第一節無機非金屬材料的組成

CaO—SiO2—Al2O3K2O—SiO2—Al2O3系統

Na2O—CaO—SiO2系統其他體系第二章無機非金屬材料組成及配料計算

硅酸三鈣C3S

硅酸二鈣C2S

鋁酸三鈣C3A

鋁酸一鈣CA

二鋁酸一鈣CA2

七鋁酸十二鈣C12A7

鈣鋁黃長石C2AS

六鋁酸一鈣CA6一、CaO—SiO2—Al2O3系統硅酸三鈣C3S

純C3S只在2065~1250℃溫度范圍內穩定。隨著溫度的降低，C3S在不同溫度下存在多晶轉變。硅酸三鈣可以固溶少量的其它氧化物，將影響它的反應能力和晶型。硅酸三鈣加水調和后，初凝≥45min，終凝≤12h。

水化較快。硅酸三鈣可產生較高的強度，且強度發展比較快，早期強度較高，且強度增進率較大，28d強度可以達到一年強度的70~80%。硅酸三鈣水化熱較高，抗水性較差。硅酸三鈣固溶體晶體尺寸和發育程度會影響其反應能力。硅酸三鈣的合成：在CaO—SiO2二元系統中：

1800℃，幾分鐘；

1650℃，1h，C3S基本形成，游離CaO1％左右；

1450℃，1h，只有少量C3S生成。硅酸三鈣單礦物在1450℃合成時，需要多次重復粉磨再燃燒。如有足夠的熔劑(液相)存在，就可使C2S在液相中吸收CaO，比較迅速地形成硅酸三鈣。硅酸二鈣C2S

純C2S在1450℃下，進行下列多晶轉變：C2S由β型轉變為γ型，體積膨脹10%而導致物料粉化。γ型C2S水硬性微弱

硅酸二鈣可固溶其它少量氧化物。固溶的氧化物不同，同一晶型的硅酸二鈣與水反應后所得的強度不同。純硅酸二鈣色潔白當有氧化鐵時呈棕黃色。硅酸二鈣固溶體與水反應速度較慢，28天僅有20%左右反應。

凝結硬化較慢，早期強度低，但后期強度增進率較高，一年后可趕上或超過硅酸三鈣固溶體。硅酸二鈣固溶體的水化熱較小，耐水性好。

等軸晶系，可固溶部分其他氧化物，呈多晶形態。在偏光鏡下，無色透明。在反光鏡下，快冷呈點滴狀，慢冷呈矩形或柱狀。反光能力弱，呈暗灰色。

水化迅速，放熱多，凝結很快，如不加緩凝劑，就會急凝。

硬化很快，它的強度3天內就大部分發揮出來，故早期強度較高，但絕對值不高，以后幾乎不再增長，甚至倒縮。干縮變形大，抗硫酸鹽性能差。鋁酸三鈣C3A

二、K2O—SiO2—Al2O3系統主要礦物有：莫來石二氧化硅剛玉長石液相三、Na2O—CaO—SiO2系統組成位于低共熔點或界線上的熔體中，每種晶體的析晶能力都低。同時，這些組成的配料熔化溫度一般比較低，這對玻璃的熔制是有利的。第二節無機非金屬材料的組成設計及配料計算

（一）、硅酸鹽水泥的組成設計

1.硅酸鹽水泥對礦物組成的要求

硅酸鹽水泥是一種水硬性膠凝材料，因此水泥熟料礦物必須具備：良好的與水反應的能力相當的強度與良好的耐久性反應速度可以滿足生產的要求一、硅酸鹽水泥對硅酸鹽水泥而言，最符合硅酸鹽水泥性質要求的礦物組成是硅酸三鈣和硅酸二鈣。3C2SykC2SC3SC3AC3SC3A2.硅酸鹽水泥組成礦物的選擇

硅酸鹽水泥熟料由C2S、C3S、C3A、C4AF四種礦物組成。均以固溶體的形式存在。A礦——在硅酸鹽水泥熟料中固溶了其它少量氧化物的C3S稱為阿利特（Alite），又稱為A礦；在反光顯微鏡下為黑色多角形顆粒B礦——C2S固溶體稱為貝利特（Belite），又稱為B礦；在反光顯微鏡下呈圓粒狀，快冷常具有黑白交叉雙晶條紋；慢冷常具有黑白平行雙晶條紋。C礦——固溶了其它少量氧化物的C4AF稱為才利特

（Celite），又稱為C礦；

在偏光顯微鏡下反光能力強，一般稱為白

色中間相。黑色中間相——C3A固溶體。

在偏光顯微鏡下反光能力弱，一般稱為黑

色中間相。

C3A和C4AF在煅燒中的作用

鐵鋁酸四鈣和鋁酸三鈣在煅燒過程中熔融成液相，又稱熔劑礦物，可以促進硅酸三鈣的順利形成。

如果物料中熔劑礦物過少，易生燒，氧化鈣不易被吸收完全，導致熟料中游離氧化鈣增加，影響熟料質量，降低窯的產量，增加燃料消耗。如果熔劑礦物過多，在立窯內易結大塊，結爐瘤；在回轉窯內易結大塊，甚至結圈等。液相的粘度，隨C3A／C4AF比而增減。粘度的影響？3.硅酸鹽水泥的組成設計

