玻璃成型工艺原理ppt课件.ppt

2.玻璃成型工艺原理,2.1与玻璃成型有关的性质,2.1.1玻璃状态转化性质自由流动体：具有液体通性，可自由流动，黏度小于104.25Pas成型高黏塑性体：受成型控制后，有良好的形态变化，并能逐渐保持新的成型形态，黏度为104.25-105.75Pas不可成型高黏塑性体：玻璃体有看可塑性，但必须在较强受理下才有成型的可能，实际已失去成型的可行性，黏度105.75-108Pas弹性塑体：受力后有形态变化，有可弯性，无厚度成型性，重新受力有可恢复原有平整状态性能，黏度108-1011Pas,弹性初态：受力发生断裂。内部指点有很强的滑动性，黏度1011-1012Pas弹性体转化过程：转化为完全弹性体。黏度1012-1016.5Pas,2.1.2玻璃的黏度,1.定义:黏度又称为粘滞系数，是指抵抗流体（液体或气体）流动的量度。,将两块面积为1m 的板浸于液体中，两板距离为1米，若加1N的切应力，使两板之间的相对速率为1m/s，则此液体的黏度为1Pa.s。（公式 P8 2-1）,fS dv/dx （2-1）式中 f两层液体间的内摩擦力； S两层液体间的接触面积； dv/dx垂直流动方向的速度梯度；比例系数，称为粘滞系数，简称黏度。单位 是Pas ，或P (泊，1 Pas =10P)；黏度的倒数称液体流动度，即=1/。,黏度的单位: Pas ; 1帕秒（Pas）=10泊（P）。 还有dPas（分帕秒）、cPas（厘帕秒）、mPas（毫帕秒）。换算关系如下：1Pas=10dPas=100 cPas=1000 mPas,玻璃的黏度与熔体结构密切相关，而熔体结构又决定于玻璃的化学组成和温度。熔体的结构特点：熔体中有许多聚合程度不同的负离子团平衡共存负离子团形状不规则，短程有序负离子团的种类、大小随熔体组成及温度的变化而变化离子半径大而电荷小的氧化物课时硅氧基团出现断裂，负离子团变小某些情况下会产生分相硅酸盐熔体中存在大小不同的硅氧四面体活络和阴离子，熔体中存在较大的空隙，可使小型的四面体群穿插移动。熔体中碱金属和碱土金属以离子状态R+,R2+存在。影响玻璃黏度。,2. 黏度与熔体结构的关系,无规则网络学说的玻璃结构模型,石英晶体 石英玻璃 钠硅酸盐玻璃,3. 影响玻璃黏度的主要因素,影响熔体黏度的主要因素是温度和化学组成。硅酸盐熔体在不同温度下的黏度相差很大，可以从102变化至1015 Pas；组成不同的熔体在同一温度下的黏度也有很大差别。在硅酸盐熔体结构中，有聚合程度不同的多种聚合物交织而成的网络，使得质点之间的移动很困难，因此硅酸盐熔体的黏度比一般液体高得多。,黏度是玻璃重要的性质之一，尤其在成型和退火方面起着控制性的作用。在很多工序中都用黏度作为控制和衡量的标志。,玻璃料性：对应于粘度104108 P时的温度间距。,温度影响：,10Pas（或更低）-1011Pas黏度范围内，玻璃的黏度与化学组成与温度有关，从1011-1014（或更高）的范围内，黏度还是时间的函数,A 区：典型的黏性液体B 区（转变区）：黏度随温度的下降而迅速增大，还是时间的函数C 区：弹性区,P10表2-1,黏度对应的温度,化学组成对玻璃黏度的影响,玻璃化学组成与粘度之间存在复杂的关系，氧化物对玻璃粘度的影响，不仅取决于该氧化物的性质，而且还取决于它加入玻璃中的数量和玻璃本身的组成。,当加入SiO2、Al2O3、ZrO2等氧化物时，因这些阳离子的电荷多、离子半径小，故作用力大，总是倾向于形成更为复杂巨大的阴离子团 ，使粘滞活化能变大，增加玻璃的粘度。