玻璃配方组成设计与管理何旭远(五粮液集团环球有限公司,宜宾644007)摘要:玻璃配方组成对产品的理化性质、生产成本和工艺控制均会产生重大的影响,组成设计不当,不但会造成产品质量下降、废品增加、成本提高,而且会给熔制、成形、退火等工艺控制带来严重后果,甚至无法生产,企业的经济效益和信誉将受到极大的损害。

文章主要介绍了配方组成优化设计的原理、计算机模拟设计方法、配方的计算、组成的监控与调整。

关键词:玻璃配方;新品开发;组成设计与管理Design of Glass Formula Composition and ManagementHE X u-yuan(T echnology R&D Center of G lobal Gr oup Co,L td.Wuliang ye Group,Y ibin644007,China)Abstract:Glass formula co mposition has significant impact on physical and chemical properties,production cost and pro-cess control.If composition desig n is not adequate,it shall result in low product quality,reject incr ease and cost rise,and also shall bring ser ious consequence to process control,such as melting,forming,annealing,etc,and even product ion stop,caus-ing serious damage to enterpr ise economic benefit and credit.T his article introduces the pr inciple of formula composition opt-i mizing design,metho d of computer simulation design,calculation of formula,monitoring and adjustment of composition. Key words:glass formula;new product development;composition design and manag ement根据经验、配方,凭直觉建立经验规则的经验性配方设计将使得企业面临2个致命的问题:一是无法将顾客对产品的要求转化为玻璃的性质要求,进而根据性质设计出合理的配方来满足顾客要求。

在现代玻璃制造业中这个矛盾尤为突出;二是经验性配方工艺人员个人的经验总结停留在感性阶段,无法从理论上去验证经验总结的正确性,不能及时分析和处理生产中的问题。

也正是因为经验的缘故,很难尽快地去改进已有产品的性能。

文章详细介绍玻璃配方组成设计的原理及方法、配方及性质计算和应用实例。

1配方组成设计的意义物质的结构决定了它的性质,改变物质结构就可以改变它的性质。

玻璃也一样,玻璃的结构决定了玻璃的性质见式(1),玻璃的组成决定了玻璃的结构见式(2)。

由此可见,改变玻璃组成可以改变玻璃性质见式(3)。

也正是因为这样,可以将顾客对产品的要求转化对玻璃性质要求,进而改变组成,生产出符合顾客要求的产品。

G p=f(S g)(1)P i=U(G p)(2)G p=U(P i)(3)式中:G p为玻璃的性质;f、U为函数形式;S g为玻璃结构;P i为玻璃组成。

从式(2)中可以看出,P i与G p对应关系的非唯一性,也就是说可以有多种组成满足同一性质指标的要求,因为有的性质与组成之间呈简单的加和关系,如密度、折射率等;有的性质与组成之间不呈简单的加和关系,而与玻璃系统中各组分间化学作用9导致形式结构基团,与离子相互间的键特性有关,如导电率、粘度、表面张力等;还有的性质与外界条件有很大关系,如化学稳定性。

那么,在多种组成满足性质要求的前提下,如何选择最佳组成来满足生产需要呢?这就为优化提供了课题。

2 配方组成设计的依据2.1 符合环保要求Jonson 引用瑞典学者根据环境要求提出了禁用和限制使用的元素,见图1。

目前,国内出口欧盟的产品对有毒有害物含量都作了明确规定,如PAR 灯和节能灯产品要求玻璃A s [100ppm,同时对重金属Cd 、H g 、Pb 等元素也做了规定。

这个要求就只有通过组成设计来实现。

图1 禁止和限制使用元素图注:1禁止使用元素,2明显减少使用元素,3严格限制使用元素,4限制沉积物最大含量元素,5特殊需要引入的元素。

2.2 确保组成在相图中处于玻璃形成区透明玻璃成分必须要在玻璃形成区内,以避免玻璃在熔化、冷却、成形工艺过程中分相和析晶形成产品缺陷;微晶玻璃则要根据产品要求确定晶相及形貌,根据晶相在相图上选择合适的组成。

2.3 符合产品质量要求产品的质量要求来源于2个方面,一是产品标准,一是顾客要求。

产品质量的影响因素是多方面的,除了与设备、工艺有关外,还与组成设计密切相关,而且有些质量要求必须通过组成设计来解决,如高硼硅酸盐玻璃的膨胀系数、食品包装用产品有毒有害物的含量及浸出量、产品曝光着色等。

2.4 符合工艺性能要求在满足产品质量要求的前提下,就得考虑工艺要求,如熔化温度低、澄清均化时间短、熔窑侵蚀小、熔化工艺易掌握、熔化中不产生条纹与结石、温度、粘度与成形方式相适应、退火易于消除应力等。

2.5 符合原料选用要求原料选用要求价格低廉、质量稳定、能长期批量供应等。

3 配方组成设计方法配方组成设计可分为经验设计与计算机设计。

经验设计基本上是完全依靠于经验,根据产品质量要求、理化性质、生产工艺、原料选用、成本及成分等要素在大量的原始文献资料中找出工艺、性质基本符合要求的成分做依据,结合自身工艺条件进行组分计算或试验,择性质最佳、成本最廉的组成投入生产。