硅酸鹽水泥中含有C3S、C2S、C3A、C4AF四種礦物，相應的組成氧化物為CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3。因為Fe2O3含量較低，可以合并入Al2O3一并考慮，C4AF則相應計入C3A，這樣可以用CaO-Al2O3-Fe2O3三元系統來表示硅酸鹽水泥的配料組成。CaO62%~67%SiO220%~24%Al2O3+Fe2O36.5%~13%C3S50%~60%C2S20%C3A+C4AF22%4.熟料中其他物質及其作用玻璃體

工廠中，通常熟料冷卻較快，有部分液相來不及結晶就成為玻璃體。玻璃體的主要成分為Fe2O3、Al2O3、CaO，也有少量的MgO和堿(K2O和Na2O)等。游離氧化鈣性質：水化很慢；水化生成氫氧化鈣時，體積膨脹97.9％，在硬化水泥石內部造成局部膨脹應力。作用：游離氧化鈣含量增加：強度降低，甚至倒縮；嚴重時甚至引起安定性不良，使水泥制品變形或開裂，導致水泥漿體的破壞。

應嚴格控制游離氧化鈣的含量。種類產生原因特點對水泥安定性的影響欠燒游離氧化鈣（欠燒f-CaO）熟料煅燒過程中因欠燒、漏生，在1100~1200℃低溫下形成結構疏松多孔、不大一次游離氧化鈣（一次f-CaO）因配料不當、生料過粗或煅燒不良，尚未與S、A、F反應而殘留的CaO呈“死燒狀態”，結構致密，大二次游離氧化鈣（二次f-CaO）熟料慢冷或還原氣氛下，C3S分解而形成的經過高溫，水化較慢較大游離氧化鈣（f-CaO)方鎂石方鎂石——系游離狀態的氧化鎂晶體。氧化鎂的作用：熟料含有少量氧化鎂時，能降低熟料液相生成溫度，增加液相數量，降低液相粘，有利于熟料形成，還能改善熟料色澤。

方鎂石性質：方鎂石的水化比游離氧化鈣更為緩慢；水化生成氫氧化鎂時，體積膨脹148％，也會導致安定性不良。水化時會導致安定性不良。

方鎂石膨脹的嚴重程度與其含量、晶體尺寸等都有關系。（二）配料計算1.熟料的率值

水泥熟料是一種多礦物集合體，而這些礦物又是由四種主要氧化物化合而成。因此，在生產控制中，不僅要控制熟料中各氧化物的含量，還應控制各氧化物之間的比例，即率值。這樣，可以比較方便地表示化學成分和礦物組成之間的關系，明確地表示對水泥熟料的性能和煅燒的影響。因此，在生產中，用率值作為生產控制的一種指標。

我國目前采用的是石灰飽和系數KH、硅率SM和鋁率IM三個率值。

石灰飽和系數（KH）

當Al2O3/Fe2O3≥0.64時，熟料CaO與另外三種酸性氧化物化合形成C3S、C2S、C3A、C4AF四個主要熟料礦物。CaO存在一個極限石灰含量。古特曼與杰耳：石灰理論極限含量的觀點。將C4AF看作為“C3A”和“CF”，并把“C3A”與C3A視為同一相。理論上在熟料四個主要氧化物中，酸性氧化物應形成堿性最高的熟料礦物——C3S、C3A、C4AF。每1％酸性氧化物所需石灰含量分別為：1％Al2O3形成C3A所需CaO=3CaO分子量/Al2O3

分子量=1.651％Fe2O3形成CF所需CaO=CaO分子量/Fe2O3

分子量=0.351％SiO2形成C3S所需CaO=3CaO分子量/SiO2分子量=2.81％酸性氧化物所需石灰量，既石灰理論極限含量計算公式：

CaO＝2.8SiO2

十1.65Al2O3+0.35Fe2O3

金德和容克——Al2O3和Fe2O3始終為CaO所飽和，唯有SiO2可能不完全被飽和和CaO生成C3S，而存在一部分C2S。否則，熟料就會出現游離氧化鈣。因此應在公式中的SiO2之前加一系數——石灰飽和系數KH。CaO＝KH×2.8SiO2

