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  • 实验一 玻璃的熔制

      1.配料

      熔制玻璃采用多种原料进行配料,配料与玻璃成分、原料有关。

      配料是根据设计的玻璃成分和选择的原料的化学组成来计算的,为得到指定性能的玻璃,在实验室熔制玻璃要反复多次熔制,多次修改玻璃成分,以达到合乎要求的玻璃性能和其他条件,因此要反复改变料方,改变原料和它们的质量配合比。

      配料时应注意原料中所含的水分变动,要确切地掌握原料的化学成分,然后可按所要求的玻璃成分,根据各种原料的化学成分来计算料方。计算时有些原料(如碳粉)并不引入玻璃成分中,则应根据需要另行计算。

      配料时必须准确称量各种原料,注意适当的气体比,配合料应含有适当的水分,必须重视均匀混合,并防止飞尘和结块,粉料的化学成分和玻璃制品的化学成分是不完全相同的,在计算料方时可加以调整。

      2.熔制

      料配好后,即将粉料加到经在炉内预热到指定温度的坩埚里,然后放入炉内(为防止坩埚意外破裂造成电炉损坏,可将坩埚放入浅的耐火匣钵中,坩埚底部垫Al2O3粉)进行熔化。

      粉料入炉前的准备工作:首先把熔炉升温,在升温同时,必须将料配好,且把坩埚准备好,升温的控制是根据化什么料而定,因为不同的玻璃加料温度不同。因此,必须事先拟订一个熔制的温度制度,即从加料开始,经过澄清,直至出料为止的温度和时间的曲线。

      温度制度主要根据玻璃成分来制定。但常常加入一些澄清剂或其他原料后,就能改变温度曲线。在实际上这是一个复杂的问题,不通过实践是不能解决的,不能单靠理论推算,因为影响熔制的因素很多。

      即使确定了合理的温度制度,还不一定能熔制好玻璃,除了严格控制温度条件外.还涉及到耐火材料坩埚的质量,侵蚀性不同的玻璃,对坩埚也有相应的要求。特别熔制光学玻璃,则坩埚的质量是关键。在实验室里常采用白金坩埚,白金坩埚也有老化问题,白金坩埚被侵蚀后会影响玻璃的质量。此外,原料本身的纯度、颗粒度、水分以及配合料的均匀性、含水量、料形等以及炉内的气氛、压力都与熔化有关。

      总之,粉料入炉前的准备有以下几项:

      ①一般以300~400℃/h的速度升温。对于硼酸酐等含有高温下产气物质的配合料,则升温速度要降低,以防物料溢出。

      ②准备好坩埚,耐火材料坩埚必须预热,尤其是新坩埚,要防止开裂。

      ③配好合格的粉料。

      ④拟订好温度制度。

      准备工作做好后,坩埚在炉内达到加料温度时,即可开始加料。当然有些料也可在加料温度前投入坩埚。加料一般都要分几次,因为熔化时有大量气体逸出,翻腾很剧烈,所以第一次加料不能加满;在第二次加料时,坩埚的料粉基本上已经熔化,这样就可以稍满些。加料的次数、数量和相隔时间,就要看玻璃熔化的实际情况,加料可在炉外加,这就需要加的快,尽可能减少飞尘。加料时间太长,会使炉内温度波动太大。

      料加完后,主要是玻璃熔化阶段,实际上这个时间较短。在高温下配合料很快转化为玻璃液,在实验室熔制玻璃时,加料温度相当于玻璃熔化温度,加料的过程处于玻璃熔化的过程中。粉料熔化后,玻璃还需澄清,即去除玻璃液内可见的气泡,这样较复杂,常采取提高温度,并保持相当长的时间(一般2~3h)。此时使玻璃液不但去除一些小气泡,同时也使玻璃液更均匀。也有在提高温度后,再适当降低些温度,更有利于消除气泡,还需采用机械搅拌;搅拌的快慢、位置和方向等都直接影响到玻璃熔制的质量和速度,搅拌桨的材料和结构也很重要。所以熔制光学玻璃尚需拟订搅拌制度,即转速和时间的曲线,一般控制在30~60r/min。

      在坩埚里熔制玻璃,加料、熔化、澄清、均化虽可分成先后阶段,而实际上是交错进行的。加料时玻璃已在熔化,澄清主要去除小气泡,但大量气泡逸出是在熔化时,澄清时亦难免还有些原料尚未完全熔化,因此又是玻璃熔化的继续。根据玻璃成分不同,决定澄清的温度和时间。常常加些澄清刑,主要目的为了去除气泡,并缩短澄清时间。玻璃液去除气泡对玻璃液均化亦有利。但有时亦不一致,如升高温度降低玻璃液粘度有利于气泡逸出,但由于增加了对耐火材料的侵蚀而产生不均匀,甚至相反发生更多的气泡,这就取决于耐火材料的质量。玻璃液保持一定时间澄清后,挑出的料如果无砂粒、条纹和大气泡,并且透亮均匀,即可开始冷却,在冷却过程中,亦对气泡的均匀性有关,因此需要适当的冷却速度。冷却的终点即达出料温度。

      3.出料

      冷却到一定温度即可出料。在实验室中,玻璃的成型一般采取模型浇注法或“破埚法”。前者把坩埚从炉内取出,倒在预热的模子里成型(块或棒),然后送入退火炉,根据规定的温度(一般500~600℃)进行退火,当冷却到接近室温时,即可从退火炉取出玻璃制品。应注意的是成型时玻璃液倒入模子时,不使气泡和条纹再产生,并防止开裂。特别应注意退火温度制度的控制。后者在完成熔制后,连同坩埚一起冷却并退火,冷却后再除去坩埚,得到所需要的试样。