玻璃管的拉制分水平拉制和垂直引上

第六章第六章 玻璃的成形玻璃的成形第一节第一节 概述概述 将熔融玻璃液转变为具有固定几何形状制品的过将熔融玻璃液转变为具有固定几何形状制品的过程。程。成型时，玻璃液成型时，玻璃液作机械运动，即在外力作用下，质点移动，达到作机械运动，即在外力作用下，质点移动，达到所需形状，此过程与玻璃液的流变性质（粘度、表面所需形状，此过程与玻璃液的流变性质（粘度、表面张力、弹性等）有关；张力、弹性等）有关；玻璃工艺学玻璃工艺学与周围介质发生热传递，由于冷却、硬化，玻璃与周围介质发生热传递，由于冷却、硬化，玻璃液由粘性液态液由粘性液态 可塑态可塑态 脆性固态，此过程与玻脆性固态，此过程与玻璃液及周围介质的热物理性质（比热、导热率、透热璃液及周围介质的热物理性质（比热、导热率、透热性、热传递系数等）有关。性、热传递系数等）有关。玻璃工艺学玻璃工艺学一、玻璃的主要成形性质一、玻璃的主要成形性质(补充内容、不做要求）补充内容、不做要求）熔融玻璃在可塑状态下的成型与玻璃液粘度（粘度熔融玻璃在可塑状态下的成型与玻璃液粘度（粘度温度）、固化速度（温度温度）、固化速度（温度时间）、硬化速度（粘度时间）、硬化速度（粘度时间）及表面张力等成型要素有关。时间）及表面张力等成型要素有关。1.粘度粘度温度（温度（/T）玻璃成型过程分为两个阶段：变型与定型。玻璃成型过程分为两个阶段：变型与定型。成型：成型：使玻璃具有制品所需的外形；使玻璃具有制品所需的外形；定型：定型：将已成型的玻璃外形与以固定。将已成型的玻璃外形与以固定。玻璃成型范围可选择在粘度玻璃成型范围可选择在粘度温度曲线的弯曲部分，温度曲线的弯曲部分，这时的玻璃液最适宜于成型，由于成型方法不同，初始的这时的玻璃液最适宜于成型，由于成型方法不同，初始的成型粘度也不尽相同，即使成型方法相同，因单位时间产成型粘度也不尽相同，即使成型方法相同，因单位时间产量不同或相同产品规格不一，成型时对玻璃液的粘度也有量不同或相同产品规格不一，成型时对玻璃液的粘度也有不同的要求。不同的要求。适用于玻璃成型操作的粘度适用于玻璃成型操作的粘度温度范围称为温度范围称为成型温度成型温度范围（成型操作范围）范围（成型操作范围），包括从粘度为，包括从粘度为103106.6Pas的软的软化温度范围。化温度范围。2.固化速度（固化速度（T/t）玻璃液的固化速度曲线是确定成型制度的主要依据，玻璃液的固化速度曲线是确定成型制度的主要依据，它表示在单位时间内玻璃液的冷却速度。它表示在单位时间内玻璃液的冷却速度。固化速度与玻璃的组成关系密切，料性长的玻璃固化固化速度与玻璃的组成关系密切，料性长的玻璃固化速度较慢，可延长成型操作时间，适宜于生产形状复杂的速度较慢，可延长成型操作时间，适宜于生产形状复杂的制品，成型操作范围较宽。当需加速成型速度、提高生产制品，成型操作范围较宽。当需加速成型速度、提高生产能力时，希望制品能尽快的固化，以避免变形，此时可通能力时，希望制品能尽快的固化，以避免变形，此时可通过改变玻璃组成使料性变短。过改变玻璃组成使料性变短。3.硬化速度（硬化速度（/t）玻璃粘度与时间的关系称为玻璃的硬化速度。