Производство стекла в Забайкалье

 Даже при высокой  температуре стекломасса обладает  большой вязкостью, в десятки  тысяч раз большей, чем вода. Поэтому в ней надолго задерживаются  пузырьки газов, выделяемых содой,  мелом и другими компонентами  шихты. Кроме того, сотни тонн  вязкой стекломассы трудно перемешать  и сделать однородной.

 Чем больше ванная  печь и чем выше температура  варки стекла, тем производительнее  работает печь. Повысить температуру  варки стекла можно, если не  только обогревать печь газом  или жидким топливом, но и использовать  еще и электротермический эффект  в самой стекломассе. Ведь расплав  стекла при высокой температуре  проводит электрический ток. Сейчас  температуру ванных печей повышают  до 1600⁰С и широко применяют электрообогрев.

Интересны сведения, имеющие  отношение и к истории стекла и тому факту, что стекло, в общем  смысле, за время своего существования, в отличие от многих других материалов, не претерпело практически никаких  изменений (самые ранние образцы  того, что стали называть стеклом  ничем не отличаются от известного всем - бутылочного; исключением, конечно, являются виды стёкол с заданными свойствами), однако в данном случае речь идёт о веществе и материале минерального происхождения, нашедшем применение в современной практике.

1.1.Производство и типы стекол

Смесь, или шихта, из которой  приготавливается стекло, содержит некоторые  главные материалы: кремнезем (песок) почти всегда; соду (оксид натрия) и известь (оксид кальция) обычно; часто поташ, оксид свинца, борный ангидрид и другие соединения. Шихта также содержит стеклянные осколки, остающиеся от предыдущей варки, и, в зависимости от обстоятельств, окислители, обесцвечиватели и красители либо глушители. После того как эти материалы тщательно перемешаны друг с другом в требуемых соотношениях, расплавлены при высокой температуре, а расплав охлажден достаточно быстро, чтобы воспрепятствовать образованию кристаллического вещества, получается целевой материал — стекло.

 Существует несколько типов стекал:

1.Кварцевое стекло.

Стекло, состоящее из одного только кремнезема, правильно называть плавленым кварцем или кварцевым  стеклом. Это простейшее стекло по своим  химическим и физическим свойствам, и оно обладает многими необходимыми параметрами: не подвергается деформированию при температурах вплоть до 1000 С; его коэффициент теплового расширения очень низок, и поэтому оно обладает стойкостью к термоудару при резком изменении температуры; его объемное и поверхностное удельные электрические сопротивления весьма высоки; оно отлично пропускает как видимое, так и ультрафиолетовое излучение. К сожалению, кварцевое стекло с большим трудом плавится и перерабатывается в изделия. Высокая стоимость кварцевого стекла ограничивает его применение изделиями специального назначения, такими, как химико-лабораторная посуда, ртутные лампы и компоненты оптических систем, работающие при высоких температурах.

2.Натриево-силикатные стекла.

Натриево-силикатные стекла получают сплавлением кремнезема (оксида кремния) и соды (оксида натрия). Смесь 1 части оксида натрия (Na₂O) с 3 частями оксида кремния (SiO₂) плавится при температуре, на 900 С более низкой, чем чистый кремнезем; оксид натрия действует как сильный флюс. К сожалению, такие стекла растворяются в воде, и хотя они чрезвычайно важны для промышленного применения, из них нельзя изготавливать большинство изделий.

3.Известковые стекла.

 Древние стеклоделы  обнаружили, что водорастворимость натриево-силикатных стекол можно устранить добавлением извести. Анализы древних стекол показывают поразительное сходство их химического состава с составом современных стекол, хотя современные стеклоделы, в отличие от древних, знают также, что добавление небольших количеств других оксидов, например оксида магния MgO, оксида алюминия Al₂O₃, оксида бария BaO, дополнительно повышает качество стекла. Если главные ингредиенты шихты — оксиды Na₂O, CaO и SiO₂, то получаемые стекла называются натриево-известково-силикатными, натриево-известковыми или просто известковыми стеклами независимо от присутствия других составляющих. С небольшими изменениями в составе эти стекла широко используются для изготовления листового и зеркального стекла, стеклотары, колб электроламп и многих других изделий. Эти стекла относительно легко плавятся и перерабатываются в изделия, а сырьевые материалы для них недороги. Вероятно, 90% производимого сегодня стекла является известковым.

4.Свинцовые стекла.

