Quá trình nấu thủy tinh

Các quá trình nấu thủy tinh: tạo silicat, tạo thủy tinh, khử bọt, đồng nhất, làm lạnh. Các loại lò nấu thủy tinh: lò nồi, lò bể, gạch chịu lửa trong lò nấu thủy tinh, hệ thống tận dụng nhiệt khí thải, hệ thống khuấy trộn.

Trang 1

LÒ THỦY TINH

Presented by: ThS Hoàng Trung Ngôn

Trang 2

CÁC GIAI ĐOẠN CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH NẤU THỦY

 Thực chất sự phân chia này chỉ có tính chất qui ước vì giữa các giai

đoạn không có ranh giới thật rõ rệt

Trang 3

Các quá trình nấu thủy tinh

(quá trình tạo silicate)

 Khi bắt đầu tạo silicat trạng thái vật lý của vật liệu cũng bắt đầu bị

thay đổi Trong phối liệu có hiện tượng bay hơi ẩm, phân hủy các

muối, các chất hyrat hóa, các oxit hóa trị cao, tạo thành các hợp chất khí, chuyển hóa đa hình…

 Khi đốt nóng SiO 2 có các quá trình biến đổi quen thuộc sau:

 Quá trình biến đổi đa hình này có kèm theo sự thay đổi thể tích làm

t cristobali it

C quartz

o o

Trang 4

 Tiếp tục tăng nhiệt độ các cấu tử của phối liệu sẽ dần dần tương tác với nhau, các phản ứng hóa học bắt đầu xảy ra Ban đầu các phản ứng đó xảy ra ở trạng thái rắn với tốc độ rất chậm

 Khi các hỗn hợp ơtecti hình thành và bắt đầu xuất hiện pha lỏng Trên đường cong vận tốc tạo silicat có bước nhảy đột ngột tại nhiệt độ xuất hiện pha lỏng t.

 Trong quá trình tạo silicat, các phản ứng giữa các cấu tử xảy ra khá phức tạp và tùy thuộc vào thành phần trạng thái cũng như thành phần phối liệu

 Quá trình tạo silicat xảy ra theo những cơ chế hoàn toàn khác nhau đối với phối liệu chứa sôđa và phối liệu chứa sunfat mặc dù cả hai loại nguyên liệu này đều

dùng để cung cấp oxit natri cho thủy tinh

Trang 5

 Các phản ứng trong phối liệu sođa

 Chúng ta chỉ xét phản ứng xảy ra trong hệ phối liệu ba cấu tử: oxit silic, đá vôi và sôđa Sau đó khảo sát thêm phối liệu bốn cấu tử (thêm MgC0 3 ).

 Với phối liệu ba cấu tử có thể mô tả trình tự tạo silicat theo các giai đoạn như sau:

- Tạo cacbonat kép CaNa 2 (CO3) 2 ứng với nhiệt độ 380 o C <600 o C.

- Phản ứng: CaNa 2 (CO3) 2 + 2SiO 2 = Na 2 SiO 3 + CaSiO 3 600–830 o C

- Na 2 CO 3 + SiO 2 = Na 2 SiO 3 + CO 2 720–900 o C

Trang 6

- CaNa 2 (CO 3 ) 2 nóng chảy ở 813 o C.

- Phân hủy nhiệt ở 912 o C

- Phân giải muối kép ở 960 o C - Tạo silicat ở 1010 o C

 Với phối liệu bốn cấu tử quá trình xảy ra phức tạp hơn.

- Tạo muối kép MgNa 2 (CO 3 ) 2 300 o C.

- Bắt đầu phân hủy nhiệt MgCO 3 300 o C

- Phân hủy MgCO 3 mãnh liệt 620 o C

- Tạo muối kép CaNa 2 (CO 3 ) 2 400 o C

- Bắt đầu phân hủy CaCO 3 420 o C

- Phân hủy CaCO mãnh liệt 912 o C

Trang 7

2 3

620 -

340 2

2 3

2( CO ) + 2SiO    o → MgSiO + Na SiO + 2CO

2 3

700 -

450 2

3 + SiO    oC→ MgSiO + CO

MgCO

2 3

900

585 2

2 3

2( CO ) + 2SiO  −  → CaSiO + Na SiO + 2CO

2 3

920

600 2

3 + SiO  − o C→ CaSiO + CO

CaCO

Trang 8

- Xuất hiện pha lỏng do sự nóng chảy các hỗn hợp ơtecti 780 –880 o C

- Mg0 + Si0 2 → Mg0.Si0 2 (nhiệt độ 980 -1150 0 )

