ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО СТЕКЛА И ШЛАКОСИТАЛЛОВ

ТВЕРДЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ

Твердые включения — опасный порок стекломассы; они вызывают появление в стекле сильных местных на­пряжений, которые понижают механическую прочность и термическую устойчивость изделий и подчас приво­дят к их самопроизвольному разрушению. Если твер­дое включение частично растворилось в стекле, ему обычно сопутствуют «хвостики» свили.

По происхождению твердые включения (камни) мо­гут быть шихтными (частицы непровара); камнями от огнеупоров (от бассейна, преград, свода и т. д.); про­дуктами кристаллизации стекломассы; сульфатными (щелочными), «черными точками» и посторонними за­грязнениями.

Представление о характере включений можно получить, рассмат­ривая их под лупой. Детальное исследование проводят под микро­скопом, для чего исследуют шлифы включений толщиной около 0,01 мм. При этом кроме структуры включений и формы кристал­лов определяют оптические свойства, характерные для каждого ве­щества. Петрографическое исследование при необходимости допол­няют химическим анализом камней, тщательно отделенных от стек­ла. Очень удобен рентгенофазовый метод анализа, при котором рент­генограмму включения сравнивают с типовыми рентгенограммами различных веществ.

Шихтные включения—это остатки не полностью про­варившихся материалов шихты. Причины их появления:

А) сырьевые материалы, тугоплавкие или содержа­щие трудно проваривающиеся примеси недостаточно из­мельчены и просеяны через слишком крупные сита;

Б) песок содержит примеси тяжелых минералов;

В) в шихте в результате неправильного отвешивания не хватает плавней;

Г) в результате плохого перемешивания в шихте об­разовались участки, обедненные плавнями, обогащенные тугоплавкими компонентами, или содержащие избыток восстановителя;

Д) шихта расслоилась во время перевозки к ванной печи или при загрузке, вследствие того что она была недостаточно увлажнена или ссыпалась с большой вы­соты; при загрузке в печь на нее попала вода;

Е) в печи поддерживался неправильный тепловой ре­жим (недостаток теплоты и низкая температура в зоне варки) или практиковались чрезмерно высокие съемы стекломассы;

Ж) при варке образовалась кремнеземистая пена (кристобалит).

К шихтным включениям, возникающим уже при не­значительном ухудшении провара, относятся корунд из пегматита и тугоплавкие' минералы тяжелой фракции песка (например, кианит, силлиманит, циркон, хромит). Кианит и силлиманит представляют собой веретенооб­разные или слегка удлиненные включения с высоким показателем преломления; внешне оци имеют вид мел­ких белых прозрачных включений с двумя усиками. Хромит — включение черного цвета с зеленоватым ме­таллическим блеском. Включения циркона под микро­скопом также кажутся черными вследствие очень высо­кого преломления.

При еще меньшей степени провара к указанным включениям добавляются непроваренные кварцевые зерна, комочки глиноземистых компонентов, включения кремния (из известняка, мела или сульфата натрия). Не - проварившиеся кварцевые зерна имеют характерную трещиноватую структуру, по краям изъедены, растворе­ны, кристобалитизированы и окружены пузырьками (см. рис. 6.1); их периферийный слой имеет более низ­кий показатель преломления, чем стекло. Зерна глинис­тых компонентов по периметру перерождаются в поле­вые шпаты с характерной косой спайностью или в не­фелины, имеющие гребенчатое строение и светло-серую окраску в поляризованном свете.

Шихтный «кристобалит» состоит из скоплений квар­цевых зерен, сильно кристобалитизированных и прони­занных пузырьками, а часто и прослойками стекла жел­того цвета (рис. 8.2).

