星期六,四月02 2011:20 39

玻璃、陶瓷及相關材料

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本章涵蓋以下產品領域:

  • 玻璃
  • 合成玻璃纖維
  • 陶器
  • 瓷磚
  • 工業陶瓷
  • 磚瓦
  • 耐火材料
  • 合成寶石
  • 光纖。

 

有趣的是,這些部門中的大多數不僅起源於古代,而且還共享許多共同的一般流程。 例如,所有這些都基本上基於使用粉末或細顆粒形式的天然原料,這些原料通過加熱轉化為所需產品。 因此,儘管該組包含各種過程和產品,但這些常見過程允許對與這些行業相關的潛在健康危害進行共同概述。 由於各種製造部門既有小的、零散的部門(例如製磚業),也有僱用數千名工人的技術先進的大型製造工廠,因此每個部門都單獨描述。

常見過程和危害

這些行業在產品製造過程中普遍存在安全和健康隱患。 危害和控制措施在本指南的其他部分進行了討論 百科全書. 本章的各個部分討論了特定於工藝的危害。

批次原料處理

大多數工業製造過程都會接收散裝或單個袋子形式的干燥固體原材料。 散裝固體原料通過重力、氣動傳輸線、螺旋輸送機、斗式輸送機或其他機械傳輸從料斗軌道車或公路卡車卸載到料倉、料斗或混合器中。 袋裝原材料托盤(20 至 50 公斤)或大型散裝織物袋容器(0.5 至 1.0 噸)通過動力工業起重卡車、起重機或起重機從卡車拖車或鐵路貨車上卸下。 手動或使用電動升降輔助裝置從托盤上取出單個袋子或原材料。 袋裝原材料通常被裝入袋子傾倒站或直接裝入儲料斗或秤鬥。

與固體原料卸載、處理和轉移過程相關的潛在安全和健康危害包括:

  • 噪聲暴露 在 85 至 100 dBA 範圍內。 氣動振動器、壓縮機、閥門執行器、混合驅動電機、鼓風機和集塵器是一些主要的噪聲源。
  • 接觸空氣中可吸入顆粒物 來自顆粒狀固體原料的輸送和混合。 暴露取決於原材料的成分,但通常可能包括二氧化矽(SiO2)、粘土、氧化鋁、石灰石、鹼性粉塵、金屬氧化物、重金屬和有害微粒。
  • 人體工學危害 與手動提升或搬運原材料袋、振動器或傳輸線以及系統維護活動相關
  • 物理危害 來自機動軌道車或卡車、動力工業卡車交通、高空作業、密閉空間入口以及與電力、氣動或機械能源的接觸——例如咬合點、旋轉部件、驅動齒輪、軸、皮帶和滑輪。

 

燒製或熔化過程

這些業務部門的製造產品涉及窯爐或熔爐中的干燥、熔化或燒製過程。 這些過程的熱量來自丙烷、天然氣(甲烷)或燃料油的燃燒、電弧熔化、微波、介電乾燥和/或電阻加熱。 燒製或熔化過程帶來的潛在危害包括:

  • 接觸燃燒產物 如一氧化碳、氮氧化物(NOx) 和二氧化硫
  • 煙霧和微粒 來自空氣中的原材料(例如二氧化矽、金屬、鹼性粉塵)或副產品(例如氟化氫、方英石、重金屬煙霧)
  • 火災或爆炸 與用於過程加熱或叉車燃料的燃料系統有關; 與易燃燃料儲罐、管道分配系統和汽化器相關的潛在火災或爆炸危險。 不常用於天然氣削減的備用或備用燃料系統可能會出現類似的火災或爆炸問題。
  • 紅外輻射暴露 來自熔化的材料,這會增加熱性白內障或皮膚灼傷的風險
  • 輻射能和熱應力. 熔爐或窯爐周圍的工作環境可能非常熱。 當在燒製或熔化過程附近或之上進行緊急維修工作或日常維護時,可能會出現嚴重的熱應力問題。 皮膚直接接觸熱表面或熔融材料會導致嚴重的熱灼傷(見圖 1)。

 

圖 1. 質量控制技術員

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  • 電能危害. 直接接觸用於電阻加熱以補充燃料燃燒過程的高壓電能存在觸電危險,並可能因暴露於電磁場 (EMF) 而引起健康問題。 強磁場和電場可能會干擾心臟起搏器和其他植入式醫療設備。
  • 噪聲暴露 高於 85 至 90 dBA 來自燃燒鼓風機、料斗或混合器、進料過程和輸送機。

 

處理生產、製造、包裝和倉儲

該業務部門的材料處理、製造和包裝過程在很大程度上不同,產品的尺寸、形狀和重量也是如此。 該領域的高密度材料或笨重的配置存在常見的材料處理危險。 在該行業的生產、製造、包裝和倉儲過程中,人工起重和物料搬運造成了許多致殘性傷害。 (請參閱下面的“傷害和疾病概況”部分。)減少傷害的工作重點是減少人工舉重和材料處理。 例如,創新的包裝設計、用於堆垛和碼垛成品的機器人技術以及用於倉儲的自動導引運輸車開始在該業務部門的特定部分使用,以消除人工材料處理和相關傷害。 使用傳送帶、載人輔助升降機(例如真空提昇機)和剪式平台來搬運和碼垛產品是目前常見的物料搬運做法(見圖 2)。

圖 2. 使用真空提升輔助

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使用機器人技術來消除人工材料處理在預防人體工程學傷害方面發揮著重要作用。 機器人技術減少了生產勞動力中歷史上與材料處理(例如平板玻璃)相關的人體工程學壓力和嚴重撕裂傷(見圖 3)。 然而,機器人技術和過程自動化的使用增加引入了移動機械和電力危害,這改變了危害的類型並將風險轉移給其他工人(從生產工人到維護工人)。 正確設計電子控制和邏輯順序、機器防護裝置、總能量鎖定實踐以及建立安全操作和維護程序是控制維護和生產工人受傷的基本方法。

圖 3. 平板玻璃中使用的機器人技術

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重建和重建活動

在對熔爐或窯爐進行定期大修或冷修期間,會遇到許多潛在的健康和安全隱患。 可能會遇到與施工活動相關的各種危害。 示例包括:材料處理(例如,耐火磚)的人體工程學危害; 空氣中暴露於二氧化矽、石棉、耐火陶瓷纖維或含有重金屬的顆粒物,在拆除過程中,或切割和焊接的副產品; 熱應激; 在高處工作; 滑倒、絆倒或跌倒的危險; 密閉空間危險(見圖 4); 接觸危險能源。

圖 4. 密閉空間入口

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玻璃

概況

玻璃是由地殼中的常見元素自然形成的,遠早於任何人想到試驗其成分、塑造其形狀或將其用於今天享有的無數用途之前。 例如,黑曜石是一種天然存在的氧化物組合,由強烈的火山熱熔化並通過快速空氣冷卻玻璃化(製成玻璃)。 它不透明的黑色來自於它含有相對大量的氧化鐵。 其化學耐久性和硬度可與許多商用玻璃相媲美。

玻璃技術已經發展了 6,000 年,一些現代原理可以追溯到遠古時代。 第一個合成眼鏡的起源在古代和傳說中消失了。 彩陶 是由埃及人製作的,他們用沙子(SiO2), 最流行的玻璃形成氧化物。 它塗有泡鹼,這是尼羅河氾濫留下的殘留物,主要由碳酸鈣(CaCO3), 純鹼 (Na2CO3)、鹽 (NaCl) 和氧化銅 (CuO)。 加熱到 1,000 °C 以下會通過熔劑、CaO 和 Na 的擴散產生玻璃狀塗層2O 進入沙子並隨後與沙子發生固態反應。 氧化銅使製品呈現出吸引人的藍色。

根據莫雷給出的定義:“玻璃是一種無機物質,其狀態與該物質的液態連續並類似,但由於冷卻過程中粘度的可逆變化,已達到粘度如此之高,以至於出於所有實際目的,都是剛性的。” ASTM 將玻璃定義為“已冷卻至剛性狀態但未結晶的無機熔化產物”。 如果有機和無機材料的結構是非結晶的——也就是說,如果它們缺乏長程有序,它們都可能形成玻璃。

玻璃技術最重要的發展是吹管的使用(見圖 5),大約在公元前 100 年首次使用。 從那時起,玻璃製造技術有了飛速發展。

圖 5. 吹管

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由於存在各種雜質,例如鐵和鉻的氧化物,第一塊玻璃是有色的。 幾乎無色的玻璃大約在 1,500 年前首次製成。

當時玻璃製造業在羅馬發展,並從那裡轉移到歐洲許多其他國家。 威尼斯建造了許多玻璃製品,並在那裡發生了重要的發展。 在 13 世紀,許多玻璃廠從威尼斯搬到了附近的穆拉諾島。 穆拉諾 (Murano) 仍然是意大利手工玻璃生產的中心。

到 16 世紀,整個歐洲都製造了玻璃。 現在來自捷克共和國的波西米亞玻璃以其美麗而聞名,英國和愛爾蘭的玻璃廠生產優質的鉛晶玻璃餐具。 瑞典是另一個生產藝術玻璃水晶器皿的國家。

在北美,任何類型的第一家製造企業都是玻璃廠。 17 世紀初,英國定居者開始在弗吉尼亞州的詹姆斯敦生產玻璃。

今天,世界上大多數國家都生產玻璃。 許多玻璃產品都是在全自動加工線上生產的。 雖然玻璃是最古老的材料之一,但它的特性是獨一無二的,尚未完全了解。

今天的玻璃行業由幾個主要細分市場組成,包括平板玻璃市場、消費家庭用品市場、玻璃容器市場、光學玻璃行業和科學玻璃器皿細分市場。 光學和科學玻璃市場往往非常有序,在大多數國家由一兩個供應商主導。 這些市場的數量也遠低於以消費者為基礎的市場。 多年來,這些市場中的每一個都通過特定玻璃技術的創新或製造的進步而發展起來。 例如,容器行業受到 1900 年代初期開發的高速製瓶機的推動。 1960 世紀 XNUMX 年代初,浮法玻璃工藝的發展極大地推動了平板玻璃行業的發展。 這兩個部門都是當今全球價值數十億美元的企業。

玻璃家居用品分為四大類:

  1. 餐具(包括餐具、杯子和馬克杯)
  2. 飲具
  3. 烤盤(或烤盤)
  4. 爐頂炊具。

 

雖然很難獲得全球範圍的估計,但玻璃器皿市場無疑僅在美國就達到 1 億美元的數量級。 根據具體類別,各種其他材料爭奪市場份額,包括陶瓷、金屬和塑料。

製造過程

玻璃是一種無機熔化產物,它已經冷卻到剛性狀態而沒有結晶。 玻璃通常又硬又脆,並且具有貝殼狀斷口。 通過改變存在的溶解的無定形或結晶材料,可以將玻璃製造成有色的、半透明的或不透明的。

當玻璃從熱熔融狀態冷卻時,它的粘度會在很寬的溫度範圍內逐漸增加而不會結晶,直到它呈現出其特有的硬而脆的形式。 控製冷卻以防止結晶或高應變。

雖然任何具有這些物理特性的化合物在理論上都是玻璃,但大多數商業玻璃可分為三種主要類型並具有廣泛的化學成分。

  1. 鈉鈣矽玻璃 就生產數量和用途而言,是最重要的玻璃,包括幾乎所有的平板玻璃、容器、低成本大批量生產的國產玻璃器皿和電燈泡。
  2. 鉛鉀矽玻璃 含有不同但通常高比例的氧化鉛。 光學玻璃製造利用了這種玻璃的高折射率; 手工吹製的家用和裝飾玻璃器皿利用其易於切割和拋光的優點; 電氣和電子應用利用其高電阻率和輻射防護。
  3. 硼矽酸鹽玻璃 具有低熱膨脹性和耐熱衝擊性,這使它們成為家用烤箱和實驗室玻璃器皿以及用於塑料增強的玻璃纖維的理想選擇。

商業玻璃批次由多種成分的混合物組成。 然而,該批次的最大部分由 4 到 6 種成分組成,選自沙子、石灰石、白雲石、純鹼、硼砂、硼酸、長石材料、鉛和鋇化合物等材料。 該批次的其餘部分由幾種附加成分組成,這些成分選自通常稱為次要成分的大約 15 到 20 種材料。 添加後面的這些添加物是為了提供一些特定的功能或質量,例如顏色,這將在玻璃製備過程中實現。

