ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО СТЕКЛА И ШЛАКОСИТАЛЛОВ

ВЯЗКОСТЬ

При движении жидкого или пластичного вещества (или при давлении на него) одни слои вещества переме­щаются относительно других. При этом они испытывают
сопротивление, вызываемое силами внутреннего трения р. Эти силы пропорциональны площади соприкосновения перемещающихся слоев и разнице скоростей их движе­ния:

(«о — и,)

F-TlS-P------------ - і— ,

Где - S — площадь соприкосновения слоев; (Хг—*і)—расстояние между слоями; (v2—v,) — скорость перемещения одного слоя отно­сительно другого.

Коэффициент пропорциональности т] называют коэф­фициентом внутреннего трения или вязкости.

Если 5 и (v2—Vi)f(x2—Xi) равны единице, то rj=.F; таким образом, коэффициент вязкости можно характе­ризовать как силу, которую нужно приложить к слою жидкости в 1 м2, чтобы переместить его относительно другого слоя такой же площади, отстоящего от первого слоя на расстоянии I м, со средней скоростью 1 м/с. Вяз­кость выражают в паскаль-секундах (Па-с).

Сравнительно с другими жидкостями и расплавами металлов вязкость расплавов стекол различных составов очень велика. При самой высокой температуре варки она составляет около 10 Па-с, что в 10 тыс. раз больше вяз­кости воды при 20°С (0,001 Па-с) и в 40 тыс. раз боль­ше вязкости расплавленной стали при 1400 °С (около 0,00025 Па-с). При комнатной температуре вязкость стекла составляет 1014 Па-с.

Вязкость измеряют с помощью приборов, называемых вискозиметрами. Методы измерения зависят от того, ка­кую вязкость нужно измерить. Вязкость стекла от 10 до 105 Па-с измеряют по сопротивлению, которое испыты­вает вращающийся цилиндр или шарик, подвешенный на закручивающейся нити внутри расплава, нагретого до той или иной температуры. Вязкость стекла от 105 до Ю7 Па-с измеряют по удлинению нагретой стеклянной нити под действием укрепленного на ней груза, а самые высокие вязкости (от 107 до 1013 Па-с) — по аналогич­ному удлинению стеклянных палочек.

Вязкость стекла зависит от его температуры и хими­ческого состава. Наиболее сильное влияние на вязкость имеет температура. По мере ее понижения вязкость уве­личивается. При самых высоких температурах вязкость расплава стекла—стекломассы—изменяется незначи­тельно, а по мере их понижения изменяется более резко. Ранее указывалось, что при температуре, соответствую­щей вязкости 10s Па-с, которую называют температурой

Размягчения Tf, стекломасса перестает быть текучей, а при вязкости 1012 Па-с теряет также пластичность и превращается в хрупкое стекло. Температура, соответст­вующая вязкости 1012 Па-с, Tg, называется температу­рой стеклования.

На рис. 2.1 показано, как изменяется вязкость стек­ла в зависимости от его температуры. Удобнее эту за­висимость изображать, откладывая на оси ординат вмес­то значений вязкости логарифмы значений вязкости. Так, вместо вязкостей 103, 105 Па-с и т. д. откладывают ве­личины «3», «5» и т. д. (рис. 2.2).

У расплава листового стекла при изменении темпера­туры на каждые 10°С в интервале 1500—1400°С его вязкость изменяется в среднем на 5—10 %, а в интервале температур, соответствующих формованию (1000— 1200°С),—до 25%. При температуре отжига (500— 600 °С) каждые 10 °С понижения температуры увеличи­вают вязкость вдвое.

Состав стекла влияет на его вязкость менее значи­тельно и сложнее, чем температура. Одни и те же окси­ды, добавленные в состав стекол, влияют на их вязкость по разному в зависимости от основного состава стекла и от температуры.

Рнс. 2.1. Изменение вязкости стекла в за­висимости от его температуры

6000

45000 §

^ то 1

§ 3000 §

§ 2000 В

§ 1000 СП

О; 00

2*

Повышают вязкость стекол при всех температурах Zr02, А1203) Si02 (первая группа), а понижают его при всех температурах Li20, Na20, К2О, PbO, BaO, F (вторая группа). Понижают вязкость стекол при высоких темпе­ратурах больше, чем при низких СаО (до 8—10 %), В203 (до 15 %), MgO, ZnO (третья группа).

