【正文】 第五章 硅酸鹽類材料的生產(chǎn)及工藝原理 材料工程基礎(chǔ) 第五章 硅酸鹽類材料的生產(chǎn)及工藝原理 硅酸鹽類材料，包括： ?玻璃、陶瓷、水泥、耐火材料等若干類型。 ?本章將分類介紹其生產(chǎn)工藝方法及原理。 ?第一節(jié) 玻璃的生產(chǎn)與加工 ?玻璃，從廣義上講包括單質(zhì)玻璃、有機(jī)玻璃和無機(jī)玻璃。狹義上一般僅指無機(jī)玻璃。 ? 無機(jī)玻璃的生產(chǎn)與加工工藝流程如圖 51所示。 ?不同產(chǎn)品與工藝的主要差異表現(xiàn)在各自的成分設(shè)計和成形方法及深加工方面。 ?例如，窗用玻璃在成分設(shè)計上采用鈉鈣硅玻璃系，由浮法成形制得一次制品； ?光學(xué)玻璃在成分設(shè)計上采用磷酸鹽玻璃系，壓制法成形，經(jīng)研磨、拋光而制得一次制品。 ?一次制品經(jīng)深加工后，可增添新的性質(zhì)和用途，這種玻璃為二次制品，也常稱為深加工玻璃。 ?例如，把一次制品的窗玻璃，經(jīng)磁控離子濺射法制成鍍膜玻璃，可使玻璃增加彩色和反射光的性質(zhì)。 ?一、玻璃的生產(chǎn)制備 ? (一 )原材料 ?制造玻璃的原料通常分為主要原料和輔助原料。 ?一般玻璃的主要成分包括 SiO Na2O、 CaO、Al2O MgO等五種成分 ?為引入上述成分而使用的原料稱為主要原料。 ?作為引入 SiO2的原料主要有硅砂和砂巖，也是玻璃原料的主要成分。 ?它能使玻璃具有高的化學(xué)穩(wěn)定性、力學(xué)性能、電學(xué)性能、熱學(xué)性能。但是含量過多，會使熔制的玻璃液的粘度增大。 ?引入 Na2O的原料主要是純堿和芒硝； ?引入 MgO的原料主要是白云石； ?引入 CaO的原料主要是石灰石、方解石； ?引入 Al2O3的原料主要是長石和高嶺土。 ?為使玻璃獲得其他性質(zhì)，或為加速玻璃的熔制過程而引入的原料，通常稱為輔助原料。 ?例如，氧化砷和氧化銻、硫酸鹽類原料 (硫酸鈉 )、氟化物類原料(氟石等 )是作為澄清劑，它們能在玻璃熔制過程中分解產(chǎn)生一定量氣體，氣體的排放對于配合料和玻璃熔體產(chǎn)生攪拌作用，有利于玻璃熔體的澄清和均勻化。 ?除澄清劑以外，還有著色劑、脫色劑、氧化劑、還原劑、乳濁劑等。 ? (二 )配合料的制備 ?， 將各種原料的粉料按一定比例稱量、混合而成的均勻混合物，稱為配合料。 ? (三 )玻璃的熔制 ?將配合料經(jīng)過高溫加熱成為均勻的、無可見氣泡并符合成形要求的玻璃液的過程，稱為玻璃的熔制。 ?化學(xué)過程：包括固相反應(yīng)、各種鹽類的分解、水化物的分解、化學(xué)結(jié)合水的排除、組分間的相互作用及硅酸鹽的形成。 ?物理化學(xué)過程：包括低熔點共熔物的生成、組分和生成物間的相互溶解，玻璃液與爐氣介質(zhì)及氣泡間的相互作用，玻璃液與耐火材料間的相互作用等。 ?現(xiàn)以硅酸鹽玻璃熔制為例，上述過程大體又可劃分為：硅酸鹽的形成、玻璃液的形成與澄清、均化與冷卻等五個階段。 ?(五 )浮法成形 ?所謂浮法成形是指從熔窯中流出的熔融玻璃液，在流入盛有熔融金屬錫的錫池后，在其表面上形成平板玻璃的方法。 ?其成形過程如圖 52所示： 圖 5— 2浮法玻璃生 產(chǎn) 示意 圖 1一 導(dǎo) 流槽 2一玻璃液 3一 閘 板 4一 碹頂 5一 錫 液 6一槽底 7一拉 邊 器 8一保 護(hù) 氣體管道 9一玻璃 帶 10一 過 渡 輥 臺 ?由上述過程可知，浮法玻璃的成形是在錫槽中進(jìn)行的。玻璃液由熔窯經(jīng)導(dǎo)流槽進(jìn)入錫槽后，其成形過程包括有自由展薄、拋光、拉引等工藝環(huán)節(jié)。 圖 5— 3玻璃液在 錫 液面上的浮起高度 ?二、玻璃制品成形加工 ?(一 )玻璃成形加工原理 ?玻璃在玻璃化溫度以下處于硬脆狀態(tài)，一般只能進(jìn)行機(jī)械研磨、拋光處理。 ?當(dāng)溫度高于玻璃化溫度時屬于熱塑性材料，因此玻璃制品的成形一般都是采用熱塑成形。 ?常見的成形方法有： ?吹制法 (如瓶罐等空心玻璃 )，壓制法 (如煙缸、盤子等器皿玻璃 ) ?壓延法 (如壓花玻璃等 ) ?拉制法 (如纖維、管子等 ) ?