膨胀系数在玻璃工艺控制中的应用

膨胀系数在玻璃工艺控制中的应用 膨嗽系叙在玻璃工艺控制中的应用 国玻 膨胀系数在玻璃工艺控制中的应用 何 旭 远 上海康宇集团 上海摘 要:玻璃膨胀系数是玻璃的重要性质之一,它与玻璃的其它性质如热稳定性、机械强度、软化点等 有着及 其密切的关系,对玻璃生产、加工和研究具有重要的意义。在玻璃封接、琉璃铸造、工艺品套料的生产中起着举足轻 重的作用。本文从【的变化、监控、测定、校正、计算等几个方面描述膨胀系数在工艺控制中的应用。 关键词:热膨胀系数;监控;测定;校正;工艺控制 : , , , , . , . , , , ,. : ; ;;; . . 计算公差 配方计算的方法很多,无论是传统方式下的手 的变化 工计算,还是计算机计算 规划求解及配方软 在实际生产中,导致膨胀系数变化的因素有如 件计算 ,都会涉及差异的问题。这个差异一是源自 下几种情况: 计算体系本身,二是源自计算方式的选择。计算误 差较大时也会造成设计组成与实际组成的差异,影 . 原料品质 响膨胀系数的变化。 在玻璃工艺控制中,原料品质涵盖化学组成、粒 . 配合料制备 级配比、矿物组成、氧化、还原值等,其中与膨胀系数 . . 称的种类 变化密切相关的是化学组成。不同批次、不同产地、 不同供应商的同一原料,其有效成分可能会有差异, 配合料制备以前用磅秤,现在多选用电子称。磅 这种差异将改变配方设计组成,使膨胀系数发生变 秤的称量结果对人的称量经验依赖性比较强,因各 化。 人差异导致的称量误差足以改变膨胀系数而让人浑 然不觉。 . 配方计算 . . 称量精度 . . 工艺参数 这里涉及两个精度,即秤的静态精度和称量动 配方计算的前提有 个,即配方设计组成、原料 态精度。静态精度是指秤的重量示值与标准砝码值 化学组成、工艺参数。在工艺参数中主要涉及原料 之间的最大偏差;动态精度是指物料的实际称量误 含率和原料挥发损失两个部分,它们都与熔制条件、 差与秤的额定称量值的比值。从定义可以看出,物 料的实际称量误差并不完全取决于秤的静态精度。 原料种类和出料量相关。挥发量界定的准确度将直 接影响配方实际组成与设计组成的差异,进而影响 动态精度与称量容器中 物料粘附和随机脱落直接相 膨胀系数的变化。 关,在实际生产中需要注意。中国玻璃 膨胀系毅在玻璃 工艺控制中的应用 动态精度可以用下式示: . 热历史 盯 / ; 【随温度的升高而增大,在转变点以上时,膨 式中: 胀系数随温度升高而增大的现象更为明显,直至软 叮:额定称量精度,以均方差表示; 化为止。组成相同的淬火玻璃比退火玻璃高很多 盯。:秤的静态精度,以均方差表示; : 见图 ,主要是源于淬火玻璃中存巨大的应变。微 控制系统精度,以均方差表示; 晶玻璃在热处理时的析晶种类及晶体学特征会使玻 盯,:随机波动量,以均方差表示。 璃的微观结构致密化,膨胀系数变小。 . . 称量失控 用量称错、重复称量、原料种类错称及秤具不洁 等都是配合料制备中常易犯的错误。其中称量不洁 是指称量容器粘附物料挂皮,随机脱落,影响称料 量,也就是 . . 中述及的动态精度。称量失控多为 人为疏忽所致。 . . 搅拌机械 混合机械结构设计是否合理会直接影响配合料 均匀度。均匀度变差,使得配合料组分局部富集和 匮乏,进而造成膨胀系数的波动。 温度/ 图 淬火玻璃、退火玻璃膨胀系数 . 熔制工艺 注: 退火玻璃; 淬火玻璃 . . 熔制温度/.的监控 温度越高,易挥发物挥发越严重,膨胀系数将随 易挥发组分量的变化而变化。特别是火焰炉 重油 . 工艺控制 炉、煤气炉及天然气炉 ,其影响效果最为明显。 . . 熔制时间 . . 