3. Основы технологии производства стекла

.Для удовлетворения потребности отраслей народного хозяйства разработаны сотни видов стекол различных сос­тавов. Как правило, современные промышленные стекла содержат не менее пяти компонентов, а специальные тех­нические — более десяти.

Изменение химического состава стекольного расплава позволяет эффективно регулировать прочностные, тепло-физические, диэлектрические, химические и другие свой­ства стекла. Так, повышение химической стойкости ме­ханической прочности достигается за счет увеличения в составе стекла Si0₂, А1₂0₃ и СаО; замена части Si0₂ на РЬО придает стеклу повышенный блеск; введение в состав фто­ридов позволяет получить глушенное стекло и т.д.

Разнообразие свойств стекол обусловливает и разнооб­разие используемого сырья. Все сырьевые материалы, при­меняемые для варки стекла, делят на главные и вспомога­тельные. Первые вводят в состав шихты необходимые для данного стекла основные и кислотные оксиды, вторые при­дают стекломассе специфические свойства, облегчают ее варку и выработку.

Главные стеклообразующие оксиды вводят в состав ших­ты со следующими видами сырья: Si0₂ с кварцевыми песка­ми или песчаниками; СаО и MgO — с известняками и доло­митами; А1₂0₃ — с пигментом или полевым шпатом; Na₂0 — с содой; Са₂0 — с паташом; В₂0₃ — с буром; РЬО — с сури­ком и т. д. Основное требование, предъявляемое ко всем видам сырья, — чистота и однородность по составу. Особен­но жесткие требования предъявляют к чистоте кремнезёмсодержащего сырья, составляющего до 70% шихты.

К вспомогательным материалам относятся вещества, создающие восстановительную или окислительную среду в стекольной шихте и печной атмосфере, ускоряющей про­цессы стеклообразования и обесцвечивания стекломассы, и красители. В качестве восстановителя применяют ант­рацит и кокс, окислителей — нитраты натрия или калия, оксиды мышьяка и сурьмы. Ускоряют процесс стеклообразования добавкой сульфата натрия, кремнефтористого и фтористого натрия.

Красителями стекла являются соединения металлов растворимые в стекломассе или образующие в ней взвешенные микрочастицы металлов и их соединений.

Обязательным компонентом шихты является стеколь­ный бой. Стекольную шихту готовят путем дозирования по заданному рецепту сырьевых материалов и тщательно­го их перемешивания. Смешение шихты производят в сме­сителях периодического действия: тарельчатых, барабан­ных, а также конусных.

Важнейшими стадиями процесса варки стекла являют­ся силикатообразование, осветление, гомогенизация и студка стекломассы. Сущность каждой стадии сводится к сле­дующему.

На первой стадии силикатообразования по мере нагревания шихты из нее испаряется влага, обезвоживаются гидраты, термически разлагаются некоторые соли (например, нитраты). При 300-400 °С в шихте начинается взаимодействие карбонатов и сульфатов с образованием двойных солей и легкоплавких эвтектик. При дальнейшем повышении температуры в реакции вступают песок и глиноземные материалы с образованием различных силикатов. Одновременно вследствие плавления некоторых солей и эвтектик в шихте появляется расплав, интенсифицирующий взаимодействие компонентов. Уже при температуре порядка 800°С взаимодействие компонентов шихты заканчивается, выделение газов прекращается. За счет жидкой фазы, образующейся при плавлении соды и эвтектических примесей, происходит спекание шихты. Однако значительная часть кремнезема (до 25%) остается в свободном состоянии. Для обычных натриево-кальциевых стекол стадия силикатообразования завершается при 800-900°С.

На второй стадии стеклообразования при повышен­ных температурах происходит плавлении массы, избыточ­ные зерна кварца и возникшие ранее силикаты растворя­ются в расплаве. К концу второй стадии при температуре 1100-1200°С шихта представлена прозрачной, но неодно­родной по составу стекломассой, пронизанной множеством газовых пузырей.

Ha стадии осветления происходит удаление газов из расплава: крупные пузыри поднимаются на поверхность и лопаются, а мелкие растворяются в расплаве. Для обыч­ных стекол осветление заканчивается при температуре 1400-1500 °С.

