Процессы варки стекла

Приготовление шихты. Зерна шихты должны иметь определенные размеры – от этого зависит равномерность растворения, уменьшаются расслоение и комкование стекломассы. Большое значение имеет влажность шихты (устраняет пылеобразование, повышает реакционную способность SiO₂), она должна быть 4 – 7 %. Лучше увлажнять шихту растворами ПАВ. Применяют также брикетирование, гранулирование и спекание (при 500 – 700 ^оС). Это предотвращает неравномерный нагрев шихты (в виде порошка может быть вытекание легкоплавких окислов).

Смешивание шихты обеспечивает ее однородность, в барабанных, тарельчатых и конусных смесителях неоднородность составляет ±3 %. Применяют также метод соосаждения – используют гель или золь кремниевой кислоты и растворы других компонентов.

Стекловарение – термический процесс преобразования смеси разнородных компонент в однородный расплав. Силикатные стекла при варке стекла проходят 5 этапов: силикатообразование, стеклообразование, осветление (дегазация), гомогенизация (усреднение), студка (охлаждение). Первые два этапа протекают практически одновременно (уже при 400 – 600 ^оС, скорость невелика): Na₂CO₃+ SiO₂ → Na₂SiO₃ + CO₂↑. Скорость процессавозрастает при 700 – 800 ^оС. Примерные реакции в простой системе (Na₂CO₃ + SiO₂ + СаСО₃): 1) образование CaNa₂(CO₃)₂ при Т < 600 ^оС; 2) CaNa₂(CO₃)₂ + SiO₂ → Na₂SiO₃ +CaSiO₂ + 2CO₂↑ при 600 – 830 ^оС; 3) Na₂CO₃ +SiO₂ → Na₂SiO₃ + CO₂↑ при 600 – 830 ^оС; 4) плавление двойного карбоната CaNa₂(CO₃)₂ – 813 ^оС; 5) плавление Na₂CO₃ при 855 ^оС; 6) диссоциация СаСО₃ ↔ СаО + СО₂↑ при 912 ^оС; 7) диссоциация CaNa₂(CO₃)₂ ↔ СаО + Na₂O + СО₂↑ при 960 ^oC; 8) образование силиката CaO + SiO₂ ↔ CaSiO₃.

В сложных системах (5 и более компонент) идут еще более сложные (многообразные) процессы и реакции, которые трудно расшифровать. СО₂, SO₂ и другие газы перемешивают расплавы стекла.

Стеклообразование – растворение твердых остатков шихты в расплаве силикатов, 30 % SiO₂ остается на этапе силикатообразования, т.к. SiO₂ вводится в шихту в избытке. Скорость растворения зерен SiO₂ в силикатном расплаве определяется формулой: U = k s (C₀ – C) / (δ μ), гдеk – константа, s – площадь поверхности зерен SiO₂, C₀ – насыщенная концентрация SiO₂ в расплаве у поверхности зерен SiO₂, C – концентрация SiO₂ врасплаве, δ – толщина пограничного слоя (0,02-0,05 мм), μ – вязкость расплава. U является функцией: размеров, формы и дефектности зерен SiO₂; свойств расплава – вязкости, поверхностного натяжения, наличия сульфата Na и щелочных оксидов; температуры и давления газов над расплавом; процессов массообмена в расплаве – используется принудительное перемешивание (механические мешалки или бурление газов).

Осветление – удаление газовых включений (крупные и мелкие пузыри) и выравнивание состава стекла при температурах 1 500 – 1 600 ^оС (в зависимости от вязкости стекла, поверхностного натяжения и давления газов). Источники газов: химически связанные газы в шихте (CO₂, SO₂ и др.); газы, адсорбированные на поверхности зерен шихты (O₂, N₂ и др.); газы пламенного пространства (SO₂, H₂O и др.). Остается в стекле до 20 – 40 % газов (по отношению к объему стекла).

Гомогенизация – усреднение расплава по составу (при температуре осветления – одновременно), разрушение ячеистой структуры – сферических зон в области расплавленных кварцевых зерен. На гомогенизацию положительно влияют: температура (снижает вязкость, увеличивает скорость диффузии и массообмена); механическое перемешивание (огнеупорные мешалки пропеллерного типа); бурление стекла с помощью сжатых газов (воздух, азот, О₂ и др.); выделение из стекломассы газовых пузырей. Студка – уменьшение температуры на 300 – 400 ^оС (очень медленно во избежание перенасыщенного состояния растворенных газов с выделением вторичных мелких пузырей) для достижения вязкости, необходимой для выработки изделий из стекла. Скорость остывания: для обычных стекол – 10^-3 – 10^-2 град/с, для оптических стекол – 2∙10^-4 град/с.

Пороки стекла: газовые включения (пузыри CO₂, SO₂, O₂, H₂O и др.); стекловидные включения (свили) – кристаллические включения в результате кристаллизации стекла, попадания огнеупоров в стекломассу, труднорастворимых включений и др.

Дата добавления: 2014-11-25