十1.65Al2O3

十0.35Fe2O3KH=（CaO－1.65Al2O3－0.35Fe2O3

）/2.8SiO2石灰飽和系數KH是熟料中全部氧化硅生成硅酸鈣(C3S十C2S)所需的氧化鈣量與全部二氧化硅理論上全部生成硅酸三鈣所需的氧化鈣含量的比值。即KH表熟料中二氧化硅被氧化鈣飽和形成硅酸三鈣的程度。考慮到熟料中有游離CaO、游離SiO2和石膏，KH式可寫為:KH=[（CaO-f-CaO）-（1.65Al2O3十0.35Fe2O3+0.7SO3)]/2.8(SiO2-f-SiO2)石灰飽和系數KH與熟料礦物組成的關系式：KH=(C3S+0.8838C2S)/(C3S+1.3256C2S)

當C3S=0時，KH=0.667，即此時的熟料礦物只有C2S、C3A、C4AF而無C3S；當C2S=0時，KH=1，即此時的熟料礦物只有

C3S、C3A、C4AF而無C2S。因此，在正常硅酸鹽水泥熟料中，石灰飽和系數KH應控制在0.667~1.0之間。為了使水泥具有較好的力學性能，應適當提高C3S在熟料中的含量，KH一般控制在0.88~0.94。硅率SM硅率又稱為硅酸率，其數學表達式是：ＳＭ＝SiO2/(Al2O3+Fe2O3)式中：SiO2、Al2O3、Fe2O3分別代表熟料中各該氧化物的質量百分數。物理意義：硅率是表示熟料中氧化硅含量與氧化鋁、氧化鐵之和的質量比。也表示了熟料中硅酸鹽礦物與熔劑礦物的比例。

當Al2O3/Fe2O3大于0.64時：SM=(C3S+1.3256C2S)/(1.434C3S+2.046C2S)

式中：C3S、C2S、C3A、C4AF分別代表熟料中各該礦物的質量百分數。硅率隨硅酸鹽礦物與熔劑礦物之比而增減。熟料中硅率過高，液相量顯著減少，熱料煅燒困難。特別當氧化鈣含量低，硅酸二鈣含量多時，熟料易于粉化。硅率過低，硅酸鹽礦物太少而影響水泥強度，且由于液相過多，易出現結大塊、結爐瘤、結圈等，影響窯的操作。通常，硅酸鹽水泥熟料的硅率在1.7~2.7之間，有的白色硅酸鹽水泥熟料的硅率可高達4.0左右。鋁率IM率鋁又稱為鐵率，其數學表達式為：IM=Al2O3/Fe2O3

物理意義：鋁率是表示熟料中氧化鋁和氧化鐵含量的質量比，也表示熟料熔劑礦物中鋁酸三鈣與鐵鋁酸四鈣的比例。當IM鋁大于0.64時，鋁率和礦物組成關系的數學式是：IM=+0.64C4AF1.15C3A式中：C3A、C4AF為熟料中各該礦物的質量百分數。鋁率高低，反映了水泥煅燒過程中高溫液相的粘度。鋁率高，熟料中C3A多、相應C4AF較少，則液相粘度大，物料難燒。鋁率過低，雖然液相粘度較小，液相中質點易于擴散，對硅酸三形成有利，但燒結范圍變窄，窯內易結大塊，不利于窯的操作。

（一）玻璃的組成設計及配料計算

玻璃的化學組成是計算玻璃配合料的主要依據，與玻璃的物理和化學性質有重要的關系。改變玻璃的組成即可以改變玻璃的結構狀態，從而使玻璃在性質上發生變化。玻璃的組成與結構原料的選擇設計玻璃組成應注意的原則設計與確定玻璃組成的步驟玻璃組成設計舉例配料計算二、玻璃1.玻璃的組成與結構（1）玻璃的組成許多氧化物或元素是玻璃的組成物質，根據各氧化物在玻璃結構中所起的作用，一般可分為三類：玻璃形成體（網絡形成體）玻璃調整體（網絡外體）玻璃中間體（網絡中間體）玻璃形成體（網絡形成體）能單獨形成玻璃，在玻璃中能形成各自特有的網絡體系的氧化物，稱為玻璃的網絡形成體。如SiO2，B2O3，P2O5等。

F-O鍵是共價鍵與離子鍵的混合鍵；陽離子(F)的配位數是3或4，陰離子O2-的配位數為2；構成的配位多面體[FO4]或[FO3]一般以頂角相連。玻璃形成體的一般特點：

玻璃調整體（網絡外體）

凡不能單獨生成玻璃，一般不進入網絡而是處于網絡之外的氧化物，稱為玻璃的網絡外體。其作用為調整玻璃一些性質。常見的有Li2O、Na2O、K2O、MgO、CaO、SrO和BaO等。玻璃調整體的特點：

