化,8.3.1配合料的质量要求,1必须具有正确性和稳定性,2具有一定的水份：用水润湿配合料，加水量随颗粒不同而不同。越细加水量越多。纯碱配合料加水量35%，芒硝配合料加水量57,注意,水温35,否则，Na2CO3将转化为Na2CO37H2O和Na

14、2CO310H2O，使配合料产生胶结作用,3要有一定的颗粒组成：可减少配合料的分层和提高混合质量。纯碱的颗粒度应比石英大一个筛号,4具有一定的气体率：易于澄清和均化。一般钠钙硅玻璃的气体率为1620,5必须混合均匀：配合料混合不均匀，会使玻璃产生结石、条纹、气泡等缺陷，易熔物较多的还会侵蚀耐火材料,一般玻璃制品对配合料均匀度要求,水不溶物：允许误差小于0.1% 酸不溶物：允许误差小于0.1% 含碱量：允许误差小于0.6% 水分：允许误差小于0.6,8.3.2原料的运输和贮存,原料在运输进厂前，要经过有关部门的化验和鉴定,原料运输分厂内和厂外两种。运输时应尽量减少粉尘，不使原料彼此污染，要注意除

15、铁,2原料的储存,1原料的运输,要满足一定的数量，考虑一定的储存期，分块状、粉状、化工、有毒原料的储存,各种原料容重,硅砂、砂岩、长石为1.8； 石灰石、白云石为1.7； 纯碱0.9；硫酸钠1.0,8.3.3原料的加工处理,原料的加工处理包括破碎、粉碎、过筛等过程,1工艺流程,单系统流程：各种矿物原料共同使用一个破碎、粉碎、过筛系统,多系统流程：每种原料各有一套破碎、粉碎、过筛系统,小型玻璃工厂,大中型玻璃工厂,混合系统：用量较多的原料单独为一个加工系统，用量小的性质相近的共用一个系统,大中型玻璃工厂,教材P228,2原料的干燥,目的：为了介于过筛、贮存和干法配料，须将水分含量的原料进行干燥,

16、方法：离心脱水、蒸汽加热、回转干燥筒、热风炉干燥器等,3原料的破碎的粉碎,破粉碎方法选择依据：依原料的粒度、硬度和需要粉碎的程度,硬度高的预先煅烧，可在原料内部产生许多裂纹，提高破碎比；减少机械铁的引入,砂岩粗碎前预先在1000以上进行煅烧,破粉碎方法,石灰石、白云石、长石、萤石常用鄂式破碎机粗破，锤式破碎机进行粉碎。 化工原料用锤式破碎机或笼形碾,4原料的过筛,目的：满足一定的颗粒组成以保证配合料的均匀混合和避免分层,过筛设备：六角筛、振动筛、摇筛等,控制,硅砂：3649孔/厘米2； 砂岩、石英岩、长石：81孔/厘米2； 纯碱、芒硝、石灰石、白云石：64孔/厘米2,5原料的除铁,目的：保证玻

17、璃的含铁量符合规定要求,方法 物理除铁筛分、淘洗、水力分级、超声波浮选和磁选等。 化学除铁（湿法、干法）除去石英原料中的铁化合物,常用磁选法（悬挂式电磁铁,6粉状原料的输送与料仓分层,用溜管、皮带机、斗式提升机等机械设备和气力输送设备进行输送入仓,加料与卸料方式会影响颗粒发生分层,8.3.4配合料的称量,1要求：快速、准确,2称量方法：分别称量、累计称量,分别称量：在每个粉料仓下面各设一称，原料称量后分别卸到皮带机上送入混合机中,累计称量：用一个称依次称量各种原料，每次累计计算重量，称后直接送入混合机,适用于排仓,适用于排仓和塔仓,3称：自动称和台称（磅称）。精度一般为1/500(1/1000)。要定期校正、维修,8.3.5配合料的混合,1配合料的加料顺序,石英（喷水）、长石、石灰石、白云石、纯碱和澄清剂、脱色剂； 石英（喷水）、纯碱、长石、石灰石、小料,加料为设备容积的3050%，混合时间25分,2混合设备,重力式（鼓形混合机、滚筒式混合机） 强制式（浆叶式、艾立赫式等,3小料予混合,芒硝、燃料予混合机MH80（搅拌容积80升、混合时间1分钟）或V型混合机,4碎玻璃的混合,依混合机不同