澆鑄法 (光學(xué)玻璃等 ) ?離心法 (如顯像管玻殼、玻璃棉等 ) ?噴吹法 (玻璃珠、玻璃棉等 ) ?焊接法 (藝術(shù)玻璃、儀器玻璃等 )等。 ?玻璃制品的成形過程包括成形和定形兩個階段： ?第一階段是賦于制品以一定的幾何形狀； ?第二階段是把制品的形狀固定下來，是在溫度降低下進(jìn)行的。 ?(二 )日用玻璃器件成形 ?日用玻璃器件主要包括玻璃瓶罐、玻璃器皿等。這類玻璃器件的成形方法有人工成形和機(jī)械成形兩種。 ? 1．人工成形 ?人工成形是一種比較原始的成形方法，這種方法目前最常用的是人工吹制法。 ?具體是由操作工人用一空心吹管，將一端挑起熔制好的玻璃料，然后依次均勻地吹成小泡、吹制、加工等操作而使玻璃制品成形。這種成形方法要求操作工人具有豐富的工作經(jīng)驗和熟練的操作手法。 ?2．機(jī)械成形 ?玻璃制品的機(jī)械成形起源于 19世紀(jì)末，其雛形是模仿人工操作的半機(jī)械化方法成形。 19世紀(jì) 80～ 90年代發(fā)明的壓一吹法和吹一吹法，使玻璃制品的成形完全實現(xiàn)了機(jī)械化。 ? 一般空心制品的成形機(jī)，大多數(shù)采用壓縮空氣為動力，推動氣缸來帶動機(jī)器動作。壓縮空氣容易向各個方向運動，可以靈活地適應(yīng)操作制度，而且也便于防止制動事故。除壓縮空氣外，也有一部分空心制品的成形機(jī)是采用液壓傳動的。 ?空心制品的機(jī)械成形可以分為供料與成形兩大部分： ?(1)供料如何將玻璃液供給成形機(jī)，是機(jī)械化成形的主要問題。 ?不同的成形機(jī)，要求的供料方法也不同，主要有以下三種： ?1)液流供料。利用熔窯中玻璃本身的流動進(jìn)行連續(xù)供料 . ?2）真空吸料 ?3)滴料供料 ? (2)成形 ?通常有壓制與機(jī)械吹制兩種方法： 圖 56玻璃瓶的壓 吹生產(chǎn)工序 a)壓制過程 b)吹制過程 ? 3．拉制成形 ?拉制多用來成形長的玻璃工件，例如薄板玻璃，玻璃棒、管，玻璃纖維等。這些產(chǎn)品都有恒定的截面。圖 5— 7為玻璃薄板連續(xù)拉制工藝示意圖。如果能將薄板漂浮通過處于高溫的熔化錫浴池，可以更進(jìn)一步提高其平整度和降低表面粗糙度。 ?三、玻璃的退火 ? 玻璃及玻璃制品在成形后的冷卻過程中，經(jīng)受激烈的、不均勻的溫度變化，產(chǎn)生的熱應(yīng)力會導(dǎo)致大多數(shù)制品在存放、加工及使用中自行破裂，所以一般在其成形后均要經(jīng)過退火，以減少或消除應(yīng)力。 ? (一 )玻璃的熱應(yīng)力 ? 玻璃中的應(yīng)力一般可分為三類： 熱應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力。 ?玻璃中由于存在溫度差而產(chǎn)生的應(yīng)力，稱為熱應(yīng)力。在玻璃中熱應(yīng)力分為暫時應(yīng)力和永久應(yīng)力兩種。 ?1．暫時應(yīng)力 ?溫度低于應(yīng)變點 (對應(yīng)于 η為 s粘度值 )而處于彈性變形溫度范圍的玻璃，在加熱或冷卻過程中， 即使加熱或冷卻的速度不是很大，玻璃的內(nèi)層與外層也會形成一定的溫度梯度，從而產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力。 ?這種熱應(yīng)力隨著溫度梯度的存在 (或消失 )而存在 (或消失 )，所以稱為暫時應(yīng)力。 ?應(yīng)該指出，對玻璃中的暫時應(yīng)力值也必須控制，如果暫時應(yīng)力超過了玻璃的抗拉強(qiáng)度，玻璃同樣會破裂。 ? 2．永久應(yīng)力 ?在常溫下玻璃內(nèi)外層溫度均衡后，即溫度梯度消失后，仍然殘留的熱應(yīng)力稱為永久應(yīng)力 (也叫做殘余應(yīng)力 )。 ? (二 )玻璃退火的原理及工藝 ?如上所述，玻璃的永久熱應(yīng)力產(chǎn)生于從轉(zhuǎn)變溫度附近到退火溫度區(qū)的結(jié)構(gòu)調(diào)整 (應(yīng)力松弛 )，因此，為了消除永久應(yīng)力，也必須將制品加熱到質(zhì)點可移動、調(diào)整的溫度(此溫度下制品應(yīng)該不變形 )。