M-O鍵是離子鍵，電場強度較小，氧離子易擺脫陽離子的束縛，成為“游離氧”，在玻璃結構中，往往起斷網作用；

陽離子給出“游離氧”的能力與其電場強度的大小有關。陽離子場強越小、則給氧能力越大，反之，給氧能力越小；陽離子(特別是高電價、小半徑的陽離子)的場強較大時，可

對非橋氧起積聚作用，使結構變得較為緊密而在一定程度上改善玻璃的性質，但對玻璃的析晶也有一定的促進作用，玻璃中間體（網絡中間體）一般不能單獨形成玻璃，其作用介于網絡形成體和網絡外體之間的氧化物，稱之為中間體。如A12O3，BeO，ZnO，Ga2O3，TiO2、PbO等。中間體的一般特點：陽離子配位數主要根據玻璃結構中“游離氧”的數目而定。“游離氧”充足時，陽離子可以奪取“游離氧”以四配位參加網絡結構；“游離氧”不足時，則以其他配位數(比如六配位等)，處于網絡之外，與網絡外體作用相似。（2）玻璃結構玻璃結構是指玻璃中質點在空間的幾何配置、有序程度以及它們彼此間的結合狀態。玻璃結構可以分為三種尺度來討論：

0.2—1nm的尺度或原于排布范圍；

3至幾百納米的尺度或亞微結構范圍；在微米到毫米或其以上的尺度，即在顯微組織或宏觀結構的范圍。現代玻璃結構理論主要是晶子學說和無規則網絡學說。晶子學說依據：微晶無序，即一些玻璃的衍射花樣與同成分的晶體相似，認為玻璃由微晶與無定形物質兩部分組成。證實：列別捷夫發現，硅酸鹽光學玻璃的退火時玻璃折射率隨溫度的變化曲線上在520℃附近的發生突變，他認為這是石英微晶在520℃的同質異變。玻璃中存在石英“晶子”。1930年蘭德爾提出。[SiO4]石英晶體結構以及所表達的石英玻璃、鈉硅酸鹽玻璃晶子結構示意圖(a)硅氧四面體結構(b)石英晶體結構(c)石英玻璃晶子結構(d)鈉硅酸鹽玻璃晶子結構1一石英晶子2一硅酸鈉晶子3一鈉離子4一四面體

晶子學說的價值在于它第一次指出了玻璃中存在微不均勻物，即玻璃中存在一定的有序區域，這對于玻璃分相、晶化等本質的理解有重要價值。無規則網絡學說查氏把離子結晶化學原則和晶體結構知識推演到玻璃態物質，描述了離子—共價鍵的化合物，如熔融石英、硅酸鹽和硼酸鹽玻璃。核心觀點：查氏提出[SiO4]為硅酸鹽玻璃的最小結構單元。玻璃中的這種結構單元或者說鍵狀態與晶體類似，構成連續的三度空間網絡，只是[SiO4]四面體不像在結晶化合物中那樣相互對稱均勻地排列，缺乏對稱性和周期性的重復。查氏提出氧化物形成玻璃的四個條件：（假定物質的玻璃態和結晶態的能量相近）（1）一個氧離子不能和兩個以上的陽離子結合——氧的配位數不大于2；（2）陽離子周圍的氧離子數不應過多(3或4)——陽離子的配位數為3或4；（3）網絡中氧配位多面體之間只能共角頂，不能共棱、共面；（4）如果網絡是三維的，則網絡中每一個氧配位多面體必須至少有三個氧離子與相鄰多面體相連，以形成向三度空間發展的無規則網絡結構。圖2-10無規則網絡結構學說的玻璃結構圖2-11方石英石英玻璃和硅膠的模型示意圖X射線衍射圖（a）石英玻璃結構模型（b）石英晶體結構模型（c）硅鈉玻璃結構模型查氏學說宏觀上強調了玻璃中多面體相互問排列的連續性、均勻性和無序性；晶子學說則強調了不連續性、有序性和微不均勻性。玻璃是連續性、不連續性，均勻性、微不均勻性；無序性、有序性幾對矛盾的對立統一體，條件變化，矛盾雙方可能相互轉化。

晶子學說和查氏無規則網絡結構學說的異同硅酸鹽玻璃結構石英玻璃結構

晶體石英中Si—O鍵距為1.61?，而在石英玻璃中Si—O鍵距為1.62?說明后者原子間距稍大，結構較為疏松。圖2-2-11Si－O－Si鍵角及其分布示意圖（a）（b）(a)相鄰兩硅氧四面體之間的Si—O—Si鍵角(b)石英玻璃和方石英晶體的Si—O—Si鍵構分布曲線OSi堿硅酸鹽玻璃結構——R2O－SiO2圖2-2-12氧化鈉與氧化硅四面體間作用示意圖堿金屬氧化物供氧，硅氧網絡斷裂。在石英玻璃中加入堿金屬氧化物，使原有的石英玻璃結構疏松，并導致玻璃物理化學性質變壞。一般來說，堿金屬氧化物引入量越大，玻璃的性能越差。鈉鈣硅酸鹽玻璃結構Na2O—SiO2玻璃體系中引入CaO，從而構成了Na2O—CaO—SiO2三元系統玻璃。

