Основы производства стеклянных изделий

В процессе производства стеклянных изделий можно выделить следующие основные этапы:

1. Подготовка сырьевых материалов и приготовление шихты (шихтой называют смесь предварительно подготовленных и отвешенных по заданному рецепту сырьевых материалов).

2. Варка стекломассы.

3. Формование изделий.

4. Обработка изделий (термическая и техническая).

5. Декорирование изделий.

Каждый этап характеризуется набором определённых операций и способами их осуществления. Точность соблюдения технологического режима на каждом из указанных этапов определяет качество готовых изделий.

Подготовка сырьевых материалов

Характер подготовки природных сырьевых материалов зависит от природы, свойств и назначения сырьевого материала.

Искусственные материалы, как правило, не нуждаются в предварительной подготовке, так как обладают достаточной степенью чистоты и необходимой дисперсностью.

Подготовка песка состоит из операций обогащения, сушки и просеивания.

Процесс обогащения песка заключается в удалении из него до допустимой нормы вредных (в первую очередь железистых) примесей. При этом улучшается зерновой состав и повышается однородность песка.

В зависимости от характера примесей могут применяться следующие методы обогащения: промывка, оттирка, флотация, магнитная сепарация, химические методы.

Песок, содержащий более 4,5% влаги мало сыпуч, его трудно перемешивать с другими компонентами стекольной шихты и из него невозможно получить однородную шихту. Поскольку песок после обогащения имеет высокую влажность, операция сушки является обязательной стадией подготовки песка.

При просеивании из песка удаляются крупные зёрна и включения. Это обычно вспомогательный процесс при обогащении песка.

Известняк, доломит и другие каменистые материалы готовят по следующей схеме: дробление – сушка - тонкий помол – просеивание – магнитная сепарация. Карбонатные породы обычно обогащению не подвергают из-за сложности отделения железосодержащих примесей. Мел готовят по той же схеме за исключением процесса дробления.

Соду, сульфат натрия и другие сыпучие обычно только просеивают.

Древесный и каменный уголь дробят в молотковых дробилках и просеивают.

Стеклянный бой очищают от посторонних примесей, промывают и измельчают. Химический состав боя должен соответствовать составу основного стекла, к которому он добавляется.

После осуществления операций подготовки сырьевые материалы взвешивают и смешивают в определённой пропорции.

Для получения качественного стекла приготовленная шихта должна быть, прежде всего, однородна. Скопления или комки отдельных материалов в шихте вызывают образование в стекле различных пороков.

Варка стекла

В стекловаренной печи при высокой температуре в шихте происходят различные процессы и разнообразные превращения. При сравнительно низких температурах (около 400˚ С) между материалами шихты начинаются химические реакции, ведущие к образованию силикатов. По мере дальнейшего нагревания шихта превращается в расплав различных солей. Образовавшиеся силикаты и остатки непрореагировавших компонентов спекаются в плотную массу. Это первая стадия варки стекла – силикатообразование (температурный режим – 800-900° С).

При последующем повышении температуры силикаты расплавляются и растворяются одни в других. Образуется пенистый и непрозрачный расплав, пронизанный частицами материалов шихты и пузырьками газов, выделяющихся во время реакций.

Постепенно твёрдые остатки шихты растворяются в расплаве, пена исчезает, образуется прозрачная стекломасса. Это вторая стадия стекловарения – стеклообразование (протекает при температурах 1150-1200° С).

Полученная стекломасса содержит в себе газообразные включения различных размеров и неоднородна по химическому составу. Поэтому она ещё непригодна для выработки изделий.

Процесс удаления из стекломассы пузырей (дегазация) называется осветлением (температура – 1400-1500° С). Заключается в выделении газообразных включений из стекломассы при дальнейшем её нагреве за счёт снижения вязкости последней. Для ускорения процесса через стекломассу могут пропускать сжатый воздух или пары воды (барботирование), добавлять осветлители. Принцип ускорения процесса в том, чтобы насытить стекломассу крупными газообразными включениями. Такие пузыри сравнительно легко поднимаются к поверхности. При этом они захватывают по пути мелкие пузыри, которые самостоятельно поднимаются очень медленно или не поднимаются вовсе по причине довольно высокой вязкости стекломассы.

Процесс выравнивания химического состава стекломассы называется гомогенизацией. Представляет собой длительную выдержку стекломассы при высоких температурах (около 1500° С). При этом в результате диффузии расплава стекломасса становится химически однородной.

Полученная однородная стекломасса охлаждается до вязкости, необходимой для формования из неё изделий (обычно до температуры около 1200° С). Процесс называется студкой.

Таким образом, в процессе варки стекла можно условно выделить пять основных этапов: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизация и студка. На практике только первая и последняя стадии протекают в разное время и в разных местах ванной печи. Вторая, третья четвёртая стадии начинаются практически одновременно. Затем стеклообразование прекращается, а осветление и гомогенизация продолжаются вплоть до этапа студки.

Для варки стекла используют горшковые и ванные печи. Последние могут быть периодического и непрерывного принципа действия.

В горшковых печах стекло варят в специальных огнеупорных сосудах (горшках), которые помещаются в печь. В ванных печах – в бассейнах, являющихся частью кладки печей. В горшковых и периодических ванных печах процессы варки стекломассы и выработки изделий чередуются: в горшок или разогретую печь засыпают шихту, стекломассу проваривают, охлаждают и вырабатывают. Затем цикл начинается снова. В непрерывно действующих ванных печах в один конец печи всё время засыпают шихту, а из другого конца непрерывно вырабатывают изделия. Здесь все стадии варки стекла осуществляются одновременно, но в различных зонах печи.

Периодические ванные печи по производительности примерно такие же как и горшковые, а по экономичности вдвое их превосходят. Единственное преимущество горшковых печей в том, что в одной печи можно в различных горшках можно одновременно варить стекло разного химического состава (например, различного цвета). Наиболее производительными и экономичными являются ванные печи непрерывного действия.