Сырьевые материалы и основы производства стекла

Силикатные расплавы — это расплавы, которые получают из кремнезема SiO2 и соединений на его основе— силикатов. Сырьем для получения силикатных расплавов служат распространенные горные породы (песок, базальт, диабаз, мергель), побочные продукты промышленности (металлургические шлаки, золы) и вторичное сырье (стеклобой и др.). Основы современной технологии стекла. Технология получения стекла состоит из двух производственных циклов. Цикл технологии стекломассы включает операции: а) подготовки сырых материалов; б) смешивания их в определённых соотношениях, в соответствии с заданным химическим составом стекла в однородную шихту; в) варки шихты в стекловаренных печах для получения однородной жидкой стекломассы.

Цикл технологии получения стеклянных изделий складывается из операций: а) доведения стекломассы до температуры (и вязкости), требуемой условиями формования из неё разнообразных стеклянных изделий; б) формования изделий; в) постеленного охлаждения изделий до комнатной температуры с целью ликвидации возникающих в процессе формования напряжений; г) термической, механической или химической (в отдельности либо во взаимном сочетании) обработки отформованных изделий для придания им заданных свойств.
Сырые материалы, применяемые для стекловарения, делятся на главные и вспомогательные. Последние служат для улучшения качества стекла и получения стекла с особыми свойствами. Главные сырые материалы содержат кремнезём, борный и фосфорный гидриды, амфотерную окись алюминия, оксиды елочных и щёлочноземельных металлов, окись свинца, цинка и др. Кремнезём, являющийся главной частью стекла, вводится в виде молотого кварца. Пригодность песка для стекловарения определяется содержанием в нём примесей и гранулометрическим (зерновым) составом. Вредными примесями являются прежде всего соединение железа и хрома, придающие желтовато-зелёный зеленый цвета.
Размер зёрен песка для стекловарения должен находиться в пределах примерно
0,2—0,5 мм. Окись алюминия, применяемая в производстве большинства промышленных стекол, вводится с глиной, каолином, гидратом окиси алюминия или в виде чистого глинозёма. Окись натрия вводится с одной кальцинированной содой либо (частично) с селитрой. Окись калия вводится в виде солей — кислой или азотнокислой (селитра); применяется главным образом в производство посуды, цветных, оптических и некоторых технических стекол. Окись лития используется при выработке опаловых и некоторых специальных стекол и даётся в виде содержащих литий минералов. Окись кальция вводится преимущественно в виде мела или известняка; окись магния — в виде доломита, магнезита или жжёной магнезии. Окись бария применяется в виде углекислого, азотнокислого и (роже) сернокислого бария; используется при производстве оптических стекол и хрусталя. В тех же производствах находит применение окись свинца, которая вводится в виде сурика или глёта.

Окись цинка даётся как таковая или в виде цинковых белил; применяется в производство оптических, химико-лабораторных и некоторых других стекол. В стекловарении используются также материалы, содержащие одновременно соответственные горные породы, доменный шлак, стеклянный бой и др.
К вспомогательным сырым материалам относятся осветлители, обесцвечиватели, красители, глушители, а также восстановители (углеродистые вещества). В качество осветлителей, способствующих удалению из стекла пузырей, применяют в небольших количествах сульфаты натрия и аммония, хлористый натрий, трёхокись и пятиокись мышьяка в сочетании с селитрой, плавиковый шпат. Некоторые из этих веществ одновременно являются обесцвечивателями. Химическое действие обесцвечивателей сводится к окислению в стекло соединений железа. При применении физического методов обесцвечивания в шихту вводятся в незначительных количествах вещества, окрашивающие стекломассу в дополнительный к зелёному цвет (селен, соединения кобальта, марганца и др.). В качестве красителей применяют соединения кобальта, никеля, железа, хрома, марганца, селена, меди, урана, кадмия, серу, хлорное золото и др. Рассеивающие свет, т. е. белые, мало прозрачные стекла называются глухими или заглушенными. В зависимости от степени глушения различают молочные (наиболее заглушенные), опаловые и опалесцирующие стёкла. В качестве глушителей применяются различные фтористые соединения, фосфаты, соединения сурьмы, олова и др.
Подготовка сырых материалов заключается в сушке, измельчении в дробилках, бегунах или дезинтеграторах, просеивании и смешивании в. определённых весовых отношениях. Однородная смесь сырых материалов составляет шихту.
Однородность шихты, от которой в значительной мере зависит качество стекломассы, определяется гранулометрическим, составом сырых материалов, степенью их увлажнения, постоянством их химического состава, способом и продолжительностью перемешивания шихты и др. На стекольных заводах чаще всего применяют тарельчатые либо конусные барабанные смесители. На крупных заводах шихту хранят в бункерах. Наибольшая однородность шихты достигается при её брикетировании, которое исключает расслоение шихты при хранении и особенно передвижении, а также устраняет загрязнение пылью регенератора и уменьшает износ в печах огнеупоров. Расчёт шихты ведётся обычно на 100 весовых частей стекла, с учётом частичного улетучивания некоторых составных частей — борной кислоты, щелочей, фтора и др.

