2. Основы производства

Сырье. Основные сырьевые компоненты для производства материалов из стекла — кварцевый песок, сода, мел, доломит, известняк, т.е. в стекломассу вво­дятся кислотные, щелочные и щелочно-земельные оксиды. От их количества не­посредственно зависят все основные эксплуатационно-технические свойства стекла.

Большое влияние на свойства строительных стекол оказывают вспомогатель­ные компоненты: осветлители, обесцвечиватели, красители, глушители, окисли­тели, восстановители.

Осветлители вводят в шихту для освобождения стекломассы от видимых пу­зырей, т.е. для ее осветления, чем ускоряется процесс стекловарения. Действие осветлителей заключается в том, что при нагревании они разлагаются с выделе­нием большого количества газообразных продуктов. Улетучиваясь из стекломас­сы, они способствуют удалению из нее и других газов (пузырей).

Обесцвечиватели вводят в стекломассу, чтобы устранить нежелательные сине-зеленые или желто-зеленые оттенки, которые стекломасса приобретает из- за примесей железа в сырьевых материалах. Стекло обесцвечивают и химиче­ским, и физическим способами.

Красители служат для окрашивания стекла в тот или иной цвет. Обычно в качестве красителей используют соединения металлов. По механизму их дей­ствия различают молекулярные и коллоидные красители. Молекулярные краси­тели, введенные в стекломассу, растворяются в ней. Окраска таких стекол не из­меняется при повторной тепловой обработке. К этой группе красителей отно­сятся, главным образом, оксиды тяжелых металлов — марганца, кобальта, нике­ля, хрома, железа, урана. К коллоидным относятся те красители, которые при введении в стекломассу равномерно распределяются в ней в виде мельчайших коллоидных частиц, например, соединения золота, меди, селена, серебра.

Большинство светопрозрачных стекол варят в окислительной среде. Это де­лают, в основном, для перевода закисной формы железа (FeO), содержащейся в сырье, в его окисную форму (Fe₂0₃). Первая придает стеклу зеленоватый отте­нок. Вместе с тем существует группа стекол (цветных), для варки которых тре­буется восстановительная среда. Для регулирования этих условий варки в стек­ломассу вводят окислители и восстановители.

Сырьем для производства материалов из минеральных расплавов (каменных, шлаковых) служат, соответственно, базальтовые, диабазовые, базальто-доломито- вые и другие породы, доменные металлургические шлаки.

Основы технологии. Основные технологические операции при производстве материалов из стекла — варка и формование.

Варка стекла производится в печах различного типа. Листовое светопрозрач­ное стекло варят в ванных печах непрерывного действия. При этом выделяют пять стадий стекловарения: силикатообразование при температуре 800—900 °С, стекло- образование (1 100... 1 200 °С), осветление и гомогенизация (1 400... 1 600 °С), студ- ка (1 100...1 200 °С).

Не менее важен этап формования стекломассы. При производстве материа­лов из стекла применяют следующие способы формования: прессование, прокат, вытягивание, формование на расплаве металла (флоат-способ). Последние два способа широко распространены при производстве листового стекла.

Принцип вертикального вытягивания состоит в транспортировании снизу вверх с помощью валков машины ленты стекломассы (после студки) шириной до 3 м. Лента выдавливается из стекломассы с помощью погруженного в нее спе­циального приспособления (шамотной лодочки).

Флоат-способ (рис. 78) — наиболее производителен и эффективен. Поверх­ность ленты стекла получается гладкой, не требующей шлифовки и полировки, нижняя — за счет контакта с предельно ровной поверхностью расплавленного металла, а верхняя — поверхностного натяжения.

После формования материал подвергают отжигу. В результате снижаются полученные при формовании внутренние температурные напряжения, возника­ющие при более высокой скорости остывания наружных слоев стекла по сравне­нию с внутренними. Наружные слои стремятся к сжатию, а более нагретые внут­ренние препятствуют этому.

Отделку лицевой поверхности стекла производят механическим, химическим способами и путем нанесения различных покрытий.

Механическая обработка включает пескоструйную, ультразвуковую, резку, шлифование, гравирование и др. При пескоструйной обработке на те места про­зрачного гладкого стекла, которые должны остаться нетронутыми, наклеивают шаблон (например, из плотной бумаги). Огневая полировка поверхности шеро­ховатого стекла производится при высокой температуре.

Х

I t \

Рис. 78. Схема формования листового стекла на расплаве металла:

1 — стекломасса, 2 — газовое пространство печи, 3 — слив, 4 — ванна с расплавом ме­талла, 5 — лента стекла

НАГРЕВ

имическая обработка включает травление и матирование (обработку по­верхности парами фтористого водорода, плавиковой кислотой, матирующими па­стами или другими веществами), химическое полирование, выщелачивание (для повышения светопропускания и получения «радужного» эффекта), декорирова­ние цветными протравами (диффузия) и др.

При обработке плавиковой кислотой на поверхность стекла при помощи тра­фарета наносят расплавленный парафин или воск. Кислота разрушает незащи­щенную поверхность стекла. Через определенное время кислоту смывают, а пос­ле подогрева стекла парафин или воск стирают ветошью.

Покрытия на поверхность стекол наносят в виде слоев керамических и дру­гих красок, эмалей, фактурных посыпок, люстров, силиконовых растворов, со­лей и оксидов металлов и др. В результате воздействия нагревом ниже темпера­туры размягчения стекла происходит сплавление поверхностного слоя с нане­сенным покрытием (пиролитический процесс).

Более эффективен магнетронный процесс, когда поверхностный слой не вхо­дит в структуру стекла. В этом случае получается материал более высокой ка­чественной категории.

Технологический процесс производства материалов из других минеральных расплавов включает следующие операции: подготовка сырьевых компонентов, плавка шихты в пламенных шахтных, ванных, вращающихся или дуговых элект­рических печах при 1 400...1 450 °С; охлаждение расплава до 1 250 °С для ста­билизации структуры и уменьшения усадочных дефектов в готовой продукции; литье в подогретые постоянные формы из чугуна или жароупорной стали или во временные силикатные формы; медленное (до 1 суток и более) охлаждение; механическая обработка поверхности и кромок. Для снижения возникающих при охлаждении внутренних напряжений отливки подвергают частичной кристалли­зации — отжигу в специальных печах при 800...900 °С.

Формование материалов осуществляется методами статического или центро­бежного литья. В производстве волокон, например из базальтового расплава, ис­пользуют метод раздува струи расплава сжатым воздухом или паром. При изго­товлении минеральной ваты расплав обычно получают в вагранке или в другом печном агрегате. Волокна образуются при воздействии подаваемого под давле­нием пара или воздуха на непрерывно вытекающую из вагранки струю расплава или при подаче пара на валки или диск центрифуги. Полученное минеральное волокно собирается в камере волокноосаждения на непрерывно движущейся сет­ке. В эту камеру вводят органические или минеральные связующие вещества для получения теплоизоляционных матов и плит.

Производство материалов из шлаковых расплавов, прежде всего огненно­жидких шлаков металлургической промышленности, весьма выгодно и эконо­мично: не требуется специальных плавильных печей и дополнительных затрат топлива.