Камни от огнеупоров образуются прежде всего из - за дефектов материалов, применяемых для кладки пе-

Рис. 8.2. Микроструктура кристобалита (шихтиого камня)

Чей: неплотной структуры огнеупоров с большим коли­чеством крупных зерен, трещин и раковин, большого содержания и низкой стеклоустойчивости связки (в обжи­говых огнеупорах) или стекловидной фазы (в электро­плавленых) и т. п. Другие причины их появления связаны с недостатком пуска и эксплуатации печей: резкими колебаниями температуры, интенсивным испа­рением и распылением щелочей, высоким давлением газов в печном пространстве, длинным коптящим или чрезмерно коротким и горячим факелом, колебаниями уровня стекломассы, недостаточным охлаждением клад­ки, присутствием щелоков и т. д.

Камни от огнеупоров могут быть бакоровыми, высо­коглиноземистыми, шамотными, или динасовыми. Бако - ровые включения — продукты разрушения электроплав­леных цирконийсодержащих огнеупоров — под микро­скопом имеют темную окраску; в них наблюдаются шестиугольные или призматические пластинки корунда и черные высокопреломляющие червеобразные включе­ния двуокиси циркония. В каемке, окружающей высоко­глиноземистые огнеупоры, кристаллизуются корунд и р-глииозем, для которого характерны высокое двупре-

Рис. 8.3. Бакоровые (слева) и шамотные (справа) включения от огнеупоров

(м акроструктура)

Ломление и яркая поляризационная окраска (рис. 8.3, слева).

Шамотные включения имеют под микроскопом серо­вато-желтоватую окраску; они перерождаются по пери­ферии в полевые шпаты и нефелин с включениями тон­ких иголок муллита (рис. 8.3, справа), корунда и р-гли - нозема. Так как между температурными коэффициента­ми расширения любых глиноземистых включений к стекла имеется большое различие, вокруг таких камней: в поляризованном свете видны напряжения и трещины - Показатель преломления их выше, чем обычных про­мышленных стекол.

Динасовые включения обычно сильно растворены в: стекле, содержат очень крупные зерна кварца размером: до нескольких миллиметров, окруженные кристобалитоад и двойниковыми кристаллами тридимита. Показатель, преломления этих включений ииже, чем стекол про­мышленных составов.

Встречаются также включения смешанного типа — кремнеземн - сто-глиноземистые, в которых наряду с продуктами кристаллизации» пограничного слоя глиноземистых огнеупоров наблюдаются и ден­дрита кристобалита. Они образуются при воздействии капель, сте-

Кающих е верхнего строения печи на глиноземистые огнеупоры бас­сейна.

Для того чтобы решить, какой участок кладки печи разрушается, образуя динасовые или глиноземистые камни, следует прежде всего проверить степень пере­рождения и растворения включений. Чем ближе источ­ник камней расположен к месту выработки, тем менее растворены включения, тем острее их грани, тем тонь­ше каемка кристаллов по их периметру. Сильно пере- рсЩценнькцкамнц* Образуются вероятнее всещ^в вароч - н&Рбассейне. - '

Средства борьбы с камнями от огнеупоров: сниже­ние уровня стекломассы, охлаждение разрушающихся участков кладки путем установки водяных холодильни­ков и интенсивного обдувания снаружи, в крайнем слу­чае общее снижение температуры в печи.

Камни кристаллизации могут появиться в результате длительного пребывания стекломассы при температуре, наиболее благоприятной для образования и роста крис­таллов; неправильного химического состава стекла; на­личия в стекле химически неоднородных участков, газо­вых пузырьков, грязи и пыли. В зависимости от состава стекол в них могут кристаллизоваться различные сое­динения (рис. 8.4). Из стекол, богатых кремнекислотой, выделяются кристаллы тридимита и кристобалита[8]; в стеклах, содержащих большие количества оксида каль­ция, выпадают высокопремломлякяцие силикаты кальция (а - и р-волластонит), а в присутствии большого ко­личества оксида магния — силикат кальция — магния (диопсид).

В обычных промышленных стеклах (листовом, тар - ром) чаще всего образуются кристаллы силиката нат­рия— кальция состава Na20-3Ca0-6Si02 (девитрит). (рис. 8.5), имеющие вид «метелок», а в боросиликатных высококремнеземистых стеклах — кристобалит в виде тонких иголочек. Для циркониевых стекол характерны черные дендриты Zr02.

