制玻璃的方法?

沙子，主要成分，石英（SiO2玻璃是一種奇特的物質(zhì)，主要成份是石英砂， 其制造過(guò)程是石英砂配合其他化學(xué)原料在高溫（攝氏1300度）燒制后冷卻而成的結(jié)晶體，具有質(zhì)硬、抗磨損，高透光率及抗腐特性，其廣泛用途已有悠久歷史。 現(xiàn)時(shí)制造玻璃之技術(shù)一日千里，其用途日益增加，由鐘表、器皿、門窗、燈飾以及高科技如電子部件及太空科技等，都不可缺少玻璃。 我們?nèi)粘＝佑|最多的莫如「平板玻璃」，厚的用于門窗，薄的用于鐘表及醫(yī)學(xué)化驗(yàn)用途上，其制造方法是將溶爐中的玻璃溶漿用水平或牽引方法（又稱浮法）及用垂直式牽引方法制成。溶漿經(jīng)牽引出溶爐后亦同時(shí)作有系統(tǒng)的冷卻，冷卻完成后便成「平板玻璃」，平板玻璃的厚度主要決定于牽引時(shí)的速度，牽引速度越快，可制造出的厚度越薄。 普通的平板玻璃雖然從正面看似光亮通透，但從側(cè)面近邊緣之處看是略帶青色，因玻璃顏色深淺取決于制造玻璃之主要原料-石英砂的純凈度及含鐵量之多寡。 通常鐘表業(yè)所選用的薄玻璃較優(yōu)質(zhì)，但價(jià)值較貴，其主要分別在于所用石英砂原料較優(yōu)，含鐵量甚低（一般在萬(wàn)分之三以下）） 
玻璃用原料多為天然礦石，因此制造玻璃，首先要將各種礦石進(jìn)行粉碎，加工成粉料，然后根據(jù)玻璃成分，制成配合料，送入玻璃熔窯進(jìn)行熔化，形成玻璃液。合格的玻璃液流經(jīng)喂料池，并從喂料口流出形成料股。料股的溫度，中堿玻璃一般為1150～1170℃，無(wú)堿玻璃為1200～1220℃。料股經(jīng)每分鐘近’200次剪切成球坯。球坯經(jīng)溜槽、分球器，并由分球板撥動(dòng)，分別滾入不同的漏斗，然后落到由三個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相同的輥筒所構(gòu)成的成球槽中。球坯在輥筒上旋轉(zhuǎn)及其自身的表面張力作用，逐漸形成光滑圓整的玻璃球。其直徑的大小，由玻璃液流股的粗細(xì)、流速和剪刀速度所決定。 
玻璃球離輥筒時(shí)，溫度還很高。為防止粘球，需經(jīng)冷球盤或蛇形跑道予以冷卻。為減少玻璃球內(nèi)外溫差而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，需經(jīng)退火使之緩慢冷卻。然后儲(chǔ)存于球倉(cāng)中以備質(zhì)量檢驗(yàn). 
我們知道固體材料可以分為有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料兩大類。有機(jī)材料有木材、塑料、有機(jī)玻璃、棉布、羊毛、尼龍等等。無(wú)機(jī)材料按照結(jié)構(gòu)可以分成單晶體、多晶體和玻璃三大類。單晶體有規(guī)則的外形和嚴(yán)格規(guī)則的結(jié)構(gòu)，例如紅寶石是氧化鋁單晶，水晶是二氧化硅單晶，金剛鉆則是碳的單晶。多晶體是大量小單晶的集合體，各種陶瓷、金屬都是多晶材料。玻璃是經(jīng)熔融、冷卻、固化而得到的非結(jié)晶固體。它的結(jié)構(gòu)在原子、分子范圍內(nèi)有一定規(guī)則（近程有序），但在宏觀范圍卻又沒有規(guī)則（遠(yuǎn)程無(wú)序）。它可以依靠模具做成各種形狀。玻璃的這種無(wú)規(guī)則結(jié)構(gòu)，決定了玻璃的下列特性： 
1．各向同性，玻璃的質(zhì)點(diǎn)排列總的說(shuō)來(lái)是無(wú)規(guī)則的，但又是統(tǒng)計(jì)均勻的，因此，它的物理、化學(xué)性質(zhì)在任何方向都是相同的。而晶體則是各向異性的。例：電阻率、導(dǎo)熱系數(shù)、透過(guò)率、折射率等。 
2．無(wú)固定熔點(diǎn)，玻璃由固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w是在一定溫度范圍內(nèi)逐漸變化的。而晶體是有確定的熔點(diǎn)的，例如，冰（水的晶體）在0゜C融化。玻璃的這一特性使它可用吹、拉、壓等多種方法成形。 
