ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО СТЕКЛА И ШЛАКОСИТАЛЛОВ

ОСВЕТЛЕНИЕ

По завершении стеклообразования стекломасса пе­ренасыщена газами в виде пузырьков различных раз­меров, а также в невидимом, химически связанном со­стоянии.

Главный источник газов — шихта. Шихты промыш­ленных силикатных стекол содержат в среднем 20 % по массе химически связанных газов (С02, 02, S03, N02), а также гидратную влагу; объем газов при 20 °С составляет порядка 10 м3, или более 100 объемов при один объем шихты с насыпной плотностью 1,3 т/м3. При химических реакциях в шихте газы выделяются и боль­шая часть их уходит в атмосферу печи; однако часть в виде пузырьков различного размера остается внутри расплава. Кроме того, по завершении реакций в стекло­массе остается по массе 0,2—0,3 % неразложившихся карбонатов и до 2 % сульфатов. Эти остатки солей спо­собны разлагаться при взаимодействии с Si02 илд А1203, а также при повышении температуры, и выде­лять в расплав пузырьки газов. Наконец, стекломасса способна химически связывать газы и пары воды в пламенном пространстве стекловаренной печи. В ре­зультате в одном объеме промышленных стекол оказы­вается до пяти объемов связанных газов — паров воды, углекислоты, сернистого газа, кислорода и азота.

Видимые газовые пузырьки образуются в стекломас­се еще на стадии силикатообразования в процессе ре­акций, протекающих на поверхности контакта зерен песка с появляющимся первичным расплавом. Пузырь­ки продолжают образовываться и на стадии растворе­ния зерен песка, так как Si02, переходящий в расплав силикатов, химически разлагает остатки солей с выде­лением С02 и S03.

Пузырьки выделяются в местах пониженного поверхностного на­тяжения расплава, т. е. на его границах с растворяющимися зер­нами, огнеупорами кладки печи, кристаллами или инородными вклю­чениями в стекломассе. Они могут образоваться и непосредственно внутри массы расплава, так как при реакциях с участием SiOs раз­вивается высокое давление газов, которое способно превысить проч­ность связей в структурной решетке стекла.

Для того чтобы освободить стекломассу от пузырь­ков, нужно создать такие условия, при которых они могли бы подняться к поверхности расплава и прорвать ее. В этом и заключается собственно процесс осветле­ния стекломассы.

Скорость v подъема пузырьков в стекломассе опре­деляется зависимостью

Здесь К — коэффициент пропорциональности, равный '/з g (g — уско­рение силы тяжести); г — радиус пузырька; pi и р2 — плотности стекломассы и газов в пузырьке; т]—вязкость стекломассы.

Как видно, наибольшее влияние на скорость освет­ления оказывают размеры пузырьков и вязкость стек­ломассы: К — величина постоянная, а рг — очень мало по сравнению с pi, поэтому разность (pi—рг) изменяет­ся мало. Размер пузырьков зависит от давления заклю­ченных в них газов и от сил, противодействующих росту пузырьков, — поверхностного натяжения и вязкости стекломассы. Иначе говоря, главные факторы, влияю­щие на скорость осветления расплава, — состав шихты и стекла, а также температура стекломассы.

Пузырьки не могут выйти из стекломассы, когда их размеры малы, а вязкость стекломассы высока. При этих условиях расплав задерживается на поверхности пузырьков, не стекая с них по мере их подъема, и они остаются внутри стекломассы.

Пузырьки малого размера могут растворяться в стекломассе под влиянием сил поверхностного натяжения, величина которых об­ратно пропорциональна радиусу кривизны поверхности, на которую они действуют; поэтому особенно большие силы действуют на самые мелкие пузырьки, заставляя их сжиматься. Пузырьки среднего и большого размеров при осветлении растут, так как в них переходят газы, пересыщающие стекломассу, которым легче выделиться в уже имеющиеся пузырьки, чем образовать в расплаве новые.

Скорость роста или растворения пузырьков зависит от скорости диффузии газов в стекломассе, т. е. от природы газов (быстрее диф­фундируют газы с меньшим атомным радиусом), а главное — от вяз­кости стекломассы. Пузырьки растут быстрее при малой вязкости и высокой температуре расплава. Скорость же растворения пузырь­ков возрастает с понижением температуры; однако это происходит до определенного температурного предела, ниже которого начинает сильно уменьшаться скорость диффузии, вследствие чего скорость рас­творения также снижается.

Температура расплава на стадиях провара шихты и осветления должна быть высокой для облегчения выхо­да пузырей. Осветление ускоряется при нагревании стекломассы в тонком слое изнутри с помощью элект­роэнергии, а также сверху пламенем.

Если в стекломассе остались только крупные пузы­ри, ее температуру постепенно понижают, чтобы оста­новить реакции, сопровождающиеся выделением в стек­ломассу газов; за время охлаждения крупные пузыри успевают уйти из расплава.

Газы, находящиеся в атмосфере печи, растворяются в стекло­массе преимущественно при средних температурах (1200—1250°С), когда активно идут реакции их химического связывания, а скорость диффузии достаточно высока. Растворению печных газов способст­вует их высокое (порядка 104 Па) давление иад расплавом. При таких условиях ускоряется и растворение мелких пузырьков, что используется при производстве оптического плавленого кварца. На­против, в вакууме газы бурно выделяются из стекломассы, вспе­нивая ее и затрудняя процесс осветления. Перепады давления в 0,9—Л Па, наблюдаемые в практике варки стекла, не оказывают влияния на осветление.

Химические добавки-осветлители (см. п. 2 гл. 4) раз­лагаются в стекломассе при высоких температурах и образуют крупные пузыри, в которые выделяются газы, перенасыщающие стекломассу. Так как стекломасса перенасыщена главным образом углекислым газом, ос­ветлители должны выделять в нее другие газы (на­пример, S02, 02, Н20). Кроме того, осветлители пони­жают поверхностное натяжение на границе газ—рас­плав (Na2S04, Sb203 и др.) или же снижают вязкость стекломассы (фториды, соединения бора). Для ускоре­ния осветления практикуют также бурление (барбо - таж) — пропускают через расплав по определенному режиму крупные пузыри паров воды, воздуха, кислорода.

При низкой вязкости стекломассы ее осветлению способствуют механическое перемешивание, вибрация, ультразвуковые колебания, центрифугирование; практическое применение пока получило механи­ческое перемешивание (см. п. 7.2).