钠钙玻璃生产乳浊铝粉的新工艺 砂砂岩用于钠钙玻璃的原料结构。颗粒度为200m，加入量为15%16%。当用量小于14%时，乳化度不足，用量大于20%。玻璃表面粗糙度，性质脆。加入石英砂时料道温度为1 200 ℃, 乳浊玻璃成形温度为1 160℃。由于石英砂在高温时以方石英存在, 密度为2.32~2.38 g/cm3, 比一般玻璃密度 (2.5 g/cm3) 低, 容易浮在玻璃表面, 甚至堵塞流料口而造成停产。石英砂中杂质比较多, 常常不易得到白色的乳浊玻璃马赛克, 有时甚至呈灰色。 氧化铝粉的熔点高达2 050~2 060 ℃, 密度也比较大 (3.85~4 g/cm3) , 加入到钠钙玻璃液中, 不可能漂浮, 而是沉到玻璃液中, 且能分布均匀。由于氧化铝含铁量低 (Fe2O3为0.05%左右) , 不仅可得到白色乳浊的玻璃马赛克, 而且也用于制备彩色乳浊玻璃。用作乳浊剂时, 氧化铝中水分含量应在2%以下。氧化铝用量以5%~6%为合适, 引入量3%~4%时, 只是微弱乳浊, 但加到7%以上时, 玻璃表面变得粗糙。 生产乳白色玻璃马赛克时, 用于料道乳浊的氧化铝粉中Fe2O3含量应在0.05%左右, 不能超过0.1%, 如果含0.22%的Fe2O3, 则乳浊后的玻璃呈浅绿色。氧化铝乳浊时, 乳浊室温度应控制在1 130~1 150℃, 停滞时间不应超过10~15 min, 同时也加强搅拌, 使Al2O3能均匀分布在熔化好的玻璃液中。 为降低成本, 可用铝矾土代替氧化铝粉乳浊。铝矾土是一种无塑性的黏土状矿物, 其矿物组成为三水铝矾石 (Al2O3·3H2O) 或一水软铝石 (Al2O3·H2O) , 主要成分为Al2O3和H2O, 杂质为SiO2、Fe2O3、TiO2、CaO等, 烧结前密度为2.45~3.25 g/cm3。国外专利中介绍在料道中加入颗粒度为40~100 μm的铝矾土3.5%~6.5% (占玻璃液质量) , 搅拌后进行乳浊。 16.2.1.3 烧结法配方 玻璃马赛克烧结法配方包括废玻璃粉、着色剂、黏结剂、泡沫阻止剂和填充剂。 (1) 废玻璃粉。废玻璃可用无色、绿色及棕色 (茶色) 等杂玻璃, 粉碎后为白色或浅黄色。在白色玻璃粉中加入30%、40%、60%的浅黄色玻璃粉, 得到的玻璃马赛克产品几乎为浅黄色。生产时, 先将废玻璃清理洗涤干净, 按废玻璃的原有颜色分类, 然后分别用粉碎机粉碎后通过筛分, 使其颗粒在0.80 mm (15目) 以下。 废玻璃纤维易于粉碎, 可用简易破碎机将废玻璃纤维破碎成2 cm, 不得混入杂物, 废玻璃纤维中Al2O3高达6.6%, 有利于乳浊, CaO、MgO也较高, 而Na2O比较低, 仅12%, 故必须根据玻璃马赛克的成分来调整, 可补充石英砂、纯碱。由于要调整成分, 加入各种补充原料后, 废玻璃纤维的加入量在30%~45%。 (2) 着色剂。烧结法所用着色剂与熔融法相似, 但用量略有变化。常用的着色剂见表23。 (3) 黏结剂。黏结剂有高岭土、膨润土, 国外专利也有采用硅酸钠 (水玻璃) 的。不同的黏结剂对玻璃马赛克的抗折强度、收缩率有一定影响。高岭土、膨润土等黏结剂用量增加有利于马赛克的压坯, 但玻璃马赛克制品的性能接近黏土制品, 玻璃相的比例不够, 故配料中此类型黏结剂的用量以10%为宜。 