1.1 玻璃的概念

1.1.1 玻璃的概念

玻璃,英文名称Glass,在中国古代亦称琉璃,日语汉字以硝子代表。是一种较为透明的固体物质,在熔融时形成连续网络结构,冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类非金属材料。普通玻璃化学氧化物的组成为Na2O·CaO·6SiO2,主要成份是二氧化硅。

玻璃在日常环境中呈化学惰性,亦不会与生物起作用,因此用途非常广泛。玻璃一般不溶于酸(例外:氢氟酸与玻璃反应生成SiF4,从而导致玻璃的腐蚀),但溶于强碱,例如氢氧化铯。制造工艺是将各种配比好的原料经过融化,迅速冷却,各分子因为没有足够时间形成晶体而形成玻璃。玻璃在常温下是固体,它是一种易碎的东西,摩氏硬度6.5。

1.1.2 玻璃的历史

玻璃最初由火山喷出的酸性岩凝固而得。公元前3700年前, 古埃及人已经能制造出玻璃装饰品和简单的玻璃器皿。当时只有有色玻璃。公元前1000 年前,中国制造出无色玻璃

公元12世纪,出现了用于交换的商品玻璃,并开始成为工业材料。18世纪,为适应研制望远镜的需要,制出光学玻璃。1873年,比利时率先制造出平板玻璃。1906年,美国研制出平板玻璃引上机。1959年英国皮尔金顿玻璃公司向世界宣告平板玻璃的浮法成型工艺研制成功,这是对原来的有槽引上成型工艺的一次革命。此后,随着玻璃生产的工业化和规模化,各种用途和各种性能的玻璃相继问世。现代,玻璃已成为日常生活、生产和科学技术领域的重要材料之一。

1.2 玻璃的原料构成

玻璃原料比较复杂,按其作用可分为主要原料与辅助原料。主要原料构成玻璃的主体并确定玻璃的主要物理化学性质,辅助原料赋予玻璃特殊性质和给生产工艺带来方便。

1.2.1 玻璃的主要原料

1、硅砂或硼砂。硅砂或硼砂引入玻璃的主要成分是氧化硅或氧化硼,它们在燃烧中能单独熔融成玻璃主体,决定了玻璃的主要性质,相应地称为硅酸盐玻璃或硼酸盐玻璃。

2、纯碱或芒硝。纯碱和芒硝引入玻璃的主要成分是氧化钠,它们在煅烧中能与硅砂等酸性氧化物形成易熔的复盐,起了助熔作用,使玻璃易于成型。但如含量过多,将使玻璃热膨胀率增大,抗拉度下降。

3、石灰石、白云石、长石等。石灰石引入玻璃的主要成分是氧化钙,增强玻璃化学稳定性和机械强度,但含量过多使玻璃析晶和降低耐热性。白云石作为引入氧化镁的原料,能提高玻璃的透明度、减少热膨胀及提高耐水性。长石作为引入氧化铝的原料,它可以控制熔化温度,同时也可提高耐久性。此外,长石还可提供氧化钾成分,提高玻璃的热膨胀性能。

4、碎玻璃。一般来说,制造玻璃时不是全部用新原料,而是掺入15%--30%的碎玻璃,以降低玻璃熔化温度。

1.2.2 玻璃的辅助原料

1、脱色剂。原料中的杂质如铁的氧化物会给玻璃带来色泽,常用纯碱、碳酸钠、氧化钴、氧化镍等作脱色剂,它们在玻璃中呈现与原来颜色的补色,使玻璃变成无色。此外,还有与着色杂质能形成浅色化合物的减色剂,如碳酸钠能与氧化铁氧化成二氧化二铁,使玻璃由绿色变黄色。

2、着色剂。某些金属氧化物能直接溶于玻璃溶液中使玻璃着色。如氧化铁使玻璃呈现黄色或绿色,氧化锰能呈现紫色,氧化钴能呈现蓝色,氧化镍能呈现棕色,氧化铜和氧化铬能呈现绿色等。

3、澄清剂。澄清剂能降低玻璃熔液的粘度,使化学反应所产生的气泡,易于逸出而澄清。常用的澄清剂有白砒、硫酸钠、硝酸钠、铵盐、二氧化锰等。

4、乳浊剂。乳浊剂能使玻璃变成乳白色半透明体。常用乳浊剂有冰晶石、氟硅酸钠、磷化锡等。它们能形成0.1--1.0μm的颗粒,悬浮于玻璃中,使玻璃乳浊化。

1.3 玻璃的生产工艺及生产流程

1.3.1 玻璃的生产工艺

1、原料预加工。将块状原料(石英砂、纯碱、石灰石、长石等)粉碎,使潮湿原料干燥,将含铁原料进行除铁处理,以保证玻璃质量。

2、配合料制备。根据产品的不同,配合料的组成略有区别。例如普通浮法玻璃的配合料(按照1重量箱即50公斤计算),需要消耗石英砂33.55公斤、石灰石2.96公斤、白云石8.57公斤、纯碱11.39公斤、芒硝0.55公斤、长石3.45公斤、碳粉0.03公斤等。

