Мельников Илья

Стекло и его свойства. Сырьевые материалы для стекловарения. Приготовление шихты

Художественная обработка стекла. Стекло и его свойства. Сырьевые материалы для стекловарения. Приготовление шихты

Изделия из стекла вошли в культуру и быт человека с незапамятных времен. Считается, что первые изделия из стекла появились более шести тысяч лет назад.

Первые образцы стекла были естественного происхождения: это так называемые обсидианы и грозовое стекло. Обсидианы – продукты деятельности вулканов; при извержении вулканов из недр земли выбрасывается магма температурой 1000-1500 градусов С. При остывании магмы при благоприятных условиях образовывается стекло. Грозовое стекло, в свою очередь, получается при ударах молнии в песок. В месте прохождения молнии в мокром песке создается исключительно высокая температура и образовывается кварцевое стекло.

Вполне вероятно, что первые образцы стекла были получены случайно в результате деятельности человека. Скорее всего первое знакомство человека с выработкой стекла связано с производством других материалов, требующих обработки при высокой температуре – это плавка металлов, изготовление керамических изделий. В те далекие времена стеклоизделия оформляли способом пластического формования, близким к приемам ручной лепки, и лишь через века появляются способы формования, пригодные только для стекла.

Первые образцы искусственно стекла были малопрозрачными и содержали большое количество пузырей. Они служили в основном для изготовления украшений.

Совершенствовались разнообразные приемы декорирования стекла. Один из самых древних – роспись по стеклу. Затем стекло пытались гравировать, обрабатывать с помощью точильного станка с вращающимся абразивным кругом: стеклянные предметы украшают гранями и линейной резьбой, – эти приемы были скорее всего заимствованы из камнеобработки.

Этапом в развитии стеклоделия стали средние века. В Венецианском государстве стеклодувы изготовляли удивительные по разнообразию форм, цвета и рисунка изделия различного назначения, Чуть позже славу венецианских стеклодувов подхватили чешские мастера; был создан знаменитый богемский хрусталь, а затем освоено производство бесцветного стекла, отличающегося высокой твердостью и сильным блеском.

Следует отметить, что на Руси стеклоделие было развито еще в домонгольский период,, чему свидетельствует например то, что в Киеве при раскопках были найдены большие стекольные мастерские. Монголо-татарское иго прервало стекольное производство на Руси. Лишь спустя несколько столетий в 1635 году близ города Можайска был построен первый стекольный завод. Вслед за этим последовал период бурного роста стекольного производства в России. Свидетельством тому служат замечательные образцы стеклоизделий, служащие украшением многочисленных музеев Европы.

В дальнейшем развиваются такие способы декорирования, как живопись по стеклу, декорирование золотой фольгой, обжиговыми красками. Ближе к нашему времени научились декорировать изделия из хрусталя алмазной резьбой.

Нынешние стеклоделы – мастера декоративной обработки стекла – используют традиции прошлого и современную технику обработки стеклоизделий. Наряду с массовым производством всегда было и будет ручное производство, особенно высокохудожественных изделий из стекла. Они украшают жилища, общественные учреждения, выставляются в галереях, приобретаются музеями, становятся гордостью коллекционеров.

Стекло и его свойства. Классификация стекол и стеклоизделий

Понятие о стекле и его структуре

Все встречаемые в природе твердые тела находятся либо в кристаллическом, либо в аморфном (стекловидном) состоянии. Стекловидные тела отличаются от кристаллических тем, что они при охлаждении затвердевают не кристаллизуясь.

Как известно, кристаллические вещества имеют геометрически правильную кристаллическую решетку, которая образуется ионами или атомами, расположенными в строго повторяющемся непрерывном порядке. В отличие от кристаллических стекловидные вещества не обладают кристаллической решеткой, им присуще только локальное внутреннее упорядочиние – отдельные группы, которые несимметрично связаны между собой. То есть стекловидные вещества характеризуются так называемым ближним порядком, иначе, они обладают только небольшими участками правильной, упорядоченной структуры, кристаллические же вещества имеют дальний порядок, т.е. они обладают упорядоченной структурой по всему объему. Это – одна из главных особенностей стекловидных и кристаллических веществ.