Стекловарение ведётся при температурах порядка 1400°—1600°С.В нём
различают три стадии. Первая стадия — провар, или варка в собственном смысле слова, когда происходит химическое взаимодействие между составными частями шихты и образование вязкой массы. Так как при нагревании из шихты обильно выделяются газы, то в вязкой массе оказывается огромное количество пузырьков. Во второй стадии, называемой очисткой или осветлением, происходит удаление пузырьков, а также растворение еще оставшихся нерастворёнными зёрен песка; в этой стадии стекло выдерживается в печи в течение нескольких часов при наиболее высокой температуре. Третья, заключительная, стадия — т. и. студка стекломассы, когда она охлаждается до такой температуры (в зависимости от процесса производства и, следовательно, вязкости), при которой становится возможным и наиболее удобным изготовлять из неё те или иные изделия. Варка стекла производится в стекловаренных печах. Выбор того или иного типа печи обусловливается видом применяемого топлива, ассортиментом вырабатываемых изделий, размерами производства и прочее. Управление современной стекловаренной печью строго контролируется и в значительной мере автоматизировано. Контроль доведён до высокой степени точности. Например, давление (разрежение) газов в рабочем пространстве печи измеряется с точностью до 0,02 мм водяного столба, уровень стекломассы — с точностью до 0,1 мм и т. д. Автоматически регулируются: давление (тяга) в печи; соотношение газообразного или жидкого топлива и воздуха; количество подаваемого в печь топлива; уровень стекломассы в ванне и другие параметры.

Каждый из них влияет на температуру в печи, поэтому, регулируя их в совокупности, можно обеспечить постоянство температурного режима варки стекломассы и, следовательно, надлежащее её качество.

Процесс варки стекла некоторых видов, например оптического, кварцевого, стеклянного волокна, отличается специфическими особенностями. Так, при производстве оптического стекла, к которому предъявляются особо жёсткие требования в отношении постоянства оптических свойств, однородности, прозрачности и прочее, требуется на всех стадиях варки длительное размешивание массы. В связи с очень большой её вязкостью и применением высоких температур своеобразна техника варки кварцевого стекла. Прозрачное кварцевое стекло изготовляется из горного хрусталя в графитовых тиглях, разогреваемых под вакуумом до 1900°—2000° индукционными токами высокой частоты, либо прямым пропусканием электрического тока (электропроводность стекла значительно возрастает при повышении температуры). В конце варки в печь впускают воздух под атмосферным или повышенным (от компрессора) давлением. Другой способ варки этого стекла — плавление кварцевого порошка в пламени кислородно-водородной горелки. Непрозрачное кварцевое стекло получается путём оплавления кварцевого песка на угольном или графитовом стержне, разогретом электрическим током до 1800°.

Формование (иначе — выработка) стеклянных изделий из стекломассы на протяжении тысячелетий производилось вручную. Значительно эффективнее ручного машинное формование. В зависимости от вида вырабатываемых изделий на практике используют несколько способов формования. Прессование применяется в производстве некоторых видов посудных изделий (чайные стаканы, пивные кружки, маслёнки, сахарницы и т. п.), стеклянной тары, архитектурных деталей и др. Оно может быть как ручным, так и машинным. Для ручного прессования служат пружинные или эксцентриковые прессы. Как ни разнообразны конструкции ручных и машинных прессов, все они имеют три основные формующие детали: форму (матрицу) с поддоном, пуансон и съёмное формовое кольцо. Первая деталь определяет внешнюю форму изделия, вторая внутреннюю.

