bài giảng quá trình nấu thủy tinh

Tốc độ tạo thủy tinh phụ thuộc vào 3 yếu tố:-Hình dạng và kích thước hạt cát: Các hạt cát nhỏ sắc cạnh thường dễ hòa tan hơn hạt tròn -Độ nhớt và sức căng bề mặt của hỗn hợp silicat nóng

Chương 4:

Quá trình nấu thủy tinh Chương 4: Quá trình nấu thủy tinh

I LÒ NẤU THỦY TINH

2

-Làm nguội tới nhiệt độ gia công

THIẾT BỊ THỰC HIỆN QUÁ TRÌNH NẤU: -Phản ứng giữa các cấu tử nguyên liệu

-Hòa tan pha rắn vào pha lỏng, tạo thủy tinh

-Khử bọt

-Đồng nhất hóa

-Làm nguội tới nhiệt độ gia công

PHÂN LOẠI

• Theo phương thức làm việc:

-Liên tục và gián đoạn

• Theo dạng năng lượng:

-Lò điện, lò gaz, lò dầu …

• Theo kết cấu phần nấu chính:

-Lò bể, lò nồi

• Theo phương thức làm việc:

-Liên tục và gián đoạn

• Theo dạng năng lượng:

-Lò điện, lò gaz, lò dầu …

• Theo kết cấu phần nấu chính:

-Lò bể, lò nồi

4

KẾT CẤU LÒ

• Bể nấu

• Phần thân trên: bể nấu

• Phần thân dưới: buồng hồi

nhiệt

• Kết cấu chịu tải

• Bể nấu

• Phần thân trên: bể nấu

• Phần thân dưới: buồng hồi

nhiệt

• Kết cấu chịu tải

1 LÒ GIÁN ĐOẠN

8

Quá trình nấu thủy tinh lò nồi

Tiếp liệu cho lò nồi

12

Dòng thủy tinh trong lò nồi

a) Không có kênh chắn thủy tinh

b) Có kênh chắn thủy tinh

1 – Mức thủy tinh

Nồi nấu thủy tinh – Gia nhiệt

-Bền kiềm-Bền axit (giàu SiO2)

2600C260-5600C560-11800C

3 ngày đêm0,75 ngày đêm

2 ngày đêm0,5 ngày đêm1,5 ngày đêm1,75 ngày đêm

2600C260-5600C560-11800C

3 ngày đêm0,75 ngày đêm

2 ngày đêm0,5 ngày đêm1,5 ngày đêm1,75 ngày đêm

14

LÒ ĐIỆN

2 LÒ LÀM VIỆC

LIÊN TỤC

2 LÒ LÀM VIỆC

LIÊN TỤC

CÁC KIỂU LÒ CHÍNH

18

Lò lửa ngang – Buồng hồi nhiệt bên hông lò

Lò thủy tinh tấm – nhập liệu đầu lò

20

Lò lửa ngang

Lò lửa ngang

Lò bể nấu TT bao bì có dùng điện trở

24

Lò điện Gell nấu TT pyrex (TT borosilicat )

(1)TT nóng chảy (2)Tường treo (3, 4) Vùng làm lạnh – Gia công TT

(5) Điện cực Molybdenum

Lò điện

26

Lò lửa đảo - buồng hồi nhiệt đầu lò

Lò lửa đảo có buồng thu hồi nhiệt

28

DÒNG THỦY TINH TRONG LÒ

ĐỐT NHIÊN LIỆU

GẠCH CHỊU LỬACHO LỊ THỦY TINH

Gạch chân vòm

Tường không gian Mực thủy tinh

Lớp cách nhiệt Gạch AZS đáy lò Tường bên

Gạch AZS tường lò

AZS

4

ZrSiO

Vòm lò - gạch Đinát

Gạch chân vòm

Tường không gian Mực thủy tinh

Lớp cách nhiệt Gạch AZS đáy lò Tường bên

Gạch AZS tường lò

KHUẤY CƠ HỌC

34

CÁC DẠNG CÁNH KHUẤY

VỊ TRÍ ĐẶT CÁNH KHUẤY

II Quá trình nấu thủy tinh:

1 các giai đoạn cơ bản của quá trình nấu

Giai đoạn 1: Giai đoạn tạo silicat.

a) Đặc trưng của giai đoạn.

