6. Основные составляющие технологического процесса получения стекла и стеклоизделий.

Приготовление шихты

Сырьевые материалы

Сырьевые материалы для производства стекла и стеклоизделий условно делят на две группы: основные и вспомогательные.

Основные материалы содержат оксиды, образующие основу стекла и определяющие его свойства. Вспомогательные материалы представляют собой вещества, которые вводятся для изменения характеристик стекла и ускорения процесса стекловарения (красители, обесцвечиватели, глушители, окислители и восстановители, ускорители варки). Сырьевые материалы могут быть также разделены на природные и синтетические. В стеклоделии в основном применяют природные материалы: кварцевый песок, известняки, доломиты, нефелины, полевые шпаты. Остальные материалы, как правило, синтетические: кальцинированная сода (карбонат натрия), поташ (карбонат калия), свинцовый сурик и глет (оксиды свинца), красители и др. Качество сырьевых материалов (химический и гранулометрический составы, примеси и т.п.) регламентируются соответствующими государственными стандартами и техническими условиями, которые периодически пересматриваются и уточняются.

Основные материалы

Кремнеземсодержащие материалы. Основным материалом для ввода в стекло SiO2 является кварцевый песок. Качество песков оценивают по их химическому и зерновому составу. 

Глиноземсодержащие материалы. Ввод Аl2О3 в натрий-кальций-силикатные стекла снижает температурный коэффициент линейного расширения, повышает химическую устойчивость, улучшает механическую и термическую прочность. В производстве листового стекла и стеклотары для ввода Аl2О3 обычно применяют многокомпонентные глиноземсодержащие материалы.

Борсодержащие материалы. Введение в состав стекла незначительного количества (до 2%) оксида бора значительно облегчает варку и осветление стекла, снижает температуру варки, улучшает физико-химические свойства стекла, например, термическую и химическую стойкость.

Оксид бора вводят борной кислотой Н3ВО3, бурой Na2В4О7 . 10Н2О и боратом кальция. Массовое соотношение борного ангидрида и оксида кальция в борате кальция составляет 1,22-1,24.

Натрийсодержащие материалы. Основными материалами для ввода в стекло оксида натрия являются карбонат натрия (сода), сульфат натрия и нитрат натрия (селитра).

Калийсодержащие материалы. Оксид калия, введенный в натрий-кальций-силикатное стекло взамен оксида натрия, улучшает его оптические и выработочные характеристики, химическую устойчивость, цветовые характеристики. Сырьем для ввода К2О являются поташ (карбонат калия) и селитра (нитрат калия). Для повышения качества стекла необходимо, чтобы содержание в поташе красящих примесей и сульфата калия было минимальным.

Кальцийсодержащие материалы. Оксид кальция, ускоряя реакции силикатообразования, облегчает варку и осветление стекла, улучшает выработочные характеристики и повышает его химическую устойчивость. Оксид кальция вводится обычно с карбонатом кальция СаСО3, содержащим 56% СаО и 44% СО2. Из минералогических разновидностей карбоната кальция на стекольных заводах применяют известняк, мел, мрамор и известковый шпат.

Магнийсодержащие материалы. Оксид магния улучшает кристаллизационные характеристики стекла, снижает ТКЛР. В качестве сырья для введения в стекло обычно используют доломит СаСО3 . МgСO3. Природные доломиты всегда содержат примеси песка, глинозема и железа. Постоянство состава и минимальное содержание вредных примесей (соединений железа) имеют важное значение для производства бытовой посуды и обесцвеченной стеклотары.

Стронцийсодержащие материалы. Оксид стронция при замене части щелочноземельных оксидов улучшает выработочные характеристики, оптические свойства и химическую устойчивость стекла. Можно вводить до 6% оксида стронция в стекло для бытовых изделий и обесцвеченных бутылок, особенно малой вместимости. Оксид стронция можно ввести в стекло с карбонатом стронция SrСО3 (стронцианитом) и сульфатом стронция SrSО4 (целестином).

Барийсодержащие материалы. При введении небольших количеств ВаО ускоряется варка, улучшаются выработочные характеристики, особенно при механизированном формовании. ВаО повышает показатель преломления и плотность. Для ввода в стекло оксида бария наиболее подходящим сырьем является карбонат бария ВаСО3 или минерал витерит, могут также применяться нитраты и сульфаты. С карбонатом бария вводится 77,7% ВаО, а с нитратом бария — 58,6% ВаО.

