Общая технология изделий из стекла. Свойства стекол

Материалы и изделия из стеклорасплавов

Стеклянные изделия люди изготавливают с древнейших времен. Почти 6 тысяч лет назад стекло делали в Египте и Месопотамии. В Риме первые стекольные мастерские были созданы в 1 веке до н.э. Римляне умели отливать стекло и изобрели стеклодувную трубку. Из Рима в VII – ХII вв. это ремесло распространилось в европейские страны. Наибольшего расцвета оно достигло в Венеции, которая была мировым центром стеклоделия до ХVI – XVII вв. Венецианские стеклянные изделия отличались разнообразием и имели большую художественную ценность.

В 1635 году в России около Воскресенска был построен первый стекольный завод, на котором выдували оконное стекло и различные стеклянные изделия. Большую исследовательскую работу по химии и технологии стекла вел М.В. Ломоносов. Он заложил научные основы стеклоделия в России, разработал свыше 2 тысяч составов цветной мозаики.

В основном стекло производилось ручным способом, это был тяжелый физический труд. В конце ХIХ – начале ХХ вв. был создан механизированный способ вытягивания листового стекла, построена первая ванная стекловаренная печь непрерывного действия.

     В ХХ веке в производстве стекла широко стали применять машинную технику, было создано много новых видов стекла и изделий из него. Сегодня стекло является одним из важнейших искусственных строительных материалов.

В Беларуси стеклоизделия в виде листового оконного и закаленного стекла, стеклянных труб, теплоизоляционных блоков из пеностекла и другие изделия выпускают Гродненский стеклозавод и завод им. Ломоносова в Гомельской области. Номенклатура выпускаемой продукции: листовое стекло, конструкционные, облицовочные и теплоизоляционные стеклянные изделия. На основе стекло- и шлакорасплавов созданы микрокристаллические материалы – ситаллы и шлакоситаллы, сочетающие в себе аморфную и кристаллическую структуру.

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.

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, P₂O₅ и В₂О₃ 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; Na₂0 — 10-15,5; К₂0 — 0-5; СаО — 2,5-26,5; MgO — 0-4,5; A1₂0₃ — 0-7,2; Fe₂0₃ — 0-0,4; S0₃ — 0-0,5; B₂0₃ — 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.

     Основным сырьем для изготовления стекла является чистый кварцевый песок (72 – 75 %), известняк (СаСО₃), доломит (СаСО₃; MgСО₃), кальцинированная сода (Na₂CO₃), сульфат натрияи полевой шпат.

Для придания специальных свойств – повышенной термостойкости, прочности, химической стойкости, светорассеивания, цвета – в состав вводят добавки.

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 качество 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.

 

Общая технология изделий из стекла. Свойства стекол

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

Обработкавключает 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.

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

Стекловарениепроизводится в специальных стеклоплавильных печах непрерывного (ванные печи) или периодического (горшковые печи) действия.

При нагревании шихты до 1100-1150 °С происходит образование силикатов сначала в твердом виде, а затем в расплаве.

При дальнейшем повышении температуры в этом расплаве полно­стью растворяются наиболее тугоплавкие компоненты Si02 и А1₂0з— образуется стекломасса.

Эта масса неоднородна по составу и настолько насыщена газовыми пузырьками, чтоее 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 стеклоизделий.

Формованиеизделий производится различными методами: вы­тягиванием, литьем, прокатом, прессованием и выдуванием. Формо­вание листового стекла производится путем вертикального или гори­зонтального вытягивания ленты из расплава (рис. 4), прокатом или способом плавающей ленты (флоат-способ).

Метод вытягивания применяют для получения стекла толщиной 2-6 мм. Как правило лента вытяги­вается из стекломассы вращающимися валками машины через ло­дочку (огнеупорный брус с продольной прорезью).

Рис. 4. Схема работы машины вер­тикального вытягивания стекла: 1 — 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.

При этом стекло получают из стекломассы вертикальным вытягиванием, горизонтальным прокатом между двумя вращающимися валиками и флоат-способом.

Сущность флоат-способа в том, что струя стекломассы (1000 ^оС) непрерывно подается на поверхность расплавленного олова (232 ^оС), растекается по ней слоем определенной толщины и в результате охлаждения превращается в ленту стекла с полированной поверхностью.

Поверхности листового стекла получаются ровными и гладкими и не требуют дальнейшей полировки.

Отформованные изделия охлаждают в специальных печах и камерах.

Если охлаждать медленно (отжиг), то возникающие при формовке остаточные напряжения ослабевают до нормы, что обеспечивает длительную и надежную эксплуатацию стеклянных изделий.

Если повторно нагреть полученное изделие, а затем резко охладить, то можно получить равномерно распределенные остаточные напряжения сжатия во внешних слоях и растяжения во внутренних. Такой режим охлаждения называют закалкой.

Его применение обеспечивает стеклу повышенную механическую прочность при ударе (в 5 – 7 раз) и изгибе, термостойкость (в 3 – 5 раз) и твердость (с 5 до 7 по шкале Мооса).

При разрушении закаленного стекла образуются мелкие осколки с тупыми нережущими краями.

Если в исходную шихту ввести некоторые добавки (оксиды металлов или соединения фтора), то при повторном нагревании полученных изделий в стекле начинается процесс кристаллизации.

Добавки, представляющие собой кристаллические вещества, играют роль катализаторов. В результате образуется сложная структура, содержащая 90 – 95 % беспорядочно ориентированных микрокристаллов (размером менее 1 мк), остальное – стекловидная фаза.

По свойствам стеклокристаллические материалы (ситаллы) занимают промежуточное положение между стеклом и керамикой. Они прочнее стекла, тверже высокоуглеродистой стали, легче алюминия, химически и термически устойчивы, обладают хорошими диэлектрическими свойствами, по коэффициенту расширения некоторые из ситаллов близки к кварцевому стеклу.

Если в качестве исходного сырья используют шлаки черной металлургии, то получают шлакоситаллы с аналогичными свойствами.

Строительное стекло представляет собой биостойкий, негорючий твердый материал, обладающий высокой стойкостью к действию влаги, солнечной радиации и отрицательных температур.

Свойства стекол зависят от химического состава. Так, их плотность изменяется в пределах 2200 – 8000 кг/м³, прочность при сжатии составляет 100 – 700 МПа, при растяжении 30 – 80 МПа.

Стекло обладает низкой термической устойчивостью (перепад температуры составляет не более 80 ^оС) и прочностью на удар (хрупкое разрушение). С увеличением толщины изделия сопротивление удару, тепло- и звукозащитные свойства возрастают.

По электрическим свойствам стекла относятся к диэлектрикам. Силикатные строительные стекла отличаются высокой химической стойкостью за исключением действия плавиковой и фосфорной кислот. Этот материал обладает уникальными оптическими свойствами: светопропусканием, которое достигает 92 %, светопреломлением, отражением и рассеиванием света.

---

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 410; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!