2.4.1 Силикатообразование стекла

Начальная стадия варки силикатных стекол. Это процесс протекания химических реакций между входящими в состав стекольной шихты материалами.

Силикатообразование осуществляется при относительно невысоких температурах, идет без особых затруднений и не требует весьма длительных выдержек. Однако он может быть ускорен путем повышения температуры, увеличения реагирующей поверхности, добавок ускорителей, оптимального увлажнения, уплотнения шихты (гранулы, брикеты).

На первом этапе нагревания шихты, еще до вступления в химическое взаимодействие между собой, компоненты шихты претерпевают ряд физических изменений: из шихты испаряется влага, идут процессы обезвоживания гидратов и термического разложения некоторых солей, происходят переходы в другие кристаллические модификации. Далее, по мере повышения температуры, в химическое взаимодействие вступают кварцевый песок и глиноземсодержащие материалы, образующие с солями различные силикаты, в результате чего появляется так называемый первичный расплав. При наличии расплава химическое взаимодействие компонентов шихты значительно ускоряется.

На стадии силикатообразования происходит термическое разложение компонентов, реакции в твёрдой и жидкой фазе с образованием силикатов, которые вначале представляют собой спек, включающий вступившие и не вступившие в реакцию компоненты. По мере повышения температуры отдельные силикаты плавятся и, растворяясь, друг в друге, образуют непрозрачный расплав, содержащий значительное количество газов и частицы компонентов шихты. Стадия силикатообразования завершается при 1100—1200 °С.

2.4.2 Стеклообразование

На этапе силикатообразования не весь диоксид кремния входит в состав силикатов, поскольку он вводится в большом количестве, чем требуется для связывания других компонентов в силикаты. Избыточное количество диоксида кремния составляет 30% массы песка в шихте. На этапе стеклообразования происходит растворение избыточного диоксида кремния в расплаве силикатов. Процесс более медленный по сравнению с силикатообразованием и занимает около 60 – 70% времени, которое затрачивается на весь процесс.

На этапе стеклообразования остатки кварцевых зерен медленно растворяются в вязком расплаве силикатов. Вокруг каждого зерна в результате образуется пограничная зона с повышенным содержанием диоксида кремния. По мере насыщения зоны растворение кварцевого зерна затормаживается. Для продолжения растворения необходимо, чтобы избыточный диоксид кремния был удален в окружающий раствор силикатов. Этот процесс совершается диффузионным путем под влиянием градиента концентрации. Таким образом, растворение остатка кварцевого зерна является прерывистым.

Скорость стеклообразования зависит от:

1. Свойств кварцевых зерен – размеров, формы и наличия включений в зернах. Включения в зерно разрыхляют его и способствуют растворению.

2. Условий растворения – в которых главную роль играет температура процесса. С повышением температуры значительно возрастает скорость стеклообразования.

3. Свойств расплава – состав стекла, в особенности повышение концентрации щелочных оксидов и свободного сульфата натрия, изменяет вязкость расплава и его поверхностного натяжения, и, следовательно, увеличивают скорость растворения кварцевых зерен.

Образовавшийся на первом этапе спек с повышением температуры плавится, завершаются реакции силикатообразования, происходит взаимное растворение силикатов. В расплаве силикатов идет весьма медленное, постепенное растворение избыточного кварца, составляющее главное содержание этого этапа. К концу этапа появляется прозрачный не однородный по составу расплав, включающий много пузырей. Для обычных стекол этот этап завершается при 1200 – 1250 °С.