Получение стекла

Современное стекольное производство включает в себя три эта­па: подготовка сырья, стекловарение и формование стеклоизделий.

Подготовка сырья. Химический состав обыкновенного оконного стекла по основным оксидам следующий: SiO₂ — 71...72 %; Na₂O - 15...16 %; CaO — 5...7 %; MgO - 3...4 %; А1₂О₃ - 2...3 %; содержание Fe₂O₃ не более 0,1 %, так как оксиды железа придают стеклу зеленовато-коричневый («бутылочный») цвет и снижают светопропускание. Основные оксиды вводятся в сырьевую шихту в виде следующих веществ.

Кремнезем (SiO₂) вводят в виде кварцевого песка, молотых квар­цитов или песчаников. Основное требование к кремнеземистому сырью — минимальное количество примесей, особенно оксидов железа. Это основной стеклообразующий оксид, повышающий ту­гоплавкость и химическую стойкость стекла.

Глинозем (А1₂О₃) поступает в сырьевую шихту в виде полевых шпатов и каолина. Его влияние на свойства стекла аналогично дей­ствию SiO₂.

Оксид натрия (Na₂O) вводят в стекло в виде соды и сульфата на­трия. Na₂O понижает температуру плавления стекла, повышает ко­эффициент термического расширения и уменьшает химическую стойкость.

Оксид кальция (СаО) и магния (MgO) вводят в стекольную шихту в виде мела, мрамора, известняка, доломита и магнезита. Эти окси­ды повышают химическую стойкость стекла.

В специальные стекла вводят оксиды бора, свинца, бария и др.

Вспомогательные сырьевые материалы делят по своему назначе­нию на следующие группы: осветлители — вещества, способствую­щие удалению из стекломассы газовых пузырей; обесцвечиватели — вещества, обецвечивающие стекольную массу; глушите­ли — вещества, делающие стекло непрозрачным.

Красители для стекла могут быть молекулярными, полностью растворяющимися в стекломассе, и коллоидными, равномерно рас­пределяющимися в стекломассе в виде мельчайших (коллоидных) частиц. К первым относятся соединения кобальта (синий цвет), хрома (зеленый), марганца (фиолетовый), железа (коричневый и сине-зеленые тона), а ко вторым — металлическое золото (рубино­вый), серебро (желтый), селен (розовый).

Перед варкой стекла сырьевые материалы измельчают, тщатель­но смешивают в требуемых соотношениях, брикетируют и подают в стекловаренную печь.

Стекловарение. Обычное стекло получают в непрерывно дейст­вующих ванных печах с полезным объемом до 600 м и суточной производительностью более 300 т. Для варки специальных (оптиче­ских, цветных и др.) стекол применяют периодически действующие ванные, а также горшковые печи.

Стекловарение — главнейшая операция стекольного производ­ства. На первой стадии этого процесса — силикатообразовании — щелочные компоненты образуют с частью кремнезема сили­каты, плавящиеся уже при 1000...1200 °С. В этом расплаве при даль­нейшем нагревании растворяются наиболее тугоплавкие компоненты SiO₂ и А1₂О₃. Образующаяся при этом масса неодно­родная по составу и насыщена газовыми пузырьками.

Удаление пузырьков и полная гомогенизация расплава осущест­вляется на второй наиболее длительной стадии стекловаре­ния — стеклообразовании — при температуре 1400... 1600 °С. Третья заключительная стадия — студка — охлаждение стекломассы до температуры, при которой она приобретает оптимальную для дан­ного метода формования стеклоизделий вязкость.

Формование. Метод выработки (формования) зависит от вида изделия. Для получения строительного стекла используют вытяжку, прокат, прессование.

При охлаждении стекла вследствие низкой его теплопроводно­сти в нем возникают большие градиенты температур, вызывающие

внутренние напряжения. Наибо­лее опасным моментом с этой точки зрения является переход стекла от вязкопластического со­стояния к хрупкому, поэтому для снятия внутренних напряжений после формования производят от­жиг — охлаждение по специаль­ному режиму: быстрое до начала затвердевания стекломассы, очень медленное в опасном интервале температур (600..300 °С) и вновь быстрое до нормальной темпера­туры.

Основной вид строительного стекла — листовое.

С начала XX в. большая часть листового стекла стала производиться (а в России производится и до сих пор) мето­дом вертикального вытягивания на машинах ВВС (рис. 6.1). Так по­лучают стекла толщиной до 6 мм. Суть метода сводится к следую­щему.

Лента стекла формуется из стекломассы лодочкой (шамотным брусом с прорезью), удерживаемой на надлежащем уровне штанга­ми. Стекломасса выдавливается в щель лодочки и оттягивается вверх валками машины в виде ленты шириной до 4,5 м. Скорость вытягивания достигает 2 м/мин. Проходя между холодильниками 3 от лодочки до первой пары валков, стекломасса охлаждается на­столько, что становится твердой и валки не оставляют на ней отпе­чатков (I зона). Далее стекло валками 5 подается в шахту высотой 5—7 м. В нижней части шахты производится отжиг стекла (И зона). В верхней части стекло охлаждается окончательно и, выходя на от-ломочную площадку 7, нарезается на требуемые размеры.

В 1959 г. появился новый способ получения высококачествен­ного стекла — флоат-метод (от англ. float— плавать). Суть метода (1ключается в том, что стекломасса выливается на поверхность рас-

плавленного металла (обычно олова). Из-за большой разницы в плотностях стекла (2550 кг/м³) и олова (7290 кг/м ) стекломасса растекается по поверхности расплавленного олова и, остывая на ней, образует лист с идеально ровной полированной поверхностью. Производительность установок, работающих по флоат-методу, до 3...4 тыс. м² в час. Размер получаемых листов: ширина до 4 м; толщина от 2 до 25 мм. Преимущества флоат-метода — стабильная толщина листа и высокое качество поверхности, не требующее дальнейшей полировки. В Европе большая часть стекла вырабаты­вается именно этим методом.