В листовом стекле, вырабатываемом по способу вертикального вытягивания, чаще всего встречаются поверхностные кристаллы де - витрита, которые образуются на поверхностях щели стеклоформую - щей лодочки или в конусах ленты, формуемой безлодочным спосо­бом. По мере накопления или при разогревании стекломассы крис-

Рис. 8.4. Кристаллические включения

Сверху: . слеватриднмит — звездчатая (папоротниковая) форма; справа — трндимит — пластинчатая форма; 9 середине: слева — кристобалит, справа — р-воЛластоннт; внизу: слева — а-воллайоннт, справа — днопсид ■ •

Рис. 8.5. Канви кристаллизации. Девитрит

Таллы отрываются и попадают на поверхность ленты стекла в виде отдельных разбросанных мелких скоплений или ориентированных депочек. Раньше всего они образуются в сильно охлаждаемых кону­сах щели лодочки.

Для уменьшения опасности кристаллизации составы промышленных стекол подбирают таким образом, что­бы температура их выработки была выше опасного ин­тервала кристаллизации на 25—30 °С. Уничтожить по­явившиеся кристаллы можно хорошим прогревом.

Сульфатные (щелочные) включения (неправильно Называемые щелочными пузырями) представляют собой затвердевшие капли сульфата натрия. Они имеют ха­рактерную трещиноватую структуру. Источниками их появления могут быть:

А) щелочные капли, образовавшиеся в стекломассе s зоне варки из-за низкой температуры и недостаточно­го восстановления Na2S04;

Б) щелоки, образовавшиеся в зоне выработки вслед­ствие взаимодействия щелочей в поверхностном слое расплава с сернистым газом и кислородом атмосферы печи. Они могут попасть в стекломассу при неосторож­ной хальмовке;

- в) осадок сульфата натрия, образовавшийся на по­верхностях холодильников вблизи мест выработки

(вследствие конденсации паров сульфата из атмосферы зоны выработки) и ссыпавшийся на стекломассу.

Сульфатные включения, зародившиеся в ванной пе­чи, — чаще всего мелкие, полупрозрачные, с тонким слоем трещиноватого осадка. В сульфатных камнях, об­разовавшихся вблизи места выработки, осадок более плотный, а включения нередко имеют очень большие размеры. Щелочные включения ликвидируют повыше­нием температуры и созданием более восстановитель­ных условий в зоне варки. Для этого увеличивают со­держание углерода в шихте и уменьшают количество воздуха, подаваемого в печь. Если на поверхности стек­ломассы в зоне выработки имеются щелоки, то не еле* дует производить каких-либо операций, которые могут их «замешать» в расплав. Щелоки можно только выпус­тить через летку.

«Черные точки» при рассмотрении под микроскопом характеризуются резкими контурами и зеленоватым металлическим блеском в отраженном свете. Химичес­ким и спектральным анализом установлено, что это хромшпинелиды (хромиты) с температурой плавления около 2000 °С, трудно растворимые в стекле. Причина появления таких включений — загрязнение сырья (в особенности песка, доломита или угля) хромистыми ру­дами или огнеупорами при железнодорожных перевоз­ках. Иногда хромистые минералы встречаются в тяже­лой фракции песков. В этом случае зерна хромитов имеют не угловатую, а окатанную форму.

При появлении черных точек по специальной инст­рукции тщательно проверяют, присутствует ли в сырье­вых материалах хром, и немедленно прекращают при­менять загрязненное сырье. Если на заводе производит­ся обогащение песков, проверяют, насколько полно про­ходит отделение тяжелых минералов и последующее обесшламливание. При высокотемпературных режимах печей и наличии в них преград по стекломассе, тормозя­щих движение поверхностных потоков, включения хро­мита частично растворяются в стекломассе.