玻璃配方组成设计与管理
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实验三玻璃配方计算和配合料制备1 目的意义1.1 意义配方计算是根据原料化学成分和所制备的玻璃成分等计算各种原料的需要料。
配合料制备就是按照配方配制并加工原料,使之符合材料高温烧制要求。
配方计算和配合料制备是玻璃乃至各种无机非金属材料新品种研制和生产必不可少的工艺过程。
配方计算也是对后续玻璃熔制工艺参数的预测,配合料制备则直接影响玻璃的熔制效果和成品性能。
1.2 目的(1) 进一步掌握配方计算的方法;(2) 初步掌握配合料的制备方法和步骤;(3) 了解影响配合料均一性的因素。
2 实验原理2.1 玻璃成分的设计首先,要确定玻璃的物理化学性质及工艺性能,并依此选择能形成玻璃的氧化物系统,确定决定玻璃主要性质的氧化物,然后确定各氧化物的含量。
玻璃系统一般为三组分或四组分,其主要氧化物的总量往往要达到90%(质量)。
此外,为了改善玻璃某些性能还要适当加人一些既不使玻璃的主要性质变坏而同时使玻璃具有其他必要性质的氧化物。
因此,大部分工业玻璃都是五六个组分以上。
相图和玻璃形成区域图可作为确定玻璃成分的依据或参考。
在应用相图时,如果查阅三元相图,为使玻璃有较小的析晶倾向,或使玻璃的熔制温度降低,成分上就应当趋向于取多组分,应选取的成分应尽量接近相图的共熔点或相界线。
在应用玻璃形成区域图时,应当选择离开析晶区与玻璃形成区分界线较远的组成点,使成分具有较低的析晶倾向。
为使设计的玻璃成分能在工艺实践中实施,即能进行熔制、成型等工序,必须要加入一定量的促进熔制,调整料性的氧化物。
这些氧化物用量不多,但工艺上却不可少。
同时还要考虑选用适当的澄清剂。
在制造有色玻璃时,还须考虑基础玻璃对着色的影响。
以上各点是相互联系的,设计时要综合考虑。
当然,要确定一种优良配方不是一件简单的工作,实际上,为成功地设计一种具有实用意义,符合预定物化性质和工艺性能的玻璃成分,必须经过多次熔制实践和性能测定,对成分进行多次校正。
表2-1给出两种易熔的Na2O-CaO-SiO2系统玻璃配方,可根据自己的要求进行修改。
各种玻璃配方知识玻璃是一种无定形固体,主要由硅酸盐和氧化物组成。
它的基本成分是石英砂(二氧化硅)和碳酸钠(二氧化碳),同时还添加了控制玻璃的特性和性能的其他氧化物和物质。
下面将介绍几种常见的玻璃配方知识。
1.硅酸盐玻璃配方:硅酸盐玻璃是最常见的玻璃类型之一,主要成分是二氧化硅(SiO2)。
硅酸盐玻璃的配方可以根据不同的需求和应用进行调整,常见的控制元素有氧化钠(Na2O)、氧化铝(Al2O3)和氧化钙(CaO),它们对玻璃的特性和性能有显著影响。
2.硼硅酸盐玻璃配方:硼硅酸盐玻璃是一种特殊的玻璃类型,其基本成分是二氧化硼(B2O3)和二氧化硅(SiO2)。
硼硅酸盐玻璃的配方中添加了较高比例的二氧化硼,这使得玻璃具有较低的熔点和较高的热膨胀系数,适合用于制作耐热玻璃器皿和光学器件。
3.铅玻璃配方:铅玻璃是一种含有较高比例的氧化铅(PbO)的玻璃,它的主要成分是二氧化硅(SiO2)和氧化铅(PbO)。
铅玻璃具有较高的折射率和较高的密度,因此广泛用于光学器件和水晶制品。
由于铅的毒性,近年来铅玻璃的使用逐渐受到限制。
4.硼铝硅酸盐玻璃配方:硼铝硅酸盐玻璃是一种混合了硼酸盐、铝酸盐和硅酸盐的玻璃。
它的配方可以根据不同的需求进行调整,通常包括较高比例的硼酸盐(如硼酸)和铝酸盐(如氧化铝)。
硼铝硅酸盐玻璃具有较低的熔点和良好的耐用性,适合用于制作化学仪器和耐火材料。
5.镁铝硅酸盐玻璃配方:镁铝硅酸盐玻璃是一种含有较高比例的镁酸盐(如氧化镁)和铝酸盐(如氧化铝)的玻璃。
它具有较高的抗热震性能和较低的热膨胀系数,适合用于制作热电容器、电力电子器件和太阳能电池等。
玻璃的配方可以根据不同的需求和应用进行调整,以达到所需的特性和性能。
同时,配方的调整还可以影响玻璃的制备工艺和成本。