3、熔制。玻璃配合料在池窑或坩埚窑内进行高温(1550-1600度)加热,使之形成均匀、无气泡并符合成型要求的液态玻璃。

4、成型。将液态玻璃加工成所要求形状的制品,如平板玻璃、各种器皿等。

5、热处理。通过退火、淬火等工艺,消除或产生玻璃内部的应力、分相或晶化,以及改变玻璃的结构状态。

1.3.2 普通平板玻璃与浮法玻璃的区别

普通平板玻璃与浮法玻璃都是平板玻璃,区别在于生产工艺、品质上不同。

1、生产工艺方面。普通平板玻璃是将原料按一定比例配制,经熔窑高温熔融,通过垂直引上法或平拉法、压延法生产出来的透明无色的平板玻璃。浮法玻璃是将原料按一定比例配制,经熔窑高温熔融,玻璃液从池窑连续流出并浮在金属液面上,摊成厚度均匀平整、经火抛光的玻璃带,冷却硬化后脱离金属液,再经退火切割而成的透明无色平板玻璃。

2、品质方面。普通平板玻璃按外观质量分为优等品、一等品、合格品三类;按厚度分为2、3、4、5、6mm等厚度。普通玻璃呈现翠绿色,易碎、透明度不高,雨淋暴晒下易老化变形 。浮法玻璃按外观质量分为优等品、一等品、合格品三类;按厚度分为2、3、4、5、6、8、10、12、15、19mm等厚度。浮法玻璃表面平滑无波纹,透视性佳,具有一定韧性。

1.3.3 浮法玻璃的生产工艺

以国内普通的日熔化量600吨的生产线为例,介绍浮法玻璃的制造流程。

浮法玻璃是在锡槽中制造。整个生产线长度约有500米,每天可生产550到600吨的玻璃,相当于3米宽、3毫米厚、长度约25公里的玻璃带。一旦开始生产,便是每天24小时不间断,直到大约8-10年之后才会停炉维修。浮法生产是当今平板玻璃主要的生产方式,其流程可分为以下五个阶段:

1、原料的混成。浮法玻璃的主要原料成份有:73%的二氧化硅、13%的碳酸钠、9%的氧化钙及4%的镁等。这些原料依照比例混合,再加入回收的碎玻璃小颗粒。

2、原料的熔融。将调配好的原料经过一个混合仓后再进入一个有5个仓室的窑炉中加热,约1550摄氏度时成为玻璃熔液。

3、玻璃成型。玻璃熔液流入锡槽且浮在熔化的金属锡液之上,此时温度约1000摄氏度。在锡液上的玻璃熔液形成宽3.66米、厚度介于 3mm至19mm的玻璃带。因为玻璃与锡有极不相同的粘稠性,所以浮在上方的玻璃熔液与下方的锡液不会混合在一起,并且形成非常平整的接触面。

4、玻璃熔液的冷却。玻璃带在离开锡槽时温度约600摄氏度,之后进入退火室或连续式缓冷窑,将玻璃的温度渐渐降低至50摄氏度。由此徐冷方式生产的玻璃也称为退火玻璃。

5、裁切和储存。徐冷之后的玻璃经过数阶段的品质检查,之后再裁切成不同的尺寸,进行包装入库,储存或运输。

1.4 玻璃的分类

玻璃的品种很多,可以按制品结构与性能、生产工艺等方面来分类。

1.4.1 按制品结构与性能分类

1、平板玻璃

(1)普通平板玻璃,包括浮法玻璃。

(2)钢化玻璃,属于安全玻璃。为提高玻璃的强度,通常使用化学或物理的方法,在玻璃表面形成压应力,玻璃承受外力时首先抵消表层应力,从而提高了承载能力,增强玻璃自身抗风压性、寒暑性、冲击性等。