无论黏土类黏结剂或水玻璃类黏结剂均需加入水, 用于配料的调和及成形。黏土类黏结剂加水量为4%较合适, 水玻璃与水的比例为8∶2较好。国外专利介绍用水玻璃作黏结剂时, 还另加高岭土为填充剂。 (4) 泡沫阻止剂。防止在碎玻璃配料烧结时形成泡沫, 影响玻璃马赛克的强度及气孔率。常用的泡沫阻止剂的配比 (质量分数) 为氧化锌3份, 缩合磷酸盐3份。 日本专利介绍烧结法马赛克具体配方 (质量分数) 为平板玻璃100份, 根据颜色需要采用表23中着色剂, 黏结剂水玻璃8份和水2份, 泡沫阻止剂为氧化锌3份和缩合磷酸盐1.5份, 再加高岭土填充剂5份。 16.2.2 玻璃马赛克制造工艺 从前面已介绍的工艺流程图57和图58中能够准确的看出:熔融法和烧结法制备玻璃马赛克工艺有很大区别, 熔融法和传统玻璃生产相同, 而烧结法与陶瓷生产相似。 16.2.2.1 熔融法生产的基本工艺 熔融法制备玻璃马赛克有间隙生产和连续生产两大类型, 间隙法是在坩埚窑熔化, 用压机成形, 劳动强度大、生产效率低, 只适用于需求量低而品种变化又快的产品, 如镶嵌图画时要求很多颜色的玻璃马赛克, 以便配色。例如就红色一种颜色, 按孟塞尔色系, 从粉红到砖红至少有34种, 按色板高达250种。有些红色玻璃马赛克的生产的基本工艺比较特殊, 如肉红色玻璃马赛克, 熔制是在1 300~1 380℃的弱氧化气氛中进行, 有时因炉内气氛和温度的变化, 开缸时发现达不到色泽要求, 或呈微白色, 这是由于胶粒成长过程慢, 未能显色, 此时应加入过饱和的红玻璃反复搅拌, 盖好坩埚口, 经过5~10 min, 加入红玻璃的胶粒即诱导着色剂的胶粒成长到一定大小, 对光的吸收和散射而使玻璃呈现肉红色。 诱导胶粒成长的红玻璃成分 (质量分数) 为SiO265%、Al2O3l%、CaO 3%、ZnO 8%、K2O+Na2O17%, 外加着色剂CdS、CdSe, 还原剂酒石酸 (H4C6O6) , 在坩埚中于1 450 ℃熔化13~16 h, 放入60 ℃温水中冷却, 干燥后粉碎成0.79~1.06 mm (12~16目) 粉末即可应用。 一定规模的玻璃马赛克厂应有三种类型窑炉:一种是坩埚窑, 用以生产数量少的胶体着色的红色、橙色玻璃马赛克;另一种为小型池窑, 用以生产窑内整体着色的氟化物乳浊和硫-碳着色的茶色等产品;还有一种为大型池窑, 可采用料道着色或料道乳浊, 用以生产批量大的产品。通常玻璃马赛克单台压延机的生产能力为15 t/d, 如采用窑内玻璃整体着色, 则以一条生产线 t/d为宜;如采用料道着色, 一座池窑可以设2~4条生产线 t/d。 国内玻璃马赛克以单窑单台压延机生产为常见, 采用马蹄焰金属换热器池窑或双碹金属换热器全保温池窑熔化率通常为1.7~1.8 t/m2·d, 熔化面积为4~10 m2, 不设工作池, 长宽比值一般在1.8以上, 生料入窑后, 要求用人工摊平配合料, 窑宽不能太大。由于马赛克玻璃黏度高, 氟化物等易挥发成分较多, 析晶倾向大, 选择池窑深度为500 mm, 玻璃液净深度不超过400 mm, 如设两条生产线 mm。