材料概论(周达飞)(二版) 第5-1章

材料概论5.2陶瓷的生产陶瓷的概念与分类及发展历史普通陶瓷的基本制备工艺特种陶瓷生产的基本工艺过程5.1玻璃的生产玻璃的发展历史(＞5000年，我国≥3000年)玻璃的生产工艺第五章十种产品生产过程概述*5.3水泥的生产5.4黑色金属的生产*5.5有色金属的生产5.1玻璃的生产玻璃的发展历史•公元1世纪初：古罗马人发明用铁管吹制各种形状的制品•不久懂得了玻璃易加工成型并加以利用玻璃窗、瓶和望远镜的透镜—玻璃发展的第1技术阶段。•1115世纪：制造中心→威尼斯＞800年(1517世纪鼎盛期)•16世纪后：威尼斯玻璃工匠的秘密→法、德、英；•17世纪：欧洲→玻璃厂开始煤代替木柴，玻璃工业↗发展。•18世纪末：玻璃制品的皇冠捷克。捷G艺术品，从17世纪活跃欧洲市场。俄G艺术制品17世纪也闻名于世。•1790年：瑞士钟表匠搅拌大型均匀的光学G园板高均匀度•18世纪后期：∵蒸汽机发明，机械&化学工业不断发展玻璃制造技术也↗。1828年，法国工人罗宾第1台吹瓶机。•19世纪中叶：发生炉煤气和蓄热室池炉→玻璃的连续生产。•19世纪末：德国人阿贝和肖特对光学G→系统研究→玻璃科学基础的建立。•20世纪以来：玻璃生产技术，玻璃工艺学→专门学科。•20世纪初：G瓶罐需求量→各种自动制瓶机→机械化。•1905年：英国欧文斯→第1台玻璃瓶自动成型机。•1925年：→第1台行列式制瓶机。•19世纪→把玻璃拉成空心圆筒的机器。筒子切成小段剪成薄板。→比利时弗克→拉板机→几十年的改进→引上机，平板玻璃生产→皮尔金顿~30年研究→1959年浮法G—G发展史上的又一次重大变革，并且正在不断地取代其他方法。•现已→机械化、自动化如平板玻璃、玻璃容器、灯壳、电子管、显像管等。造型复杂、批量小的产品，才手工成型。1.玻璃生产的工艺流程2.玻璃的成分及原料制备3.玻璃熔制4.玻璃成型5.玻璃退火6.玻璃制品的深加工玻璃的生产工艺第五章十种产品生产过程概述A.玻璃的成分：化学组成，常用各氧化物的wt％表示。不同产品de化学成分差异很大。B.原料的选择与制备成分种类SiO2Al2O3CaOMgOB2O3PbONa2O+K2O平板玻璃瓶罐玻璃高硼硅仪器灯泡壳无碱纤维高硅氧71~7370~7579~8573.154960.5~2.51~51.9~2.50.315.50.46~105.5~90.1~0.64.016.01.5~4.50.2~2.52.74.010.3~130.88.52.92.114~1613.5~172.2~614.5~15.50.50.22.玻璃的成分及原料制备表51几种常见玻璃的主要化学组成（wt％）各种氧化物的作用:第五章十种产品生产过程概述•SiO2—平板G最主要成份,G的骨架,能G液,结晶倾向,化稳性和热稳定性。硅砂(石英砂)和砂岩•Al2O3—能结晶倾向和速度，，热稳定性，并化稳性和机械强度。但对玻璃液的影响SiO2。Al2O3→V熔化↘和t澄清↗,且对玻璃液在锡槽摊平抛光也不利。长石(和一定量的R2O，纯碱用量&成本)和叶蜡石•CaO—能加速熔化和澄清过程，并化学稳定性，但也会使结晶倾向↗。在高温时，能，对高速拉引玻璃带有利，含量10%会↗脆性,不宜太大。•MgO—化稳性和机械强度，并结晶倾向。代替CaO，能析晶倾向和V结晶，并热稳定性。1200℃，，900～1200℃，，900℃，，∴%不宜太大。石灰石、方解石、白云石、菱镁石•Na2O—助熔剂,能，对玻璃的形成和澄清过程都有很大的影响；含量过多，则会化稳性、热稳定性及机械强度,且易使玻璃发霉和生产成本。纯碱和芒硝•K2O—助熔剂，也能，作用稍差。析晶倾向，改善光泽。R2O%一定时，适量K2O会化稳性。•氧化铁(Fe2O3和FeO)—杂质→着色，常以Fe2O3和FeO存在，FeO青绿色，Fe2O3黄绿色，Fe3O4绿色。着色程度FeO＞Fe2O3。