4.3. Осветление
В готовом стекле всегда содержится некоторое количество газов. Эти газы находятся в стекле в двух видах: в растворенном (невидимом) и в свободном (видимом) состоянии. В видимом состоянии газы образуют в стекле крупные и мелкие пузыри. Задача процесса стекловарения на этапе осветления состоит в том, чтобы свести к допустимому минимуму число пузырей в готовом стекле.
Существуют три источника газа в стекле: химически связанные газы шихты; адсорбированные газы шихты; газы пламенного пространства стекловаренной печи. В шихте для обычного стекла заключено в карбонатных и других компонентах около 20 % химически связанных газов (СО2 и др.) и некоторая часть адсорбированных газов (О2, Н2 и др.). В процессе силикатообразования большая часть газов поступает в печное пространство и удаляется с дымовыми газами в атмосферу. Меньшая часть газов остается в расплаве стекла. Газы пламенного пространства стекловаренной печи при определенных условиях могут частично растворяться в расплаве стекла.
Состав газов. Разными исследователями в стекле обнаружены следующие газы: Н2О [наибольшее количество содержится в боратных и боросиликатных стеклах (до 90 % по объему), в стеклах оконного типа 30-40 %]; СО2 – в газах обычных (оконных) стекол содержится до 60 %, в боратных до 10-20 % по объему; SО2 – в обычных стеклах до 30-35 %; О2 – в разных стеклах от 2 до 50 %; N2 – в некоторых стеклах 4-6 %.
По составу газы в пузырьках отличаются от газов в стекле. Так, например, анализы разных авторов показывают полное отсутствие паров воды в составе газовой фазы пузырьков. В газовой фазе пузырьков преобладает азот (до 100 % по объему), затем кислород (до 100 %) и двуокись углерода (до 90 %). Эти данные относятся к оптическим стеклам.
Установлено, что состав газов в крупных пузырьках (более 0,5 мм) отличается от состава газа в мелких (менее 0,2 мм) пузырьках. В крупных пузырьках преобладает азот, а в мелких – кислород и диоксид углерода. Такое различие В. Т. Славянский объясняет «условиями жизни» крупных и мелких пузырьков: срок жизни крупных пузырьков мал, и равновесие между составом газов в стекле и пузырьках установиться не успевает, малые же пузырьки находятся в стекле долго, и указанное равновесие устанавливается.
Происхождение газов. Газы в стекле находятся в состоянии химического и физического растворения. В расплаве всегда находятся остатки непрореагировавших карбонатов и сульфатов. Эти остатки малы, но они способны при разложении выделить весьма большие объемы газа и образовать много пузырей. Разложение остатков карбонатов и сульфатов происходит в процессе растворения зерен кремнезема и глинозема, на поверхностях раздела, например огнеупор-стекломасса, и при изменении установившегося равновесия (перемешивание, температура, давление и пр.).
Удаление газов. Развитие процесса освобождения стекломассы от пузырьков зависит от температуры, вязкости стекломассы, поверхностного натяжения, давления газа. В процессе осветления пузырьки поднимаются к поверхности стекломассы и исчезают. Чем больше размер пузырька, тем быстрее идет процесс осветления. Скорость подъема пузырька определяют по формуле
V = [K r2(ρ – ρ)]/η , (4.3)
где K – коэффициент пропорциональности, равный 1/3 g (g – ускорение силы тяжести);
r – радиус пузырька;
ρ1 – плотность стекломассы;
ρ2 – плотность газа в пузырьке;
η – вязкость стекломассы.
Для увеличения размеров пузырька, от которого в квадратичной зависимости находится скорость его удаления, необходимо понизить вязкость стекломассы. С этой целью при осветлении поддерживают наиболее высокую температуру, которая вызывает усиленное выделение газов при уменьшенной вязкости. В этих условиях ускоряется рост пузырьков за счет выделения газов, пересыщающих стекломассу в полости уже существующих пузырьков. Для ускорения осветления применяют добавки осветлителей (нитраты, сульфаты, аммонийные соли, хлориды, соединения мышьяка и др.), которые образуют при высоких температурах крупные пузыри и понижают поверхностное натяжение на границе раздела «газ – расплав».
Для осветления используют также приемы механического перемешивания, бурление с помощью воздуха, других газов и паров воды. Осветлению способствуют вибрация и центрифугирование.