因此,在设计和制备玻璃产品时,选择合适的配方是至关重要的。
玻璃配方组成设计与管理何旭远(五粮液集团环球有限公司,宜宾644007)摘要:玻璃配方组成对产品的理化性质、生产成本和工艺控制均会产生重大的影响,组成设计不当,不但会造成产品质量下降、废品增加、成本提高,而且会给熔制、成形、退火等工艺控制带来严重后果,甚至无法生产,企业的经济效益和信誉将受到极大的损害。
文章主要介绍了配方组成优化设计的原理、计算机模拟设计方法、配方的计算、组成的监控与调整。
关键词:玻璃配方;新品开发;组成设计与管理Design of Glass Formula Composition and ManagementHE X u-yuan(T echnology R&D Center of G lobal Gr oup Co,L td.Wuliang ye Group,Y ibin644007,China)Abstract:Glass formula co mposition has significant impact on physical and chemical properties,production cost and pro-cess control.If composition desig n is not adequate,it shall result in low product quality,reject incr ease and cost rise,and also shall bring ser ious consequence to process control,such as melting,forming,annealing,etc,and even product ion stop,caus-ing serious damage to enterpr ise economic benefit and credit.T his article introduces the pr inciple of formula composition opt-i mizing design,metho d of computer simulation design,calculation of formula,monitoring and adjustment of composition. Key words:glass formula;new product development;composition design and manag ement根据经验、配方,凭直觉建立经验规则的经验性配方设计将使得企业面临2个致命的问题:一是无法将顾客对产品的要求转化为玻璃的性质要求,进而根据性质设计出合理的配方来满足顾客要求。
光伏玻璃生产配方光伏玻璃是一种能够将太阳能转化为电能的特殊玻璃材料。
它通常由钢化玻璃基材和具有光伏效应的薄膜材料组成。
在光伏玻璃的生产过程中,配方的选择和控制起着至关重要的作用,直接影响着光伏玻璃的性能和效率。
一、玻璃基材的配方光伏玻璃的基材通常采用钢化玻璃,其配方需要考虑以下几个方面:1. 玻璃成分的选择:玻璃基材需要具有较高的透光性和强度,因此选择适合的玻璃成分非常重要。
常见的玻璃成分有硅酸盐、硼酸盐等。
2. 添加剂的控制:为了改善玻璃的物理性能,常常需要添加一些辅助成分,如氧化物、氟化物等。
这些添加剂可以提高玻璃的耐热性、耐腐蚀性和抗震性能等。
3. 温度控制:玻璃的配方中还需要考虑熔化温度和冷却速度的控制,以保证玻璃的成型性能和质量。
二、光伏薄膜的配方光伏薄膜是光伏玻璃中起到光电转换作用的关键部分,其配方需要考虑以下几个方面:1. 半导体材料的选择:光伏薄膜中常用的材料有硅、铜铟镓硒等。
不同材料具有不同的能带结构和光电性能,因此需要根据具体需求选择合适的半导体材料。
2. 添加剂的控制:为了提高光伏薄膜的光电转换效率,常常需要添加一些掺杂剂,如磷、硼等。
