第八章玻璃的熔制与窑炉.
《玻璃工艺学》教学大纲
《玻璃工艺学》课程教学大纲英文名称: Glasses Technology课程编码:E014404课内教学时数：80学时,其中课堂授课64学时，实验16学时。
学分：5学分；适用专业：无机非金属材料工程本科开课单位：应用化学与环境工程系撰写人：王秋芹审核人：制定（或修订）时间：2014年8月一、课程的性质和任务玻璃工艺学是无机非金属材料专业的主要专业选修课程之一。
本课程旨在使学生掌握玻璃工艺的同时，培养学生实践能力，培养自学、讲解、协作和分析的综合能力。
要求学习本课程前应修完普通物理、材料物理、普通化学、材料科学基础、材料制备技术、无机材料化学、玻璃与非晶态材料等课程。
开设这门课的目的是让学生了解玻璃的种类、结构特点、基本性能、原料组成和制备工艺,了解玻璃在各个领域的应用现状和发展趋势.通过这门课的学习使学生对玻璃的性能和生产工艺过程有一个初步的掌握。
二、课程教学内容的基本要求、重点和难点第一单元玻璃的定义与结构㈠基本要求了解玻璃的发展历史，玻璃的发展前景，玻璃的通性，玻璃的结构理论，掌握玻璃组成、结构与性能之间的关系。
了解玻璃结构的研究方法.㈡教学重点玻璃的结构理论㈢教学难点玻璃组成、结构与性能之间的关系㈣教学内容1、玻璃的定义2、玻璃的通性3、玻璃的结构（1）玻璃的结构理论（2）传统玻璃结构（3）重金属玻璃结构（4）非氧化物玻璃的结构（5)金属玻璃的结构（6）有机玻璃的结构。
4、玻璃组成、结构与性能之间的关系（1）玻璃的阳离子分类(2)玻璃组成对结构的影响（3）结构对性质的影响。
5、玻璃结构的研究方法第二单元玻璃的形成与规律㈠基本要求通过本章的教学使学生了解玻璃形成方法，初步了解各种氧化物在玻璃熔体中的作用，理解玻璃的类型及结构学说，掌握玻璃的生成规律及玻璃成分、结构和性能之间的关系，领会玻璃的生成规律。
㈡教学重点玻璃的类型及结构学说。
㈢教学难点玻璃形成的动力学，热力学。
㈣教学内容1、玻璃形成物资（1）结晶化学理论（2)氧化物在玻璃中的作用2、玻璃形成方法（1)熔体冷却法(2)气相制备技术（3）液相制备技术（4）固相制备技术。
制作玻璃的窑炉原理
制作玻璃的窑炉原理
玻璃窑炉是用于制造玻璃的设备，其原理基于高温下的玻璃成型。
玻璃窑炉通常由一个或多个燃烧室、玻璃熔炉、排放系统和控制系统组成。
在玻璃窑炉中，原材料和燃料被加入到玻璃熔炉中，熔炉被加热至高温，使原材料熔化。
通常，玻璃熔炉由陶瓷砖或特殊的耐火材料构建而成，能够承受高温和腐蚀。
熔炉底部通常有一个小孔，使得熔融的玻璃可以流出并制成玻璃制品。
燃烧室通常用于加热玻璃熔炉。
燃料可以是天然气、石油、煤等，通过燃烧室中的燃烧，使熔炉达到高温。
排放系统则用于控制排放和废气的处理，以减少对环境的影响。
控制系统则用于监测和调节熔炉的温度、压力、气体流量等参数，以确保生产的玻璃质量和工艺流程的稳定性。
总之，玻璃窑炉的原理是利用高温和熔融的玻璃材料，通过燃烧室和控制系统来实现玻璃制品的生产。
玻璃的熔制及熔窑.ppt
编篮式是连续通道式格子体结构的改进形式，由 于格子砖的两个端面都是受热面，所以其单位格 子体体积的受热面积最大，而且稳定性也好。
十字形格子砖是一种新型格子砖，是AZS电熔浇 注砖，耐高温侵蚀性能好，容积密度大、热容量 高、热导率大等特性。蓄热效能好，周期温度波 动小，是一种理想的格子体。
3 玻璃的熔制及熔窑