圖 6 說明了玻璃製造的基本原理。 原料經過稱重、混合,加入碎玻璃(碎玻璃)後,被送入熔爐進行熔化。 容量高達 2 噸的小罐仍用於熔化手工吹製水晶器皿和少量所需的特殊玻璃。 幾個鍋在燃燒室中一起加熱。

圖 6. 涉及的過程和材料

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在大多數現代製造中,熔化發生在大型蓄熱式、換熱式或電爐中,這些爐子由耐火材料製成,並由石油、天然氣或電力加熱。 電增壓和冷頂電熔在 1960 世紀 1970 年代後期和 XNUMX 年代實現商業化並在全球範圍內得到廣泛應用。 冷頂電熔的驅動力是排放控制,而電助推通常用於提高玻璃質量和增加產量。

玻璃窯爐熔化用電的最重要經濟因素與化石燃料成本、各種燃料的可用性、電力成本、設備資本成本等有關。 然而,在許多情況下,使用電熔化或升壓的主要原因是環境控制。 世界各地的許多地方已經或預計很快將製定嚴格限制各種氧化物或一般顆粒物排放的環境法規。 因此,許多地方的製造商面臨著這樣的可能性,要么必須降低玻璃熔化吞吐量、安裝布袋除塵器或除塵器以處理廢氣廢氣,要么修改熔化工藝並包括電熔化或升壓。 在某些情況下,此類修改的替代方案可能是關閉工廠。

爐子(上部結構)最熱的部分可能在 1,600 至 2,800°C。 受控冷卻可將玻璃離開熔爐時的溫度降至 1,000 至 1,200°C。 此外,所有類型的玻璃都在特殊的烘箱或退火爐中進一步受控冷卻(退火)。 後續處理將取決於製造過程的類型。

除了傳統的手工吹製玻璃外,自動吹製還用於瓶子和燈泡生產的機器上。 簡單的形狀,如絕緣體、玻璃磚、透鏡毛坯等,都是壓製而不是吹製的。 一些製造工藝結合使用機械吹製和壓制。 軋製有線和壓花玻璃。 平板玻璃通過垂直工藝從熔爐中拉出,使其表面經過火處理。 由於繪圖和重力的綜合作用,一些輕微的變形是不可避免的。

平板玻璃通過水冷輥到達退火爐。 它沒有失真。 製造後可以通過打磨和拋光去除表面損傷。 該工藝在很大程度上已被近年來引入的浮法玻璃工藝所取代(見圖 7)。 浮法工藝使製造結合了片材和板材優點的玻璃成為可能。 浮法玻璃具有經過火處理的表面並且沒有變形。

圖 7. 連續漂浮過程

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在浮法中,連續的玻璃帶從熔爐中移出並沿著熔融錫浴的表面漂浮。 玻璃符合熔融錫的完美表面。 在其通過錫時,溫度會降低,直到玻璃足夠硬,可以送入退火爐的輥筒上,而不會在其下表面留下痕跡。 浴中的惰性氣氛可防止錫氧化。 退火後的玻璃無需進一步處理,可通過自動切割和包裝進行進一步加工(見圖 8)。

圖 8. 從退火爐出來的浮法玻璃帶

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新住宅和商業建築的趨勢是增加玻璃面積,以及降低能源消耗的需要,人們越來越重視提高窗戶的能效。 沉積在玻璃表面的薄膜提供低發射率或陽光控制特性。 這種商品塗層產品的商業化需要低成本、大面積沉積技術。 因此,越來越多的浮法玻璃生產線配備了複雜的在線鍍膜工藝。

在常用的化學氣相沉積 (CVD) 工藝中,複雜的氣體混合物與熱基板接觸,在那裡發生熱解反應,在玻璃表面形成塗層。 通常,鍍膜設備由懸掛在玻璃帶寬度上的熱控結構組成。 它們可能位於錫槽、退火爐間隙或退火爐中。 塗層機的功能是以溫度受控的方式在帶材寬度上均勻輸送前體氣體,並從沉積區域安全地提取廢氣副產品。 對於多個塗層堆疊,多個塗層機沿玻璃帶串聯使用。

對於此類大規模工藝產生的廢氣副產品的處理,使用傳統壓濾機的濕式洗滌技術通常就足夠了。 當廢氣不易被水溶液反應或潤濕時,焚燒是主要選擇。

一些光學玻璃的化學強化工藝涉及將玻璃浸入高溫浴中數小時,該浴中通常含有硝酸鋰和硝酸鉀的熔鹽。

安全玻璃 有兩種主要類型:

  1. 鋼化玻璃 通過加熱預應力製成,然後在特殊烤箱中快速冷卻所需形狀和尺寸的平板玻璃片。
  2. 夾層玻璃 通過在兩片薄平板玻璃之間粘合一片塑料(通常是聚乙烯醇縮丁醛)而形成。

 

合成玻璃纖維

概況

合成玻璃質纖維由多種材料製成。 它們是由玻璃、岩石、礦渣或其他礦物製成的無定形矽酸鹽。 生產的纖維既有連續纖維也有不連續纖維。 一般來說,連續纖維是通過噴嘴拉出的玻璃纖維,用於增強其他材料,如塑料,以生產具有獨特性能的複合材料。 不連續纖維(通常稱為羊毛)有多種用途,最常見的用途是隔熱和隔音。 出於本次討論的目的,合成玻璃纖維被分為連續玻璃纖維,絕緣棉由玻璃、岩石或礦渣纖維製成,以及耐火陶瓷纖維,通常是矽酸鋁。

古代玻璃製造商就知道將熱軟化玻璃拉成細纖維的可能性,實際上比玻璃吹製技術還早。 許多早期的埃及器皿是通過將粗玻璃纖維纏繞在形狀合適的粘土心軸上,然後加熱組件直到玻璃纖維相互流動,冷卻後取出粘土芯製成的。 即使在公元 1 世紀吹製玻璃出現之後,玻璃纖維技術仍在使用。 16 和 17 世紀的威尼斯玻璃製造商用它來裝飾玻璃器皿。 在這種情況下,不透明的白色纖維束纏繞在普通透明吹製玻璃容器(例如高腳杯)的表面上,然後通過加熱融合到其中。

儘管玻璃纖維的一般裝飾或藝術用途歷史悠久,但直到 20 世紀才再次廣泛使用。 美國最初的玻璃纖維商業化生產發生在 1930 年代,而在歐洲則發生在幾年前。 岩棉和礦渣棉的生產時間早於此數年。

合成玻璃纖維的製造和使用是全球價值數十億美元的產業,因為這些有用的材料已成為現代社會的重要組成部分。 它們作為隔熱材料的使用極大地減少了建築物供暖和製冷的能源需求,而這種能源節約導致與能源生產相關的全球污染顯著減少。 據估計,從體育用品到計算機芯片再到航空航天應用,連續玻璃長絲作為大量產品增強材料的應用數量已超過 30,000。 耐火陶瓷纖維的開發和廣泛商業化發生在 1970 世紀 XNUMX 年代,這些纖維在各種高溫製造過程中繼續在保護工人和設備方面發揮重要作用。

製造過程

連續玻璃絲

玻璃絲是通過將熔融玻璃通過貴金屬套管拉成直徑幾乎均勻的細絲而形成的。 由於用作增強材料時對纖維的物理要求,與絕緣棉中的直徑相比,它們的直徑相對較大。 幾乎所有連續玻璃絲的直徑都在 5 至 15 μm 或更大。 這些大直徑加上製造過程中產生的窄直徑範圍,消除了任何潛在的慢性呼吸影響,因為纖維太大而無法吸入下呼吸道。

連續玻璃纖維是由熔融玻璃液滴在重力作用下從噴嘴中滲出並懸浮在噴嘴上而迅速變細製成的。 表面張力和機械衰減力之間的動態平衡導致玻璃滴呈現彎月面的形狀,保持在噴嘴的環形開口處,並逐漸變細到被拉出的光纖的直徑。 要使纖維拉絲成功,玻璃的粘度必須在一個狹窄的範圍內(即 500 到 1,000 泊之間)。 在較低的粘度下,玻璃流動性太強,會​​像液滴一樣從噴嘴中掉落; 在這種情況下,表面張力占主導地位。 在較高的粘度下,拉細過程中纖維中的張力過高。 玻璃通過噴嘴的流速也可能變得太低而無法維持彎液面。

套管的作用是提供一個包含數百個噴嘴且溫度均勻的板,並將玻璃調節到該均勻溫度,從而拉出的纖維具有均勻的直徑。 圖 9 顯示了連接到前爐的直接熔化套管的主要特徵的示意圖,它從該前爐獲取非常接近玻璃將通過噴嘴的溫度的熔融玻璃供應; 因此,在這種情況下,套管的基本功能也是其唯一功能。

圖 9. 直熔套管示意圖

POT010F9

如果套管使用彈珠,則需要第二個功能,即首先熔化彈珠,然後再將玻璃調節到正確的光纖拉絲溫度。 圖 10 顯示了典型的大理石襯套。襯套內的虛線是保留未熔化大理石的穿孔板。

圖 10. 大理石套管示意圖

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套管的設計主要是經驗性的。 出於抵抗熔融玻璃侵蝕和在光纖拉絲所需溫度下的穩定性的原因,套管由鉑合金製成; 同時使用了 10% 的銠-鉑和 20% 的銠-鉑,後者在高溫下更能抵抗變形。

在從套管拉出的單根纖維被聚集並合併成一根或多根纖維束之前,它們會被塗上一層纖維漿料。 這些纖維尺寸基本上有兩種類型:

  1. 澱粉油漿料通常應用於用於織成精細織物或類似操作的纖維
  2. 用於直接增強塑料和橡膠的纖維的鍵控劑和成膜劑。

 

纖維形成後,在塗藥器上塗上一層有機上漿保護塗層,連續的長絲在纏繞在纏繞管上之前聚集成複絲束(見圖 11)。 塗敷器的功能是允許纖維的扇形,當大約 25 至 45 毫米寬並且在它們到達塗敷器下方的聚集靴的途中,通過覆蓋有纖維尺寸薄膜的移動表面。

圖 11. 紡織玻璃絲

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基本上有兩種類型的應用程序:

  1. 由橡膠、陶瓷或石墨製成的輥塗器,其中纖維在塗有纖維尺寸薄膜的輥表面上運行
  2. 皮帶塗敷器,其中皮帶的一端經過一個從動輥,該輥將皮帶浸入纖維漿料中,另一端經過固定的硬鉻鋼棒,在該位置纖維接觸皮帶以拾取漿料。

 

保護塗層和纖維聚集過程可以根據所生產的紡織品或增強纖維的類型而變化。 基本目標是在纖維上塗上漿料,將它們聚集成股,並以最小的必要張力將它們定位在夾頭上的可拆卸管上。

圖 12 顯示了連續玻璃製造的過程。

圖 12. 連續長絲玻璃製造

POT10F11

絕緣棉製造

與連續長絲相比,絕緣棉和耐火陶瓷纖維的纖維是在非常高能量的過程中製成的,在該過程中,熔融材料被滴入紡絲盤或一系列旋轉輪中。 這些方法導致生產的纖維的直徑範圍比連續長絲的直徑範圍寬得多。 因此,所有絕緣棉和陶瓷纖維都含有一小部分直徑小於 3.0 μm 的纖維; 如果斷裂成相對較短的長度(小於 200 至 250 微米),這些材料可能會變得可吸入。 關於在工作場所接觸可吸入的合成玻璃纖維的大量數據是可用的。

多種工藝用於製造 玻璃棉,包括蒸汽吹製工藝和火焰吹製工藝; 但最受歡迎的是 1950 世紀 6 年代中期開發的旋轉成型工藝。 在玻璃纖維絕緣產品的商業生產中,旋轉工藝在很大程度上取代了直接吹製工藝。 這些旋轉過程都使用一個空心鼓或旋轉器,其軸垂直安裝。 旋轉器的垂直壁上穿有數千個均勻分佈在圓周上的孔。 允許熔融玻璃以受控的速度落入旋轉器的中心,從那裡一些合適的分配器迫使它進入垂直穿孔壁的內部。 從那個位置開始,離心力以從每個穿孔發出的離散玻璃絲的形式徑向向外驅動玻璃。 這些初級長絲的進一步變細是通過從一個或多個噴嘴中噴出的合適的吹製流體實現的,這些噴嘴佈置在紡絲器周圍並與紡絲器同心。 最終結果是生產出平均纖維直徑為 7 至 13 毫米的纖維。 吹製流體沿向下方向作用,因此,除了提供最終的衰減外,它還使纖維偏向位於紡絲器下方的收集表面。 在到達該收集表面的途中,纖維在均勻分佈在收集表面之前噴灑了合適的粘合劑(見圖 XNUMX)。