计算机设计是利用计算机对真实的玻璃成分进行模拟试验,提供实验结果,指导成分设计。

由于计算机的发展与普及及现代制造业对产品质量的高要求,经验设计已经存在太多不足,这里重点介绍计算机组成的设计与优选。

3.1 计算机组成设计的发展我国计算机组成设计最早是1981年干福熹院士的/电子计算机自动计算玻璃性质与设计玻璃成分0;之后有1985年吴锡其、李立华的/微型计算机辅助设计0;1987年浙江大学将性质和成分设计用于玻璃综合试验;1988年王承遇教授的研究组将计算机用于轻量瓶组成优化设计;1998年笔者与蒋志明开发了/玻璃配方优化设计系统0,成功运用于高硼硅灯饰玻璃、铅晶质玻璃、玻璃熔块、啤酒瓶及白酒瓶配方组成设计。

3.2 计算机组成设计方法3.2.1 正交试验方法计算机设计其实现方法有正交试验法和全面实验法。

正交试验设计是多因子试验设计中最重要的一种设计方法。

它根据因子设计的分式原理,采用由组合理论推导而成的正交表来安排设计试验,并对试验结果进行统计分析的试验方法。

根据设计玻璃的组分数目、组成范围及交互作用组分的数目选择合适的正交表安排试验,试验结果进行直观分析和方差分析,根据分析结果确定最优组成设计。

3.2.2 全面试验法根据已有经验,选择玻璃设计组成数目和组成大致范围,根据成分与性质间的数学模型进行性质计算,从中选出符合要求的组成。

相对于正交试验来讲,此法的计算量很大,但它不受优选组成数目和交互作用组成数目的限制,也正是它的这个特点,使得我们在优选多目标性质时,同一范围内的组成优选成功的几率会更大。

3.3 计算机组成优选的实现3.3.1 优选框图,见图2。

3.3.2 构建数学模型10图2配方优化设计1)性质计算G=E i g i r i(4)式中,G为玻璃的性质;g i为各组分的性质;r i为各组分的摩尔分数。

2)目标性质与性质计算值绝对误差最小化$i=(G i-b i/2)(5)S=E i$i(6)式中,G i为第i种性质的计算值;b i为第i种性质的目标值;$i为第i种性质的计算值与目标值的绝对误差;S为i种性质绝对误差之和;$i>0;b i/2为第i中目标性质的平均值。

3)成本目标值最小化S c=E i X i y i(7)式中,S c为成本计算值;X i为第i种组分的含量;y i 为引入第i种组分原料的成本。

4)最优组分优选You=S/S c(8) You值最大的作为最终优选组成。

3.3.3计算机组成优选的实现1)组成优选选择好目标性质、组分及其范围,运用/玻璃配方优化设计系统0软件的优选功能进行优选,优选结束后显示最优质量百分比组成和最优摩尔百分比组成及优选组成的性质。

下面我们以优选目前市场上高硼硅玻璃管、棒的配方组成为例进行演示,见图3。

图3优选结果见表1,从表1中可以看出,优选组成符合要求,这个组成得到了实验室和生产实践的验证。

表1组成优选结果氧化物SiO2A l2O3N a2O B2O3K2O 氧化物范围/%74.00~80.00 3.00~3.50 4.00~5.0012.50~16.500.20~0.50优选结果/%80.04 3.12 4.1612.470.21优选的目标性质性质名称膨胀系数密度折射率目标性质范围 3.2~3.3 2.2~2.3 1.45~1.50优选目标性质 4.48 2.25 1.47552)配方计算组成优选出来后就是根据产品和工艺要求,选择适中的原料进行配合料的制备。

各主要原料和辅助原料选用及配料单计算见图4。

4配方管理玻璃的理化性质与其化学组成是相关的,组成的变化必然导致一系列性质的变化,因而对玻璃组成实施有效管理是保证产品性能的重要技术措施。

4.1组成控制类型4.1.1特性控制根据产品质量要求,对其相关性质进行监控,如高硼硅玻璃的膨胀系数、显像管玻璃的电性能等,由于一个性质的变化必然导致相关性质的变化,所以11图4检测中如果发现有2个以上的特性不受控时即说明产品性能已经存在严重问题,需要及时查找原因以排除组成对产品性能的危害。

4.1.2例行控制例行控制的目的是确保生产在受控状态下稳定进行。

组成的例行控制是为了保证产品符合使用要求,检验物理性能测试的正确性;物理性能的控制是为了检验组成的合理性,保证组成设计符合预期的性能要求。

企业可根据自己产品的质量要求和工艺情况,制定自己的特性和例行监控计划。

4.2组成控制方法组成分析和性能控制图是比较好的控制手段,它可以连续地反映玻璃组成和特性变化趋势的全部过程,根据控制图曲线的变化对组成进行调整以确保产品性能处于受控状态。

控制图的绘制和使用在质量管理中的应用已经非常普遍,在此不再赘述。