这些添加剂可以调节光伏薄膜的导电性能和光吸收能力。
3. 膜层结构的设计:光伏薄膜可以采用多层结构,通过叠加不同材料的薄膜层来增强光伏效应。
因此,在配方设计中需要考虑不同膜层的材料组成和厚度控制。
三、工艺参数的控制除了配方的选择,光伏玻璃的生产还需要控制一系列的工艺参数,以确保最终产品的性能和质量:1. 温度控制:光伏玻璃的生产过程中需要进行高温处理,温度的控制直接影响薄膜的结晶度和晶粒尺寸,因此需要严格控制加热和冷却速度。
2. 气氛控制:光伏玻璃的生产过程中需要在一定的气氛环境下进行,如氮气、氧气等。
不同气氛对薄膜的形成和性能有着不同的影响,因此需要选择合适的气氛控制。
3. 设备参数的优化:在光伏玻璃的生产过程中,还需要对设备参数进行优化,如薄膜沉积速度、薄膜厚度的控制等。
玻璃的生产配方玻璃是一种非晶体材料,经常被人们广泛使用。
不管是用于建筑行业还是日常生活中,执行玻璃都是必不可少的。
那么,制造玻璃的过程是怎样的呢?下面就来一步步讲解。
首先,制造玻璃的重要组成部分是什么呢?牢记,这里所说的一些相关的配方,只是玻璃的制造过程中的原料的比例,而真正决定玻璃品质的还有其他诸多因素。
第一步:硅砂制造玻璃最主要的材料是硅酸盐,而这其中最重要的一部分就是硅砂。
硅砂是一种自然形成的矿物质,也可以利用玻璃废料进行回收利用。
第二步:碳酸钠除了硅砂,另外一个主要的原材料是碳酸钠(Na2CO3),是由琼脂石和菜苔灰烧制而成的碱性物质。
第三步:石灰第三个主要原材料是石灰CaO,这个物质通常用石灰石(CaCO3)进行加热解离(即石灰岩)。
石灰是为了确保玻璃制品的柔韧性和耐用性而加入的。
第四步:其他材料在玻璃制造的过程中,还需要添加其他一些成分,使得玻璃的性能更加展现优势。
这里我们就需要根据公式来计算各种元素和化合物的浓度和比例。
光是添加硅砂、碳酸钠、和石灰并不足以制造好玻璃。
制造好的玻璃还需要加入一些微小的其他元素,例如氧化铁、氧化铜、氟化物、磷酸盐等等。
这些元素的浓度和比例都需要根据情况来确定。
综上所述,玻璃的生产配方应该是:SiO2(硅砂): 70-74%,Na2O(碳酸钠):12-16%,CaO(石灰):10-15%。
其他元素和化合物的浓度和比例也需要根据具体的情况来确定。
在制造完毕玻璃之后,还需要熔化它,然后立即将其冷却,以确保其具有均匀的外观和结构。
制造玻璃的最终过程是因其制造方法而异的,但通常会涉及到将材料融化以形成燃烧或电弧。
随着它的熔化和冷却,玻璃的形成过程就完成了。
总之,制造玻璃的生产配方需要牢记它是硅砂、碳酸钠、石灰和其他元素和化合物的比例组合,不同的原料比例可以决定我们所制造的不同类型的玻璃,应该根据具体的应用情况来确定。
玻璃制作工艺原理与玻璃品质控制玻璃制作工艺原理与玻璃品质控制玻璃是一种无机非晶性固体材料,具有透明、硬度高、抗腐蚀、不导电等优点,广泛应用于建筑、家具、汽车、电子等领域。
玻璃的制作工艺和品质控制对于保证产品质量至关重要。
玻璃的制作主要包括原料配比、熔化、挤出、成型、退火、冷却等工艺过程。
原料配比是制作玻璃的第一步,不同种类的玻璃需要根据其用途和性能要求,选择不同的原料配比。
通常,玻璃的主要原料包括石英砂(二氧化硅)、碳酸钠(碱性氧化物)、石灰石(中性氧化物)和其他添加剂。
原料的配比要求精确,以确保最终制成的玻璃具有期望的化学成分。
熔化是将原料加热到高温并融化的过程。
玻璃熔化的目的是使各种原料彻底混合,并去除其中的气泡和杂质。
熔化温度通常在1000摄氏度以上,高温和长时间的加热可以确保原料充分融化,并使其中的杂质在熔化过程中被氧化分解。
挤出是将熔融的玻璃压制成带有规定形状的坯体。
玻璃挤出主要通过挤出机来完成,将熔融玻璃从机器的喷嘴挤出,并经过模具的塑形和冷却,最终形成坯体。
挤出的过程需要控制温度、压力和速度等参数,以确保玻璃形成良好的坯体,并避免出现裂纹和气泡等缺陷。
成型是将坯体加工成最终的玻璃产品。