3.2.2 热源供给及余热回收部分
3.2.2.1 热源供给 主要指小炉和燃烧喷嘴。 小炉是玻璃熔窑的重要组成部分，是使燃料和
空气预热、混合、组织燃烧的配置。 （1）燃油与天然气小炉 （2） 燃煤气小炉
A.小炉结构：应保证火焰有一定长度、亮度、刚 度、角度，有足够的覆盖面积，不发飘，不分层， 还要满足窑内所需的温度和气氛的要求。
e.炉条碹
炉条是承受蓄热室格子体重力的砖材结构。实际上 也是拱碹结构，是由单一的碹砖砌成的一条一条拱 碹，条与条之间留空以通气体，俗称炉条碹。
炉条碹是承受格子体重力的拱碹，上面码砌格子砖， 因此拱碹上面必须找平。
找平的方法有几种： ①在拱碹的弧形上面用爬碴砖砌平 ②直接用上面平直而下面弧形的碹砖砌成。
玻璃池窑那些部位耐火材料受到的侵蚀 最严重？举例说明蓄热室格子体耐火材 料的配置方案？
A 连通式蓄热室 熔窑一侧小炉下面的空气蓄热室为连通的一个 室，煤气蓄热室也为连通的一个室。 气流分布不均，容易形 成局部过热使格子砖很快烧损，目前已不再使用。
B 分隔式蓄热室 熔窑一侧蓄热室以每个小炉分成若干个互不相通的独立室， 气体分配分别由各分支烟道上的闸板调节，并分别与煤气及 空气支烟道上的闸板调节，并分别与煤气及空气支烟道相通。 其结构特点是气体分配调节方便，热修条件较好，但分隔墙 占据较多空间，减少了格子体的有效体积。是最普遍采用的 方式之一.2.2 余热回收部分
玻璃窑炉的理论课
玻璃窑炉的理论课一、玻璃的熔制过程：玻璃的熔制过程分为五个阶段：（一）硅酸盐形成阶段：在高温（约800—1000℃）作用下发生变化：如粉料受热、水分蒸发、盐类分解、多晶转变等，变成不透明的烧结物；（二）玻璃形成阶段温度升高到1200℃时，各种硅酸盐开始为熔融，继续升高温度，未熔化的硅酸盐和石英砂完全熔解于熔融体中，形成大量可见气泡，这一阶段称为配合料熔化阶段；（三）玻璃液澄清阶段：当温度达到1400—1500℃时，玻璃液的黏度降低，使气泡大量逸出；（四）玻璃液均化阶段：达到玻璃液均化主要依靠扩散和对流作用。
高温是一个主要条件，因为它可以减少玻璃液黏度，使扩散作用加强，另外搅拌是提高均匀性的好方法；（五）玻璃液冷却阶段：澄清均化后的玻璃液黏度太小，不适于成型，必须通过冷却达到成形温度，成形温度比澄清温度低200—300℃。
以上各阶段不一定按顺序进行，各阶段没有明显的界线的二、对窑炉关键部位的了解和掌握以及作用1）加料口的作用：玻璃池窑将加料池发展为预熔池。
预熔池内的温度保持在1100—1300℃，配合料内各组分之间的硅酸盐反应在预熔池内开始，料堆表面已经开始熔融。
已初步熔化的料堆，当它进入熔化池后，其熔化速度可以加快。
在熔化池面积一定时，熔化速度加快了，相对来说，其澄清时间就延长了。
因此，加料口的作用就是能提高熔化率、改善玻璃质量、降低热耗的作用；池内粉料飞扬的情况大大减少，格子体堵塞情况大大改善。
2）窑坎：窑坎是放在窑池深层的挡墙，墙高为池深的1/2以上，有的可达到3/4；窑坎是控制玻璃液流，提高熔化率的技术措施。
窑坎作用是：迫使熔化部玻璃液呈一薄层全部流经窑池上层，经高温加热后再进入流液洞，这样提高了玻璃液的温度，有利于气泡的排除，加快澄清速度，从而改善玻璃液质量；设置窑坎后，玻璃液在窑坎处产生回旋，可延迟玻璃液在熔化部停留时间，可阻挡池底脏料流往澄清部。
3）流液洞：流液洞是熔化部和冷却部的玻璃液连通起来的位于池窑底部的涵洞，是由一套特制的优质耐火材料砌筑成的。