透明度制造平板G必须严格控制。B.原料的选择与制备选择加工配合料(多种原料混合而成)。主要原料(引入主要成分)：•硅砂(石英砂)和砂岩→SiO2；•长石→Al2O3和一定量的R2O，纯碱用量&成本；•叶蜡石(Al2O3·4SiO2·H2O)：无硼无碱G→Al2O3；•石灰石、方解石、白云石、菱镁石→CaO&MgO；•纯碱和芒硝(Na2SO4)→Na2O；•锂辉石(Li2O·Al2O3·4SiO2)、锂云母(LiF·KF·Al2O3·3SiO2)orLi2CO3→Li2O；•硼酸(H3BO3)、硼砂(Na2O·2B2O3·10H2O)or含硼矿物(硬硼酸钙、硼镁石、硅钙硼石等)→B2O3；•BaCO3、BaSO4→BaO，光学G有时也用Ba(NO3)2或Ba(OH)2•芒硝：澄清剂；•碳粉：还原剂；•萤石：助熔剂；•化学脱色剂：白砒、Sb2O3、硝酸盐、氟化合物等，•物理脱色剂：MnO2、硒等；•着色剂：蓝色CoO，茶色CoO、氧化铁和硒等。•回收碎G：一般为配合料的25~30%较好，→加速G熔制(熔化和澄清)、热耗(T熔制)、性能、加工性和大窑生产率等。钠钙硅G：50%→G质量↘(发脆，强度↘)；高硅和高硼G：可高达70-100％辅助原料(为工艺上某种需要or使玻璃具有某种特性而加入)：配合料的质量要求：称量准确、混合均匀(含水量4~5%)、碎G引入比例合适。•很重要的环节：许多缺陷都是在熔制过程中造成的。•非常复杂的过程，包括一系列物理的、化学的、物理化学的现象和反应，使各原料的机械混合物→复杂的熔融物即G液。3.玻璃熔制A.熔制过程—配合料→G熔融池窑→14501650C熔化→透明、纯净、均匀、无气泡(气泡、条纹和结石等到容许限度)、适合于成型要求的G液。可分为5个阶段：B.玻璃熔窑的构造硅酸盐形成玻璃液形成玻璃液澄清玻璃液的均化玻璃液冷却硅酸盐形成阶段：很大程度是在固态下进行，各种原料在8001000℃下反应生成烧结状态的硅酸盐及熔融物，其中含大量石英砂粒、气泡和条纹。第三章材料的制备方法G形成阶段：烧结物连续加热时即开始熔融。普通G在12001250℃完成。易熔的低共熔混合物先熔化，同时发生硅酸盐和剩余石英砂粒的互溶。此阶段结束时，石英砂颗粒已完全熔化，烧结物→含大量可见气泡和条纹、在T和化学成分上不够均匀的透明G液。与硅酸盐形成阶段间无明显界限，实际熔制时，前者尚未结束，后者已开始。G液澄清阶段：G液继续加热T，→气泡大量—去除可见气泡，但还有条纹，T也不均匀。钠钙硅G一般在14001500℃结束。第三章材料的制备方法G液的均化阶段：G液长时间处于高温下，化学组成→一致，即通过G液的扩散、对流和搅拌作用消除条纹和热不均匀性。均化可＜T澄清完成，此时太小，不适合成型要求。G液冷却阶段：将经澄清均化后的G液通过合理的冷却→T200300℃，成型。此过程应不损坏G液的质量。B.玻璃熔窑的构造•热工设备(各种耐火材料砌筑成)—玻璃厂的“心脏”。结构、砌筑、操作维护的好坏→熔窑的使用周期，且对玻璃的产量、质量、燃耗、成本影响极大。•大型:蓄热室浮法横火焰池窑、蓄热室马蹄焰池窑；小型：电熔窑和坩埚窑等。浮法横火焰池窑见图5-21—加料口2—熔化部3—小炉4—蓄热室5—卡脖6—冷却部7—溢流口8—耳池9—锡槽图5-2浮法横火焰池窑示意图564321348978一定T范围才能成型，G液除作机械运动外，还与周围介质→热传递。∵冷却和硬化，粘性→可塑态→脆性固态。可塑状态下的成型可分为:•成型阶段→具有所需的外形，模子中吹制与压制等。•定型阶段：固定已成形的外形采用冷却硬化。均以为基础，成型为104×107Pa∙S。不同方法初始成型不同，如喷棉的T成型＞拉丝的T成型。4.玻璃成型成型方法:(1)人工：包括部分半机械成型，多→高级器皿、艺术G及特殊形状制品。