CaO的加入強化了Na2O—SiO2二元玻璃的結構，同時也限制了Na+的活動。與堿硅二元玻璃相比，鈉鈣硅二元玻璃結構加強，性能變好，成為大多數實用玻璃的基礎成分。為了進一步改善玻璃的使用性能及工藝性能，在鈉鈣硅成分的基礎上還加入適量A12O3和MgO等。硼酸鹽玻璃結構B2O3玻璃結構

純B2O3玻璃的基本結構單元是由一個B3+離子和三個O2-離子組成[BO3]三角體。但硼氧配位體相互間究竟如何連接，主要有三種觀點：

無序層狀結構分子B4O6為基礎的結構呈鏈狀結構呈無序層狀結構，見下圖：以分子B4O6為基礎的結構，見下圖：呈鏈狀結構，見下圖：堿硼酸鹽玻璃以及硼硅酸鹽玻璃結構玻璃態氧化硼中加入R2O與RO后分子體積、膨脹系數下降，可能是氧化硼由鏈狀或層狀的硼氧三角體[BO3]

向三維空間接連的硼氧四面體[BO4]變化的結果。由于硼氧四面體[BO4]帶有負電，周圍必須圍繞若干陽離子以達到電性中和。并且因電荷的斥力原因，[BO4]

相互間不能直接連接，在[BO4]之間必有一定數量的不帶電的硼氧三角體[BO3]加以隔離。硼氧反常性

在R2O—B2O3二元玻璃中，堿金屬氧化物提供的氧，可使硼從三配位轉變成四配位，即在一定范圍內，它們提供的氧不像在熔融石英玻璃中使網絡斷裂而成為非橋氧，相反是使硼氧三角體轉變成由橋氧構成的硼氧四面體，使部分形成三維空間架狀結構，使原有二維結構有所加強，并因此引起玻璃的各種理化性能變好。這種與相同條件下堿硅酸鹽玻璃相比出現相反變化的現象，人們稱為“硼氧反常性。”硼硅酸鹽玻璃－以Na2O、B2O3，SiO2為基本成分的玻璃。加入Na2O后，通過Na2O提供的游離氧使二維的硼氧三角體轉換為硼氧四面體。

當Na2O／B2O3＞1時，認為B3+以四面體結構為主，與

[SiO4]組成均勻、連續、統一的網絡結構，Na+則以網絡外離子配置在[BO4]四面體附近，以維持電荷平衡。當Na2O／B2O3＜1時，結構中有部分B3+離子仍處于[BO3]

結構狀態且不能與[SiO4]組成統一、均勻、連續的結構網絡，而獨立形成層狀結構，玻璃會產生分相現象，[BO3]

三角體數量越多，則分相區域也越大。由此可見，Na2O-B2O3-SiO2系統玻璃中，如果氧化硼的含量超過一定限度時，結構和性質會發生逆轉現象，在性質變化曲線上則出現極大值或極小值，這種現象也稱為“硼反常”現象。顯然，它是因硼的配位數變化而引起結構改變所產生的。2.原料的選擇選擇原料時，應注意以下幾個原則:原料的質量，必須符合要求，而且成分穩定；易于加工處理；成本低，能大量供應；少用過輕及相對人體健康有害的原料；對耐火材料的侵蝕要小。3.設計玻璃組成應注意的原則（1）根據組成，結構和性質的關系，使設計的玻璃能滿足預定的性能要求。（2）根據玻璃形成圖和相圖，使設計的組成能夠形成玻璃，析晶傾向小(微晶玻璃除外)。（3）根據生產條件使設計的玻璃能適應熔制、成型、加工等工序的實際要求。（4）所設計的玻璃應當價格低廉，原料易于獲得。4.設計與確定玻璃組成的步驟（1）列出設計玻璃的性能要求

列出主要的性能要求，作為設計組成的指標。針對設計玻璃制品的不同，分別有重點的列出其熱膨脹系數、軟化點、熱穩定性、化學穩定性、機械強度、光學性質、電學性質等。有時還要將工藝性能的要求一并列出，如熔制溫度、成型操作性能和退火溫度等，作為考慮因素。（2）擬定玻璃的組成

