Физико-химические основы получения изделий из стекольных расплавов

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, Al2O3 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; Аl2O3 — с пегматитом или полевым шпатом; Na2O — с содой; К2O—с поташом; В2O3 — 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.

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.

На первой стадии силикатообразования по мере нагревания шихты из нее испаряется влага, обезвоживаются гидраты, термически разлагаются некоторые соли (например, нитраты). При 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 представлена 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 — длительным выдерживанием ее в зоне высоких температур, а также бурлением стекломассы сжатым воздухом. Процессу гомогенизации способствует также перемешивание массы газовыми пузырями в процессе осветления. Осветление и гомогенизация — самые длительные стадии варки стекла.

Завершающая стадия процесса стекловарения — студка — заключается в повышении вязкости стекломассы до пределов, допускающих формование изделий, за счет снижения температуры до 1000…1200°С. Если на стадии осветления и гомогенизации вязкость стекломассы составляет около 10 Па-с, то при выработке 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).

Leave a reply

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>