Оценка интенсивности процесса
Стеклообразования
После завершения основных химических реакций образования силикатов в спекшейся шихте остается до 30% свободного диоксида кремния. Растворение SiO2 в образовавшемся расплаве силикатов составляет суть стадии стеклообразования. Благодаря диффузионным процессам, протекающим в расплаве, выравниваются концентрации компонентов в различных объемах, и образуется относительно однородная стекломасса.
Экспериментально определены зависимости между скоростью стеклообразования, составом стекла, размерами зерен кварца и температурой. Приведенные в табл. 2.5 эмпирические формулы дают возможность приближенно расcчитать время стеклообразования.
Химические составы стекол для выполнения расчетов приведены в табл. 2.4.
Таблица 2.4
Химические составы стекол
| Тип стекла | Содержание оксидов, мас. % | |||||||
| SiO2 | B2O3 | Al2O3 | MgO | CaO | PbO | Na2O | K2O | |
| Листовое Тарное Сортовое Блоки Медицинское Пирекс Хрусталь Оптическое | 72,2 72,5 74,5 73,1 68,1 80,6 58,0 49,5 | – – – – 6,3 12,8 1 – | 1,8 2,5 0,5 1,5 3,0 1,2 – – | 3,2 4,2 2,0 3,0 2,5 0,3 – – | 8,5 6,8 7,0 7,5 5,2 0,4 – – | – – – – – – 24,0 32,5 | 13,8 14,0 13,0 14,0 8,5 4,2 1,0 3,0 | 0,5 – 3,0 0,4 6,4 0,5 16,0 15,0 |
По заданию преподавателя с использованием эмпирических расчетных формул (см. табл. 2.5) могут быть выполнены следующие варианты работ.
1. Провести сравнительную оценку тугоплавкости различных по химическому составу стекол.
|
|
|
2. Определить время стеклообразования для листового стекла при различных температурах. Построить зависимость времени стеклообразования от температуры.
3. Построить зависимость времени стеклообразования от размера кварцевых зерен для натрийкальцийсиликатного стекла при 1 400°С.
4. Провести сравнительную оценку времени стеклообразования при заданной температуре для следующих составов стекол: листовое, тарное, сортовое натрийкальцийсиликатное.
Таблица 2.5
Формулы для приближенного расчета
Времени стеклообразования
| Формула | Обозначение величин |
| Τ – постоянная плавкости; SiO2, Al2O3, Na2O, K2O, B2O3, PbO – содержание оксидов в стекле, мас.% |
| Τ – -время растворения кварцевых зерен, мин; K – коэффициент пропорциональности; SiO2, Na2O – содержание оксидов в стекле, мол.% |
| τ - время стеклообразования, мин; r – радиус исходных кварцевых зерен, см; K – коэффициент, зависящий от состава стекла и температуры (для стекла, мас. %: 73,5 SiO2; 10,5 CaO; 16 Na2O, при 1 400°С К = 8,2.106) |
| Τ – время стеклообразования, мин; К – коэффициент, зависящий от температуры опыта и зернового состава кварцевого песка; η - вязкость, Па∙с; Т – абсолютная температура, К |
| τ – время стеклообразования, ч; t – температура, °С; a, b – коэффициенты, зависящие от состава стекла и гранулометрии компонентов (для стекла, близкого по составу к листовому a = 101 256, b = 0,00815) |
|
|
|
Пример 1.Сравнить тугоплавкость стекол: листового, пирекс и хрустального (см. табл. 2.4).
Рассчитывают постоянную плавкости τ для каждого состава стекла:
листовое τ = (72,2+1,8)/(13,8+0,5) = 5,175;
пирекс τ = (80,6+1,2)/(4,2+0,5+0,5.12,8) = 7,37;
хрусталь τ = 58,0/(1,0+16,0+0,5.1+0,125.24) = 2,83.
Таким образом, наиболее тугоплавким является стекло пирекс.
Пример 2.Определить время стеклообразования для листового стекла при 1 400°С.
Расчет проводят по формуле (табл. 2.5):
τ = a.e-bt = 101 256. 2,718(-0,00815∙1 400) = 1,12.
Таким образом, стеклообразование при 1 400°С происходит за 1,12 ч.
Осветление
По завершении стеклообразования стекломасса перенасыщена газами в виде пузырьков различных размеров, а также в невидимом, химически связанном состоянии.
