浮法玻璃原料车间工艺的初步设计

洛阳理工学院

 毕业设计（论文）

题目  450t/d浮法玻璃原料车间工艺的初步设计  

姓  名    王鹏

系（部）  材料科学与工程

专  业    复合材料加工与应用

指导教师  张华

                                                          

                       2012年 5月

450t/d浮法玻璃原料车间工艺的初步设计

摘 要

浮法玻璃是现如今生产平板玻璃的广范使用方法，并且原料车间又是浮法玻璃生产过程中的最为主要的环节。本设计是450t/d浮法玻璃原料车间工艺的初步设计，其主要是对浮法玻璃原料车间的设计方案和工艺流程进行阐述。原料车间的核心任务就是把质量和粒度都符合要求的粉料经破碎、筛分等工艺流程制备成制定玻璃品种生产过程中所需的配合料，并最终送进窑头进行熔制。该环节过程中的精准配料和生产过程中的稳定运行决定了所生产玻璃质量的优劣。因此在浮法玻璃原料车间设计中工艺方案的确定和装备设备的选取尤为重要。对于原料车间内的合理化布局，每一部分的紧密衔接都是保证玻璃质量的关键，本设计中主要叙述了现如今玻璃行业的发展情况和存在的问题，原料成分的选取和配比计算，设备选取和经济效益等部分，最后通过手绘和CAD绘图俩种方式对原料车间的整体布局进行了绘制。整个设计的内容完整，结合了生产过程中的实际情况，对实际生产有一定的指导意义。

关键词：浮法玻璃；原料；工艺流程；平衡计算

450t/d float glass raw materials workshop process the preliminary design

ABSTRACT

Float glass is the production of flat glass is now a wide range of use, and workshop materials is the most major part of the float glass production process. The design is a process of preliminary design of the 450t / d float glass workshop materials, which is mainly described the design and process of float glass workshop materials. The core task of the workshop materials to meet the requirements of quality and particle size powder by crushing and screening process was prepared with the materials needed in the development of varieties of glass production process, and ultimately sent to the kiln head melting. The link in the process of precise ingredients and production processes in the stable operation of the quality of glass produced by the pros and cons. Therefore, the process scheme for the design of the float glass workshop materials and equipment, equipment selection is particularly important. Rationalized within the workshop materials, each part of closely co-ordinated to ensure that the key to glass quality, now is now glass sectors of the economy and the problems are mainly described the design, selection of ingredients and the ratio calculation, equipment selection and economic benefits, part of the last hand-painted and CAD drawing two ways the overall layout of the workshop materials were drawn. The contents of the integrity of the entire design, combined with the actual situation in the production process, some guidance on the actual production.

KEY WORDS: Float glass; raw materials; process; balance calculation

目　录

前　言

原料是材料生产的基础，其作用主要是根据产品的结构组成和所应具有的相应性能提供合适的化学成分和加工处理过程。优质适宜的原料是生产高品质产品的前提和保证。浮法玻璃的原料相对繁多，由于其成因和产状的不同，从而成分组成和物理化学性质不完全一致。针对所需原料不同的产地，选取标准和质量控制的不同对玻璃质量和性质造成的影响加以阐述。因此，掌握原料的成分和组成及其产品性能和生产工艺的相互关系，对于合理地选择原料，节约资源，物尽其用极为重要。玻璃科学的发展，加深了对玻璃的形成和结构理论、相平衡，特别是玻璃的性质和成分依从关系的认识，从而为玻璃成分的设计提供了重要的理论基础。但要定量地得到合乎预定要求的玻璃成分，必须对拟定的玻璃成分进行反复的调整，以获得所需性能的玻璃。

由于新技术的发展，人们对玻璃材料的性能提出了各种新的要求，而传统的玻璃形成系统已远远不能满足需要。由此推动了玻璃心系统的研究，新品种玻璃的不断出现，使用于玻璃成分中的元素几乎包括了周期表中的绝大部分，从而提供了各种具有优异性能的结构材料和功能材料。

由此可见，玻璃成分设计是一个十分复杂的问题。从长远的观点看，特别是随着玻璃成分、结构、性质间依从关系的不断明确，将逐步根据使用的要求设计所需的适宜成分。

此设计是450t/d浮法玻璃原料车间工艺初步设计，主要是依据浮法玻璃需要的性质和工艺性能从而设计玻璃的原料车间以及原料的组成成分，设计出一个低能耗又环保的方案。[1]

1.1 本设计的指导思想和遵循原则

1.1.1 设计指导思想

玻璃行业的发展与国民经济的很多行业都存在着联系，同时玻璃行业对推动整个国民经济的发展都起着非常积极重要的作用。因此，“十二五”规划中也对玻璃行业的发展提出了具体的要求。同时，也颁布了各项法律来规范玻璃行业的健康发展。在新的形势下，玻璃行业必须按照科学发展观的要求，转变增长方式，有效的调整产业结构，才能促进玻璃行业的健康发展。

1.1.2 遵循的原则

玻璃的科学研究，特别是性质和组成依从关系的研究，为玻璃组成的设计提供了重要的理论基础，在实际设计玻璃原料车间时，应遵循如下原则：

（1）根据成分、性质、结构间的关系，就目前玻璃科学发展水平而言，主要是成分和性质的依从关系，使设计的玻璃能满足预定的性能要求。

（2）根据玻璃形成区域图和相图，使所设计的成分能够形成玻璃，并在一般情况下具有较小的析晶倾向。

（3）根据生产条件使设计的原料车间能够符合当前玻璃行业的经济、技术和发展的实际要求。

（4）所设计的玻璃原料车间应当具有低成本、低能耗和降低 污染的要求。

根据设计原则，首先就氧化物系统玻璃成分的设计进行讨论，在设计玻璃成分时，必须根据复发玻璃锁要求的物理、化学性质和工艺性能，选择适宜的氧化物系统，以确定决定玻璃主要性质的氧化物。在此基础上，再引入一些尽量不使玻璃的原有性质变差，而同时能赋予玻璃其他必要性质的氧化物，拟定出玻璃的设计成分。其次，就浮法玻璃生产所需的原料，针对原料的产地，选取方法，质量控制要求和检测方法采取相应的工艺措施。最后，针对材料的来源以及原料车间的合理设置，最大限度的节约能源，节约成本和消耗，提高生产效率，从而生产出高质量的平板玻璃。[2]

第1章 浮法玻璃原料的质量要求

1.1原料的质量要求

原料质量优劣是关系到浮法玻璃生产优质高产的至关重要的问题。玻璃成品上的缺陷，在很大程度上是由原料和原料制备中的弊病造成的。当前，玻璃行业清楚认识到这点，原料质量低劣，即使采用了先进的浮法成型工艺，也难以成产出优质玻璃。为此，制定出玻璃生产使用原料的质量规范，对原料提出了各种要求。

1.1.1 浮法玻璃对原料化学组成的要求

玻璃的熔制成型的整个生产过程中，化学成分都应处于稳定状态，从这一层意义上来讲，各种原料在同一批料中，其化学组成波动要小，在相邻的俩批料间的化学组成更不能打，否则会影响玻璃的均匀性。即使玻璃夜的温度相同，也会使玻璃的密度、粘度以及颜色等发生变化。所以必须对原料中各种氧化物的化学组成的波动提出要求，并加以严格控制。为生产优质浮法玻璃，对各种原料的化学组成，允许波动范围如下要求：

（1）硅砂

硅质原料是玻璃最主要的原料，它引入玻璃中的主要成分是SiO2，SiO2在浮法玻璃成分中所占百分比，通常为71%~73%。如果硅质原料中含SiO2量低，不言而喻，其杂质含量就高。因此要求，