Đầu tiên trạng thái vật lí của phối liệu thayđổi Trong phối liệu có hiện tượng :

- Bay hơi ẩm

- Phân hủy các muối, các hydrat, cácôxyt có hóa trị cao

- Tạo thành các hợp chất khí

- Chuyển hóa đa hình:

β Quắc → α Quắc→ α tridimit → α Cristobalit

Quá trình biến đổi đa hình này có kèm theo

sự thay đổi thể tích làm xuất hiện các vết nứttrên hạt cát

a) Đặc trưng của giai đoạn.

Đầu tiên trạng thái vật lí của phối liệu thayđổi Trong phối liệu có hiện tượng :

- Bay hơi ẩm

- Phân hủy các muối, các hydrat, cácôxyt có hóa trị cao

- Tạo thành các hợp chất khí

- Chuyển hóa đa hình:

β Quắc → α Quắc→ α tridimit → α Cristobalit

Quá trình biến đổi đa hình này có kèm theo

sự thay đổi thể tích làm xuất hiện các vết nứttrên hạt cát

Tăng nhiệt độ:

-Phản ứng của các cấu tử ở trạng thái rắn cho sản phẩm ở trạng thái rắn.

CaCO3 + SiO2 hoặc Na2CO3 + SiO2 ở ( t 0 < 790 0 C)

-Phản ứng giữa các chất rắn cho hợp chất ơtecti

Na2CO3 + SiO2 ở (t 0 = 790 – 851 0 C) Phản ứng trên xảy ra rất chậm, nhưng sau khi hợp chất ơtecti hình thành, pha lỏng xuất hiện làm tốc độ

CaCO3 + SiO2 hoặc Na2CO3 + SiO2 ở ( t 0 < 790 0 C)

-Phản ứng giữa các chất rắn cho hợp chất ơtecti

Na2CO3 + SiO2 ở (t 0 = 790 – 851 0 C) Phản ứng trên xảy ra rất chậm, nhưng sau khi hợp chất ơtecti hình thành, pha lỏng xuất hiện làm tốc độ

b) Những phản ứng chính trong phối liệu sô đa.

Ca2SiO4 + SiO2 = 2CaSiO3Tạo và nóng chảy hợp chất ơtecti Na2CO3 –

Na2Ca(CO3)2Nóng chảy Na2Ca(CO3)2Nóng chảy Na2SiO3

Phân hủy mãnh liệt CaCO3 còn lại Nóng chảy Na2SiO3

Hòa tan SiO2 còn lại và CaSiO3 trong chất nóng chảy

Ca2SiO4 + SiO2 = 2CaSiO3Tạo và nóng chảy hợp chất ơtecti Na2CO3 –

Na2Ca(CO3)2Nóng chảy Na2Ca(CO3)2Nóng chảy Na2SiO3

Phân hủy mãnh liệt CaCO3 còn lại Nóng chảy Na2SiO3

Hòa tan SiO2 còn lại và CaSiO3 trong chất nóng chảy

Khi có thêm MgCO 3 ( trong đôlômit) xảy ra thêm các phản ứng

Na2Mg(CO3)2 + 2SiO2 = MgSiO3 + Na2SiO3 + 2CO2

MgCO3 + SiO2 = MgSiO3 + CO2Phân hủy nhanh MgCO3Phản ứng nhanh MgO + SiO2 = MgSiO3

CaSiO3 + MgSiO3 = CaMg(SiO3)2

K2CO3 nóng chảy

c) Phản ứng xảy ra trong phối liệu sulfat.