玻璃粘度与时间的关系称为玻璃的硬化速度。/t的值决定了不同规格制品的硬化速度，可通过调的值决定了不同规格制品的硬化速度，可通过调节玻璃组成和周围冷却介质来获得所需制品的硬化速度。节玻璃组成和周围冷却介质来获得所需制品的硬化速度。4.表面张力表面张力 在成型过程中，在成型过程中，/T值决定了玻璃的成型温度范围，值决定了玻璃的成型温度范围，T/t决定了玻璃成型中各个操作工序的延续时间，决定了玻璃成型中各个操作工序的延续时间，/t则决定了玻璃的成型速度、冷却介质与冷却温度。则决定了玻璃的成型速度、冷却介质与冷却温度。二、成二、成 型型 制制 度度 1.成型温度范围即工作粘度范围成型温度范围即工作粘度范围 要求：玻璃液有良好的流动性，在外力作用下易于要求：玻璃液有良好的流动性，在外力作用下易于成型，有一定的冷却速度，不产生析晶和缺陷。成型，有一定的冷却速度，不产生析晶和缺陷。一一般玻璃液的成型粘度范围为般玻璃液的成型粘度范围为102106Pas。成型开始所需粘度于成型方法、玻璃的颜色和配方成型开始所需粘度于成型方法、玻璃的颜色和配方、制品的造型和质量有关。成型开始的粘度大致、制品的造型和质量有关。成型开始的粘度大致101.5104Pas，灯泡玻璃约灯泡玻璃约101.5Pas，平板玻璃平板玻璃102.5103Pas，压制玻璃为压制玻璃为103104Pas。成型终了粘度成型终了粘度105107Pas。玻璃工艺学玻璃工艺学 对于平板玻璃的生产，其熔制速度快、生产率高对于平板玻璃的生产，其熔制速度快、生产率高，要求玻璃料的料性短、硬化速度较快，以利于高速，要求玻璃料的料性短、硬化速度较快，以利于高速成型。成型。2.各阶段持续的时间各阶段持续的时间 根据根据/T确定，比如浮法成型中抛光区长短确定，比如浮法成型中抛光区长短的确定。的确定。3.冷却介质或成型模具的温度冷却介质或成型模具的温度玻璃工艺学玻璃工艺学三、成三、成 型型 方方 法法 玻璃的成型主要有：吹制法（空心玻璃瓶）、压玻璃的成型主要有：吹制法（空心玻璃瓶）、压制法（烟灰缸）、压延法（压花玻璃）、拉制成型：制法（烟灰缸）、压延法（压花玻璃）、拉制成型：如玻璃管的拉制，有水平拉制（如丹纳法用于日光灯如玻璃管的拉制，有水平拉制（如丹纳法用于日光灯、霓虹灯等薄壁玻璃管的生产）和垂直引上法（用于、霓虹灯等薄壁玻璃管的生产）和垂直引上法（用于生产厚壁管）、离心法、浇铸法、浮法等。生产厚壁管）、离心法、浇铸法、浮法等。第二节第二节 吹制成型吹制成型(blow process)人工吹制和机械吹制人工吹制和机械吹制人工吹制：产量低、强度大；人工吹制：产量低、强度大；机械吹制：由供料机将一定形状和质量机械吹制：由供料机将一定形状和质量的料滴，有规律的滴入雏形模中，如林的料滴，有规律的滴入雏形模中，如林取自动制瓶机及行列式制瓶机。取自动制瓶机及行列式制瓶机。玻璃工艺学玻璃工艺学 图1 林取10型制瓶机成形过程示意图 1-接受料滴 2-真空吸口及补气 3-倒吹气 4-雏形模翻转 5-雏形模微开进行更热 6-移入成形模 7-料泡在成形模中 8-吹气成形 9-成品钳出 第三节第三节 拉制成形拉制成形(drawing process)成形各种板材和管材。