98.5%±0.1% ；

Al2O3≤0.2%±0.04% ；

Fe2O3≤0.05%±0.001% ；

TiO2 ≤0.01% ；

Cr2O3＜0.0002% ；

相邻俩批料之间的成分波动范围不得超过上述波动范围的40%。

（2）长石

SiO2＜70%±0.1% ；

Al2O3 ＞19%±0.2%；

Fe2O3＜0.2%±0.1%；

Na2O+K2O＜10%±0.5%；

（3）白云石

CaO＞30.5%±0.3%；

MgO＞20%±0.3%；

Al2O3＜0.3%±0.1%；

Fe2O3＜0.1%±0.05%；

（4） 石灰石

CaO＞54%±0.3%；

MgO＜0.5%±0.3%；

Al2O3＜0.3%±0.1%；

Fe2O3＜0.1%±0.05%；

（5） 纯碱

浮法玻璃应采用重碱，

Na2CO3＞99%；

NaCl＜0.1%；

相对密度为1.1~1.3。

（6） 芒硝

应采用无水芒硝，

Na2SO3＞95%；

NaCl＜0.3%；

CaSO4＜1%；

碳粉

不宜采用烟道灰

C＞84%；

灰分量小于12%；[3]

1.1.2 浮法玻璃对原料粒度组成的要求

（1）原料粒度组成对玻璃熔制的影响

玻璃原料的粒度组成与玻璃熔化的关系及其密切，如果各种原料粒度组成和相互间的粒度级配合理，将显示出许多优点。

原料粒度组成合理，可使原料华学成分波动降到最低限度。要求原料粒度组成合理，仅控制粒级的上限是远远不够的，还要控制细级别（-120目）含量。在同一种原料的不同粒级中，特别是细级别中，其化学成分含量差异显著。

细级别含量高，其表面能增大，表面吸附和凝聚效应增大，当原料混合时，发生成团现象。另外，细级别多，在储存、运输过程中，受到振动和成锥作用的影响，与粗级别间，产生强烈的离析。这种离析的结果，使得进入熔窑的原料化学成分处于极不稳定状态。

玻璃各种原料，除各自的粒度分布要合理外，他们相互间的粒度分布要合理匹配，才能使配合料分层降低到最小程度，配合料均匀度处于最佳状态。

（2）玻璃用主要原料的粒度要求

在原料粒度分布上，一般要求分散性越小越好，这是主要的趋势。但还要考虑工厂的经济性，所以不对原料粒度作硬性规定。

1.1.3 浮法玻璃对原料中难熔矿物含量的要求

硅质原料、白云石、石灰石、长石等属于天然矿物。这些天然矿物中含有危害玻璃质量的杂质。有些属于难熔重矿物（见表1-1）。由于重矿物在玻璃熔化过程中，难以完全熔化而被残留在玻璃成品上，形成固体夹杂物，通常称之为“结石”。

表2-1 天然矿物中常含有的难熔矿物

名称	硅砂	石灰石	白云石	长石
难 熔 矿 物 种 类	硅线石	刚玉 尖晶石 铬铁矿	刚玉 尖晶石 铬铁矿	硅线石 刚玉 锆英石 铬铁矿 尖晶石 绿柱石
	蓝晶石
	红柱石
	锆英石
	尖晶石
	刚玉
	铬铁矿
	高岭土

熔化研究证明，重矿物最小粒度若大于40目（0.34mm），形成结石的可能性最大，小于70目（0.21mm），在标准玻璃熔化条件下，其熔化的肯能性极大，在40~70目之间，随熔化条件不同而变化。[4]

第2章 浮法玻璃原料及成分设计

2.1 浮法玻璃的原料组成

工业生产用的玻璃配合料，大体由7~12种组分组成。而配合料的主体则由4~6种组分组成，即由玻璃的主要组成氧化物所组成。配合料中的其余组成部分，是使玻璃获得某些必要性质和加速熔制过程的原料，其用量少；但作用并非不重要。

2.1.1 主要原料

主要原料是形成玻璃结构主体的原料，它们决定着玻璃的基本物理、化学性能。这些原料经熔融反应后即生成硅酸盐，构成玻璃液的主体。主要原料有石英砂、白云石、石灰石、长石、纯碱等。这些原料目前一般是以粉料进厂。

硅质原料是玻璃制造中最主要和用量最大的原料，约占配合料总量的60%。它主要引入玻璃成分中的SiO2。硅质原料的质量对玻璃质量有决定性的影响，可用的硅质原料就其在自然界的存在状态可分为天然硅砂和加工硅砂。硅砂是配合料中最难熔化的原料，其颗粒的大小、粒度分布，甚至颗粒的形状对于配合料的混匀、分聚、熔化和均化都有重要影响，是评价硅砂质量的重要指标。最合适的粒度直径范围是0.106~0.5mm。砂粒的形状以棱角形为好，因为棱角形的表面积大，与助熔剂的接触机会多，在混合、运输过程中不易分层。

白云石主要成分是CaCO3和MgCO3，约占配合料总量的14.8%。它主要引入玻璃成分中的CaO和MgO。浮法玻璃配合料引入的CaO原料主要有白云石、石灰石、方解石和白垩（CaCO3）等。由于需要引入MgO，所以又以用白云石为主。CaO不足部分用石灰石和方解石补充。白云石粉料生产一般为干法加工。

石灰石主要成分是CaCO3，约占配合料总量的3.7%，主要引入玻璃成分中的CaO。石灰石是自然界分布很普遍的一种沉积岩，密度为2.7g/cm3，莫氏硬度为3.其主要造岩矿物是方解石。方解石可替代石灰石。它比石灰石纯度高得多，但价格也贵得多。方解石是生产浮法玻璃的优质原料。石灰石粉料的生产一般采用干法生产。

当玻璃配合料中由硅质原料引入的Al2O3不能满足玻璃成分需要时，一般用长石来补充。长石中常见伴生矿物是石英和云母，有害杂质是Fe2O3。产地不同，其化学成分相差很大。由于混合碱效应和钾能改善玻璃光泽，现在玻璃企业一般侧重于使用钾长石。长石粉料的生产一般为干法加工。

纯碱是一种化工原料，其主要成分是Na2CO3，引入玻璃成分中的Na2O。纯碱熔点低，化学性质活泼，是玻璃生产过程中的助熔剂。玻璃工业采用煅烧纯碱，煅烧纯碱为白色粉状物，易溶于水，极易吸附空气中的水分潮解、结块，需要储存于干燥仓库中。纯碱价格在浮法玻璃主要原料中最高，是影响玻璃成本的重要因素之一。

芒硝是一种化工原料，主要成分是Na2SO4，理论上含Na2O43.66%、SO356.34%，无色斜方晶体，相对密度为2.68。引入玻璃成分中的部分Na2O。她在玻璃熔制过程中的主要作用是促进熔化，加速澄清，是一种有效的澄清剂。由于芒硝分解温度高于熔点，在熔融时往往形成芒硝溶液，称为芒硝水。虽然芒硝水有利于石英砂的熔化，但是对耐火材料侵蚀严重，甚至可以在玻璃板上形成白色的芒硝泡。在还原剂的作用下，其分解温度可以降低，还原剂一般使用煤粉、石油焦等。为了促进Na2SO4充分分解，应把芒硝于还原剂预先均匀混合，然后加入到配合料中。在浮法玻璃生产中，芒硝的用量应严格控制不宜超过5%。因为在锡槽成型过程中，弱还原气氛使硫与锡反应生成SnS ，SnS易挥发污染锡槽空间也会在玻璃原板上形成“锡斑”。

2.1.2 辅助原料   

辅助原料的用量较少，主要以改善玻璃的熔化、澄清和成型性能或使产品具有某些特殊性能，使玻璃获得某些必要的性能和加速熔制过程的原料。根据作用的不同，分为澄清剂、着色剂、氧化剂、助溶剂等。如加入萤石作助溶剂，加入三氧化锑作澄清剂，加入碳粉作还原剂，加入硒、铅作着色剂等。

往配合料或玻璃熔体中加入一种高温时本身能气化或分出气体，以促进排除玻璃液中气泡的物质，称为澄清剂。三氧化锑为白色结晶粉末。它必须与盐共同使用才能达到最佳效果。单独作用时，在低温就升华挥发，仅起到鼓泡作用。如何盐一起使用，低温时与盐分解逸出的氧形成五氧化二锑（Sb2O5），五氧化二锑在高温时又分出氧，进入到玻璃夜中的气泡中，降低了气泡中的分压，使之能继续吸收气体，体积增大而从玻璃液中排出，促进了玻璃液的澄清。一般三氧化二锑的用量为0.5%~1%，盐的用量是氧化锑用量的4~8倍。