,当引入碱金属氧化物时，因能提供“游离氧”，使原来复杂的硅氧阴离子团解离，使粘滞活化能变小，降低玻璃的粘度。,当加入二价氧化物时对粘度的影响较为复杂，它们一方面与碱金属离子一样，给出游离氧使复杂的硅氧阴离子团解离，使粘度减小，另一方面这些阳离子电价较高、离子半径又不大，可能夺取原来复合硅氧阴离子团中的氧离子于自己周围，致使复合硅氧阴离子团“缔合”而粘度增大。,CaO、B2O3、ZnO、Li2O对粘度影响最为复杂。低温时ZnO、Li2O增加粘度，高温时降低粘度。低温时CaO增加粘度，高温时含量1012%增加粘度。低温时B2O3含量15%降低粘度，高温时降低粘度。,（1）SiO2、Al2O3、ZrO2等提高粘度。 （2）碱金属氧化物降低粘度。 （3）碱土金属氧化物对粘度的作用较为复杂。一方面类似于碱金属氧化物，能使大型的四面体解聚，引起粘度减小；另一方面这些阳离子电价较高（比碱金属离子大一倍），离子半径又不大，故键力较碱金属离子大，有可能夺取小型四面体群的氧离子于自己周围，使粘度增大。前者在高温时是主要的，而后者主要表现在低温。碱土金属离子对粘度增加的顺序一般为： Mg2+ Ca2+ Sr2+ Ba2+ （4）PbO、CdO、Bi2O3、SnO等降低粘度。 此外，Li2O、ZnO、B2O3等都有增加低温粘度，降低高温粘度的作用。,4.黏度在生产中的应用,在生产中玻璃的熔化、澄清、均化、供料、成型、退火等工艺过程的温度制度，一般都是以其对应的粘度为依据制定的，因此掌握粘度的变化规律对控制生产提高制品产量、质量是有利的。,（2）平板玻璃在成形过程中，首先玻璃的粘度必须满足要求，使制品能快速冷却通过成形温度范围，防止玻璃析晶。在平板玻璃成形中，一般必须确定一个“操作点” ，作为参照点。“操作点”的定义是，相当于粘度约为103 的温度，它处于成形温度的上限。另一参考温度点 为成形温度范围的下限，相当于粘度约为106.6 的温度，即玻璃的软化点。在平板玻璃生产控制和变更玻璃成分时，必须善于应用 、 和 （液相温度）这些参考点。,5.黏度的计算方法,（1）奥霍琴法 此法适用于含有MgO、Al2O3的钠钙硅玻璃系统玻璃，当Na2O在1216%、CaO+ MgO在512%、Al2O3在05%、SiO2在6480%范围内时，可应用下列公式计算： t =Ax+By+Cz+D (2-3)式中： t 该粘度值对应的温度x,y,z分别是Na2O、CaO + MgO 3%、Al2O3的重量百分数A,B,C,D分别为Na2O、CaO + 3%MgO 、Al2O3、SiO2的特性常数，随粘度值而变化，见表2-3。,例1：,已知某玻璃成分为：SiO274%，Na2O14%，CaO 6 %，MgO 3%，Al2O33%试求粘度为1012 时的温度。 解：根据表2-3查得=1012 时的各氧化物特性常数及已知的氧化物重量百分数代入式(4-8)即可得： t1012 = -7.4614+3.21(6+3)+5.523+632.9573.91,已知某玻璃成分为：SiO273%，Na2O15%，CaO 8 %，MgO 1%，Al2O33%试求粘度为104 时的温度。 解：根据表4-5查得=104 时的各氧化物特性常数及已知的氧化物重量百分数代入式(2-3)即可得： t104 = -15.3715-6.25(8+1)+5.003+1194.27922 校正：MgO实际含量比3%低2%，查表4-5可知，粘度为104 时，当1%MgO被1% CaO所取代时，温度将降低5，则温度共降低25=10，因此： t104 = 922.47-10=912,例2：,富尔切尔（Fulcher）法 此法适用于实用工业玻璃。