18.3. Свойства стекол

Свойства стекол зависят не только от химического состава, тех­нологических режимов варки, но и от термической обработки. Важ­ным условием формирования свойств является характер технологии закалки при быстром охлаждении и отжига — при медленном ох­лаждении. В стеклообразном состоянии могут быть получены мно­гие вещества. В строительстве в основном применяют силикатное стекло, основным стеклообразующим оксидом в котором служит SiO₂. Химический состав силикатных стекол (% по массе): SiO₂ — 64—73,4; Na₂O — 10—15,5; К₂О — 0—5; СаО — 2,5—26,5; MgO — 0-45; АШз — 0—7,2; Fe₂O₃ — 0—0,4; SO₃ — 0—0,5; В₂О₃ — 0—5. Средняя плотность стекол изменяется в пределах 2,2—6 г/см³. Са­мые тяжелые стекла содержат оксиды свинца, висмута, а самые лег­кие — оксиды лития, бериллия, бора. Модуль упругости стекол 4,5∙10⁴—9,8∙10⁴ МПа. Стекло в процессе эксплуатации в строитель­ных конструкциях подвергается в основном изгибу, растяжению и удару. Расчетный теоретический предел прочности при растяжении стекла составляет 12000 МПа, практический R_p — 30—80 МПа, что объясняется наличием в стекле микронеоднородностей, микротре­щин, внутренних напряжений, пороков стекла (свилей), инородных включений и др. Предел прочности стекла при сжатии R_сж составля­ет 600—1000 МПа и более. Стекло плохо сопротивляется удару, т. е. оно относится к хрупким материалам. Прочность при ударном изги­бе составляет ≈ 0,2 МПа. Большое влияние на сопротивление удару оказывает состояние поверхности стекла и наличие в нем пороков. У закаленных стекол сопротивление удару в 5—6 раз больше, чем у отожженных.

Оптические свойства стекла характеризуются в основном свето-пропусканием (прозрачностью). Обычные силикатные стекла хоро­шо пропускают всю видимую часть спектра и практически не про­пускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. По оптическим свойствам различают прозрачное, окрашенное, бесцветное и рассеи­вающее стекло. Силикатное стекло обладает высокой стойкостью к большинству реагентов, за исключением плавиковой и фосфорной кислот. В настоящее время получено ячеистое стекло и электроваку­умное стекло с повышенной химической стойкостью. Температур­ный коэффициент линейного расширения обычных строительных стекол изменяется от 9∙10^-6 до 15∙10^-6 1/°C. От него зависит сопро­тивляемость стекла резким изменениям температуры (термическая стойкость). На термостойкость стекла влияют также состояние по­верхности, форма, размеры изделий, их толщина. Наиболее низкий коэффициент температурного расширения у кварцевого стекла — 5,8∙10^-7 1/°С. Теплопроводность стекол 0,5—1 Вт/(м∙К). Наиболь­шую теплопроводность имеет кварцевое стекло — 1,34 Вт/(м∙К). Малой теплопроводностью обладают стекла с большим содержани­ем щелочных оксидов. Звукоизолирующая способность стекла отно­сительно высока (при толщине стекла 1 см она соответствует кир­пичной стене в полкирпича — 12 см).

18.4. Основы производства стекла

Производство строительного стекла состоит из подготовки сы­рьевых материалов (дробление, помол, сушка, просеивание и др.), приготовления шихты определенного химического состава, варки стекла, формования изделий и их отжига.

Варят стекло в стеклоплавильных печах непрерывного (ванные печи) или периодического (горшковые печи) действия. Стекловаре­ние завершается студкой стекломассы до температуры, при кото­рой она приобретает вязкость, необходимую для формования изде­лий.

Формование изделий осуществляют различными способами: вы­тягиванием ленты стекла лодочным и безлодочным способами, про­катом, литьем, прессованием, выдуванием.

Вытягиванием изготовляют листовые стекла толщиной 2—6 мм, стеклянные трубы, стекловолокно. Сущность лодочного способа получения листового стекла заключается в следующем. В бассейн (он обычно имеет длину 5—6 м при глубине 1,2—1,5 м) с готовой стекломассой, охлаждаемой до температуры, соответствующей не­обходимой вязкости (не ниже 10² Па-с) погружается лодочка. Ло­дочка — это длинный прямоугольный шамотный брус со сквозным продольным вырезом, переходящим в верхней части в узкую щель. Под влиянием гидростатического напора стекломасса выдавливает­ся через щель; растекания при этом не происходит (рис. 18.4). Если опустить на стекломассу, выдавливаемую из щели лодочки, гори­зонтально подвешенную стальную раму — «приманку», а затем от­тягивать ее вверх с помощью валиков специальной машины ВВС (вертикального вытягивания стекла), то за приманкой потянется лента стекла. Отформованная лента стекла охлаждается и отжигает­ся в шахте машины. После выхода из шахты от нее отрезают листы требуемых размеров.

