Основные стадии процесса варки стекла
При нагревании материалов многокомпонентной стекольной шихты в стекловаренной печи они вступают в химическое взаимодействие. По мере повышения температуры печи продукты реакций переходят в расплав, из которого постепенно образуется чистая, готовая к выработке стекломасса. За время пребывания стекломассы в печи при высокой температуре в ней должны завершиться химические реакции, а оставшиеся непрореагировавшие твердые зерна сырьевых материалов полностью раствориться в расплаве. Из стекломассы удаляются пузырьки газов, образовавшиеся при химических взаимодействиях, и расплав становится однородным по химическому составу и физическим свойствам, а также с одинаковой температурой по всему объему, поступающему на выработку. На последнем этапе подготовки стекломассы ее постепенно охлаждают до требуемой температуры выработки изделий.
Варка стекломассы как в промышленная, так и лабораторная является одним из наиболее сложных и ответственных процессов производства, во многом определяющим качество и физико-химические свойства стекла.
В соответствии с природой происходящих при получении стекломассы процессов можно выделить пять стадий:
1) силикатообразование – стадия химических реакций;
2) стеклообразование – стадия получения расплава без остаточных твердых включений;
3) осветление – стадия освобождения стекломассы от газовых пузырьков;
|
|
|
4) гомогенизация – стадия приобретения стекломассой химической, физической и температурной однородности;
5) студка – стадия ее охлаждения до заданной температуры выработки.
Такое деление условно, так как стеклообразование, осветление и гомогенизация начинаются на стадии химических реакций и в дальнейшем идут одновременно; гомогенизация продолжается и при студке расплава.
Силикатообразование
В начале нагревания шихты (перед вступлением ее компонентов в химические реакции) она претерпевает физические изменения. Из шихты испаряется гигроскопическая влага, под влиянием нагрева обезвоживаются гидраты, термически разлагаются некоторые соли (например, нитраты). Сульфат натрия и кремнезем переходят в другие кристаллические модификации. Так, природный ромбический Na2SO4 при 235°С переходит в моноклинную форму.
Кремнезем, существующий в природе в виде β-кварца, проходит цепочку полиморфных превращений по мере повышения температуры шихты: β-кварц → α-кварц → α-тридимит → α-кристобалит. В процессе этих превращений зерна SiO2 увеличиваются в объеме и растрескиваются.
При температуре 300–400°С в шихте промышленных силикатных стекол начинают взаимодействовать между собой карбонаты и сульфаты с образованием двойных солей и легкоплавких эвтектик. При более высокой температуре вступают в реакции песок и глиноземистые материалы, образующие с солями различные силикаты. Одновременно происходит плавление некоторых солей и эвтектик, в шихте образуется расплав (жидкая фаза), после появления которого взаимодействие компонентов шихты резко ускоряется. С дальнейшим повышением температуры начинают расплавляться и силикаты.
|
|
|
При температуре порядка 900°С реакции между компонентами шихты заканчиваются, выделение газов прекращается и твердые остатки материалов шихты, не перешедших в расплав, пропитанные расплавами силикатов и эвтектик, образуют плотную массу – спек. На этом стадия силикатообразования завершается.
Реакции, протекающие в шихтах при силикатообразовании, зависят от природы материалов и состава шихты.
Скорость силикатообразования, как любого химического процесса, зависит от природы и химической активности компонентов шихты и их реакционной поверхности; важнейшее влияние на нее оказывает температура нагрева шихты.
Скорость образования силикатов тем больше, чем выше содержание в шихте щелочных и щелочноземельных компонентов, причем наиболее реакционноспособны их гидрооксиды: NaOH, КОН, Са(ОН)2 и др. Добавка в шихту ускорителей варки стекла (хлоридов, фторидов, боратов, солей аммония, сульфидов и др.) позволяет получить химически активные нестойкие промежуточные соединения и эвтектики, образующие жидкую фазу при температуре на 80–100°С ниже, чем температура плавления эвтектик карбонатов и сульфатов. Силикатообразование ускоряется также под влиянием влаги, особенно гидратной. Гигроскопическая влага способствует лучшему распределению в шихте щелочных катионов и облегчает их контакт с зернами песка; гидратная же влага структурно связана и играет при реакциях в шихте такую же роль, как и плавни, способствуя разрушению кремнекислородного каркаса. В шихтах со значительным содержанием Nа2SO4 вода взаимодействует с Nа2S с образованием NаОН.
|
|
|
Силикатообразование ускоряется с увеличением степени измельчения материалов шихты, то есть с ростом их реакционной поверхности. При увеличении последней в 5 раз скорость реакций примерно удваивается.
Главное средство ускорения силикатообразования – увеличение передачи теплоты к шихте и повышение ее температуры. Испарение влаги шихты, полиморфные превращения, термическое разложение компонентов, плавление эвтектик и силикатов – все это требует затраты теплоты. При образовании силикатов выделяется некоторое количество теплоты, но в целом первая стадия процесса варки – силикатообразование – процесс эндотермический. При росте температуры на 100–150°С силикатообразование ускоряется примерно вдвое.
|
|
|
Определение расхода тепла
На образование силикатов
Для оценки и сравнения расхода тепла при варке различных по химическому составу стекол необходимо уметь рассчитывать расход тепла на образование силикатов.
При проведении работы используют полученные на основании термодинамических расчетов данные (табл. 2.2) об удельных расходах тепла на образование силикатов.
Таблица 2.2
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 667; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!