Технология изготовления стекол

Строительное стекло имеет следующий состав: SiO₂ (72 %), А1₂О₃ (2 %), Na₂O (15 %), СаО (6,5 %), MgO (4 %). В стекло вво­дят и другие соединения, придающие ему те или иные свойства.

Сырьевые материалы для получения стекла можно разделить на основные, с которыми в стекломассу вводятся главные компонен­ты стекла, и вспомогательные, вводимые для ускорения варки или придания стеклу специальных свойств.

Кремнезем (SiO₂) вводят в виде кварцевого песка, молотых кварцитов или песчаников. Основное требование к кремнеземистому сырью — минимальное количество примесей, особенно окислов же­леза, сильно снижающих светопропускание стекла. Это основной стеклообразующий окисел, повышающий тугоплавкость и хими­ческую стойкость стекла.

Глинозем (А1₂О₃) поступает в сырьевую шихту в виде полевых шпатов и каолина. Его влияние на свойства стекла аналогично действию SiO₂.

Окись натрия (Na₂O) вводят в стекло в виде соды и сульфата натрия. Na₂O понижает температуру плавления стекла, повышает коэффициент термического расширения и уменьшает его химиче­скую стойкость.

Окись кальция (СаО) и магния (MgO) вводят в стекольную шихту в виде мела, мрамора, известняка, доломита и магнезита. Эти окислы повышают химическую стойкость стекла.

Основное требование, предъявляемое ко всем видам сырья, — чистота и однородность по составу. Особенно жесткие требо­вания предъявляют к чистоте кремнеземсодержащего сырья, составляющего до 70% шихты.

К вспомогательным материалам относят вещества, создаю­щие восстановительную или окислительную среду в стекольной шихте и печной атмосфере, ускоряющие процессы стеклообразо-вания и обесцвечивания стекломассы, и красители. В качестве восстановителей применяют антрацит и кокс, окислителей — нит­раты натрия или калия, оксиды мышьяка и сурьмы. Ускоряют процесс стекловарения добавкой сульфата натрия, кремнефтори-стого и хлористого натрия. Красителями стекла являются соеди­нения металлов, растворимые в стекломассе или образующие в ней взвешенные микрочастицы металлов и их соединений.

Обязательным компонентом шихты является стекольный бой. Перед обработкой стекольный бой должен быть отсортирован, измельчен, вымыт и подвергнут магнитной сепарации для удале­ния металлических включений.

Стекольную шихту готовят путем дозирования по заданному рецепту сырьевых материалов и тщательного их перемешивания.

Важнейшими стадиями процесса варки стекла являются: силикатообразование, осветление, гомогенизация и студка стек­ломассы. Сущность каждой стадии сводится к следующему.

• На первой стадии силикатообразования по мере нагревания шихты из нее испаряется влага, обезвоживаются гидраты, тер­мически разлагаются некоторые соли (например, нитраты). При 300...400°С в промышленных шихтах начинается взаимодействие карбонатов и сульфатов с образованием двойных солей и легко­плавких эвтектик. При дальнейшем повышении температуры в реакции вступают песок и глиноземные материалы с образова­нием различных силикатов. Одновременно вследствие плавления некоторых солей и эвтектик в шихте появляется расплав, интен­сифицирующий взаимодействие компонентов. Уже при темпера­туре порядка 800°С взаимодействие компонентов шихты закан­чивается, выделение газов прекращается. За счет жидкой фазы, образующейся при плавлении соды и эвтектических примесей, происходит спекание шихты. Однако значительная часть кремне­зема (до 25%) остается в свободном состоянии. Для обычных натриево-кальциевых стекол стадия силикатообразования завер­шается при 8ОО...9ОО°С.

• На второй стадии стеклообразования при повышенных тем­пературах происходит плавление массы, избыточные зерна квар­ца и возникшие ранее силикаты растворяются в расплаве. К кон­цу второй стадии при температуре 1100... 1200°С шихта представ­лена прозрачной, но неоднородной по составу стекломассой, пронизанной множеством газовых пузырей.

• На стадии осветления происходит удаление газов из рас­плава; крупные пузыри поднимаются на поверхность и лопаются, а мелкие растворяются в расплаве. Для обычных стекол осветле­ние заканчивается при температуре 14ОО...15ОО°С.

• Структура стекломассы в процессе варки очень неоднородна. Для выравнивания ее химического состава, ликвидации свили и гетерогенных слоев стекломасса проходит стадию гомогенизации. В печах периодического действия она осуществляется переме­шиванием стекломассы, в печах непрерывного действия — дли­тельным выдерживанием ее в зоне высоких температур, а также бурлением стекломассы сжатым воздухом. Процессу гомогениза­ции способствует также перемешивание массы газовыми пузыря­ми в процессе осветления. Осветление и гомогенизация — самые длительные стадии варки стекла.

• Завершающая стадия процесса стекловарения — студка — заключается в повышении вязкости стекломассы до пределов, допускающих формование изделий, за счет снижения темпера­туры до 1100... 1200°С. Если на стадии осветления и гомогениза­ции вязкость стекломассы составляет около 10 Па-с, то при вы­работке она должна быть не менее 100 Па-с.

Разделение процесса варки стекла на отдельные стадии до­статочно условно, поскольку некоторые из них протекают одно­временно. В то же время любой ограниченно малый объем шихты обязательно проходит все пять стадий процесса стекловарения.