Глава VI. Стекло и другие материалы иа основе минеральных расплавов

§ 1. Общие сведения

Стекло и другие плавленые материалы и изделия получают из минеральных силикатных расплавов, сырьем для которых служат распространенные горные породы и некоторые побочные продукты промышленности. Минеральные расплавы в зависимости от исход­ного сырья разделяются на следующие группы: стеклянные, камен­ные, шлаковые, ситаллы и шлакоситаллы. Материалы из расплавов обладают высокими показателями долговечности, химической стой­кости к воздействию агрессивных сред, отличными декоративными свойствами, а некоторые из них и прозрачностью.

Из минеральных расплавов, получают изделия самого различно­го назначения: листовые светопрозрачные, конструкционные, отде­лочные, облицовочные, трубы специальные, тепло- и звукоизоляци­онные.

Изделия из стекла начали изготовлять еще 3500-4000 лет до н. э. в Египте и Месопотамии. Первый стекольный завод в России был создан в 1638 году близ г. Воскресенска. Основоположником науч­ных основ стекловарения в России является М.В. Ломоносов, кото­рый организовал в 1752 году производство разноцветных стекол. До конца XIX века производство изделий из минеральных расплавов для применения в строительстве было связано главным образом с изготовлением листовых светопрозрачных изделий. Бурное развитие техники в прошлом столетии привело к развитию производства из минеральных расплавов широкой номенклатуры материалов и изде­лий, различных по свойствам, виду и назначению. В последние годы быстро развивалось производство специальных видов строительного и технического стекла, а также теплоизоляционных материалов. По­лучило распространение производство стеклоблоков, профильного стекла, стеклопакетов. Использование стеклоблоков позволяет сни­зить теплопотери зданий более чем в 2 раза по сравнению с одинар­ным остеклением.

§ 2. Стекло и его свойства

Стеклом называют все аморфные тела, получаемые путем переох­лаждения расплавов, независимо от их химического состава и темпе­ратурной области затвердевания, обладающие в результате постепен­ного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым. Признаками стеклообразного состояния вещества является отсутствие четко выраженной точки плавления, гомогенность и изотропность. В стеклообразном состоянии могут быть получены многие вещества.

Стекло способно образовывать называемые стеклообразующими оксиды Si0₂, Р2О5 и В₂0₃ без каких либо добавок. Однако в большин­стве случаев сырьевой массой для производства стекол является мно­гокомпонентная шихта, содержащая помимо стеклообразующего оксида различные добавки.

В строительстве используют почти исключительно силикатное стекло, основным компонентом которого является диоксид кремния Si0₂.

Стекло не является веществом с определенным химическим соста­вом, который может быть выражен химической формулой, поэтому состав стекла условно выражают суммой оксидов. Состав строитель­ных стекол в зависимости от вида и назначения содержит оксиды (в % по массе): Si0₂ - 64-73, 4; Na₂0₃ - 10-15, 5; К₂0 - 0-5; CaO - 2, 5-26, 5; MgO - 0-4, 5; AI2O3 - 0-7, 2; Fe₂0₃ - 0-0, 4; S0₃ - 0-0, 5; В₂0₃ - 0-5.

Каждый из оксидов играет свою роль в процессе варки формиро­вания свойств стекла. Оксид натрия ускоряет процесс варки, понижая температуру плавления, но уменьшает химическую стойкость стекла. Оксид калия придает блеск и улучшает светопропускание. Оксид кальция повышает химическую стойкость стекла. Оксид алюминия повышает прочность, термическую и химическую стойкость стекла. Оксид бора повышает скорость стекловарения. Для получения опти­ческого стекла и хрусталя в шихту вводят оксид свинца, повышаю­щий показатель светопреломления.

Сырье для производства стекла

Сырьевые материалы для производства стекла разделяются на ос­новные и вспомогательные.

К основным относятся минеральное сырье и некоторые продукты промышленности: кварцевый песок, сода, доломит, известняк, поташ, сульфат натрия. Кроме того, в последнее время стали широко исполь­зоваться отходы различных отраслей промышленности - доменные шлаки, кварцесодержащие материалы, тетраборит кальция, стеклобой и др.

Минеральное сырье, как правило, имеет большое количество при­месей и непостоянный состав. Примеси условно разделяются на две группы:

ухудшающие качества стекломассы (оксиды же­леза, хрома, титана, марганца, ванадия);

соответствующие основным компонентам со­става стекла (оксиды алюминия, кальция, магния, калия, натрия).

Примеси первой группы придают стеклу нежелательную окраску, а также могут привести к образованию пороков в стекле в виде вклю­чений. Примеси второй группы обычно учитываются при расчете рецепта шихты.

Вспомогательные сырьевые материалы (осветлители, глушители, красители и др.) вводят в шихту для ускорения варки стекла и прида­ния ему требуемых свойств.

Осветлители (сульфаты натрия и алюминия, калиевая се­литра, мышьяковистый ангидрид) способствуют удалению из стек­ломассы газовых пузырьков.

Глушители (криолит, плавиковый шпат, двойной суперфос­фат) делают стекло непрозрачным.

Красители придают стеклу заданный цвет - соединения: ко­бальта - синий, хрома - зеленый, марганца - фиолетовый, железа - коричневый и сине-зеленые тона и т.д.

Основы производства стекла

Производство строительного стекла состоит из следующих основ­ных операций: обработка сырьевых материалов; приготовление ших­ты, варка стекла, формование изделий и их отжиг.