Перечисленные оксиды расположены так, что каждый предыдущий из них действует более сильно, чем после­дующий. Легко понять поэтому, что для первой группы вязкость стекла будет понижаться при замене каждого предыдущего оксида последующим. Напротив, во второй группе такая замена вызовет повышение вязкости. При замене оксидов первой группы оксидами второй и треть­ей групп вязкость стекла понижается при всех темпера­турах. Замена оксидов второй группы оксидами третьей группы влияет на вязкость стекла по-разному в зависи­мости от его состава и температуры.

Для расплавов промышленных стекол, содержащих Si02, А120з (до 5 %), СаО (до 17 %), MgO (до 5 % вмес­то СаО), Na20 (до 17 %), Fe203 (до 5 %), можно оцени­вать влияние отдельных компонентов на вязкость стекла по тому изменению температуры, которое необходимо для того, чтобы эта вязкость осталась постоянной при замене 1 % одного оксида на 1 % другого оксида (табл. 2.1).

М. В. Охотин разработал метод расчета вязкости силикатных стекол, содержащих 12—16 % Na20, 5—12 % СаО, 2—5 % А1203 и MgO. Так, если количество Na20 обозначить через х, сумму (СаО + 3 % MgO)—через у, содержание А1203 — через z, то коли­чество S1O2 при этом условно составит без учета примесей [100— —(x+(/+z)]. По формуле (2.1) можно рассчитать температуры Т"С, соответствующие вязкостям от 102 до Ю12 Па-с, и построить кри­вую зависимости логарифма вязкости от температуры:

T = ax+by + cz+d, (2.1)

При содержании MgO больше или меньше 3 % вносится темпе­ратурная поправка (табл. 2.3).

Примерный расчет кривой вязкости стекла. Требуется рассчитать кривую вязкости оконного стекла состава (% по массе): Si02— 72; А120з—1,9; Fe203 —0,1; СаО —6,7; MgO —4,1; Na20 — 14,9; S03 — 0,3. Для этого нужно найти значения температур t, соответствующие тем или ииым значениям lg Г). Расчет ведем по формуле

T = ax + by+cz + d,

Где х—содержание Na20; у — содержание (СаО+3 % MgO); 2 — содержание А120з.

Значения а, Ь, с и d берем из табл. 2.2 и вносим поправки иа со­держание MgO, равное 4,1 % по табл. 2.3. В данном случае поправ­ку следует вносить на содержание MgO, равное 4,1—3=1,1 %. Если в стекле кроме Na20 будет присутствовать и К2О, то иа его содер­жание также следует внести поправку согласно табл. 2.1.

Для построения кривой зависимости lg г) от температуры стекла достаточно пяти точек. Примем за основу температуры, соответст­вующие, например lgr)=2, 3, 4, 6, 8. При lgr)=2 /2=—22,87-14,9— —16,1-9,7+6,5-1,9+1700,4+1,1-9=1225,7°С«1226°С. При lgr)=3= ts=—17,49-14,9—9.95-9,7+5,9-1,9+1381,4+1,1 -6= 1042,2 1042 °С. При lg г) = 4 /4= —15,37-14,9—6,25-9,7+5-1,9+1194,27+1,1-5= =918,92 °С=»919 °С. При lgii = 6 ts=—10,36-14,9—1,18-9,7+4,35X XI,9 + 910,96+1,1 -2,6=757 °С. При lgr) = 8 f3=— 2,05- 14,9+2,ЗХ X 9,7+3,6 • 1,9+656,75+0 = 655,31 °С » 655 °С.

По найденным значениям температур строится кривая 4 (см. рис. 2.2), по которой легко определяют значения вязкости, со­ответствующие той или иной температуре, или, наоборот, темпера - туру, при которой стекло обладает той или иной вязкостью. Так, температура 1000°С соответствует вязкости, равной 103'3 Па-с.