其成分以相对于SiO2为1.00mol含量来表示，即以氧化物的摩尔数/ SiO2摩尔数表示。计算系统适用玻璃的成分范围为：SiO21.00mol；Na2O0.150.20 mol；CaO0.120.20 mol；MgO0.000.051mol；Al2O30.00150.073mol。此时粘度-温度关系式：,式中 、 和 可从下式求出： A= -1.4788 Na2O +0.8350 K2O+1.6030 CaO+5.4936 MgO-1.5183 Al2O3+1.4550 B= -6039.7 Na2O -1439.6 K2O-3919.3 CaO+6285.3 MgO+2253.4Al2O3+5736.4 T0= -25.07 Na2O -321.0 K2O+544.3 CaO-384.0MgO+294.4Al2O3+198.1 （ 注意：式中值为泊，该体系适应的粘度范围为10到1012Pas。实验与计算的一般偏差为3。）,2.1.3 表面张力,与其他液体一样，熔融玻璃表面层的质点受到内部质点的作用而趋向于熔体内部，使表面有收缩的趋势，即玻璃液表面分子间存在着作用力，即表面张力。硅酸盐玻璃的表面张力一般为（220380）10-3N/m，比水的表面张力大34倍，也比熔融的盐类大，而与熔融金属数值接近。,近代浮法平板玻璃生产原理，也是基于玻璃的表面张力作用，而获得了可与磨光玻璃表面相媲美的优质玻璃。另外，玻璃液的表面张力还影响到玻璃液对金属表面的附着作用，同时在玻璃与金属材料和其他材料封接时也有重要作用。,但是，表面张力有时对某些玻璃制品的生产带来不利影响。例如在生产压花玻璃及用模具压制的玻璃制品，其表面图案往往因表面张力作用使尖锐的棱角变圆，清晰度变差。在生产玻璃薄膜和玻璃纤维时，必须很好的克服表面张力的作用。在生产平板玻璃，特别是薄玻璃拉制时要用拉边器克服因表面张力所引起的收缩。,表面张力在玻璃生产中的应用,表面张力在浮法玻璃成型中的应用,表面张力在连续纤维成型中的应用,表面张力在其他方面的应用,作业2：1.黏度是什么？玻璃黏度与温度的关系，关键黏度对应的温度点有哪些？2.黏度在玻璃生产中的应用有哪些？3.普通平板玻璃黏度如何知道？4.表面张力在玻璃生产中的应用有哪些？,一. 玻璃的热膨胀系数 (一)热膨胀现象常温 质点在平衡位置附近作简谐振动（热运动）高温 质点振动幅度增大，质点间距也变大，于是出现热膨胀现象。,(二)热膨胀系数1.线膨胀系数，且常用平均值。 = l/l01/T T= t2-t1,2.体积膨胀系数 =V/V1/t 3,单位： 1/C玻璃常用 10-7 /C,2.1.4 玻璃的热学性质,玻璃的热性质包含比热容，热导率，热膨胀系数及透热性等。,温度和的关系(1)不同T的不同。对要指明温度段。例：Na2O 15% CaO 10% SiO2 75%温度C 20100 20200 20300 20400 10-7 1/C 89 91 93.5 96,(2)一般T增大则增大，Tg点以下t曲线基本由数 段线段组成。(3)Tg点以上 随温度急剧增大，到Tf时可增三倍。,二. 玻璃的导热系数定义：温度梯度为1时，在单位时间内通过试样单位 截面积的热量。 Q=S t/（单位：W/m C 常用：卡/厘米秒度）,(一) 影响因素* 温度升高增大。到软化点Ts时可增大一倍。* SiO2、Al2O3、B2O3使增大。 R2O 、 PbO、BaO可降低。