ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО СТЕКЛА И ШЛАКОСИТАЛЛОВ

ТЕХНОЛОГИЯ ОПТИЧЕСКОГО СТЕКЛА

К оптическим относят однородные высокопрозрачные стекла различного химического состава. Оптическое стек­ло предназначено для изготовления из него деталей раз­личных оптических приборов, которые могут пропускать, отклонять или преломлять световые лучи в точно опре­деленных направлениях с наименьшим светопоглоще- нием. Из оптического стекла изготовляют линзы, приз­мы и другие изделия, применяемые в разнообразных областях науки и техники, быту и военном деле.

Основное требование к оптическим стеклам заклю­чается в необходимости достижения высокой однород­ности. Наряду с этим оптическое стекло должно быть высокопрозрачным, термически стойким и химически устойчивым главным образом к действию атмосферной влаги и слабых растворов кислот.

Ассортимент оптических стекол достаточно широк. Отечественная стекольная промышленность выпускает практически все известные марки оптических стекол и полностью удовлетворяет потребности народного хозяй­ства.

СОСТАВЫ И СВОЙСТВА

Оптические стекла подразделяют в зависимости от их показателя преломления и коэффициента дисперсии. Условно можно выделить две большие группы: кроны и флинты. К кронам относят стекла, не содержащие ок­сиды свинца или содержащие его в небольших количе­ствах. Они характеризуются невысоким показателем преломления и большим коэффициентом дисперсии. Флинты содержат большое количество РЬО (в особен­ности тяжелые флинты), они обладают высоким пока­зателем преломления и малым коэффициентом диспер­сии.

Значения показателя преломления nD оптических стекол изменяются в пределах 1,44—1,8, а коэффициен­ты дисперсии — в пределах 70—25,4. В табл. 21.1 при-

Водятся химические составы некоторых оптических сте­кол и оптические свойства. Как видно из табл. 21.1, в состав оптических стекол входят те же компоненты, что и в состав обычных технических стекол. Достижение за­данных оптических свойств обусловливается определен­ным сочетанием составляющих стекло оксидов, повы­шенным содержанием одного из них и высокой однород­ностью.

Обычно фактические составы несколько отличаются от расчетных в силу того, что ряд компонентов оптичес­ких стекол (PbO, F, Na203, В203) склонно к улетучива­нию при варке.

Плотность оптических стекол в зависимости от содер­жания РЬО и ВаО может колебаться от 2330 кг/м3 (лег­кий крон) до 5190 кг/м3 (тяжелый флинт).

ТЕХНОЛОГИЯ

При выборе сырьевых материалов для варки опти­ческих стекол основное внимание уделяют их чистоте, содержанию в них загрязняющих стекло примесей. Для
введения в состав стекла SiC>2, как правило, используют молотый кварц, содержание оксидов железа в котором допускается не более 0,001—0,005%- При введении дру­гих компонентов используют чистые искусственно полу­чаемые соединения и оксиды металлов. Ограничивается в составе стекол также содержание С1 и SO3, которые могут вызвать в них опалесценцию. Особое значение при приготовлении шихты приобретает контроль однородно­сти сырьевых материалов и полноты их смешивания. С целью устранения попадания в стекло аппаратур­ного железа производственные емкости и инструменты для приготовления шихты изготовляют из дерева, цинка и алюминия.

Варку оптических стекол осуществляют в одно-двух - горшков'ых пламенных печах. В качестве сосудов для варки применяют огнеупорные (шамотные или кварце­вые) горшки емкостью 100—1000 л. В отдельных слу­чаях для варки используют ванные печи. В тех случаях, когда варят стекла, обильно выделяющие пузыри или агрессивно воздействующие на стенки огнеупорного горш­ка, применяют электрические печи. Стекло варят в платиновом тигле, помещенном в магнитном поле индук­тора. Платиновый тигель находится в защитном керами­ческом горшке.

При варке оптических стекол перед технологами ста­вится задача не только его сварить, осветлить в соответ­ствии с заданным составом, но и достичь высокой одно­родности стекломассы. С этой целью при варке таких стекол применяют приемы механического перемешива­ния стекломассы. В качестве мешалки используют ша­мотный или из кварцевого стекла стержень, снабженный внизу двумя лопастями наподобие гребневого винта. Ме­шалка укреплена на охлаждаемой водой штанге, прохо­дящей через свод печи. Мешалки приводят во вращение с помощью электродвигателя.