成形各种板材和管材。一、平板玻璃的垂直拉制法一、平板玻璃的垂直拉制法有槽法、无槽垂直引上法、对辊法有槽法、无槽垂直引上法、对辊法玻璃平整度较差，波筋、条纹等缺陷难以避免。玻璃平整度较差，波筋、条纹等缺陷难以避免。二、玻璃管的拉制二、玻璃管的拉制分水平拉制和垂直引上（引下）分水平拉制和垂直引上（引下）水平拉制一般采用丹纳法，此法可拉制外径水平拉制一般采用丹纳法，此法可拉制外径270mm的玻管，的玻管，主要用于生产按碚瓶、日光灯、霓虹灯等的薄壁玻璃管主要用于生产按碚瓶、日光灯、霓虹灯等的薄壁玻璃管 图3 丹纳拉管法示意图 玻璃液从池窑工作部经流槽流出，由闸板控制流量，流出的玻璃液呈带状落绕在耐火材料制成的旋转管上。旋转管上端直径大，下端直径小，以一定的倾斜角安装在机头上，由中心钢管连续输入空气。在不停的旋转下，玻璃液从上端流到下端形成管根，管根被拉成玻璃管，经石棉辊道引入拉管机中，拉管机的上下两组环链夹持玻璃管，使之连续拉出，并按一定长度截断。第四节第四节 平板玻璃的成型平板玻璃的成型（重点）（重点）玻璃具有广泛的用途，其中平板玻璃产量最大，玻璃具有广泛的用途，其中平板玻璃产量最大，占据了突出的地位。占据了突出的地位。机制平板玻璃的制造方法基本有两种：窗玻璃法机制平板玻璃的制造方法基本有两种：窗玻璃法和压延、磨光玻璃法和压延、磨光玻璃法传统工艺。其中窗玻璃法：传统工艺。其中窗玻璃法：包括有槽法、无槽法、平拉法和旭法；压延和磨光玻包括有槽法、无槽法、平拉法和旭法；压延和磨光玻璃法是指玻璃液经钢辊（上下两个）滚压成型、退火璃法是指玻璃液经钢辊（上下两个）滚压成型、退火的玻璃。的玻璃。浮法成型浮法成型PB法法 玻璃工艺学玻璃工艺学 图图4 垂直引上法生产平板玻璃示意图垂直引上法生产平板玻璃示意图一、生产原理一、生产原理 玻璃液漂浮在比它重的金属液表面上，在表面张玻璃液漂浮在比它重的金属液表面上，在表面张力作用下使玻璃具有光洁平整的表面，冷却硬化过程力作用下使玻璃具有光洁平整的表面，冷却硬化过程中保持从而获得平板玻璃的生产方法。中保持从而获得平板玻璃的生产方法。英国皮尔金顿公司研制，英国皮尔金顿公司研制，1959年投产。年投产。玻璃工艺学玻璃工艺学温度在温度在1100时，玻璃液经溢流口时，玻璃液经溢流口流槽流到锡液表面上，在流槽流到锡液表面上，在重力及表面张力作用下，玻璃液被摊成玻璃带，向锡槽尾部拉重力及表面张力作用下，玻璃液被摊成玻璃带，向锡槽尾部拉引，经抛光、拉薄、强化、冷却后被引上过渡辊台，辊台辊子引，经抛光、拉薄、强化、冷却后被引上过渡辊台，辊台辊子转动，把玻璃带拉出锡槽进入退火窑。转动，把玻璃带拉出锡槽进入退火窑。二、浮法生产对工艺的要求二、浮法生产对工艺的要求 1.浮抛介质的选择；浮抛介质的选择；2.浮法玻璃的自身抛光（玻璃在锡液面上的抛浮法玻璃的自身抛光（玻璃在锡液面上的抛光时间）；光时间）；3.玻璃厚度的控制（玻璃的拉薄）玻璃厚度的控制（玻璃的拉薄）玻璃工艺学玻璃工艺学（一）浮抛介质的选择（一）浮抛介质的选择：用作玻璃液的浮抛金属液的要用作玻璃液的浮抛金属液的要求求 T=1050下，密度大于玻璃的密度下，密度大于玻璃的密度,以保证玻璃以保证玻璃能漂浮在金属液上。