Nhận xét:

- Na2SO4 nóng chảy ở 8840C

- SiO2 + Na2SO4 = Na2SiO3 + SO2 + O2Xảy ra rất chậm dù ở 12000C Na2SO4 khóhòa tan trong thủy tinh nóng chảy và có mật độnhỏ nên nổi lên trên bề mặt tạo lớp sulfat nóngchảy rất khó loại trừ

Vì vậy phải dùng cacbon để khử Na2SO4 vềdạng sulfua dễ phản ứng hơn

Những phản ứng trong phối liệu sulfat hệ

Vì vậy phải dùng cacbon để khử Na2SO4 vềdạng sulfua dễ phản ứng hơn

Những phản ứng trong phối liệu sulfat hệ

SiO2 – CaCO3 – C – Na2SO4 :

Phản ứng tạo thành hợp chất trung

gian kém bền vững

740- 8000C Na2SO4 + C = Na2S + 2CO2

Na2S + CaCO3 = CaS + Na2CO3-Tạo các hợp chất ơtecti

CaO + SiO2

Trong phối liệu sulfat còn xảy ra phản

ứng phụ

5000C

Na2S + 2H2O = NaOH + H2S NaOH + SiO2 = Na2SiO3 + H2O

Giai đoạn 2: Giai đoạn tạo thủy tinh.

Sau giai đoạn tạo silicat trong hỗn hợp nóng chảy mới hình thành còn nhiều hạt cát

và một số chất khó chảy chưa tan hết như

Al2O3, ZrO2, ZrO2.SiO2.

Với thủy tinh công nghiệp thông thường lượng cát còn lại khoảng 25%.

Giai đoạn tạo thủy tinh chính là giai đoạn hòa tan nốt các cấu tử còn lại.

Giai đoạn tạo thủy tinh xảy ra chậm chiếm khoảng 60-70% tổng thời gian nấu.

Giai đoạn 2: Giai đoạn tạo thủy tinh.

Sau giai đoạn tạo silicat trong hỗn hợp nóng chảy mới hình thành còn nhiều hạt cát

và một số chất khó chảy chưa tan hết như

Al2O3, ZrO2, ZrO2.SiO2.

Với thủy tinh công nghiệp thông thường lượng cát còn lại khoảng 25%.

Giai đoạn tạo thủy tinh chính là giai đoạn hòa tan nốt các cấu tử còn lại.

Giai đoạn tạo thủy tinh xảy ra chậm chiếm khoảng 60-70% tổng thời gian nấu.

Tốc độ tạo thủy tinh phụ thuộc vào 3 yếu tố:

-Hình dạng và kích thước hạt cát:

Các hạt cát nhỏ sắc cạnh thường dễ hòa tan hơn hạt tròn

-Độ nhớt và sức căng bề mặt của hỗn hợp silicat nóng chảy:

Nếu độ nhớt và sức căng bề mặt nhỏ sự hòa tan càng nhanh.

Theo M.B.Volf thời gian tạo thủy tinh được đặc trưng bằng hệ số chảy T:

Tốc độ tạo thủy tinh phụ thuộc vào 3 yếu tố:

-Hình dạng và kích thước hạt cát:

Các hạt cát nhỏ sắc cạnh thường dễ hòa tan hơn hạt tròn

-Độ nhớt và sức căng bề mặt của hỗn hợp silicat nóng chảy:

Nếu độ nhớt và sức căng bề mặt nhỏ sự hòa tan càng nhanh.

Theo M.B.Volf thời gian tạo thủy tinh được đặc trưng bằng hệ số chảy T:





T càng lớn thủy tinh càng khó chảy, nhiệt độ nấu phải cao.

Ví dụ:

Thủy tinh Pyrex T = 8,4 ; Nhiệt độ nấu 1600 0 C

Thủy tinh chịu hóa T= 7,9 ; Nhiệt độ nấu 1500 0 C

Thủy tinh T = 5 ; Nhiệt độ nấu 1400 0 C

-Tính chất hóa học của hỗn hợp nóng chảy:

Để quá trình nấu xảy ra nhanh hơn ta cần:

- Đưa vào phối liệu các chất có khả nănglàm giảm sức căng bề mặt của khối thủy tinhnóng chảy Ví dụ như đưa vào một ít Na2SO4không kèm chất khử

- Tăng nhiệt độ: Trong phạm vi nhiệt độdưới 16000C, khi tăng nhiệt độ lên 100C tốc độtạo thủy tinh sẽ tăng 10%