玻璃的烧制方法
玻璃的烧制方法玻璃的烧制方法是指将原料加热至高温，使其熔化并在适当条件下冷却形成固态玻璃的过程。
下面我将按照易于理解的术语解释玻璃的烧制方法，以确保准确无误。
1. 原料准备：玻璃的主要原料是二氧化硅（硅石英砂）和其他辅助材料，如碳酸钠、石灰石、氟化物等。
这些原料经过筛选、混合和称量，以确保配比精确，并去除杂质。
2. 熔化过程：原料混合后，被送入特殊的玻璃窑炉中。
玻璃窑炉是一个高温容器，通常由耐火材料构成。
炉内的温度通常高达1500摄氏度以上，这样可以将原料熔化成黏稠的液体。
3. 系统调节：在熔化过程中，控制熔融玻璃的温度和成分非常重要。
通过调节炉内的加热元件和气氛（通常是氧气和天然气的混合物），可以控制温度和压力，以确保玻璃质量的稳定性。
4. 玻璃形成：一旦熔融玻璃达到适当的温度和流动性，可以使用不同的方法来形成玻璃制品。
常见的方法包括拉伸、挤压、浇注和吹制。
- 拉伸：将玻璃液体注入特殊的模具中，然后通过拉伸模具使玻璃形成所需的形状。
这种方法常用于生产平板玻璃。
- 挤压：将熔融玻璃通过模具挤压出来，形成所需的形状。
这种方法常用于生产玻璃管和玻璃纤维。
- 浇注：将熔融玻璃直接倒入特殊的模具中，使其自然冷却形成所需的形状。
这种方法常用于生产玻璃块。
- 吹制：将熔融玻璃液体吹入一个特殊的模具中，通过口吹或机械吹制使其膨胀成空心形状。
这种方法常用于生产玻璃容器和玻璃器皿。
5. 冷却和退火：一旦玻璃制品形成，它们需要经过冷却和退火过程。
冷却过程中，玻璃逐渐从高温转变为室温，这样可以增加其强度和稳定性。
退火是将玻璃制品加热至较低温度，然后缓慢冷却，以减轻内部应力，增加耐热性和耐冲击性。
总结：玻璃的烧制方法包括原料准备、熔化过程、系统调节、玻璃形成以及冷却和退火。
通过控制温度、压力和成分，将原料熔化成液体并形成所需的形状。
最后，通过冷却和退火过程，使玻璃制品获得所需的强度和稳定性。
玻璃窑炉-讲稿
二、玻璃的熔制过程
玻璃的熔化是将配合料投入耐火材料砌筑的熔窑中，
经高温加热，得到无固体颗粒、符合成形要求的各种单相
连续体的过程。
传统的方法生产玻璃------是通过加热，经过高温熔制而 得到的。加热的温度是多高哪？-----1580-1590℃ 。 玻璃熔化所用的设备------熔窑。熔窑是一个由多种耐火
进一步的澄清、均化和冷却以满足玻璃液成型的 要求。 玻璃池窑冷却部（Cooling End）的结构与熔化 部的结构基本上相同，也分为下部窑池和上部空 间两部分。 下部窑池由池底和池壁所组成，上部空间由胸 墙和大碹所组成。只是冷却部的窑池深度比熔化 部的窑池深度稍浅，冷却部的胸墙高度略低于熔 化部的胸墙高度。 冷却部冷却时要注意降温要稳定，避免温度较 大的波动，造成二次气泡。
为了提高玻璃液的质量，现代浮法玻璃窑炉的结 构有了演变-----熔化区、澄清区-----微小气泡。
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(4)熔化部澄清区长度和宽度的确定
为了便于计算和分区，国内外一般以未对小炉中心
线外1.0m处开始到卡脖拐角处为止这一段的距离来 确定为浮法玻璃池窑熔化部澄清区的长度，它和熔化 区的长度一起构成整个熔化部的长度。
9000
600 14695 11250
9375
650 15163 11625
9750