- Ca0 + Si0 2 → Ca0.Si0 2 (nhiệt độ 1010 – 1150 0 )

- Tương tác giữa các silicat với nhau và có sự hòa tan lẫn nhau đến 1200 0 C

 Phản ứng trong phối liệu Sunphát

 Sự tạo silicat trong phối liệu chứa sunfat natri xảy ra kèm theo với sự tạo thành nhiều hợp chất trung gian không bền vững

 Ðầu tiên sunfat natri bị khử, sau đó sản phẩm khử của nó tương tác với oxit silic và các cấu tử khác để tạo thành silicat.

Trang 9

 Các phản ứng xảy ra như sau:

SiO 2Na

2SiO SO

Na S

S SO

CO CaSiO

2Na 3SiO

Trang 10

 Các phản ứng này xảy ra ở 500 o C và tăng nhanh trong khoảng nhiệt độ 700-900 o C

 ở 740 o C trong phối liệu xuất hiện hỗn hợp nóng chảy ơtecti: Na 2 S –NaSO 4 ; còn cao hơn 850 o C sunfat natri cũng bị nóng chảy

 Qúa trình tạo silicat và tạo thủy tinh xảy ra rất mãnh liệt ở nhiệt độ 1100 o C, khi

đó sự tách các sản phẩm bay hơi cũng kết thúc.

 Trong phối liệu cũng xảy ra nhiều phản ứng phụ, ví dụ

 Na 2 S + H 2 0 → 2Na0H + H 2 S, 2Na0H + Si0 2 → Na 2 Si0 3 + H 2 0

 Phản ứng giữa SiO 2 và NaOH xảy ra mạnh hơn so với phản ứng giữa SiO 2 và

sôđa.

Trang 11

 Ở nhiệt độ cao sunfua natri và than dễ bị oxy hóa bởi oxy của không khí làm cho các phản ứng bị sai khác đi theo chiều hướng không có lợi

 Vì thế, khi nấu thủy tinh từ phối liệu sunfat cần phải khống chế môi trường khử

trong khu vực nấu một cách nghiêm ngặt

 Nếu duy trì không đúng chế độ khử hoặc chất khử đưa vào không đủ một phần

Na 2 SO 4 không phân hủy sẽ tạo thành lớp sunfat nóng chảy nổi trên mặt thủy tinh:

đó là lớp Selốc

 Lớp Selốc này sẽ làm bẩn khối thủy tinh và ăn mòn một cách đáng kể.

 Nhìn chung phản ứng trong phối liệu sunfat phức tạp hơn, đòi hỏi nhiệt độ cao hơn

Trang 12

 Mặt khác các sản phẩm phụ và sản phẩm không phân hủy kịp của phối liệu sunfat làm cho lò bể bị hỏng nhanh hơn

 Năng suất riêng phần khi nấu thủy tinh sunfat thường thấp hơn năng suất

riêng phần khi nấu thủy tinh sôđa Vì thế thông thường người ta nấu thủy tinh

từ phối liệu sôđa.

Trang 13

 Ảnh hưởng của sự tạo silicat đến tốc độ nấu

 Giai đoạn tạo silicat là giai đoạn đầu của toàn bộ quá trình nấu thủy tinh

Nếu giai đoạn này xảy ra quá chậm thì thời gian nấu cũng bị kéo dài.

 Với các loại thủy tinh công nghiệp, trong đó sunfat natri chỉ cung cấp dưới 10 –15% toàn bộ lượng Na 2 O cần thiết thì thực tế tiến trình tạo silicat không có ảnh hưởng đáng kể đến toàn bộ thời gian nấu.

 Nhưng khi nấu thủy tinh ít kiềm hoặc không kiềm hoặc trong trường hợp

sunfat natri được dùng với tỷ lệ lớn (cung cấp hơn 25% toàn bộ lượng Na 2 O cần thiết) thì giai đoạn tạo silicat có ảnh hưởng thực sự đến tốc độ chung của

cả quá trình

Trang 14

Ảnh hưởng của sự tạo silicat đến tốc độ nấu

 Trong phối liệu của thủy tinh ít kiềm sự tạo silicat xảy ra rất chậm chạp do không tạo được một luợng hỗn hợp ơtecti nóng chảy cần thiết để làm tăng tốc

Trang 15

 Ảnh hưởng của sự tạo silicat đến tốc độ nấu

 Những phụ gia này sẽ tạo ra với các cấu tử của phối liệu các hợp chất trung gian kém bền và các hỗn hợp ơtecti

 Các ơtecti đó nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn so với ơtecti của các muối cơ bản của phối liệu (từ 80 –100 o C).