- Tiến hành khuấy trộn khối silicat nóngchảy, vì điều đó tạo khả năng tách các màng SiO2khỏi bề mặt hạt cát, giảm độ dày của lớp trunggian giữa cát và silicat nóng chảy

-Tính chất hóa học của hỗn hợp nóng chảy:

Để quá trình nấu xảy ra nhanh hơn ta cần:

- Đưa vào phối liệu các chất có khả nănglàm giảm sức căng bề mặt của khối thủy tinhnóng chảy Ví dụ như đưa vào một ít Na2SO4không kèm chất khử

- Tăng nhiệt độ: Trong phạm vi nhiệt độdưới 16000C, khi tăng nhiệt độ lên 100C tốc độtạo thủy tinh sẽ tăng 10%

- Tiến hành khuấy trộn khối silicat nóngchảy, vì điều đó tạo khả năng tách các màng SiO2khỏi bề mặt hạt cát, giảm độ dày của lớp trunggian giữa cát và silicat nóng chảy

Giai đoạn 3: Giai đoạn khử bọt

Mục đích của khử bọt là dựa vào các quátrình trao đổi khí thiết lập một chế độ cân bằng

để trong thủy tinh không còn hoặc còn rất ít bọtnhìn thấy được

Muốn vậy phải thực hiện cơ chế sau:

- Đưa bọt từ trong lòng khối thủy tinhnóng chảy lên bề mặt để ra môi trường lò

- Đưa khí từ thủy tinh vào bọt hoặc ramôi trường lò

- Đưa khí từ bọt nhỏ vào bọt lớn hoặctan vào thủy tinh

Giai đoạn 3: Giai đoạn khử bọt

Mục đích của khử bọt là dựa vào các quátrình trao đổi khí thiết lập một chế độ cân bằng

để trong thủy tinh không còn hoặc còn rất ít bọtnhìn thấy được

Muốn vậy phải thực hiện cơ chế sau:

- Đưa bọt từ trong lòng khối thủy tinhnóng chảy lên bề mặt để ra môi trường lò

- Đưa khí từ thủy tinh vào bọt hoặc ramôi trường lò

- Đưa khí từ bọt nhỏ vào bọt lớn hoặctan vào thủy tinh

Sự di chuyển của bọt khí nhanh, dễ dàngnếu như:

-Đường đi lên bề mặt ngắn

-Độ nhớt của khối thủy tinh lỏng nhỏ

Tức nhiệt độ phải cao Cho nên nhiệt độ ởgiai đoạn khử bọt là cao nhất, ứng với độ nhớt

102p

Sự di chuyển của bọt khí nhanh, dễ dàngnếu như:

-Đường đi lên bề mặt ngắn

-Độ nhớt của khối thủy tinh lỏng nhỏ

Tức nhiệt độ phải cao Cho nên nhiệt độ ởgiai đoạn khử bọt là cao nhất, ứng với độ nhớt

102p

Tóm lại, để thực hiện quá trình khử bọt

nhanh cần phải:

+ Tăng nhiệt độ nấu để giảm độ nhớt, giảm sức căng bề mặt.

+ Khuấy trộn để tập hợp các bọt khí có kích thước nhỏ thành lớn dễ thoát ra ngoài.

+ Giảm áp suất trong môi trường lò bằng cách hút chân không và đến giai đoạn cuối tăng áp để bọt khí nhỏ còn lại tan hết vào thủy tinh.

Tóm lại, để thực hiện quá trình khử bọt

nhanh cần phải:

+ Tăng nhiệt độ nấu để giảm độ nhớt, giảm sức căng bề mặt.

+ Khuấy trộn để tập hợp các bọt khí có kích thước nhỏ thành lớn dễ thoát ra ngoài.

+ Giảm áp suất trong môi trường lò bằng cách hút chân không và đến giai đoạn cuối tăng áp để bọt khí nhỏ còn lại tan hết vào thủy tinh.

Giai đoạn 4: Giai đoạn đồng nhất.