700 15627 12000
10125
21
玻璃池窑熔化部澄清区的宽度BR与玻璃池窑
熔化部熔化区的宽度Bm相同。
(5)窑池的深度
关于窑池的深度，国内外有两种比较通用的结
构形式。
深池结构和浅池结构。
008-窑炉知识培训
鼓泡的位置：
1、在池长1/3处布置一排鼓泡起助熔作用，在池长2/3－ 4/5处布置另一排鼓泡，起促进澄清和均化作用。 2、第一排鼓泡在池长2/3附近，第二排紧随其后，两排间 相距约1m或更近。起到阻挡生料和加强玻璃液均化。
流液洞的两种结构：
1、流液洞形式 2、铂金挡砖结构
正在砌筑中流液洞
锆砖
产品 指标 ZrO2含量(%) SiO2含量(%) Fe2O3含量(%) 显气孔率(%) 体积密度 (g/cm3) 常温耐压强度 (MPa) 荷重软化始点 To.6(0C) 高致密锆砖 等静压 HDZS-65 65 33 0.3 ≤1 ≥4.25 ≥300 ≥1680 高锆致密 砖等静压 HDZS-69 69 29 0.3 ≤9 ≥4.15 ≥200 ≥1680 优质标准 锆砖压制 HPZS-B 65 33 0.5 ≤18 ≥3.75 ≥120 ≥1700 高纯异型 标准锆砖 VCZS 65 33 0.5 ≤20 ≥3.65 ≥100 ≥1680
铬刚玉砖(AZCS-30) 密度≥3.35g/cm3, 显气孔率≤18%,常温耐压强度，Cr2O3 30±1%,ZrO2 17±1%, SiO2 10±1%, Al2O3 41±1% 铬刚玉泥浆(AZCS-30) Cr2O3 30±1%,ZrO2 17±1%, SiO2 10±1%, Al2O3 41±1% 致密氧化铬砖具有最佳的抗高温E玻璃的侵蚀性，其侵蚀 物基本上对玻璃液不造成污染，是首选的优质耐火材料砖 材 致密氧化铬砖采用等静压法成型，其致密度非常高，其抗 侵蚀性是致密氧化锆的两倍。主要应用在直接接触高温玻 璃液的熔化部池壁、熔化部高温部位池底、主通路池壁和 池底、分配通路池壁和池底等高温部位。 主要厂家：美国的科哈特、德国的VGT、广州石井。
玻璃熔制及熔窑---熔制的工艺制度解析
熔制的工艺制度
3.温度曲线 热点：不是一个点，而是玻璃液表面的最高温度带 （1）“山”型曲线
小炉序号 1 2 3 4 5 6
温度分布℃ 1430 1480 1530 1550 1520 1440
燃料分配% 16 18 20 21 16 8~9
特点：热点突出，热点与1#小炉及末对小炉间的温差大，玻璃 液对流剧烈，泡界线清晰稳定，容易达到稳定作业；配合料熔 化滞后，难以充分利用窑的潜力。
❖ d.温度 ❖ 当熔化部温度高时，玻璃液粘度减小，回流速度加快，
参与回流的玻璃液量增多，配合料迅速熔化，泡界线趋 近于投料口；
❖ 熔化部温度降低时，玻璃液粘度变大，回流慢，液量少， 未熔配合料增多，泡界线挪后变远；当窑内横向温差变 大时，横向液流明显加剧，泡界线紊乱、模糊，直至偏 斜，发生“跑料”现象。
熔制的工艺制度
窑内对火焰的要求 温度： 亮度：与火焰的碳黑量有关（燃料的性质、空气过剩系数） 长度：距离对面胸墙0.5m左右 宽度：覆盖面积 角度：平直稍向下斜 刚度：清亮有力，不分层，不发飘，与火焰喷出速度有关
玻璃池窑的工作原理
（玻璃液的流动和窑内应热交换）
玻璃液.增加了热量的损失； 4.加速了对窑体的侵蚀。 二、玻璃池窑内的热交换
玻璃池窑的工作原理
（玻璃液的流动和窑内应热交换）