圖 13. 製造玻璃棉的旋轉工藝

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在旋轉工藝中,玻璃棉纖維的製造方法是讓熔融玻璃流過旋轉紡絲器中的一系列小孔,然後通過空氣或蒸汽吹製使初級長絲變細。

礦棉然而,它不能在旋轉紡紗機工藝上生產,歷史上一直是在一系列水平紡紗心軸的工藝中生產的。 礦棉工藝由一組轉子(心軸)組成,這些轉子(心軸)以級聯形式安裝並非常快速地旋轉(見圖 14)。 一股熔化的石料流不斷地輸送到其中一個上部轉子,並從該轉子分配到第二個轉子,依此類推。 熔體均勻分佈在所有轉子的外表面上。 從轉子中,液滴在離心力的作用下被拋出。 液滴通過細長的頸部附著在轉子表面,在進一步伸長和同時冷卻的情況下,會發展成纖維。 當然,伸長之後是直徑的減小,這反過來又導致加速冷卻。 因此,在此過程中生產的纖維之間的直徑存在下限。 因此,預計不會出現圍繞平均值的纖維直徑正態分佈。

圖 14. 礦棉工藝(岩石和礦渣)

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耐火陶瓷纖維

陶瓷纖維主要是通過吹製和紡絲的方法生產的,其方法類似於絕緣棉所描述的方法。 在蒸汽吹製過程中,氧化鋁和二氧化矽等原材料在電爐中熔化,熔化的材料被抽出並用加壓蒸汽或其他熱氣體吹製。 然後將生產的纖維收集在篩網上。

與岩石和礦渣纖維的紡絲過程類似,陶瓷纖維的紡絲過程會產生高比例的絲狀長纖維。 在這種方法中,熔融材料流滴落到快速旋轉的圓盤上並沿切向拋出以形成纖維。

陶業

概況

製陶是人類最古老的工藝之一。 幾個世紀以來,不同的風格和技術在世界不同地區發展起來。 在 18 世紀,歐洲許多地區的蓬勃發展的工業受到從遠東進口精美且裝飾精美的器皿的強烈影響。 日本在大約 400 年前就從中國學習了陶瓷藝術。 隨著工業革命和西歐形勢的普遍變化,生產迅速增長。 目前,幾乎每個國家都生產一些供國內使用的器皿,陶器是一些國家的重要出口產品。 現在世界上許多地方都以工廠規模進行生產。 雖然製造的基本原則沒有改變,但製造的方式已經有了相當大的進步。 在器皿的成型、燒製和所使用的裝飾技術方面尤其如此。 越來越多地使用微處理器和機器人導致在生產區域引入高水平的自動化。 但是,各地也仍然存在著許多小型工藝陶器。

成型方法

最早的陶器製作方法涉及手工製作。 粘土圈纏繞在一起,一個疊在另一個上面,然後用手按壓粘在一起。 粘土首先用水加工成柔軟狀態。 一旦粘附線圈,然後用手對物體進行成型和模製。

陶輪已成為製作陶器的工具。 使用這種成型方法,將一堆粘土放在旋轉的圓盤上,並由陶藝家的濕手成型。 水可以防止陶工的手粘在粘土上,並使粘土保持濕潤和可加工性。 旋轉粘土的把手、噴口和其他突出物被放置在物體被燒製之前。

選角 今天,當需要高質量的陶器並且容器的壁非常薄時,經常使用。 將粘土和水的混合物(稱為泥漿)倒入熟石膏模具中。 石膏吸收水分,導致在模具內部周圍沉積一層薄薄的粘土。 當粘土的沉積物厚到足以形成花瓶的壁時,倒出剩餘的泥漿,將濕的器皿留在模型的內部。 當它乾燥時,它會稍微收縮並且可以從模具中取出。 通常,模具的構造可以將它們拆開。

當工件完全乾燥後,將其磨平並為燒製過程做好準備。 它被放置在一個叫做 匣缽,它可以保護工件免受過程中發出的火焰和氣體的影響,就像烤箱可以保護正在烘烤的麵包一樣。 saggers 一個放在另一個上面 . 窯是一個用耐火磚砌成的大型結構,周圍有煙道,因此火焰可以完全包圍盤子,但實際上不會與它們接觸。 如果不以這種方式進行保護,煙霧會使碎片褪色。

大多數作品至少被發射兩次。 第一次通過窯爐被稱為 濃湯 燒製,這件陶器被稱為 biscuit or 素瓷片. 燒製後,餅乾器皿上釉。 釉料是一種玻璃狀、有光澤的塗層,使陶器更具吸引力和耐用性。 釉料含有二氧化矽,一種降低熔化溫度的助熔劑(鉛、鋇等)和作為著色劑的金屬氧化物。 當釉被塗在陶器上並完全乾燥時,它會再次被放回窯中,並在如此高的溫度下燒製,使釉熔化並覆蓋整個陶器表面。

陶器種類

  • 石器 是由淺色或深色粘土製成的陶器。 在入窯前或在燒製過程中用鹽在未燒製的坯體上上釉,燒成緻密、堅硬的狀態。
  • 瓷器 是一種白色的玻璃化器皿。 它是半透明的。 在瓷器中,胎體和釉料在一次燃燒中完成並成熟,這是在非常高的溫度下進行的。
  • 中國 是一種類似於瓷器的器皿。 胎體和釉料在極高溫度下同時燒製完成並成熟。
  • 骨瓷 是一種以燒骨為原料的瓷器,約佔質量的 40%。
  • 陶器 身體呈白色或接近白色。 它像瓷器一樣由兩次燒製製成,但其主體仍然是多孔的。 釉料類似於瓷器,但由更便宜的材料製成。
  • 彩陶 是一種用於裝飾和裝飾目的的精美釉面陶器。 通常不嘗試生產白胎,釉料經常上色。

 

製造過程

陶器的物理特性因陶器的成分和燒製條件而異。 用於任何特定用途的坯體主要根據其物理特性進行選擇,但最常選擇白色坯體用於餐具。

工業產品(例如,耐火材料、電絕緣體、催化劑載體等)根據其最終用途具有廣泛的特性。

原料. 陶體中的基本成分如表 1 所示,表中還給出了典型的陶體類型比例。

表 1. 典型的身體成分 (%)

美體

塑料底座

填料

 

粘土球

高嶺土

炻器黏土

長石

Quartz 石英

骨灰

其他

陶器

25

25

 

15

 

35

   

石器

30-40

 

25-35

 

20-25

   

20–30(烈酒)

中國

20-25

20-25

   

15-25

25-30

   

瓷器

 

40-50

   

20-30

15-25

   

骨瓷

 

20-25

 

25-30

   

45-50

 

 

霞石正長岩有時用作助熔劑,氧化鋁可以代替某些瓷器中的部分或全部石英填料。 方英石(煅燒砂)在某些陶器中用作填料,特別是在牆磚行業。

身體成分部分取決於最終產品所需的特性,部分取決於生產方法。 塑料底座對於在潮濕狀態下成型的器皿必不可少,但對於非塑料成型工藝(例如壓粉)則不是。 塑料基底不是必需的,儘管粘土仍然是大多數陶瓷產品的主要成分,包括那些通過粉塵壓制製備的產品。

工業陶瓷未在表 1 中顯示,因為它們的成分範圍從所有球粘土或耐火粘土,沒有額外的助熔劑或填料,到幾乎所有的氧化鋁,只有最少量的粘土並且沒有添加助熔劑。

在燒製過程中,助焊劑熔化成玻璃,將各種成分粘合在一起。 隨著通量的增加,玻璃化溫度降低。 填料會影響陶器燒製前和燒製過程中的機械強度; 在製作餐具時,傳統上使用石英(如沙子或煅燒燧石),但骨灰用於製作骨瓷。 已經用於製造工業陶瓷的氧化鋁或其他非矽質填料的使用正在擴展到其他器皿的製造,包括國內產品。

處理中. 陶器生產的基本過程包括:

  • 身體成分的準備
  • 形成和塑形
  • 燒餅乾
  • 施釉
  • 燒光
  • 裝飾。

 

燧石或石頭的煅燒、破碎和研磨的準備過程可能在單獨的設施中完成,但所有後續過程通常在同一工廠進行。 在滑屋中,身體成分在水中混合; 然後通過過濾和堵塞生產塑料粘土; 然後通過攪拌成奶油狀稠度來製備澆鑄泥漿。 壓製粉塵是通過乾燥和研磨製備的。

成型工藝的傳統分類如表2所示。在鑄造過程中,將身體的水懸浮液倒入吸水模具中,部分乾燥後取出鑄件。 塑料粘土通過拋擲成型現在在工業生產中很少見; 機械塗抹在石膏模具上或石膏模具中(搖晃和搖晃)並在乾燥後從模具中分離出來幾乎是製作餐具的普遍方法。 塑料粘土的壓製或擠壓主要限於工業陶瓷。 粉壓製品是通過手工或機械壓實預乾燥的粉塵製成的。

表 2. 製造過程

產品

常規流程

塑泥塑形; 鑄件

衛生潔具

選角

瓷磚工程

粉塵壓制(牆磚或玻化地磚)、塑料粘土壓制(地板採石場)

工業製品

粉塵壓制、塑土壓制

 

成型後,可以通過修整、拖曳或用海綿擦拭來乾燥和整理器皿。 然後就可以燒製餅乾了。

燒製後,通過浸漬或噴塗施釉; 浸漬可以是手工或機械化的。 然後再次燒製上釉的器皿。 有時,與衛生白瓷一樣,在乾燥的粘土製品上塗上釉,並且只燒製一次。

裝飾可以在釉下或釉上進行,可以通過手繪、機器印刷或轉印進行; 釉上裝飾涉及第三次燒製; 有時需要對不同顏色進行單獨燒製。

在最後階段,商品被分類和包裝以便運輸。 圖 15 標識了各種類型的陶器和陶瓷在其製造過程中所遵循的各種路徑。

圖 15. 按陶瓷類型分類的流程圖

POT10F14

瓷磚

概況

陶瓷 曾經被認為僅指製作陶器的藝術或技術的術語。 該詞的詞源表明它源自希臘語 凱拉莫斯,意思是“陶工”或“陶器”。 然而,這個希臘詞與一個更古老的梵語詞根有關,意思是“燃燒”; 正如希臘人自己使用的那樣,它的主要含義只是“燃燒的東西”或“燃燒的地球”。 該術語中包含的基本概念是通過火對泥土材料的作用而獲得的產品。

在本文的上下文中,傳統陶瓷是指通常用作建築材料或在家庭和工業中使用的產品。 儘管有一種傾向將傳統陶瓷等同於低技術,但先進的製造技術經常被用於該行業。 生產商之間的激烈競爭通過使用複雜的工具和機械,再加上計算機輔助過程控制,使該技術變得更加高效和具有成本效益。

最古老的陶瓷產品起源於含粘土材料。 早期的陶藝家發現粘土的可塑性有助於塑造形狀。 由於其傾向於表現出大量的收縮,粘土體通過添加粗砂和石頭進行改性,從而減少收縮和開裂。 在現代粘土基體中,典型的非粘土添加劑是作為助熔劑添加的矽粉和鹼性礦物。 在傳統的陶瓷配方中,粘土充當其他成分的增塑劑和粘合劑。

行業發展

乾燒粘土磚的生產起源非常古老,可追溯到中東人口。 瓷磚白瓷行業在歐洲發展迅速,到20世紀初地磚和牆磚生產已達到產業規模。 該領域的進一步發展發生在第二次世界大戰之後。 歐洲(尤其是意大利和西班牙)、拉丁美洲和遠東現在是工業瓷磚生產最重要的地區。

自 1980 世紀 100 年代中期以來,隨著新技術的引入、自動化以及將生產流程集成到製造過程中,白色陶瓷行業的地磚和牆磚行業取得了長足的發展。 隨後,生產率和效率得到提高,同時能源消耗和成本得到降低。 瓷磚製造現在在濕式和乾式瓷磚生產中都是連續的,如今許多工廠都實現了近 XNUMX% 的自動化。 過去十年瓷磚行業的主要創新包括濕磨、噴霧乾燥、高壓乾壓、滾筒乾燥和快速燒製技術。