Sự đồng nhất hóa thủy tinh là cần thiết.Biện pháp cụ thể:

- Sử dụng nguyên liệu có thành phần khôngđổi, kích thước hạt đồng đều theo đúng yêu cầu

- Trộn phối liệu đồng nhất, tránh bị phânlớp, độ ẩm nhất định, lượng mảnh sử dụng lại cốđịnh và đồng nhất

- Khuấy trộn thủy tinh bằng chất khử bọt,khuấy trộn cơ học hoặc khí nén

Giai đoạn 4: Giai đoạn đồng nhất.

Sự đồng nhất hóa thủy tinh là cần thiết.Biện pháp cụ thể:

- Sử dụng nguyên liệu có thành phần khôngđổi, kích thước hạt đồng đều theo đúng yêu cầu

- Trộn phối liệu đồng nhất, tránh bị phânlớp, độ ẩm nhất định, lượng mảnh sử dụng lại cốđịnh và đồng nhất

- Khuấy trộn thủy tinh bằng chất khử bọt,khuấy trộn cơ học hoặc khí nén

Giai đoạn 5: Giai đoạn làm lạnh.

Đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình nấu thủy tinh.

Mục đích của giai đoạn này là giảm nhiệt độ khối thủy tinh lỏng để tăng độ nhớt đến giới hạn có thể tạo hình sản phẩm.

Tùy theo từng loại thủy tinh mà có thể giảm 200-3000C trong thời gian ngắn bằng cách dùng phao, thuyền, cống đưa thủy tinh từ bể nấu sang bể sản xuất và giảm việc cung cấp nhiệt.

Giai đoạn 5: Giai đoạn làm lạnh.

Đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình nấu thủy tinh.

Mục đích của giai đoạn này là giảm nhiệt độ khối thủy tinh lỏng để tăng độ nhớt đến giới hạn có thể tạo hình sản phẩm.

Tùy theo từng loại thủy tinh mà có thể giảm 200-3000C trong thời gian ngắn bằng cách dùng phao, thuyền, cống đưa thủy tinh từ bể nấu sang bể sản xuất và giảm việc cung cấp nhiệt.

III Tạo hình sản phẩm

thủy tinh III Tạo hình sản phẩm

thủy tinh

1 Những tính chất quyết định khả năng tạo

b) Sức căng bề mặt.

Nhờ sức căng bề mặt mà có thể tạo giọttrong máy cung cấp giọt

Nhờ nó mà mồi thủy tinh trên đầu ống thổi

có dạng hình cầu tự nhiên không cần khuôn mẫu

Nhờ nó mà bề mặt sản phẩm sau gia côngtrên lửa bóng tuyệt đối

Cũng nhờ sức căng bề mặt mà sản phẩmthủy tinh sau khi cắt có cạnh sắc nhọn ta chỉ việcđưa vào lửa ở nhiệt độ thích hợp sẽ tù và bóngloáng

b) Sức căng bề mặt.

Nhờ sức căng bề mặt mà có thể tạo giọttrong máy cung cấp giọt

Nhờ nó mà mồi thủy tinh trên đầu ống thổi

có dạng hình cầu tự nhiên không cần khuôn mẫu

Nhờ nó mà bề mặt sản phẩm sau gia côngtrên lửa bóng tuyệt đối

Cũng nhờ sức căng bề mặt mà sản phẩmthủy tinh sau khi cắt có cạnh sắc nhọn ta chỉ việcđưa vào lửa ở nhiệt độ thích hợp sẽ tù và bóngloáng

c) Khuôn tạo hình.

Để sản phẩm có chất lượng cao, bề mặt bóng nhẵn thì khuôn phải có chế độ nhiệt thích hợp.

Khuôn quá nóng sẽ dính, khuôn quá lạnh thủy tinh đóng rắn nhanh và bề mặt xấu dễ nứt.

Khuôn phải được làm bằng vật liệu dễ gia công để đảm bảo tính chính xác, chịu được nhiệt độ cao, bền nhiệt, bền hóa, bền

cơ, chiều dày đồng nhất.

c) Khuôn tạo hình.

Để sản phẩm có chất lượng cao, bề mặt bóng nhẵn thì khuôn phải có chế độ nhiệt thích hợp.

Khuôn quá nóng sẽ dính, khuôn quá lạnh thủy tinh đóng rắn nhanh và bề mặt xấu dễ nứt.