*玻璃颜色越深越低.,(二) 计算巴里赫尔公式 =Pii,三. 玻璃的热稳定性定义：玻璃受剧烈温度变化而不破坏的性能。 常用试样在保持不破坏条件下的最大温差T表示。,T C 为特硬玻璃； T C 称硬质玻璃；T C 为软质玻璃,玻璃承受急热能力比急冷能力好,影响因素,* 1.对热稳定性有决定性影响。越小热稳越好,*.降低强度的因素都降低热稳定性玻璃的热稳定性同强度一样存在疲劳现象,*.制品厚度（越厚热稳定性越差）,2.1.5玻璃析晶性能,不易析晶的特点液相温度越低，成形中析晶倾向越小析晶上下限温差越小，析晶倾向越小玻璃中成核速度越小，析晶倾向越小玻璃中晶体生长速度越小，析晶倾向越小成和速度最大时对应温度越低，析晶倾向越小晶体生长速度最大时对应温度越低，析晶倾向越小玻璃析晶温度范围内的黏度越大时，因结构重排阻力大而难以析晶。,2.1.6润湿现象,1.相关概念润湿是固体（或液体）表面上的气体被取代的过程。润湿现象时表面现象的重要内容。如P21图2-8所示。2.润湿的工艺意义减小对耐火材料的侵蚀，能延长窑炉使用寿命控制温度，有利成型玻璃与金属的封接,玻璃类似以水银的摊平抛光过程,汞滴与汞液的厚度那个厚些？为什么会这样？是受到何种力的作用啊？,1.摊平抛光机理,2.2浮法玻璃成形原理,具有高温和均匀的温度场 玻璃液在锡液面上摊平必须在高温且均匀的温度场内进行，只有这样，表面张力才能充分发挥作用，使玻璃液摊得厚度均匀，表面光洁平整。玻璃液与锡液互不润湿，不起化学反应有足够的摊平抛光时间（67秒） 在摊平时间不足情况下，玻璃带的光学质量将大为降低，必须有足够的时间使表面张力充分发挥作用。玻璃液的摊平抛光时间与玻璃液的表面张力、重力和粘度有关。充足而洁净稳定的保护气体。,（1）玻璃液摊平的条件,给我一分多钟就好,玻璃抛光的时间 玻璃液从流槽流下进入锡槽（50100mm落差）然后摊平并向前漂移，从其断面看上表面如一个正弦曲线，其数学式：,通过一些假设及数学推导可求出：2.4cm(取a=0.01cm时),摊平时间根据玻璃带自身平整化所需时间公式如下=/ ：平整化所需要的时间：玻璃带表面不平当做波对待时的波长，m：玻璃液黏度：玻璃液表面张力,玻璃液流入锡槽开始阶段表面波以重力波为主，重力作用下的表面波能量逐渐消耗衰减，其振幅及波长逐渐减少，此时毛细压强逐渐加强。在表面张力作用下毛细压强引起的表面波逐渐衰减，直至消失。此时玻璃得到抛光。但粘度越大表面波衰减越难。 液体表面在毛细压强作用达到动平衡时的速度为V=/（cm/s）。由此自身抛光时间,可算出=72.3s。,（2）玻璃在锡液面上的漂浮,玻璃液和锡液是互不浸润的，也不起化学反应。玻璃和锡液存在密度差。玻璃液在锡液面上的浮起高度与两者密度比有关。,玻璃液在锡液面上的浮起高度,1/3哦,（3）玻璃与锡液的接触 自由厚度：,上图中H为玻璃液在锡液面上的自由厚度，,在锡槽中为液、液、气三相：,由表面张力表示液滴在固体上的浸润状态有下式：（气、液、固三相）,若tg+gt，玻液由表面张力展薄。 tg+gt，玻液展薄有限。 用FS表示铺展系数FS=t-（g+gt）FS=g（cos-1） 前面分析=175，FS为负值，若不施加外力时，玻璃在锡液上不可能自动展薄，而是一个较厚的板。,分析其在锡液面上的受力平衡。FX=0, FY=0, FZ=0可得式：,H受表面张力值、锡液及玻璃密度值影响。850以上各值均为一常数，因而平衡厚度为一定值，计算得约为7.0mm，实际测定值为6.77.0mm。（课本上为6-6.5mm？）