凡能使玻璃着色的物质称为着色剂。着色剂的作用是使玻璃对光线产生选择性吸收，呈现一定的颜色。根据着色剂在玻璃种呈现的状态不同，分为离子着色剂、胶体着色剂和硫硒着色剂三类。浮法玻璃常用离子着色剂，即过渡金属元素和稀土金属元素的化合物。实际生产中，可根据玻璃颜色的需要，添加不同的着色剂。

高质量的浮法玻璃，具有良好的透明度。对浮法玻璃透明度危害最大的是微量的铁，其次是铬、钒和钛等。这些杂质主要来源是玻璃原料中含有的铁、铬、钛、钒等化合物和有机物的有害杂质。此外铁还可以通过耐火材料、燃料和熔制操作工具等途径进入玻璃。因此浮法玻璃的脱色主要是减弱和中和铁的着色作用。脱色方法主要有化学脱色和物理脱色两种。采用脱色方法并不能从根本上消除着色源，尤其浮法玻璃成型是在弱还原气氛中进行。在熔制过程采用的化学脱色作用，在成型过程中全部消失。因此，浮法玻璃生产主要通过严格控制氧化铁含量来达到生产透明度高的玻璃产品。

目前使用的还原剂主要以碳粉为主，其次还有石油焦。碳粉的主要成分是C，它能降低Na2SO4的分解温度。碳粉的用量很小，但其作用非常重要。还原剂的用量，要根据实际情况进行调整，实际为4%~6%，有时甚至在6.5%以上。碳粉用量不足，Na2SO4不能被充分分解，会在玻璃液面上产生过量芒硝水，进入成型流，最终会在玻璃板面上出现白色芒硝泡；碳粉过量，可能使玻璃液中的Fe2O3被还原成FeO，使玻璃着成黄色，还会使Fe2O3还原成FeS和生成Fe2O3，与多硫化钠形成棕色的着色团——硫铁化钠，使玻璃着成棕色。应当引起注意的是，还原剂的用量还依赖于各种原料，尤其是硅砂中的有机物含量（还原性物质）。如果原料的化学氧需要（COD）值大，则需要酌情减少还原剂的用量，否则会导致澄清效果差，使玻璃产生气泡缺陷。

碎玻璃又称熟料，是玻璃生产不可缺少的一种原料具有特殊的性质，且在原料总用量中占15%~30%的比例或更高（如生产TFT玻璃可达40%），碎玻璃加入后可提高熔化率，有助于澄清和均化。配合料的熔融主要是SiO2的熔融，随着碎玻璃用量的增加，配合料的熔融时间相应缩短，熔化速度提高。当碎玻璃加入量合适时，碎玻璃的助熔作用使玻璃熔体粘度降低，缩短澄清和均化时间。当熔制一些不能加入澄清剂，且仅能在还原条件下熔制的颜色玻璃时，碎玻璃的用量可以适当提高。一般浮法玻璃配合料中碎玻璃加入量为20%左右。碎玻璃的用量以配合料熔成的玻璃量来计算，公式如下：

 （2-1）

2.2 浮法玻璃的成分设计

普通浮法玻璃成分是在普通平板玻璃成分基础上根据浮法成型特点设计出来的，是由钠-钙-硅玻璃组成演变而来的。根据浮法玻璃成型工艺的特点和要求，与普通平板玻璃相比，浮法玻璃成分中Al2O3的含量要适当的减少，一般不应超过2.0%；而CaO和MgO的总含量可以适当增加，等于或略大于12%；Na2O+K2O可以在14%左右；Fe2O3含量国外都控制在0.1%以下，国内一般不大于0.15%，高档优质无色浮法玻璃Fe2O3含量不大于0.08%。

2.2.1 玻璃生产的特点

（1）玻璃成型的温度比较高。玻璃液由流槽流入锡槽，温度在1120℃~1150℃；粘度为102Pa·s；经过摊平抛光区，温度在900~1050℃；粘度为102.7~103.2 Pa·s；均匀流入的玻璃液在锡槽表面摊平并抛光，在经徐冷区，温度为850~900℃，玻璃液粘度由103.2~104.25Pa·s；然后在拉薄区温度从850℃下降到700℃,粘度由104.25Pa·s增加到105.25Pa·s，在此区域玻璃受张力作用伸展变薄，且厚度和宽度按比例减少。最后进入硬化区，使玻璃硬化，进入退火窑而不变形。

（2）玻璃成型速度快。一般6mm玻璃拉引速度为120m/h，甚至更高。

（3）玻璃液流流在锡槽锡夜面上后，由于玻璃液表面张力，锡液表面张力和玻璃锡液表面张力共同作用的结果，使玻璃液摊平、伸展、自抛光，从而得到光洁平整、不产生光学畸变的表面。为此必须在成型温度范围内，使玻璃保持一定粘度与表面张力。

2.2.2 浮法玻璃对成分要求

值愈小，硬化速度愈快。

（2）玻璃析晶上限温度要低于成型温度。由于浮法成型阶段温度均化较高，故对玻璃析晶上限温度可以放宽，即玻璃析晶上限温度可以略高。浮法玻璃允许的析晶上限温度（开始结晶温度）应低于1025℃。析晶上限温度应比成型温度低25℃以上。

（3）玻璃成型时，不易产生玻筋、条纹等缺陷。玻璃的化学稳定性要好，不易风化（发霉）。玻璃的透明度高，可见光透射率达到国际要求以上。有机械强度高，热稳定性好等特点。

普通浮法玻璃拉引速度比垂直引上快得多，因此在成型中必须采用硬化速度快的短性玻璃成分，即调整CaO含量到8%~9%。但是随着CaO含量的增加，会使玻璃发脆并容易产生析晶。因此MgO控制在4%左右，以改善玻璃的析晶性能。为了得到好的表面质量和减少玻筋，采用低的Al2O3含量；为了增加透光率，降低Fe2O3含量。浮法玻璃成分的特点是高钙、低铝、中镁、微铁。一般化学成分组成：CaO+MgO含量为11%~13%，CaO/MgO为1.5~3.0；Al2O3含量在2.0%以下。

根据Na2O-CaO-SiO2系统相图确定系统中能够形成玻璃的组成范围:12%~18%Na2O；6%~16%CaO；68%~82%SiO2。但在实际生产中该系统的组成范围为12%~14%Na2O；5%~12%CaO；69%~73%SiO2。在生产实践中当引入MgO和Al2O3时，不仅玻璃的析晶性能得到改善，而且热稳定性和化学稳定性均得到改善。综上所述，根据国内和国外的情况，现提出普通浮法玻璃的化学成分范围。表2-1中Fe2O3为原料中杂质所致，并非设计数值，而是数值；SO3主要是由澄清剂芒硝引入。[5-6,18]

 表2- （%）

化学成分	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	Na2O/K2O	SO3
普通玻璃	71.00~73.00	1.50~ 2.00	<0.20	6.00~ 6.50	4.50	15.00	<0.30
浮法玻璃	71.00~73.00	0.10~ 2.00	0.02~0.15	7.70~ 11.80	2.50~4.50	13.40~14.50	<0.30

第3章 浮法玻璃配合料的制备

3.1 玻璃组成的设计和确定

玻璃的科学研究，特别是性质和组成依从关系的研究，为玻璃组成的设计提供了重要的理论基础。实际设计玻璃组成应遵循如下原则：根据玻璃组成-结构-性质的依从关系，设计的组成需满足预定性能要求；根据相图和形成图设计的玻璃组成成玻倾向大，析晶倾向小，同时满足不同成型工艺的要求；需对初步设计的基础玻璃组成进行必要的性能调整；经反复试验、性能测试后确定合理的玻璃组成。

3.2 配合料计算

根据所设计玻璃成分和所用原料的化学成分可以进行配合料的计算。进行配合料计算时，应认为原料中的气体物质在加热过程中全部分解逸出，而且分解后的氧化物全部转入玻璃成分中。随着对制品质量要求的不断提高，必须考虑各种因素对玻璃成分的影响。例如，氧化物的挥发，耐火材料的溶解，原料的飞损，碎玻璃的成分等，从而在计算时对某些成分适当的增减以保证设计成分。