Khuôn phải được làm bằng vật liệu dễ gia công để đảm bảo tính chính xác, chịu được nhiệt độ cao, bền nhiệt, bền hóa, bền

cơ, chiều dày đồng nhất.

Hiện nay phổ biến hơn là phuơng pháp kéo tự

động bằng máy, có thể kéo ngang, kéo đứnghay kéo đứng ngang

Do đặc điểm vốn có của thủy tinh là sức căng bề

mặt lớn nên nó sẽ tự co lại tạo bề mặt rấtphẳng

Hiện nay phổ biến hơn là phuơng pháp kéo tự

động bằng máy, có thể kéo ngang, kéo đứnghay kéo đứng ngang

Do đặc điểm vốn có của thủy tinh là sức căng bề

mặt lớn nên nó sẽ tự co lại tạo bề mặt rấtphẳng

Ống được tạo thành sau khi nhúng mồi vàokhối thủy tinh rồi kéo lên phía trên Quanh ốngcũng tạo ra một củ hành để kéo dần thành ốnghình trụ.

Trong quá trình kéo, ống được làm lạnh từ 2phía, phía ngoài bằng dòng khí làm lạnh, phíatrong bằng không khí nén tạo hình

Ống được tạo thành sau khi nhúng mồi vàokhối thủy tinh rồi kéo lên phía trên Quanh ốngcũng tạo ra một củ hành để kéo dần thành ốnghình trụ

Trong quá trình kéo, ống được làm lạnh từ 2phía, phía ngoài bằng dòng khí làm lạnh, phíatrong bằng không khí nén tạo hình

Phương pháp kéo đứng ngang

1 Thủy tinh lỏng

2 Thanh chắn

3 Ống thổi khí

4 Trục chuyển hướng

5 Ống thủy tinh

6 Trục vận chuyển

7 Trục kéo

8 Lò ủ

Sử dụng phươngpháp này có thể kéođược ống mỏng hơn,chế độ nhiệt ổn định

và việc làm lạnh thìđơn giản hơn

Phương pháp kéo ngang _ kéo Danner

Nguyên tắc:

Phương pháp kéo này cho phép kéo những ống mỏng cũng như dày có đường kính đến 40 mm.

Thủy tinh lỏng chảy thành dòng trên bề mặt ống Samôt quay chậm.

Nhờ ống đuợc đặt nghiêng và quay tròn nên thủy tinh sẽ chảy thành một lớp đều đặn ở trên bề mặt ống và ống đó được kéo ra nhờ máy kéo.

Từ ống Samôt khí nén được đưa vào

để thổi thành ống rỗng.

Nguyên tắc:

Phương pháp kéo này cho phép kéo những ống mỏng cũng như dày có đường kính đến 40 mm.

Thủy tinh lỏng chảy thành dòng trên bề mặt ống Samôt quay chậm.

Nhờ ống đuợc đặt nghiêng và quay tròn nên thủy tinh sẽ chảy thành một lớp đều đặn ở trên bề mặt ống và ống đó được kéo ra nhờ máy kéo.

Từ ống Samôt khí nén được đưa vào

để thổi thành ống rỗng.

2 2 (/ )

* * 4

Trong đó: m khối lượng thuỷ tinh chảy xuống xà liêu

dn, dt: đường kính ngoài và trong của ống thuỷ tinh.

p khối luợng riêng kg/m 3

Trong đó: m khối lượng thuỷ tinh chảy xuống xà liêu

dn, dt: đường kính ngoài và trong của ống thuỷ tinh.

p khối luợng riêng kg/m 3

Để giữ đúng kích thước ống thì phải:

+ Tăng vận tốc kéo

+ Tăng áp lực không khí

Nhiệt độ thuỷ tinh lỏng ở phôi phải được giữ sao cho

độ nhớt của nó dao động trong khoảng 10 4.7  10 5.3 p.

d(mm)40 50 60 70

30 20

10 0

4.6 4.7 4.8 4.9 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4

d(mm)40 50 60 70

30 20

10 0

4.6 4.7 4.8 4.9 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4