玻璃的高温熔制.docx

玻璃的高温熔制
一、实验目的
1、在实验室条件下进行玻璃成分的设计、原料的选择、配料的计算、配合料的制备、用小型坩埚进行玻璃的熔制、玻璃试样的成形等，完成一整套玻璃材料制备过程的基本训练；
2、了解熔制玻璃的设备及其测试仪器，掌握其使用方法；
3、观察熔制温度、保温时间和助熔剂对熔化过程的影响；
4、根据实验结果分析玻璃成分、熔制制度是否合理。
二、实验原理
玻璃的高温熔制，是指通过一定的高温过程，最终制的具有一定性能的玻璃产品。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。
玻璃的高温熔制过程是一个相当复杂的过程，它包括一系列的物理的、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。
物理过程：指配合料加热时水分的排除，某些组成的挥发，单晶转变以及单组分的融化过程。
化学过程：各种盐类被加热后结晶水的排除，盐类的分解，各组分间的相互反应以及硅酸盐的形成等过程。
物理化学过程：包括物料的固相反应，共熔体的产生，各组分生成物的互熔，玻璃液与炉气之间、玻璃液与耐火材料之间的相互作用等过程。
应当指出，这些反应和现象在熔制过程中常常不是严格按照某些预定的顺序进行的，而是彼此之间有着密切的关系。例如，在硅酸盐形成阶段中伴随着玻璃形成过程，在澄清阶段中同样存在着玻璃液的均化。为便于学习和研究，常可根据熔制过程中的不同实质而分为硅酸盐形成、玻璃形成、玻璃液的澄清、均化和冷却五个阶段。
纵观玻璃熔制的全过程，就是把合格的配合料加热融化使之成为合乎成型要求的玻璃液。其实质就是把配合料熔制成玻璃液，把不均质的玻璃液进一步改善成均质的玻璃液，并使之冷却到成型所需要的粘度。因此，也可把玻璃熔制的全过程划分为两个阶段，即配合料的熔制阶段和玻璃液的精炼阶段。
三、实验准备
1、高温电炉一台及其附属设备(调压器一台,电流表一只,电压表一只,测温铂铑—铂热电偶一只,电位差计一台).如图1所示：
2、高铝坩埚(100m1 或 150m1).
3、研钵一个;料勺若干(每种原料一把).
4、百分之一天平(也可用千分之一天平),一台.
5、坩埚钳,石棉手套.
6、浇注玻璃样品的模具.
7、退火用马弗炉(附控温仪表).
8、化工原料:石英砂(SiO2),纯碱(Na2CO3).碳酸钙(CaCO3),碳酸镁(MgCO3), 氢氧化 铝[A1(OH)3]等
四、实验步骤
(一) 玻璃成分的设计
首先,要确定玻璃的物理化学性质及工艺性能,并依此选择能形成玻璃的氧化物系统. 确定决定玻璃主要性质的氧化物, 然后确定各氧化物的含量. 玻璃系统一般为三组分或四组 分,其主要氧化物的总量往往要达到 90%(质量) .此外,为了改善玻璃某些性能还要适当 加入一些既不使玻璃的主要性质变坏而同时使玻璃具有其他必要性质的氧化物. 因此,大部分工业玻璃都是五六个组分以上。
相图和玻璃形成区域图可作为确定玻璃成分的依据或参考. 在应用相图时, 如果查阅三元相图,为使玻璃有较小的析晶倾向,或使玻璃的熔制温度降低,成分上就应当趋向于取多 组分,应选取的成分应尽量接近相图的共熔点或相界线.在应用玻璃形成区域图时,应当选择离开析晶区与玻璃形成区分界线较远的组成点,使成分具有较低的析晶倾向。
为使设计的玻璃成分能在工艺实践中实施,即能进行熔制,成型等工序,必须要加入一 定量的促进熔制,调整料性的氧化物.这些氧化物用量不多,但工艺上却不可少.同时还要 考虑选用适当的澄清剂.在制造有色玻璃时,还须考虑基础玻璃对着色的影响。
以上各点是相互联系的,设计时要综合考虑.当然,要确定一种优良配方不是一件简单 的工作,实际上,为成功地设计一种具有实用意义,符合预定物化性质和工艺性能的玻璃成 分,必须经过多次熔制实践和性能测定,对成分进行多次校正。
表 1 给出两种易熔的 Na2O—B2O3—SiO2 系统玻璃配方。
表 1 易熔玻璃的成分示例
成分
SiO2
B2O3
K2O
BaO
Sb2O3
Na2O
氧化物百分比
66
12
10
3
0.2
9
(二） 熔制温度的估计
玻璃成分确定后, 为了选择合适的高温炉和便于观察熔制现象. 应当估计一下熔制温度。
对于玻璃形成到砂粒消失这一阶段的熔制温度,可按 M.Volf 提出的熔化速度常数公 式进行估算,即: τ=SiO2+Al2O3Na2O+K2O+12B203
根据τ与熔化温度的关系(表 2),可大致确定该玻璃的熔制温度。
表 2 熔化速度常数τ与熔化温度的关系
τ
6.0
5.5
4.3
4.2
τ/℃
1450-1460
1420
1380-1400
1320-1340