3.2.1 配合料计算中的几个工艺参数

（1）纯碱挥散率

纯碱挥散率指纯碱中未参与反应的挥发、飞散量与总量的比值，即：

 （3-1）

它是实验值，它与加料方式，熔化方法、熔制温度、纯碱的本性（重碱或轻碱）等有关。在池窑中挥散率一般在0.2%~3.5%之间。

（2）芒硝含率

芒硝含率指芒硝引入的Na2O与芒硝和纯碱引入的Na2O总量之比，即：

 （3-2）

（3）煤粉含率

煤粉含率指由煤粉引入的固定碳与芒硝引入的Na2SO4之比，即：

 （3-3）

煤粉的理论含率为4.2%。根据火焰性质、熔化方法来调节煤粉含率。在生产上一般控制在3%~5%。

（4）萤石含率

萤石含率指由萤石引入的CaF2量与原料引入总量之比，即

 （3-4）

它随熔化条件和碎玻璃的储存量而增减，在正常情况下，一般在18%~26%。

3.2.2 计算步骤

第一步先进行粗算，即假定玻璃中全部SiO2和Al2O3均由硅砂和砂岩引入；CaO和MgO均由白云石和菱镁石引入；Na2O由纯碱和芒硝引入。在进行粗算时，可选择含氧化物种类最少；或用量最多的原料开始计算。

第二步进行校正。例如,在进行粗算时，在硅砂和砂岩含量中没有考虑其他原料引入的SiO2和Al2O3，所以应进行校正。

第三步把计算结果换算成实际配料单

3.2.3 配合料计算

（1）玻璃的设计成分（见表3-1）

表3-1 玻璃成分的设计

SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	Na2O	SO3	总量
72.4	2.10	<0.2	6.4	4.2	14.5	0.20	100

（2）各种原料的化学成分（见表3-2）

表3-2 各种原料的化学成分

原料	含水量	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	Na2O	Na2 SO4	CaF2	C
硅砂	4.5	.70	5.12	0.34	0.44	0.16	3.66
砂岩	1.0	98.76	0.56	0.10	0.14	0.02	0.19
菱镁石	—	1.73	0.29	0.42	0.71	46.29
白云石	0.3	0.69	0.15	0.13	31.6	20.47
纯碱	1.8						57.94
芒硝	4.2	1.10	0.29	0.12	0.50	0.37	41.47	95.03
萤石	—	24.62	2.08	0.43	51.56				70.3
煤粉	—									4

（3） 配合料的工艺参数与所设数据

纯碱挥散率  3.10%；  玻璃获得率82.5%；

碎玻璃掺入率 20%； 萤石含率 0.85%； 芒硝含率 15%；  计算基础 100kg玻璃液；

煤粉含率 4.7%；  计算精度 0.01。

 具体计算如下：

萤石用量计算

根据玻璃获得率得原料总量为：

设萤石用量为Xkg，根据萤石含率得：

 ，X（3-5）

引入1.47kg萤石将带入得氧化物得量为：

24.62%-0.12=0.24kg

2.08%=0.03kg

0.43%=0.01kg

51.56%=0.76kg

-SiO2                    =-0.12kg

上式中的-SiO2是SiO2得挥发量，按下式计算：

+（3-6）

设有30%得CaF2与SiO2反应，生成SiF4而挥发，

设SiO2得挥发量为Xkg，SiO2的摩尔量为60.09，CaF2得摩尔量为78.08，则：

纯碱和芒硝用量的计算

设芒硝引入量为Xkg，根据芒硝含率得下式：

，X=5.24kg

芒硝引入的各氧化物量见表3-3

 表3-3 由芒硝引入的各氧化物量                     kg   

SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	Na2O
0.06	0.02	0.01	0.03	0.02	2.18

kg

煤粉用量

设煤粉用量为Xkg，根据煤粉含率得；

=4.7% ，X（3-7）

硅砂和砂岩用量的计算

设硅砂用量为Xkg，砂岩用量为Ykg，则；

0（3-8）

0（3-9）

解方程得 ；Y=40.68kg

由硅砂和砂岩引入的各氧化物量见表3-4

表3-4 由硅砂和砂岩引入的各氧化物量                       （kg）

原料	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	Na2O
硅砂	31.93	1.82	0.12	0.16	0.06	1.28
砂岩	40.18	0.23	0.04	0.06	0.01	0.08

白云石和菱镁石的计算

设白云石用量为Xkg，菱镁石用量为Ykg，则：

0（3-10）

0 （3-11）

解方程组得 ；Y=1.34kg

由白云石和菱镁石引入的各氧化物量见表3-5

 表3-  

原料	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO
白云石	0.12	0.03	0.02	5.38	3.49
菱镁石	0.02	—	0.01	0.01	0.62

校正纯碱用量和挥散量

设纯碱理论用量为Xkg，挥散量为Ykg，则:

     0.5794X=14.5-2.18-1.28-0.08                        （3-12）

解得 X=18.92kg

  （3-13）

解得 Y=0.61kg

校正硅砂和砂岩用量

设硅砂用量为Xkg，砂岩用量为Ykg，则：

0（3-14）0   （3-15）

解方程组得 ；Y=41.11kg

把上述计算结果汇总成原料用量表（见表3-6）

玻璃获得率得计算

=82.7%  

获得100kg玻璃液各原料引入氧化物含量见表3-6   

表3-6 100kg玻璃液需各原料引入氧化物含量

原料	用量（kg）	（%）	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	Na2O	SO3
硅砂	34.96	28.9	31.36	1.79	0.12	0.15	0.06	1.28
砂岩	41.11	34	40.60	0.23	0.04	0.06	0.01	0.08
白云石	17.04	14.1	0.112	0.03	0.02	5.38	3.49
菱镁石	1.34	1.1	0.02	—	0.01	0.01	0.02
纯碱	18.92	16.1						10.96
挥散	0.61
芒硝	5.24	4.3	0.06	0.02	0.03	0.02	0.02	2.18
萤石	1.47	1.2	0.24	0.03	0.76
煤粉	0.28	0.23
合计	120.97	100	72.4	2.1	6.4	4.2	4.2	14.5	0.2

每日需配合料总量的计算

设配合料的总日用量为X t，则：

 （3-16）

解得 X=768.93t

20%=153.79t

每日需粉料总量为   768.93-153.79=615.14t

（1-82.5%）/82.5%=95.45t

假定碎玻璃的损失量为0.5%，则碎玻璃回窑量为：

（1-0.5%）=90.68t

由于碎玻璃的需求来自生产过程中的产生和厂外的购买，则：

需厂外购买碎玻璃的理论值为153.79-90.68=63.11t

考虑到外购碎玻璃在运输等过程中的损失，定损失率为6%，

（1+6%）=66.90t

原料日用量见表3-7所示。[7-8,16-17]

表3-7原料日用量表

原料	硅砂	砂岩	白云石	菱镁石	纯碱	芒硝	萤石	煤粉	碎玻璃	总计
干基质量	177.78	209.15	86.73	6.77	99.04	26.45	7.38	1.41	153.79	768.5
湿基质量	186.16	211.26	86.99	6.77	100.86	27.61	7.38	1.41	153.79	782.23

根据要求，配合料的水分为4%，所以

t

日加水量为： （782.23-153.79）=12.33t

3.3.1 对配合料的质量要求

保证配合料的质量要求是加速玻璃熔制和提高玻璃质量，防止缺陷的基本措施。对配合料的主要要求是：

（1）构成配合料的各种原料均应有一定的粒度组成，即同一种原料应有适宜的粒度，不同原料间保持一定的粒度比，以保证配合料的均匀度，熔制速度、玻璃液均匀度，提高混合质量，防止配合料的分层。

