玻璃生产工艺
玻璃是一种具有各种优良性能和易加工的材料，是将原料加热熔融，冷却凝固所得的非晶态无机材料。由于玻璃的非晶态结构，其物理性质和力学性质等是各向同性的。现如今，玻璃被广泛应用于各个领域，常见的玻璃包括建筑玻璃、日用玻璃、光学玻璃、电真空玻璃、药用玻璃、仪器玻璃、激光玻璃等等。
图1各类玻璃制品1.玻璃的定义及其基本性质1.1玻璃的定义一般定义：经熔融冷却基本上不结晶的无机固体物质；
科学定义：具有玻璃转变现象的非晶态物质；其原子排列具有无规则的网络结构，在x射线衍射中表现为非晶态：介稳状态；具有玻璃转变现象：无固定熔点。
1.2玻璃的基本性质(1)强度
玻璃的强度取决于其化学组成、杂质含量及分布、制品的形状、表面状态和性质、加工方法等。玻璃是一种脆性材料，其强度一般用抗压，抗张强度等来表示。玻璃的抗张强度较低，由于玻璃的脆性和玻璃表面的瑚裂纹所引起的。玻璃的抗压强度约为抗张强度的14-15倍。
(2)硬度
玻璃的硬度较大，硬度仅次于金刚石、炭化硅等材料，它比一般金属硬，不能用普通刀和锯进行切割；玻璃的硬度值在莫氏硬度5-7之间。
(3)光学性质
玻璃是一种高度透明的物质，具有一定的光学常数、光谱特性，具有吸收或透过紫外线和红外线、感光、光变色、光储存和显示等重要光学性能。
(4)电学性能
常温下玻璃是电的不良导体。温度升高时，玻璃的导电性迅速提高，熔融状态时则变为良导体。
(5)热性质
玻璃的导热性很差，一般经受不了温度的急剧变化。制品越厚，承受温度急剧变化的能力越差。
(6)化学稳定性
玻璃的化学性质较稳定。大多数工业用玻璃都能抵抗除氢氟酸以外酸的腐蚀，玻璃耐碱腐蚀性较差，玻璃长期在大气和雨水的侵蚀下，会失去表面光泽，尤其是一些光学玻璃仪器易受周围介质（如潮湿空气）等作用，表面形成白色斑点或雾膜，破坏玻璃的透光性，所以在使用和保存中应加以注意。
2.制备玻璃所需的原料及加工2.1原料的选择原则(1)原料的质量应符合玻璃制品的技术要求，其中包括化学成分稳定、含水量稳定、颗粒组成稳定、有害杂质少（主要指Fe2O3）等；
(2)便于在日常生产中调整成分；
(3)适于熔化与澄清，挥发与分解的气体无毒性；
(4)对耐火材料的侵蚀要小；
(5)原料应易加工、矿藏量大、分布广、运输方便、价格低等。
2.2原料的种类主要原料：在一般玻璃中，它的主要成分有SiO2、Na2O、CaO、Al2O3、MgO等五种成分，为引入上述成分而使用的原料称主要原料。
辅助原料：为使玻璃获得某种必要的性质，或为加速玻璃熔制过程而引入的原料通称为辅助原料。
(1)引入SiO2的原料
SiO2的作用：SiO2是玻璃中最主要的成分，它使玻璃具有高的化学稳定性、力学性能、电学性能、热学性能，但含量过多时使熔制的玻璃液粘度过大。
能引入SiO2的原料主要是硅砂和砂岩。
硅砂的主要成分是SiO2，另含有少量的Al2O3、Na2O、K2O、CaO等无害杂质。质地纯净的硅砂为白色，一般硅砂因含有铁的氧化物（有害杂质，它能使玻璃着成蓝绿色而影响玻璃透明度）和有机质而呈淡黄色、红褐色。
图2纯净硅砂和常见硅砂砂岩是由石英颗粒和粘性物质在地质高压下胶结而成的坚实致密的岩石。根据粘性物质的性质可分为粘土质砂岩、长石质砂岩和钙质砂岩。所以砂岩成分不仅取决于石英颗粒，而且与粘性物质的种类和含量有关。砂岩中的有害杂质是氧化铁。
图3常见的砂岩(2)引入Al2O3的原料
Al2O3的作用：降低玻璃的析晶倾向，提高化学稳定性、热稳定性、机械强度、硬度和折射率，减弱玻璃的脆性，减轻玻璃液对耐火材料的侵蚀，有助于氟化物的浮浊。
能引入Al2O3的原料主要是长石、高岭土和腊石。长石的质量要求是：A12O3＞16％；Fe2O3＜0.3％；R2O＞12％。高岭土的质量要求是：A12O3＞25％；Fe2O3＜O.4％。
图4长石、高岭土及腊石(3)引入Na2O的原料
Na2O的作用：提供游离氧，从而降低玻璃粘度，使玻璃易于熔融，是良好的助溶剂。Na2O可增加玻璃的热膨胀系数，降低热稳定性、化学稳定性和机械强度。
能引入Na2O的原料主要是纯碱和芒硝(Na2SO4)。
纯碱是微细白色粉末，易溶于水，它是一种含杂质少的工业产品，主要杂质有NaCl(不大于1％)。纯碱易潮解、结块，它的水含量通常波动在9％～10％之间，应储存在通风干燥的库房内。纯碱的质量要求：Na2CO3＞98％；NaCl＜1％；Na2SO4＜0.1％；Fe2O3＜O.1％。芒硝有无水芒硝和含水芒硝(Na2SO4·10H2O)两类。使用芒硝不仅可以代碱，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)。使用芒硝的缺点是热耗大、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而使玻璃着成棕色。芒硝的质量要求是：Na2SO4＞85％；NaCl＜2％；CaSO4＜4％；Fe2O3＜O.3％；H2O＜5％。