常见的成型方法有吹塑、压制和抽吸等。
吹塑是将坯体置于模具内并通过吹气,使其膨胀并贴附于模具内壁,最终形成所需的形状。
压制是将坯体放在两个加热模具之间,并通过压力和温度使其成型。
抽吸是将坯体置于模具上方,并通过负压将其压制成形。
退火是将成型后的玻璃坯体加热到适当温度,然后慢慢冷却,以消除成型过程中产生的内应力,并增强玻璃的力学强度和耐热性。
在退火过程中,温度、时间和冷却速度都需要进行合理的控制,以充分调整玻璃的微观结构,降低其脆性,提高韧性和稳定性。
冷却是制作玻璃中不可避免的一步,需要避免突然冷却或过快的冷却,以免引起玻璃的应力冷却。
在冷却过程中,温度要缓慢降低,这样可以避免玻璃表面和内部的温度差异过大,从而减少由此引起的应力和变形。
十一、实用玻璃配方11-1瓶罐玻璃、玻璃器皿、玻璃保温瓶、平板玻璃、微晶玻璃、11-1.1瓶罐玻璃的用量请参照玻璃附属原料中的介绍。
本发明介绍的是一种高红外线传递的氯化物玻璃。
该玻璃的配方为:CaF220-30%(最佳范围20-29.5%)、AlF328-34%(最佳 28-32.5%)、PbF225-35%(最佳 27.5-31.5%)、LiF 5-10%(最佳 5-9.3%)、KF 2-6%(最佳 0-6.8%)。
其中YF3+LaF3为2-8%(最佳 3-6.5%),以上均为克分子百分比,还需加上重量百分比为0.5-1.5%的氧稳定剂。
本发明的玻璃由于采用了氧稳定剂,但用量很小,从而使玻璃稳定性很好,并能做得很薄,红外线的透过率也大大提高。
11-3眼睛片用玻璃本发明的玻璃对压制尺寸精确的眼睛片来说特别适用。
该玻璃的配方为:P 2O545-55%、BaO 15-40%、PbO 5-35%、Li2O 5-15%、Al2O30-15%、以氯化物形成存在的F 0-6%。
其中,25%的BaO可以用CaO、MgO或SrO来代替,25%的Li2O可以其它的碱金属氧化物来代替,用两均相同(上述用量为克分子百分数)。
本发明介绍的玻璃是一种新型玻璃,它是无色透明的,耐侵蚀性能甚至超过了一级标准,用来压制眼睛片时,曲率公差的精确度能达到不超过+-0.5丝的精度,而表面的的粗糙度则低于0.02丝。
11-4铝玻璃本发明的铝玻璃具有一个较陡的温度-粘度曲线,一次它对于用吹制法来成型玻璃器皿的工艺是十分合适的。
该玻璃的配方为:SiO250-60%、Al2O30-3%、B2O30-8%、Lr20-3%、CaO 0-8%、Li2O 0-3%、Na2O0-15%、K2O 0-15%、PbO 20-30%。
其中SiO2+Al2O3+B2O3+ZRO2为55-65%、B2O3+CaO为5-10%、Li2O+Na2O+K2O为 9-16%(重量百分比)。
有机玻璃生产配方聚甲基丙烯酸甲醋浇铸板材配方1(透明板)用量(g)聚甲基丙烯酸甲醋 100 偶氮二异丁睛 0 . 06 DBP 8硬脂酸 0 . 6 甲基丙烯酸 0 . 1 配方 2 (透明彩色板)用量(g) 聚甲基丙烯酸甲醋 100 偶氮二异丁睛 0 . 16 DBP 8硬脂酸 0.6 甲基丙烯酸 0 . 02-0.05 颜料适量工艺、性能、用途:由于板厚度直接影响配方各成分用量,现指的是 2 -3mm 板;所用颜料因品种而异,则配方中用量亦不同。
甲基丙烯酸甲醋和助剂经计量后,加一定比例的边角回收料,经预聚制浆、灌模、聚合、脱模、整修后即得制品。
本品即通常所指的有机玻璃板。
它透明性好,相对密度小于普通玻璃的一半,抗破碎能力超过普通玻璃的几倍,且具良好的电绝缘性和机械强度,以及极佳的二次加工性,广泛用于化工、文教、汽车、航海、航空等工业中。
磷矿渣或铁泥填充聚氯乙烯板配方用量(g)悬浮法聚氯乙烯树脂 100 DOP 5 三碱式硫酸铅 5 硬脂酸钡 1 . 5 硬脂酸铅0.5硬脂酸 1 磷矿渣或铁泥 30 -50工艺、性能、用途:磷矿渣粉碎后用 100 -200 目筛子过筛,与树脂、助剂一起进行捏合、辊压成片、压制成型后即可得本品。
