2.3.4. Технология варки стекла

Сырьевые материалы, используемые для производства стекла делятся на две группы: главные и вспомогательные. Материалы, содержащие компоненты, образующие основу стекла и определяющие его основные свойства относятся к главным (см. табл. 2.5.). Материалы, содержащие компоненты, позволяющие придавать стеклу дополнительные свойства и ускоряющие его варку относятся к вспомогательным (красители, глушители, осветлители, обесцвечиватели, ускорители, окислители и др). Например, соединения марганца, кобальта, никеля используются как красители, церия, мышьяка, сурьмы, неодима — как обесцвечиватели и окислители, фтора, фосфора, олова, циркония — как глушители (вещества, вызывающие интенсивное светорассеяние); в качестве осветлителей применяют хлорид натрия, сульфат и нитрат аммония и др.

По происхождению материалы подразделяются на природные и синтетические. Синтетические материалы значительно чище по химическому составу, чем природные, но их себестоимость значительно выше. Синтетические материалыиспользуют для изготовлений стекол, используемых в электронной технике, где качество сырья полностью определяет качество и технические характеристики изделия.

Таблица 2.5.

Главные сырьевые материалы для изготовления стекол и виды их применения

Название и химический состав главных сырьевых материалов	Вид применения
Песок SiO2
Глинозем Al 2O 3	Получается из бокситов, каолина или в виде минералов. Применяется для изготовления окрашенных стекломасс.
Оксид кальция CaO	В основном в виде CaCO3 , глинистых известняков или доломита
Магнезия MgO	В виде MgCO3 , чаще всего в виде доломита
Оксид бария BaO	В виде BaCO3 или BaSO4
Оксид свинца PbO	Чаще всего в виде Pb3O4
Оксид натрия Na 2 O	В виде соды, сульфата, нитрата или каменной соли
Оксид калия K 2 O	В виде нитрата, сульфата или поташа
Полевой шпат CaF2
Белый мышьяк As2 O3
Оксид цинка ZnO	Получается из цинковой обманки или цинкового шпата.

Стекловарение. Стекловарением называется термический процесс, в результате которого смесь различных компонентов определенного состава образует однородный расплав. Это сложный процесс, протекающих в широком температурном интервале, в котором между компонентами шихты происходят различные физико-химические взаимодействия, в результате которых образуется жидкая стекломасса.

При варке, например, силикатных стекол, различают пять этапов стекловарения: силикатообразование, стеклообразование, осветление (дегазация), гомогенизация (усреднение), студка (охлаждение).

Для облегчения протекающих при плавлении реакций и ускорения процесса химической и физической гомогенизации стекломассы, все сырье должно быть высушено, измельчено и интенсивно перемешано. Эти операции производятся в подготовительных цехах, оборудованных сушильными печами, сушильными мельницами, валковыми дробилками, шаровыми мельницами и перемешивающими устройствами. В перемешивающих устройствах, предварительно измельченные до монодисперсного состояния, компоненты состава для варки стекла смешиваются в течение продолжительного времени. Для ускорения плавления полученной смеси также добавляют стеклянный бой того же состава. Для улучшения процесса плавки, уменьшения пылеобразования и расслоения стекломассы, в полученную смесь добавляют некоторое количество воды. Подготовленная смесь в виде брикетов, либо в порошкообразном состоянии с помощью транспортера подается в плавильную печь.

Процесс силикатообразования происходит при сравнительно невысоких температурах и не требует длительных выдержек. На этапе силикатообразования происходит термическое разложение компонентов, протекают реакции в твердой и жидкой фазе с образованием силикатов, которые вначале представляют собой спекшийся конгломерат, включающий и не вступившие в реакцию компоненты. По мере повышения температуры отдельные силикаты плавятся и, растворяясь друг в друге, образуют непрозрачный расплав, содержащий значительное количество газов и частицы компонентов шихты. Стадия силикатообразования завершается при температуре 1100- 1200 ˚C.

На этапе стеклообразования растворяются остатки шихты и удаляется пена — расплав становится прозрачным; эта стадия совмещается с конечным этапом силикатообразования и протекает при температуре 1500 – 1600 ˚C. Собственно стеклообразованием называется процесс растворения остаточных зерен кварца в силикатном расплаве, в результате чего образуется относительно однородная стекломасса. Стеклообразование протекает значительно медленнее, чем силикатообразование и составляет почти 90% от времени, затрачиваемого на провар шихты и около 30% от общей длительности всего процесса стекловарения.

На стадии осветления, протекающей при температуре 1500 – 1600 ˚C , из стекломассы удаляются газы. Для ускорения этого процесса вводятся осветлители, снижающие поверхностное натяжение стекломассы. Одновременно с осветлением идет процесс гомогенизации – усреднение стекломассы по составу путем ее механического перемешивания.

Последняя стадия стекловарения — охлаждение стекломассы («студка») до вязкости, необходимой для формования, что соответствует температуре 700 – 1000 ˚C.

В настоящее время для варки стекла используются печи-ванны, размеры поверхности плавления которых существенно превосходят их глубину (длина печи около 60 м, ширина около 10 м , а глубина менее 1,2 м).

В непрерывно действующие установки с одного конца загружается смесь, которая расплавляется в горячей стекломассе. В процессе медленного течения расплава вдоль ванны производится его осветление, дегазация и гомогенизация. Дойдя до противоположного конца ванны, расплав полностью готов к последующей переработке. В таких стекловаренных печах стадии варки протекают в определенных зонах при последующем перемешивании расплава по длине печи. В варочной части печи совмещены зоны варки, осветления и гомогенизации , а в выработочной части — зона «студки» и выработки. Рассмотренное разделение процесса стекловарения на пять этапов является условным. В реальных условиях эти этапы стекловарения накладываются друг на друга и разделить изх не всегда возможно.

Пороки стекла

Пороками стекла называют инородные включения, ухудшающие качество изделий из стекла. Выделяют три основных вида пороков: газовые, стекловидные и кристаллические.

Газовые проки представляют собой включения в виде газовых пузырей различного размера и формы, заполненных различными газами, такими, например, как CO₂ , SO₂ , O₂ и др. Наличие пузырей в стеклянных изделиях ухудшает их прозрачность, химическую устойчивость и механическую прочность.

Стекловидные включения представляют собой включения стекла другого состава, в виде нитей или других форм и отличаются от основной стекломассы плотностью, коэффициентом преломления, а в отдельных случаях и цветом. Причина появления данного порока заключается , как правило, в нарушении технологий подготовки шихты (плохое перемешивание, нарушение химического состава, растворение огнеупоров стекловаренной печи и смешивания их со стекломассой и др.)

Кристаллические включения в стекле образуются в результате кристаллизации стекломассы, попадания в нее частиц огнеупоров футеровки стекловаренной печи, непровара компонентов шихты и др.

Для снижения порокобразования необходимо тщательно разрабатывать и контролировать технологический процесс варки и выработки изделий из стекла, т.е. соблюдать технологическую дисциплину и повышать культуру производства.