3．組成和性能的可調(diào)性，玻璃的性能可隨其成分在一定范圍內(nèi)發(fā)生連續(xù)和逐漸的變化。而晶體則具有固定的成分和確定的性能。這樣，我們就可以調(diào)節(jié)玻璃的成分，使它的性能滿足使用的要求。 
玻璃是如何生產(chǎn)出來(lái)的呢？玻璃的生產(chǎn)工藝包括：配料、熔制、成形、退火等工序。分別介紹如下： 
1． 配料，按照設(shè)計(jì)好的料方單，將各種原料稱量后在一混料機(jī)內(nèi)混合均勻。玻璃的主要原料有：石英砂、石灰石、長(zhǎng)石、純堿、硼酸等。 
2． 熔制，將配好的原料經(jīng)過(guò)高溫加熱，形成均勻的無(wú)氣泡的玻璃液。這是一個(gè)很復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。玻璃的熔制在熔窯內(nèi)進(jìn)行。熔窯主要有兩種類型：一種是坩堝窯，玻璃料盛在坩堝內(nèi)，在坩堝外面加熱。小的坩堝窯只放一個(gè)坩堝，大的可多到20個(gè)坩堝。坩堝窯是間隙式生產(chǎn)的，現(xiàn)在僅有光學(xué)玻璃和顏色玻璃采用坩堝窯生產(chǎn)。另一種是池窯，玻璃料在窯池內(nèi)熔制，明火在玻璃液面上部加熱。玻璃的熔制溫度大多在1300~1600゜C。大多數(shù)用火焰加熱，也有少量用電流加熱的，稱為電熔窯。現(xiàn)在，池窯都是連續(xù)生產(chǎn)的，小的池窯可以是幾個(gè)米，大的可以大到400多米2。 
3． 成形，是將熔制好的玻璃液轉(zhuǎn)變成具有固定形狀的固體制品。成形必須在一定溫度范圍內(nèi)才能進(jìn)行，這是一個(gè)冷卻過(guò)程，玻璃首先由粘性液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭伤軕B(tài)，再轉(zhuǎn)變成脆性固態(tài)。成形方法可分為人工成形和機(jī)械成形兩大類。 
A． 人工成形。又有（1）吹制，用一根鎳鉻合金吹管，挑一團(tuán)玻璃在模具中邊轉(zhuǎn)邊吹。主要用來(lái)成形玻璃泡、瓶、球（劃眼鏡片用）等。（2）拉制，在吹成小泡后，另一工人用頂盤粘住，二人邊吹邊拉主要用來(lái)制造玻璃管或棒。（3）壓制，挑一團(tuán)玻璃，用剪刀剪下使它掉入凹模中，再用凸模一壓。主要用來(lái)成形杯、盤等。（4）自由成形，挑料后用鉗子、剪刀、鑷子等工具直接制成工藝品。 
B． 機(jī)械成形。因?yàn)槿斯こ尚蝿趧?dòng)強(qiáng)度大，溫度高，條件差，所以，除自由成形外，大部分已被機(jī)械成形所取代。機(jī)械成形除了壓制、吹制、拉制外，還有（1）壓延法，用來(lái)生產(chǎn)厚的平板玻璃、刻花玻璃、夾金屬絲玻璃等。（2）澆鑄法，生產(chǎn)光學(xué)玻璃。（3）離心澆鑄法，用于制造大直徑的玻璃管、器皿和大容量的反應(yīng)鍋。這是將玻璃熔體注入高速旋轉(zhuǎn)的模子中，由于離心力使玻璃緊貼到模子壁上，旋轉(zhuǎn)繼續(xù)進(jìn)行直到玻璃硬化為止。（4）燒結(jié)法，用于生產(chǎn)泡沫玻璃。它是在玻璃粉末中加入發(fā)泡劑，在有蓋的金屬模具中加熱，玻璃在加熱過(guò)程中形成很多閉口氣泡這是一種很好的絕熱、隔音材料。此外，平板玻璃的成形有垂直引上法、平拉法和浮法。浮法是讓玻璃液流漂浮在熔融金屬（錫）表面上形成平板玻璃的方法，其主要優(yōu)點(diǎn)是玻璃質(zhì)量高（平整、光潔），拉引速度快，產(chǎn)量大 。 
4． 退火，玻璃在成形過(guò)成中經(jīng)受了激烈的溫度變化和形狀變化，這種變化在玻璃中留下了熱應(yīng)力。這種熱應(yīng)力會(huì)降低玻璃制品的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。如果直接冷卻，很可能在冷卻過(guò)程中或以后的存放、運(yùn)輸和使用過(guò)程中自行破裂（俗稱玻璃的冷爆）。為了消除冷爆現(xiàn)象，玻璃制品在成形后必須進(jìn)行退火。退火就是在某一溫度范圍內(nèi)保溫或緩慢降溫一段時(shí)間以消除或減少玻璃中熱應(yīng)力到允許值。 
