26. Получение водорода из водяного пара
27. Получение стекла
Сырьевые материалы
Сырьевые материалы вводят в стекольную шихту, как правило, в виде природных соединений. Основным сырьем для изготовления стеклаявляются кварцевый песок, известняк, сода и сульфат натрия. Высококачественные стекольные белые пески содержат немного примесей, в частности оксида железа, придающего стеклу зеленоватую окраску. В стекольную шихту вводят соду, сульфат натрия, поташ, которые понижают температуру варки стекла и ускоряют процесс стеклообразования. При варке смеси чистого песка и соды образуется полупрозрачная стеклообразная масса, растворяющаяся, в воде ("растворимое стекло"). Благодаря введению в шихту оксида кальция в виде известняка или доломита стекло становится нерастворимым в воде.
В процессе изготовления в стекло вводят соединения, придающие ему специальные свойства. Глинозем, вводимый в шихту в виде каолина и полевого шпата, повышает механическую прочность, а также термическую и химическую стойкость стекла. При замене части диоксида кремния борным ангидридом повышается скорость стекловарения, улучшается осветление и уменьшается склонность к кристаллизации. Оксид свинца, вводимый, главным образом, при изготовлении оптического стекла и хрусталя, повышает показатель светопреломления. Оксид цинка понижает температурный коэффициент линейного расширения стекла, благодаря чему повышается его термическая стойкость. В специальные стекла, например, оптическое, лабораторное, вводят оксиды свинца, бария и цинка.
Вспомогательные сырьевые материалы
Вспомогательные сырьевые материалы (осветлители, глушители, красители и др.) вводят в шихту для ускорения варки стекла и придания ему требуемых свойств. Осветлители (сульфаты натрия и аммония и др.) способствуют удалению из стекломассы газовых пузырьков. Глушители (соединения фтора, фосфора и др.) делают стекло непрозрачным. К красителям относят соединения кобальта (синий цвет), хрома (зеленый), марганца (фиолетовый), железа (коричневые и сине-зеленые тона) и др.
Технология производства
Производство стеклавключает в основном следующие технологические операции:
подготовку сырьевых материалов (сушка, измельчение);
приготовление стекольной шихты (дозировку и смешение компонентов);
варку стекломассы;
формование из нее материалов;
термическую, механическую или химическую обработку для улучшения свойств.
Варка стекломассы (стекловарение) - самая сложная операция всего стекольного производства, производится чаще всего в ванных печах непрерывного действия, представляющих собой бассейны, сложенные из огнеупорных материалов. При варке специальных стекол (оптических, цветных и т. п.) используют горшковые печи. При нагревании шихты до 1100...1150 град С происходит образование силикатов (силикатообразование) сначала в твердом виде, а затем в расплаве. При дальнейшем повышении температуры в этом расплаве полностью растворяются наиболее тугоплавкие компоненты - образуется стекломасса. Эта стекломасса насыщена газовыми пузырьками и неоднородна по составу. Для осветления и гомогенизации стекломассы ее температуру повышают до 1500... 1600 град С. При этом вязкость расплава снижается и соответственно облегчается удаление газовых включений и получение однородного расплава. Стекловарение завершается охлаждением стекломассы до температуры, при которой она приобретает вязкость, требуемую для выработки стеклоизделий принятым методом (вытягиванием, прокатом, прессованием, литьем, выдуванием и др.). Закрепление формы изделия осуществляют быстрым охлаждением. При этом вследствие низкой теплопроводности стекла возникают большие перепады температур, вызывающие внутренние напряжения в стеклоизделии. Поэтому обязательная операция после формования - отжиг, т. е. охлаждение изделий по специальному ступенчатому режиму:
быстрое - до начала затвердевания стекломассы;
очень медленное - в момент перехода стекла от пластического состояния к хрупкому (собственно отжиг);
вновь быстрое - до нормальной температуры.
Свойства стекла
Для стекловидного состояния характерно наличие небольших участков правильной упорядоченной структуры, отсутствие правильной пространственной решетки, изотропность свойств, отсутствие определенной температуры плавления. Благодаря своей структуре стекло обладает рядом специфических свойств, к которым относятся прозрачность, хрупкость, высокая стойкость к атмосферным воздействиям, чувствительность к резким изменениям температуры. Этот материал непроницаем для воды и воздуха, обладает низкой электропроводностью.
Светопропускание
Светопропускание измеряют коэффициентом пропускания, светопропускание оконного стекла 90…92%, профильного 84…86%, стеклоблоков 82… 85%. Светопропускание зависит не только от вида стекла, но и от угла падения световых лучей. Поскольку стекло поглощает всего лишь около 2 % световых лучей, то основной причиной снижения светопропускания является отражение лучей. Оконное стекло обладает хорошим пропусканием в инфракрасной области спектра и плохо пропускает ультрафиолетовые лучи. Окно считается самым слабым конструктивным элементом стены здания в отношении воздействия внешней шумовой нагрузки. Усредненный коэффициент звукоизоляции стеклопакетов зависит как от расстояния междустеклами, так и от толщины стекла. Стремясь улучшить звукоизоляцию, используют стекла разной толщины, уделяя особое внимание качеству выполнения швов.
Теплопроводность
Теплопроводность обычного стекла при температуре до 100 град С составляет 0,4…0,82 Вт/(м-град С). Малой теплопроводностью обладают стекла, содержащие большое количество щелочных оксидов. Пеностекло, являющееся теплоизоляционным материалом, имеет теплопроводность 0,045…0,058 Вт/(м-град С).
Теоретическая прочность
Теоретическая прочность при растяжении большая и составляет для обычного оконного стекла 6500…8000 МПа. Однако фактическая прочность оконного стекла при растяжении и изгибе значительно меньше теоретической вследствие микродефектов в структуре и на поверхности стекла и составляет всего 30…90 МПа. Стеклообладает высокой прочностью на сжатие 700…1000 МПа, иногда до 1250 МПа. Плохо сопротивляется удару, т.е. оно хрупко: прочность при ударном изгибе составляет всего около 0,2 МПа. Твердость его равна 5…7 по шкале твердости.
Деформативные свойства
Деформативные свойства стекла: у стекла отсутствуют пластические деформации, стекло подчиняется закону Гука вплоть до момента хрупкого разрушения. Модуль упругости 70 000…75 000 МПа, модуль сдвига 20 000…30 000 МПа, коэффициент Пуассона 0,25.