(3)表面加工平板玻璃,包括磨光玻璃、磨砂玻璃、喷砂玻璃、磨花玻璃、压花玻璃、冰花玻璃、蚀刻玻璃等。

(4)掺入特殊成分的平板玻璃,包括彩色玻璃、吸热玻璃、光致变色玻璃、太阳能玻璃等。

(5)夹物平板玻璃,包括夹丝玻璃、夹层玻璃、电热玻璃等。

(6)复层平板玻璃,包括普通镜面玻璃、镀膜热反射玻璃、镭射玻璃、釉面玻璃、涂层玻璃、覆膜(覆玻璃贴膜)玻璃等。

2、玻璃制成品

(1)平板玻璃制品,包括中空玻璃、玻璃磨花、雕花、彩绘、弯制等制品及幕墙、门窗制品等。

(2)不透明玻璃制品和异型玻璃制品,包括玻璃锦砖(马赛克)、玻璃实心砖、玻璃空心砖、水晶玻璃制品、玻璃微珠制品、玻璃雕塑等。

(3)玻璃绝热、隔音材料,包括泡沫玻璃和玻璃纤维制品等。

1.4.2 按生产工艺分类

玻璃主要分为平板玻璃和特种玻璃。

1、平板玻璃

按照生产工艺,平板玻璃主要分为压延、有槽垂直引上、对辊(也称旭法)、无槽垂直引上、平拉和浮法玻璃等。

压延法是将熔窑中的玻璃液经压延辊辊压成型、退火而制成,主要用于制造夹丝(网)玻璃和压花玻璃。

有槽垂直引上法、对辊法、无槽垂直引上法等工艺基本相似,是使玻璃液分别通过槽子砖或辊子、或采用引砖固定板根,靠引上机的石棉辊子将玻璃带向上拉引,经退火、冷却、连续地生产出平板玻璃。平拉法是将玻璃垂直引上后,借助转向辊使玻璃带转为水平方向。这些方法在70年代以前是通用的平板玻璃生产工艺。

浮法是将玻璃液漂浮在金属液面上制得平板玻璃的一种新方法。它是将玻璃液从池窑连续地流入并漂浮在有还原性气体保护的金属锡液面上,依靠玻璃的表面张力、重力及机械拉引力的综合作用,拉制成不同厚度的玻璃带,经退火、冷却而制成平板玻璃。由于这种玻璃在成型时,上表面在自由空间形成火抛表面,下表面与焙融的锡液接触,因而表面平滑,厚度均匀,不产生光畸变。受厚度均匀、上下表面平整平行,加上劳动生产率高及利于管理等方面因素的影响,浮法玻璃正成为玻璃制造方式的主流。目前浮法技术中,英国的皮尔金顿浮法玻璃生产工艺、美国PPG浮法玻璃生产工艺和中国的洛阳浮法玻璃生产工艺并称为世界浮法玻璃生产的三大工艺。

按照厚度(毫米mm在日常中也称为厘,如3厘玻璃就是指厚度3mm的玻璃)和用途,平板玻璃分类如下:

(1)2-4mm玻璃, 主要用于画框表面。

(2)5-6mm玻璃,主要用于外墙窗户、门扇等小面积透光造型等。

(3)7-9mm玻璃,主要用于室内屏风等较大面积但又有框架保护的造型之中。

(4)9-10mm玻璃,主要用于室内大面积隔断、栏杆等装修项目。

(5)11-12mm玻璃,主要用于地弹簧玻璃门和一些活动人流较大的隔断。

(6)15mm以上玻璃,一般市面上销售较少,往往需要订单生产供应,主要用于较大面积的地弹簧玻璃门、外墙整块玻璃墙面。

2、特种玻璃

特种玻璃品种众多,主要有钢化玻璃、中空玻璃、夹层玻璃、加丝加网玻璃、夹胶玻璃、彩釉玻璃、印刷玻璃、灯具玻璃、家电玻璃、家俬玻璃、卫浴玻璃、工艺玻璃、汽车玻璃、磨砂玻璃等等。

1.5 玻璃的主要用途

在人们的日常生活中,玻璃及其制品无处不在。最为广泛的应用是在建筑和装饰领域(门窗、幕墙、隔断、镜片等装饰)、汽车制造领域、新能源领域(太阳能制品)、家电及电子产品制造、日常生活(各种瓶罐盘)等等。

建筑和装饰领域是玻璃的最大下游行业,目前70%左右的浮法玻璃应用于此行业。汽车及新能源领域的玻璃应用也在逐渐扩大。

1.5.1 建筑用玻璃

伴随着中国的城镇化进程,无论是城市还是乡镇的市容市貌日新月异,人们的居住条件和生活环境都发生了翻天覆地的变化。截止2009年,中国城镇人口6.22亿,城镇化率为46.6%。“十二五”期间城镇化率年均提高0.8-1.0个百分点,到2015年达到52%左右,到2030年达到65%左右。城镇化带来城市人口的增加,拉动城镇住宅的需求增加。有关机构预测,城镇化率提高1个百分点,将新增城镇住宅需求量近5亿平方米。2011年9月14日,国务院总理温家宝在夏季达沃斯论坛上表示,“十二五”期间,全国城镇保障性住房覆盖面将达到20%,把扩大消费与推进城镇化、保障改善民生有机结合起来,力争使城镇化率再提高4个百分点。从长远看,我国的城镇化发展还有很大的空间。