此外，某些玻璃制品為了增加其強(qiáng)度，可進(jìn)行剛化處理。包括：物理剛化（淬火），用于較厚的玻璃杯、桌面玻璃、汽車擋風(fēng)玻璃等；和化學(xué)剛化（離子交換），用于手表表蒙玻璃、航空玻璃等。剛化的原理是在玻璃表面層產(chǎn)生壓應(yīng)力，以增加其強(qiáng)度。 
講玻璃必定要提一下它的一個(gè)重要新發(fā)展——微晶玻璃。由于晶體的性能優(yōu)于玻璃，而玻璃則具有易于制造的優(yōu)勢(shì)，于是人們自然會(huì)想到能否把兩者結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)呢？回答是肯定的，這種結(jié)合就是微晶玻璃。微晶玻璃是通過(guò)附加的熱處理，使玻璃基體中長(zhǎng)出大量均勻分布的微小晶體（微米級(jí)），而形成的一類新材料。或者說(shuō)是一類用玻璃工藝制得的具有陶瓷性能的材料。它集中了玻璃和陶瓷的優(yōu)點(diǎn)。如果說(shuō)人類制造玻璃已有五千多年歷史（最早是在古埃及），那末，微晶玻璃是20世紀(jì)50年代才出現(xiàn)的一類新型材料。 
有關(guān)玻璃的資料 
(1)玻璃生產(chǎn)時(shí)的物理、化學(xué)變化過(guò)程 
在生產(chǎn)玻璃時(shí)，熔爐里的原料熔融后發(fā)生了比較復(fù)雜的物理、化學(xué)變化。以普通玻璃生產(chǎn)為例，主要反應(yīng)過(guò)程是下列幾個(gè)步驟： 
開始加熱時(shí)，粉料在100～120℃的范圍內(nèi)開始脫水，在600℃時(shí)，石灰石和純堿通過(guò)下列反應(yīng)生成鈣鈉的復(fù)鹽。 
CaCO3+Na2CO3=CaNa2(CO3)2 
在600～680℃時(shí)，所生成的復(fù)鹽與SiO2開始反應(yīng)： 
CaNa2(CO3)2+2SiO2=Na2SiO3+CaSiO3+2CO2↑ 
在740～800℃時(shí)，低熔混合物[Na2CO3—CaNa2(CO3)2]開始熔化，并不斷地和SiO2作用： 
Na2CO3+CaNa2(CO3)2+3SiO2 
=2Na2SiO3+CaSiO3+3CO2↑ 
CaO熔體與SiO2的反應(yīng)是在890～900℃時(shí)開始的。 
CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2↑ 
在1010℃時(shí)，尚未起反應(yīng)的CaO也和SiO2形成硅酸鈣。 
CaO+SiO2=CaSiO3 
全部物質(zhì)在略高于1200℃時(shí)熔化，冷卻以后即形成玻璃。 
(2)玻璃態(tài) 
玻璃態(tài)是介于結(jié)晶態(tài)和無(wú)定形態(tài)之間的一種物質(zhì)狀態(tài)。玻璃態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，它的粒子不像晶體那樣有嚴(yán)格的空間排列，但又不像無(wú)定形體那樣無(wú)規(guī)則排列，人們把玻璃態(tài)的這種結(jié)構(gòu)特征稱為“短程有序、遠(yuǎn)程無(wú)序”，就是說(shuō)，從小范圍來(lái)看，它有一定的晶型排列，從整體來(lái)看，卻像無(wú)定形物質(zhì)那樣無(wú)晶形的排列。所以玻璃態(tài)物質(zhì)沒有一定熔點(diǎn)，而是在某一溫度范圍內(nèi)逐漸軟化變?yōu)橐簯B(tài)。 
(3)鋼化玻璃為什么機(jī)械強(qiáng)度很大？ 
普通玻璃內(nèi)由于存在著較大的內(nèi)應(yīng)力而易脆，機(jī)械強(qiáng)度不大。為了消除這種內(nèi)應(yīng)力，必須在生產(chǎn)玻璃時(shí)用偏光儀觀察玻璃內(nèi)應(yīng)力變化情況。當(dāng)溫度達(dá)到某一下限時(shí)，內(nèi)應(yīng)力開始減小，再加熱至溫度上限，內(nèi)應(yīng)力全部消失。生產(chǎn)鋼化玻璃時(shí)，溫度必須略為超過(guò)上限，而后急劇冷卻，就好像鋼淬火一樣，所以叫做鋼化玻璃。鋼化玻璃大大改變了內(nèi)應(yīng)力的緊張狀態(tài)，因而減小了它的脆性。1955年，我國(guó)開始生產(chǎn)鋼化玻璃。