Глава 5. Стекло и стеклокристаллические материалы
5.1. Общие сведения о стекле
Стеклом называют твердый аморфный изотропный прозрачный материал, получаемый при охлаждении минеральных расплавов, содержащих стеклообразующие компоненты (оксиды кремния, бора, алюминия и др.) и оксиды металлов (лития, калия, магния, свинца и т.д.).
Изготовление стекла возникло в Древнем Египте за 3—4 тыс. лет до н.э., а затем проникло в Италию. Мастера Древнего Рима первыми овладели методом выдувания. На Руси стеклоизделие появилось в XI в. Первый стеклозавод в России был построен в 1635 г. около г. Воскресенска. Основоположником научного стеклоделия в России является М.В. Ломоносов: он организовал производство разноцветных стекол и художественных изделий из них (1752). Большой вклад в развитие науки о стекле внесли А.А. Лебедев, М.В. Гребенщиков, М.И. Китайгородский, O.K. Ботвинкин и др. До XX в. в стекольной промышленности преобладал ручной труд и лишь в XX в. началась машинная обработка стекла. В Республике Беларусь первый стекольный завод был построен в 1930 г. в Гомеле. В настоящее время стекольная промышленность республики выпускает листовое стекло, стеклянные изделия, а также полированное стекло, архитектурно-художественные изделия, хрусталь и бытовую посуду.
5.2. Основы производства и свойства стекла
Основными сырьевыми материалами для производства стекла являются чистые кварцевые пески, известняк, доломиты, кальцинированная сода, поташ. Основной компонент — чистый белый песок, который составляет 60...70%. Сода или сульфат натрия, поташ снижают температуру варки стекла и ускоряют процесс стеклообразования. Введение известняка и доломита делает стекло нерастворимым в воде, способствует осветлению, повышению химической стойкости и механической прочности.
Для придания стеклу специальных свойств и различных цветов в процессе изготовления вводят вспомогательные сырьевые материалы: оксид бора улучшает блеск стекла и повышает термостойкость; оксид алюминия повышает прочность и химическую стойкость; оксид свинца повышает показатель светопреломления, (его применяют в производстве декоративных изделий из стекла). Соединения марганца придают стеклу фиолетовую окраску, оксид кобальта — синюю, хрома — желтую и коричневую.
Производство стекла включает следующие технологические операции: подготовку сырьевых материалов; приготовление шихты, варку стекла, формование изделий, термическую, механическую или химическую обработку. Сырьевые материалы сушат, измельчают. После перемешивания измельченных компонентов в смесителях барабанного типа получают шихту. Готовую шихту варят в стекловаренных печах при 1400... 1500 °С. Компоненты шихты при нагревании вступают в химическое взаимодействие. Продукты реакции переходят в расплав, образуя стекломассу. Формование стеклоизделий связано с особенностями изменения вязкости стекломассы в зависимости от температуры. По мере охлаждения стекломасса становится пластичной, что позволяет придать ей заданную форму. Формование осуществляется различными способами; вытягиванием, прокаткой, литьем, выдуванием, прессованием, на расплаве металла. В настоящее время освоен новый высокопроизводительный и экономичный способ производства полированного стекла — флоат-способ (способ плавающей ленты) (рис. 5.1).
Особенность способа заключается в формовании стеклянной ленты на поверхности расплавленного олова. Поверхность ленты получается гладкой и ее качество не уступает стеклу, получаемому механической шлифовкой и полировкой. Себестоимость флоатированного стекла значительно ниже, чем стекла полированного механическим способом, поэтому конвейеры шлифовки и полировки листового стекла постепенно вытесняются установками термической полировки.
Эффективность стекла как строительного материала обусловливается благоприятным сочетанием свойств прозрачности, прочности, малой теплопроводности и долговечности. Плотность стекол изменяется в пределах 2,2...2,6 г/см3, плотность строительных стекол составляет 2,5 г/см3. Оптические свойства стекла характеризуются светопропусканием (прозрачностью). Обычные силикатные стекла пропускают всю видимую часть спектра (не менее 84%) и практически не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Стекло характеризуется высокой прочностью при сжатии (600...1200 МПа) и сравнительно малой прочностью при растяжении (30...90 МПа).
Стекло — хрупкий материал, плохо сопротивляющийся удару. Закаленное стекло сопротивляется удару в 5...6 раз лучше, чем отожженное. Силикатное стекло химически стойкое к кислотам, за исключением плавиковой и фосфорной. Теплопроводность различных видов стекла колеблется в пределах 0,5...1 Вт/(м-К). При нагревании стекло размягчается и при температуре около 1000 °С плавится. Твердость стекла равна 5...7 по шкале твердости. Звукоизолирующая способность стекла относительно высока. Стекло поддается механической обработке: его можно пилить циркулярными пилами, резать алмазом, шлифовать и полировать.
Рис. 4.9. Схема формования листового стекла на расплаве металла:
1 — стекломасса; 2 — газовое пространство; 3 — слив; 4 — ванна с расплавом металла; 5 — стеклянная лента.