原始組成：按上述設計原則，根據玻璃的性能要求，參考現有玻璃組成，采用適當的玻璃系統并結合給定的生產工藝條件，擬定出設計玻璃的最初組成。

試驗組成：按有關玻璃性質計算公式，預算設計玻璃的主要性質，如不合要求，則進行組成氧化物的增刪和量的調整，然后，再預算、調整，直至初步合乎要求時，即作為設計玻璃的試驗組成。對于新品種玻璃則參考有關相圖和玻璃形成圖選擇組成點，擬出玻璃的原始組成，再進一步設計出玻璃的試驗組成。（3）實驗、測試、確定組成按照擬定的玻璃試驗組成，制備配合料，在實驗室電爐中進行熔制試驗，并對熔好的玻璃進行有關性能的測試。通過試驗和測試，對組成逐次調整修改，直至設計的玻璃達到給定的性能要求和工藝要求。然后在池爐中進行生產試驗。在生產試驗時對熔化、澄清、成型、退火等都應取得數據。必要時，再對組成氧化物進行調整，最后即確定為新設計玻璃的組成。5.玻璃組成設計舉例設計一瓶罐玻璃，使其化學穩定性和機速比現有玻璃提高，價格降低。現有玻璃的組成為：SiO272.9％，Al2O31.6％，CaO8.8％，B2O30.4％，BaO0.5％。Na2O+K2O15.6％，SO30.2％。按上述步驟：（1）列出設計玻璃的主要性能要求：a.提高化學穩定性b.增加機速c.降低價格(2)擬定玻璃組成以現有玻璃為參考，進行組成的調整。a.提高設計玻璃的化學穩定性，必須使設計玻璃中的Na2O、K2O比現有玻璃降低，同時將SiO2、Al2O3適當增加。b.增加機速，設計玻璃的料性應當比原有玻璃短，同時考慮到MgO對提高化學穩定性有利，而又能防止析晶，為此在設計玻璃中強加了MgO，并使（MgO+CaO）的含量比原有玻璃中CaO的含量增高。c.為了降低玻璃的價格，將原玻璃組成的B2O3，BaO減去。d.采用螢石為助熔劑，并增加澄清劑（芒硝）的用量，以加速玻璃的熔化和澄清。(3)試驗、測試通過熔制試驗和對熔化的玻璃的性質進行測試，設計的玻璃符合原提出的性能要求，即確定為新玻璃的組成。測定的玻璃性能：熱膨脹系數，軟化溫度(S)和退火點(A)。其它性能，按下列公式進行計算：a.相對機速式中S——軟化溫度，即黏度＝106.65帕·秒的溫度A——退火點，即黏度＝1012帕·秒的溫度b.工作范圍工作范圍指數＝(S—A)c.析晶指數析晶指數＝工作范圍指數–160

d.料滴溫度料滴溫度＝2.63（S-A)+S正數為不析晶，負數為有析晶潛力。即當玻璃在低溫供料，成形大尺寸制品或壓制成型時，有析晶可能。6.配合料的計算配合料計算基礎玻璃的重量百分組成原料的化學成分熔化100公斤玻璃所需的各種原料用量算出每付配合料中各種原料的用量。玻璃以分子百分組成或分子式表示。精確計算：應補足各組成氧化物的揮發損失。如：飛揚損失，耐火材料對玻璃成分的改變等。配料計算方法？下面以普通玻璃為例，根據所設計玻璃成分和所用原料成分進行配料計算。(1)配合料計算中的幾個工藝參數(2)計算步驟(3)配料計算實例(1)配合料計算中的幾個工藝參數純堿揮散率芒硝含率煤粉含率螢石含率碎玻璃摻入率純堿揮散率純堿揮散率指純堿中未參與反應的揮發、飛散量與總量的比值，即：它是一個實驗值，與加料方式、熔化方法、熔制溫度、純堿的本性(重堿或輕堿)等有關。在池窯中飛散率一般在0.2％~3.5％之間。芒硝含率芒硝含率指芒硝引入的Na2O與芒硝和純堿引入的Na2O總量之比，即：芒硝含率＝芒硝引入的Na2O芒硝引入的Na2O+純堿引入的Na2O×100％芒硝含率隨原料供應和熔化情況而改變，一般掌握在5％~8％之間。煤粉含率煤粉含率指由煤粉引入的固定碳與芒硝引入的Na2SO4之比，即：煤粉含率=煤粉×C含量芒硝×Na2SO4含量×100％煤粉的理論含率為4.2％。根據火焰性質、熔化方法來調節煤粉含率。在生產上一般控制在3％~5％。現已不用。螢石含率螢石含率指由螢石引入的CaF2量與原料總量之比，即：螢石含率=螢石×CaF2含量原料總量×100％螢石用量與熔化條件有關。碎玻璃摻入率它隨熔化條件和碎玻璃的儲存量而增減，在正常情況下，一般在18％~26％。碎玻璃摻入率=碎玻璃用量出料量+碎玻璃量×100％（2）計算步驟I先進行粗算，先假定玻璃中：全部SiO2和A12O3均由硅砂和砂巖引入；

