Получение стекла
Получение стекла состоит из нескольких производственных этапов, зависящие от вида сырьевого материала, главного и вспомогательного.
Стекло — материал, обладающий комплексом разнообразных, не присущих другим видам строительных материалов свойств, характерными из которых можно считать светопропускание и хрупкость. Свойства стекла зависят от многих факторов: состава, режима теплообработки, состояния поверхности, размеров образца и др. Для изготовления стекла основным сырьем служат кварцевый песок, сульфат натрия или сода а также известняк. Варка строительного силикатного стекла производится в стекловаренных печах при температуре до 1500°С.
Для удовлетворения потребностей отраслей народного хозяйства разработаны сотни видов стекол различных составов. Как правило, современные промышленные стекла содержат не менее пяти компонентов, а специальные технические — более десяти.
Изменение химического состава стекольного расплава позволяет эффективно регулировать прочностные, теплофизические, диэлектрические, химические и другие свойства стекла. Так, повышение химической устойчивости и механической прочности достигается за счет увеличения в составе стекла SiO2, Аl2О3 и СаО; замена части SiO2 на РbО придает стеклу повышенный блеск; введение в расплав фторидов позволяет получить глушеное стекло и т. д.
Разнообразие свойств изготовляемых стекол обусловливает и разнообразие используемого сырья. Все сырьевые материалы, применяемые для варки стекла, делят на главные и вспомогательные. Первые вводят в состав шихты необходимые для данного стекла основные и кислотные оксиды, вторые придают стекломассе специфические свойства, облегчают ее варку и выработку.
Главные стеклообразующие оксиды вводят в состав шихты со следующими видами сырья: SiO2 — с кварцевыми песками или песчаниками: СаО и MgO — с известняками и доломитами; Аl2 О3 — с пегматитом или полевым шпатом; Na2О — с содой; К2О — с поташом; В2О3 — с бурой; РbО — с суриком и т. д. Основное требование, предъявляемое ко всем видам сырья, —чистота и однородность по составу. Особенно жесткие требования предъявляют к чистоте кремнеземсодержащего сырья, составляющего до 70% шихты.
К вспомогательным материалам относят вещества, создающие восстановительную или окислительную среду в стекольной шихте и печной атмосфере, ускоряющие процессы стеклообразования и обесцвечивания стекломассы, и красители. В качестве восстановителей применяют антрацит и кокс, окислителей — нитраты натрия или калия, оксиды мышьяка и сурьмы.
Ускоряют процесс стекловарения добавкой сульфата натрия, кремнефтористого и хлористого натрия. Красителями стекла являются соединения металлов, растворимые в стекломассе или образующие в ней взвешенные микрочастицы металлов и их соединений. Обязательным компонентом шихты является стекольный бой. Перед обработкой стекольный бой должен быть отсортирован, измельчен, вымыт и подвергнут магнитной сепарации для удаления металлических включений.
Рисунок-1. Загрузчик шихты
Стекольную шихту готовят путем дозирования по заданному рецепту сырьевых материалов и тщательного их перемешивания. Смешение шихты производят в смесителях периодического действия: тарельчатых, барабанных, а также конусных. В последнее время за рубежом широко применяют скоростные турбинные смесители, позволяющие сократить время перемешивания до 1 мин.
Важнейшими стадиями процесса варки стекла являются: силикатообразование, осветление, гомогенизация и студка стекломассы. Сущность каждой стадии сводится к следующему:
Стекловарение
В процессе стекловарения при температуре 800-900°С протекает стадия силикатообразования. На первой стадии силикатообразования по мере нагревания шихты из нее испаряется влага, обезвоживаются гидраты, термически разлагаются некоторые соли (например, нитраты). При температуре 300…400°С в промышленных шихтах начинается взаимодействие карбонатов и сульфатов с образованием двойных солей и легкоплавких эвтектик. При дальнейшем повышении температуры в реакции вступают песок и глиноземные материалы с образованием различных силикатов.
Одновременно вследствие плавления некоторых солей и эвтектик в шихте появляется расплав, интенсифицирующий взаимодействие компонентов. Уже при температуре порядка 800°С взаимодействие компонентов шихты заканчивается, выделение газов прекращается. За счет жидкой фазы, образующейся при плавлении соды и эвтектических примесей, происходит спекание шихты. Однако значительная часть кремнезема (до 25%) остается в свободном состоянии. Для обычных натриево-кальциевых стекол стадия силикатообразования завершается при 800…900°С.
На второй стадии стеклообразования при повышенных температурах происходит плавление массы, избыточные зерна кварца и возникшие ранее силикаты растворяются в расплаве. К концу второй стадии при температуре 1100…1200°С шихта представ лена прозрачной, но неоднородной по составу стекломассой, пронизанной множеством газовых пузырей.
На стадии осветления происходит удаление газов из расплава; крупные пузыри поднимаются на поверхность и лопаются, а мелкие растворяются в расплаве. Для обычных стекол осветление заканчивается при температуре 1400…1500°С.
Структура стекломассы в процессе варки очень неоднородна. Для выравнивания ее химического состава, ликвидации свили и гетерогенных слоев стекломасса проходит стадию гомогенизации. В печах периодического действия она осуществляется перемешиванием стекломассы, в печах непрерывного действия — дли тельным выдерживанием ее в зоне высоких температур, а также бурлением стекломассы сжатым воздухом. Процессу гомогенизации способствует также перемешивание массы газовыми пузыря ми в процессе осветления. Осветление и гомогенизация — самые длительные стадии варки стекла.
Завершающая стадия процесса стекловарения — студка, заключающаяся в повышении вязкости стекломассы до пределов, допускающих формование изделий, за счет снижения темпера туры до 1100…1200°С. Если на стадии осветления и гомогенизации вязкость стекломассы составляет около 10 Па•с, то при вы работке она должна быть не менее 100 Па•с.
Разделение процесса варки стекла на отдельные стадии достаточно условно, поскольку некоторые из них протекают одновременно. В то же время любой ограниченно малый объем шихты обязательно проходит все пять стадий процесса стекловарения.
Для промышленных стекол, вырабатываемых механическими способами, стекломассу получают в непрерывно действующих стекловаренных ванных печах, а для некоторых специальных видов стекол — в печах периодического действия (горшковых или ванных).Читай далее продолжение статьи
Добавить комментарий