能漂浮在金属液上。金属熔点低于金属熔点低于600，沸点高于，沸点高于1050，1000左右蒸汽压应尽可能低（左右蒸汽压应尽可能低（13.33Pa），），即玻璃带离开即玻璃带离开浮抛窑时，金属呈液态，且高温挥发少。浮抛窑时，金属呈液态，且高温挥发少。玻璃工艺学玻璃工艺学（一）浮抛介质的选择（一）浮抛介质的选择：1000左右，不于玻璃液发生化学反应。左右，不于玻璃液发生化学反应。满足以上要求的金属有镓、铟、锡三种，其中锡最满足以上要求的金属有镓、铟、锡三种，其中锡最便宜，无毒。锡的便宜，无毒。锡的T熔熔=232，T沸沸=2270，常常=7300Kgm3,蒸汽压小（蒸汽压小（1027，0.00253Pa），），纯净纯净的锡液不污染玻璃，且不润湿玻璃。对锡的纯度要求的锡液不污染玻璃，且不润湿玻璃。对锡的纯度要求99.9%。玻璃工艺学玻璃工艺学 （二（二）浮法玻璃的自身抛光）浮法玻璃的自身抛光 高温玻璃液在高温玻璃液在作用下，使具有光洁平整的表面，在作用下，使具有光洁平整的表面，在=102.7103.2Pas范围内范围内的抛光作用能得到充分发挥，的抛光作用能得到充分发挥，玻璃液与锡不反应，互不侵润，是玻璃自身抛光的先玻璃液与锡不反应，互不侵润，是玻璃自身抛光的先决条件。为保证抛光质量，抛光区温度应严格分布均决条件。为保证抛光质量，抛光区温度应严格分布均匀，要有足够的时间，一般匀，要有足够的时间，一般1min左右。抛光时间的计左右。抛光时间的计算见书页。算见书页。玻璃工艺学玻璃工艺学 （三）玻璃厚度的控制（三）玻璃厚度的控制 如何控制玻璃厚度是浮法生产平板玻璃的关键。如何控制玻璃厚度是浮法生产平板玻璃的关键。了解两个：平衡厚度、表面张力的增厚作用了解两个：平衡厚度、表面张力的增厚作用玻璃工艺学玻璃工艺学1.浮法玻璃的平衡厚度浮法玻璃的平衡厚度 浮法玻璃的自由（平衡）厚度：浮在锡液面上的玻浮法玻璃的自由（平衡）厚度：浮在锡液面上的玻璃液在不受到任何外力作用时所显示的厚度。（通过璃液在不受到任何外力作用时所显示的厚度。（通过估算与实测估算与实测mm；在有拉边辊的拉引力作用下，；在有拉边辊的拉引力作用下，厚度约为厚度约为5.76.3mm），），见书见书152页图页图2-3-11。玻璃工艺学玻璃工艺学问题：生产厚度问题：生产厚度6mm的玻璃或生产厚度的玻璃或生产厚度6mm玻璃？玻璃？生产厚度生产厚度6mm的玻璃较易，主要是限制玻璃带的的玻璃较易，主要是限制玻璃带的自由变宽，可在锡槽摊平抛光区设置石质挡边器来控自由变宽，可在锡槽摊平抛光区设置石质挡边器来控制宽度，同时加大玻璃液供给量，并调整拉引速度，制宽度，同时加大玻璃液供给量，并调整拉引速度，就可生产就可生产630mm厚的玻璃；厚的玻璃；玻璃工艺学玻璃工艺学 生产厚度生产厚度6mm玻璃比较困难。原因是：玻璃横玻璃比较困难。原因是：玻璃横断面受力不够，玻璃带与锡液间摩擦力小，玻璃带断断面受力不够，玻璃带与锡液间摩擦力小，玻璃带断面受力小于克服玻璃内摩擦力所需的力；面受力小于克服玻璃内摩擦力所需的力；表面张力表面张力的增厚作用。