池壁采用电熔AZS砖, 池底需有一定倾斜度, 沿窑底纵向倾斜角1°~2°, 以便加快换料速率。 为了在变换色料时能将被置换的玻璃料全部放净, 放料口应设置在池壁最下部, 用电熔AZS耐火材料砌成。正常生产时用一个耐热金属制成的水冷塞子堵住, 放料时停止供水, 等温度上升时塞子即可拨出。放料口的结构要保证能重复使用, 放料操作方便。 在窑长方向同一侧设置两个加料口, 两个加料口中心距为700 mm, 以适应不一样时间交替加料, 加料口大小依据加料量大小而定, 一般为300~400 mm, 用电熔AZS砖砌筑。采用推进式投料机以适应马赛克配料低温高黏度的特性。 玻璃马赛克配合料中挥发物较多, 且窑较小, 窑池较短, 废气带入蓄热室格子体内的粉料及挥发物比一般玻璃熔窑要多得多。采用格子孔140 mm×140 mm的筒形砖, 2/3高度用低气孔黏土砖, 1/3高度用含ZrO230%的烧结AZS砖砌筑。 为了更好的提高热效率, 降低氟化物挥发, 减少环境污染, 采用电熔窑熔化。秦皇岛玻璃设计研究院设计了日熔化6.75 t的全电熔窑, 曾经投产。电熔窑为六角形结构, 冷碹顶、全保温, 熔化面积2 m2, 池深1 200 mm。熔化池池壁全部采用AZS耐火材料, 池底采用AZS贴面和捣打料, 此种保护窑底砖结构, 一般可使用多个窑期而不要换掉。整个窑体用全封闭层, 底部保温层厚900 mm, 池壁保温层厚600 mm, 外壳为钢板, 以减少窑体的热散失, 能保证10~13个月的窑龄。 熔窑加热为钼电极, 三角形布置, 三相供电, 料道设有辅助加热系统, 以保证成形时温度制度。成形用滴料器供料, 并设有流量调节装置, 改善马赛克的成形条件, 有利于提升产品成品率。 正常生产时, 日熔化量超过6.75 t玻璃液, 最大熔化量接近9 t, 成品率达到85%以上, 单位熔化耗电量为0.5~0.7 kW·h/kg玻璃, 折合1.80~2.52 MJ/kg玻璃, 熔化热效率为90%以上。 全电熔窑采用冷上部空间, 玻璃马赛克熔化温度只需1 200 ℃, 玻璃层表面温度只有100 ℃, 显著减少氟化物的挥发。而一般用火焰加热的池窑, 马赛克玻璃熔化温度需要1 300~1 350 ℃, 氟化物挥发率可达40%, 纯碱挥发损失率也达10%, 不仅造成对环境造成污染, 而且使成本提高。全电熔窑在减少原料挥发与散失, 保护自然环境方面有显著效果。 全电熔窑的控温系统则用先变流后调控方案, 避免对可控硅的电流冲击, 提高变压器的工作效率。控制管理系统全部采用集成电路, 整个控制管理系统集中于一块线路板上, 不仅可靠性提高, 而且如果出现故障, 可以整板更换, 不影响生产, 生产的全部过程自动化程度高, 操作简单便捷。 电熔窑的气氛不受大气和火焰的影响, 为生产彩色玻璃马赛克提供了有利条件。一般火焰加热窑生产红色系列玻璃马赛克产品时往往色差大、色泽不易稳定, 成品率较低;而电熔工艺生产时, 一次投料即可稳定生产, 色差很小。 除了在配合料中加入着色剂, 熔化时玻璃马赛克整体着色外, 还采用了料道着色。在料道中加入高浓缩着色剂玻璃粉末、颗粒或熔块, 用螺旋输送机送入料道, 立即升高温度, 经过两次搅拌送入供料机进行成形。 