Структура стекломассы в процессе варки очень неодно­родна. Для выравнивания ее химического состава, ликви­дации свили и гетерогенных слоев стекломасса проходит стадию гомогенизации. В печах периодического действия она осуществляется перемешиванием стекломассы, в печах непрерывного действия — длительным выдерживанием ее в зоне высоких температур, а также бурлением стекломас­сы сжатым воздухом. Процессу гомогенизации способству­ет также перемешивание массы газовыми пузырями в про­цессе осветления. Осветление и гомогенизация — самые дли­тельные стадии варки стекла.

Завершающая стадия процесса стекловарения — студка — заключается в повышении вязкости стекломассы до пределов, допускающих формирование изделий, за счет снижения температуры до 1000—1200 °С.

Для промышленных стекол, вырабатываемых механи­ческими способами, стекломассу получают в непрерывно действующих стекловаренных ванных печах, а для неко­торых специальных видов стекол в печах периодичес­кого действия (горшковых или ванных).

Материалы и изделия из стекольных расплавов

Наибольшее распространение получили материалы и изделия из стекольных и расплавленных масс. Эти мате­риалы в виде стекла со всеми его разновидностями, а так­же в виде стеклянных изделий нашли широкое примене­ние в строительстве, архитектуре, санитарной технике, пищевой, химической и других отраслях промышленности.

Стекло — материал, обладающий комплексом разно­образных, не присущих другим видам строительных материалов свойств, характерными из которых можно считать светопропускание и хрупкость. Свойства стекла зависят от многих факторов: состава, режима теплообработки, состояния поверхности, размеров образца и других. На прочность стекла оказывают влияние внутренние дефекты, инородные включения (непровар, частицы огнеупора от футеровки печи и т. п.) и свиль (химически неоднородные участки).

Основным недостатком стекла является хрупкость, определяемая рядом факторов. Основной из них — отноше­ние модуля упругости материала к прочности при растя­жении E/R; чем больше это отношение, тем при меньшей деформации напряжение в материале достигает предела прочности.

Обычное силикатное стекло хорошо пропускает всю ви­димую часть спектра и практически не пропускает ультра­фиолетовые (длина волны менее 300 мкм) лучи. Изменяя химический состав стекла и его окраску, можно регулиро­вать светопропускание стекла в этих областях.

Показатель преломления строительного стекла опреде­ляет силу отраженного света и светопропускание стекла при разных углах падения света

По оптическим свойствам различают прозрачное, ок­рашенное, бесцветное и рассеивающее свет стекло. Сили­катное стекло обладает высокой стойкостью к большин­ству агентов, за исключением плавиковой и фосфорной кислот.

Обычное оконное листовое стекло является наиболее распространенным видом плоского стекла. Светопропускаемость оконного стекла в зависимости от толщины, кото­рая составляет 2-6 мм, равна 85-90%. Исходным сырьем для получения строительного листового стекла служат кварцевые пески, сульфат натрия или кальцинированная сода, известняк, доломит, уголь и некоторые другие вещества.

Производство строительного стекла состоит из сле­дующих основных операций. Подготовка составляющих материалов заключается в сушке и очистке песка от по­сторонних примесей, дроблении и сушке мела, доломита и помоле угля. Составляющие материалы дозируют и пере­мешивают. Подготовленная шихта расплавляется в специ­альных печах непрерывного (ванные печи) или периоди­ческого (горшковые печи) действия. Варку сырьевой ших­ты производят при температуре 1100-1200 °С до полного отделения всех примесей, которые собираются на поверх­ности в виде пены. В этот период происходит и обесцвечи­вание стекла путем введения специальных добавок, а так­же удаление пузырьков воздуха и газа. Затем из расплав­ленной массы с помощью машин вертикального или гори­зонтального типа вытягивают ленту стекла, которая проходит между валками машины, охлаждается и отжига­ется для снижения хрупкости.

Листовое стекло можно получить также способом ли­тья с последующей прокаткой. Для этого стеклянную мас­су выливают на гладкую поверхность и прокатывают глад­кими узорчатыми валками.

Орнаментное стекло является разновидностью листо­вого оконного стекла, получаемого способом литья. Это стекло имеет одну сторону гладкую, а другую — тесненую, узорчатую.