的增厚作用。玻璃工艺学玻璃工艺学 2.表面张力的增厚作用。表面张力的增厚作用。在高温下，玻璃的粘度小在高温下，玻璃的粘度小（约（约103Pas），），表面张力充分发挥作用。浮在锡液上表面张力充分发挥作用。浮在锡液上的玻璃带，横向没有约束力，当纵向拉力增加时，宽度的玻璃带，横向没有约束力，当纵向拉力增加时，宽度缩小（甚至拉断），而厚度改变不大。即使利用拉边器缩小（甚至拉断），而厚度改变不大。即使利用拉边器暂时保持宽度，玻璃带短期被拉薄，随后又会在表面张暂时保持宽度，玻璃带短期被拉薄，随后又会在表面张力的作用下，缩小宽度，厚度又回到平衡厚度。力的作用下，缩小宽度，厚度又回到平衡厚度。玻璃工艺学玻璃工艺学 控制措施：控制措施：玻璃在摊平抛光后，充分的降低温度。玻璃在摊平抛光后，充分的降低温度。降低温度使粘度增至降低温度使粘度增至105Pas，而而增加较小，巨大增加较小，巨大的粘滞力使表面张力难以发挥作用。相对来说，的粘滞力使表面张力难以发挥作用。相对来说，的增的增厚作用大大减弱，为玻璃拉薄创造条件。厚作用大大减弱，为玻璃拉薄创造条件。设置拉边辊。设置拉边辊。采用石墨或不与玻璃液粘接的金属材料制成。设置采用石墨或不与玻璃液粘接的金属材料制成。设置在降温区在降温区850700（=105.9107.4Pas），），成对对称成对对称的布置在玻璃带两侧。的布置在玻璃带两侧。玻璃工艺学玻璃工艺学 3.玻璃拉薄玻璃拉薄 拉薄玻璃，必须在玻璃带的拉薄玻璃，必须在玻璃带的850700处设置拉处设置拉边器。拉边器的头部有齿条，可压入玻璃带，以一定边器。拉边器的头部有齿条，可压入玻璃带，以一定的速度自转。的速度自转。拉边辊线速度拉引辊的拉引速度，通过调整拉边辊线速度拉引辊的拉引速度，通过调整速度差，使两辊间玻璃带横断面受到预定拉力，好像速度差，使两辊间玻璃带横断面受到预定拉力，好像玻璃带固定在拉边辊上，而由拉引辊施加拉力。玻璃带固定在拉边辊上，而由拉引辊施加拉力。玻璃工艺学玻璃工艺学 拉边辊的对数与厚度有关，如板厚为拉边辊的对数与厚度有关，如板厚为5mm、3mm、2.5mm，相应的拉边辊对数为相应的拉边辊对数为1对、对、4对、对、5对。对。如拉引如拉引3mm厚玻璃，第一对拉边辊速度厚玻璃，第一对拉边辊速度0.085m/s，最，最后一对后一对0.17m/s。设置拉边辊后，厚度与拉引速度有一定对应关设置拉边辊后，厚度与拉引速度有一定对应关系，玻璃越薄，拉引速度越大。系，玻璃越薄，拉引速度越大。三、浮法成型的工艺制度（玻璃的拉薄方式）三、浮法成型的工艺制度（玻璃的拉薄方式）1.高温拉薄法：高温拉薄法：2.