 Ngay lượng ẩm đưa vào theo phối liệu cũng có tác dụng rút ngắn quá trình nấu Màng ẩm bao bọc quanh các hạt phối liệu không tan sẽ có tác dụng hình thành một lớp dung dịch kiềm trên bề mặt các hạt phối liệu đó

 Nhờ thế, bề mặt phản ứng tăng lên và phản ứng của các cấu tử xảy ra thuận

Trang 16

(quá trình tạo thuỷ tinh)

 Sau khi tạo silicat trong hỗn hợp nóng chảy mới tạo thành còn nhiều hạt cát chưa tan hết (khoảng 25% đối với thuỷ tinh công nghiệp)

 Giai đoạn tạo thủy tinh chính là giai đoạn hòa tan các hạt cát đó trong khối silicat nóng chảy.

 So với giai đoạn tạo silicat, giai đoạn tạo thủy tinh xảy ra chậm hơn nhiều

Khi nấu trong lò bể, với các thành phần thủy tinh công nghiệp, thời gian tạo thủy tinh chiếm từ 60 –70% tổng số thởi gian của cả quá trình nấu.

Nguyên nhân của sự chậm trễ này là các hạt cát rất khó tan trong khối silicat nóng chảy có độ nhớt cao và có sự hình thành lớp màng bão hòa axit silicic ngay trên mặt các hạt cát

Trang 17

Chính lớp màng đó góp phần ngăn trở sự tan SiO 2 vào môi trường nóng chảy xung quanh

Ðể sự hòa tan xảy ra liên tục cần phải tạo điều kiện khuếch tán các phần tử dung môi nóng chảy qua màng đến bề mặt hạt cát

Nhưng trong hỗn hợp silicat nóng chảy sự khuếch tán xảy ra rất chậm, ngay cả ở nhiệt độ cao, nên theo mức độ tăng chiều dày của lớp màng tốc độ nấu chảy các hạt cát bị giảm đi.

Tốc độ tạo thủy tinh phụ thuộc vào tính chất của hạt cát, tính chất của hỗn hợp nóng chảy và phụ thuộc cả vào các điều kiện bên ngoài cũng như tốc độ trao đổi

Trang 18

 Kích thước, hình dạng và độ tinh khiết của các hạt cát ảnh hưởng rất nhiều đến sự tan của nó

 Thời gian tạo thủy tinh tỷ lệ thuận với lập phương của bán kính hạt, với hạt có

kích thước nhỏ hơn 0,3mm và với bình phương bán kính với hạt có kích thước lớn Các hạt cát đó nhọn, sắc cạnh thường dễ hòa tan hơn các hạt tròn

 Khi trong hạt cát có các tạp chất (hợp chất sắt, cacbonat…) độ bền mạng lưới bị giảm đi và tốc độ tạo thủy tinh tăng lên.

 Tốc độ tạo thủy tinh còn chịu ảnh hưởng của độ nhớt và sức căng bề mặt của hỗn hợp silicat nóng chảy Sự hòa tan xảy ra càng nhanh khi độ nhớt và sức căng bề mặt càng nhỏ

Trang 19

 Ðộ nhớt cao, sức căng bề mặt lớn sẽ cản trở sự khuếch tán và ngăn cản sự thấm ướt các hạt phối liệu khó chảy bằng dung môi dễ chảy.

Theo O.K.Botvinkin thời gian tạo thủy tinh có thể biểu diễn bằng công thức:

Trong đó

K: Hệ số, phụ thuộc vào điều kiện của quá trình η: Ðộ nhớt của hỗn hợp nóng chảy tính bằng pz T: nhiệt độ tính bằng oK.

Trang 20

 Quá trình nấu xảy ra nhanh hơn khi đưa vào phối liệu các chất có tác dụng làm giảm mức căng bề mặt của khối thủy tinh, (như đưa vào phối liệu một ít Na 2 SO 4

không có chất khử).