Свинцовые стекла изготавливают  сплавлением оксида свинца PbO с кремнеземом, соединением натрия или калия (содой или потешем) и малыми добавками других оксидов. Эти свинцово-натриево(или калиево)-силикатные стекла дороже известковых стекол, однако они легче плавятся и проще в изготовлении. Это позволяет использовать высокие концентрации PbO и низкие — щелочного металла без ущерба для легкоплавкости. Такой состав поднимает диэлектрические свойства материала до такого уровня, что делает его одним из лучших изоляторов для использования в радиоприемниках и телевизионных трубках, в качестве изолирующих элементов электроламп и конденсаторов. Высокое содержание PbO дает высокие значения показателя преломления и дисперсии — двух параметров, весьма важных в некоторых оптических приложениях. Те же самые характеристики придают свинцовым стеклам сверкание и блеск, украшающие самые утонченные изделия столовой посуды и произведения искусства. Большинство стекол, называемых хрусталем, являются свинцовыми.

5.Боросиликатные стекла.

Стекла с высоким содержанием SiO₂, низким — щелочного металла и значительным — оксида бора B₂O₃ называются боросиликатными. Борный ангидрид действует как флюс для кремнезема, так что содержание щелочного металла в шихте может быть резко уменьшено без чрезмерного повышения температуры расплавления. В 1915 фирма «Кернинг глас уоркс» начала производить первые боросиликатные стекла под торговым названием «пирекс». В зависимости от конкретного состава стойкость к термоудару таких стекол в 2-5 раз выше, чем у известковых или свинцовых; они обычно намного превосходят другие стекла по химической стойкости и имеют свойства, полезные для применения в электротехнике. Такое сочетание свойств сделало возможным производство новых стеклянных изделий, в том числе промышленных труб, рабочих колес центробежных насосов и домашней кухонной посуды. Зеркало крупнейшего телескопа в мире на  г. Паламар в Калифорнии изготовлено из стекла сорта «пирекс».

6.Другие стекла.

Существуют много других типов стекол специального назначения. Среди них — алюмосиликатные, фосфатные и боратные стекла. Производятся также стекла с разнообразной окраской для изготовления линз, светофильтров, осветительного оборудования, косметической тары и домашней утвари.

Таким образом, мы рассмотрели  производство и основные виды стекол.

1.2.Химические и физические свойства стекла

Широкая употребительность  стекла обусловлена неповторимым и  своеобразным сочетанием физических и  химических свойств, не свойственным никакому другому материалу. Например, без  стекла, вероятно, не существовало бы обычного электрического освещения в том  виде, в каком мы его знаем. Не было найдено никакого другого материала  для колбы электрической лампы, который объединял бы в себе такие  важные качества, как прозрачность, теплостойкость, механическая прочность, хорошая свариваемость с металлами  и дешевизна. Аналогично, прецизионные оптические элементы микроскопов, телескопов, фотоаппаратов, кино- и видеокамер и  дальномеров в отсутствие стекла, вероятно, не из чего было бы изготовить. Все указанные выше свойства в конечном счете связаны с тем фактом, что стекла являются аморфными, а не кристаллическими материалами.

Стекло - неорганическое изотропное вещество, материал, известный и  используемый с древнейших времён. Существует и в природной форме, в виде минералов (обсидиан — вулканическое  стекло), но в практике - чаще всего, как продукт стеклоделия - одной  из древнейших технологий в материальной культуре. Структурно - аморфное вещество, агрегатно относящееся к разряду - твёрдое тело. В практике присутствует огромное число модификаций, подразумевающих  массу разнообразных утилитарных  возможностей, определяющихся составом, структурой, химическими и физическими свойствами.

Химическая стойкость

Стекло — химически  довольно стойкий материал. Кислоты, за исключением плавиковой и фосфорной, практически не действуют на стекло. Однако нет таких стекол, которые  бы совсем не реагировали с водой  и щелочами. При длительном воздействии  щелочей на стекло происходит его  выщелачивание, изменение состава, вида и свойств. При действии воды происходит гидролиз стекла, в результате которого некоторое количество щелочи и других растворимых компонентов  переходит в воду; их можно определить титрованием 0,01 н. НО Чем больше кислоты  пошло на титрование, тем менее  стойким к воздействию воды было стекло.

По отношению к действию воды стекла делят на пять гидролитических  классов.

К классу I относят стекла, практически неизменяемые водой, к  классу V-неудовлетворительные стекла; к классу II относятся устойчивые стекла; к классу III —твердые аппаратные; к классу IV —мягкие аппаратные стекла.

Большинство силикатных стекол, выпускаемых промышленностью, относятся  к границе классов II и III или к  началу класса III.