Обработка включает дробление и помол материалов, поступаю­щих на завод в виде кусков (доломит, известняк, уголь), сушку влаж­ных материалов (песок, доломит, известняк), просеивание всех ком­понентов через сита заданного размера.

Приготовление шихты включает операции усреднения, дозирова­ния и смешения. Шихта считается качественной, если отклонение от заданного состава ее не превышает ±1%.

Стекловарение производится в специальных стеклоплавильных печах непрерывного (ванные печи) или периодического (горшковые печи) действия. При нагревании шихты до 1100-1150^ЭС происходит образование силикатов сначала в твердом виде, а затем в расплаве. При дальнейшем повышении температуры в этом расплаве полно­стью растворяются наиболее тугоплавкие компоненты SiCb и АЬОз - образуется стекломасса. Эта масса неоднородна по составу и на­столько насыщена газовыми пузырьками, что ее называют варочной пеной. Для осветления и гомогенизации температуру стекломассы повышают до 1500-1600°С. При этом вязкость расплава снижается, облегчается удаление газовых включений и получение однородного расплава. Стекловарение завершается охлаждением (студкой) стек­ломассы до температуры, при которой она приобретает вязкость, тре­буемую для выработки стеклоиз- делий.

Формование изделий произ­водится различными методами: вытягиванием, литьем, прокатом, прессованием и выдуванием. Формование листового стекла производится путем вертикально­го или горизонтального вытягива­ния ленты из расплава (рис. 6.1), прокатом или способом плаваю­щей ленты (флоат-способ). Метод вытягивания применяют для по­лучения стекла толщиной 2-6 мм. Лента вытягивается из стекломас­сы вращающимися валками ма­шины через лодочку (огне­упорный брус с продольной про­резью) или свободной поверхно­сти стекломассы (безлодочный способ).

Рис. 6.1. Схема работы машины вертикального вытягивания стекла / - лента стекла; 2 - стеклян­ный расплав; 3 - валики; 4 - шахта машины; 5 - камера; 6 - горелка для поддержания высо­кой температуры в камере; 7 - холодильники

Флоат-способ является наибо­лее совершенным и высокопроизводительным из всех способов, из­вестных в настоящее время. Он позволяет получать стекло с высоким
качеством поверхности. Особенностью способа является то, что про­цесс формования ленты стекла протекает на поверхности расплав­ленного олова в результате растекания стекломассы. Поверхности листового стекла получаются ровными и гладкими и не требуют дальнейшей полировки.

Отжиг - обязательная операция при изготовлении изделий. При быстром охлаждении для закрепления формы изделий в них возни­кают большие внутренние напряжения, которые могут привести даже к самопроизвольному разрушению стеклоизделий.

Закалка - эта операция применяется при получении стекла с по­вышенной в 4-6 раз при сжатии и 5-8 раз при изгибе прочностью по сравнению с обычным стеклом. Закалка проводится доведением стекла до пластического состояния и затем резким охлаждением по­верхности.

Заключительная обработка изделий включает в себя операции шлифования, полирования, декоративной обработки.

Структура и свойства стекла и стеклоизделий

В процессе производства стекла и особенно на стадии его охлаж­дения возникает такая структура, которая может быть охарак­теризована как промежуточная между полной беспорядочностью частиц жидкого расплава и полной упорядоченностью частиц веще­ства.в кристаллическом состоянии. В стекле наблюдается лишь ближний порядок расположения частиц, что и обуславливает изо­тропность его свойств.

Плотность обычного строительного силикатного стекла - 2, 5 г/см\ В зависимости от содержания различных добавок стекла специального назначения имеют плотность от 2, 2 до 6, 0 г/см\

Плотность теплоизоляционных стеклоизделий меняется в преде­лах 15-600 кг/м\

Прочность и деформативность стекла. Расчетный теоретиче­ский предел прочности при растяжении стекла составляет 12000 МПа, технический - 30-90 МПа, что объясняется наличием в стекле микронеоднородностей, микротрещин, внутренних напряжений, ино­родных включений и др. Предел прочности при сжатии стекла может составлять 600-1000 МПа и более. Предел прочности стеклянных волокон диаметром 4-10 мкм достигает 1000-4000 МПа. Модуль уп­ругости стекал различного состава колеблется в пределах (4.5- 9, 8)-10 МПа. У стекла отсутствуют пластические деформации.

Хрупкость является главным недостатком стекла, которое плохо сопротивляется удару. Прочность обычного стекла при ударном из­гибе составляет всего 0, 2 МПа.

Оптические свойства стекол являются их важными свойствами и характеризуются показателями светопропускания (прозрачности), светопреломлением, отражением и рассеиванием. Обычные силикат­ные стекла пропускают всю видимую часть спектра и практически не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Коэффициент направленного пропускания света стеклами достигает 0, 89.

Теплопроводность стекол меняется от состава в пределах 0, 5- 1, 0 Вт/(м °С). Теплопроводность теплоизоляционных стеклоизделий составляет 0, 032-0, 14 Вг/(м °С). Из-за малого значения коэффициента температурного расширения (910" ⁶ - 1510" ⁶) обычное стекло имеет относительно малую термостойкость.

Теплоемкость стекол при комнатной температуре составляет 0, 63- 1, 05 кДж/(кг°С).

Звукоизолирующая способность стекла относительно высока. По этому показателю стекло толщиной 1 см соответствует кирпичной стене в полкирпича - 12 см.

Химическая стойкость стекла зависит от его состава. Силикатное стекло обладает высокой химической стойкостью к большинству агрессивных сред за исключением плавиковой и фосфорной кислот.