CaO和MgO由白云石和菱鎂石引入；

Na2O由純堿和芒硝引入。II進行校正，如，在進行粗算時，在硅砂和砂巖用量中沒有考慮其他原料引入的SiO2和A12O3，所以應進行校正。III把計算結果換算成實際配料單。（3）配料計算實例a.玻璃的設計成分（見表2-2-11）b.各種原料的化學成分（見表2-2-12）c.配料的工藝參數與所設數據計算步驟如下：I.螢石用量的計算II.純堿和芒硝用量的計算III.煤粉用量IV.硅砂和砂巖用量的計算V.白云石和菱鎂石用量的計算VI.校正純堿用量和揮散量VII.校正硅砂和砂巖用量VIII.把上述計算結果匯成用原料量表IX.玻璃獲得率的計算X.換算單的計算I.螢石用量的計算根據玻璃獲得率得原料總量為：100/0.825=121.2l(kg)設螢石用量為Xkg，根據螢石含率得：X＝1．47(kg)引入1.47kg螢石將帶入的氧化物量為：

SiO21.47×24.62％＝0.36(kg)A12O31.47×2.08％＝0.03(kg)Fe2O31.47×0.43％＝0.01(kg)CaO1.47×51.56％＝0.76(kg)SiO2揮發量的計算：SiO2+2CaF2＝SiF4↑+2CaO

設有30％的CaF2與SiO2反應，生成SiF4而揮發，設SiO2的揮發量為Xkg，SiO2的摩爾質量為60.09，CaF2的摩爾質量為78.08，則：則螢石實際帶入的SiO2量為：

0.36-0.12=0.24（kg）螢石引入的各氧化物量螢石摻量SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2O1.470.240.030.010.76II.純堿和芒硝用量的計算設芒硝引入量為Xkg，根據芒硝含率得下式：X=5.24(kg)芒硝引入的各氧化物量見下表：純堿用量=(14.5-2.18)/0.5794=21.26（kg）芒硝摻量SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2O5.240.060.020.010.030.022.18需純堿帶入的Na2O量玻璃中Na2O含量III.煤粉用量設煤粉用量為Xkg，根據煤粉含率得：X=0.28（kg）IV.硅砂和砂巖用量的計算設硅砂用量為Xkg，砂巖用量為Ykg，則：0.897X+0.987Y=72.4-0.24-0.06=72.10.0512X+0.0056Y=2.10-0.03-0.02=2.05X=35.60（kg）Y=40.68（kg）由硅砂和砂巖引入的各氧化物量見下表原料SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2O硅砂31.9340.181.820.230.120.04砂巖0.160.060.060.011.280.08玻璃中的SiO2玻璃中的Al2O3V.白云石和菱鎂石用量的計算設白云石用量為Xkg，菱鎂石用量為Ykg，則：0.3157X+0.0071Y=6.4-0.76-0.03-0.16-0.06=5.390.2047X+0.4629Y=4.2-0.02-0.06-0.01=4.11X=17.04（kg）Y=1.34（kg）由白云石和菱鎂石引入的各氧化物量見下表原料SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO白云石0.120.030.025.383.49菱鎂石0.020.010.010.62VI.校正純堿用量和揮散量設理論純堿用量為Xkg，揮散量為Ykg，則：0.5794X=14.5-2.18-1.28-0.08X=18.92（kg）Y=0.61（kg）VII.校正硅砂和砂巖用量設硅砂用量為Xkg，砂巖用量為Ykg，則：0.8970X+0.9876Y=72.4-0.24-0.06-0.12-0.02=71.960.0512X+0.0056Y=2.10-0.03-0.02-0.03=2.02X=34.96（kg）Y=41.11（kg）VIII.把上述計算結果匯成用原料量表原料用量%SiO2

Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OSO3含水干基濕基硅砂34.9628.931.361.790.120.150.061.284.5砂巖41.113440.600.230.040.060.010.081.0白云石17.0414.10.1120.030.025.383.490.3菱鎂石1.341.10.02

0.010.010.62純堿18.9216.110.961.8

揮散0.61芒硝5.244.30.060.020.030.020.022.184.2螢石1.471.20.240.030.76煤粉0.280.230.21合計120.9710072.42.16.45.624.214.50.2IX.玻璃獲得率的計算玻璃獲得率=100/120.97=82.7%X.配料單的計算原料用量配合比%含水干基濕基硅砂34.9628.94.5277.44290.51砂巖41.11341.0326.4329.69白云石17.0414.10.3135.36135.76菱鎂石1.341.110.5610.56純堿18.9216.11.8

154.56157.39揮散0.61芒硝5.244.34.242.2444.09螢石1.471.211.5211.52煤粉0.280.230.212.212.79合計120.97100960.29982.34碎玻璃240240總計1200.291222已知條件：碎玻璃摻入率為20%；配合料含水量為4%；混合機容量為1200kg干基。[混合機容量－(混合機容量×碎玻璃摻量)]×配合比＝原料的干基用量[1200-（1200×20%）]×28.9%=277.44（kg）原料的濕基用量＝原料的濕基用量/（1–含水量）硅砂的濕基用量＝277.44/（1-4.5%）＝290.51kg根據要求，配合料的水分為4%，所以擬定配合料的加水量為：加水量計算配料工藝流程：砂巖硅砂石灰石白云石螢石純堿芒硝煤粉碎玻璃煅燒水冷粗碎粉碎篩分粉庫稱量水混合運輸窯頭料倉投料機選礦干燥篩分粗碎粉碎篩分粗碎粉碎篩分粗碎粉碎篩分粉碎篩分水洗拆包拆包粉庫粉庫粉庫粉庫粉庫粉庫粉庫粉庫稱量混合洗滌破碎稱量粉碎篩分篩分四、陶瓷的組成設計及配料計算1.陶瓷的組成與結構2.陶瓷性能與材料鍵性、結構的關系3.陶瓷強度的控制和脆性的改善4.坯料的的配制5.配料計算1.陶瓷的組成與結構陶瓷燒結體的顯微組織結構陶瓷的相組成：