A.火焰空间内的热交换（火焰、窑墙和碹顶、被加热的配合 料和玻璃液）
熔制的工艺制度
“桥形”曲线： 热点前后两对小炉的温度与最高温度相差不大，温度曲线似 拱桥形。 特点：熔化高温带较长，有利于配合料的熔化和玻璃液的澄 清。热点不明显，我浓度梯度小，向投料口的回流弱，易产 生“跑料”现象，但易于控制。
小炉序号
1
2
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铅硅酸盐玻璃
1 Na 2O K 2O PbO 8 其中：氧化物—各氧化物在玻璃中的重量百分数； —表示玻璃相对难熔的特征值； 与值相应的熔化温度
SiO 2
值
6
1450~1460
5.5
1420
4.8
1380~1400
4.2
1320~1340
熔化温度℃
注意：常数是一经验值，确定熔制温度时，此常数不能认 为是唯一的决定因素，它未考虑如粒度、温度等因素。
玻璃工艺学
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2、石英颗粒的大小 鲍特维金公式：
K 1r
3
—玻璃形成的时间（分钟）； r-石英颗粒的原始半径（厘米）； K1-与玻璃组成和温度有关的常数； 3、熔制温度 bt 索林诺夫经验公式： a e —玻璃形成时间（小时）； a、b—常数（与玻璃组成、原料粒度有关）。对窗玻璃， a=101256, b=0.00815; e—自然常数 t—熔融体温度（℃）
三、玻璃的形成阶段
（一）玻璃形成阶段的反应： 溶解：石英砂粒表面的SiO2进入液相； 扩散：溶解的SiO2向周围熔体扩散，速度最慢；
（二）玻璃形成动力学 玻璃熔制过程中玻璃形成速度与玻璃组成、砂粒大小、熔制 温度等有关。 1、玻璃组成： 沃尔夫（M.Volf）提出如下玻璃熔化速度常数的方程式。
SiO 2 Al 2O 3 一般工业玻璃 Na2O K 2O SiO 2 Al 2O 3 硼硅酸盐玻璃 1 Na 2O K 2O B 2O 3 2
玻璃工艺学
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四、玻璃的澄清阶段
玻璃液的澄清过程是玻璃熔化过程中极其重要的一环，它与
玻璃工艺学 6
2.多组分反应：除了包括单组分和双组分的加热反应特点外， 还包括含自身反应特点，如复盐的反应；形成低共熔物，使得熔制 温度低，所以组成越多，熔制温度越低；硅酸盐的生成等。 如：生成CO2的来源有碳酸盐的单组分分解、碳酸盐生成硅酸 盐的反应、复盐的分解等。 因此配合料的加热反应基本上是单组分和多组分加热反应的综 合。
玻璃工艺学 5
芒硝Na2SO4： 235℃ 无水芒硝（斜方晶系） 884℃ 熔融 自1200℃左右开始分解 Na2SO4 (有还原剂时，反应加速) ②盐类分解
偏位芒硝（单斜晶系）
Na2O+SO3
各类碳酸盐、硫酸盐、硝酸盐在一定温度下均发生分 解并释放出气体。 ③析出结晶水和化学结合水 如含水硼砂（Na2B4O7· 10H2O）、纯碱、芒硝等易吸 潮的原料、含水芒硝（Na2SO4· 10H2O）、结晶纯碱 （Na2CO3· 10H2O）、瓷土（Al2O3· 2SiO2· 2H2O）
但由于低共熔作用，在多组分配合料中碳酸盐的分解、硅酸盐
的形成和均化开始得早，即多组分配合料的硅酸盐形成和玻璃形成 要比双组分快得多。 而且从低温到高温的反应顺序会因为颗粒度