9.2 年至 1992 年間,美國瓷磚市場供應(美國工廠出貨量加上進口)的價值估計每年復合增長 1994%。1.3 年美元銷售額估計已達到 1994 億美元。同時,銷量增長 11.9 % 每年復合至 1.3 億平方英尺。 相比之下,7.6 年至 6.9 年間,基於美元銷售額的市場增長率為 1982%,基於銷量的增長率為 1992%。

瓷磚的分類

紅軟件和白軟件

市場上有許多類型的瓷磚。 它們根據表面狀況、車身顏色(白色或紅色)、製造技術、原材料和最終用途而有所不同。 “紅”瓦和“白”瓦的區別在於體內所含鐵礦物質的多少。 通過與其他身體成分發生反應,它們可以或多或少地著色並改變射擊過程中身體的行為。

由於瓷磚產品、它們的加工和後續特性的極端異質性,一個完整和詳盡的分類是非常困難的。 在本章中,將考慮歐洲 (EN) 和 ASTM 標準。

EN 標準專門根據吸水率(與孔隙率直接相關)和成型方法(擠壓或壓制)對瓷磚進行分類。 整形方法分為:

  • 成型工藝A (擠壓地磚)。 此過程包括拆分瓷磚和單獨擠壓瓷磚。
  • 整形工序B (乾壓地磚和牆磚)。

 

87 年 1981 月批准的歐洲標準 EN XNUMX 規定“陶瓷牆磚和地磚是一般設計用作地板和牆面覆蓋物的建築材料,無論形狀和尺寸如何,均適用於室內和室外”。

美國國家標準協會 (ANSI) 瓷磚規範 (ANSI A 137.1) 包含以下定義:

  • 陶瓷馬賽克 由壓粉法或塑料法製成,厚度通常為 6.4 至 9.5 毫米(1/4 至 1/8 英寸),面部面積小於 39 平方厘米2 (6 in2 ). 陶瓷馬賽克瓷磚可以是瓷器或天然粘土成分,它們可以是普通的也可以是磨料混合物。
  • 裝飾牆磚 是一種薄體釉面磚,通常為非玻璃質,適用於對斷裂強度沒有要求的室內裝飾住宅牆面。
  • 攤舖機瓷磚 是上釉或未上釉的瓷器或天然粘土磚,採用壓粉法製成,厚度為 39 厘米2 (6 in2 ) 或更多面部區域。
  • 瓷質瓷磚 是陶瓷馬賽克磚或鋪路磚,通常採用壓粉法製成,所得瓷磚成分緻密、不透水、細粒、光滑,表面棱角分明。
  • 採石場瓷磚 是上釉或未上釉的瓷磚,由天然粘土或頁岩擠壓而成,通常有 39 厘米2 (6 in2) 或更多面部區域。
  • 牆磚 是一種釉面磚,其主體適合室內使用,通常是非玻璃質的,不需要承受過度衝擊或經受凍融條件。
  • 個別瓷磚白瓷等級 包括無釉瓷磚(陶瓷馬賽克瓷磚、採石場瓷磚、鋪路磚)和釉面瓷磚(釉面牆磚、釉面陶瓷馬賽克瓷磚、釉面採石場瓷磚、釉面鋪路磚)(ANSI 1988)。

 

瓷磚採用標準陶瓷工藝製造。 陶瓷牆地磚是由球粘土、砂、助熔劑、著色劑等礦物原料混合而成,經磨粉、篩分、調配、潤濕等加工而成。 它們通常在室溫下通過壓制、擠壓、鑄造或其他工藝成型,然後乾燥,最後在高溫下燒製。 瓷磚可以上釉、未上釉或鑲嵌。 釉是類似玻璃的不透水塗層,而釉彩是啞光的粘土基塗層,也可能是多孔的。 釉面牆磚和地磚可通過單段或兩段燒製生產。

傳統的陶瓷體使用許多不同的技術成型。 具體的成型過程取決於許多因素,包括材料特性、零件的尺寸和形狀、零件規格、產量和地理區域內公認的做法。

粘土基體是一種或多種粘土和一種或多種非粘土粉末的異質混合物。 在達到最終形狀之前,這些粉末會經歷一系列單元操作、燒製和燒製後操作(見圖 17)。

對於大多數傳統車身,成型技術可分為軟塑性成型、硬塑性成型、壓制和鑄造。

施加壓力用於將原材料重新排列和重新分配成更好的包裝配置。 粘土基體的流變行為源於粘土礦物與水的相互作用,這賦予批料可塑性。 在非粘土體中,這種相同類型的行為可以通過添加增塑劑來實現。

工業陶瓷

概況

陶瓷在許多特性上不同於其他工程材料(金屬、塑料、木製品、紡織品)。 對於陶瓷製品的設計師或潛在用戶來說,最顯著的區別可能是每件陶瓷作品的獨特形狀和尺寸。 陶瓷在燒製後不容易成型或加工,除非進行非常昂貴的研磨; 因此,它們通常必須按原樣使用。 除了一些尺寸有限的簡單瓦、棒和管形狀外,陶瓷不能按英尺或按碼銷售,也不能切割以適合工作。

所有有用的特性,包括形狀和尺寸,都必須提前提供,從陶瓷加工的最早期階段開始。 每個部件的結構完整性必須通過加工過程中的各種熱應力和機械應力暴露來保持,直到部件最終安裝和使用。 如果陶瓷由於各種原因(衝擊脆性斷裂、熱衝擊、電介質擊穿、磨損或熔渣腐蝕)而無法使用,則它不太可能修復,通常必須更換。

在對陶瓷特性的基本理解和技術控制,以及在許多新的、要求高的、高技術應用中的應用方面,已經取得了重大進展。 整個行業,特別是其中的技術和電子陶瓷部分,已經設計出生產和控制技術,用於在具有精心控制的電、磁和/或機械性能的物體中批量生產複雜形狀,同時保持足夠好的尺寸公差允許與其他組件相對容易地組裝。

許多陶瓷作為標準品被大量生產。 耐火磚和型材、坩堝、馬弗爐、爐管、絕緣體、熱電偶保護管、電容器電介質、密封件和纖維板通常由許多陶瓷生產商以各種成分和尺寸進行庫存。 盡可能使用庫存物品通常更快、更便宜。 當庫存商品不能滿足需求時,大多數製造商都準備定制生產商品。 對陶瓷的給定特性的要求越嚴格,或者對特性、尺寸和形狀的特定組合的要求越嚴格,可接受的陶瓷成分、微觀結構和配置參數就越有限。 因此製造成本和難度較大。 大多數陶瓷製造商都擁有經驗豐富的工程師和設計師,他們非常有資格與潛在客戶就陶瓷器皿設計的細節進行合作。

市場

最先進陶瓷的主要市場一直是並將繼續是電子產品,但全球範圍內充滿活力的研發計劃正在不斷尋找新的應用並確定改善陶瓷性能的方法,以便進入新市場。

日本、美國和西歐生產高級陶瓷。 該行業使用的原材料主要以粉末形式進行國際貿易,但也有大量的內部加工。

工業陶瓷的主要應用有:

  • 氧化物. 目前使用的主要氧化物材料是火花塞、基材和磨損應用中的氧化鋁; 氧化鋯(ZrO2) 在氧傳感器中,作為鈦酸鉛鋯 (PZT) 壓電元件、磨損應用和熱障塗層的組成部分; 鈦酸鋇電容器和 PZT 壓電體中的鈦酸鹽; 永磁體、磁記錄頭、存儲設備、溫度傳感器和電動機部件中的鐵氧體。
  • 碳化物和氮化物. 碳化物(主要是碳化矽和碳化硼)用於磨損應用,而氮化物(主要是氮化矽和賽隆)用於磨損應用和刀具。 氮化鋁具有高導熱性,是目前由氧化鋁主導的部分電子基板市場的主要競爭材料。
  • 混合氧化物陶瓷. 陶瓷研究和開發工作集中在陶瓷的許多新應用上,這些應用都具有巨大的潛力。 三個重要的應用是:(1) 陶瓷超導體,(2) 用於固體氧化物燃料電池的陶瓷和 (3) 用於熱力發動機的陶瓷部件。

 

陶瓷超導體基於許多混合氧化物系統,包括釔、鋇、銅、鍶和銅 (YBa2Cu3O7-8, 畢2Sr2鈣銅2O8, 畢2Sr2Ca2Cu3O10) 用氧化鉛穩定。 固體氧化物燃料電池陶瓷基於離子導體,其中高純度穩定氧化鋯目前是首選材料。 正在研究的陶瓷熱機部件由碳化矽、賽隆和氧化鋯組成,可以是單相陶瓷、陶瓷-陶瓷複合材料或金屬基複合材料 (MMC)。

製造過程

製造技術開發

加工創新. 研發活動正在產生陶瓷材料生產的新技術。 2 年,前體衍生陶瓷的市場價值估計為 1989 萬美元,其中主要部分是 CVD(佔總市場價值的 86%)。 這個不斷增長的市場的其他部分包括化學氣相滲透 (CVI)、溶膠-凝膠和聚合物熱解。 通過這些方法成功生產的產品包括連續陶瓷纖維、複合材料、膜和超高純度/高活性粉末。

用於將這些原材料轉化為成品的工藝包括在形成生坯之前進行額外的粉末加工(例如,研磨和噴霧乾燥),然後在受控條件下進行燒製。 成型工藝包括模壓、等靜壓、注漿、流延、擠出、注塑、熱壓、熱等靜壓(HIP)、CVD等。

有助於陶瓷加工的化學添加劑. 製造過程中的每個步驟都需要仔細控制,以便以最大的生產效率獲得最終產品的特性,並使用關鍵效果化學品來優化粉末處理和生坯成型。 影響化學品包括研磨助劑、絮凝劑和粘合劑、在壓製過程中影響產品釋放和最小化模具部件磨損的潤滑劑,以及有助於擠出和注塑成型的增塑劑。 表 3 列出了此類化學品。雖然這些材料在生產中發揮著重要的經濟作用,但它們在燒製過程中會燃燒殆盡,對最終產品的化學成分沒有任何影響。 燒盡過程必須小心控制,以避免成品中殘留碳,工藝研究和開發人員正在不斷研究盡量減少使用的影響化學品水平的方法。

表 3. 用於優化陶瓷粉末處理和生坯成型的選定化學添加劑

材料

應用或功能

聚乙烯醇

高級陶瓷粘結劑

聚乙二醇

高級陶瓷粘結劑

聚丙烯酸鈉

粉漿抗絮凝劑

叔酰胺聚合物

乾壓粘合劑

與乾膠體矽鋁酸鹽混合的澱粉

真空成型用粘合劑

陽離子氧化鋁加有機絮凝劑

真空成型用粘合劑

預膠化陽離子玉米澱粉

膠態二氧化矽和氧化鋁粘合劑的絮凝劑

高純羧甲基纖維素鈉

賓德

無機膠體矽酸鎂鋁

懸浮劑

Veegum 中添加了中等粘度的羧甲基纖維素鈉

懸浮劑、粘度穩定劑

銨基聚電解質

電子陶瓷澆鑄泥分散劑

聚電解質鈉

噴霧乾燥體用分散劑粘合劑

微晶纖維素和羧甲基纖維素鈉

增稠劑

聚矽氮烷

先進陶瓷加工助劑、粘結劑和前驅體

 

除了催生新應用的陶瓷產品和陶瓷製造技術,先進陶瓷產業對傳統陶瓷產業的影響也不容忽視。 預計許多高科技材料和工藝將在傳統陶瓷行業中得到應用,因為傳統陶瓷行業致力於降低製造成本、提高質量並為最終用戶提供更好的服務價值。

原料

有一些關鍵材料要么直接被陶瓷工業使用,要么代表生產附加值材料的起點:

  • 矽膠
  • 粘土
  • 氧化鋁
  • 氧化鎂
  • 二氧化鈦
  • 氧化鐵
  • 鋯石/氧化鋯。

 

本次討論將重點關註二氧化矽、氧化鋁和鋯石/氧化鋯的特性。

二氧化矽,除了用於耐火材料和白色陶瓷外,還是製造元素矽、碳化矽和四氯化矽的起點。 反過來,矽是氮化矽的起點,而四氯化矽是各種有機矽的前體,可以在受控條件下熱解為高質量的碳化矽和氮化矽。