Стекловидным тела имеют целый ряд других отличительных признаков. К примеру, стеклообразные вещества размягчаются в широком диапазоне температур, а кристаллические имеют постоянную для каждого вещества температуру плавления. Следовательно, в отличие от кристаллических у стеклообразных веществ переход из твердого состояния в жидкое происходит непрерывно, сопровождаясь постепенным снижением вязкости.

Кристаллические вещества однородны. Стеклообразные же вещества часто бывают неоднородными и их гомогенизация достигается искусственными приемами, в частности перемешиванием.

Все кристаллические вещества обладают анизотропностью, т.е. они характеризуются изменением свойств в зависимости от того, в каком направлении их измерять; стекловидные вещества изотропны, т.е. обладают постоянством свойств независимо от направления их измерения.

Отличительным свойством кристаллических тел в отличие от стекловидных является и то, что они способны самоограняться в процессе своего образования и роста из расплава; стекловидные вещества этим свойством не обладают.

Имеются еще некоторые отличительные признаки между стеклом и кристаллами, которые проявляются при изготовлении стеклоизделий.

Стеклом называются аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от их состава и температурной области затвердевания и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел. Процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное является обратимым.

В состав стекла входят кремнезем, оксиды алюминия, бора, калия, кальция, магния, натрия, свинца и др. Каждый оксид придает стеклу определенные свойства. В состав современных стекол вводят 3-10 и более оксидов, так как к стеклам предъявляются самые разнообразные требования. Например, художественное стекло для декоративной обработки должно быть чистым, прозрачным, отлично преломляющим световые лучи, окрашивающимся в разные цвета. В настоящее время в производстве стекла нашли применение большинство элементов периодической системы Д.И.Менделеева.

Составы стекол выражают в процентах по массе оксидов, входящих в данное стекло.

Знание основных структурных характеристик стекла позволяет разрабатывать составы стекол, обладающих определенными свойствами, изменять эти свойства в нужном направлении, управлять процессами варки, формования и обработки стеклоизделий.

Свойства расплавов стекол

К свойствам расплавов стекломассы относятся вязкость, связанная с ней скорость твердения, поверхностное натяжение и кристаллизация, а также теплоемкость, теплопроводность, электрическая проводимость. Значение этих свойств при производстве стекла очень велико, их необходимо знать для правильной обработки изделий из стекла.

Следует иметь в виду, что выделившиеся в стекломассе кристаллы являются следствием нарушения технологического режима и приводят к браку стеклоизделий.

Вязкость (внутреннее трение) – свойство жидкостей (расплавов) и газов оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.

При движении слоев жидкости между ними образуются силы, замедляющие движения одних слоев относительно других, которые пропорциональны площади соприкосновения слоев и разности скоростей их передвижения. Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом внутреннего трения жидкости или вязкости. Вязкость измеряют в Па*с.

Свойство стекломассы постепенно увеличивать свою вязкость с уменьшением температуры позволяет изготовлять изделия самыми различными способами и разных конфигураций. Если в начале выработки стекло пластично и может принять при определенном усилии любую форму, то в конце вязкость его увеличивается и изделие затвердевает настолько, что способно сохранить свою форму при дальнейшей обработке. Именно способность стекла постепенно изменять свою вязкость в зависимости от температуры позволяет придавать стеклу различную форму при его обработке на стеклодувной горелке.
Вязкость играет большую роль на всех стадиях производства стеклоизделий. На рис.2 представлена технологическая шкала вязкости, из которой видно, при какой вязкости осуществляется тот или иной технологический процесс.

Вязкость в сильной степени зависит от температуры. На рис.3 приведена кривая изменения вязкости в зависимости от температуры.

В зависимости от скорости нарастания вязкости при понижении температуры в области формования различают «длинные» и «короткие» стекла. Область рабочей вязкости стекла для «длинных» стекол лежит в температурном интервале приблизительно 450-500 градусов С, для «коротких» – 220-250 градусов С. Температурная область формования имеет большое значение при стеклодувных работах. «Длинные» стекла, например, позволяют производить больше операций за определенный промежуток времени, так как они медленнее затвердевают.

