1.7 Промышленное производство стекла

Производство стекла складывается из подготовки сырьевых материалов, смешивания этих материалов и приготовления однородной шихты, варки, формования и отжига стекла; в некоторых случаях требуется химическая, механическая, и термическая обработка отформованных изделий. Характерной особенностью технологии стекла является общность методов подготовки сырья, составления шихты и варки стекла для различных производств.

Сырьевые материалы, применяемые в производстве стекла, делятся на главные стеклообразующие материалы и вспомогательные материалы. Главными стеклообразующими материалами являются: чистые кварцевые пески, сода, поташ, сульфат натрия, известняк, доломит, борная кислота или бура, фосфорная кислота или фосфаты, чистый глинозем или каолин, полевой шпат, сурик или глет, окись цинка и др. К вспомогательным материалам относятся: красители, обесцвечивающие вещества, окислители, восстановители, осветлители. В качестве красителей применяют закиси кобальта и никеля, окислы железа, хрома, марганца, меди, урана, селен, сернистый кадмий, хлорное золото и др. Обесцвечивающими веществами являются: селен, закись кобальта, окись марганца. В качестве окислителей в стекольную шихту вводят натриевую или калиевую селитру, мышьяковистый ангидрид, перекись марганца; восстановителями являются уголь, кокс, виннокаменная соль, соединения олова. Для получения малопрозрачного «молочного» стекла применяют криолит, фтористый кальций, кремнефтористый натрий, а также соли фосфорной кислоты и соединения олова. Осветлителями, т. е. материалами, облегчающими процесс удаления из стекломассы газовых пузырьков, являются азотнокислый аммоний, сульфат аммония, хлористый натрий, трехокись и пятиокись мышьяка и др [17].

К сырьевым материалам для стекольной шихты предъявляются высокие требования в отношении их чистоты. Так, в кварцевом песке допускается не более (0,03÷0,05)% окислов железа, а для производства оптического стекла не более 0,002% . Зерна кварцевого песка не должны быть окатанной формы: размер зерен – (0,15÷0,40)мм. Все материалы, применяемые для составления шихты, должны быть однородными по химическому составу и не превышать допустимой влажности.

Сырьевые материалы подвергаются сушке и измельчению (кварцевый песок только сушат). Все материалы просеиваются и поступают в бункеры в виде порошков строго определенного гранулометрического состава.

Стекольная шихта должна быть однородной; однородность шихты не должна быть нарушена в процессе ее транспортировки в стекловаренную печь, т. к. от этого зависит получение хорошо проварившейся однородной стекломассы.

Варка стекла производится в ванных и горшковых печах; она может быть разделена на собственно варку, осветление – гомогенизацию и охлаждение стекла. Собственно варка стекла, складывается из силикатообразования и стеклообразования. Реакции силикатообразования протекают в твердой фазе. Процесс стеклообразования начинается по достижении (1200÷1240)°С. Варка стекла в заводских условиях производится при температуре (1400÷1450)°, осветление и гомогенизация при 1500°. Проварившаяся стекломасса, как правило, содержит большое число видимых газовых включений (пузырьков), удаление которых происходит в зоне осветления при максимальной температуре и минимальной вязкости стекла [18].

Формование стекла можно осуществить всеми известными в технике методами. Чаще всего формование стекла производится прессованием, выдуванием, вытягиванием, прокаткой. Отформованное одним из этих способов изделие подвергается особой термической обработке – отжигу, цель которого снятие неравномерных опасных напряжений, возникших в изделии в результате резкого охлаждения. Для этого изделие помещают в печь отжига в зону с температурой примерно на (20÷30)° ниже температуры стеклования, выдерживают при этой температуре, а затем постепенно, медленно охлаждают. Процессом, противоположным отжигу, является закалка стекла, достигаемая резким, но равномерным охлаждением стекла, нагретого до температуры, близкой к температуре размягчения; в результате в стекле возникают равномерно распределенные напряжения. Закалка значительно повышает механическую прочность стекла [19].

Для шихт, содержащих кремнезем, углекислые кальций, магний и натрий, может быть приведена следующая схема процессов, протекающих между компонентами шихты при нагревании (таблица 1.6).

Таблица 1.6 Схема основных химических реакций в стекольной шихте [18].

Температура, °С	Основные процессы, протекающие в шихте
<300	МgСО3 + Nа2СО3 ↔ МgNa2(СО3)2
< 400	СаСО3 + Nа2СО3 ↔ СаNа2(СО3)2
340÷620	МgNа2(СО3)2 + 2SiO3 → МgSiO3 + Nа2SiO3 + 2СО2
450÷700	МgСО3 + SiO2 → МgSiO3 + СО2
585÷900	СаNа2(СО3)2 + 2SiO2 → СаSiO3 + Nа2SiO3 + 2СО2
912	Полное разложение СаСО3
700-900	Nа2СО3 + SiO2 → Nа2SiO3 + СО2
600÷920	СаСО3 + SiO2 → СаSiO3 + СО2
780÷880	Появление жидкой фазы за счет эвтектик силикатов магния и натрия с кремнеземом и двойных углекислых солей с Nа2СО3
980÷1150	МgО + SiO2 → МgSiO3
1010÷1150	СаО + SiO2 → СаSiO3
1200÷1240	Стеклообразование