СЫРЬЕ ИСПОЛЬЗУЕМОЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТЕКЛА.


Сырье для производства стекла.

Сырьевые материалы влияют на свойства и качество стекла, поэтому следует кратко остановиться на них.

Кремнезем Si02 в природе встречается в виде кварца, скопления которого образуют кварцевые пески; высококачественные стекольные белые пески содержат незначительное количество примесей, в частности окиси железа, которая придает стеклу зеленоватую окраску. Небольшое содержание окислов натрия, калия, кальция и алюминия не ухудшает качества стекла. Чистый кварц плавится при температуре около 1700° С, образуется кварцевое стекло, которое характеризуется высокой температурой размягчения, большой стойкостью к воздействию химикатов и резкой смене температур. Оно пригодно для изготовления колб ртутно-кварцевых ламп, так как хорошо пропускает ультрафиолетовые лучи. Для обычного стекла не требуется такая высокая температура размягчения, поэтому в стекольную шихту вводят материалы (сода, поташ и др.), которые ускоряют процесс стеклообразования и понижают температуру варки стекла.

Сода Na2C03 — основной материал для введения в стекло окиси натрия; она должна содержать не менее 95% углекислого натрия. Температура плавления соды 850° С. При нагреве смеси чистого песка и соды образуется прозрачная стеклообразная масса, которая растворяется в воде и называется «растворимое стекло»:   Si02 + 2NaOH → Na2Si03 + H20.
Используя вместо соды поташ К2СО3, получают калиевое стекло, которое применяют для изготовления хрустальных изделий, а также оптических и цветных стекол.

Известняк СаС03. Благодаря окиси кальция СаО стекло, полученное из смеси песка и соды, становится нерастворимым в воде. Для введения в стекломассу СаО используют известняк или доломит CaC03-MgC03.

Глинозем А1203 повышает механическую прочность, а также термическую и химическую стойкость стекла.

Борный ангидрид В203. При замене части двуокиси кремния борным ангидридом повышается скорость стекловарения, улучшается осветление и уменьшается склонность ее к кристаллизации.

Окись свинца РЬО, введенная в стекло, повышает его показатель преломления; ее применяют, главным образом, при изготовлении оптического стекла и хрусталя.

Окись цинка ZnO понижает температурный коэффициент линейного расширения стекла, вследствие чего   повышается его термическая стойкость.
Вспомогательные сырьевые материалы для окраски стекла здесь не рассматриваются.

Технология получения стекла: получение стекломассы.

1) Получение стекломассы включает операции:

а) подготовки сырых материалов;

Сырые материалы, применяемые для стекловарения, делятся на главные и вспомогательные. Последние служат для улучшения качества стекла и получения стекла с особыми свойствами.

Главные сырые материалы содержат кремнезём, борный и фосфорный гидриды, оксид алюминия, оксиды щелочных и щёлочноземельных металлов, оксиды свинца, цинка и др.

Кремнезем, являющийся главной частью стекла, вводится в виде молотого кварца. Пригодность песка для стекловарения определяется содержанием в нём примесей и гранулометрическим (зерновым) составом. Вредными примесями являются прежде всего соединение железа и хрома, придающие желтовато-зелёный цвета. Размер зёрен песка для стекловарения должен находиться в пределах примерно 0,2-0,5 мм.

Оксид алюминия, применяемая в производстве большинства промышленных стекол, вводится с глиной, каолином, гидратом окиси алюминия или в виде чистого глинозёма.

Оксид натрия вводится с кальцинированной содой либо (частично) с селитрой. Оксид калия вводится в виде солей — кислой или азотнокислой (селитра); применяется главным образом в производство посуды, цветных, оптических и некоторых технических стекол. Оксид лития используется при выработке опаловых и некоторых специальных стекол и даётся в виде содержащих литий минералов. Оксид кальция вводится преимущественно в виде мела или известняка; оксид магния — в виде доломита, магнезита или жжёной магнезии. Оксид бария применяется в виде углекислого, азотнокислого и (реже) сернокислого бария; используется при производстве оптических стекол и хрусталя. В тех же производствах находит применение оксид свинца, который вводится в виде сурика или глёта. Оксид цинка даётся как таковая или в виде цинковых белил; применяется в производство оптических, химико-лабораторных и некоторых других стекол.

В стекловарении используются также материалы, содержащие одновременно соответственные горные породы, доменный шлак, стеклянный бой и др.

К вспомогательным сырым материалам относятся осветлители, обесцвечиватели, красители, глушители, а также восстановители (углеродистые вещества).

В качество осветлителей, способствующих удалению из стекла пузырей, применяют в небольших количествах сульфаты натрия и аммония, хлористый натрий, трехокись и пятиокись мышьяка в сочетании с селитрой, плавиковый шпат. Некоторые из этих веществ одновременно являются обесцвечивателями. Химическое действие обесцвечивателей сводится к окислению в стекло соединений железа. При применении физического методов обесцвечивания в шихту вводятся в незначительных количествах вещества, окрашивающие стекломассу в дополнительный к зеленому цвет (селен, соединения кобальта, марганца и др.). В качестве красителей применяют соединения кобальта, никеля, железа, хрома, марганца, селена, меди, урана, кадмия, серу, хлорное золото и др. Рассеивающие свет, т.е. белые, мало прозрачные стекла называются глухими или заглушенными. В зависимости от степени глушения различают молочные (наиболее заглушенные), опаловые и опалесцирующие. В качестве глушителей применяются различные фтористые соединения, фосфаты, соединения сурьмы, олова и др.