（2）配合料中应有一定的水分，使水在石英颗粒原料表面上形成水膜，5%的纯碱和芒硝溶于水膜中，有助于加速熔化。

（3）为了有利于玻璃液的澄清和均化，配合料需有一定的气体率。

（4）必须混合均匀，以保证玻璃液的均匀性。

3.3.2 配合料制备的工艺流程

浮法玻璃工厂原料大部分都必须经过破碎、筛分，而后经称量、混合，最后制成配合料。

3.3.3 配合料的质量控制

配合料的质量是根据其均匀性与化学组成的正确性来评定的。再设计和生产上应考虑的一些质量控制如下：

（1）原料成分的控制；

（2）原料水分的控制；

（3）原料颗粒度的控制；

（4）称量精度的控制；

（5）混合均匀度的控制；

（6）分料（分层）的控制；

（7）粉料的飞料、沾料、剩料、漏料的控制。[9-10]

第4章 设备选型

4.1 原料的破碎与粉碎   

原料的破碎与粉碎主要是根据原料的硬度、块度和需要粉碎的程度选择加工方法和加工设备

在浮法玻璃工厂中，石灰石、白云石、长石等块状无聊通常用颚式破碎机进行破碎，然后用锤式破碎机进行粉碎，从而制得粒度符合要求的粉状原料。砂岩、石英岩的硬度较大，用量也多，为了减少破碎时物料对机械设备的磨损，正常情况下应对其煅烧。但是考虑到燃料的耗用和生产费用的增加，采用颚式破碎机与湿轮碾机配合使用，进而直接破碎和粉碎砂岩或石英岩。由于纯碱和芒硝易结块，所以通常用锤式破碎机或笼形碾进行粉碎。萤石由于含有粘土，故其杂质质量较多，在破碎前应先用水进行冲洗，干燥后直接破碎。

破碎和粉碎的设备选型为：

400颚式破碎机：

250mm

最大进料粒度：210mm

产量：5~20t/d

排料口调整范围：20~60mm

1296mm

电机功率：15kw

300辗式破碎机：

最大进料尺寸：10~25mm

出料粒度：0~10mm

生产率：2~8t/h

辗子转速：80r/min

机重：4.85t

电机功率：15kw

600锤式破碎机：

300mm

30mm

产量：25~50t/h

功率：55kw

机重：2t

LF600型笼形辗：

生产能力：1~3t/h

主轴转速：400r/min

功率：5.5kw

882mm

机重：0.6t [14-15]

4.2 原料的筛分

各种块状原料经粉碎必须进行筛分，将杂质和大颗粒部分分离出去，使物料具有适宜的颗粒组成以保证配合料混合均匀和避免分层，不同的原料有不同的粒度要求，配合料中各原料应有一定的粒度比，难熔化的原料其粒度应适当细些。

原料的筛分一般只控制原料粒度的上限，对于小颗粒部分则不作分离，原料的粒度一般用通过的筛孔数表示，一般要求如下：

石英砂，通常只通过36~49孔/cm2的筛。因为在选用石英砂使，对其颗粒组成已进行分析，到厂后过筛的目的并不是对其粒度进行控制，而是为了除去杂草、石块、泥块等外来夹杂物。

砂岩、石英砂、长石，通过81孔/cm2的筛。

纯碱、芒硝、石灰石、白云石，通过孔/cm2的筛。

设备选型：

2000mm六角筛

4.3 原料的除铁

在浮法玻璃原料中常常含有金属铁及其化合物的杂质，这些夹杂的各种铁质都会使玻璃着成黄绿色，降低玻璃的透明度，进而还会影响玻璃制品的质量。本设计选用磁选的方法，利用磁性把原料中的含铁矿物除去。

4.4 称量设备

称量原料是重要的一个过程。称量必须做到准确无误，否则会使玻璃的成分改变，这不仅会给玻璃的熔制和成型带来一系列困难，而且还会影响制品的性能，造成制品的各种缺陷。

随着玻璃厂自动化水平的不断提高，电子计算机在配料生产线上的应用，自动电子秤的不断完善和精度的不断提高，目前大型玻璃厂广泛采用电子秤作为主要称量设备。

称量的设备选型为XSP006型配料秤，XSP006型配料秤的规格性能如下：

最大称量：60kg

最小分度值：0.1kg

允许误差：0.15

秤斗容积：0.14m3

1400

电源电压：220V

105Pa

计量周期：2min

机重：0.4t

4.5 混合机械

各种粉粒原料在外力作用下运动速度和方向不断改变，使各组分粒子得以均匀分布的操作即为混合的作用机理。混合的目的是为了给玻璃的熔制提供均匀的配合料。而且如果混合的不够完全，则玻璃制品中会出现条纹，气泡及结石等缺陷。

根据每日混合配合料的总质量，及其加水量的多少，即可。

+12.33=319.90m3

则每小时混合量为V1=V/24=319.90/24=13.33m3=13330L

QH混合机的规格性能如表4-1所示。

表4-1 QH混合机的规格性能

型号	生产能力(L/次)	涡桨转速（r/min）	涡桨个数	功率（kw）	外形尺寸（mm3）	重量（t）
QH375	375	36.4	6	11	1558	1.492
QH750	750	29	6	12	1980	3.0

根据QH型混合机的混合机理，每混合一次所需时间为3min左右，所以根据产量选用QH750型混合机。

4.6 原料运输设备

当被运输的物料水平距离较近，垂直高度较大时，可应用斗式提升机进行输送。斗式提升机广泛应用于各种散状碎块物料的垂直输送场合。粉状物料则通过气力输送来实现输送。气力输送不仅输送能力高，节省劳动力和改善劳动环境，而且可以和粉碎、分级、干燥等操作工艺结合起来，大大提高工厂的自动化水平。而且，由于玻璃工厂所用的原料大部分是粉粒状的，因此，气力输送在玻璃工厂具有广阔的前景。[12-13]

第5章 人员编制及成本核算

5.1 企业人员编制

企业原料车间部定员50人，生产工人32人，管理人员6人，服务人员6人，拟企业原料车间部劳动人员为：每班8人，轮休6人。

表 5-1 建厂的经济技术指标

序号	项目	单位	数量	备注
1	产量	吨/年	1250
2	人员数	人	50
	其中工人数	人 人	40
	行政人员数		10	正、副车间主任
3	砂岩	吨/年	77109.9
	石灰石	吨/年 吨/年 吨/年	2471.1
	纯碱 硅砂		36813.9 67948.4
	白云石	吨/年	31751.4
	芒硝	吨/年	10077.7
4	日用水量	立方米/日	1 000
5	最大日用水量	立方米/日	1 500
6	车间用地面积	平方米	2 520
7	配合料成本	元/吨	310.1

5.2 原料费用

表 5-2 原料成本

原料名称	年用量（t）	价格（RMB/t）	年费用（万）
硅砂	67948.4	75	509.63
砂岩	77109.9	65	501.21
白云石	31751.4	80	254.01
石灰石	2471.1	75	18.53
萤石	2693.7	320	86.20
纯碱	36813.9	1200	4417.67
芒硝	10077.7	300	302.33
煤粉	514.7	110	5.66
碎玻璃	24418.5	120	293.02

5.3 工资情况

表5-3各部门各岗位平均工资明细情况表

部门	管理人员人数	生产人员人数	平均工资（万/年）	总计（万/年）
生产部	16	96	6	1005.6
采购部	8	16	6
后勤部	8	18	5.6
厂部	12		12

5.4设备管理费用

表5-4 综合折旧费

固定资产	价格（万）	残骸价（万）	使用年限	折旧费（万）
破碎机	205	65	10	14
电动机	80	50	10	3
各种运输机	100	70	15	2
办公楼厂房	2000	1700	25	12
运输安装费	150	100	10	5

5.5 工厂管理费

工厂管理费包括行政人员及其辅助人员工资、办公费、出差费、保险费等，可按综合折旧费的16%，则工厂管理费为4.16万元。

5.6 投资回收期

投资回收期=建厂全部投资/本厂本年利润

建厂全部投资包括厂房、设备安装、地皮等，除固定资产外加原料费、办公费、工资费等。

建厂全部投资：设备投资1200万元；建筑物、构筑物投资2000万元；设备运输安装按设备投资的20万元；地皮费、车辆1000万元；职工培训20万元。设计的理论利润是1300万元。

