|
|
Протекающий в специальной
высокотемпературной печи процесс превращения шихты в расплав стекломассы
(похожий на расплав металла) называется варкой или стекловарением. Этот
процесс можно условно разделить на 5 стадий: силикатообразование, стек-
лообразование, осветление, усреднение состава, охлаждепие.
Силикатообразование. В начальной стадии варки стекла протекают разнообразные
физические и химические процессы. Например, для простейшей трех- компонентной
шихты, состоящей из песка БЮг, соды Na2C03 и мела СаСОз, характерна
последовательность процессов, указанных в 2. Если шихта содержит другие
сырьевые материалы, то они также образуют на первой стадии варки
соответствующие силикаты. Например, в случае шихты, состав которой приведен
выше, кроме КагЭЮз и СаБЮз образуются также силикат магния MgSiOs и силикат
калия K2S1O3. Свинцовый сурик РЬз04, содержащийся в шихте хрустального
стекла, превращается в силикат свинца РЬЭЮз. В процессе силикатообразования
выделяется большое количество углекислого газа СО2 (диоксид углерода). Пузыри
этого газа поднимаются на поверхность и лопаются, поэтому поверхность густого
расплава, в который превращается шихта, выглядит кипящей (отсюда и происхождение
термина «варка стекла»).
На стадии силикатообразования получается неоднородная
частично остеклованная масса, пронизанная пузырями и содержащая множество
зерен песка. Стеклообразование. Протекающий на второй стадии варки физический
процесс растворения зерен избыточного песка в расплаве силикатов (и
стеклобоя) называется стеклообразованием.
В самом деле, достигаемая на этой стадии температура
1300...1400°С явно недостаточна для плавления кварцевого песка (выше 1700°С),
поэтому он не плавится,а растворяется. В результате получается неоднородная
стекловидная масса, хотя и усеянная мелкими газовыми пузырьками, но уже не
содержащая включений зерен песка. Осветление — третья стадия варки стекла, на
которой происходит удаление газовых пузырьков.
Оно может быть достигнуто увеличением продолжительности
варки, однако это находится в противоречии с производственным требованием
повышения производительности процесса, т. е. увеличения количества
стекломассы, производимой в единицу времени. Удалению пузырьков способствует
повышение температуры стекломассы.
Именно на стадии осветления необходимо поддерживать
максимальную температуру варки 1500°С и выше. Эффективной мерой осветления
является интенсивная продувка стекломассы потоком крупных пузырей воздуха
(реже—газа), «бурление» (барботаж). В старину в «успокоившуюся» стекломассу
опускали куски сырого дерева, корнеплоды и т. п., насаженные на железный
прут. Выделение паров воды, газообразных продуктов сгорания приводило к
быстрому вскипанию стекломассы вследствие образования крупных пузырей. Так как
по законам физики внутри крупных пузырей давление меньше, чем внутри мелких,
то поднимающиеся крупные пузыри по пути всасывают содержимое мелких
пузырьков, и стекломасса осветляется. В современных печах осветление импульс
ным барботажем стекломассы осуществляется сжатым воздухом,
который подается под давлением от 0,15 до 0,25 МПа (1,5...2,5 ат) при расходе
1...1,5 м3/ч через сопла из жароупорной стали, расположенные в днище печи.
Для образования в стекломассе крупных пузырей, способствующих осветлению, в шихту
можно ввести специальные добавки — осветлители: сульфат натрия Na2SC>4 (от
0,3 до 0,5 мае. %), сульфат аммония (NFU) 2SO4 (от 0,5 до 1 мае. %) и др.
Газовые пузыри образуются при разложении или испарении указанных веществ:
Na2SC>4—ИЧагО + + S03f; (NH4)2S04—^N205t + H20t + + SO3 :
Усреднение состава (гомогенизация). Несмотря на
однородность шихты, в процессе стекловарения физические и химические процессы
протекают неравномерно, поэтому состав стекла в различных участках
оказывается неодинаковым. Находясь в постоянном движении, локальные порции
стекла различных составов вытягиваются, образуя переплетеиые жгуты, нити,
свили. Если такое стекло охладить до комнатной температуры, то свили
оказываются видимыми невооруженным глазом вследствие различных их показателей
светопреломления.
Температура на этой стадии может быть приблизительно на
100°С ниже максимальной температуры варки. Процессы, приводящие к усреднению
состава, идут уже на стадии осветления под действием конвекционных потоков
стекломассы, бурления (барботажа) и т. п. Однако свили могут все еще
присутствовать в стекломассе и после ее осветления. Кроме того, для
усреднения состава применяются, в особенности в производстве хрустального
стекла, огнеупорные мешалки.
Охлаждение — пятая стадия стекловарения, на которой
температуру понижают до 1200°С с целью придания стекломассе более высокой
вязкости, необходимой для формования изделий.
|