Наибольшей химической стойкостью по отношению к воде и кислым агрессивным  средам обладает кварцевое стекло, но по отношению к щелочам оно  тоже малоустойчиво, как и другие стекла. Например, при воздействии  на кварцевое стекло концентрированной  НС1 в течение 120 ч при 20°С потеря в массе стекла составляет 25 мг/см², а при действии на то же стекло 1%-го раствора NaOH в течение того же времени и при той же температуре потеря в массе составляет 160 мг/см².

Таким образом, химическая стойкость  стекла в первую очередь определяется его составом: стекло химически более  стойко с большим содержанием  малорастворимых окислов алюминия, бора, цинка, свинца, магния и менее стойко с большим содержанием хорошо растворимых окислов щелочных и щелочноземельных металлов.

Однако химическая устойчивость стекла зависит и от его обработки. Так, она повышается после выдувания  стекла из стекломассы, а также после  отжига в печах, атмосфера которых  содержит сернистый ангидрид. Это  объясняется тем, что при высокой  температуре между соединениями щелочных металлов, входящими в состав стекла, и газами, содержащимися  в окружающей стекло атмосфере, протекает  реакция, причем лишь на поверхности  стекла.

Этот процесс условно  называется обесщелачиванием поверхности стекла.

Независимо от их химического  состава и температурной области  затвердевания, стекло обладает физико-механическими  свойствами твёрдого тела, сохраняя способность  обратимого перехода из жидкого состояния  в стеклообразное (данное определение  позволяет наблюдать, что фигурально к стёклам, в расширительном значении, относят все вещества по аналогии процесса образования и ряда формальных свойств, так называемого стеклообразного  состояния - на сём она исчерпываться, поскольку материал, как известно, прежде всего характеризуется своими практическими качествами, которые и определяют более строгую детерминацию стёкол как таковых в материаловедении).

В настоящее время разработаны  материалы чрезвычайно широкого, поистине - универсального диапазона  применения, чему служат и присущие изначально (например, прозрачность, отражательная способность, стойкость к агрессивным средам, красота и многие другие) и не свойственные ранее стеклу - синтезированные его качества (например - жаростойкость, прочность, биоактивность, управляемая электропроводность и т. д.) Различные виды стёкол используется во всех сферах человеческой деятельности: от строительства, изобразительного искусства, оптики, медицины - до измерительной техники, высоких технологий и космонавтики, авиации и военной техники. Изучается физической химией и другими смежными и самостоятельными дисциплинами.

В твёрдом состоянии силикатные стёкла весьма устойчивы к обычным  реагентам (за исключением плавиковой кислоты), и к действию атмосферных  факторов. На этом свойстве основано их широчайшее применение: для изготовления предметов быта, оконных стёкол, стёкол для транспорта, стеклоблоков и многих других строительных материалов, предметов медицинского, лабораторного, научно-исследовательского назначения, и во многих других областях.

Для специальных целей  выпускают химически-стойкое стекло, а также стекло, стойкое к тем  или иным видам агрессивных воздействий.

Физические свойства стекла.

Плотность стекла зависит  от его химического состава. Считается, что минимальную плотность имеет кварцевое стекло - 2200 кг/м³. Менее плотными являются боросиликатные стекла; и, напротив, плотность стекол, содержащих оксиды свинца, висмута, тантала достигает 7500 кг/м³. Плотность обычных натрий-кальций-силикатных стекол, в том числе оконных, колеблется в пределах 2500 - 2600 кг/м³. При повышении температуры с комнатной до 1300°С плотность большинства стекол уменьшается на 6 - 12%, т.е. в среднем на каждые 100°С плотность уменьшается на 15 кг/м³. Табличным значением плотности стекла является диапазон от 2400 до 2800 кг/м³.

Упругость стекол также зависит  от их химического состава и может  изменяться от 48*103 до 12*104 МПа. Например, у кварцевого стекла упругость составляет 71,4*103 МПа. Для увеличения упругости  оксида кремния частично замещают оксидами кальция, алюминия, магния, бора. Напротив, оксиды металлов снижают модуль упругости, так как прочность связей МеO значительно ниже прочности связи SiО. Модуль сдвига 20 00 - 30 000 МПа, коэффициент Пуассона 0,25

Прочность: У обычных стекол предел прочности на сжатие составляет от 500 до 2000 МПа ( у оконного стекла около 1000 МПа). Предел прочности на растяжение у стекла значительно меньше, именно поэтому предел прочности стекла при изгибе измеряют пределом прочности при растяжении. Данная прочность колеблется в пределах от 35 до 100 МПа. Путем закаливания стекла удается повысить его прочность в 3 - 4 раза. Также значительно повышает прочность стекол обработка их поверхности химическими реагентами с целью удаления дефектов поверхности (мельчайших трещин, царапин и т.д.).