Вязкость стекла зависит от химического состава стекла, хотя и в меньшей степени, чем от температуры. Щелочные и щелочноземельные окислы как правило понижают вязкость стекла при всех температурах, но некоторые повышают ее. Ряд окислов оказывает сложное влияние на вязкость стекла. К примеру, СаО при низких температурах повышает вязкость, а при высоких температурах в небольших количествах (до 8-10%) существенно снижает вязкость, а в больших количествах увеличивает ее. При замене СаО на MgO вязкость стекла при высоких температурах увеличивается. Оксид цинка ZnO, особенно при высоких температурах, часто понижает вязкость стекла. Сложно влияет на вязкость борный ангидрит, а именно: при низких температурах при введении примерно до 15 процентов ингредиента вязкость стекла повышается, при дальнейшем увеличении содержания борного ангидрита вязкость уменьшается; при высоких температурах борный ангидрит понижает вязкость стекла.

Скорость твердения. Скорость твердения стекол характеризуется изменением вязкости в зависимости от температуры и времени.

При выработке стеклоизделий большое значение имеет скорость твердения стекол. Технологический режим формования стеклоизделий строится так, чтобы процесс придания изделию геометрической формы происходил при пластичном состоянии стекла (соответствующих значениях вязкости), а к окончанию процесса формования необходимо, чтобы стекло затвердевало и без задержки можно было бы перемещать его на последующую обработку. Существует правило, что чем быстрее стекло затвердевает, тем быстрее его следует вырабатывать, и наоборот. Это правило лежит в основе выбора типа стекол для формования стеклоизделий различными способами.

На скорость твердения влияют изменение температуры, формы и размер изделия, а также химический состав стекла, а также химический состав стекла: оксиды, повышающие вязкость, как правило, повышают и скорость твердения стекла, соответственно, оксиды, понижающие вязкость стекла, понижают и скорость твердения. Большое влияние на скорость твердения стекла оказывают окрашивающие оксиды – NiO, FeO, CoO, СuO и др. Они понижают теплопрозрачность стекломассы и скорость твердения сильно изменяется: чем меньше теплопрозрачность, тем более неравномерно охлаждаются и твердеют стекла – быстрее с поверхности и медленнее внутри.

Кроме того, скорость твердения зависит от формы и размера изделий зависит от формы и размера изделий – чем крупнее изделие и чем меньше его поверхность, тем медленнее оно остывает и затвердевает; от первоначальной температуры стекла – чем она выше, тем быстрее стекло охлаждается и твердеет; от теплоемкости и теплопроводности стекол, а также от их способности излучать тепловые лучи.

Для выработки художественных изделий ручным выдувным способом требуются стекла с малой скоростью твердения.

Поверхностное натяжение – характеристика межмолекулярного взаимодействия в жидкости; оно равно отношению силы, действующей в плоскости, касательной к поверхности жидкости (в сторону ее сокращения), на элемент контура, ограничивающего эту поверхность, к длине этого элемента. Поверхностное натяжение измеряется в Н/м и зависит от химической природы жидкости и температуры, уменьшаясь с повышением температуры. Поверхностное натяжение расплавленных стекол при температуре 1000-1400 градусов С составляет 0,22-0,38 Н/м. При изменении температуры на 100 градусов С поверхностное натяжение изменяется всего на 1-2%. Поверхностное натяжение расплавленной стекломассы в 3-4 раза превышает поверхностное натяжение воды.

В технологии стекла поверхностное натяжение играет существенную роль, так как при варке стекла оно влияет на удаление пузырей и на однородность стекломассы. Величина поверхностного натяжения в значительной мере определяет рост газового пузыря и тем самым подъемную силу пузыря и скорость его удаления из стекломассы. Поверхностными явлениями обусловлено появление варочной пены, ее устойчивость.
Влияет оно и на скорость перемещения и растворения в стекломассе свилей – сотообразных или пучкообразных сплетений отдельных слоев стекломассы, отличающихся по химическому составу. Если поверхностное натяжение стекла свили больше поверхностного натяжения основного стекла, то свиль стремится принять шарообразную форму, что затрудняет ее растворение, а если поверхностное натяжение основного стекла больше поверхностного натяжения стекла свили, то свиль будет стремиться растянуться в пленку и охватить собой основную массу стекла.

