Материалов из стеклянных и других минеральных сплавов. Тема 5.1 Определение и краткие исторические сведения

Тема 5.1 Определение и краткие исторические сведения. Основы производства

Керамические производства Ростовской области.

Литература: [1], с. 105-118; [9], с. 63-70.

В глубокой древности в странах Ближнего Востока (Сирии, Египте) стекло применяли для имитирования драгоценных камней, изготовления украшений, декорирования изделий из природного камня или керамики. Не случайно и в древней архитектуре учитывали декоративные характеристики стекла. Зодчие Древнего Рима в І в. до н.э., отдавая дань оригинальным свойствам стекла, украшали стеклянными пластинками полы, стены, потолки и колонны общественных зданий. Еще ранее, с ІV в. до н.э., в Месопотамии широко применялась стеклянная мозаика. Мозаика и смальта использовались и в Древней Греции с ІІІ в. до н.э. Великолепные мозаики создавались на территории Византийской империи в V – VІ вв. (во дворце императоров, соборе Св. Софии в Константинополе и др.). С ІХ в. стекло для декоративной мозаики применялось во многих странах. В Киевской Руси мозаика в ХІ в. украшала полы, стены, своды и колонны храмов в Киеве (Софийский собор, Михайловский монастырь), Новгороде, Полоцке, Чернигове и др. Большое значение для эстетики интерьеров в Венеции с ХVІ в. стало играть зеркальное стекло, производство которого стало массовым с ХVІІ в. С VІ в. до н.э. в Римской Республике стекло стало широко пользоваться для заполнения оконных проемов. Это было литое толстое стекло с оплавленными краями. В Византии качество оконного стекла достигло высокого уровня в ІV в. И вот уже на протяжении многих столетий, более 19 веков, стекло применяется для окон – проемов в несущей массивной стене. Особую роль в истории архитектуры с VІ в. играли декоративные витражи. Стекло для них производилось вначале литьем, а затем цилиндрическим способом – методом выдувания. Готический стиль в архитектуре Франции ХІІ в. характеризовался и расцветом витражного искусства – почти во всех городах храмы украшались витражами. Всемирно известны витражи собора Парижской Богоматери, соборов Лана, Шартра, Пуатье и др. Во второй половине ХІХ в. наступил принципиально новый этап в истории применения строительных материалов из стекла, которые стали оказывать огромное влияние на конструктивные особенности и архитектурный образ зданий. В это время коренным образом совершенствуется технология производства листового стекла. В ХХ в. широкое использование стекла, стали и железобетона позволило отказаться от традиционных форм, соотношений и размеров элементов архитектурных конструкций зданий. Оптические, тепло- и солнцезащитные свойства, высокие прочностные и эстетические характеристики строительных материалов из стекла представляют огромные возможности для выражения творческих замыслов архитектора. Большие остекленные поверхности современных общественных зданий в большой мере определили их архитектурный облик.

Основы производства. Сырье. Основные сырьевые компоненты для производства материалов из стекла – кварцевый песок, сода, мел, доломит, известняк. При этом в стекломассу вводятся кислотные, щелочные и щелочно-земельные оксиды. От их количества непосредственно зависят все основные эксплуатационно-технические свойства стекла. Большое влияние на свойства строительных стекол оказывают вспомогательные компоненты – осветлители, обесцвечиватели, красители, глушители, окислители, восстановители. Осветлители вводят в шихту для освобождения стекломассы от видимых пузырей, т.е. для ее осветления. Этим ускоряется процесс стекловарения. Действие осветителей заключается в том, что при нагревании они разлагаются с выделением большого количества газообразных продуктов. Улетучиваясь из стекломассы, они способствуют удалению из нее и других газов (пузырей). Обесцвечиватели вводят в стекломассу, чтобы устранить нежелательные сине-зеленые или желто-зеленые оттенки, которые стекломасса приобретает из-за примесей железа в сырьевых материалах. Стекло обесцвечивают химическим и физическим способами. Красители служат для окрашивания стекла в тот или иной цвет. Обычно в качестве красителей используют соединения металлов. По механизму их действия различают молекулярные и коллоидные красители. Молекулярные красители, введенные в стекломассу, растворяются в ней. Окраска таких стекол не изменяется при повторной тепловой обработке. К этой группе красителей относятся, главным образом, оксиды тяжелых металлов – марганца, кобальта, никеля, хрома, железа, урана. К коллоидным относятся те красители, которые при введении их в стекломассу равномерно распределяются в ней в виде мельчайших коллоидных частиц, например, соединения золото, меди, селена, серебра. Большинство светопрозрачных стекол варят в окислительной среде. Это делают в основном для перевода закисной формы железа (FeO), содержащейся в сырье и придающей стеклу зеленоватый оттенок, в оксидную (Fe₂O₃). Вместе с тем существует группа стекол (цветные), для варки которых требуется восстановительная среда. Для регулирования этих условий варки в стекломассу вводят окислители и восстановители. Сырьем для производства материалов из минеральных расплавов (каменных, шлаковых) служат соответственно базальтовые, диабазовые, базальто-доломитовые и другие породы, доменные металлургические шлаки.