(2)机械：按形状和大小选择最方便和最经济成型方法:吹制法(空心G等)，压制法(烟缸等器皿)，压延法(压花G等)、浇铸法(光学G等)、拉制法(窗用G等)、离心法(G棉等)、烧结法(泡沫G等)、喷吹法(G珠等)、浮法(板G等)。G液在熔融金属液面上浮抛前进,使其在适当高温下,保证表面张力充分发挥作用的时间和→表面自然光洁平整G。TG液1100C→锡槽(氮9296%+氢4%8%)重力与表面张力自然摊平→拉引力成型→冷却固形→上下表面平行光滑、光学质量高、有一定厚度的优质G带→退火窑。优点：质量高(机械磨光)、V拉引快产量大(2mm—0.333m/s，6mm—0.111m/s)，品种规格多样化(厚度可为1.730mm，宽可达5.6m以上)，便于生产自动化。浮法工艺的特点：图5-3锡槽示意图1-安全闸板;2-流量闸板;3-拉边辊;4-拉边器;5-冷却水管;6-八字砖消除or↘G中热应力至允许值的热处理过程。对光学G和某些特种G，退火要求尤为严格。G在生产过程中经受激烈的不均匀T变化→热应力制品强度和热稳定性。高温成型or热加工的制品，若不退火令其自然冷却，很可能在冷却、存放及机械加工的过程中自行破裂。此外G制品自高温自然冷却时→内部的结构变化不均匀→光学性质上的不均匀。可分成2个过程:5.玻璃退火•内应力的减弱和消失；•防止内应力的重新产生。G退火是在一段较长的高温加热炉(退火炉)中完成的。整个退火过程有加热均热退火区和风强制对流冷却区。6.玻璃制品的深加工冷加工：用机械方法改变G制品外形和表面状态，基本方法有：研磨抛光、切割、喷砂、钻孔和切削。表面处理：a.G光滑面or散光面的成形:→控制G表面的凹凸(器皿G化学蚀刻、灯泡毛蚀及化学抛光)；b.改变G表面的薄层组成:↗表面性质→新的性能(表面着色以及用SO2、SO3处理G表面，化稳性)；c.表面涂层：镜子镀银、表面导电G、憎水G、光学G表面涂膜等。热加工：器皿、仪器G等复杂形状和特殊要求的制品→热加工成型or↗制品性能及外观质量。原理与成型相似：利用T特性及表面张力与导热系数。主要方法有：烧口、火抛光、火焰切割or钻孔、真空成型(精密内径G管)。还有槽沉、塑形、摊平与灯工等。特点品种透光透视光漫射眩防隔热性不能现场加工安全性耐急冷、急热难以切割破碎无危险即使破碎也不能通过窃贼进入困难遮断太阳辐射热向外传热困难不结露光线漫射磨砂玻璃胶花玻璃蚀刻玻璃○○○◎◎○兼防火,光线漫射热反射玻璃○○◎◎具安全性普通钢化玻璃普通夹层玻璃○○◎◎○○○○○○○○◎兼隔热,有色,安全吸热钢化玻璃吸热夹层玻璃○○○○○○◎◎○○○○○○◎隔热，不结露普通中空玻璃吸热中空玻璃○○○○○◎◎◎◎◎○○有色，不透明彩色釉面玻璃○○○○表5-2平板玻璃深加工产品及性能注：○代表具有某种性能；◎代表某些性能较好。陶瓷的概念与分类及发展历史•概念与分类：国际上无统一概念，我国及一些欧洲国家，陶瓷仅包括普通和特种陶瓷两大类，而在日本和美国，ceramics则泛指所有无机非金属材料制品，除传统陶瓷外，还包括耐火材料、水泥、玻璃、搪瓷等。∴广义的陶瓷概念是无机非金属固体材料和产品的通称。•我国陶瓷工业的发展概况5.2陶瓷的生产普通陶瓷的基本制备工艺特种陶瓷生产的基本工艺过程陶瓷的概念与分类1.按制品的性能和用途：普通陶瓷：生活和生产中最常见和使用的传统陶瓷，又可分为：日用(包括艺术陈设)、建筑卫生、化工、化学瓷、电瓷及其他工业用陶瓷。这类陶瓷制品所用的原料基本相同，生产工艺技术亦相近。特种陶瓷：新型、精细or精密陶瓷，指普通陶瓷以外的广义陶瓷概念中所涉及的陶瓷材料和制品，用于各种现代工业和尖端科学技术，按性能及用途又可分为：•结构材料用陶瓷：→耐磨损、高强度、耐热、耐热冲击、硬质、高刚性、低热膨胀性和隔热等结构材料；•功能陶瓷：电磁功能、光电功能和生物－化学功能等陶瓷制品和材料，还有核陶瓷材料和其他功能材料等。瓷器:已烧结，致密基本不吸水，有一定透明性，敲之声