以Cr2O3着色剂为例, 前苏联所用料道粉末着色剂是由着色剂、助熔剂组成, 具体成分 (质量分数) 为:Cr2O350%、Na2CO350%;颗粒着色剂由着色剂、助熔剂及黏结剂组成, 具体成分为:Cr2O360%、Na2CO330%、Na2SiO310%;熔块着色剂由着色剂及低熔玻璃组成, 具体成分为:SiO241%、B2O315%、Al2O32%、CaO 10%、MgO 2%、Na2O 20%、Cr2O310%。在100 kg玻璃液中加0.3 kg Cr2O3料道着色剂。 用铬化物着色时, 温度不能太低, 如低于1 280℃, 容易使马赛克出现黑点。用氧化锰着色时必须在供料装置中保持氧化气氛, 否则不能得到紫色, 而为黄色或棕色甚至无色。采用熔块料道着色剂, 容易使玻璃着色均匀, 换色快。 料道着色的优点是不必变更熔窑内的玻璃成分与配料, 只要变更料道着色剂, 就能够获得不一样的颜色的玻璃马赛克, 更换颜色快, 意大利用90 min即可换色成功, 前苏联最慢也只需10 h, 这比熔窑换料要几天还是快得多。 国外将料道乳浊和料道着色结合起来, 在同一料道中既进行了着色又进行了乳浊, 国内称为着色—加砂工艺。熔化好的玻璃液首先进入着色室, 用定量装置加入着色剂, 再进入乳浊室, 定量加入0.16~0.21 mm (60~80目) 粒度石英砂, 乳浊后到成形料道, 流入压延机, 压延成形。为了均匀着色和乳浊, 在料道中装有搅拌装置进行搅拌, 窑底还有鼓泡装置, 以保证供给压延机均匀的有色乳浊玻璃液。在料道还安装钼电极通电加热, 使着色剂能充分熔融, 石英砂能与玻璃液反应, 部分熔融在硅酸盐玻璃熔体中, 得到80%以上的玻璃相, 使玻璃马赛克具有要求的化学稳定性、耐热性和机械强度。将料道着色与乳浊合为一体, 能节约设备和能源费用, 但工艺制度一定要严控, 才可能正真的保证质量。 玻璃马赛克的成形大都用压延法, 以前还用过压制法, 目前除小作坊制备个别产品外, 已很少用压制法。 压延法又分为对辊法和链板法。对辊的特点是马赛克在不断转动的成形辊上成形。对辊法根据玻璃液流动的方向, 又分为水平式、垂直式和混合式。 对辊成形机的工作原理是玻璃熔体经流槽进入预成形辊 (光辊) 内压成一定厚度玻璃带, 再经花辊压成槽纹, 然后用成形刀辊将玻璃带压成马赛克尺寸大小的刻痕。成形后的马赛克在输送装置的平板上随移动逐渐冷却, 最后送往退火窑。大部分成形过程是在辊道上进行的, 故称为对辊式成形机。根据垂直、水平和混合的不同成形方法, 辊子的布置也不一样, 如在水平式成形机中有2个光辊、1个花辊、1个成形刀辊, 花辊先压出条纹, 成形刀辊压成刻痕;而垂直式则有3对辊子, 第1对均为光辊, 第2对的上面辊子为花辊, 下面为光辊, 第3对上面为刀辊, 下面为光辊;至于混合式则下面有1个大的光辊, 上面有2个小的花辊和成形刀辊。对辊式成形机结构相对比较简单, 制造容易, 维修方便, 成本低廉, 但制品容易呈弧形。 链板式成形机的特点是马赛克在链板上进行成形, 玻璃液经流槽进入预成形辊, 压成上面光滑、下面带有槽纹或两面光滑的玻璃带, 然后到循环移动的模板, 在模板上刻马赛克外形大小的刻痕 (刃口) , 被成形压辊压成马赛克外形大小, 随着模板的移动, 被压入模板上的玻璃马赛克带逐渐冷却、收缩而自动脱离模板。