 Trong số các điều kiện bên ngoài có ảnh hưởng đến tốc độ tạo thủy tinh đáng kể nhất là nhiệt độ Khi tăng nhiệt độ lên 100C trong phạm vi dưới 16000C, tốc độ tạo thủy tinh tăng trung bình 10%

 Sự tạo thủy tinh cũng tăng mạnh khi tiến hành khuấy trộn khối silicat nóng chảy vì điều đó tạo khả năng tách các màng SiO 2 khỏi bề mặt hạt cát

 Nhờ sự tách khí khỏi phối liệu, đặc biệt là trong điều kiện chân không mà quá

trình khuấy trộn được tiến hành thuận lợi Tốc độ nấu cũng tăng lên khi dùng khí thổi vào khối thủy tinh nóng chảy đang hình thành.

Trang 21

(quá trình khử bọt)

 Trong giai đoạn tạo silicat và cả trong giai đoạn tạo thủy tinh có rất nhiều sản phẩm khí hình thành Phần lớn các khí đó đi vào không gian lò, phần còn lại nằm trong thủy tinh ở dạng khí hòa tan hoặc ở dạng bọt nhìn thấy được

 Với thủy tinh công nghiệp thông thường cứ 100kg phối liệu có khoảng 18kg khí, tương ứng với 9m 3 khí (ở 200C) nghĩa là gấp khoảng 100 lần thể tích của 100kg phối liệu.

 Ngoài khí của phối liệu còn có cả khí từ môi trường lò đi vào thủy tinh Quá trình này phụ thuộc vào thành phần phối liệu và thủy tinh, vào nhiệt độ của

khối thủy tinh lỏng và vào áp lực cũng như thành phần môi trường khí trên bề mặt thủy tinh.

Trang 22

 Trong giai đoạn khử bọt sự trao đổi khí sẽ xảy ra rất phức tạp và thường bao gồm nhiều quá trình thuận nghịch như:

 Quá trình chuyển vận khí từ thủy tinh vào bọt và ra môi trường lò

 Quá trình chuyển vận khí từ bọt ra môi trường lò và tan lại vào thủy tinh

 Quá trình khuếch tán khí từ môi trường lò vào khối thủy tinh.

 Cơ cấu của giai đoạn khử bọt chính là việc thiết lập cân bằng của các quá thuận nghịch đó

 Nhân tố quyết dịnh chiều hướng của quá trình là áp suất hơi riêng phần của các sản phẩm khí tham gia vào việc tạo thành và khử bọt

Trang 23

Trang 24

và các bọt khí bé nhất cũng có kích thước khoảng 0,1 –1mm.

Trang 25

 Ở đây cần phân biệt sự khử bọt và sự tách khí khỏi khối thủy tinh:

 Sự khử bọt được đặc trưng bởi độ bọt hay lượng bọt còn lại trong khối TT.

 Sự tách khí được đặc trưng bởi lượng khí có trong khối thủy tinh (kể cả khí trong bọt và khí tan lẫn trong thủy tinh)

 Giai đoạn khử bọt có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm Ðể bọt khí còn lại trong thủy tinh thì trước hết về hình thức sản phẩm bị xấu đi rất

nhiều và sau đó độ bền của sản phẩm cũng bị giảm đi

 Trong thực tế sản xuất, tùy theo yêu cầu về chất lượng và giá trị của sản phẩm người ta tiến hành khử bọt cho thủy tinh với các mức độ khác nhau và bằng các

Trang 26

(quá trình đồng nhất hoá)

 Sau quá trình tạo silicat và tạo thủy tinh, khối thủy tinh nóng chảy được hình

thành Do nhiều nguyên nhân khác nhau như kích thước các hạt phối liệu không đồng đều, các loại nguyên liệu không phân bố thật đồng đều trong phối liệu, do sự bay hơi và phản ứng không đồng đều…mà khối thủy tinh lỏng đó chưa thật đồng nhất về mặt thành phần hóa học

 Sự không đồng nhất đó biểu hiện ở chỗ có những vùng thủy tinh có thành phần khác nhau và điều đó dẩn đến một dạng khuyết điểm của các sản phẩm thủy tinh gọi là vân

 Vì thế, để có khối thủy tinh tốt cần phải tiến hành đồng nhất hoá tức là làm đồng đều thành phần hóa học của toàn khối thủy tinh.