結晶物質玻璃態物質氣孔化學組成及加工工藝決定顯微結構和本征物理量；化學組成對顯微結構和性能起決定性作用。2.陶瓷性能與材料鍵性、結構的關系

陶瓷材料的鍵性：主要是離子鍵與共價鍵，而且往往是兩種鍵雜交在一起。陶瓷材料中原子或分子的排列方式和結構也是決定性能的重要依據。結構缺陷對陶瓷材料的性能也有顯著的影響。3.陶瓷強度的控制和脆性的改善

陶瓷材料的實際強度為理論強度的1/10~l/100。提高陶瓷強度的關鍵即是控制其裂紋和位錯。

陶瓷材料另一個強度特征是室溫下具有脆性。在外加應力作用下會突然斷裂；其抗沖擊強度低，承受溫度劇變能力差。原因：一是鍵性為離子鍵和共價鍵；二是組成相為晶體和玻璃相。原因：結構存在缺陷。提高陶瓷性能的方法：

提高材料的常溫強度降低其總氣孔率，且控制好氣孔的大小、形狀和分布。還要控制晶粒的大小、數量和形狀。改善脆性降低脆性(即增韌)對提高強度有利。增韌方法：一般有表面補強、復合增韌和相變增韌。除強度和脆性外，陶瓷材料的高溫力學性能、光學性能、介電、磁學性能都與材料的組成和結構密切相關。4.坯料的的配制（1）坯料組成的表示方法（2）設計配方的依據（3）配料計算（1）坯料組成的表示方法

配料比（量）表示法礦物組成(又稱示性礦物組成)表示化學組成表示實驗公式(賽格式)表示配料比（量）表示法這是最常見的方法，列出每種原料的重量百分比。如剛玉瓷的配方：工業氧化鋁95.0％、蘇州高嶺土2.0％、海城滑石3.0％。衛生瓷乳濁釉的配方：長石33.2％、石英20.4％、蘇州高嶺土3.9％、廣東鋯英石13.4％、氧化鋅4.7％、煅燒滑石9.4％、石灰石9.5％、堿石5.5％。

具體反映原料的名稱和數量，便于直接進行生產或試驗。無法互相對照比較或直接引用。礦物組成(又稱示性礦物組成)表示

普通陶瓷生產中，常把天然原料中所含的同類礦物含量合并在一起，用粘土礦物、長石類礦物及石英三種礦物的重量百分比表示坯體的組成。依據：同類型的礦物在坯料中的主要作用基本上是相同。

這種方法只能粗略地反映一些情況。用礦物組成進行配料計算時較為簡便。化學組成表示

根據化學分析的結果，用各種氧化物及灼燒減量的重量百分比反映坯和釉料的成分。利用這些數據可以初步判斷坯、釉的一些基本性質。再用原料的化學組成可以計算出符合既定組成的配方。

由于原料和產品中這些氧化物不是單獨和孤立存在的，它們之間的關系和反應情況又比較復雜，因此這種方法也有其局限性。實驗公式(賽格式)表示

根據坯和釉的化學組成計算出各氧化物的分子式，按照堿性氧化物、中性氧化物和酸性氧化物的順序列出它們的分子數。這種式子稱為坯式或釉式。坯式通常以中性氧化物R2O3為基準，令其分子數為1，則可寫成下列形式：

（x·R2O+y·RO）1·R2O3·z·SiO2

另外也可以R2O及RO的分子數之和為基準，今其為1，則坯式可寫成：

1·（R2O+RO）m·R2O3·n·SiO2

該表示方法便于坯和釉料進行比較，以判斷其結合性能。在釉料中堿金屬及堿土金屬氧化物起熔劑作用，所以釉式中常以它們的分子數之和為1，寫成的釉式為：1·（R2O+RO）u·R2O3·v·SiO2

坯式或釉式的區別：根據A12O3和SiO2前面的系數值來區別它們是坯式或釉式。電子工業用的陶瓷常用分子式表示其組成。例如最簡單的鋯—鈦—鉛固溶體的分子式為：

Pb（ZrxTi1-x）O3它表示PbTiO3中的Ti有x％分子被Zr取代。如：Pb0.920Mg0.040Sr0