Предварительная заготовка и формование горла изделия производятся при этом способе прессованием (в черновой форме), а остальная часть изделия — выдуванием (в чистовой форме).Подготовка сырых материалов заключается в сушке, измельчении в дробилках, просеивании и смешивании в определённых весовых отношениях. Однородная смесь сырых материалов составляет шихту.

б) смешивания их в определенных соотношениях, в соответствии с заданным химическим составом стекла в однородную шихту;

в) варки шихты в стекловаренных печах для получения однородной жидкой стекломассы.

Стекловарение ведётся при температурах порядка 1400°—1600°С. В нем различают три стадии. Первая стадия- провар, или варка в собственном смысле слова, когда происходит химическое взаимодействие между составными частями шихты и образование вязкой массы. Так как при нагревании из шихты обильно выделяются газы, то в вязкой массе оказывается огромное количество пузырьков.

Во второй стадии, называемой очисткой или осветлением, происходит удаление пузырьков, а также растворение еще оставшихся нерастворенными зёрен песка; в этой стадии стекло выдерживается в печи в течение нескольких часов при наиболее высокой температуре.

Третья, заключительная, стадия - студка стекломассы, когда она охлаждается до такой температуры (в зависимости от процесса производства и, следовательно, вязкости), при которой становится возможным и наиболее удобным изготовлять из неё те или иные изделия. Варка стекла производится в стекловаренных печах. Выбор того или иного типа печи обусловливается видом применяемого топлива, ассортиментом вырабатываемых изделий, размерами производства и прочее.

Управление современной стекловаренной печью строго контролируется и в значительной мере автоматизировано. Контроль доведён до высокой степени точности. Например, давление(разрежение) газов в рабочем пространстве печи измеряется с точностью до 0,02 мм водяного столба, уровень стекломассы — с точностью до 0,1 мм и т.д. Автоматически регулируются: давление (тяга) в печи; соотношение газообразного или жидкого топлива и воздуха; количество подаваемого в печь топлива; уровень стекломассы в ванне и другие параметры. Каждый из них влияет на температуру в печи, поэтому, регулируя их в совокупности, можно обеспечить постоянство температурного режима варки стекломассы и, следовательно, надлежащее её качество.

Процесс варки стекла некоторых видов, например оптического, кварцевого, стеклянного волокна, отличается специфическими особенностями. Так, при производстве оптического стекла, к которому предъявляются особо жёсткие требования в отношении постоянства оптических свойств, однородности, прозрачности и прочее, требуется на всех стадиях варки длительное размешивание массы. В связи с очень большой её вязкостью и применением высоких температур своеобразна техника варки кварцевого стекла. Прозрачное кварцевое стекло изготовляется из горного хрусталя в графитовых тиглях, разогреваемых под вакуумом до 1900°—2000° индукционными токами высокой частоты, либо прямым пропусканием электрического тока (электропроводность стекла значительно возрастает при повышении температуры). В конце варки в печь впускают воздух под атмосферным или повышенным (от компрессора) давлением. Другой способ варки этого стекла— сплавление кварцевого порошка в пламени кислородно-водородной горелки. Непрозрачное кварцевое стекло получается путём оплавления кварцевого песка на угольном или графитовом стержне, разогретом электрическим током до 1800°С.

Стеклоформующая машина, стеклоформовочная машина, предназначается для изготовления (формования) изделий из стекла отливкой в формы, штамповкой, прессовкой, прокаткой, вытягиванием, выдуванием и т.д.

Формование производится в интервале вязкостей 102-4 107 н.сек/м2 (1 н .сек/м2= 10 пуаз), что соответствует температурам 700-1000 °С. Для получения листового стекла (оконного, витринного и др.) используются стеклоформующая машина вертикального вытягивания стекла. Принцип действия этих Стеклоформующая машина заключается в непрерывном оттягивании горячей стекломассы, поступающей через щель лодочки (рис. 1) или со свободной поверхности расплава. В результате оттягивания образуется лента стекла шириной до 2,5-3 м и толщиной 2-6 мм, которая с помощью асбестовых валиков транспортируется через шахту машины (где отжигается), а затем поступает на отломку, резку и упаковку. Скорость вытягивания стекла толщиной 2 мм около 120 м/ч. Листовое стекло вырабатывается также горизонтальным вытягиванием и способом проката. Листовое полированное стекло получают по методу формования на расплаве олова, при этом способе стекломасса выливается на поверхность расплавленного олова, где под влиянием гравитационных сил, поверхностного натяжения и сил вытягивания приобретает плоскопараллельность верхней и нижней поверхностей листа. Скорость формования ленты стекла шириной 3-4 м до 1000 м/ч.

Основные понятия, которые необходимо знать после изучения материала данной лекции

Боросиликатные стекла, кварцевая посуда, НС-нещелочное и АБ-1 -безборное стекло.

Вопросы для самоконтроля

1. Что представляет собой стекло?

2. Состав ампульных сортов стекла?

3. Наиболее важные качества стекла?

4. Объясните явления происходящие при воздействии на стекло растворов кислот?

5. Объясните явления происходящие при воздействии на стекло растворов щелочей?