Основы производства стекла

Производство стекла включает в основном следующие технологические операции:

• подготовку сырьевых материалов (сушка, измельчение);

• приготовление стекольной шихты (дозировку и смешение компонен­тов);

• варку стекломассы;

• формование из нее материалов;

• термическую, механическую или химическую обработку для улучше­ния свойств.

Варка стекломассы (стекловарение) – самая сложная операция всего сте­кольного производства, производится чаще всего в ванных печах непрерыв­ного действия, представляющих собой бассейны, сложенные из огнеупорных материалов. При варке специальных стекол (оптических, цветных и т. п.) ис­пользуют горшковые печи. При нагревании шихты до 1100...1150⁰ С происходит образование силикатов (силикатообразование) сначала в твердом виде, а затем в расплаве. При дальнейшем повышении температуры в этом расплаве полностью растворяются наиболее тугоплавкие компоненты - обра­зуется стекломасса. Эта стекломасса насыщена газовыми пузырьками и не­однородна по составу. Для осветления и гомогенизации стекломассы ее тем­пературу повышают до 1500...1600⁰ С. При этом вязкость расплава сни­жается и соответственно облегчается удаление газовых включений и получе­ние однородного расплава. Стекловарение завершается охлаждением стекло­массы до температуры, при которой она приобретает вязкость, требуемую для выработки стеклоизделий принятым методом (вытягиванием, прокатом, прессованием, литьем, выдуванием и др.). Закрепление формы изделия осу­ществляют быстрым охлаждением. При этом вследствие низкой теплопро­водности стекла возникают большие перепады температур, вызывающие внутренние напряжения в стеклоизделии. Поэтому обязательная операция после формования – отжиг, т.е. охлаждение изделий по специальному сту­пенчатому режиму:

• быстрое – до начала затвердевания стекломассы;

• очень медленное – в момент перехода стекла от пластического состоя­ния к хрупкому (собственно отжиг);

• вновь быстрое – до нормальной температуры.

Стекло нельзя хранить в горизонтальном положении, так как при дли­тельном воздействии воды его поверхность выщелачивается, при этом обра­зуются матовые налеты, которые можно удалить только в процессе их образования. Оконное стекло, подвергающееся обычным атмосферным воздействиям, не тускнеет, поскольку на нем со временем образуется защитный слой с повышенным содержанием кремнекислоты. Стекло и стеклоизделия классифицируют: по химическому составу: оксидные (кварцевые, силикатные, фосфатные, боратные и др.); бескислородные (халькогенидные, галогенидные, нитратные и др.); по назначению: строительное и архитектурно-строительное: техническое (кварцевое, оптическое, светотехническое, закаленное, многослойное, безопасное, химико-лабораторное и термометрическое, медицинское, стекловолокно, стекло в атомной технике); тарное и сортовое; стеклокристаллические материалы. В строительстве находит применение силикатное стекло, поэтому здесь будет рассматриваться только этот вид стекла.

Классификация и структура строительного стекла

 

Структура стекла представляет собой непрерывную сетку, каркас которой состоит из SiO₄ групп. В узлах сетки располагаются ионы, атомы или группы атомов. Таким образом, стекло имеет в принципе такое же строение, как кристаллические минералы (на­пример, кварц), с той лишь разницей, что у стекла структурная сетка не упо­рядочена.

Классификация стекла только по способам производства не охватывает всех видов применяемых в строительстве стекол, поэтому строительное стек­ло классифицируют следующим образом: по форме стелоизделий (плоское, листовое; профильное; стеклоблоки; стеклянное волокно); по способам про­изводства (тянутое; прокатное; прессованное – стеклоблоки, черепица – стекловолокно, стекловата, пеностекло); по целям применения: оконное; за­каленное; полированное; профильное, стеклоблоки, черепица, плитки; тепло­изоляционное; текстильное); по свойствам (оконное, прокатное, полирован­ное, теплоизоляционное, звукоизоляционное, светотехническое, армиро­ванное, цветное).