氮化矽及其 Sialon 衍生物以及碳化矽,儘管它們有氧化傾向,但仍有可能滿足熱機市場設定的許多性能目標。 二氧化矽和由二氧化矽衍生的陶瓷材料的一個特徵是所有元素在地殼中都很容易獲得。 在這方面,這些材料具有在世界各地輕鬆供應的潛力。 然而,實際上,生產矽和碳化矽需要大量的能量輸入。 因此,這些材料的製造大體上僅限於電力廉價且容易獲得的國家。

礬土 作為鋁矽酸鹽礦物的組成部分,在整個地殼中均有發現。 經濟決定使用拜耳法從鋁土礦中提取氧化鋁。 赤道帶廣泛分佈著不同純度狀態的鋁土礦,分為耐火品位礦和冶金礦兩類。

耐火級鋁土礦由中國和圭亞那提供,作為天然礦物的高溫煅燒:水鋁石(Al2O3H2O)在中國和三水鋁石(Al2O3·3H2O) 在圭亞那。 在煅燒過程中,剛玉(Al2O3), 形成莫來石、石英玻璃和少量鈦酸鋁。 在全球範圍內,耐火級鋁土礦的消耗量每年超過 700,000 噸。

冶金級鋁土礦在澳大利亞、牙買加和西非開採,具有可變的氧化鋁含量以及氧化鐵和二氧化矽等主要雜質。 冶金礦石中的氧化鋁在用氫氧化鈉溶解時從礦石中提取出來,產生鋁酸鈉溶液,該溶液與氧化鐵和二氧化矽分離,氧化鐵和二氧化矽以赤泥的形式作為廢品被丟棄。 基本上,純氫氧化鋁從鋁酸鈉中沉澱出來,然後煅燒成許多等級的氧化鋁。

用於陶瓷工業並通過拜耳法生產的高純度氧化鋁分為板狀氧化鋁、熔融氧化鋁或特種煅燒氧化鋁。

板狀氧化鋁是通過在大型燃油迴轉窯中對低溫煅燒氧化鋁進行高溫(~2,000°C 或 3,630°F)煅燒生產的。 電熔氧化鋁是通過電熔煅燒氧化鋁生產的。 板狀和熔融氧化鋁以粉碎和分級形式出售給耐火材料行業,用於廣泛的高質量產品,例如連鑄耐火材料(例如,單邊缺口或 SEN/滑動澆口)、不定形耐火材料適用於高爐和石化工業。

特種煅燒氧化鋁粉末是用於電子和工程應用的高級陶瓷行業的主要原材料。 這些粉末根據嚴格的化學、粒度和晶體類型規格生產各種等級,以適應廣泛的最終產品應用。

高質量氧化鋁的國際貿易已經建立。 許多陶瓷製造商都擁有內部研磨和噴霧乾燥設備。 噴霧乾燥系統供應的增長顯然是有限的,並且持續需要供應與客戶工廠相匹配的氧化鋁,以便可以以可接受的價格優化後者的使用。 氧化鋁是一種重要的陶瓷材料,可獲得高純度。 氧化鋁作為陶瓷原料的主導地位之所以出現,是因為它以相對較低的成本具有理想的性能。 這種成本效益歸因於鋁行業對氧化鋁的大量需求所導致的業務商品性質。

鋯石和氧化鋯. 氧化鋯的主要來源是礦物鋯石 (ZrO2  二氧化矽2),主要存在於澳大利亞、南非和美國的沙灘中。 從海灘沙子中提取的鋯石含有約 2% 的氧化鉿和微量的鋁2O3 (0.5%), 鐵2O3 (0.1%) 和二氧化鈦2 (0.1%)。 此外,所有鋯石都含有微量鈾和釷。 鋯石通過精細研磨加工,以生產一系列具有規定粒度的研磨產品。 這些產品已在熔模鑄造、鑄造廠、耐火產品中使用,並可用作白色陶瓷釉料中的遮光劑。

鋯石也是氧化鋯的主要來源。 鋯石可在碳存在下氯化,得到四氯化鋯和四氯化矽,然後通過蒸餾將其分離。 生產的四氯化鋯可直接用於製備氧化鋯或作為其他鋯化學品的原料。 與鹼金屬或鹼土金屬氧化物一起燒結也用於分解鋯石。 用水從分解產物中浸出二氧化矽,留下氫氧化鋯通過酸溶解和再沉澱進一步純化。 然後通過煅燒氫氧化物獲得氧化鋯。 鋯石還在 1,800°C (3,270°F) 的等離子體中轉化為氧化鋯和二氧化矽,并快速冷卻以防止重新結合。 通過溶解在氫氧化鈉中除去游離二氧化矽。 熔融氧化鋯在電弧爐中由斜鋯石或鋯石/碳原料生產。 在後一個過程中,鋯石中的二氧化矽成分被碳熱還原為一氧化矽,一氧化矽在殘留的氧化鋯熔化之前揮發。

總結

工業陶瓷行業非常多樣化,有很多內部加工。 許多最終製造操作都在鑄造型環境中進行。 這些操作中的材料處理系統在粉塵可能成為問題的地方輸送精細原材料。 然後將材料升溫至非常高的溫度並熔化或融合成最終零件所需的形狀。 因此,許多高溫行業存在的安全問題,在工業陶瓷行業同樣存在。

磚瓦

概況

由粘土製成的磚塊和瓦片早在世界許多地方就被用作建築材料。 如果製造和燒製得當,它們比某些石頭更耐用,能抵抗天氣以及溫度和濕度的巨大變化。 磚是一個標準尺寸的長方形,不同地區略有不同,但基本上方便瓦匠用一隻手操作; 屋頂瓦片是薄板,平坦或彎曲; 粘土磚也可用於地板。

製磚業非常分散。 世界各地有許多小型供應商。 由於成品的運輸成本,製磚往往涉及當地供應商和當地市場。 例如,1994 年美國有 218 家製磚廠,1992 年英國結構粘土產品生產商的數量為 182 家。 磚製造商通常位於粘土礦床附近,以降低原材料運輸成本。

在美國,磚主要用於住宅建築,作為承重材料或外牆材料。 由於製磚業與住宅業緊密相連,製造業活動高度依賴住宅建築業,幾乎完全依賴於住宅和非住宅建築業。

製造過程

材料與加工

基本材料是各種粘土,根據當地的供應和需要,混合了壤土、頁岩和沙子,以提供所需的質地、可塑性、規則性和收縮性以及顏色。

粘土的提取現在通常是完全機械化的; 製造通常在提取孔旁邊進行,但在大型工程中,粘土有時會在索道上通過滑橇運輸。 粘土的後續加工根據其組成和最終產品的不同而有所不同,但一般包括破碎、研磨、篩分和混合。 有關典型的磚塊製造操作,請參見圖 16。

圖 16. 磚瓦製造

POT10F15

線切割磚的粘土由滾筒破碎; 在攪拌器中加入水; 混合物再次滾動,然後通過臥式攪拌機進料。 然後將擠出的塑料粘土在線切割台上切割成一定尺寸。 半乾硬塑料材料通過軋製和篩分生產,然後送入機械壓力機。 有些磚仍然是手工模製的。

在使用塑料材料的地方,磚塊必須在燒製前通過陽光和空氣乾燥,或者更頻繁地在受監管的窯爐中乾燥; 由半乾或硬塑料製成的磚塊可以立即燒製。 燒製可以在環形窯中進行,通常是手工進料,也可以在隧道窯中進行,機械進料。 使用的燃料將根據當地的供應情況而有所不同。 在一些裝飾磚上塗上精整釉。

耐火材料

概況

耐火材料傳統上被認為是非金屬材料,可以在高溫下抵抗腐蝕性氣體、液體或固體的降解。 這些材料必須能夠承受由快速加熱或冷卻引起的熱衝擊、由熱應力引起的失效、由其他材料接觸耐火材料本身引起的機械疲勞以及由高溫環境激活的化學侵蝕。 大多數陶瓷產品的製造都需要這些材料,烤箱、烘乾機、熔爐和高溫軸承發動機部件特別需要這些材料。

直到 20 世紀,耐火材料幾乎完全由礦物製成。 然而,精通礦物學的技術人員正在關注。 自中世紀以來,冶金學家一直在試驗酸性和鹼性造渣方法,並列出了每種方法的一些好處。 耐火材料工匠相應地對甘尼斯特、其他幾乎純的二氧化矽礦物和菱鎂礦進行了實驗,菱鎂礦主要是 MgCO3 煅燒成 MgO 的礦物。 當 1856 年貝塞麥煉鋼轉爐發明時,將超過 1,600ºC 的工作溫度與腐蝕性酸結渣相結合,“酸性”二氧化矽耐火材料幾乎就緒。 當 1857 年西門子平爐在更高的溫度下出現時,煉鋼在這兩種情況下都轉向腐蝕性鹼性造渣,很快就引入了“鹼性”菱鎂礦襯裡。 由白雲石 (MgO-CaO) 製成的鹼性耐火材料是在第一次世界大戰期間開發的,當時盟軍切斷了歐洲菱鎂礦供應。 後來,隨著世界範圍內其他礦產資源的開發,菱鎂礦重新崛起。

表 4. 美國各行業的耐火材料使用情況

行業

占美國總銷售額的百分比

鐵和鋼

51.6

有色金屬

7.5

水泥

4.9

玻璃

5.1

陶藝

9.7

化工石油

2.1

公共設施

0.9

導出模板

7.4

所有其他和未指定的

10.8

 

與此同時,結合碳磚於 1863 年開始在英國生產,隨著工作溫度進一步攀升,最終被用於煉鐵高爐。 他們還迅速進入 Hall-Héroult 電解槽生產鋁(1886 年)。

石灰已經使用粘土和耐火磚窯製作了大約 5,000 年。 1877 年迴轉窯問世時,矽酸鹽水泥製造業首先需要創新的耐火材料。第一批耐火襯裡由水泥結合的水泥熟料製成。 後來,更耐用的商業耐火材料又回到了這個行業。

換熱式和蓄熱式爐起源於 1850 年代新生的鋼鐵製造,在 19 世紀後期被引入有色金屬冶金和玻璃製造。 粘土耐火材料也必須在那裡被取代。 從 1909 年開始,菱鎂礦襯裡被用於銅轉爐,大約 10 年後,它被用於第一個現代玻璃罐。 電弧爐於 1853 年首次嘗試用於煉鋼,並在 1990 年後變得普遍。100 年在美國安裝的一台重約 1927 噸的裝置採用菱鎂礦爐襯。

三相電弧爐在 1950 年以前就已存在; 直到那時,對更複雜的耐火材料的迫切需求才出現。 在同一時期,吹氧技術在 1940 年代被引入 Bessemer 和平爐。 轉爐 (BOF) 在 1950 世紀 XNUMX 年代後期接管了煉鋼。 吹氧由於其絕對的經濟重要性,促使耐火材料行業首次大規模地將合成材料引入其產品中。


耐火材料的性能

優質耐火材料的特性取決於應用的性質。 材料最重要的方面被稱為“耐火度”。 該術語指的是樣品開始軟化(或熔化)的點。 通常,耐火材料沒有特定的熔點; 相變在稱為軟化的現像中在一定溫度範圍內進行。 這種特性通常用高溫錐當量 (PCE) 來量化,PCE 是通過熱循環過程中錐體的塌落測量的熱含量的量度。

一個相關且通常更有用的屬性是負載下的故障溫度。 耐火材料通常在遠低於 PCE 對應溫度的溫度下承受負載失效。 在獲得該參數的值時,耐火材料承受已知負載並隨後被加熱。 記錄下垂或一般變形發生時的溫度。 這是非常有趣的,因為該值用於預測耐火材料使用期間的機械性能。 耐火材料的承載能力與存在的玻璃的粘度成正比。

了解耐火材料性能的另一個重要因素是尺寸穩定性。 在整個工業使用過程中,耐火材料會經歷加熱/冷卻循環,這會導致耐火材料膨脹或收縮。 尺寸的大變化會降低穩定性,並可能最終導致耐火材料結構失效。

耐火材料常見的相關現像是剝落。 剝落通常被認為是耐火材料的斷裂、劈裂或剝落,導致材料內部質量的暴露。 剝落通常是由材料內的溫度梯度、由於大體積裝料引起的結構壓縮以及磚內熱膨脹係數的變化引起的。 在耐火材料製造中盡一切努力避免散裂,因為散裂會降低耐火材料的有效性。