低温拉薄法：可以拉制更薄的玻璃低温拉薄法：可以拉制更薄的玻璃 强冷重热拉薄法：强冷重热拉薄法：摊平抛光区摊平抛光区：1050900，=103Pas，约约2min强冷区强冷区：降至：降至900700，若生产，若生产6mm，强冷至强冷至800再缓再缓冷到冷到700，设置拉边辊，加大拉引力，设置拉边辊，加大拉引力，=106107Pas 重热区重热区：700800，=104.65105.35Pas硬化区硬化区：降温至降温至600650，增大粘度，使玻璃保持原状，增大粘度，使玻璃保持原状，拉出锡槽，进入退火窑拉出锡槽，进入退火窑玻璃工艺学玻璃工艺学徐冷拉薄法徐冷拉薄法摊平抛光区：摊平抛光区：1050900，=102.7103.2Pas，约约2min 徐徐冷区冷区：降至：降至850，=104.25Pas 拉薄区拉薄区：降至：降至700，=104.25Pas 105.75Pas硬化区硬化区：降温至：降温至600650，=105.75Pas 1010Pas，粘度，粘度增大，使玻璃保持原状，拉出锡槽，进入退火窑增大，使玻璃保持原状，拉出锡槽，进入退火窑 四、锡液的污染及其对玻璃质量的影响四、锡液的污染及其对玻璃质量的影响 1.锡液的污染锡液的污染 主要是锡液中主要是锡液中O、S生成生成SnO、SnO2或或SnS、SnS2，导致玻导致玻璃缺陷。璃缺陷。2.对玻璃质量的影响对玻璃质量的影响 SnO、SnO2使玻璃表面产生使玻璃表面产生“雾点雾点”粘锡（玻璃降温时熔粘锡（玻璃降温时熔解氧）；解氧）；SnS、SnS2固态浮在锡面上划伤玻璃，固态浮在锡面上划伤玻璃，SnS、SnS2易挥易挥发，冷凝时落在尚没硬化的玻璃表面上，形成坑点，引起发，冷凝时落在尚没硬化的玻璃表面上，形成坑点，引起“光光畸变点畸变点”。3.防止措施：防止措施：通入保护气体，还原性惰性气体，防止锡的氧化。一般通入保护气体，还原性惰性气体，防止锡的氧化。一般常用常用N2加适量加适量H2，比例见书比例见书156页。页。锡液中加入保护物质：活泼元素，优先于锡液中加入保护物质：活泼元素，优先于O反应生成浮反应生成浮渣，然后除去，如渣，然后除去，如Na、Li、Mg、Cu、Zn等。等。玻璃工艺学玻璃工艺学 五、浮法玻璃成分五、浮法玻璃成分 1.满足快速成型的配合料。料性短，硬化速度快，满足快速成型的配合料。料性短，硬化速度快，所以一般采用高钙低碱成分。所以一般采用高钙低碱成分。2.采用还原气氛。为防止还原反应，配合料成分中采用还原气氛。为防止还原反应，配合料成分中不能含有不能含有Pb、As、Sb、Cu等易被还原的元素。等易被还原的元素。3.为防止为防止Sn污染，玻璃中污染，玻璃中SO2、SO3严格控制，芒严格控制，芒硝不能用太多，芒硝引入硝不能用太多，芒硝引入Na2O0.5%4.成分中成分中Al2O3、Fe2O3含量应较低。含量应较低。六、浮法生产的优点六、浮法生产的优点玻璃工艺学玻璃工艺学浮法浮法有槽有槽无槽无槽平拉平拉玻璃厚度玻璃厚度(mm)1.7300.420.4200.630宽度宽度(m)5.64.52.54质量质量好好差差接近浮法接近浮法近于无槽近于无槽产量产量大大多台引上机多台引上机高于有槽高于有槽成分成分高钙低碱高钙低碱 低钙高镁低钙高镁高钙低碱高钙低碱高钙低碱高钙低碱特点特点缺陷多缺陷多操作工艺操作工艺难度大难度大玻璃工艺学玻璃工艺学作作 业：业：1.解释浮法成型及锡液在玻璃浮法成型过解释浮法成型及锡液在玻璃浮法成型过程中的作用。程中的作用。2.解释平衡厚度、浮法玻璃难以拉薄的原解释平衡厚度、浮法玻璃难以拉薄的原因及采取的相应措施。因及采取的相应措施。