链板式成形的优点是能压制黏度大的玻璃熔体, 模具加工精度高, 产品尺寸精确, 表面平整无弯曲现象。但模板数量多, 需要特殊耐热钢材制造, 链传动时带来的瞬时速度不易克服, 模板水平运动时出现上下波动, 设备价格高于对辊式成形机。 玻璃马赛克成形后, 有必要进行折断 (劈裂) 成小块。通常用振打方式, 将已刻痕的马赛克颠裂成小块, 但在较大的冲击力下, 产品容易缺角崩边, 成品率低。为解决该问题, 日本专利将退火后的马赛克带先进入飞边机用辊子除去飞边, 再进入横向凹槽折断机进行横向折断, 之后再进入纵向凹槽折断机进行纵向折断, 形成单块玻璃马赛克。 前苏联玻璃马赛克的生产线中熔化好的玻璃液进入供料装置2中, 流出后进入成形机3, 用带有凸棱的对辊4和5压成具有横向和纵向凹槽、宽350 mm的玻璃带, 沿倾斜的冷却板6以4 m/s的速度滑向折断器7, 平板折断器7与水平呈10°~15°倾角, 不断以振动力将玻璃带沿纵横槽折断成小块马赛克, 折断器下面为隧道式网带输送机8, 以3~7℃/s的速率退火, 使玻璃马赛克呈半钢化状态, 提高机械强度, 减少废品。冷却后的玻璃马赛克进入带有振动器10的选择器9上进行检测验证、选择。选择器放在弹簧上与水平呈3°~8°倾角, 频率为40~50 Hz, 振幅为0.4~2 mm, 处理时间为5~15 s。选择器9是由两个倾斜、回转的带孔圆筒11组成, 第1个圆筒的孔径21 mm, 和玻璃马赛克尺寸的比值为0.9~0.95 (前苏联玻璃马赛克的尺寸为23.5 mm×23.5 mm×4.5 mm) , 在此处将小碎块除去, 第2个筒的孔径为25 mm, 和马赛克尺寸的比值为1.05~1.15, 此筒可将未完全折断的马赛克与成品分离。用此工艺过程, 玻璃马赛克的破损率仅1%。 成形退火后的玻璃马赛克还需排铺和贴纸。排铺也称为制版, 用特制的塑料方框 (330 mm×330 mm) 内分成与玻璃马赛克尺寸大小一致的梯形小方格, 将检验过的玻璃马赛克带槽面朝下, 放入小方格中, 还可将各种颜色的玻璃马赛克镶嵌成图案和壁画, 然后将同样大小的纸上面涂刷配制好的黏结剂, 贴在摆好的板上, 等纸铺平后, 上面放一块与塑料框同样大小的三层胶合板做成托板, 放好后将塑料框反扣过来, 再将托板放在40 ℃左右温度的烘干炉内进行烘干, 即为商品。前苏联规定黏贴的纸采用质量为0.09~0.120 kg/m2的包装纸或纸袋纸。 为了将玻璃马赛克贴到纸上, 前苏联规定用骨胶或其他黏结强度很好的胶, 要保证黏结牢固, 运送过程中不脱落、不发霉, 并应使纸很容易从马赛克上洗去而不在表面留下胶痕。施工中脱纸时间不超过5 min, 所用胶水不能损坏纸和马赛克, 或使马赛克变色。国内有采用糊精、阿拉伯树胶、糯米粉加水, 按特殊的比例调和而成, 此类黏结剂质量好, 但价格贵。还可用面粉、桃胶 (或骨胶) 、明矾与水配合, 价格低, 有实用价值。 从铺排、刷黏结剂到贴纸, 均可实施机械化、自动化。 16.2.2.2 烧结法生产的基本工艺 烧结法生产的基本工艺很多工序与陶瓷马赛克相类似, 以废玻璃为主要的组成原材料, 加入黏结剂和其他添加剂, 混合、压制成形, 再经干燥后在800~900 ℃烧结而成。