原材料品质 高温熔制时间的长短对膨胀系数影响的原理和 通常情况下,化工原料类的 有效氧化物含量差 同温度一样,时间越长,易挥发物挥发越严重。 异不大。矿物原料的组成可 能会有差异,主要源于 . . 出料不稳 矿物源自身的差异。在玻璃工艺控制中,当这种差 膨胀系数也会因出料量不同而变化。因为出料 异影响到玻璃物性常数改变 时就要对配方进行调 量会影响高温熔体在炉内停留的时间,进而影响组 整。一般采用如下方式监 视原料品质的变化。 分量的变化。一般出料量增大,膨胀系数会升高。 . . 配方计算 . . 碎玻璃工艺参数 易挥发原料的挥发量确定可通过如下方式进 碎玻璃用量大小对膨胀系数的影响,也是表现 在重熔过程中挥发组分的变化上,一般使用比率越 行: . 查阅文献:可查阅多种文献结合实际熔制条 大,膨胀系数会越小。 . . 熔化方式 件确定挥发量; 配方试验:模拟熔制条件,确定挥发量; 同组分玻璃的配合料,在不同的熔制方式中挥 发量不同:火焰炉 坩埚炉 全电熔炉。如 ,在 批量投产后检测/.及组成变 化,推算挥发 量。 火焰炉中挥发量达到 %以上,在闭口坩埚炉中只 配方计算中常用易挥发氧化物的挥发量见表 有 ~ %,在电熔炉中只有 ~ %。因此,在配方组 成设计时就需要考虑熔化方式对组分的影响。膨胀系墨在玻璃工艺控制中的 应用 国玻 军 期 ??? ? ?表 火焰炉易挥发物的挥发量中的规划求解,它通过设置约束条件,改 变可变单元格、目标单元格以及其他与目标单元格 组 成 挥发量% 说 明 有直接或间接关系的单元格求出最优解,同时保证. 通过碳酸钠引入时 工作表中的其它保持在设置范围内。这种求解 方式的公差比人工计算精准得多,且会节约很多时. 通过 酸钠引入时 间。它实现了线性方程组的主元高斯消元法的计算 . ? . 模式。缺点是电子表格数据中内含计算式,操作不. 慎碰触鼠标或键盘按键,容易篡改、删除公式及数 据。.计算机软件求解. 配方软件将多组分原料采用建立线性方程组、 . 主元高斯消元法的计算模式进行配方计算,实现了 . 配方计算速度快、结果准、精度高的特点。计算时可 依配方气体率或配合料重量或 玻璃等为基础 .份 损失的 :量 进行配料单的计算。市售《玻璃配方优化设计系统》 .份 损失的量 中的配方计算涉及钠钙硅玻璃、高硼硅玻璃、水晶玻 璃等领域。 . 份 ,损失的量 .. 配合料制备计算方法秤的选择 配方计算方法不拘~格,已从传统方式下的手 不使用磅秤,根据物料称量范围选用不同精度 工计算演变为当前的 规划求解及专用配方软 的电子秤,秤的静态精度、物 料称料量的关系见表 。 件求解,这三种计算方法做一简要描述: 人工求解 表 配合料制备用秤的精度 传统计算方法是用笔算或借助计算器进行配方 称 量 用 称 称 量 精 度 计算,这种计算方法速度慢、效率低,完全依赖于个 常量组分称量 . 人的计算经验。计算方式有算术渐近法和联立方程 式法。 少量组分称量 .算术渐近法:从引入玻璃中氧化物种类最多的 微量组分称量 . 原料开始进行计算:首先确定多组分原料的“特定” 组分,作为基准计算其用量如长石将组分 : 作混料设备 为“特定”组分 ;然后计算硅质原料用量如石英砂 混料机按工作原理分为 强制式和重力式。重力 用量 ;再根据石英砂引入的 ,再回头校正长石 式为物料受重力作用产生复杂运动相互混合;强制 原料的用量可能会涉及多次校正 ;最后在计算其 式是物料在桨叶的强制作用下或在气流作用下产生 它组分单一的原料用量。 复杂运动而互相混合。玻璃企业一般选用涡流强 制 联立求法:对多组分原料采用建立二元一次方 桨叶式搅拌机,具有转动简单、密封性好,混合均匀 程组的方式来求解,可以准确计算出两种原料的结 等特点,其混合时间、均 匀度的关系见图 。 