При безлодочном способе (вертикальном и вертикально-гори­зонтальном) в стекломассу погружают огнеупорный поплавок со сквозной щелью или без нее. Поплавок способствует созданию на­правленного потока стекломассы, помогающего стабилизировать формование ленты стекла. При этом способе лента стекла поднима­ется непосредственно со свободной поверхности стекломассы с по­мощью бортоформующих роликов (рис. 18.5).

Методом проката, при котором стекломасса сливается на глад­кую поверхность и прокатывается валками с гладкой или узорчатой поверхностью, изготовляют крупноразмерное листовое стекло (гладкое и узорчатое), коврово-мозаичные плитки, а также стекло, армированное металлической сеткой (рис. 18.6).

Рис. 18.4. Лодочный способ вытягивания стекла: а — лодка; б — схема вытягивания ленты стекла

Рис. 18.5. Схема безлодочного вытягивания стекла: 1 — растягивающие ролики; 2 — холодиль­ник; 3 — перегибной вал

Стекло с высоким качеством поверхности и утолщенное (8—30 мм) получают эффективным флоат-способом (рис. 18.7). При этом способе формование ленты стекла происходит на поверхности расплавленного олова в результате растекания стекломас­сы. Такое стекло не нуждается в последующей полировке, имеет ровные края.

Рис. 18.6. Схема непрерывной прокатки листового стекла: 1 — прокатные валки; 2 — арматурная сетка; 3 — валик для арматурной сетки; 4 — выработочная часть стекловаренной печи; 5 — слив­ной порог, 6 — плита; 7 — транспортирующие валики

Рис. 18.7. Схема установки для производства стекла по способу флоат-процесса: 1 — стекловаренная печь; 2 — лоток для слива стекла; 3 — флоат-ванна; 4 — место подачи га­зов защитной атмосферы; 5 — печь отжига; б — расплав олова

Прокатывая стекло и загибая его края в форме швеллера или ко­робки, получают профильное стекло. При изготовлении труб испо­льзуют способ вальцевания, при котором непрерывная струя стекломассы поступает на вращающийся вал, распределяется по его поверхности по спирали, затем развальцовывается и разглаживается с помощью роликов.

Методом прессования в формах с помощью керна (пуансона), создающего давление на стекломассу, изготовляют изделия крупных размеров и большой толщины (стеклоблоки). Методом центробеж­ного формования (частота вращения форм 800—1200 об/мин) изго­товляют цилиндры, трубы, свето- и радиотехнические приборы.

Отформованные изделия обязательно отжигают для уменьшения внутренних напряжений в специальных печах или в шахтах машин ВВС.

Если стекло нагреть до пластичного состояния, а затем резко ох­ладить его, то можно вызвать появление равномерно распределен­ных остаточных напряжений, которые придают стеклу повышенную механическую прочность при ударе и изгибе, повышенную термо­стойкость. Этот процесс называют закалкой; для закалки использу­ют электрические печи или шахтные закалочные агрегаты.

Высокопрочные стекла получают путем химического и термохи­мического упрочнения его поверхности¹;

Некоторые стеклоизделия подвергают декоративной обработке, в частности напылению стеклопорошков плазменной горелкой на их подложки (листовое стекло, посуду). Листовое стекло шлифуют, полируют. Отходы шлифования можно использовать при производ­стве автоклавных силикатных материалов.

Разновидности ИСК, вяжущая часть которых представлена затвердевшим неорганическим стеклорасплавом, называют стекло-конгломератами. Их изготовляют пока в небольшом объеме, например стеклокремнезит, стекломрамор, стеклошамотный огнеупор.

Общие закономерности формирования их структуры соответствуют общей теории ИСК. В качестве заполнителей могут использоваться отходы от ремонта различных печей (динасовые, шамотные, магнезитовые, шпинелевые и др.), а также горные породы: кварцевый песок, мраморная крошка и др. Стекломасса при затвердевании вступает в физико-химическое взаимодействие с заполнителями, вследствие чего образуются пограничные контактные зоны. Изготовление стеклоконгломератов может производиться по двум принципиальным технологическим схемам: 1) расплав стекломассы в минимально необходимом количестве вводят в плотную смесь огнеупорных заполнителей, температура плавления которых выше

чем у стекломассы (не менее чем на 50°С); эта смесь перемешивается и формуется с уплотнением в изделие; 2) сырец изготовляют из тонкоизмельченного стекла, плавней, заполнителей, после чего образовавшуюся шихту нагревают до температуры плавления тонкоизме­льченного стекла, что способствует цементации огнеупорного заполнителя и сырца в стеклоконгломерат. В качестве вяжущей час­ти можно использовать бой стекла, эрклез и др. Для повышения де-формативности, снижения хрупкости применяют соответствующие добавки.