Выдувание — специфический метод формования, применяемый в технике только к стеклу. Возможности этого метода весьма широки: производство сортовой (столовой) посуды, узкогорлой тары, электровакуумных изделий и т. д. При производстве немассовых изделий до сих пор применяется ручной способ выдувания. Основным инструментом рабочего выдувальщика является стеклодувная трубка. В течение долгой истории стеклоделия выдувание производилось ртом, ныне сконструированы и применяются «трубки-самодувки». Прессовыдувание применяется в машинном производстве широкогорлой стеклянной тары (банки различных типов). Предварительная заготовка и формование горла изделия производятся при этом способе прессованием (в черновой форме), а остальная часть изделия — выдуванием (в чистовой форме). Вытягивание изделий из стекломассы, как и выдувание, — своеобразный метод формования, применимый только к таким весьма вязким материалам, как стекло, притом с вязкостью, быстро возрастающей при понижении температуры. Методом вытягивания на различных машинах (разными способами) изготовляются: оконное и техническое листовое стекло, стеклянные дроты (трубки малого диаметра), трубы, стержни, стеклянное волокно. Прокатка стекла в её современном виде заключается в том, что струя стекломассы непрерывно поступает из печи в пространство между вращающимися вальцами, где и прокатывается в ленту, убираемую транспортёром. Методом непрерывной прокатки изготовляется листовое стекло, различных видов, преимущественно строительное, толщиной в 3 мм и больше: армированное (стекло с закатанной в него металлической сеткой), узорчатое, волнистое (имеющее форму кровельного шифера) и др. Прокатка применяется также в производстве стеклянных труб: стекломасса непрерывно поступает на вращающийся вал и развальцовывается двумя роликами; внутренний диаметр трубы определяется диаметром формующего вала. Отливка стеклянных изделий в формы встречается на практике редко; так изготовляются, например, крупные диски для астрономических приборов. Ведутся опыты по отливке фасонных труб с раструбами и фланцами в быстро вращающиеся формы (способ центробежного литья).

Моллирование — способ образования изделий в формах, при подаче в них стекла в виде твёрдых кусков. В результате постепенного нагревания стекла становится вязким и заполняет форму под действием либо собственного веса, либо внешнего усилия (прессование). Моллированием формуются заготовки из оптического стекла и крупная стеклянная скульптура.

Отжиг отформованных, еще горячих изделий служит для предотвращения возникновения в них внутренних неравномерных напряжении, появляющихся при быстром охлаждении на воздухе и вызывающих самопроизвольное растрескивание стекла. Отжиг сводится к выдерживанию изделий в течение некоторого времени при температуре, близкой к температуре размягчения стекла, и к последующему медленному охлаждению их по определённому режиму. Отжиг производится в отжигательных печах непрерывного или периодического действия. Длительность отжига определяется толщиной (массивностью) изделий до нескольких месяцев. Не требуют отжига только некоторые тонкостенные изделия, например дроты, колбы (оболочки) для электрических ламп и т. п.

Закалка стекла — операция, обратная отжигу. Её назначение — создать в изделиях сильные равномерно распределённые напряжения. Закалённые изделия термически и механически гораздо более прочны, чем отожжённые. В результате закалки получается небьющееся стекло, применяемое для остекления окон вагонов, автомобилей, самолётов и т. п. Чтобы закалить листовое стекло, его предварительно разогревают до 600°—650°С, затем быстро охлаждают в обдувочной решётке путём равномерного обдувания воздухом.

Обработка (иначе — отделка) отформованных стеклянных изделий может быть разделена на: горячую (огневую), холодную (механическую) и химическую, которые применяются в отдельности либо во взаимном сочетании.

