Строительные материалы и изделия

Физико-химические основы получения изделий из стекольных расплавов

Для удовлетворения потребностей 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, теплофизические, диэлектрические, химические и другие свойства стекла. Так, повышение химической устойчивости и механической проч­ности достигается за счет увеличения в составе стекла Si02, AI2O3 и СаО; замена части Si02 на РЬО придает стеклу повышен­нЫй блеск; введение в расплав фторидов позволяет получить глуше ное стекло и т. д.

Разнообразие свойств изготовляемых 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 пегматитом или полевым шпатом; Na20 — с содой; К20—с поташом; В203— с бурой; РЬО — с суриком и т. д. Основное требование, предъявляемое ко всем видам сырья, — чистота и однородность по составу. Особенно жесткие требо­вания предъявляют к чистоте кремнеземсодержащего сырья, составляющего до 70% шихты.

К вспомогательным материалам относят вещества, создаю­щие восстановительную или окислительную среду в стекольной шихте и печной атмосфере, ускоряющие процессы стеклообразо - вания и обесцвечивания стекломассы, и красители. В качестве восстановителей применяют антрацит и кокс, окислителей — нит­раты натрия или калия, оксиды мышьяка и сурьмы. Ускоряют процесс стекловарения добавкой сульфата натрия, кремнефтори­стого и хлористого 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. Перед обработкой стекольный бой должен быть отсортирован, измельчен, вымыт и подвергнут магнитной сепарации для удале­ния металлических включений.

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. В последнее время за рубежом широко применяют скоростные турбинные смесители, позволяющие сократить время перемешивания до 1 мин. 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 промышленных шихтах 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 плавление массы, избыточные зерна квар­ца и возникшие ранее силикаты растворяются в расплаве. К кон­цу второй стадии при температуре 1 Ю0...1200°С шихта представ­лена прозрачной, но неоднородной по составу стекломассой, пронизанной множеством газовых пузырей.

• На 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 формование изделий, за счет снижения темпера­туры до 1 100...1200°С. Если на стадии осветления и гомогениза­ции вязкость стекломассы составляет около 10 Па-с, то при вы­работке она должна быть не менее 100 Па-с.

Разделение процесса варки стекла на отдельные стадии до­статочно условно, поскольку некоторые из них протекают одно­временно. В то же время любой ограниченно малый объем шихты обязательно проходит все пять стадий процесса стекловарения.

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).