4.5. Особенности варки содо-сульфатных шихт
В производстве листовых, полых стекол и стекловолокна большей частью для интенсификации осветления в состав шихты вводят сульфаты и сульфиды. Варка содо-сульфатных шихт имеет ряд преимуществ перед чисто содовой шихтой. Во-первых, при наличии в шихте сульфата натрия, разлагающегося значительно медленнее соды, в верхних слоях расплава остается достаточно щелочей для перевода непроварившихся зерен кварцевого песка в расплав, что практически исключает возможность образования кремнеземной пены. Во-вторых, сульфат натрия является высокотемпературным осветлителем, значительно ускоряющим, по сравнению с варкой чисто содовой шихты, процесс удаления газовых включений из стекломассы.
Взаимодействие сульфата натрия с кремнеземом происходит при температуре 1300-1450 ºС с выделением газов по реакции
Na2SO4 + SiO2 = Na2SiO3 + SO2 + 1/2O2
При этом в расплаве в большом количестве образуются крупные газовые пузыри, которые быстро поднимаются к поверхности расплава, увлекая за собой имеющиеся в расплаве более мелкие пузыри, что интенсифицирует процесс осветления. Далее, при снижении температуры по длине варочной части печи на 20-30 ºС, скорость реакции разложения Na2SO4 становится ничтожно малой и дополнительные пузыри в расплаве уже не появляются, хотя весь сульфат натрия еще не разложился.
Использование Na2SO4 при некоторых нарушениях технологического процесса осложняет процесс варки стекла. Na2SO4 характеризуется ограниченной растворимостью в стекломассе, при определенных условиях выделяется на ее поверхности в самостоятельную фазу – «щелок», который по своей подвижности резко отличается от окружающей стекломассы и крайне агрессивен по отношению к кладке огнеупоров. Кроме того, будучи легколетучим соединением, сульфат натрия в большом количестве оказывается в газовой среде печи. Конденсируясь на холодных участках огнеупоров (щели, трещины свода, верхнее строение студочной и выработочной частей печи), сульфат натрия вызывает интенсивное их разъедание. Поэтому для активизации химического взаимодействия сульфата натрия с SiО2 в шихту необходимо вводить восстановитель (уголь, мазут):
Na2SO4 + 2С = Na2S + 2СО2
Полнота восстановления сульфата натрия определяет качество процесса варки в целом. Если восстановление не протекает полностью из-за недостатка углерода в шихте (например, вследствие его преждевременного выгорания), то часть сульфата натрия оказывается неразложенной, расплавляется и всплывает на поверхность стекломассы. И наоборот, если созданы сильно восстановительные условия варки, например при передозировке восстановителя, может произойти сильное вспенивание стекломассы.
В последние годы общепринятой нормой введения Na2O в стекло в отечественной и мировой практике промышленного стекловарения стало использование содосульфатной шихты при соотношении сода : сульфат натрия в пределах от 99,5 : 0,5 до 95,0 : 5,0 без добавления в шихту восстановителя. В этих условиях обеспечивается замедленное разложение сульфата натрия в основном за счет его взаимодействия с кремнеземом с обеспечением высокотемпературного осветляющего эффекта.