随着人们对建筑要求的提高,公共建筑及民用建筑的玻璃使用量日益增多。从一次性使用的玻璃幕墙、门窗、阳台,到二次性使用的浴室、橱柜、灯具等装修,大大的增加了玻璃使用量和使用品种。更重要的是,国家节能环保政策的出台,对玻璃产品的品种和质量也提出了新的要求。

1.5.2 汽车玻璃

汽车玻璃主要用于新型汽车制造市场和汽车维修市场,作为汽车一个重要的组成部分,占据了汽车行业3%的总成本。随着近年中国汽车工业的高速发展,中国汽车玻璃行业的市场需求量以19%左右的平均速度增长。

2009年,中国汽车玻璃市场规模约为7270万平方米。2010年受到国内汽车增长以及出口增加的影响,汽车玻璃产量较为迅速,约为8500万平方米,同比增长16.92%。特别是福耀玻璃和信义玻璃的增长势头迅猛。我国汽车行业的区域集中度非常高,主要生产企业集中于沿海和发达省市,中西部地区的市场份额非常小。综合生产能力前十家企业所占行业比重达到85.3%。2009年,从区域集中度来看,华东、华南和华北地区是我国汽车玻璃行业的重要市场,其中华东地区产量在全国市场中占据28.5%的比重。

1.5.3 太阳能玻璃

太阳能玻璃主要是指用于太阳能光伏发电和太阳能光热组件的封装或盖板玻璃。其中,太阳能光伏发电组件用太阳能玻璃又分为晶体硅太阳能电池组件用和薄膜太阳能电池组件用两大类。前者主要是使用太阳能超白压花玻璃,后者主要是使用超白浮法玻璃。

据初步统计,2011年我国太阳能玻璃生产线达到50条,年有效产能约15000万平方米。国家能源局能源节约与科技装备司研究表明,中国“十一五”期间单位GDP 能耗的约束性目标为下降20%,“十二五”期间单位GDP 能耗将下降17.3%,“十三五”期间将下降16.6%。这给今后光伏玻璃大规模使用奠定了坚实的基础。

1.5.4 LOW-E玻璃

LOW-E玻璃又称低辐射镀膜玻璃,就世界范围而言,LOW-E玻璃的生产和应用正处于高速增长时期。从国家住房和城乡建设部的要求来看,今后绿色节能建筑要成为国内建筑的主流,住建部将推行节能标志认证及相应的税收优惠政策来推广节能建筑。因此,新建建筑和原有存量建筑是否节能,不仅关系到能否缓解我国能源供求的紧张状况,而且还关系到“十二五”节能降耗目标的实现。作为三大用能领域的建筑业,节能形势十分严峻,节能降耗刻不容缓。

据市场分析预测,到2015年,LOW-E玻璃国际市场需求量将突破10亿平方米,今后十年,全世界LOW-E玻璃市场需求量将以平均每年18%以上的速度增长。

1.6 玻璃的检验标准

对于玻璃的检验,既有对玻璃内在品质的严格要求,又有对玻璃在包装、仓储、运输等过程中的规定。目前浮法玻璃的检验标准是2010年3月1日起施行的新的国家标准(GB 11614-2009),其强制性要求的为第5.2条~第5.6条内容,其余为推荐性的。平板玻璃要求与检验方法对应条款中对尺寸偏差、对角线差、厚度偏差、厚薄差、外观质量和弯曲度的要求为强制性的。

1.7 玻璃产业链情况

平板玻璃是由一定的原料经过燃料的加热熔化而成的,主要应用于建筑装饰、汽车行业、新能源、家电以及电子行业等领域。其行业的发展、企业的效益和上下游行业密切相关。经过多年的发展,玻璃产业链发展日趋完善,从原材料的采掘、玻璃产品的生产,到玻璃制品的加工已经形成了成熟的加工和运作体系。

在玻璃行业的上游领域中,国内石英砂、白云石等矿藏储量丰富,品位较好,完全具备生产优质玻璃的条件。燃料方面,在使用重油、煤气的同时,新增加了天然气、焦炉煤气、石油焦,以及混合燃料等多种燃料组合。

从玻璃的下游行业来看,市场需求稳定,应用领域不断拓展。从以前的门窗玻璃,发展到建筑装饰、幕墙玻璃、汽车玻璃、太阳能玻璃,家电以及电子行业等等。我国的玻璃产品,不仅满足了国内需求,还出口到各个国家。随着我国经济的发展和城镇化建设脚步的加快以及技术的进步,玻璃下游的需求增长将稳步上升,需求领域将不断扩大,市场前景广阔。

玻璃产业的市场增长点主要体现在传统市场需求结构的升级,以及电子和太阳能等新兴市场潜力的不断释放。 “十二五”期间,玻璃产业链将进一步延伸,玻璃产业将向高品质、绿色化、多功能、高附加值、高科技含量的加工制品化方向发展。