9.3. Изделия на основе минеральных расплавов и технология их получения

К группе изделий из минеральных расплавов относят изделия из стекла, каменного и шлакового литья, ситаллов и шлакоситаллов.

По виду основного сырья изделия из минеральных расплавов делят на стекольные, каменные и шлаковые; по структуре – на стекловидные и стеклокристаллические. Стекловидные получают из силикатных расплавов, способных при быстром охлаждении переходить в стеклообразное состояние, для которого характерны изотропность свойств, отсутствие определенной температуры плавления и непрерывное изменение свойств при нагревании с переходом в жидкоподвижное состояние. Стек­локри­сталлические материалы – ситаллы и шлакоситталы сочетают в себе положительные свойства стекла и кристаллических веществ.

Группы изделий из минеральных расплавов объединяются не только схожими свойствами, но и общими технологическими принципами их получения: подготовка и расплавление исходного сырья, охлаждение полученной стекломассы, формования изделий с последующей обязательной термической обработкой для снятия внутренних напряжений и получения изделий с заданными свойствами.

Стеклом называют изотропные прозрачные тела, получаемые путем переохлаждения расплава кремнезема, сульфата натрия и других компонентов.

В строительстве применяют различные виды листового и строительно-архитектурного стекла. Основным видом стекла, используемым в строительстве, является листовое. Свойства стекла определяются прежде всего входящими в его состав оксидами. Главными стеклообразующими оксидами являются кремнезем, оксиды фосфора и бора. Подавляющее большинство промышленных стекол является силикатными. Обычные силикатные стекла хорошо пропускают всю видимую часть спектра и незначительную часть ультрафиолетовых и инфракрасных лучей.

Строительное стекло имеет следующие основные свойства: твердость – 5 – 7 по шкале твердости; предел прочности при изгибе не менее 45 МПа, при сжатии – до 1000 МПа, плотность – 2450 – 2550 кг/м³.

Химический состав стекол в значительной степени влияет на их свойства. Строительное стекло содержит 71,5 – 72,5% SiO₂; 1,5 – 2% Al₂O₃; 13 – 15% Na₂О; 6,5 – 9% CaO; 3,8 – 4,3% MgO и незначительное количество других окислов (Fe₂O_3, K₂O, SO₃).

Силикатные стекла отличаются высокой стойкостью к большинству химических реагентов, за исключением плавиковой и фосфорной кислот. Химическая устойчивость силикатных стекол объясняется образованием при воздействии воды, кислот и солей защитной пленки из кремнекислоты.

Технологическая схема производства строительного стекла показана на рис. 46.

Рис. 46. Технологическая схема производства

Листового строительного стекла:

1 – сушильный барабан; 2 – циклон; 3 – вентилятор; 4 – элеватор; 5 – сито; 6 – бункер; 7 – транспортер; 8 – секционный бункер сырья (мела, угля, соды и т.д.); 9 – дезинтегратор; 10 – бегуны; 11 – щековая дробилка; 12 – молотковая дробилка; 13 – вагонетка-весы; 14 – смешение шихты; 15 – стекловаренная печь; 16 – машина для вытягивания стекла.

Особое внимание обращают на подготовку исходных компонентов, их химическую однородность и чистоту, на процесс приготовления шихты, варку стекла и его вытягивание.

При варке стекла процесс перехода шихты при нагревании сопровождается сложными физико-химическими процессами и проходит в несколько стадий. Важнейшие из них: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизация и охлаждение стекломассы. Стадия силикатообразования происходит при нагреве шихты до 800 – 900 °С, в этот момент происходит испарение влаги из шихты, диссоциация углекислых и сернокислых солей кальция, магния и натрия с выделением газообразных продуктов (CO₂, SO₂, H₂O), взаимодействие между компонентами шихты с образованием силикатов.

Стадия стеклообразования происходит при повышении температуры до 1150 – 1200 °С, в этот момент завершаются процессы силикатообразования, образуется неоднородная, пронизанная пузырьками газа стекломасса.

Стадия дегазации наступает при повышении температуры до 1400 – 1500 °С, в этот момент происходит удаление газов и осветление стекломассы, а мельчайшие пузырьки перестают быть видимыми.

Стадия гомогенизации (усреднения) происходит параллельно со стадией дегазации.

Стадия студки стекла – этап, при котором происходит равномерное понижение температуры на 200 – 300 °С для обеспечения необходимой вязкости стекломассы при выработке стекла.

Для выработки листового стекла применяют вытягивание, прокат и огневую полировку; вытягиванием получают оконное стекло толщиной до 6 мм, прокатом и огневой полировкой – витринное, армированное и другие виды стекла. После выработки стекла оно подвергается отжигу и закалке для уменьшения хрупкости и повышения прочности.