Температурные режимы варки оптических стекол в значительной степени отличаются друг от друга в силу большого многообразия составов стекол. Более длитель­ные режимы устанавливают для оптического стекла марок тяжелого крона (до 40 ч) и менее длительные режимы — для стекол марок флинтов (до 20 ч). На рис. 21.1 приведен температурный режим варки боросй - ликатного крона в шамотном горшке емкостью 600 л в газопламенной печи с механическим перемешиванием. Здесь же указывается режим работы мешалки.

23—468

Технологический процесс варки стекол заключается в следующем. Вначале подготавливают горшок для вар­ки стекла. Шамотный горшок после формования подвер­гают сушке, затем обжигу при 850—900 °С. Высокотем­пературный обжиг осуществляют в горшковой печи при 1450—1550 °С, куда его вставляют после обжига. После окончания выводки горшок готов для варки в нем стек­ла, которую начинают засыпкой в него сначала возврат­ного боя стекла (при температуре около 1350°С), а за­тем шихты (при температуре около 1400°С).

Осветляют стекломассу при максимальных темпера­турах, для ряда стекол они составляют 1400—1450 °С. В период осветления иногда проводят бурление стекло­массы и хальмование поверхности стекла. Механическое перемешивание стекломассы осуществляют или вскоре после засыпки шихты, или после осветления и снижения температуры на 80—100°С. Охлаждение стекломассы до температур выработки продолжается несколько часов, после чего горшок выставляют из печи и начинают от­ливку стекла.

Выработку оптического стекла производят четырьмя основными способами: «классическим» — охлаждением стекла непосредственно в стекловаренном горшке с по-

Г

Следующей разбивкой на куски; отливкой в виде бло­ка; в этом случае стекломассу отливают из горшка в разборную квадратную стальную форму, установленную на стальную плиту; прокаткой в виде листа, при которой стекломассу отливают из горшка на стальной охлаждае­мый водой стол и прокатывают стальным валом в лист заданной толщины; отливкой в виде бруска; в данном случае стекломассу выливают через отверстие в дне пла­тинового тигля в виде бруска заданного сечения. Могут быть использованы и другие способы формования опти­ческого стекла (например, способ ВВС очковых стекол).

Получаемые блоки и бруски оптического стекла сле­дует рассматривать как полуфабрикат. Для получения заготовок заданной формы выработанное оптическое стекло подвергают разделке. Ее можно осуществлять как термической, так и механической обработкой. Под термической обработкой следует понимать моллирова - ние, т. е. придание размягченному стеклу заданной фор­мы под воздействием сил собственной тяжести. Этот спо­соб чаще всего используют для стекол, полученных «классическим» способом, т. е. тогда, когда стекло, ос­тавленное охлаждаться в горшке, потом было разбито на отдельные куски. Моллирование проводят в терми­ческих печах при температуре 600—1000°С.

В одних случаях моллирование осуществляют в ша­мотных прямоугольных формах, в которых с текло при размягчении принимает конфигурацию самой формы. В других случаях моллирование стекла совмещают с прессованием. Этот способ осуществляют в туннельных печах для моллирования. Заготовки, полученные по первому и второму способам, подвергают шлифованию и полированию, которые производят на обычных карусель­ных шлифовально-полировальных станках диаметром до 3 м.

При механической обработке отливки оптического стекла в виде блоков подвергают разделке на специаль­ных колочных прессах. С помощью этих прессов блок раскалывается последовательно на два, четыре, восемь и т. д. кусков правильной прямоугольной формы. С целью изготовления из них заготовок заданной кон­фигурации их подвергают распиловке на циркульных пилах.

Особое место в технологическом процессе получения оптических стекол занимает отжиг. От качества его про-' ведения зависят такие ведущие свойства стекла, как

23* 355

Двойное лучепреломление и оптическая однородность. Поэтому все оптические стек­ла подвергаются тонкому отжигу, который занимает достаточно длительное вре­мя. Так, в случае отжига больших астрономических дисков продолжительность его составляет несколько месяцев. Отжигают в перио­дических, как правило элек­трических, печах. Температура отжига в зависимости от марки стекла может составлять 380—660 °С. Допускае­мые остаточные напряжения при этом не должны превы­шать 50 ммк/см. В зависимости от размера заготовки и требуемого качества стекла по двойному лучепреломле­нию и оптической однородности режим отжига может быть различным для одной и той же марки стекла.

На рис. 21.2 приведены температурные графики от­жига для заготовки размером 75 мм с низшей категори­ей отжига по оптической однородности и двойному луче­преломлению (кривая 1) и для заготовки размером 150 мм с высшей категорией отжига (кривая 2). Режим отжига регулируется автоматически.