Основы технологии. Основные технологические операции при производстве материалов из стекла – варка и формование. Варка стекла производится в печах различного типа. Листовое светопрозрачное стекло варят в ванных печах непрерывного действия. При этом выделяют пять стадий стекловарения: 1 - силикатообразование при температуре 800-900^оС; 2 – стеклообразование (1100-1200^оС); 3 – осветление (1100-1200^оС); 4 – гомогенизация (1100-1200^оС); 5 – студка (1100-1200^оС). Формование стекломассы. При производстве материалов из стекла применяют следующие способы формования: прессование, прокат, вытягивание, на расплаве металла (флоат-способ). Последние два способа широко распространены в стекольной промышленности при производстве листового стекла. Способ вертикального вытягивания состоит в транспортировании снизу вверх с помощью валков машины ленты стекломассы (после студки) шириной до 3 м. Лента выдавливается из стекломассы погруженным в нее специальным приспособлением (шамотной лодочкой). Флоат-способ – наиболее производителен и эффективен. Поверхность ленты стекла получается гладкой и не требует дополнительной шлифовки и полировки, нижняя поверхность – за счет контакта с предельно ровной поверхностью расплавленного металла, а верхняя – поверхностного натяжения. После формования материал подвергают отжигу. В результате снижаются полученные при формовании внутренние температурные напряжения, возникающие вследствие более высокой скорости остывания наружных слоев стекла по сравнению с внутренними. Наружные слои стремятся к сжатию, а внутренние – более нагретые – препятствуют этому.

Отделку лицевой поверхности стекла производят механическим, химическим способами и путем нанесения различных покрытий. Механическая обработка включает резку, шлифование, гравирование, пескоструйную, ультразвуковую и др. При пескоструйной обработке на те места прозрачного гладкого стекла, которые должны остаться нетронутыми, наклеивают шаблон, например, из плотной бумаги. Огневая полировка поверхности шероховатого стекла производится при высокой температуре. Химическая обработка состоит из травления и матирования (обработка поверхности парами фтористого водорода, плавиковой кислотой, матирующими пастами или другими веществами), химического полирования, выщелачивания (для повышения светопроницания и получения «радужного» эффекта), декорирования цветными протравами (диффузия) и др. При обработке плавиковой кислотой на поверхность стекла с помощью трафарета наносят расплавленный парафин или воск. Кислота разрушает незащищенную поверхность стекла. Через определенное время кислоту смывают, а после подогрева стекла парафин или воск стирают ветошью. Покрытия на поверхности стекол наносят в виде слоев керамических и других красок, эмалей, фактурных посыпок, солей и оксидов металлов и др. В результате воздействия нагревом ниже температуры размягчения стекла происходит сплавление поверхностного слоя с нанесенным покрытием.

Технологический процесс производства материалов из других минеральных расплавов включает следующие операции: 1) подготовка сырьевых компонентов; 2) плавка шихты в пламенных шахтных, ванных, вращающихся или дуговых электрических печах при 1400-1450^оС; 3) охлаждение расплава до 1250^оС для стабилизации структуры и уменьшения усадочных дефектов в готовой продукции; 4) литье в подогретые постоянные формы из чугуна или жароупорной стали или во временные силикатные формы; 5) медленное (до 1 сут. и более) охлаждение; 6) механическая обработка поверхности и кромок; 7) отжиг (частичная кристаллизация) в специальных печах при 800-900^оС - для снижения возникающих при охлаждении внутренних напряжений отливки.

Формование материалов осуществляется методами статического или центробежного литья. В производстве волокон, например из базальтового расплава, используют метод раздува струи расплава сжатым воздухом или паром. При изготовлении минеральной ваты расплав обычно получают в вагранке или в другом печном агрегате. Волокна образуются при воздействии подаваемого под давлением пара или воздуха на непрерывно вытекающую из вагранки струю расплава или при подаче пара на валки или диск центрифуги. Полученное минеральное волокно собирается в камере волокноосаждения на непрерывно движущейся сетке. В эту камеру вводят органические или минеральные связующие вещества для получения теплоизоляционных матов и плит.

Производство материалов из шлаковых расплавов, прежде всего, огненно-жидких шлаков металлургической промышленности, весьма выгодно и экономично: не требуется специальных плавильных печей и дополнительных затрат топлива.

Литература: [1], с. 120-122; [7], с. 122-128.

Дата добавления: 2014-12-08