Главный источник газов – шихта. Шихты промышленных силикатных стекол содержат в среднем 20 % по массе химически связанных газов (СO2, O2, SO3, NO2), а также гидратную влагу. Объем газов при 20°С составляет более 100 объемов на один объем шихты с насыпной плотностью 1,3 т/м3. При химических реакциях в шихте газы выделяются, и большая часть их уходит в атмосферу печи; однако часть в виде пузырьков различного размера остается внутри расплава. Кроме того, по завершении реакций в стекломассе остается по массе 0,2–0,3 % неразложившихся карбонатов и до 2 % сульфатов. Эти остатки солей способны разлагаться при взаимодействии с SiO2 или А12O3, а также при повышении температуры, и выделять в расплав пузырьки газов. Наконец, стекломасса способна химически связывать газы и пары воды в пламенном пространстве стекловаренной печи. В результате в одном объеме промышленных стекол оказывается до пяти объемов связанных газов – паров воды, углекислоты, сернистого газа, кислорода и азота.
|
|
|
Видимые газовые пузырьки образуются в стекломассе еще на стадии силикатообразования в процессе реакций, протекающих на поверхности контакта зерен песка с появляющимся первичным расплавом. Пузырьки продолжают образовываться и на стадии растворения зерен песка, так как SiO2, переходящий в расплав силикатов, химически разлагает остатки солей с выделением СO2 и SO3.
Пузырьки выделяются в местах пониженного поверхностного натяжения расплава, то есть на его границах с растворяющимися зернами, огнеупорами кладки печи, кристаллами или инородными включениями в стекломассе.
|
|
|
Для того чтобы освободить стекломассу от пузырьков, нужно создать такие условия, при которых они могли бы подняться к поверхности расплава и прорвать ее. В этом и заключается собственно процесс осветления стекломассы.
Размер пузырьков зависит от давления заключенных в них газов и от сил, противодействующих росту пузырьков, – поверхностного натяжения и вязкости стекломассы. Иначе говоря, главные факторы, влияющие на скорость осветления расплава, – состав шихты и стекла, а также температура стекломассы.
Пузырьки не могут выйти из стекломассы, когда их размеры малы, а вязкость стекломассы высока. При этих условиях расплав задерживается на поверхности пузырьков, не стекая с них по мере их подъема, и они остаются внутри стекломассы.
Пузырьки малого размера могут растворяться в стекломассе под влиянием сил поверхностного натяжения, величина которых обратно пропорциональна радиусу кривизны поверхности, на которую они действуют; поэтому особенно большие силы действуют на самые мелкие пузырьки, заставляя их сжиматься. Пузырьки среднего и большого размеров при осветлении растут, так как в них переходят газы, пересыщающие стекломассу, которым легче выделиться в уже имеющиеся пузырьки, чем образовать в расплаве новые.
Скорость роста или растворения пузырьков зависит от скорости диффузии газов в стекломассе, то есть от природы газов (быстрее диф-фундируют газы с меньшим атомным радиусом), а главное – от вязкости стекломассы. Пузырьки растут быстрее при малой вязкости и высокой температуре расплава. Скорость же растворения пузырьков возрастает с понижением температуры; однако это происходит до определенного температурного предела, ниже которого начинает сильно уменьшаться скорость диффузии, вследствие чего скорость растворения также снижается.
Температура расплава на стадии осветления должна быть высокой для облегчения выхода пузырей. Осветление ускоряется при нагревании стекломассы в тонком слое изнутри с помощью электроэнергии, а также сверху пламенем.
Если в стекломассе остались только крупные пузыри, ее температуру постепенно понижают, чтобы остановить реакции, сопровождающиеся выделением в стекломассу газов; за время охлаждения крупные пузыри успевают уйти из расплава.
Газы, находящиеся в атмосфере печи, растворяются в стекломассе преимущественно при средних температурах (1200–1250°С), когда активно идут реакции их химического связывания, а скорость диффузии достаточно высока. Растворению печных газов способствует их высокое (порядка 104 Па) давление над расплавом. При таких условиях ускоряется и растворение мелких пузырьков, что используется при производстве оптического плавленого кварца. Напротив, в вакууме газы бурно выделяются из стекломассы, вспенивая ее и затрудняя процесс осветления.
Химические добавки – осветлители разлагаются в стекломассе при высоких температурах и образуют крупные пузыри, в которые выделяются газы, перенасыщающие стекломассу. Так как стекломасса перенасыщена главным образом углекислым газом, осветлители должны выделять в нее другие газы (например, SO2, O2, Н2O). Кроме того, осветлители понижают поверхностное натяжение на границе газ–расплав Na2SO4, Sb2O3 и др.) или же снижают вязкость стекломассы (фториды, соединения бора). Для ускорения осветления практикуют также бурление (барботаж) – пропускают через расплав по определенному режиму крупные пузыри паров воды, воздуха, кислорода.
При низкой вязкости стекломассы ее осветлению способствуют механическое перемешивание, вибрация, ультразвуковые колебания, центрифугирование. Практическое применение пока получило механическое перемешивание.
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 417; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!