耐火材料的應用範圍廣泛,從鋼鐵行業的廣泛使用到水泥和公用事業行業的少量使用。 基本上,耐火材料用於任何使用高溫加熱和乾燥或焚燒材料的行業。 表 4 提供了美國耐火材料使用行業的當前細分。

如表 4 所示,鋼鐵行業使用了美國生產的耐火材料的 50% 以上。 因此,鋼鐵工業的需求在很大程度上推動了耐火材料的發展。


現代耐火材料

陶瓷已經從手工藝發展到應用科學。 美國陶瓷學會成立於1899年,英國陶瓷學會成立於1901年。氧化物相圖在1920年代開始出現在文獻中。 岩石學技術得到了很好的發展,人們開始了解耐火材料退化和磨損的詳細機制。 美國的耐火材料生產商已經在很大程度上進行了重組、整合,並且能夠進行自己的研究。 耐火材料合成工具和研究儀器都在蓬勃發展。

當然,合成工業碳並不新鮮。 1860 年代,焦炭首次在商業上由煤炭製成,此後不久又由石油製成。 1896年艾奇遜發明自電阻加熱電爐後,合成石墨和碳化矽幾乎同時出現在世紀之交。這些具有與氧化物截然不同的性質的產品迅速激發了自己的用途和市場。

合成氧化鋁,Al2O3自 1888 年左右拜耳工藝開始用於鋁生產以來,合成氧化鎂 (MgO) 就已問世。合成氧化鎂 (MgO) 最初是在 1937 年英國和 1942 年在美國由海水製成的,受戰時對鎂的需求刺激。 在軍方的推動下,氧化鋯已經面市。 多年來,石灰一直是一種主要商品。 手頭有許多其他化學品可作為耐火成分或次要添加劑和粘合劑考慮。 氧化物耐火材料的唯一重要成分在很大程度上無法被合成材料替代,是二氧化矽(SiO2) 高純度二氧化矽岩石和沙子比比皆是,用於該行業以及玻璃配方。

合成材料在耐火材料製造中的使用非常有幫助; 但礦物原料並沒有被取代。 合成材料的成本更高,而且必須證明該成本是合理的。 一些合成材料在耐火加工中會產生嚴重的問題,必須找到新的方法來克服這些問題。 最佳結果往往是通過合成和礦物原料的組合,以及對其加工的創造性投入來實現的。

自從第一次澆注鐵以來,粘土與碳的混合物就被用來襯砌坩堝和鋼包。 1860 年代,法國製造了含碳矽磚。 自 1960 年以來,技術和組合都發生了巨大變化。 從 MgO+C 開始,含碳氧化物耐火材料的使用如雨後春筍般湧現。 BOF 可能提供了第一個真正的推動力; 但如今,幾乎沒有任何先進的氧化物耐火材料類型是在添加或不添加碳或碳前體的情況下都可以在特定應用中實現卓越性能的。

電弧熔耐火顆粒或骨料自 1900 年代初期就開始生產,隨後在二三十年代出現了多種成分的熔鑄耐火磚,主要是莫來石、氧化鋁、鎂-氧化鋁-二氧化矽和氧化鋁-氧化鋯-二氧化矽。 通常情況下,這些產品完全由礦物原料製成。

事實上,全礦物耐火材料今天仍然是產品菜單的重要組成部分。 它們總體上更便宜,它們通常表現出色,並且仍然有許多需求較小的應用以及對最高耐火度和耐腐蝕性的關鍵需求的應用。

耐火材料行業

耐火材料在許多行業中用於各種鍋爐、窯爐和熔爐的內襯,但最大的百分比用於金屬製造。 在鋼鐵工業中,典型的高爐或平爐可能使用許多不同類型的耐火材料,一些由二氧化矽製成,一些由鉻和/或菱鎂礦製成,還有一些由耐火粘土製成。

以下行業也使用了更少的數量:天然氣、焦炭和副產品; 發電廠; 化學品; 烤爐和火爐; 水泥和石灰; 陶瓷; 玻璃; 搪瓷和釉料; 機車和輪船; 核反應堆; 煉油廠; 垃圾處理(焚化爐)。

製造過程

在任何特定應用中使用的耐火材料類型取決於工藝的關鍵要求。 例如,要求耐氣態或液態腐蝕的工藝需要低孔隙率、高物理強度和耐磨性。 要求低導熱性的條件可能需要完全不同的耐火材料。 實際上,通常使用幾種耐火材料的組合。 耐火材料和非耐火材料之間沒有明確的分界線,儘管承受 1,100°C 以上溫度而不軟化的能力已被列為工業耐火材料的實際要求。

製造給定耐火材料的技術目標體現在其在預期應用中的特性和性能。 製造工具包括對原材料以及加工方法和參數的選擇。 製造要求與相組成和微觀結構的特徵有關——統稱為材料特性——它們是通過加工形成的,它們本身決定產品的特性和行為。

原料

過去,耐火原料是從各種可用的礦床中挑選出來的,用作開采的礦物。 選擇性採礦產生具有所需特性的材料,只有在昂貴的原材料(例如菱鎂礦)的情況下才需要選礦過程。 然而,如今,對高純度天然原料的需求越來越大,因為由高純度和選礦原料組合而成的合成製備的耐火顆粒也是如此。 燒製原礦礦物或合成混合物產生的材料稱為穀物、熟料、共熟料或熟料。

耐火材料通常分為四類:鋁矽酸鹽、二氧化矽(或酸性)、鹼性和雜類。

四類耐火材料一般採用的材料有:

  1. 鋁矽酸鹽耐火材料. 耐火粘土主要由礦物高嶺石 [CAS 1318-74-7](Al203  2二氧化矽2 2H2O) 含少量其他粘土礦物、石英岩、氧化鐵、二氧化鈦和鹼類雜質。 粘土可以在原始狀態下使用,也可以在煅燒後使用。 生粘土可以粗磨或細磨以摻入耐火混合物中。 一些高純度高嶺土經過漿化、分級、乾燥和氣浮以獲得一致的高質量。 分類的粘土也可以混合併擠壓或造粒,然後煅燒以生產燒製的合成高嶺石熟料,或者可以燃燒粗粉碎的原料高嶺石以生產熟料。 在煅燒或燃燒時,高嶺石分解成莫來石和摻有與粘土沉積物相關的礦物雜質(例如,石英岩、氧化鐵、二氧化鈦和鹼)的矽質玻璃,並在高溫下固結成緻密的硬粒狀熟料。
  2. 矽質或酸性耐火材料 主要使用粉碎和研磨的石英岩(甘尼斯特)形式的二氧化矽(92 至 98%),並向其中添加合適的粘合物質,例如石灰 (CaO)。 矽磚一般要二次加熱,因為受熱會膨脹(粘土磚會收縮),最好在砌牆或砌襯之前完成膨脹。
  3. 鹼性耐火材料 使用白雲石、菱鎂礦 (MgO)、氧化鉻、鐵和鋁。
  4. 雜項耐火材料. 現在使用的材料種類繁多,比較常見的是碳化物,如碳化矽、石墨、氧化鋁、氧化鈹、氧化釷、氧化鈾、石棉和氧化鋯。

 

該行業發生了幾次革命。 這些革命包括處理噸位固體的進一步機械化方法、提高處理設備的能力和自動化以及用於快速採集和分析過程中控制數據的技術。 這些進步改變了耐火材料的製造實踐。

圖 17 說明了不同種類的耐火材料是如何製造的。 該圖以“決策樹”樣式繪製,發散的分支由數字鍵控以供識別。 有多種途徑,每一種途徑都生產一種特定類型的耐火產品。

圖 17. 耐火材料製造流程圖

POT10F16

這些通用流程圖代表了數以千計的具體流程,例如,通過原材料清單、準備方式和每個流程的大小和配料(意思是稱出的數量)、混合順序和方式等進行區分。 允許遺漏——例如,一些未成型的耐火材料是乾混的,在安裝之前從未潤濕過。

耐火材料或製品可預製(成型)或現場成型安裝,但一般按以下形狀供貨:

磚。 耐火磚的標準尺寸是長 23 厘米,寬 11.4 厘米,厚 6.4 厘米(直磚)。 磚可以在機械或液壓機上擠壓或乾壓。 成形的形狀可以在使用前燃燒,或者在瀝青、樹脂或化學結合磚(固化)的情況下。

熔鑄形狀. 耐火成分被電弧熔化並澆鑄成一定形狀(例如,大至 0.33、0.66、1.33 m 的玻璃罐熔塊)。 鑄造和退火後,塊體經過精確研磨以確保精確配合。

鑄造和手工模製耐火材料. 大型形狀,如燃燒器塊和助焊劑塊,以及復雜的形狀,如玻璃給料器部件、匣缽等,通過泥漿或水硬水泥鑄造或手工模製技術生產。 因為這些技術是勞動密集型的,所以它們專用於無法以其他方式令人滿意地成型的物品。

隔熱耐火材料. 由於磚的孔隙率,磚形式的隔熱耐火材料比相同成分的常規磚輕得多。

澆注料和噴補混合物. 澆注料由添加了水硬性粘合劑的耐火顆粒組成。 與水混合後,水硬劑發生反應並將物質粘合在一起。 噴補混合物設計為在水壓和氣壓下通過噴嘴噴射。 混合物在通過噴槍射出之前可以製成漿狀,或者在噴嘴處與水混合。

塑料耐火材料和搗打料. 可塑耐火材料是耐火顆粒和可塑粘土或增塑劑與水的混合物。 搗打料可能含有粘土,也可能不含粘土,通常與模板一起使用。 這些產品的用水量各不相同,但都保持在最低限度。

職業危害及注意事項

表 5 提供了有關該工業部門中發現的許多潛在危害的信息。

表 5. 玻璃、陶瓷及相關材料製造過程中發現的潛在健康和安全危害

危害性

使用或接觸源
危險

潛在影響(物理危害
或健康影響)

注意事項或控制策略

符合人體工程學的壓力源; 生物力學危害

手動材料處理實踐和過度用力、不良姿勢、高頻率/持續時間的涉及提升、推或拉的任務過度用力

背部、上肢和下肢的骨骼肌損傷中的拉傷、扭傷和跑步

過度的身心疲勞會導致錯誤導致二次事故

  • 可疑工作任務的體力需求評估
  • 工作設計/結構
  • 使用物料搬運設備,包括升降輔助裝置、動力車輛
  • 過程自動化或半自動化
  • 正確技術和實踐的教育

物理危害

被固定或移動設備夾住或撞擊

在步行和工作表面、軟管和其他設備、工具或材料上滑倒、絆倒和跌倒

擦傷、割傷、挫傷、裂傷、

穿刺、骨折、截肢

  • 安全工作程序
  • 良好的內務管理習慣
  • 設備設計與佈局
  • 工作設計和結構
  • 物料搬運設備
  • 防滑表面

Noise

氣動振動器、壓縮機、閥門執行器、混合驅動電機、鼓風機和除塵器、輸送機、動力工業卡車、機械化過程和包裝設備等。

職業性聽力損失、溝通困難和壓力

  • 隔離、封閉、阻尼、反射屏障或吸音材料
  • 創新的機器防護罩設計,降低噪音
  • 指定低噪音電機或設備(例如,阻尼振動器)
  • 氣動排放點上的消音器
  • 使用聽力保護和聽力保護計劃

輻射熱、高溫工作環境

維護或應急響應活動中的加熱或熔化過程

生理緊張、熱應激

或熱灼傷

  • 屏蔽、屏幕、屏障、反射表面、絕緣
  • 水冷設備護套
  • 空調控制室或外殼
  • 防熱服和手套、水冷內衣
  • 適應炎熱的工作環境、攝入水和電解質飲料、控制工作休息方案、其他積極的熱應激管理實踐

吸入來自原材料的空氣懸浮顆粒物,包括結晶二氧化矽、粘土、石灰、氧化鐵、有害粉塵

處理原材料和生產過程

日常維護活動、拆除和施工活動或重建期間的暴露

不通風設備或轉運點、溜槽、傳送帶、電梯、篩網、篩子、混合設備、研磨或破碎機、儲料箱、閥門、管道、乾燥或固化爐、成型操作的洩漏或密封不良可能會導致暴露, ETC。

原材料具有極強的磨蝕性,會導致製造過程中傳輸或存儲系統組件的劣化。 未能維護布袋除塵器、洗滌器或除塵器以及使用壓縮空氣進行清理活動會增加過度暴露的風險

強烈的加熱過程可能導致暴露於最危險形式的二氧化矽(方英石或鱗石英)