回收期=4240/1300=3.3年[11]

结　论

在本次设计当中，通过资料查找发现目前玻璃工业发展水平来看，浮法玻璃技术的改进还仅限于少数的发达国家，国际玻璃工业技术与装备上新型玻璃生产技术向着大型化、节能化以及自动化方向发展。因为玻璃工业的成熟期比较早，同时为人类的发展做出了不可估量的贡献。在本设计开始时，我查阅了大量的文献资料，接触到了当今最前沿的浮法玻璃技术，并借鉴了先进的科技支撑。遇到的最大问题就是，在各部分的衔接处缺少专业方面的知识，未能做到尽善尽美。在本次设计的过程中得到了张华老师的指导，并且通过和同学们的讨论也发现并改进了自己设计中的较多不足。

通过本次的毕业设计让我对玻璃方面的知识有了更加全面的了解，同时为我将来的工作打下了一个认识基础。由于我实在是能力有限，难免会

存有不足和错误，希望各位老师能够积极指教。

谢 辞

在本次毕业设计过程中，从一开始的资料选取，到最终的修改成稿，这期间从满是疑惑道最终的顺利完成，真真正正的学习到了很多知识。在设计过程中要特别的感谢张华老师的悉心指导和积极督促，让我顺利的完成设计任务，进行论文答辩。能够完成的完成本次毕业设计，是我离开校园迈向社会前最后的一个学习任务，也算是为自己的大学生活画上了一个满的句号。在这里，感谢各位老师三年来的教导和帮助，谢谢你们的辛勤付出，谢谢你们。

参考文献

[1] 张战营，刘缙，谢军. 浮法玻璃生产技术与设备 化学工业出版社，2008.04  

[2] 姜宏.，浮法玻璃原料，化学工业出版社，2008.06 ,30（5）：26-29

[3] 王桂荣，浮法玻璃原料，北京：化学工业出版社，2006，30（5）：78-81

[4] 陈树正，浮法玻璃，武汉理工大学出版社，2002,26（7），58-

[5]李春菊，胡涛，玻璃，维普资讯网，2006年第二期：65-69

[6]杨金刚，孙强，玻璃，维普资讯网，2004年第三期:36-43

[7]何峰，张兆艳，硅酸盐学报，万方数据库，2003年第七期:36-38

[8]刘志强，玻璃，维普资讯网，2000年第二期:67-69

[9] 陈正树.，浮法玻璃，武汉理工大学出版社，2008,168（5):4-9

[10] 戴春梅. E- 玻璃熔化过程中的物化反应和能量消耗[D] 大连理工大学 ，2008

[11]郑林义. 无机非金属材料工厂设计概论 合肥工业大学，2009.12

[12]宋晓岚，叶昌，余海湖. 无机材料工艺学 冶金工业出版社，2007.9

[13] 姜洪舟. 无机非金属材料热工设备( 第2 版) ［M］武汉理工大学出版社，2009: 1 

[14] 杨京安，彭寿. 浮法玻璃制造技术新工艺 化学工业出版社 2010.7

[15]  构架质量技术监督局 浮法玻璃 国家标准出版社 2002

[16]  Campos, I., Balankin, A., Bautista, O., Ramírez, G., “Self-affine cracks in a brittle porous material”, Theor. Appl.Fract. Mech. 44, 187-191 (2008).

[17]  Yates, B. W., Maxwell, D., Chen, S., Truax, B., “The Canadian Light Source Optical Metrology Facility”, Nucl.Instr. and Meth. A 582, 146-148 (2009).

[18]  Ashkar, F., Mahdi, S., “Fitting the log-logistic distribution by generalized moments”, J. Hydrology 328, 694-703(2010).

附　录 

机械设备一览表

序号	机械设备名称	型号	生产能力（t/h）	数量	备注
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15	鄂式破碎机 鄂式破碎机 锤式破碎机 湿式棒磨机 单转式笼磨机 振动筛 六角筛 电子称 QH混合机 QH混合机 皮带输送机 斗式提升机 带式除尘器 双管螺旋给料机 湿式轮碾机	PEF125×250 PEF250×500 PCB600×400 直径1350 Φ2000×900 Φ1100×2 000 TCS QH750 QH375 带速1.00-3.15 D250 合成纤维	1-4 5-20 4-15 5.8-12.6 10-20.5	2 2 1 1
				1 1
				2 9 1 1
			0.1-60		50-500㎏
			1.8
			0.45
					1.5m宽
			11.8(m3/h)	6
			17～43.6 t/h 380㎏/盘	15 1 1

 外文资料翻译

          Composites in Aerospace Applications

By Adam Quilter, Head of Strength Analysis Group, ESDU International (an IHS company)

Introduction

 The aerospace industry and manufacturers’ unrelenting passion to enhance the performance of commercial and military aircraft is constantly driving the development of improved high performance structural materials. Composite materials are one such class of materials that play a significant role in current and future aerospace components. Composite materials are particularly attractive to aviation and aerospace applications because of their exceptional strength and stiffness-to-density ratios and superior physical properties.

 A composite material typically consists of relatively strong, stiff fibres in a tough resin matrix. Wood and bone are natural composite materials: wood consists of cellulose fibres in a lignin matrix and bone consists of hydroxyapatite particles in a collagen matrix.  Better known man-made composite materials, used in the aerospace and other industries, are carbon- and glass-fibre-reinforced plastic (CFRP and GFRP respectively) which consist of carbon and glass fibres, both of which are stiff and strong (for their density), but brittle, in a polymer matrix, which is tough but neither particularly stiff nor strong.  Very simplistically, by combining materials with

complementary properties in this way, a composite material with most or all of the benefits (high strength, stiffness, toughness and low density) is obtained with few or none of the weaknesses of the individual component materials.

 CFRP and GFRP are fibrous composite materials; another category of composite materials is particulate composites. Metal matrix composites (MMC) that are currently being developed for the aviation and aerospace industry are examples of particulate composites and consist, usually, of non-metallic particles in a metallic matrix; for instance silicon carbide particles combined with aluminium alloy.

 Probably the single most important difference between fibrous and particulate composites, and indeed between fibrous composites and conventional metallic materials, relates to directionality of properties. Particulate composites and conventional metallic materials are isotropic, i.e. their properties (strength, stiffness, etc.) are the same in all directions; fibrous composites are anisotropic, i.e. their properties vary depending on the direction of the load with respect to the orientation of the fibres.  Imagine a small sheet of balsa wood: it is much easier to bend (and break) it along a line parallel to the fibres than perpendicular to the fibres.  This anisotropy is overcome by stacking layers, each often only fractions of a millimetre thick, on top of one another with the fibres oriented at different angles to form a laminate.

Except in very special cases, the laminate will still be anisotropic, but the variation in properties with respect to direction will be less extreme.  In most aerospace applications, this approach is taken a stage further and the differently oriented layers (anything from a very few to several hundred in number) are stacked in a specific sequence to tailor the properties of the laminate to best withstand the loads to which it will be subjected.  This way, material, and therefore weight, can be saved, which is a factor of prime importance in the aviation and aerospace industry.

Another advantage of composite materials is that, generally speaking, they can be formed into more complex shapes than their metallic counterparts.  This not only reduces the number of parts making up a given component, but also reduces the need for fasteners and joints, the advantages of which are twofold: fasteners and joints may be the weak points of a component — a bolt needs a hole which is a stress concentration and therefore a potential crack-initiation site, and fewer fasteners and joints can mean a shorter assembly time.

Shorter assembly times, however , need to be offset against the greater time likely to be needed to fabricate the component in the first place.  To produce a composite component, the individual layers, which are often pre-impregnated (‘pre-preg’) with the resin matrix, are cut to their required shapes, which are all likely to be different to a greater or lesser extent, and then stacked in the specified sequence over a former (the former is a solid or framed structure used to keep the uncured layers in the required shape prior to, and during, the curing process).  This assembly is then subjected to a sequence of  temeratures  and pressures to‘cure’ the material.  The product is then checked thoroughly to ensure both that dimensional tolerances are met and that the curing process has been successful (bubbles or voids in the laminate might have been formed as a result of contamination of the raw materials, for example).

