Основы производства стекла

Сырьевые материалы можно разделить на главные и вспомогательные. Главные: кремнезем (SiO₂) в виде кварцевого песка или молотых кварцитов, содержащих примеси (Fe, Cr, Ti) не более 0,005%. SiO₂ – основной стеклообразующий оксид, повышающий тугоплавкость и его химическую стойкость; глинозем (Al₂O₃) в виде полевых шпатов, каолина. Действие такое же, как и кварцита; оксид натрия (Na₂O) в виде соды и сульфата натрия; оксид калия (К₂О) в виде поташа и калиевой селитры. Na₂O – ускоряет процесс стеклообразования, понижает температуру плавления и облегчает осветление стекломассы, но повышает коэффициент теплового расширения и уменьшает химическую стойкость. К₂О – снижает склонность стекла к кристаллизации, придает ему блеск, улучшает светопропускание; CaO и MgO – мел, мрамор, известняк, доломит, магнезит. Повышает химическую стойкость.

Вспомогательные: осветлители – вещества, способствующие удалению из стекломассы газовых пузырей; обесцвечивающие материалы – NaCl, NaSO₄; глушители - вещества, делающие стекло непрозрачным; красители.

Схема производства

1. подготовка сырья – тонкое измельчение и тщательное смешивание в требуемых соотношениях. Шихта брикетируется и подается в печь;

2. стекловарение – главная и самая сложная операция в производстве. Протекает в несколько этапов:

I стадия – при t = 400⁰С начинаются реакции в твердой фазе – силикатообразование. При дальнейшем нагревании появляется жидкая фаза, и образовавшиеся силикаты превращаются в плотный монолитный спек. Затем при нагревании силикаты расплавляются, и в этом расплаве растворяются наиболее тугоплавкие компоненты SiO₂ и Al₂O₃. Образовавшийся расплав насыщен газовыми пузырьками и неоднороден по составу;

II стадия – удаление пузырьков и полная гомогенизация стекла. Стеклообразование в 8-9 раз медленнее, чем на I стадии, t = 1400-1600⁰С;

III стадия – студка – охлаждение до такой температуры, когда стекло приобретает оптимальную для принятого метода выработки стекла вязкость.

Метод выработки – вытяжка, прокат, прессование, отливка.

Наиболее опасным моментом является переход стекла из пластичного состояния к хрупкому. Поэтому обязательной операцией является отжиг – охлаждение по специальному режиму: быстрое - до начала затвердевания и очень медленное – в опасном интервале температур.

Виды изделий из стекла

Листовое стекло – основной вид стекла, используемый в строительстве. Существует много разновидностей листового стекла: обычное оконное, увиолевое, теплопоглощающее, узорчатое, закаленное, витринное, армированное, волнистое и т.д.

Оконное стекло выпускают шести размеров по толщине 2; 2,5; 3; 4; 5; 6 мм. Листы должны быть бесцветными и иметь ровные кромки и целые углы. Допускается слабый голубоватый или зеленоватый оттенок. Светопропускание не менее 87%.

Увиолевое стекло применяют для остекления оконных проемов в лечебных заведениях, детских учреждениях и т.д. Это стекло пропускает ультрафиолетовые лучи не менее 25%. Со временем увиолевое стекло стареет, приобретает фиолетовую или желтоватую окраску, при этом снижается способность к пропусканию ультрафиолетовых лучей.

Теплопоглощающее стекло используют с целью уменьшения нагрева солнцем жилых, общественных, промышленных зданий в Южных районах. Для него характерно светопропускание длинноволновой части спектра. В состав стекломассы вводят оксиды кобальта, железа, никеля – имеет зеленовато-голубой оттенок.

Светорассеивающее стекло используют для освещения, когда требуется освещение без сквозной видимости или рассеянный свет. Узорчатое и матовое стекло.

Армированное стекло применяют в случаях, когда не требуется сквозной видимости, но необходимо освещение и к остеклению предъявляют повышенные требования в отношении механической прочности и огнестойкости. Металлическая сетка, запрессованная в стекло, является каркасом, удерживающим мелкие осколки стекла при механическом повреждении или растрескивании под действием огня.