Свинецсодержащие материалы. Оксид свинца является основным компонентом оптических и хрустальных стекол и определяет их высокие оптические свойства. Для введения в стекло РbО используют свинцовый сурик Рb3О4 и свинцовый глет РbО. При разложении сурика выделяется кислород, который осветляет стекломассу и поддерживает окислительную среду

Цинксодержащие материалы. Добавка оксида цинка в стекло снижает температурный коэффициент линейного расширения, увеличивает коэффициент преломления и химическую устойчивость. Оксид цинка является обязательным компонентом селенового рубинового стекла. Для введения в состав шихты оксида цинка используют цинковые белила (промышленное название оксида цинка)

Вспомогательные материалы

Красители и обесцвечиватели. Наибольшую группу вспомогательных материалов представляют красители, которые являются соединениями различных металлов и распределяются в стекле на ионном, молекулярном и коллоидном уровнях. Малые количества некоторых красителей служат физическими обесцвечивателями

Глушители. Для глушения обычно применяют фториды и фосфаты. Соединения фтора могут быть введены с фторидом кальция СаF2, кремнефторидом натрия Na2SiF6, криолитом ЗNаF . АlF3 и хиолитом 5NaF . АlF3. Соединения фосфора применяют в виде костной муки, фосфата кальция Са3(РО4)2, гидрофосфата натрия Nа2НРО4 . RН2О, апатита Са4(СаF)(РО4)3 или Са4(СаСl)((РО4)3. 

Окислители и восстановители. Применяют при варке стекла для создания окислительных или восстановительных условий. При варке свинцовых оптических стекол и свинцового хрусталя необходимо создать окислительные условия для предотвращения восстановления оксидов свинца. Окислительная среда играет важную роль при обесцвечивании и повышении теплопрозрачности стекол, содержащих оксиды железа.

В качестве окислителей применяют нитраты (NaNО3, КNО3), оксиды мышьяка, марганца, церия и др. При варке тарных стекол с сульфатом натрия восстановители вводят для ускорения разложения Na2SО4 и окрашивания в янтарный цвет. Восстановительные условия создают при варке медного рубина.

В качестве восстановителей используют углеродсодержащие вещества (опилки, уголь, мазут), соединения олова, виннокаменную соль.

Ускорители. Среди ускорителей варки стекла особое место занимают фториды, которые способствуют появлению жидкой фазы при более низких температурах и увеличивают скорость процесса силикатообразования. Фториды снижают температуру завершения реакций силикатообразования на 100-200°С Считается, что добавка 0,5-1% F ускоряет процессы гомогенизации и осветления стекла на 15-18%. В качестве ускорителя варки обычно применяют кремнефторид натрия Nа2SiF6.

Отходы применяются в производстве некоторых изделий, например, стеклянной тары при условии постоянства состава. Можно использовать отходы, получаемые при обогащении полезных ископаемых, а также отходы металлургического, химического и других производств 

Стекольный бой. Для облегчения процесса варки стекла и экономии материальных и энергетических ресурсов в стекловаренные печи загружают 20-50% стекольного боя. Стекольный бой применяют также при наварке бассейна печи после холодного ремонта или окончания ее строительства. Загружаемый в печь стекольный бой должен быть чистым, свободным от загрязняющих примесей. Целесообразно использовать бой одинакового состава с применяемым стеклом. Это условие соблюдается в производстве бытовой посуды, где получается значительное количество отходов после отделения колпачка и листового стекла. 

Подготовка сырьевых материалов и приготовление шихты

Сырьевые материалы для приготовления шихты должны быть соответствующим образом подготовлены. Подготовка сырьевых материалов предусматривает измельчение, растаривание, разрыхление, сушку, сортирование (просев) и обогащение.

Для правильного приготовления шихты необходимо применять обогащенные и подготовленные материалы; точно отвешивать сырьевые материалы по рассчитанному составу шихты; тщательно перемешивать сырьевые материалы до полной однородности; подавать и загружать шихту, исключая возможность ее расслаивания.

Основное требование к шихте — высокая степень однородности. Однородная шихта облегчает процесс стекловарения и исключает ряд пороков и дефектов в готовом стекле и стеклоизделиях. Для обеспечения однородности шихты важное значение имеют ее влажность и зерновой состав сырьевых материалов. Зерна сырьевых материалов должны иметь определенный размер, так как от этого зависит возможное расслоение шихты и равномерность растворения при варке. При одинаковом размере зерен компонентов шихта расслаивается тем больше, чем крупнее зерна. Небольшое количество влаги (3-5%) благоприятно влияет на однородность шихты. Воду подают непосредственно в смеситель или увлажняют песок при его взвешивании.