,（3）浮法玻璃浮抛介质的选用,密度大于玻璃的密度 熔点应低于锡槽出口温度600 饱和蒸汽压要低，沸点要高，在锡槽内不能有沸腾和挥发现象浮托介质与玻璃液应互不发生化学反应高温下无挥发性毒气。价格便宜易得到,请仔细搜索课本上p27页的表2-12上面列出的一些元素性质。锡是不是最好的选择？有没有比锡更好的托浮介质？,锡的主要物理性质,锡液密度-温度的关系,锡的外层有四个电子，可以形成稳定的四价化合物和不稳定的二价化合物。 常温下锡的表面易氧化形成锡保护膜，在高温、有氧或硫的锡槽极易氧化和硫化。,锡的化学性质,Sn+O2=SnOSn+O2=SnO2SO2+Sn+2H2=SnS+2H2O,3.浮法玻璃成型工艺原理及依据,表面张力和拉力的作用会玻璃宽度大幅的收缩而厚度变化很小,重力的作用使玻璃向外铺展变薄,玻璃成型的最佳温度范围是884-780附近，粘度增大100倍而表面张力增加不显著，这一温度范围玻璃的厚度与宽度的收缩是近似等比的关系为拉薄提供了有利的依据,1065-996,WN.H1 = W1.HN,自然拉薄现象分析,拉薄理论 以上结果证明，生产自然厚度以下的薄玻璃，不能靠拉引速度来实现。这就为薄玻璃的生产带来很大的难度：既要求宽度又要求表面质量，还要维持拉引速度。 机械拉边法应声而出，两边设置若干对拉边机，对玻璃带两边施加横向拉力，各对拉边机的速度均与拉引速度保有一定的速度差把玻璃拉薄 。,1、玻璃的拉薄原理,生产3.5m板宽下各种厚度时玻璃理论最宽处,选择拉薄的适宜粘度（温度）,是高温还是低温？,低温拉薄：粘度较高阻滞了表面张力的增厚作用，增厚趋势明显降低，宽度上的收缩容易控制，拉薄十分有效。,是要克服（表面张力）增厚力逐渐将玻璃拉薄，粘度在一定范围内对表面张力的影响很大。,高温拉薄：结果是厚度变化很小，宽度却大大收缩、导致拉引速度高，增加了玻璃在锡槽的降温幅度，对成型带来很大压力。,您有选择了吗？,选择合适的温度最重要,结论：低温比高温时拉薄效果好！,拉薄最佳粘度范围是105.25106.75dPas。（100倍的粘度）,玻璃拉薄时收缩曲线,高温（1050）时,低温（850）时,难以拉薄的原因,横断面受力不够表面张力增厚作用显著,适宜粘度：106Pas，常用范围是105.25-106.75 Pas,拉薄的方法：,解决办法,拉薄的适宜粘度,拉薄的方法, 徐冷法, 重新加热法, 拉薄的措施,高速拉引,施加横向拉力,4、大于自然厚度厚玻璃的成形原理,当玻璃液厚度大于其自然平衡厚度时，重力和拉力力的合力大于表面张力的合力，其作用结果使玻璃展薄，玻璃愈厚，展薄作用愈强。反之亦然。,表面张力=重力,自然厚度,难于拉薄,难于积厚,表面张力重力,表面张力重力,慢速拉引,拉边机拉薄,拉边机积厚,挡墙限制,（1）倒八字法（19mm一下） （2）石墨挡墙法（19mm以上） （3）挡墙拉边机法（19-25mm）,几种基本的厚玻璃生产方法,2.3浮法玻璃成型的工作原理,1.锡槽内的热交换玻璃浮抛过程的温度不仅在空间发生变化，而且随时间发生变化，玻璃在锡槽中的传热是属于不稳定态的传热过程。锡液热交换传热过程：辐射，对流和传导,影响锡液内传热的因素,玻璃的温度和颜色锡液的温度锡液的对流锡液内的分隔装置,2.玻璃在锡槽中冷却过程中的传热,徐冷拉薄法,低温拉薄法,4.锡槽内保护气体的流动,锡槽内的保护气体一般从槽顶通入，一般采用电加热的方式加热气体。保护气体从锡槽进口段通入，在玻璃表面形成一层还原性气体膜，防止锡液氧化，从而提高玻璃质量。,锡槽内锡液的流动,作业：,P37页：17.18.19.20,