Закаленное стекло – повышенные механические свойства. Прочность на удар в 4-6 раз более высокая, чем у обычного стекла. Применяют в основном для транспорта.

Волнистое стекло – для устройства светопрозрачных кровельных покрытий и фонарей в промышленных зданиях.

Плоское цветное стекло применяют в декоративных целях.

Облицовочное стекло применяют для отделки фасадов и внутренних помещений зданий.

Цветные плиты («марблит») – плиты 2100*1400 мм и толщиной 6-12 мм из непрозрачного стекла с полированной лицевой поверхностью и рифленой тыльной.

Стеклянные эмалированные плитки получают из отходов листового стекла. Стекло покрывают кашицей размолотой стеклянной эмали, сушка и спекание t = 750-780⁰С. Используются для облицовки зданий.

Изделия из стекла

Стеклопакеты, соединенные по периметру два или несколько листов стекла. Полость между стеклами заполнена сухим воздухом. Размеры стеклопакета от 300*300 до 2300*1900 мм. Стеклопакеты выдерживают большую ветровую нагрузки. Коэффициент теплопередачи составляет 1,7-2,4 Вт/м^{2 0}С. Светопропускание в зависимости от применяемого вида стекол от 30 до 80%. Стеклопакеты обладают достаточной звукоизолирующей способностью – 29-32 дБ.

Стеклянные трубы применяют в пищевой, фармацевтической, химической и других отраслей промышленности для транспортирования агрессивных жидкостей. Трубопроводы из стекла прозрачны, гигиеничны и имеют гладкую поверхность, что уменьшает сопротивление перемещающимся жидкостям. Коррозионно-устойчивые трубы выпускают диаметром 15-65 мм и длиной 1000-3000 мм и предназначены для транспортирования жидкости с температурой до 120⁰С и давлением 0,3 МПа.

Ситаллы и шлакоситаллы. Ситаллы – стеклокристаллические материалы, в которых благодаря направленной кристаллизации микрочастицы кристаллической фазы равномерно распределены в стекле. Структура ситаллов напоминает бетон.

Обладая положительными свойствами стекла, Ситаллы лишены большинства его недостатков (хрупкости, малой прочности на изгиб, низкой термостойкости). Сырьем для получения ситаллов служат те же природные материалы, что и для стекла, а также ряд специальных добавок. Но к чистоте предъявляются повышенные требования. Ситаллы имеют большую прочность до 500 МПа и высокую стойкость к химическим и тепловым воздействиям. Ситаллы могут быть от темного коричневого до кремового цвета, прозрачные и глухие.

Шлакоситаллы – это наиболее перспективный материал, чем ситалл, получаемый путем гетерогенной кристаллизации стекла, получаемого из металлургического шлака. Шлакоситалловые листы можно окрашивать в различные цвета нанесением на них глазури. Шлакоситаллы обладают высокой химической стойкостью, износостойкостью, водонепроницаемостью, высокой прочностью и твердостью по сравнению со стеклом. Свойства: = 600-2700 кг/м³, R_ИЗГ = 65-110 МПа, R_СЖ = 250-550 МПа, удельная ударная вязкость 0,3-0,35 МПа*см, потери при истираемости 0,03-0,06 г/см², термостойкость 100-150⁰С, кислотостойкость в 96% H₂SO₄ – 99,1-99,9% и щелочестойкость в 35% NaOH – 80-85%.

Каменок литье (литые каменные изделия) получают плавлением сырьевой шихты, разливки расплава в формы и последующей термической обработкой, включающей процессы кристаллизации и отжиг.

Изделия из каменного литья отличаются большой плотностью. Их пористость составляет не более 1-2%, а иногда и десятыми и сотыми долями %, при этом = = 2900-3000 кг/м³. Почти не поглощают воду. Очень морозостойки, коррозионно-устойчивые. R_СЖ = 200-240 МПа, R_ИЗГ = 40-50 МПа, R_РАСТ = 20-30 МПа, истираемость 0,07 г/см² в 3-5 раз ниже, чем у гранита, базальта. Обладают высокими диэлектрическими свойствами и высокой термостойкостью.