The Use of Composites in Aircraft Design

 Among the first uses of modern composite materials was about 30 years ago when boron reinforced epoxy composite was used for the skins of the empennages of the U.S. F14 and F15 fighters.  Initially, composite materials were used only in secondary structures, but as knowledge and development of the materials has improved, their use in primary structures such as wings and fuselages has increased.  The following table lists some air craft in which significant amounts of 

 composite materials are used in the airframe.

Composites in Aerospace Applications

 Initially, the percentage by structural weight of composites used in manufacturing was very small, at around two percent in the F15, for example.  However, the percentage has gr own considerably, through 19 percent in the F18 up to 24 percent in the F22.  The image below, from Reference 1，shows the distribution of materials in the F18E/F aircraft.  The AV-8B Harrier GR7 has composite wing sections and the GR7A features a composite rear fuselage.

 Composite materials are used extensively in the Eurofighter: the wing skins, forward fuselage, flaperons and rudder all make use of composites.  Toughened epoxy skins constitute about 75 per cent of the exterior area.  In total, about 40 percent of the structure al weight of the Eurofighter is carbon-fibre-reinforced composite material.  Other European fighter typically feature between about 20 and 25 percent composites by  weight: 26 percent for Dassault’s Rafael and 20 to 25 percent for the Saab Gripen and the EADS Mako.

 The B2 stealth bomber is an interesting case.  The require-ment for stealth means that radar-absorbing material must be added to the exterior of the air craft with a concomitant weight penalty.  Composite materials are therefore used in the primary structure to offset this penalty.

 The use of composite materials in commercial transport air-cr aft is attractive because reduced airframe weight enables better fuel economy and therefore lowers operating costs. The first significant use of composite material in a commercial aircraft was by Airbus in 1983 in the rudder of the A300 and A310, and then in 1985 in the vertical tail fin.  In the latter case, the 2,000 parts (excluding fasteners) of the metal fin was reduced to fewer than 100 for the composite fin, lowering its weight and production cost.  Later, a honeycomb core with CFRP faceplates was used for the elevator of the A310.Following these successes, composite materials were used for the entire tail structure of the A320, which also featured composite fuselage belly skins, fin/fuselage fairings, fixed leading- and trailing-edge bottom access panels and deflectors, trailing-edge flaps and flap-track fairings, spoilers, ailerons, wheel doors, main gear leg fairing doors, and nacelles.  In addition, the floor panels were made of GFRP.  In total, composites constitute 28 per cent of the weight of the A320 airframe.

 The A340-500 and 600 feature additional composite structures, including the rear pressure bulkhead, the keel beam, and some of the fixed leading edge of the wing.  The last is particularly significant, as it constitutes the first large-scale use of a thermoplastic matrix composite component on a commercial transport aircraft. Composites enabled a 20 percent saving in weight along with a lower production time and improved damage tolerance.

 The A380 is about 20-22 percent composites by weight and also makes extensive use of GLARE (glass-fibre-reinforced aluminium alloy), which features in the front fairing, upper fuselage shells, crown and side panels, and the upper sections of the forward and aft upper fuselage.  GLARE laminates are made up of four or more 0.38 mm (0.015 in) thick sheets of aluminium allo y and glass fibre resin bond film.  GLARE offers weight savings of between 15 and 30 percent over aluminium alloy along with very good fatigue resistance.  The top and bottom skin panels of the A380 and the front, centre and rear spars contain CFRP, which is also used for the rear pressure bulkhead, the upper deck floor beams, and for the ailerons, spoilers and outer flaps.  The belly fairing consists of about 100 composite honeycomb panels.

 The Boeing 777, whose maiden flight was 10 ten years ago, is around 20 percent composites by weight, with composite materials being used for the wing’s fixed leading edge, the trailing-edge panels, the flaps and  flaperons, the spoilers, and the outboard aileron.  They are also used for the floor beams, the wing-to-body fairing, and the landing-gear doors.  Using composite materials for the empennage saves approximately 1,500 lb in weight.

Composites in Aerospace Applications

The Boeing 7E7 will leverage extensive use of composite materials (estimates are as high as 50 percent) in the quest for very high efficiency and performance with reduced weight.    

 The excellent strength-to-weight ratio of composites is also used in helicopters to maximize payloads and performance in general.  Boeing Vertol used composites for rotorcraft fairings in the 1950s and made the first composite rotor blades in the 1970s.  Composites are used in major structural elements of many modern helicopters, including the V22 tilt-rotor aircraft, which is approximately 50 percent composites by weight.  The formability of composites has been used to particular advantage in helicopter manufacture to reduce the numbers of component parts and therefore cost

 Validated Research Data to Improve Engineering Design, Performance and Methodology

The ESDU® (www.esdu.com) Composites Series provides a collection of ‘Data Items’ and programs for use in the design of fiber-reinforced laminated composite materials.  The information is provided primarily for use in the aerospace industry, but has wide application to other areas of engineering where composite materials offer similar design benefits. The ESDU Composites Series contains the solutions to many strength analysis problems met in the design of fiber-rein-forced laminated composite structures.  These applications include failure criteria, plate vibration and buckling, analysis of bonded joints, and stress concentrations, in addition to

the calculation of basic stiffnesses and stresses, and built-in thermal stresses.  Laminated composites can be specified in very many forms and assembled in a multitude of lay-up arrangements.  Because of this complexity the only practical form in which many of the solutions can be delivered is as computer programs, and Fortran programs are provided for many of the analysis methods.  In addition to the flexibility to change the overall geometry, a designer in composites can arrange the material strength and/or stiffness to meet the local loading.  This complicates the design process and it is often difficult to select a route to the best combination of geometry and material.  The ESDU Composites Series includes guidance on the factors influencing the design and suggests methods of achieving the desired solution.  

The ESDU Composite Series, which consists of 40 ‘DataItems’ accompanied by 26 Fortran programs, encompasses the areas summarized

•  Laminated composites – stress analysis, stiffnesses, lay-ups for special orthotropy, circular hole stress raiser, through-the-thickness shear stiffness, laminate design

•  Buckling of balanced laminated composites – rectangular plates (flat/curved), panel with orthotropic stiffeners

•   Buckling of unbalanced laminated rectangular plates 

•   Sandwich panels with composite face plates – wrinkling of beams, columns, panels

•   Bonded joints – single- and multi-step lap, guide to design

•   Plates under pressure

•  Failure criteria – failure modes and analysis, criteria, edge delamination

•  Damping and response to acoustic loading – damping and rms (r oot mean square) strain in panels, fatigue life of elements

•  (also with in-plane loading), sandwich panels with laminated face plates

4. Conclusions

 So-called ‘conventional’ metallic materials and their deriv a-tives continue to be developed and improved to offer ever-increasing performance, and there is no doubt that they have a fundamental role in aerospace structures and the myriad applications in which they are employed.  At the same time, there is little doubt that the considerable benefits offered by composites have yet to be fully exploited and as knowledge and understanding grow, composite materials will play an increasingly significant role.  This role will expand not only as a result of improved material performance, but also as human ingenuity finds more and diverse areas where composite materials can be beneficially employed and leveraged.

Source

Mainly from Reference 1: “Low-cost composite materials and structures for aircraft applications”, Deo, R.B., Starnes, J.H., Holzwarth, R.C.,May 2001.