Армированное стекло получают методом непрерывно­го проката с одновременным закатыванием внутрь листа металлической сетки. Поточная линия состоит из ванной печи, прокатной машины, печи отжига и устройства для резки ленты стекла. Стекломасса из ванной печи поступа­ет в прокатную машину, куда подается стальная, терми­чески обработанная сварная или крученая сетка; проходя межу валками одновременно со стекломассой, сетка зака­тывается внутрь листа. Армированное стекло может иметь гладкую или узорчатую поверхность, быть бесцветным или цветным. Оно обладает повышенной огнестойкостью (до 1,3 ч.). При его разрушении осколки удерживаются арми­рованной сеткой. Светопропускаемость составляет не ме­нее 60%. Армированное стекло применяют для остекле­ния фонарей верхнего света, оконных переплетов, устрой­ства перегородок, ограждения балконов, лестничных маршей и др.

Цветное армированное стекло получают из стекломас­сы, окрашенной в процессе варки оксидами металлов. Ос­новные цвета — золотисто-желтый, зеленый, лилово-розо­вый, голубой. Применяют его для ограждения балконов, лоджий, лестниц, лифтовых шахт, для устройства декора­тивных светопрозрачных плафонов и перегородок в жилых домах и санаториях, пансионатах, на предприятиях, общественного питания и торговли, а также в других об­щественных и промышленных зданиях.

Защитное стекло получают специальной термической обработкой (для повышения прочности и упругости); пред. назначено оно для остекления автотранспорта.

Солнце- и теплозащитное стекло изготавливают на ма­шинах вертикального вытягивания путем аэрозольной обработки поверхности стекла специальными растворами. В зависимости от состава растворов и условий обработки можно получить стекла с неодинаковой степенью пропус­кания и отражения в различных частях спектра. Солнце-и теплозащитное стекло применяют для остекления зда­ний и средств транспорта с целью уменьшения солнечной и тепловой радиации.

«Витрасил» — стекло, обладающее способностью рассе­ивать свет по всему помещению. Оно не оказывает слепяще­го действия и не вызывает утомления у человека. Это стек­ло является также хорошим тепло- и звукоизолятором.

Облицовочное стекло применяют для облицовки пане­лей, стен жилых и общественных зданий. Это стекло ус­тойчиво атмосферным влияниям и гигиенично.

Профильное строительное стекло представляет собой элементы швеллерного и коробочного сечения, формируе­мые на горизонтальных прокатных установках в виде бес­конечной ленты, разрезаемой затем на отрезки длиной до 6000 мм. Профильное стекло может быть бесцветным или окрашенным. Для получения швеллерного профиля борта ленты стекла отгибаются под углом 90°. Профильное стек­ло коробчатого сечения носит название «сектор». При его изготовлении борта ленты стекла, пройдя через формующее устройство, отгибаются до получения коробчатого про­филя. Возможно, изготовление укрупненных сборных светопрозрачных конструкций из профильного стекла на до­мостроительных комбинатах или полигонах.

Профильное стекло используют для светопрозрачных ограждений и самонесущих стен в промышленном, граж­данском и сельскохозяйственном строительстве, для уст­ройства внутренних перегородок и прозрачных плоских кровель в различных типах зданий. Профильное стекло можно применять в виде крупноразмерных панелей. Такое стекло устойчиво против воздействия концентрированных кислот, щелочей и влаги. Профильное стекло швеллерно­го сечения выпускают бесцветным и цветным, неармированным и армированным стальной проволокой. Оно харак­теризуется повышенной огнестойкостью и безопасностью при разрушении.

Стеклянные блоки представляют собой полые, пропус­кающие свет изделия с разнообразной фактурой внутрен­ней или наружной поверхности В зависимости от профиля и размера стенок блока изменяется интенсивность и на­правленность световых лучей, а также создается равномер­ное освещение отдельных участков и больших площадей в здании. В зависимости от требований к светоосвещению через светопроемы могут использоваться стеклоблоки светорассеивающие, прозрачные и светонаправляющие.

Стеклянные блоки получают свариванием в нагретом состоянии двух полублоков. Оставшийся внутри блока воз­дух (при некотором его разряжении) значительно умень­шает коэффициент теплопроводности стеклянных блоков. Стеклянные блоки используют в фасадах промышленных зданий, для освещения лестничных клеток гражданских зданий и разного рода складских помещений, требующих верхнего света, а также в архитектурно-деловых целях. Стеклянные блоки с успехом применяют в цехах с агрес­сивной средой, а также в цехах, где характер производ­ства требует создания постоянных климатических условий.

