Строительные материалы и изделия

ПОЛУЧЕНИЕ СТЕКЛА

Современное стекольное производство включает в себя три этапа: подготовка сырья, стекловарение и формование стеклоизделий.

Подготовка сырья. Химический состав обыкновенного оконного стекла по основным оксидам следующий: Si02 — 71...72 %; Na20 —

15.. . 16 %; CaO - 5...7 %; MgO - 3...4 %; А1203 - 2...3 %; содержание Fe203 не более 0,1 %, так как оксиды железа придают стеклу зелено­вато-коричневый («бутылочный») цвет и снижают светопропускание. Основные оксиды вводятся в сырьевую шихту в виде следующих веществ.

Кремнезем (Si02) вводят в виде кварцевого песка, молотых кварци­тов или песчаников. Основное требование к кремнеземистому сырью — минимальное количество примесей, особенно оксидов железа. Это основной стеклообразующий оксид, повышающий тугоплавкость и химическую стойкость стекла.

Глинозем (А1203) поступает в сырьевую шихту в виде полевых шпатов и каолина. Его влияние на свойства стекла аналогично действию Si02.

Оксид натрия (Na20) вводят в стекло в виде соды и сульфата натрия. Na20 понижает температуру плавления стекла, повышает коэффициент термического расширения и уменьшает химическую стойкость.

Оксид кальция (СаО) и магния (MgO) вводят в стекольную шихту в виде мела, мрамора, известняка, доломита и магнезита. Эти оксиды повышают химическую стойкость стекла.

В специальные стекла вводят оксиды бора, свинца, бария и др.

Вспомогательные сырьевые материалы делят по своему назначению на следующие группы: осветлители — вещества, способствующие уда­лению из стекломассы газовых пузырей; обесцвечиватели — вещества, обецвечивающие стекольную массу; глушители — вещества, делающие стекло непрозрачным.

Красители для стекла могут быть молекулярными, полностью рас­творяющимися в стекломассе, и коллоидными, равномерно распреде­ляющимися в стекломассе в виде мельчайших (коллоидных) частиц. К первым относятся соединения кобальта (синий цвет), хрома (зеленый), марганца (фиолетовый), железа (коричневый и сине-зеленые тона), а ко вторым — металлическое золото (рубиновый), серебро (желтый), селей (розовый).

Перед варкой стекла сырьевые материалы измельчают, тщательно смешивают в требуемых соотношениях, брикетируют и подают в стекловаренную печь.

Стекловарение, Обычное стекло получают в непрерывно действу­ющих ванных печах с полезным объемом до 600 м3 и суточной производительностью более 300 т. Для варки специальных (оптических, цветных и др.) стекол применяют периодически действующие ванные, а также го'ршковые печи.

Стекловарение — главнейшая операция стекольного производства. На первой стадии этого процесса — силикатообразовании — щелочные компоненты образуют с частью кремнезема силикаты, плавящиеся уже при 1000...1200° С. В этом расплаве при дальнейшем нагревании рас - творяются наиболее тугоплавкие компоненты Si02 и А1203. Образую­щаяся при этом масса неоднородная по составу и насыщена газовыми пузырьками.

Удаление пузырьков и полная гомогенизация расплава осуществ­ляется на второй наиболее длительной стадии стекловарения — стек - лообразовании — при температуре 1400... 1600° С. Третья заключитель­ная стадия — студка — охлаждение стекломассы до температуры, при которой она приобретает оптимальную для данного метода формования стеклоизделий вязкость.

Формование. Метод выработки (формования) зависит от вида из­делия. Для получения строительного стекла используют вытяжку, прокат, прессование.

При охлаждении стекла вследствие низкой его теплопроводности в нем возникают большие градиенты температур, вызывающие внут­
ренние напряжения. Наиболее опас­ным моментом с этой точки зрения является переход стекла от вязкопла­стического состояния к хрупкому, по­этому для снятия внутренних нап­ряжений после формования произво­дят отжиг — охлаждение по специ­альному режиму: быстрое до начала затвердевания стекломассы, очень медленное в опасном интервале тем­ператур (600..300° С) и вновь быстрое до нормальной температуры.

Основной вид строительного стекла — листовое. С начала XX в. большая часть листового стекла стала

производиться (а в России произво - дится и до сих пор) методом верти­кального вытягивания на машинах ВВС (рис. 6.1). Так получают стекла толщиной до 6 мм. Суть метода сво­дится к следующему.

Лента стекла формуется из стек­ломассы лодочкой (шамотным бру­сом с прорезью), удерживаемой на надлежащем уровне штангами. Стек­ломасса выдавливается в щель лодоч­ки и оттягивается вверх валками ма­шины в виде ленты шириной до 4,5 м. Скорость вытягивания дости­гает 2 м/мин. Проходя между холодильниками 3 от лодочки до первой пары валков, стекломасса охлаждается настолько, что становится твердой и валки не оставляют на ней отпечатков (I зона). Далее стекло валками 5 подается в шахту высотой 5—7 м. В нижней части шахты производится отжиг стекла (II зона). В верхней части стекло охлажда­ется окончательно и, выходя на отломочную площадку 7, нарезается на требуемые размеры.