 

 复合材料在航空航天中的应用

Adam Quilter,强度分析集团的负责人,ESDU国际(一种IHS公司)

简介

航空航天工业和制造商的无限的激情来提高商业和军用飞机的性能来不断推动和改良高性能结构材料。复合材料是一个这样的一类的物质,在当前和未来的航空零部件扮演一个重要角色。复合材料尤其吸引航空和航天应用,因为他们的非凡的力量，刚度-密度比率和更优异的物理性能。

一个复合材料通常包括坚硬的纤维和分布于其中的树脂。木材和骨骼是自然复合材料:木材由纤维素纤维木质素和骨骼由羟基磷灰石颗粒分布在胶原基质。应用于航空航天等行业已知的更好的复合材料是碳——和玻璃钢(CFRP和GFRP）分别由碳和玻璃纤维,它们都有高强度(对于他们的密度),但易碎的,而在聚合物基质中,这些刚好是相反的。很简单,通过结合材料以这种方式互补特性,复合材料的大多数或所有好处(高强度、刚度、韧性和低密度)都集合到一起得到的材料。

碳纤维布和玻璃钢是纤维复合材料;另一类复合材料增强体是复合材料微粒。金属基复合材料(MMC),目前正在研制的在航空和航天工业中的有颗粒复合材料组成,通常,是由非金属颗粒做增强体，金属做基质;例如碳化硅粒子结合铝合金。

可能和颗粒复合材料纤维最重要的区别是纤维复合材料和常规金属材料,涉及到的方向特性。颗粒复合材料和传统金属材料是各向同性的,即它们的属性的强度、刚度等) 在所有的方向上是相同的,纤维复合材料是各向异性,即它们的属性取决于负载的方向对纤维的取向。想象一个很小的木材:它沿直线平行于纤维方向比垂直于纤维方向更容易弯曲。叠加层克服了这种各向同性,每层常常只几分之一毫米厚,在另一个之上,与纤维面向不同的角度来形成一个层压板。

除非在非常特殊的情况下,仍将是层压板的各向异性,但是变化就会不那么明显。在大多数航天应用中,这种方法是采取更进一步,面向不同层(任何来自很少到数百)堆放在一个特定的顺序来最佳定制属性的层压板承受负载。这种方式,材料,并因此可以减轻自重，这在航空和航天工业是最重要的一个因素。

在较短的组装时代,他需要的是抵消对可能需要更多的时间来打造其在第一个地方。产生一个复合组件,单独的层,这通常都是提前设计好的增强体与树脂的排列,把他们需要的形状,这都可能被不同的或大或小的程度上,然后堆放在指定的序列(前者是固体还是非固体用来保持树脂层所要求的形状,并在之前知道固化的原理)。这会是受到一系列的温度和压力的材料。该产品是要认真检测,确保全部得到固化,固化工艺已成功(例如泡沫或中间有空隙的层压板可能是因为原料受到污染)。 

第一次在飞机设计中使用复合材料是在大约30年前,玻璃纤维树脂复合材料用于美国F14和F15的尾翼。最初,复合材料使用仅在飞机的尾翼,但随着知识和材料的发展,他们使用主要结构,如机翼和机身都增加了。这个表格列出了复合材料可大量用于飞机机体。

复合材料在航空航天中的应用

最初,通过结构重量百分比的复合材料在整个机身上的比重非常小,例如，F15在百分之二左右。然而,现在这一比例已经很大, 在F18上准确来说从19%到24%。下面的图片显示了在F18E分布的材料。一架av - 8 b“鹞式GR7"机翼剖面和GR7A机身后部综合特点。

复合材料被广泛地用于欧洲战斗机:机翼蒙皮,机身前部和舵全部利用复合材料。钢化环氧皮构成大约75%的外部区域。欧洲战斗机重量的26%到40%是碳纤维复合材料。其他欧洲战机的复合材料重量大约在20到25%。例如Dassault’s Rafael，Saab Gripen and the EADS Mako 是20%到25%。

B2轰炸机是一个有趣的案例。为了的需要意味飞机的外部必须添加新材料，这样就会带来一个缺陷：那就是重量增加了。复合材料因此用于主结构来抵消这一缺陷。

使用复合材料在商业运输是很有吸引力的,因为减少机身重量意味着更高的燃油经济性来降低运营成本。第一个显著的利用复合材料在商用运输机的是在1983年由空中客车的A300和A310,然后在1985年是在其垂直尾翼。在后一种情况下,2000年的部分(不包括紧固件)的复合材料鳍比金属背鳍是减少到少于100磅的,降低其重量和生产成本。后来,一个蜂窝芯采用碳纤维布锚固面板用于电梯的A310。这些成功后,复合材料被用于整个尾部结构的A320,也参加了复合机身腹部皮肤、鳍/机身底访问面板和偏流装置,襟翼，副翼,车轮门、主轮整流罩门和机舱。此外,楼层是由玻璃纤维组成的。总的来说,复合材料占A320机身重量的28%。

A340 -500和600更多的地方使用功能复合材料,例如：后方的压力舱壁,龙骨,一些固定机翼边缘的紧固件。尤其重要的是,因为这是首次在一个运输机上大规模的使用一种热塑性树脂基复合材料组件。复合材料的使用节省了20%的体重以及较低的生产时间和提高了耐疲劳度。

  A380的复合材料重量大约占总机的20%到22%。他还大量使用的玻璃纤维铝合金,特别是在前面的整流罩,上层机身外壳、皇冠和侧面板,上下部分的上层机身向前和尾部。玻璃纤维复合材料是由四个或更多的0.38毫米(0.015英寸)厚铝片和玻璃纤维树脂融合。玻璃纤维的重量在15 ~ 30%在铝合金连时有很好的抗疲劳性。A380蒙板的顶部和底部和前,中心和后方含有碳纤维增强塑料,它同时也会被用于后方压力舱壁,上层甲板横梁,副翼和外部襟翼。腹部整流罩有大约100个复合蜂窝板。

 波音777,他的处女飞行是10年前, 复合材料大约占20%的重量。复合材料被用于固定翼的前沿,面板、襟翼和舷外副翼。他们也用于横梁,尾翼机身连接处的整流罩，门。使用复合材料客机节省了大约1500磅重。

  波音7 E7将广泛使用复合材料(估计高达50%)来寻求很高的效率和性能和减少体重。

优秀的复合材料的强度重量比也被用于直升机的有效载荷的最大化。波音Vertol用复合材料旋翼飞机制造第一个复合转子叶片在1970年代。复合材料在许多现代直升机是用于主要结构的,包括V22倾转旋翼飞机,约50%的复合材料重量。复合材料优异的的成形性能已被用在直升机制造来减少组成部分的数量和产前成本。

验证研究数据以提高工程设计、性能和方

这个ESDU®(www.esdu.com)复合材料系列提供一组的数据项和程序设计中使用纤维叠层复合材料。这个名字是主要用在提供航空航天工业,但现在已经广泛应用到其他领域的工程,复合材料提供类似的设计优点。复合材料的ESDU系列包含解决遇到的问题，分析复合材料层合结构的设计。这些应用包括破坏准则、板振动和屈曲分析,内部压力。除了基本的计算和强调内置的热应力。复合材料层合板中可以指定很多种形式。因为这种复杂性的唯一实际的形式在这许多的解决方案可以是计算机程序和Fortran程序提供很多的分析方法。除了灵活地改变整体结构,设计师在复合材料可以安排材料强度和/或刚度来满足实际的载荷。在同样的设计过程中,往往很难选择一条最佳组合的几何形状和材料。复合材料的ESDU系列包括指导设计的影响因素,并建议的方法和获得所需要的解决方案。

ESDU的复合系列,包含的内容总结如下

•复合材料层合板-应力分析的刚度上特殊圆孔应力时,应力点的剪切刚度、强化设计

•复合材料层压板的屈曲平衡——矩形板(平面/弯)、面板与正交各向异性板

•矩形板屈曲的不平衡层

•夹芯板复合面板——起皱的梁、柱、板

•连接头-单层和多层设计的指导

•板块在压力下

•失效模式和失效标准——分析、标准、边缘分层

•阻尼和响应对声学加载-阻尼和rms(均方根)品系在面板、疲劳寿命的元素

•自然的震动模式-矩形平面/弧形板(也有平面加载)、夹心板与层合的面板

总结

所谓的“传统的”金属材料及不断增加性能的复合材料继续发展和完善,毫无疑问,他们有一个基本的应用是在航空航天结构和无数的应用中使用它们。同时,毫无疑问,复合材料提供的巨大益处尚未得到充分利用,随着知识和了解的加深,复合材料将扮演越来越重要的角色。这个角色将扩大不仅由于材料改进,也是发挥更多人类的聪明才智和增加一个地区的就业。

主要引用了:“低成本的复合材料和飞机结构应用”,德奥,R.B.,Starnes组织J.H.,Holzwarth,R.C.。2001年5月,