本品具备一般聚氯乙烯硬制品的化学、物理性能,且在刚度方面有所提高,成本有所下降,广泛用于建筑、建材、化工、日用及其它各个部门。
聚氯乙烯石墨板生产工艺配方用量(g)聚氯乙烯树脂 100 三碱式硫酸铅 3二碱式硫酸铅 1 硬脂酸0.5-1 石墨( 100 - 200 目) 15 工艺、性能、用途:配料后经捏合、炼塑、压延、切割、叠合、层压、锯切成板材后即得制品。
本品具有耐化学腐蚀性、较好的物理机械强度和二次加工性能,且改善了导热性和电性能,凡可用普通聚氯乙烯硬板之处,均可用本品代替,更适合用于腐蚀性介质的热交换器等要求导热的场合聚氯乙烯层压硬板配方用量(g)聚氯乙烯树脂 100 三碱性硫酸铅 5 - 7 硬脂酸钡 1 - 2 轻质碳酸钙 1-5 硬脂酸 0 . 5 石蜡0.5 炭黑适量工艺、性能、用途工艺:与聚氯乙烯软层压板类同,因其具有良好的耐化学腐蚀性、电绝缘性和一定的机械强度,故广泛应用于工农业生产和国防建设上,尤其经焊接等二次加工后,能制成各种耐酸碱腐蚀的容器和化工设备中的衬里材料,是化学工业不可缺少的耐腐蚀材料。
玻璃配料简介玻璃是一种广泛应用于建筑、家居和工业制品的无机非金属材料。
为了制造出高质量的玻璃产品,需要精确配料各种原料。
本文将介绍玻璃制品的常见原料和配料过程。
玻璃的主要组成玻璃的主要成分是二氧化硅(SiO2)。
除了二氧化硅,玻璃还包含其他辅助成分,如氧化钠(Na2O)、氧化钙(CaO)和氧化铝(Al2O3)。
这些成分的比例和配料过程对玻璃的性质和应用起着重要的影响。
玻璃配料的常见原料1. 二氧化硅(SiO2)二氧化硅是制造玻璃的主要原料。
它可以从石英矿石、石英砂或沙石等来源中提取。
二氧化硅的纯度和颗粒大小对玻璃的质量和透明度有着重要的影响。
2. 氧化钠(Na2O)氧化钠是玻璃配料中的重要成分,可以提高玻璃的熔化温度和粘附性。
它通常通过碱性矿石,如天然碱、碱石灰和重晶石等获取。
3. 氧化钙(CaO)氧化钙是另一个常见的玻璃配料原料。
它可以降低玻璃的熔化温度,并增加玻璃的稳定性和耐久性。
氧化钙可以从石灰石或生石灰等来源中获得。
4. 氧化铝(Al2O3)氧化铝是一种常用的玻璃配料,可以改善玻璃的物理和化学性质。
它主要从含铝石灰石或者氧化铝矿石中提取。
玻璃配料过程玻璃配料过程是将上述原料按照一定比例混合,并通过一系列的加热和冷却过程制成玻璃产品的过程。
下面是一般的玻璃配料流程:1.原料准备:将二氧化硅、氧化钠、氧化钙和氧化铝等原料按照配比准备好。
2.原料称量:根据配方要求,将各种原料按照精确的比例称量。
这一步需要精确的配比控制,以确保最终产品的质量符合要求。
3.原料混合:将称量好的原料放入混合机中,进行充分的混合,以确保各种原料均匀分布。
4.加热与熔化:将混合好的原料放入玻璃窑炉中,在高温下加热熔化。
熔化过程中,原料中的化合物会发生化学反应,并将玻璃的成分和性质固定下来。
5.冷却与成型:将熔化的玻璃从窑炉中取出,放置在冷却台上,通过控制冷却速度,使玻璃逐渐变硬。
在冷却过程中,可以根据需要进行成型,例如压延、抽拉或模具成型等。
玻璃的主要成分和原料玻璃的主要化学成分是二氧化硅及氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化钠、氧化钾,其作用如下:1、二氧化硅为形成玻璃的主要组分,并使玻璃具有一系列优良性能,如透明度、机械强度、化学稳定性和热稳定性等。
缺点是其熔点高、熔液粘度大,造成熔化困难、热耗大,故生产玻璃时还需加入其他成分以改善这方面的状态。
2、玻璃原料中重新加入少量氧化铝,能减少玻璃的析晶女性主义,提升化学稳定性和机械强度,提升热稳定性,但当其含量过多时(al2o3>5%),就可以升高玻璃液的黏度,并使熔融和回应出现困难,反而减少析晶女性主义,并易并使玻璃原板上发生波筋等瑕疵。
3、加入适量氧化钙,能降低玻璃液的高温黏度,促进玻璃液的熔化和澄清。