图5纯碱及芒硝(4)引入CaO的原料
能引入CaO的原料主要是石灰石、方解石。两原料均为CaCO3，后者的纯度比前者高。对含钙原料的质量要求是：CaO≥50％；Fe2O3＜0.15％。
图6石灰石及方解石(5)引入MgO的原料
能引入MgO的原料主要是白云石(MgCO3·CaCO3)，呈蓝白色、浅灰色、黑灰色。质量要求：MgO≥20％；CaO≤32％；Fe2O3＜0.15％。通常采用石灰石和白云石共同引入MgO和CaO。
(6)澄清剂、着色剂、脱色剂及其他
澄清剂主要有氧化砷、氧化锑、硫酸钠、萤石等。
着色剂主要有离子着色剂（锰化合物、钴化合物、铬化合物、铜化合物等）、胶体着色剂（金化合物、银化合物等）、化合物着色剂（硒与硫化镉等）。
脱色剂按脱色机理可分为化学脱色剂（As2O3、Sb2O3、Na2S、硝酸盐等）和物理脱色剂（Se、MnO2、NiO、Co2O3等）两类。
此外，还有氧化剂、还原剂、乳浊剂等。
2.3原料的加工原料的加工主要包括：原料的破碎与粉碎、原料的筛分及原料的配合。
常见的破碎粉碎设备主要包括：颚式破碎机、反击式破碎机、对辊粉碎机及锤式破碎机等。
图7常见的破碎粉碎设备原料筛分的作用是控制物料粒度，常见的原料筛分设备有六角筛、机械振动筛和平面摇筛等。
图8常见的原料筛分设备
原料的配合一般质量要求为：正确性、稳定性、均匀性、恰当的颗粒度与颗粒组成、一定的气体含率、一定的水分含率。称量过程要快要准，随后是混合，混合的机理包括对流混合、扩散混合、剪切混合，混合设备主要分为重力混合机和强制混合机。
图9常见的混合设备
3.玻璃的熔制及玻璃熔窑3.1玻璃的熔制玻璃的熔制一般包括五个过程，分别为：硅酸盐的形成、玻璃的形成、澄清、玻璃液的均化及冷却。
(1)硅酸盐的形成
这个阶段的作用是形成硅酸盐；产物为SiO2和硅酸盐形成的不透明烧结物；特点是温度—900℃左右；速度—快。
(2)玻璃的形成
玻璃的形成机理是砂粒表面SiO2断键、溶解，溶解的SiO2向熔体扩散。
这个阶段的作用是生成含气泡、不均匀的玻璃液；特点是温度—1200℃左右；速度—较快（在熔窑中几十分钟可以完成）。
(3)澄清
澄清的概念是除去玻璃液中可见气泡的过程。
气体来源主要有：配合料料粒空隙、配合料水分分解与蒸发、挥发分的挥发、氧化物的氧化还原、耐火材料的孔隙及被侵蚀分解、窑炉气体的孔隙及被侵蚀分解。
澄清的两种方法：气泡长大；气泡变小、溶解。
(4)玻璃液的均化
玻璃液形成过程中产生不均质体的原因主要包括：配合料的不均匀性、耐火材料被侵蚀、熔化制度不稳定、玻璃液导热性差、熔窑的加热和冷却。
均化过程可以分为三种：
a.不均质体扩散：从高浓度到低浓度；
b.玻璃液对流均化：纵向、横向、深向；
c.因气泡上升而引起的搅拌均化作用。
(5)冷却
冷却的要求为适合成型的温度、不破坏玻璃液的均匀性、不产生二次气泡。
3.2玻璃熔窑玻璃熔窑的作用：把合格的配合料熔制成无气泡、条纹、析晶的透明玻璃液，并使其冷却到所需的成型温度。
玻璃熔窑的分类：
图10玻璃熔窑的分类
4.玻璃的成型玻璃的成型方法分类：
图11玻璃的成型方法
由于篇幅限制，我们只介绍一下浮法成型。
浮法成型的成型过程为：1150℃左右的玻璃液，通过熔窑与锡槽相连接的流道、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，辊道的拉引把即将硬化的玻璃带引出锡槽，通过过渡辊台进入退火窑。
图12浮法成型示意图
浮法成型的特点是：成型时不需克服玻璃自身的重力、可以充分发挥玻璃表面张力的作用、玻璃带横向温度均匀、可以比较容易地生产特薄和特厚的玻璃、成型过程中温度降落慢、拉引速度快、避免了玻璃结晶缺陷、作业周期长、板宽加大比较容易、可以在线生产镀膜玻璃、容易实现切装机械化自动化、可以比较容易地生产特大片玻璃。
浮法成型易形成的几种缺陷包括：彩虹、沾锡、斑点、小波纹。
5.玻璃的退火工艺玻璃的退火是指将玻璃制品重新加热退火消除或减小永久应力的过程。其过程可分为加热阶段、保温阶段、慢冷阶段、快冷阶段四个阶段。
退火温度：为了消除玻璃中的永久应力，必须把玻璃加热到低于玻璃转变温度Tg附近某一温度进行保温均热，以消除玻璃各部分的温度梯度，使应力松弛，这个选定的保温均热温度称玻璃的退火温度。
退火下限温度和退火上限温度：经过3min能消除95％的应力的保温温度为退火上限温度；经3min只能消除5％的应力的温度为退火下限温度。
退火温度范围：退火下限温度~退火上限温度。
不同玻璃退火上限：大部分器皿玻璃—550±20℃，平板玻璃—550～570℃，瓶罐玻璃—550～600℃。
筱筠整理
参考资料来源《玻璃工艺学》及网络
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