Характеристика главных материалов стекольного производства

Кремнезём (SiO₂) является основным стеклообразующим оксидом в бытовых стёклах. Его содержание в стёклах колеблется от 55 до 75%. В стекловарении для введения кремнезёма применяют в основном кварцевые пески. Они представляют собой обломочную породу, состоящую в основном из зёрен кварца.

На качество готовых изделий оказывают влияние содержание примесей в песках, однородность зернового состава песка и размер зёрен.

Сырьевые материалы стекольного производства
	Главные		Вспомогательные
Для введения кислотных оксидов			Красители
			Глушители
Для введения щелочных оксидов			Обесцвечиватели
Для введения щелочно-земельных оксидов			Осветлители
			Окислители и восстановители
			Ускорители варки стекломассы

Рис. Классификация материалов стекольного производства.

Примеси оксидов алюминия, кальция, магния, калия и натрия не являются вредными, так как эти оксиды входят в состав почти всех стёкол, но их содержание необходимо учитывать при расчёте шихты. Примеси окрашивающих оксидов, которые придают стёклам нежелательные цветовые оттенки и снижают их светопрозрачность, являются вредными. К их числу относятся оксиды железа, титана, хрома, марганца, ванадия и некоторые другие.

Например, оксид железа (III) Fe₂O₃, который в том или ином количестве присутствует во всех песках, окрашивает стекло в жёлтый цвет. Нередко присутствующий в песках оксид железа (II) FeO придаёт стеклу голубой оттенок. Если в песках в наличии оба оксида железа, то стекло приобретает зеленоватые оттенки.

Однородность зернового состава и песков и размер зёрен оказывают главным образом влияние на скорость варки и на количестве пороков в стекле.

Наиболее пригодными для стекловарения считаются пески со средним размером зёрен от 0.15 до 0.4 мм в диаметре. Крупные зёрна кварца (0.8 – 2 мм) провариваются медленно или не провариваются вообще, что является причиной образования порока «инородное включение». Мелкие зёрна провариваются быстро, поэтому в стекловарении целесообразнее применять мелкозернистые пески, но обязательным условием при их использовании является их однородность. Неоднородность мелкозернистых песков так же является причиной образования инородного включения в стекле.

Оксид натрия Na₂O наряду с кремнезёмом является важнейшей составной частью большинства стёкол. Он ускоряет стеклообразование и понижает температуру варки стекла, облегчает процесс осветления. Наряду с этим повышает коэффициент теплового расширения и снижает термическую и химическую устойчивость стекла.

Основными сырьевыми материалами для введения в стекло оксида натрия являются сода (кальцинированная – Na₂CO₃ или кристаллическая - Na₂CO₃·10H₂O) и сульфат натрия Na₂SO₄. При варке стекла указанные материалы разлагаются на оксид натрия и соответствующие газообразные вещества, которые далее улетучиваются.

Оксид калия К₂О снижает склонность стекла к кристаллизации, улучшает цветовой оттенок стекла и придаёт ему блеск. По этой причине оксид калия непременно используют при производстве столовой посуды, хрусталя и цветных стёкол.

Оксид калия в состав шихты вводят посредством поташа К₂СО₃.

Оксид кальция СаО, являясь наряду с кремнезёмом и оксидом натрия основным сырьевым материалом стекольного производства, придаёт стеклу химическую стойкость.

Для введения СаО в состав стекломассы используют в основном известняк и мел, которые одинаковы по химическому составу (СаСО₃), но различаются по внешнему виду и физическим свойствам. Основное требование к данным сырьевым материалам – минимальное содержание окрашивающих примесей (особенно оксидов железа).

При введении в стекло оксида бора В₂О₃ пропорционально снижению в шихте оксида натрия, повышается химическая стойкость, снижается коэффициент термического расширения, благодаря чему значительно увеличивается термостойкость стекла. При замене оксидом бора части оксида кремния снижается склонность стекла к кристаллизации, увеличивается скорость варки, улучшается просветление стекла.

Оксид бора вводится в стекломассу в основном посредством добавления в шихту борной кислоты H₃BO₃ или буры Na₂B₄O₇·10H₂O.

Оксид алюминия (глинозём), который повышает механическую прочность стекла, термическую и химическую устойчивость, в шихту вводят в основном в виде природного глинозёмсодержащего сырья (полевых шпатов, пегматитов и каолинов).

Основными щелочными оксидами, используемыми в стекловарении, являются оксид натрия Na₂O и оксид калия K₂O.

Оксид магния MgO снижает склонность стекла к кристаллизации и увеличивает скорость твердения стекломассы. При вводе совместно с глинозёмом повышается химическая стойкость стекла.

Чаще всего оксид магния вводится при помощи доломита – минерала, представляющего собой двойной карбонат кальция и магния (CaCO₃·MgCО₃). Доломиты всегда содержат примеси кремнезёма, глинозёма и оксидов железа. Чем меньше содержание последных примесей, тем более качественным считается сырьё.