範圍從刺激(有害顆粒)到化學灼傷(生石灰或其他鹼性原料)到慢性影響,例如肺功能下降、肺部疾病、塵肺矽肺、肺結核

  • 使用布袋除塵器、洗滌器或其他除塵器對局部或工藝設備進行排氣通風
  • 良好的材料處理、製造工藝、轉移和卸載設備的設計和維護
  • 正確的材料處理、工作實踐、廢物減少和處置
  • 隔離加壓控制室或隔間中的操作員並實現轉移自動化,以最大程度地減少在多塵區域的時間
  • 呼吸防護、防護服、手套和其他個人防護裝備 (PPE)
  • 主動洩漏檢測和維修,包括除塵器、閥門在內的設備的預測性和預防性維護
  • 使用適當的真空系統或濕法/濕法進行日常清潔
  • 禁止使用壓縮空氣進行清理
  • 根據暴露情況定期進行醫學篩查、監測和早期干預

裂傷、擦傷或異物; 接觸鋒利的玻璃、陶器或陶瓷碎片或物體

飛濺的玻璃、陶瓷或其他碎片可能會造成穿透傷和嚴重的眼部損傷。 鋼化玻璃在製造過程中“爆炸”存在特殊風險

直接接觸玻璃或其他長絲,尤其是在連續長絲生產操作和塗層中的成型或纏繞過程中

光纖製造中的拉絲操作

皮膚和軟組織(肌腱、韌帶、神經、肌肉)的穿刺傷、撕裂傷或擦傷,以及眼內異物

嚴重繼發感染或皮膚接觸腐蝕性或有毒物質的風險

  • 防割防護手套的使用
  • 處理平板玻璃時使用編織線、金屬鍊或其他合適的手套
  • 機械化和自動化減少了生產和處理平板玻璃時的危險。 風險轉移給維修工人
  • 建立安全處理的工作規範
  • 預防感染的急救

手工工具造成的裂傷

剃須刀、手指刀、碎玻璃刀或其他鋒利的手工工具通常用於生產、包裝和倉儲區域或維護活動

割傷手指或手和下肢(腿)

  • 帶可伸縮刀片的刀具
  • 替代其他工具(剪刀或剪刀)
  • 存儲護套
  • 常規刀片更換和磨銳
  • 預防感染的急救

重金屬顆粒或煙霧(鉛、鎘、鉻、砷、銅、鎳、鈷、錳或錫)

作為釉料、產品配方、顏料、著色劑、薄膜或塗料中的原料或雜質

涉及焊接、切割、焊接和應用/去除保護塗層的維護和施工活動

研磨、切割、焊接、鑽孔或成型製造過程中的金屬零件、結構件或機械(例如,耐火塊或高溫合金)

重金屬毒性

  • 工程控制,包括工藝機械或設備的局部排氣和外殼
  • HEPA 通風便攜式電動工具
  • 使用通風間進行噴漆或塗裝活動
  • 減少空氣中顆粒物的良好工作規範,包括濕法
  • 客房清潔、HEPA 吸塵、濕式清潔、噴水
  • 個人衛生,污染工作服的隔離洗滌
  • 呼吸防護和防護服
  • 醫學監測和生物監測

甲醛通過吸入或直接接觸

玻璃纖維工業中粘合劑和漿料的成分

粘合劑或漿料混合過程中以及生產過程中的潛在暴露

感覺刺激和呼吸道刺激

可能的人類致癌物

  • 工藝排氣和一般通風
  • 自動分配和混合
  • 固化爐、篩網或過濾器的維護以及燃燒動力學
  • 固化爐上的主動洩漏檢測和控製程序
  • 帶護目鏡的面罩、手套和用於直接接觸的化學防護服
  • 根據需要進行呼吸保護

鹼(氫氧化鈉)或酸(鹽酸、硫酸、氫氟酸)

工藝水、鍋爐水或廢水處理和 pH 控制

使用氫氟酸進行酸洗或蝕刻工藝

對皮膚或眼睛有腐蝕性

呼吸道和粘膜刺激物

氫氟酸會導致嚴重的脛骨灼傷,數小時內都不會被發現

  • 進程隔離
  • 安全操作規範
  • PPE 使用——呼吸保護、橡膠手套、帶護目鏡的面罩、橡膠圍裙、防護服、洗眼器/安全淋浴
  • 排氣通風以控制酸蒸氣或氣溶膠

環氧樹脂、丙烯酸酯和聚氨酯(可能含有二甲苯、甲苯等溶劑)

生產中使用的樹脂、膠料、粘合劑和塗料中的成分

維修產品

對皮膚或呼吸道的潛在致敏物

一些環氧樹脂含有未反應的環氧氯丙烷,這是一種可疑的致癌物質

一些聚氨酯含有未反應的甲苯二異氰酸酯,疑似致癌物

某些系統中使用的胺類固化劑——刺激物或腐蝕劑

易燃危險

  • 安全操作規範
  • 避免噴塗應用(滾塗/刷塗)
  • 通風
  • 對用戶進行醫學篩查,以避免接觸敏感工人
  • PPE 使用——防滲手套、長袖
  • 隔離霜
  • 妥善存放

苯乙烯

含苯乙烯的聚酯樹脂、膠料成分

對眼睛、皮膚、呼吸道有刺激性; 對中樞神經系統 (CNS) 和靶器官的影響

可能的致癌物

易燃危險

  • 安全操作規範
  • 避免噴塗應用(滾塗/刷塗)
  • 通風
  • PPE 使用——耐化學腐蝕的手套、長袖、隔離霜
  • 呼吸器在某些情況下

矽烷類

添加到漿料、粘合劑或塗料中的附著力促進劑。 可水解釋放乙醇、甲醇、丁醇或其他醇類

對眼睛、皮膚和呼吸系統有刺激性; 潛在的中樞神經系統影響。 濺入眼睛會造成永久性傷害

易燃危險

  • 安全操作規範
  • PPE——手套和護目鏡
  • 通風

膠乳

漿料或粘合劑混合區、塗料和一些維護產品

對皮膚和眼睛有刺激性。 有些可能含有甲醛或其他殺菌劑和/或溶劑

  • PPE——手套、護目鏡
  • 呼吸器在某些情況下

催化劑和促進劑

添加到樹脂或粘合劑中以在生產中固化和/或用於某些維護產品

對皮膚或眼睛有刺激性或腐蝕性。 有些具有高反應性和溫度敏感性

  • 安全操作注意事項
  • 個人防護裝備、手套、護目鏡
  • 適當的儲存——溫度和隔離

碳氫化合物溶劑和/或氯化溶劑

維修車間和零件清潔操作

各種——刺激、化學性皮炎、中樞神經系統影響。 非氯化溶劑可能易燃

如果燃燒或加熱,氯化溶劑會分解

  • 替代危害較小的清潔劑(水基清潔劑)
  • 替代清洗方法——高壓水清洗、可剝離塗層等。
  • 零件清洗站的通風
  • PPE 使用——手套、眼睛/面部保護裝置、呼吸器(根據需要)

丙烷、天然氣、汽油、燃料油

工藝熱燃料

動力工業卡車燃料

火災和爆炸危險

接觸一氧化碳或其他不完全燃燒產物

  • 存儲和分配系統的正確設計和檢查,以及燃燒過程控制
  • 過程危害分析審查和定期完整性測試
  • 安全卸載、填充和處理實踐
  • 熱作程序
  • 燃燒過程和廢氣排放的例行測試和控制

吸入生物氣溶膠

噴霧過程中產生的含有細菌、黴菌或真菌的氣溶膠或加濕過程、冷卻塔、通風系統、濕式清潔活動中的冷卻水

具有全身性非特異性流感樣症狀、疲勞的水傳播疾病

皮炎的可能性

  • 工藝設計與消霧
  • 使用殺菌劑處理工藝和冷卻水
  • 日常清潔和消毒
  • 消除或減少水系統中的營養源
  • 呼吸系統防護
  • · 個人防護服、手套和良好的個人衛生

玻璃纖維、礦棉纖維、耐火陶瓷纖維

在製造過程中,包括纖維形成、熱固化、切割或立方體、纏繞、包裝和製造

使用纖維材料作為熔爐、管道和工藝設備的組成部分

不可吸入的纖維會對皮膚或眼睛造成機械刺激

可吸入的纖維會對眼睛、皮膚和呼吸道造成刺激。 在動物研究中,耐用纖維已引起纖維化和腫瘤

  • 工藝設備的全面通風和局部排氣通風
  • 切割方法
  • 良好的內部管理實踐(抽真空與壓縮空氣淨化方法)
  • 個人防護服(長袖)和經常清洗
  • 個人衛生
  • 呼吸器根據需要
  • 拆除或搬遷實踐,包括為維修後搬遷潤濕

 

安全與健康問題和疾病模式

本節概述了全行業記錄在案或疑似安全與健康問題。 有關該行業傷害和疾病的國際數據未在文獻搜索和互聯網搜索中找到(1997 年)。 由美國勞工部、職業安全與健康管理局 (OSHA) 和勞工統計局 (BLS) 編制的信息用於識別工作場所的常見危害並描述傷害和疾病的特徵。 這些數據應該代表全世界的情況。

檢查中發現的危險

對石材、粘土、玻璃和混凝土產品製造公司(標準工業分類 (SIC) 代碼 32,相當於 ISIC 代碼 36)的監管合規性檢查揭示了該行業的一些常見危害。 OSHA 發布的法規遵從性引用表明,常見的健康和安全問題可分為以下幾類:

  • 危害溝通 工作場所化學物質對身體和健康的危害
  • 控制危險能量— 上鎖和掛牌程序,以控制機器或設備周圍的活動,在這些活動中,意外通電或釋放儲存的能量可能會造成傷害。 危險能量包括電氣、機械、液壓、氣動、化學、熱輻射和其他來源。
  • 電氣安全,包括電氣設備或系統設計、接線方法、安全工作實踐和培訓
  • 允許進入所需的密閉空間——識別、評估和安全進入程序
  • 個人保護設備——評估、選擇和使用眼、臉、手、腳和頭部保護
  • 保護機器、設備和工具 保護操作員和相鄰工人免受操作點、進入咬合點以及旋轉部件、飛屑或火花的危害; 包括固定式機械、便攜式機械和便攜式電動工具,以及砂輪機械(打磨機)上防護裝置和工作台的調整(見圖 18)

 

圖 18. 機器防護保護操作員

POT10F17

  • 呼吸系統防護— 呼吸器的選擇、使用、維護、培訓、醫療許可和適合性測試
  • 職業噪聲暴露——通過工程、行政或聽力保護控制暴露和實施聽力保護計劃
  • 火災預防和應急準備和響應,包括滅火器、逃生路線、計劃和易燃/可燃材料的儲存或使用
  • 步行和工作表面,包括保護地板和牆壁的開口和孔洞; 家政; 保持過道和通道沒有滑倒、絆倒或跌倒危險的條件(見圖 19)

 

圖 19. 絆倒和滑倒的危險

POT10F18

  • 動力工業卡車——叉車、平台車、拖拉機、機動手推車或其他由電動機或內燃機驅動的專用工業卡車的設計、維護、使用和其他安全要求
  • 固定式和便攜式梯子、樓梯和腳手架——設計、檢查或維護及安全使用
  • 跌落防護- 在高空作業中使用防墜落裝置和製動設備
  • 切割和焊接—氧氣/乙炔或燃氣或電弧切割或焊接設備的安全使用和程序
  • 物料搬運設備—包括橋式起重機和龍門起重機、起重機、鏈條和吊索
  • 控制接觸有毒或有害物質,包括空氣污染物或特別受管制的化學品(例如二氧化矽、鉛、石棉、甲醛、鎘或砷)。

 

傷害和疾病概況

傷害疾病發生率

根據美國勞工部的記錄,石材、粘土和玻璃製品製造商 (SIC 32) 的非致命性職業傷害和疾病的“可記錄”總發病率為每年每 13.2 名全職工人 100 例。 這一發生率高於所有製造業 (12.2) 和所有私營行業 (8.4) 的相應發生率。 在石材、粘土和玻璃製品製造行業中,約 51% 的“可記錄傷害”案例不會導致損失工作日(請假時間)。