温度降低时,能增加玻璃液黏度,有利于提高引上速度。
缺点是含量增高时,会增加玻璃的析晶倾向,减少玻璃的热稳定性,提高退火温度。
4、氧化镁其促进作用与氧化钙相似,但没氧化钙减少玻璃析晶女性主义的缺点,因此需用适度氧化镁替代氧化钙。
但过量则可以发生透辉石结晶,提升淬火温度,减少玻璃对水的稳定性。
5、氧化钠、氧化钾为良好的助溶剂,降低玻璃液的年度,促进玻璃液的熔化和澄清,还能大大降低玻璃的析晶倾向,缺点则是会降低玻璃的化学稳定性和机械强度。
由于二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化钠、氧化钾具有以上一些特点,故在中国玻璃工业中一般大致控制在下列含量范围:sio2 70%~%,al2o3 1%~2.5%,cao 8%~10%,mgo1.5%~4.5%,(na2o+k2o)13%~15%。
此外,玻璃原料中常所含少量三氧化二铁、氧化铁、三氧化二铬等有毒成分,其促进作用如下:a、三氧化二铁能使玻璃着色,降低玻璃的透明度、透紫外线性能、透热性和机械强度,造成熔化澄清困难,并给玻璃的熔制品带来不良影响。
b、三氧化二铬能够较猛烈地并使玻璃着色,增加透明度,铬矿物颗粒能够在玻璃原板上构成黑点。
c、二氧化钛能提高玻璃的光折射和吸收紫外线性能;在三氧化二铁与二氧化钛超出一定含量比时,使玻璃组分中氧化铁的染色作用增强。
玻璃配方组成设计与管理何旭远(五粮液集团环球有限公司,宜宾644007)摘要:玻璃配方组成对产品的理化性质、生产成本和工艺控制均会产生重大的影响,组成设计不当,不但会造成产品质量下降、废品增加、成本提高,而且会给熔制、成形、退火等工艺控制带来严重后果,甚至无法生产,企业的经济效益和信誉将受到极大的损害。
文章主要介绍了配方组成优化设计的原理、计算机模拟设计方法、配方的计算、组成的监控与调整。
关键词:玻璃配方;新品开发;组成设计与管理Design of Glass Formula Composition and ManagementHE X u-yuan(T echnology R&D Center of G lobal Gr oup Co,L td.Wuliang ye Group,Y ibin644007,China)Abstract:Glass formula co mposition has significant impact on physical and chemical properties,production cost and pro-cess control.If composition desig n is not adequate,it shall result in low product quality,reject incr ease and cost rise,and also shall bring ser ious consequence to process control,such as melting,forming,annealing,etc,and even product ion stop,caus-ing serious damage to enterpr ise economic benefit and credit.T his article introduces the pr inciple of formula composition opt-i mizing design,metho d of computer simulation design,calculation of formula,monitoring and adjustment of composition. Key words:glass formula;new product development;composition design and manag ement根据经验、配方,凭直觉建立经验规则的经验性配方设计将使得企业面临2个致命的问题:一是无法将顾客对产品的要求转化为玻璃的性质要求,进而根据性质设计出合理的配方来满足顾客要求。