根据各国、各地的资料以及合理规划利用固体废弃物的情况, 玻璃马赛克所用原料及黏结剂均有较大差异, 但废玻璃是必不可少的, 以保证玻璃相的形成。 压制坯体的抗住压力的强度与玻璃粉颗粒的密实度有较大关系。为使玻璃粉颗粒之间相互靠近, 必须将水从接触区排挤到间隙中去, 在较大的成形压力和配合料含水量一定时, 一部分水可以排除掉。坯体最大抗住压力的强度随成形压力提高而向含水量低的区域迁移, 抗住压力的强度与含水量关系中有一个最佳值, 此时玻璃粉微粒的间距与吸附结合水的厚度相吻合, 坯体的抗压强度达到最大值。进一步提升含水量时, 抗住压力的强度开始下降, 这是由于扩散层的水合膜变形, 此膜层将质点相互隔离, 从而减弱分子间的引力, 使抗压强度反而降低。 大量生产时, 为降低配料中含水量, 并达到较高的抗住压力的强度, 在配合料中加入表面活性物质, 如亚硫酸盐纸浆液及羟甲基纤维素。在不同含水量配合料中加入表面活性物质后, 对试样抗压强度的影响见表24。 从表24中可知:在含水量很低 (5%) 时, 加入亚硫酸盐纸浆液的活性剂, 对提高试样抗压强度有明显作用, 而羟甲基纤维素的作用在含水4%时对提高试样抗压强度效果最佳。 将含水4%~5%的配合料加入少量活性物质, 在10~80 MPa压力下压制成形, 送入分段式隧道电炉中烧结。每段温度自动控制范围:第1段为 (180±10 ) ℃, 第2段为 (300±10) ℃, 第3段为 (620±10 ) ℃, 第4段为 (745±10) ℃, 第5段为 (780±10) ℃, 第6段为 (500±10) ℃, 玻璃马赛克在各段停滞时间不低于45 min。 采用以上工艺制度烧结的玻璃马赛克性能见表25。从表25可知:加入活性剂羟甲基纤维素烧结的玻璃马赛克性能最佳。 美国利用矿渣、尾矿、碎石及其他硅质材料, 加入13%~94%废玻璃及黏结剂, 粉碎后加入黏土6%、水7%为黏结剂, 混合均匀后压制成形, 在770~900 ℃烧结3 h, 即可得到成本低、化学稳定性高且美丽的玻璃马赛克。日本以玻璃粉为主要的组成原材料, 添加氧化锌和固态磷酸盐, 再加入碱金属硅酸盐的水溶液, 混合后压制成坯, 在700~800 ℃下烧结3~4 h, 制成玻璃马赛克。 谢玉深等总结了影响烧结法玻璃马赛克产品质量的几个因素, 包括玻璃粉的粒度、黏结剂类型和用量、调和水用量、压坯压力、加热和冷却速率、烧结温度、烧结时间等。玻璃粉的粒度对玻璃马赛克的抗折强度、弹性模量、密度、气孔率、生坯强度、收缩率均有影响。当玻璃粉粒度为300~500 μm时, 力学性质、密度、显气孔率均好, 收缩率值在允许范围, 粉料颗粒大于500 μm, 力学性质下降, 显气孔率上升。 将超细多水高岭土、高岭土和钠膨润土作黏结剂做试验。改变黏结剂类型, 力学性质、线收缩率、体积密度、气孔率等变化不大。黏结剂用量增加, 玻璃颗粒之间的烧结受一定的影响, 由于黏结剂接近于黏土作用, 使玻璃马赛克的各项性能

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