В строительстве используют исключительно силикатное стекло, основ­ным компонентом которого является диоксид кремния (кремнезем). Кремне­зем при охлаждении расплава способен образовывать стекло, как и некото­рые другие оксиды; их называют стеклообразующими оксидами.

Свойства стекла

 

Для стекловидного состояния характерно наличие небольших участков правильной упорядоченной структуры, отсутствие правильной пространст­венной решетки, изотропность свойств, отсутствие определенной температу­ры плавления. Благодаря своей структуре стекло обладает рядом специфиче­ских свойств, к которым можно отнести энергосберегающие свойства, солн­цезащитные, плотность, прочность, твердость, хрупкость, теплопроводность, термическую устойчивость, оптические свойства.

Плотность – это отношение массы тела к его объему. Она зависит от химического состава стекла и бывает от 2,2 до 7,5 г/см^З. В некоторой степени плотность стекла зависит от температуры, с повышением которой плотность стекла уменьшается.

Прочность – способность материала выдерживать нагрузку на сжатие, растяжение и т. д. Предел прочности на сжатие колеблется от 500 до 2000 МПа, на растяжение от 35 до 100 МПа.

Твердость – способность стекла оказывать сопротивление проникнове­нию в него более твердого материала. Твердость стекла по шкале Мооса рав­на 7. Некоторые виды стекол бывают твердостью 5 – 6 по шкале Мооса.

Теплопроводность – это способность материала, в данном случае стек­ла, проводить тепло без перемещения вещества этого материала. У стекла ко­эффициент теплопроводности равен 0,0017 – 0,032 кал/(см-с-град). У окон­ных стекол эта цифра равна 0,0023. Как видно, коэффициент теплопроводно­сти стекла весьма незначителен.

Тепловое расширение – это увеличение линейных размеров тела при его нагревании. У стекла оно незначительное.

Термическая устойчивость — способность стекла выдерживать резкие изменения температуры не разрушаясь. Термическая устойчивость играет большую роль в строительных работах, так как выстроенные различные со­оружения могут иметь весьма большую разницу в температуре внутри и сна­ружи. Термостойкость оконных стекол равняется 80—90°С. Термостойкость стекла во многом зависит от его химического состава. Следует указать, что кварцевое стекло выдерживает резкий перепад температур, который достига­ет до 1000°С.

Оптические свойства подразумевают светопрозрачность, светопоглощение, отражение и преломление света. Светопоглощение стеклом света неве­лико. В оконном стекле оно равняется примерно 88%. Для получения стекол с высокой степенью прозрачности необходимо сырьевые материалы до ми­нимума очищать от нежелательных примесей, окрашивающих стекло.

Прозрачное стекло одинаково пропускает все цвета спектра. Кроме того, надо знать, что чем лучше отполировано стекло, тем больше оно пропускает света, и наоборот. Различные царапины и загрязнения сильно снижают про­зрачность.

Для строительства изготовляют следующие виды стекла: листовое, окон­ное, армированное, узорчатое, штучное и др.

Листовое стекло подразделяют по качеству поверхности на неполиро­ванное и полированное; по способу упрочнения – на обычное, отожженное, закаленное, упрочненное химическим или другим способом и, в частности, армированное стальной сеткой; по цвету – бесцветное и цветное, по профи­лю – плоское, волнистое, гнутое.

Листы стекла должны быть прямоугольной формы с равномерной тол­щиной и плоской поверхностью. Кривизна (стрела прогиба) не должна пре­вышать 0,3% длины листа. Листы должны иметь гладкую поверхность, ров­ные кромки с целыми углами без сколов, щербинок, радужных налетов, ма­товых пятен и других дефектов. Отжиг стекла должен быть равномерным, что обеспечивает его отламывание по линии надреза. Допускаются полосность и волнистость, если они не искажают изображения предметов, а также прозрачные (воздушные) и непрозрачные (щелочные) пузыри для оконного стекла в весьма небольших количествах. Неразварившиеся частицы материа­ла, царапины, свили, видимые в проходящем свете, сильно влияют на каче­ство стекла.