果 如石英砂和长石通过设计组成中的和 配合料均匀度的改善,除选择适 宜的混合设备 。 ,建立二元一次方程组求解石英砂和长石用 外,还与物料粒度、放料顺序、配合料水分含量、搅拌 量 。但当引入多种矿物原料时,还是会涉及使用算 时间等因素密切相关。 .. 熔制工艺 术渐近法,如方解石、白云石、萤石等原料它们也会 引入和 ,,这就为配方计算带来困扰。 熔制条件的改变最终都将导致玻璃设计组成的规划求解 改变,进而导致仅的变化。就熔制本身而言,在其客 国玻璃 胀系教在玻璃工艺控制中的应用 熔制的定订情况。站在玻璃工艺控制的角度 蛆% 孵譬: %; ::% 量 量口 .曩讲,我们希望每日的熔制制度具有重复性,以期实现 过程稳定受控的目的。 一 术 碎玻璃比率:常受其富余状况的影响,在配合料 制备时需要综合考量碎玻璃用量。 四 露 . . 热历史 无论是熔制还是热历史过程,都必须求“稳”。也 就是说,同一种玻璃每天的熔制制度、热历史制度都 要具有重复性、可追溯性和可操作性,以确保产品质 . 量稳定受控。 混合时间/. 监控手段 图 搅拌机混合时间、配合料均匀度 观条件已确定的情况下,就求一个“稳”字,温度稳、 对于膨胀系数的监控, 一般选用控制图进行统 计,通过 的趋势变化,时时预警,为预防措施提供 时间稳、气氛稳、出料稳、碎玻璃比率稳。 熔制温度:可通过理论计算经验公式、程 及时、有效的依据。控制图的绘制现都采用计算机 系统。根据产品的特定要求,制定适宜的控制上、下 长荫经验公式、温度一粘度熔体特性等获得参考值 目前已有专用配方软件可供计算 ,然后根据实际 限 、 ,结合实测值即可统 计观察 的波动 状况见图 。 熔制条件及试验性熔制确定适宜的熔制温度。 ‘: . ? 程长荫提出了熔化温度与膨胀系数的定性关系 见表 。 表 熔化温度、窑炉类别及熔制条件的差异 八 厂\ 膨胀系数 熔化温度 ? 熔化特性 讪。 、’ 易熔?一 较难熔 图 膨胀系数监控用控制图 难熔 的测定 火焰炉、全电熔炉、日池炉、电坩埚炉的实际熔 制温度与理论计算值相比都有差异,可通过评分的 . 膨胀仪法 方式对其进行描述见表 。 . . 测量原理 表 熔化温度、窑炉类别及熔制条件的差异 石英膨胀仪是一种经典的测量方法,利用置于 窑炉类型 理论熔化温度一评分 实际熔化温度一评分 石英玻璃管中的待测样品与高纯石英玻璃标样膨胀 火焰炉 .. 系数的差异,测量其加热过程中的相对长度,来实现 待测样品的测定。 日池炉 .. 仅石一 / 一 电坩埚炉 .. 式中: 全电熔炉 .. : 待测玻璃膨胀系数,? ; 石:石英标样膨胀系数,? ; 熔制时间:对连续出料的池炉而言,稳定出 、 :计算膨胀系数的开始和终止温度, ; 料就间接稳定了熔制时间;对间歇出料的坩埚炉、日 、 。:当温度为 、 一时对应的试样相对伸长 长度, 。 池炉及电坩埚炉而言,则完全依赖于工艺工程师对膨胀系般在玻璃工艺控制中的应用 国玻璃 一 \ 【一辍垛邕避《霜 随着电子、机械及计算机信息的发展,膨胀仪的 . 拉丝法 ,鬈 , . 功能已不单单局限于膨胀系数的测量,同时还能进 行软化温度、转变温度的测定;应用于相转变、烧结 . . 测量原理 速率控制、烧结动力学、密度变化等方面的研究。 将已知热膨胀系数的标准玻璃标棒 与待测膨 . . 测量方法 胀系数的玻璃叠烧在一起,拉成细丝。两种不同膨 膨胀仪的使用比拉丝法容易得多,过程中人为 胀系数的玻璃冷却时,由于收缩程度差异,使得细丝 因素干扰少,数据与处理全自动化,图文并茂, 出现弯曲,根据弯曲高度,即可测量出待测玻璃的膨 直观、简单。仪器使用中要注意样品的处理,含表面 胀系数。 