在现代玻璃制造业中这个矛盾尤为突出;二是经验性配方工艺人员个人的经验总结停留在感性阶段,无法从理论上去验证经验总结的正确性,不能及时分析和处理生产中的问题。
也正是因为经验的缘故,很难尽快地去改进已有产品的性能。
文章详细介绍玻璃配方组成设计的原理及方法、配方及性质计算和应用实例。
1配方组成设计的意义物质的结构决定了它的性质,改变物质结构就可以改变它的性质。
玻璃也一样,玻璃的结构决定了玻璃的性质见式(1),玻璃的组成决定了玻璃的结构见式(2)。
由此可见,改变玻璃组成可以改变玻璃性质见式(3)。
也正是因为这样,可以将顾客对产品的要求转化对玻璃性质要求,进而改变组成,生产出符合顾客要求的产品。
G p=f(S g)(1)P i=U(G p)(2)G p=U(P i)(3)式中:G p为玻璃的性质;f、U为函数形式;S g为玻璃结构;P i为玻璃组成。
从式(2)中可以看出,P i与G p对应关系的非唯一性,也就是说可以有多种组成满足同一性质指标的要求,因为有的性质与组成之间呈简单的加和关系,如密度、折射率等;有的性质与组成之间不呈简单的加和关系,而与玻璃系统中各组分间化学作用9导致形式结构基团,与离子相互间的键特性有关,如导电率、粘度、表面张力等;还有的性质与外界条件有很大关系,如化学稳定性。
那么,在多种组成满足性质要求的前提下,如何选择最佳组成来满足生产需要呢?这就为优化提供了课题。
2 配方组成设计的依据2.1 符合环保要求Jonson 引用瑞典学者根据环境要求提出了禁用和限制使用的元素,见图1。
目前,国内出口欧盟的产品对有毒有害物含量都作了明确规定,如PAR 灯和节能灯产品要求玻璃A s [100ppm,同时对重金属Cd 、H g 、Pb 等元素也做了规定。
这个要求就只有通过组成设计来实现。
图1 禁止和限制使用元素图注:1禁止使用元素,2明显减少使用元素,3严格限制使用元素,4限制沉积物最大含量元素,5特殊需要引入的元素。
2.2 确保组成在相图中处于玻璃形成区透明玻璃成分必须要在玻璃形成区内,以避免玻璃在熔化、冷却、成形工艺过程中分相和析晶形成产品缺陷;微晶玻璃则要根据产品要求确定晶相及形貌,根据晶相在相图上选择合适的组成。
2.3 符合产品质量要求产品的质量要求来源于2个方面,一是产品标准,一是顾客要求。
产品质量的影响因素是多方面的,除了与设备、工艺有关外,还与组成设计密切相关,而且有些质量要求必须通过组成设计来解决,如高硼硅酸盐玻璃的膨胀系数、食品包装用产品有毒有害物的含量及浸出量、产品曝光着色等。
2.4 符合工艺性能要求在满足产品质量要求的前提下,就得考虑工艺要求,如熔化温度低、澄清均化时间短、熔窑侵蚀小、熔化工艺易掌握、熔化中不产生条纹与结石、温度、粘度与成形方式相适应、退火易于消除应力等。
2.5 符合原料选用要求原料选用要求价格低廉、质量稳定、能长期批量供应等。
3 配方组成设计方法配方组成设计可分为经验设计与计算机设计。
经验设计基本上是完全依靠于经验,根据产品质量要求、理化性质、生产工艺、原料选用、成本及成分等要素在大量的原始文献资料中找出工艺、性质基本符合要求的成分做依据,结合自身工艺条件进行组分计算或试验,择性质最佳、成本最廉的组成投入生产。
计算机设计是利用计算机对真实的玻璃成分进行模拟试验,提供实验结果,指导成分设计。
由于计算机的发展与普及及现代制造业对产品质量的高要求,经验设计已经存在太多不足,这里重点介绍计算机组成的设计与优选。
3.1 计算机组成设计的发展我国计算机组成设计最早是1981年干福熹院士的/电子计算机自动计算玻璃性质与设计玻璃成分0;之后有1985年吴锡其、李立华的/微型计算机辅助设计0;1987年浙江大学将性质和成分设计用于玻璃综合试验;1988年王承遇教授的研究组将计算机用于轻量瓶组成优化设计;1998年笔者与蒋志明开发了/玻璃配方优化设计系统0,成功运用于高硼硅灯饰玻璃、铅晶质玻璃、玻璃熔块、啤酒瓶及白酒瓶配方组成设计。
