玻璃的生产工艺包括配料、熔制、成形、退火等工序。

1.配料

玻璃的配料是指按照设计好的料单,将各种原料称量后在一混料机内混合均匀。

玻璃的主要原料有：石英砂、石灰石、长石、纯碱、硼酸等。长石是长石族矿物的总称,是大陆地壳最常见的矿物之一。它是一类常见的含钙、钠和钾的铝硅酸盐类造岩矿物。长石在地壳中比例高达60%,在火成岩、变质岩、沉积岩中都可出现。

2.熔制

将配好的原料经过高温加热,形成均匀的无气泡的玻璃液。这是一个很复杂的物理、化学反应过程。玻璃的熔制在熔窑内进行。熔窑主要有两种类型：一种是坩埚窑,玻璃料盛在坩埚内,在坩埚外面加热。小的坩埚窑只放一个坩埚,大的可多到20个坩埚。坩埚窑是间隙式生产的,现在仅有光学玻璃和颜色玻璃采用坩埚窑生产。另一种是池窑,玻璃料在窑池内熔制,明火在玻璃液面上部加热。

玻璃的熔制温度大多在1300～1600℃。大多数用火焰加热,也有少量用电流加热的,称为电熔窑。现在,池窑都是连续生产的,小的池窑可以是几米,大的可以大到400多米。

3.成形

成型是为了将熔制好的玻璃液转变成具有固定形状的固体制品。成形必须在一定温度范围内才能进行,这是一个冷却过程,玻璃首先由粘性液态转变为可塑态,再转变成脆性固态。成形方法可分为人工成形和机械成形两大类。

(1)人工成形。包括以下方法。

①吹制。用一根镍铬合金吹管,挑一团玻璃在模具中边转边吹。主要用来成形玻璃泡、瓶、球(划眼镜片用)等。

②拉制。在吹成小泡后,另一工人用顶盘粘住,二人边吹边拉主要用来制造玻璃管或棒。

③压制。挑一团玻璃,用剪刀剪下使它掉入凹模中,再用凸模一压。主要用来成形杯、盘等。

④自由成形。挑料后用钳子、剪刀、镊子等工具直接制成工艺品。

(2)机械成形。因为劳动强度大,除自由成形外,人工成形大部分已被机械成形所取代。机械成形除了压制、吹制、拉制外,还有以下方法。

①压延法。用来生产厚的平板玻璃、刻花玻璃、夹金属丝玻璃等。

②浇铸法。类似金属材料的铸造工艺,用来生产光学玻璃。(www.daowen.com)

③离心浇铸法。用于制造大直径的玻璃管、器皿和大容量的反应锅。这是将玻璃熔体注入高速旋转的模子中,由于离心力使玻璃紧贴到模子壁上,旋转继续进行直到玻璃硬化为止。

④烧结法。用于生产泡沫玻璃。它是在玻璃粉末中加入发泡剂,在有盖的金属模具中加热,玻璃在加热过程中形成很多闭口气泡这是一种很好的绝热、隔音材料。

⑤平板玻璃的成形。有垂直引上法、平拉法和浮法。浮法是让玻璃液流漂浮在熔融金属(锡)表面上形成平板玻璃的方法,其主要优点是玻璃质量高(平整、光洁),拉引速度快,产量大。

4.退火

玻璃在成形过成中经受了激烈的温度变化和形状变化,这种变化在玻璃中留下了热应力。这种热应力会降低玻璃制品的强度和热稳定性。如果直接冷却,很可能在冷却过程中或以后的存放、运输和使用过程中自行破裂(俗称玻璃的冷爆)。为了消除冷爆现象,玻璃制品在成形后必须进行退火。退火就是在某一温度范围内保温或缓慢降温一段时间以消除或减少玻璃中热应力到允许值。

5.淬火

与退火消除永久热应力相反,玻璃的淬火是通过热处理在玻璃表面造成压应力以提高玻璃的强度。玻璃制品加热到接近软化温度后立即用空气或油等冷却介质骤冷,可以有控制地使玻璃制品的表层产生具有均匀的永久压应力,这一压应力可以抵消外力作用于玻璃制品引起破坏的张应力,使制品强度提高4～5倍,成为钢化玻璃制品。化学钢化玻璃是通过改变玻璃的表面的化学组成来提高玻璃的强度,一般是应用离子交换法进行钢化。其方法是将含有碱金属离子的硅酸盐玻璃,浸入到熔融状态的锂盐中,使玻璃表层的Na+或K+离子与Li+离子发生交换,表面形成Li+离子交换层,由于Li+的膨胀系数小于Na+、K+离子,从而在冷却过程中造成外层收缩较小而内层收缩较大,当冷却到常温后,玻璃便同样处于内层受拉,外层受压的状态,其效果类似于物理钢化玻璃。

参考文献

1.张云洪.陶瓷工艺技术.化学工业出版社,2006

2.周张健,赵海雷,连芳.无机非金属材料工艺学.中国轻工业出版社,2010

3.戴克思.水泥制造工艺技术.中国建材工业出版社,2007

4.张锐编.玻璃工艺学.中国轻工业出版社,2008

思考题

1.无机非金属材料有哪几类?其基本特性是什么?

2.传统陶瓷所使用的原料有哪些?各起什么作用?

3.试解释生料、熟料、水泥和混凝土的概念、特点和用途。