大小等因素而发生改变。
玻璃工艺学 7
（二）硅酸盐形成 在此阶段，主要的反应为化学反应，故该阶段化学反应 动 力是其动力学因素。反应进行的速度和各种不同因素对反应速 度的影响是硅酸盐形成过程动力学研究的主要内容。 1300℃ 1200℃ 1100℃
1000℃
900℃
SiO2+Na2O+CaO反应速度与温度
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分解% 100
75 50 25 0
4
3
2
1
10 20
30 40
50
60
70 80 分钟
CaCO3与SiO2在不同比例时的反应速度 1—CaCO3；2—CaCO3+SiO2；3—CaCO3+2SiO2； 4—CaCO3+3SiO2；
物 理 变 化 化 学 变 化 物 理 化 学 过 程
配合料加热升温 配合料脱水
固相反应 碳酸盐、硫酸盐、硝酸 盐的分解
共熔体的生成 固态的溶解与液态间互溶
各组分的熔化
晶相转变 个别组分的挥发
水化物的分解
化学结合水的分解 硅酸盐的形成与相互作 用
玻璃工艺学
玻璃液、炉气、气泡间的相互 作用
玻璃液与耐火材料间的作用
第八章 玻璃的熔制与窑炉
主要内容： 玻璃的熔 制过程及其影 响因素，熔制 制度，熔窑和 耐火材料的侵 蚀过程等。
玻璃工艺学 1
一、 玻璃熔制过程概述 玻璃的熔制过程就是将配合料经高温加热熔融成为均匀的、 无气泡的符合成型要求的玻璃液的过程。 玻璃熔制过程是一个很复杂的过程，它包括一系列的物理、 化学、物理化学反应。研究指出各种不同的配合料在加热时发生 如下所列的各种变化：
2
这些复杂的反应常可根据熔制过程中的不同实质而分为如 下五个阶段： 1、硅酸盐形成阶段； 要 的 固 相 反 应 完 成 800 （ 900 C） 配合料 主 不透明烧结物 (由硅酸盐和未熔二氧化硅组成) 2、玻璃形成阶段； 二 氧 化 硅 在 硅 酸 盐 中解 溶扩 散 烧结物 透明体 含 有 大 量 气 泡 和 不 均体 匀(1200 C ) 3、玻璃液的澄清阶段；
玻璃工艺学 9
从上述反应关系可以得出与反应速度相关的动力学因素有： 1、温度： 温度的提升
熔体中各组分的自由能
反应的可能
分子间的碰撞几率 质点运动速度加快 2、反应时间 反应时间越长 反应物减少，生成物增多 反应速度降低
反应加快
3、反应物的浓度
浓度增大 分子间碰撞次数增加
反应速度增加
玻璃工艺学
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逐 步 排 除 可 见 气 泡 到许 允程 度 透明体 无气泡的玻璃液 对钠钙硅玻璃温度 1400 ~ 1500 C
4、玻璃的均化阶段； 5、玻璃的冷却阶段； 五个阶段的相互关系
玻璃工艺学 3
池窑中玻璃熔融过程模型图
玻璃工艺学
4
二、 硅酸盐的形成
（一）配合料的加热反应： 1.单组分反应：多晶转变、盐类分解（如碳酸盐、硫酸盐、硝 酸盐等的分解反应）、析出结晶水和化学结合水。 ①多晶转变 例如： 石英：573℃ β-石英 α-石英 870℃ α-石英 α-磷石英 1470℃ α-磷石英 α-方石英 1710℃ 熔化 碳酸钡BaCO3： 811℃ 斜方γ晶形 六方β晶形 982℃ 六方β晶形 等轴α晶形 ～950℃ 2BaCO3 CO2+BaO· BaCO3 ～1000℃ BaO· BaCO3 2BaO+CO2