（三） 玻璃原料的选择
在玻璃生产中选择原料是一件重要的工作, 不同玻璃制品对原料的要求不尽相同, 但有 些共同原则. ①原料质量应符合技术要求, 原科的品位高, 化学成分稳定, 水分稳定, 颗粒组成均匀, 着色矿物(主要是 Fe2O0)和难熔矿物(主要是铬铁矿物)要少,便于调整玻璃成分. ②适于熔化和澄清. ③对耐火材料的侵蚀小.。
玻璃熔制实验所需的原料一般分为工业矿物原料和化工原料.在研制一种新玻璃品种 时,为了排除原料中的杂质对玻璃成分波动的影响,尽快找到合适的配方,一般都采用化工 原料(化学纯或分析纯,也有用光谱纯)来做实验.本实验选用化工原料。
当实验室研究完成, 用化工原料熔制出的新型玻璃已满足各种性能要求时, 就要考虑进 入中试和工业性实验. 为了适应工业性生产的需要, 需采用工业矿物原料进行熔制实验观察 带入杂质以后对玻璃有何影响,为正式投产提供第一手资料.
(四) 配料计算
根据玻璃成分和所用原料的化学成分(表 3 为示例)就可以进行配合料的计算. 在计算时, 应认为原料中的气体物质在加热过程中全部分解逸出, 而其分解后的氧化物全部转入玻璃成 分中.此外,还须考虑各种因素对玻璃成分的影响.如某些氧化物的挥发,飞损等。.
由于计算每批原料量时,要根据坩埚大小或欲制得玻璃的量(考虑各性能测试所需数量) 来确定,本实验以制得 100g 玻璃液来计算各种原料的用量,在计算每种原料的用量时，要 求计算到小数点后二位。
表3 原料成分
原料成分
氧化物名称
质量（﹪）
二氧化硅
SiO2
99.49
硼酸
B2O3
99.5
碳酸钠
Na2O
99.8
硝酸钾
K2O
99.8
硫酸钡
BaO
99.8
三氧化二锑
Sb2O3
99.0
表4配料单
原料名称
二氧化硅
硼酸
碳酸钠
硝酸钾
硫酸钡
三氧化二锑
配合料

(五)配合料的制备
①、为保证配料的准确性,首先将实验用原料干燥或预先测定含水量。
②、根据配料单称取各种原料(精确到 0.01)。
③、将粉状原料充分混合成均匀的配合料是保证熔融玻璃液质量的先决条件.为了使混 合容易均匀及防止配合料分层和飞料,先将配合料中难熔原料如石英砂等先置入研钵中(配 料量大时使用球磨罐),建议先加入 4%的水分喷湿砂子,然后加助熔的纯碱等,预混合 10 一 15min,再将其他原料加入混合均匀.如能将配合料粒化后再熔化,效果更好.
由于本实验为小型实验, 配合料量甚小, 只能在研钵中研磨混合, 所以不考虑加水混合.
(六)、熔制操作
①、检查电源线路。
②、把每种配合料分别装入三只高铝坩埚中.。为防止坩埚意外破裂造成电炉损坏, 可在浅 的耐火匣钵底部中垫以 Al2O3 粉, 再将坩埚放入匣钵中, 然后推入电炉的炉膛. 给电炉通电, 以 4—6℃/min 的升温速度升温到 900℃.这种加料方法称为"常温加料法" 。
③、在科研和生产中,玻璃熔制一般多采用"高温加料法" .即先将空坩埚放入电炉内, 给电炉通电,以 4—6℃/min 的升温速度升温到加料温度(即 900℃)后,再将配合料装入坩 埚,保温 0.5h. 为了得到较多的玻璃料(样品),必须在此温度下多次加料,以充分利用坩埚的容积或减 少配合料中低熔点物料的挥发.
④、最后一次加料并保温 lh 后,从炉中取出两种配合料的坩埚各一只,放入已经加热到 500 一 600℃马弗炉中退火.
⑤、以 3℃/min 升温速度,继续升温到 1200℃,保温 lh,从炉中取出两种配合料的坩埚 各一只放入马弗炉中退火.
⑥、以 3℃/min 升温速度,继续升温到 1300℃,保温 2h.。玻璃保温温度和保温时间因玻璃配方不同而异, 本实验的熔制温度在 1300 一 1450℃之 内,保温 2—3h,使玻璃液完成均化和澄清过程.对于硼酸酐等类含有高温下产气物质的配 合料,则升温速度要降低,以防物料溢出.。
对于未知熔制温度的新配方玻璃的熔制,可以根据有关文献初步确定玻璃的熔制温度. 实验中可在此温度上下约 100℃的范围内, 每隔 20—30℃各取出一只坩埚, 据此确定玻璃的 熔制温度和保温时间.。
⑦、保温结束后,从炉中取出最后两种配合料的坩埚各一只,放入退火炉中退火,关上退 火炉门,保温 10min,断电,让其自然冷却. 在实验室中,玻璃的成型一般采用"模型浇注法"或"破埚法" .在完成上述的熔制后, 连同坩埚一起冷却并退火,冷却后再除去坩埚,得到所需要的试样是"破埚法" .将完成熔 制的高温玻璃液,倾注入经预热过的金属或耐火材料模具中,然后立即置入预热至 500— 600℃的马弗炉中,按一定的温度制度缓慢降温则是"模型浇注法" .浇铸成一定形状的玻璃 可以作理化性能和工艺性能测试用的样品。
⑧、将最后的坩埚从硅碳棒电炉中取出之后, 将电炉的通电电流调至最小, 关闭控制器电 源,再拉闸停电,让电炉自然降温。
五、注意事项
玻璃熔制过程中，密切注意炉温变化，实验完毕先关闭电源开关。

六、观察现象和结论

七、思考题
（1）玻璃熔制过程中各个阶段有哪些物理化学工程？

（2）在澄清过程中可见气泡的排除有哪些方式？