Trang 27

 Sự đồng nhất hóa cũng được tăng cường một phần nhờ các dòng chuyển động bên trong khối thủy tinh

Trang 28

(quá trình đồng nhất hoá)

 Ðể đảm bảo độ đồng nhất của khối thủy tinh trước hết phải đảm bảo độ đồng nhất của phối liệu: nguyên liệu phải có thành phần không đổi, kích thước hạt phải đồng đều theo đúng yêu cầu, phối liệu cần phải trộn và làm ẩm cẩn thận Phối liệu ẩm sẽ

ít bị phân lớp khi vận chuyển và khi đưa vào lò

 Trong phối liệu thường chứa mảnh thủy tinh so với phối liệu mảnh có ít cấu tử bay hơi hơn, trong mảnh có hòa tan một phần khí lò, sức căng bề mặt của mảnh cao hơn của hỗn hợp nóng chảy từ phối liệu…nên cần phải định lượng mảnh thật cẩn thận và giữ đúng tỷ lệ của nó trong phối liệu

 Ðộ đồng nhất của thủy tinh cũng tăng lên khi đóng bánh hay vê viên phối liệu

Biện pháp quan trọng hơn cả là tăng nhiệt độ nấu

Trang 29

Trang 30

 Trong giai đoạn này nếu cân bằng giữa pha lỏng và pha khí bị phá vỡ

sẽ dẫn đến việc tái sinh bọt trong khối thủy tinh và khi ấy rất khó khử những bọt mới tạo thành này Ðiều này rất dễ xày ra khi giảm nhiệt độ môi trường khí trong lò cũng rất dễ bị biến đổi theo.

Trang 31

cacbonat), sẽ tỏa ra nếu thời gian đủ lâu.

 Trong thủy tinh bari, bọt lần thứ hai xuất hiện do ở nhiệt độ cao các oxit bari bị oxy hóa thành oxit có hóa trị cao, khi hạ nhiệt độ chúng bị phân

+

↔

Trang 32

CÁC GIAI ĐOẠN CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH NẤU THỦY

Trang 33

L ị nồi

 Phân loại

 Theo số lượng nồi (một hay nhiều nồi)

 Theo chiều của ngọn lửa (lò lửa đảo, lò lửa ngang)

 Cấu tạo

 Đáy lò thường bằng gạch samốt, tường bên bằng gạch samốt và gạch

cách nhiệt, vòm lò bằng gạch dinas (lợi dụng tính chất gạch dinas có hệ số giãn nỡ nhiệt nhỏ) Xung quanh có neo bằng kim loại điều

chỉnh được đảm bảo độ bền chắc của lò khi giãn nỡ nhiệt.

 Các lò nồi thường có buồng hồi nhiệt liên tục Sản phẩm cháy được

Trang 34

LÒ NỒI

1-Nóc lò, 2-Nồi nấu, 3-Tường lò, 4,5-Kênh dẫn lửa (vòi đốt hoặc ống khói HAI KIỂU LÒ NỒI

h = hp + 0,56

Trang 35

L ị nồi

 Các giai đoạn khi nấu thủy tinh xảy ra trong lò nồi nhưng khác nhau về

thời gian và tùy thuộc vào chế độ nhiệt

 Thời gian nâng nhiệt trong lò nồi tương đối dài, có thể giải thích do chất

lượng gạch chịu lửa làm lò

 Nếu so với lò buồng nung gốm sứ thì hướng lửa tương tự – đều là lửa

đảo: hướng lửa từ dưới đi lên và được hút đưa vào kênh khói, nhưng yêu cầu nhiệt độ cao hơn

 Đối với lò lửa ngang thì hướng lửa vuông góc với tường lò nhưng yếu tố

đảo trộn không tốt bằng so với hướng lửa đảo.

Trang 36

L ị nồi

 Do nấu trong lò nồi, phối liệu thủy tinh không đồng nhất nên

yếu tố khuấy trộn có vai trò rất lớn tới chất lượng sản phẩm thủy tinh

 Vì vậy cần thời gian lưu nhiệt tương đối lâu từ 10 – 12h

 Mặc dù năng suất nhỏ nhưng cho tới nay các loại lò nồi vẫn

được sử dụng nấu những loại thủy tinh đặc biệt, các loại thủy tinh mỹ thuật

Định dạng
Số trang	73
Dung lượng	1,68 MB