清洁、直径、长度、测量气氛等;同时,要注意升温速 . . 测定方法 率的设定、控制,时时监控仪表运行状态。 将标棒、样棒在酒精喷灯上灼烧 软化后用镊子 . . 数据处理 拉成直径‘ . ~ .、长度 左右的 设备在运行过程中,会自动记录数据见表 , 细丝,冷却后,将丝放到事先准 备好的坐标纸上 覆 并根据数据记录自动绘图见图 。 盖毛玻璃 测量丝的弯曲程度 见图 ,然后通过 图中不但显示了不同温度下的膨胀系数,而且 简单计算测出样棒的膨胀系 数。 也可以通过此曲线进一步分析样品的其它熔体性 质,如软化点、退火点、应变点、变形点等。 一 。 表 膨胀仪监测数据表 . , . . . . . 。 。 。 。 . 试验时间 温度 位移 线膨胀百分率 平均线膨胀系数 膨胀值 ? ? % 一 /? : :. . . 图 丝的弯曲度测量 : : . . .. . 数据处理 】: :. . . 求解 当 时, . : : . .. 当 时, : :. . .: : . .. 求解 【 仅 : :. . . 式中: : : . ..:丝的弯曲高度, ; : : . . .:丝的直径, ; :玻璃膨胀系数, ; :标准玻璃棒的膨胀系数, ; ?仅:标棒与被测玻璃膨胀系数之差, 一。 求解 的过程,可以转化为如表 数据进行 查询。 上述过程也可以通过计算机软件来完成,测量 人员只需输入标棒仅、拉丝直径 、弯曲高度 ,即可 显示测量结果见图 。 的校正 温度门: . 校正方法 图 膨胀系数测定曲线图 国玻璃 膨胀系数在玻璃工艺控制中的应用 表 膨 胀 系数 测 定 ?仅数 值 表. .. . . . . .. ...... .. .....】 . .... . . . . . . ... .. ... .. . .... .. . . . ... .. . .. ... . .... .. . . ... .... . .. .. . ........ ...... . ... . . . . . . ..... . .... . . .. . 珥. . . .. . .. . . . . .. . 孓 . .... .. ... . ........... ... . . . . . . . .... . . .... .... . . . . . . . .. . . . . .. .. ... . . ... . . . . . . . . . . . . ... . .. . 沈明:本表数据只适合于 ? 时的情况。 在实际生产中,若膨胀系数发生非预期变化,在 式中: 重复使用此料时需要对其校正,校正方法如下: / :引人的少量成分的原料 用量, %; . . 经验型 ?仅:目标膨胀系数与实际膨胀系数的差值, 一 ; 从 常调整数据中总结出原料用量 膨胀系数 :引入 %该氧化物后热膨胀系数的变化值 变化的对应关系,将其作为调整依据。此法多为经 验型工艺人员所使用。 见表 ,×。 . . 加入法 表 玻璃中添加% %各氧化物后膨胀系数的变化 × 根据文献资料结合实际调整情况,采用 “加入 法”进行调整,即:在原有成分中引入少量的另种成 类 别 分,以期实现改善性质的目的。 琉璃中铅料 一. ... ?. ?. . ? :平板浮法料 一 . ? ....啤酒瓶罐料 一. ?. . . . . . 置换法 以一种成分代替另一种成分,根据不同成分代 替时对.值的影响程度,计算代替和被代替原料的 用量,以达到改善性质的目的。在钠钙硅玻璃中,以 其它氧化物代替 %的时,其膨胀系数变化情 况如见表 所示。 .. 校正手段 采用计算机系统进行校正。它采用“加入法”将 图 膨胀系数的计算、校正