Стеклопакеты представляют собой два или несколько листов стекла, герметично соединенных между собой по периметру. Между стеклами имеется полость, заполненная

сухим воздухом. Стеклопакеты изготовляют из оконного витринного, армированного, узорчатого и других стекол толщиной 2-8 мм. Стеклопакеты выдерживают большую ветровую нагрузку, чем отдельные стекла той же толще, ны. При остеклении с стеклопакетами упрощается конструкция оконных проемов, увеличивается световая площадь и снижаются светопотери. Применяют их для остекления про­мышленных, гражданских и других общественных зданий.

Стемалит представляет собой закаленное листовое стекло различной фактуры, покрытое одной стороны глу­хими керамическими красками различных цветов (желто­го, синего, красного, серого, черного и т.д.). Стемалит изготавливают из неполированного витринного или про­катного стекла толщиной 6-12 мм.

Этот материал отличается высокой устойчивостью ат­мосферным воздействиям, постоянством цвета, прочностью, термической стойкостью. Стемалит предназначен для наружной и внутренней облицовки зданий, для изготовле­ния многослойных панелей, устройства перегородок, а так­же ограничений лестничных маршей и балконов.

Стевит представляет собой изделие, состоящее из двух, герметически соединенных по периметру с помощью гер­метика и окантованных водостойкой эластичной лентой, между которой заключена светорассеивающая прокладка из стекловолокнистого нетканого холста. Стевит применя­ют для заполнения оконных проемов, остекления фонарей верхнего света, а также для устройства светопропускающих перегородок в промышленных и общественных зда­ниях, на предприятиях торговли, общественного питания, в лечебных и учебных заведениях, библиотеках, музеях I других сооружениях, где требуется светорассеивающее ос­текление, исключающее сквозную видимость и уменьшаю­щее солнечную радиацию.

Дверные полотна изготовляют из листового, подверг­нутого специальной термической обработке (закалке) стек­ла. Стеклянные полотна для дверей представляют собой листы утолщенного полированного, неполированного, про­катного узорчатого стекла с обработанными кромками, отверстиями и вырезками для крепления дверных приборов.

Стеклянные полотна выпускают бесцветные, прозрач-_йЬ1в, с полированной и неполированной поверхностью, а -также цветные и бесцветные светорассеивающие с узорча­той или кованой поверхностью. Цветные полотна могут быть желтыми, голубыми и зелеными. Стеклянные бесцвет­ные полотна применяют для наружных и внутренних две­рей в жилых, общественных и промышленных зданиях. Цветные полотна используют только для внутренних дверей.

Витринное стекло изготовляют из полированного и не­полированного стекла толщиной 6—12 мм. Его получают способом горизонтального проката с последующей шлифов­кой и полировкой поверхностей. Оно может быть плоским и гнутым. Применяют витринное стекло для остекления внутренних и наружных витрин и проемов в магазинах, ресторанах, аэропортах и т. д.

Стеклянную коврово-мозаичную плитку изготовляют в форме квадратов из непрозрачного прессованного или прокатного стекла различного цвета, с глянцевой или ма­товой поверхностью, размерами 18x18x4, 22x22x4, 23x23x4 мм. Плитки характеризуются высокой долговеч­ностью и постоянством цвета. Стеклянную коврово-узор-чатую плитку применяют для наружной облицовки стено­вых панелей и внутренней отделки помещений. Она позво­ляет обеспечить индустриальную отделку железобетонных панелей.

Стеклянные трубы получили широкое распростране­ние в пищевой, фармацевтической, химической и других отраслях промышленности для транспортирования агрес­сивных жидкостей. Трубопроводы из стекла прозрачны, ги­гиеничны и имеют гладкую поверхность, что уменьшает сопротивление перемещаемых в них жидкостей. Стеклян­ные трубы изготовляют способом вертикального или гори­зонтального вытягивания и центробежным способом.

Стеклобетонные конструкции в зависимости от несу­щей способности, свето- и звукоизоляции, а также других свойств подразделяют на стеновые, конструкции покрытий и конструкции сводов и куполов. В этих конструкциях сущей частью является железобетонный каркас, а стеклян­ные блоки заполняют световое пространство каркаса. Стеклобетонные стеновые конструкций могут успешно использоваться для производственных и культурно-бытовых помещений, вокзалов, выставочных павильонов. Стеновые конструкции (панели, блоки и др.) обладают необходимыми тепло- и звукоизоляционными свойствами, хорошо ос­вещают помещение, гигиеничны, не нуждаются в специ­альной отделке.