3.2 计算机组成设计方法3.2.1 正交试验方法计算机设计其实现方法有正交试验法和全面实验法。
正交试验设计是多因子试验设计中最重要的一种设计方法。
它根据因子设计的分式原理,采用由组合理论推导而成的正交表来安排设计试验,并对试验结果进行统计分析的试验方法。
根据设计玻璃的组分数目、组成范围及交互作用组分的数目选择合适的正交表安排试验,试验结果进行直观分析和方差分析,根据分析结果确定最优组成设计。
3.2.2 全面试验法根据已有经验,选择玻璃设计组成数目和组成大致范围,根据成分与性质间的数学模型进行性质计算,从中选出符合要求的组成。
相对于正交试验来讲,此法的计算量很大,但它不受优选组成数目和交互作用组成数目的限制,也正是它的这个特点,使得我们在优选多目标性质时,同一范围内的组成优选成功的几率会更大。
3.3 计算机组成优选的实现3.3.1 优选框图,见图2。
3.3.2 构建数学模型10图2配方优化设计1)性质计算G=E i g i r i(4)式中,G为玻璃的性质;g i为各组分的性质;r i为各组分的摩尔分数。
2)目标性质与性质计算值绝对误差最小化$i=(G i-b i/2)(5)S=E i$i(6)式中,G i为第i种性质的计算值;b i为第i种性质的目标值;$i为第i种性质的计算值与目标值的绝对误差;S为i种性质绝对误差之和;$i>0;b i/2为第i中目标性质的平均值。
3)成本目标值最小化S c=E i X i y i(7)式中,S c为成本计算值;X i为第i种组分的含量;y i 为引入第i种组分原料的成本。
4)最优组分优选You=S/S c(8) You值最大的作为最终优选组成。
3.3.3计算机组成优选的实现1)组成优选选择好目标性质、组分及其范围,运用/玻璃配方优化设计系统0软件的优选功能进行优选,优选结束后显示最优质量百分比组成和最优摩尔百分比组成及优选组成的性质。
下面我们以优选目前市场上高硼硅玻璃管、棒的配方组成为例进行演示,见图3。
图3优选结果见表1,从表1中可以看出,优选组成符合要求,这个组成得到了实验室和生产实践的验证。
表1组成优选结果氧化物SiO2A l2O3N a2O B2O3K2O 氧化物范围/%74.00~80.00 3.00~3.50 4.00~5.0012.50~16.500.20~0.50优选结果/%80.04 3.12 4.1612.470.21优选的目标性质性质名称膨胀系数密度折射率目标性质范围 3.2~3.3 2.2~2.3 1.45~1.50优选目标性质 4.48 2.25 1.47552)配方计算组成优选出来后就是根据产品和工艺要求,选择适中的原料进行配合料的制备。
各主要原料和辅助原料选用及配料单计算见图4。
4配方管理玻璃的理化性质与其化学组成是相关的,组成的变化必然导致一系列性质的变化,因而对玻璃组成实施有效管理是保证产品性能的重要技术措施。
4.1组成控制类型4.1.1特性控制根据产品质量要求,对其相关性质进行监控,如高硼硅玻璃的膨胀系数、显像管玻璃的电性能等,由于一个性质的变化必然导致相关性质的变化,所以11图4检测中如果发现有2个以上的特性不受控时即说明产品性能已经存在严重问题,需要及时查找原因以排除组成对产品性能的危害。
4.1.2例行控制例行控制的目的是确保生产在受控状态下稳定进行。
组成的例行控制是为了保证产品符合使用要求,检验物理性能测试的正确性;物理性能的控制是为了检验组成的合理性,保证组成设计符合预期的性能要求。
企业可根据自己产品的质量要求和工艺情况,制定自己的特性和例行监控计划。
4.2组成控制方法组成分析和性能控制图是比较好的控制手段,它可以连续地反映玻璃组成和特性变化趋势的全部过程,根据控制图曲线的变化对组成进行调整以确保产品性能处于受控状态。
控制图的绘制和使用在质量管理中的应用已经非常普遍,在此不再赘述。