Основы технологии производства стекла

.Для удовлетворения потребности отраслей народного хозяйства разработаны сотни видов стекол различных сос­тавов. Как правило, современные промышленные стекла содержат не менее пяти компонентов, а специальные тех­нические — более десяти.

Изменение химического состава стекольного расплава позволяет эффективно регулировать прочностные, тепло-физические, диэлектрические, химические и другие свой­ства стекла. Так, повышение химической стойкости ме­ханической прочности достигается за счет увеличения в составе стекла Si0₂, А1₂0₃ и СаО; замена части Si0₂ на РЬО придает стеклу повышенный блеск; введение в состав фто­ридов позволяет получить глушенное стекло и т.д.

Разнообразие свойств стекол обусловливает и разнооб­разие используемого сырья. Все сырьевые материалы, при­меняемые для варки стекла, делят на главные и вспомога­тельные. Первые вводят в состав шихты необходимые для данного стекла основные и кислотные оксиды, вторые при­дают стекломассе специфические свойства, облегчают ее варку и выработку.

Главные стеклообразующие оксиды вводят в состав ших­ты со следующими видами сырья: Si0₂ с кварцевыми песка­ми или песчаниками; СаО и MgO — с известняками и доло­митами; А1₂0₃ — с пигментом или полевым шпатом; Na₂0 — с содой; Са₂0 — с паташом; В₂0₃ — с буром; РЬО — с сури­ком и т. д. Основное требование, предъявляемое ко всем видам сырья, — чистота и однородность по составу. Особен­но жесткие требования предъявляют к чистоте кремнезёмсодержащего сырья, составляющего до 70% шихты.

К вспомогательным материалам относятся вещества, создающие восстановительную или окислительную среду в стекольной шихте и печной атмосфере, ускоряющей про­цессы стеклообразования и обесцвечивания стекломассы, и красители. В качестве восстановителя применяют ант­рацит и кокс, окислителей — нитраты натрия или калия, оксиды мышьяка и сурьмы. Ускоряют процесс стеклообразования добавкой сульфата натрия, кремнефтористого и фтористого 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. Стекольную шихту готовят путем дозирования по заданному рецепту сырьевых материалов и тщательно­го их перемешивания. Смешение шихты производят в сме­сителях периодического действия: тарельчатых, барабан­ных, а также конусных.

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 шихте 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 800-900°С.

На второй стадии стеклообразования при повышен­ных температурах происходит плавлении 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.

Ha 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 1400-1500 °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 формирование изделий, за счет снижения температуры до 1000—1200 °С.

Для промышленных стекол, вырабатываемых механи­ческими способами, стекломассу получают в непрерывно действующих стекловаренных ванных печах, а для неко­торых специальных видов стекол в печах периодичес­кого действия (горшковых или ванных).