Горячая обработка стекла включает отколку, отопку, огневую полировку и другие операции, требующие нагревания изделий. Отколка колпачков
(«набелей»), образующихся на выдувных изделиях после выработки в форме, производится посредством надреза алмазом и последующего прогрева изделия у надреза узким пламенем горелки; колпачок отскакивает, по линии надреза, после чего острые края шлифуются или подвергаются оплавлению вручную, с помощью горелки, или на машинах периодического либо непрерывного действия.
Огневая полировка (оплавление поверхности изделий) обычно производится вручную.
К холодной обработке стекла относятся его резка, (сверление, шлифовка и полировка. Последние две операции придают стеклу ровную и гладкую поверхность. Шлифовка — сначала грубая (обдирка), затем тонкая (дистировка)
— осуществляется с помощью (абразивов и даёт матовую поверхность изделий.
Полировка (обычно крокусом) сглаживает микро неровности поверхности, остающиеся после шлифовки, и придаёт стеклу прозрачность и блеск. В производство листового стекла шлифовка и полировка выполняются на одинаковых станках (ручных или конвейерных), только при шлифовке применяется металлический плоский диск, а при полировке — мягкий (например, суконный) полировальник. При массовом поточном производстве автоматические шлифовка и полировка осуществляются на конвейерных линиях, производительность которых определяется сотнями тысяч квадратных метров листового стекла в год. Шлифовка применяется также для нанесения матовых узоров на поверхность стеклянных изделий с помощью пескоструйных аппаратов и для образования на изделиях алмазных граней. Химическая обработка применяется для получения при кислотной полировке, клеймении, художественно-декоративной отделке стеклянных изделий. Распространённым методом химической обработки является травление стекла азотобразным фтористым водородом или растворами плавиковой кислоты и её солей. Взаимодействие фтористых соединений со стеклом приводит к образованию нерастворимых и малорастворимых химических соединений, и поверхность изделия становится матовой. При травлении слабыми растворами плавиковой кислоты в смеси с концентрированной серной кислотой на поверхности стекла происходит равномерное образование растворимых соединений, и она становится гладкой и блестящей (кислотная полировка). Для нанесения на изделия методом травления рисунков применяют специальные машины — пантографы, резец которых вычерчивает рисунок на предварительно нанесённом на изделие защитном кислотоупорном слое, снимая его; после этого изделие погружают в ванну с раствором кислоты, которая протравливает стекло в местах, где оно обнажено резцом. Обработкой парами хлористого олова в сочетании с другими солями получают ирризирующие стекла, поверхность которых похожа на перламутр; при комбинированном прогреве слабо окрашенного стекла с молочным стеклом и последующем травлении плавиковой кислотой получают атласные стекла т.д.

Старинным способом украшения посуды является живопись по стеклу путём нанесения на него муфельных красок (смеси легкоплавкой глазури и минеральных красок) с последующим обжигом. Для художественной отделки стекла на него наносят также различными способами тончайшие плёнки золота и серебра. Основой химических способов золочения и серебрения стекла является осаждение на поверхности изделий коллоидно-дисперсных частиц металла при его восстановлении из растворов солей. Серебрение, а также алюминирование широко применяются в производстве зеркал.

Химический состав стекла. Карбонат кальция, подобно соде, при сплавлении с песком взаимодействует с ним, образуя силикат кальция и двуокись углерода. При сплавлении с избытком песка смеси карбонатов натрия и кальция получают переохлажденный взаимный раствор полисиликатов кальция и натрия; это и есть обыкновенное оконное стекло. Главное свойство всякого стекла заключается в том, что оно переходит из жидкого в твердое состояние не скачком, а загустевает по мере остывания постепенно вплоть до полного затвердевания. Стекло — аморфное вещество. Аморфные вещества отличаются от кристаллических тем, что атомы в них не образуют кристаллической решетки. Однако известная упорядоченность расположения атомов существует и в стеклах. Для плавленого кварца и силикатных стекол остаются в силе общие законы кристаллохимии силикатов; каждый атом кремния в них тетраэдрически окружен четырьмя атомами кислорода, но эти тетраэдры сочетаются друг с другом беспорядочно, образуя непрерывную пространственную сетку, в пустотах которой тоже беспорядочно располагаются ионы металлов. Благодаря этому один «микроучасток» стекольной массы отличен по атомному строению от другого, соседствующего с ним. Этим и объясняется отсутствие у стекла постоянной точки плавления, постепенность перехода его из твердого в жидкое состояние и обратно.

Как материал стекло широко используется в различии областях народного хозяйства, В соответствии с назначением известны разнообразные виды стекла: оконное посудное, тарное, химико-лабораторное, термическое, жаростойкое, строительное, оптическое, электровакуумное и многочисленные другие вид стекла технического. В пределах каждого вид стекла имеются самые разнообразные его сорта. В зависимости от условий службы каждого вида и сорта стеклу предъявляются определённые требования в отношении свойств, сформулированные в соответствующих стандартах и технических условиях. Физико-химические свойства стекла определяются главным образом его составом.