Стеклянная вата представляет собой материал, состо­ящий из тонких (5-6 мкм) гибких нитей. Стеклянная вата обладает высокой прочностью на разрыв, химической стой­костью, низкой звуко- и теплопроводностью. Стеклянную вату получают способом механического вытягивания, центробежным и дутьевым (газоструйным) способами. При центробежном способе сырьем служит стекольный бутылоч­ный бой, который моют и загружают в специальный ковш, где он расплавляется и при температуре 1300—1400°С сте­кает в чашу. Далее стеклянная масса тонкой струей на­правляется на быстро вращающийся диск. Центробежной силой расплавленная масса отрывается от диска и вытяги­вается в тонкие нити. При дутьевом способе формирование волокон производят путем раздувки расплавленной стек­лянной массы струей газа. Струя газа, выходящая с боль­шой скоростью, вытягивает стеклянную массу в тонкие волокна, которые затем подхватываются транспортером из тонкой сетки и подаются для последующей обработки.

Стеклянную массу используют в качестве тепло- и зву­коизоляционного материала в промышленности и строи­тельстве. Она эластична, устойчива к температурным из­менениям, химически стойка, не поддается гниению и го­рению. Стеклянную вату можно применять в качестве наполнителя (вместо асбеста) при изготовлении асбоцемент­ных изделий, а также в качестве тонкого заполнителя для штукатурных и отделочных растворов. В смеси с полиме­рами получают материал — стеклопластик. Стекломаты обладают высокими диэлектрическими свойствами, стойки против коррозии в агрессивных химических средах. Стек­ломаты выпускают в виде рулонного материала и исполь­зуют для изоляции газовых и водяных трубопроводов.

Пеностекло и газостекло получают путем вспучивания расплава размолотого стекла, смешанного с веществом (из­вестняком, углем), которое при температуре 750-850 'С способно выделять газ. Пеностекло является хорошим теп­ло- и звукоизоляционным материалом, обладает малой плотностью (200—600 кг/м³) и низким коэффициентом теп­лопроводности. Пеностекло применяют в народном хозяй­стве для теплоизоляции тепловых и холодильных устано­вок, звукоизоляции общественных и коммунально-бытовых помещений и т. д.

Маркировка, упаковка, транспортирование и хранение стеклянных товаров:

Выдувные изделия маркируют бумажной этикеткой, которую наносят на изделие с указанием завода-изготовителя, товарного знака, ГОСТа, номера рисунка, группы обработки.

Прессованные и прессовыдувные изделия маркируют в процессе выработки. Маркировка включает наименование завода-изготовителя или товарный знак.

Упаковывают стеклянные изделия в картонную или гофрированную тару с гнездами или в пакеты из упаковочной бумаги или термоусадочной пленки. Выдувные изделия при упаковке в пакеты должны быть предварительно завернуты в бумагу, переложены стружкой или другими материалами. Рюмки, стаканы и другие мелкие и средние изделия завертывают в бумагу попарно, прокладывая бумагу между донышками изделий. Комплектные изделия помещают в одну коробку или один пакет. Сувенирные и подарочные изделия не обертывают в бумагу, а укладывают в специально художественно оформленные коробки. Бумажные пакеты, перевязанные шпагатом, имеют наклеенную этикетку, в которой указывается: товарный знак или наименование предприятия-изготовителя; наименование изделия; номер рисунка или группа обработки; количество изделий в единице упаковки (для групповой тары); номер контролера и упаковщика; дата упаковки; обозначение стандарта.

Стеклоизделия транспортируют по железной дороге в крытых чистых вагонах или контейнерах, на которых завод ставит крупным шрифтом надпись: "Верх не кантовать!", "Осторожно, хрупкое!". При размещении стеклоизделий в вагонах или контейнерах коробки и пакеты перекладывают упаковочными материалами через два ряда плотно, без зазоров. Изделия, которые отгружают в районы Крайнего Севера и другие отдаленные районы, должны быть упакованы в соответствии с установленными стандартами особыми требованиями.

Хранят стеклоизделия в закрытых помещениях, защищенных от влияния атмосферных осадков. При размещении изделий на складе тяжелые изделия рекомендуется укладывать на нижних полках, находящихся на высоте 15-20 см от пола, а более легкие — на верхних.