“總損失工作日案例”的發生率基於每 100 名全職工人中導致一名工人缺工的傷殘或疾病的數量,也可從美國勞工部獲得。 總損失工作日發生率包括損失工作日和工人無法執行全部工作(限製或輕型工作)的情況。 石頭、粘土和玻璃製品製造商的總損失工作日發生率為每年每 6.5 名工人 100 起。 這高於所有製造業 (5.5) 和所有私營行業 (3.8) 的相應比率。 在石材、粘土和玻璃製品製造行業,大約 93% 的工作日損失案例是由受傷而非職業病造成的。

表 6 提供了有關石材、粘土和玻璃產品製造行業(SIC 代碼 32)內各種類型製造過程的傷害和疾病(組合)或傷害(單獨)發生率的更多詳細信息。 發病率和人口統計數據可能無法代表全球信息,但它是最完整的可用信息。

 


表 6. 非致命性職業傷害和疾病發生率1 SIC 代碼 100 中美國公司每 32 名全職工人,私營工業和製造業,1994 年

 

行業

代碼2

1994年平均就業人數3 (千)

受傷和疾病

受傷

   

丟失工作日案例

 

丟失工作日案例

 

案件總數

Total4

離職幾天

無誤工案例

案件總數

Total5

離職幾天5

無誤工案例

私營企業,所有

 

95,449.3

8.4

3.8

2.8

4.6

7.7

3.5

2.6

4.2

製造業,所有

 

18,303.0

12.2

5.5

3.2

6.8

10.4

4.7

2.9

5.7

                     

石頭、粘土和玻璃製品

32

532.5

13.2

6.5

4.3

6.7

12.3

6.1

4.1

6.2

平板玻璃

321

15.0

21.3

6.6

3.1

14.7

17.3

5.2

2.6

12.1

玻璃和玻璃器皿,壓制的
或吹

322

76.8

12.5

6.0

3.0

6.5

11.3

5.5

2.8

5.8

玻璃容器

3221

33.1

14.1

6.9

3.4

7.2

13.2

6.5

3.2

6.7

壓制和吹製的玻璃,nec

3229

43.7

11.3

5.4

2.8

5.9

9.8

4.8

2.4

5.1

外購玻璃產品

323

60.7

14.1

6.1

3.1

8.0

12.7

5.4

2.9

7.4

結構粘土產品

325

32.4

14.1

7.7

4.2

6.5

13.1

7.2

4.0

5.9

磚和結構粘土瓦

3251

-

15.5

8.4

5.1

7.1

14.8

7.9

5.0

6.9

粘土耐火材料

3255

-

16.0

9.3

4.7

6.8

15.6

9.3

4.7

6.4

陶器及相關產品

326

40.8

13.6

6.8

3.8

6.8

12.2

6.1

3.5

6.1

玻璃質管道裝置

3261

-

17.8

10.0

3.8

7.8

16.1

9.0

3.5

7.1

玻璃瓷桌和
廚具

3262

-

12.8

6.3

4.4

6.5

11.0

5.6

3.8

5.5

瓷器電器用品

3264

-

11.3

5.8

3.7

5.6

9.8

5.0

3.4

4.8

陶器產品,不另分類

3269

-

12.6

5.6

3.7

7.1

11.6

5.0

3.5

6.6

混凝土、石膏和石膏
製品

327

198.3

13.4

7.0

5.6

6.4

13.0

6.9

5.5

6.2

混凝土塊和磚

3271

17.1

14.5

7.8

6.8

6.8

14.0

7.7

6.7

6.2

混凝土製品,其他

3272

65.6

17.7

9.8

7.0

7.9

17.1

9.5

6.8

7.6

預拌混凝土

3273

98.8

11.6

6.0

5.3

5.6

11.5

6.0

5.3

5.5

雜項。 非金屬礦物
製品

329

76.7

10.7

5.4

3.3

5.3

9.8

5.0

3.2

4.9

磨料產品

3291

20.0

10.2

3.9

2.5

6.3

9.5

3.7

2.4

5.8

礦棉

3296

23.4

11.0

6.1

3.0

4.9

10.0

5.6

2.7

4.3

非粘土耐火材料

3297

-

10.6

5.8

4.5

4.8

10.2

5.7

4.3

4.6

非金屬礦產品,
NEC

3299

-

13.1

8.2

5.8

4.9

11.4

7.0

5.5

4.3

nec = 未分類
- = 數據不可用

1 發病率表示每 100 名全職工人受傷和患病的人數,計算方法是受傷和患病的人數除以日曆年所有僱員的工作小時數再乘以 200,000(相當於 100 名工人每週工作 40 小時的基準)每年 52 週)。

2 標準產業分類手冊1987年版。

3 就業以年平均數表示,主要來自 BLS 州當前就業統計計劃。

4 案件總數包括僅涉及受限工作活動的案件,以及有或沒有受限工作活動的離職天數案件。

5 缺勤天數包括因缺勤天數導致的情況,無論是否有限制工作活動。

資料來源 = 資料來源:基於美國勞工部勞工統計局對私營企業工傷和疾病的全國調查。


 

傷害和疾病病例的人口統計數據

在美國石材、粘土和玻璃產品製造行業的 25 起失時工傷或疾病案例中,年齡在 44 至 59 歲之間的工人約佔 23,203%。 下一個受影響最大的群體是 45 至 54 歲的工人,他們有 18% 的失時工傷或疾病案例(見圖 20)。

圖 20. 按年齡劃分的損失工時傷害和疾病; 我們

POT10F19

SIC 代碼 85 中大約 32% 的失時工傷事故和疾病是男性。 在 24% 的誤工案例中(男女),工人的工作時間不到 1 年。 工作年限為 1 至 5 年的工人佔 32%。 工作時間超過 5 年的經驗豐富的員工佔損失工時案例的 35%。

性質. 對損失工時事故概況的分析表明了致殘性傷害和疾病的性質,並有助於解釋起因或促成因素。 拉傷和扭傷是石材、粘土和玻璃製品製造行業受傷和疾病的主要原因。 如圖 23 所示,拉傷和扭傷約佔所有誤工案例的 42%。 割傷和刺傷 (10%) 是第二常見的致殘性傷害或疾病。 其他主要傷害類別是瘀傷 (9%)、骨折 (7%) 和背部/其他疼痛 (5%)。 熱燒傷、化學燒傷和截肢不太常見(1% 或更少)。

圖 21. 職業傷害和疾病

POT10F20

事件或曝光. 圖 22 顯示,舉重時用力過度會導致所有其他致殘性傷害事件或暴露。 在大約 17% 的致殘案例中,舉重時過度勞累是一個致病因素; 重複運動是另外 5% 致殘病例的暴露。 被物體擊中是下一個最常見的事件,它導致了 16% 的案例。 撞擊物體事件導致了 10% 的案例。 其他重要事件包括被物體夾住 (9%)、在同一水平面跌落 (9%)、跌落至較低水平面 (6%) 以及沒有跌倒的滑倒/絆倒 (6%)。 接觸有害物質或環境是僅 5% 病例的致病因素。

圖 22. 職業傷害中的事件或暴露

POT10F21

身體的一部分. 最常受影響的身體部位是背部(佔病例的 24%)(見圖 23)。 23% 的病例發生上肢(手指、手、手腕和手臂)受傷,7% 的病例發生手指受傷。 下肢損傷相似(22% 的病例),9% 的病例膝關節受到影響。

圖 23. 因誤工受傷而受影響的身體部位

POT10F22

來源. 致殘性傷害或疾病案例最常見的來源是:零件和材料(20%); 工人職位或動議 (16%); 地板、人行道或地面 (15%); 容器(10%); 機械(9%); 車輛(9%); 手工工具 (4%); 家具和固定裝置(2%); 化學品和化學產品 (2%)(見圖 24)。

圖 24. 職業傷害的來源

POT10F23

疾病預防控制

與重複運動、過度用力和過度用力相關的累積創傷是該製造業的常見發現。 在某些情況下可以使用機器人設備,但手動操作仍占主導地位。 壓縮機、鼓風機、旋轉器、氣動振動器和包裝設備會產生超過 90 至 95 dBA 的噪音。 聽力保護和健全的聽力保護計劃將防止聽力發生永久性變化。

該行業消耗大量結晶二氧化矽。 在處理、維護和清潔期間必須限制接觸。 使用適當的真空系統或濕式清潔方法進行良好的清潔將減少潛在的接觸。 如果過度接觸二氧化矽,應使用肺功能測試和胸片進行定期篩查。 還應盡量減少接觸作為原材料、釉料或顏料的重金屬。 使用釉料中發現的重金屬替代品也將消除有關金屬浸入食品或飲料的健康問題。 良好的內務管理習慣和呼吸保護用於防止不良影響。 可能需要包括生物監測在內的醫學監測。

含有甲醛、環氧樹脂和矽烷的粘合劑在玻璃質纖維的製造中很常見。 必須採取措施盡量減少對皮膚和呼吸道的刺激。 甲醛在許多國家被列為致癌物。 可吸入纖維是在玻璃、岩石、礦渣和耐火陶瓷纖維產品的製造、製造、切割和安裝過程中產生的。 雖然對於這些材料中的大多數來說,暴露於空氣中的纖維通常很低(每立方厘米少於 1 根纖維),但鬆散填充吹塑應用往往要高得多。

岩石、礦渣和玻璃是當今使用中研究最廣泛的商業絕緣產品。 流行病學研究表明,吸煙對製造業員工的肺癌死亡率有重大影響。 進行良好的橫斷面研究並未表明纖維會導致肺部死亡率或發病率過高。 最近對大鼠進行的慢性吸入研究表明,玻璃體纖維的耐用性是這些纖維生物學潛力的關鍵決定因素。 決定這些纖維耐用性的成分可能會有很大差異。 為避免公眾健康問題,歐盟委員會技術委員會最近提議使用短期吸入測試玻璃體纖維的生物持久性。 建議將絕緣羊毛組合物作為參考纖維,該組合物已通過大鼠長期吸入的最大耐受劑量進行了徹底測試,並且發現不會產生不可逆轉的疾病。

環境和公共衛生問題

玻璃、陶瓷、陶器和磚塊製造過程中排放的主要空氣污染物是顆粒物。 由布袋除塵器和濕式靜電除塵器組成的最大可實現控制技術可用於在必要時減少排放。 粘合劑混合、應用和固化過程中產生的有害空氣污染物正在接受審查。 這些物質包括用於連續玻璃長絲的苯乙烯、矽烷和環氧樹脂,以及在岩石、礦渣和玻璃生產過程中使用的甲醛、甲醇和苯酚。 甲醛是一種有害的空氣污染物,正在推動後者生產線的控制標準。 鉻等重金屬有害空氣污染物正在推動玻璃熔爐標準的製定,而 NOx 所以x 在一些國家仍然存在問題。 氟化物和硼的排放是連續玻璃絲生產中的一個問題。 如果某些國家/地區需要高度可溶的玻璃棉纖維,硼也可能成為環境問題。

由於空氣排放量大以及成型和玻璃熔化的性質,該行業會蒸發大量的水。 許多設施,例如在美國,實現了廢水零排放。 如果不進行處理以防止生物生長,含有機物質的回收廢水會在工作場所造成生物危害(見圖 25)。 該工業部門產生的廢物包括重金屬、腐蝕性物質、一些粘合劑和用過的溶劑。 玻璃纖維行業已成為回收玻璃瓶和平板玻璃的重點。 例如,目前的玻璃棉產品含有 30% 到 60% 的回收玻璃。 用過的耐火材料也被回收並有益地再利用。

圖 25. 再利用廢水的氣溶膠

POT10F24

致謝: 特別感謝 CSP、Libbey-Owens-Ford 的 Dan Dimas 提供照片,並感謝 Libbey-Owens-Ford 的 Michel Soubeyrand 為玻璃部分提供有關化學氣相沉積的信息。

 

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玻璃、陶器和相關材料參考

美國國家標準協會 (ANSI)。 1988. 瓷磚。 ANSI A 137.1-1988。 紐約:ANSI。

Carniglia 和 SC Barna。 1992. 工業耐火材料技術手冊:原理、類型、特性和應用。 新澤西州帕克里奇:諾伊斯出版社。

哈伯、RA 和 PA 史密斯。 1987. 傳統陶瓷概述。 新澤西州新不倫瑞克省:新澤西州立大學羅格斯大學陶瓷鑄造項目。

人,人力資源部。 1983. 玻璃技術製造和性能。 首爾:Cheong Moon Gak 出版公司。

圖利,FV(編輯)。 1974. 玻璃製造手冊。 卷。 我和二。 紐約:工業圖書公司。