В 1959 г. появился новый способ получения высококачественного стекла — флоат-метод (от англ. float — плавать), при котором горячая стекломасса выливается на поверхность расплавленного металла (обычно олова) и формуется на нем. Производительность таких уста­новок до 3...4 тыс. м2/ч. Размер листов: ширина до 3 м; толщина от 2 до 25 мм. Преимущества флоат-метода — стабильная толщина листа и высокое качество поверхности, не требующее дальнейшей полировки. В Европе большая часть стекла вырабатывается именно этим методом.

Силикатные стекла отличаются необычным сочетанием свойств, высокой прочностью и ярко выраженной хрупкостью, свето - и радио­прозрачностью, абсолютной водонепроницаемостью и универсальной химической стойкостью. Все это объясняется спецификой состава и строения стекла.

Плотность стекла зависит от химического состава и для обычных строительных стекол составляет 2400...2600 кг/м3! Плотность оконного стекла — 2550 кг/м3. Высокой плотностью отличаются стекла, содер­жащие оксид свинца («богемский хрусталь») — более 3000 кг/м3. По­ристость и водопоглощение стекла практически равны 0 %.

Механические свойства. Стекло в строительных конструкциях чаще подвергается изгибу, растяжению и удару и реже сжатию, поэтому главными показателями, определяющими его механические свойства, следует считать прочность при растяжении и хрупкость.

Теоретическая прочность стекла при растяжении — (10.. .12) • 103 МПа. Практически же эта величина ниже в 200...300 раз и составляет от 30 до 60 МПа. Это объясняется тем, что в стекле имеются ослабленные участки (микронеоднородности, дефекты поверхности, внутренние напряжения). Чем больше размер стеклоизделий, тем вероятнее нали­чие таких участков. Примером зависимости прочности стекла от размера испытуемого изделия служит стеклянное волокно. У стекло­волокна диаметром 1...10 мкм прочность при растяжении 300...500 МПа, т. е. почти т 10 раз выше, чем у листового стекла. Сильно снижают прочность стекла на растяжение царапины; на этом основана резка стекла алмазом.

Прочность стекла при сжатии высока — 900... 1000 МПа, т. е. почти как у стали и чугуна. В диапазоне температур от — 50 до + 70° С прочность стекла практически не изменяется.

Стекло при нормальных температурах отличается те*., что у него отсутствуют пластические деформации. При нагружений оно подчи­няется закону Гука вплоть до хрупкого разрушения. Модуль упругости стекла Е= (7..Л,5)• 104 МПа.

Хрупкость — главный недостаток стекла. Основной показатель хрупкости — отношение модуля упругости к прочности при растяже­нии E/Rp. У стекла оно составляет 1300...1500 (у стали 400...460, каучука 0,4...0,6). Кроме того, однородность строения (гомогенность) стекла способствует беспрепятственному развитию трещин, что является не­обходимым условием для проявления хрупкости.

Твердость стекла, представляющего собой по химическому составу вещество, близкое к полевым шпатам, такая же, как у этих минералов, и в зависимости от химического состава находится в пределах 5...7 по шкале Мооса.

Оптические свойства стекла характеризуются светопропусканием (прозрачностью), светопреломлением, отражением, рассеиванием и др. Обычные силикатные стекла, кроме специальных (см. ниже), пропу­скают всю видимую часть спектра (до 88...92 %) и практически не пропускает ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Показатель пре­ломления строительного стекла (п = 1,50... 1,52) определяет силу отра­женного света и светопропускание стекла при разных углах падения света. При изменении угла падения света с 0 до 75° светопропускание стекла уменьшается с 90 до 50 %.

Теплопроводность различных видов стекла мало зависит от их состава и составляет 0,6...0,8 Вт/(м • К), что почти в 10 раз ниже, чем у аналогичных кристаллических минералов. Например, теплопроводность кристалла кварца — 7,2 Вт/(м • К).

Коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР) стек­ла относительно невелик (для обычного стекла 9 • 10'6 К'’). Но из-за низкой теплопроводности и высокого модуля упругости напряжения, развивающиеся в стекле при резком одностороннем нагреве (или охлаждении), могут достигать значений, приводящих к разрушению стекла. Это объясняет относительно малую термостойкость (способ­ность выдерживать резкие перепады температур) обычного стекла. Она составляет 70...90° С.

Звукоизолирующая способность стекла довольно высока. Стекло толщиной 1 см по звукоизоляции приблизительно соответствует кир­пичной стене в полкирпича — 12 см.

Химическая стойкость силикатного стекла — одно из самых уни­кальных его свойств. Стекло хорошо противостоит действию воды, щелочей и кислот (за исключением плавиковой и фосфорной). Объ­ясняется это тем, что при действии воды и водных растворов из наружного слоя стекла вымываются ионы Na+ и Са++ и образуется химически стойкая пленка, обогащенная Si02. Эта пленка защищает стекло от дальнейшего разрушения.