Оксид бария ВаО придаёт стеклу блеск, повышает коэффициент преломления света. Добавлением в стекло оксида бария получают так называемый «бариевый хрусталь». Небольшие (0.2 – 0.5%) добавки ВаО ускоряют варку стекла.

Вводят оксид бария в состав стекла в основном посредством природных минералов, представляющих собой карбонаты, сульфаты или нитраты бария.

Оксид свинца PbO применяют для производства хрустальных стёкол, которых отличает большая плотность, высокий показатель преломления, характерный блеск, хорошая способность к гранению, шлифовке и полировке.

Наиболее предпочтительным сырьём для введения оксида свинца является свинцовый сурик (Pb₃O₄), получаемый нагреванием в окислительных условиях с последующим прокаливанием металлического свинца.

Оксид цинка ZnO понижает коэффициент термического расширения и повышает химическую устойчивость стекла. Применяется для производства лабораторной посуды, оптических и цветных стёкол.

Характеристика вспомогательных материалов стекольного

производства

В качестве красителей в стекловарении используют соединения различных металлов, которые окрашивают стекло либо растворяясь в нём (молекулярные красители), либо равномерно распределяясь в стекломассе в виде мельчайших коллоидных частичек (коллоидные красители).

Основные молекулярные красители и придаваемый ими стеклу цвет приведены в таблице.

Таблица. Молекулярные красители

Краситель	Химическая формула	Придаваемый стеклу цвет
Оксид марганца	Mn2O3	Фиолетовый при концентрации до 3% Чёрный при концентрации более 3%
Оксид кобальта	CoO	В зависимости от концентрации от синеватого оттенка до ярко-синего
Оксид хрома	Cr2O3	Жёлто-зелёный
Оксиды железа	Fe2O3 FeO Fe3O4	От жёлтого до кричневого Сине-зелёный Зелёный
Сульфид железа	FeS	От жёлтого до коричневого, чёрный при больших концентрациях
Оксид меди (II)	CuO	Зеленовато-голубой
Оксид урана	UO3	Жёлтый

Основные коллоидные красители и придаваемый ими стеклу цвет приведены в таблице.

Таблица. Коллоидные красители.

Краситель	Химическая формула	Придаваемый стеклу цвет
Селен	Se	Розовый (в присутствии мышька) Ярко-красный (в присутствии сульфида кадмия
Соединения золота	Au, AuCl3	От розового до тёмно-красного (золотой рубин)
Соединения серебра	Ag, AgCl	Золотисто-жёлтые цвета
Оксид меди (I)	Cu2O	Красный цвет (в восстановительной среде) Синий цвет (в окислительной среде)

Большое разнообразие красителей, используемых в стекольном производстве, позволяет придавать стеклу любую окраску. На характер окрашивания стекла кроме химической природы красителя влияет его концентрация, химический состав окрашиваемого стекла и условия варки.

Для устранения нежелательного цветового оттенка (который придают стеклу в основном оксиды железа) при получении бесцветных стёкол в состав стекольной шихты вводят обесцвечиватели. Различают физические, химические и смешанные обесцвечиватели.

Сущность физического обесцвечивания заключается во введении в состав стекла красителей, которые окрашивают его в цвет, дополнительный к окраске соединениями железа. В результате такого двойного окрашивания стекло приобретает нейтральный, серый оттенок, но его светопропускание понижается. Следует различать светопрозрачные и обесцвеченные стёкла. В качестве физических окислителей применяют селен, оксид никеля, небольшие добавки оксида кобальта.

Химическое обесцвечивание сводится к тому, чтобы по возможности перевести содержащийся в стекле оксид железа (II) в оксид железа (III) (FeO окрашивает стекло в 10 раз интенсивнее, чем Fe₂O₃). В качестве химических обесцвечивателей применяют сильные окислители: селитру, оксиды мышьяка и сурьмы и др.

Смешанные обесцвечиватели производят одновременно и физическое и химическое обесцвечивание. Наиболее характерным обесцвечивателем данного типа является пиролюзит MnO₂.

Большая часть цветных стёкол требует окислительных условий варки, чтобы предотвратить переход красящих оксидов в низшие степени окисления. Во других случаях, например при варке медного рубина, условия варки должны быть восстановительными.

В качестве окислителей применяют нитраты калия и натрия, оксид мышьяка As₂O₃ и другие вещества, разлагающиеся с выделением кислорода в процессе варки.

Наиболее распространённым восстановителем является углерод, который вводят в шихту посредством угля, кокса или древесных опилок. Применяют также соединения олова (оксид или хлорид олова (ІІ)).

Для получения непрозрачного (глушёного) стекла применяют глушители. В основном это соединения фтора и фосфора.

К осветлителям относятся материалы, способствующие удалению из стекломассы видимых мелких и крупных газообразных пузырей. В их качестве применяют материалы, которые под воздействием высоких температур разлагаются с выделением большого количества газообразных веществ (селитры, аммонийные соли и даже сырая древесина).

Ряд химических соединений ускоряют варку стекломассы, понижают температуру варки. В качестве ускорителей варки стекломассы используют соединения фтора, аммонийные соли, хлорид натрия и др.