Снижение поверхностного натяжения достигается введением в стекло поверхностно-активных компонентов; таким путем можно добиться снижения натяжения на 25-30%. Незначительное влияние на поверхностное натяжение обычных промышленных стекол оказывает также изменение температуры.

Поверхностным натяжением определяются такие процессы обработки, как термическое полирование поверхности, горячая отрезка колпачка и оплавление края изделий.

Кристаллизационная способность стекол. Кристаллизационной способностью стекла называется склонность его к кристаллизации. Кристаллизация при производстве стекла, т.е. те температурные пределы, внутри которых они могут закристаллизоваться, а также скорость этой кристаллизации необходимо знать, чтобы установить оптимальные режимы варки стекла и выработки качественных изделий. Особенно важное значение имеют кристаллизационные свойства при проведении стеклодувных работ.

Кристаллизация стекла начинается с возникновения мелких кристаллов, не видимых вооруженным глазом. Затем при определенных благоприятных условиях эти кристаллы могут расти, достигая значительных размеров – до нескольких сот микрон и больше. Первое явление, связанное с образованием центров кристаллизации, получило название способности кристаллизации; второе, связанное со скоростью роста кристаллов, получило название скорости кристаллизации. Эти явления взаимосвязаны, наличие этих двух факторов приводит к заметной кристаллизации стекла. Характер кристаллизации зависит от соотношения скорости роста кристаллов и скорости образования центров кристаллизации. Если скорость роста кристаллов будет высокой, в стекле будут расти одиночные кристаллы или кристаллические сферолиты. Но если скорость роста кристаллов мала, а скорость образования кристаллизационных центров велика, в стекле образуется множество мелких кристаллов.

Температура оказывает значительное влияние на кристаллизацию стекла. Существует такая температура, выше которой кристаллизация происходить не может; она называется температурой верхнего предела кристаллизации. Температура, ниже которой также невозможна кристаллизация, называется температурой нижнего предела кристаллизации. При температурах выше верхнего предела кристаллизации кристаллы растворяются в расплаве; при температурах ниже нижнего предела кристаллизации они не образовываются из-за повышенной вязкости стекла. На рис.5 приведены кривые зависимости способности кристаллизации (кривая 1) и скорости кристаллизации (кривая 2 ) от температуры.

Заштрихованный участок показывает область температур, в которой совпадают оба явления кристаллизации; именно она представляет наибольшую опасность с точки зрения возникновения кристаллизации. В практике производства стекла режим устанавливают таким образом, чтобы за возможно более короткий срок преодолеть эту область температур и не дать стеклу закристаллизоваться.
Кристаллизация стекла зависит от определенных факторов, к которым относятся химический состав стекла, вязкость стекла, вид применяемого сырья, взаимная растворимость отдельных компонентов, продолжительность выдерживания расплава при определенных температурах, условия термической обработки стекломассы. Влияние отдельных окислов носит сложный характер и зависит от конкретного состава стекла. Существует ряд закономерностей, которых придерживаются при определении состава стекла. Известно, что увеличение числа компонентов ведет к уменьшению склонности стекла к кристаллизации. Следует иметь в виду, что склонность к кристаллизации при замене одних окислов другими уменьшается с повышением вязкости стекла в температурной области кристаллизации.

Теплоемкость и теплопроводность характеризуют теплопередачу в расплаве стекла при стекловарении, формовании, термической обработке. При высоких температурах теплопроводность происходит только в тонких слоях стекла. При увеличении толщины слоя интенсивность передачи теплоты увеличивается благодаря излучению. Теплопроводность, определенная без учета толщины образца, называется эффективной теплопроводностью и включает в себя радиационную (лучистую) составляющую. Для технологических процессов варки стекла и формирования изделий, гутного декорирования главную роль играет прозрачность стекол для излучения в инфракрасной области спектра (теплопрозрачность). Теплопрозрачность уменьшают окрашивающие оксиды, особенно CoO, CuO, FeO, NiO. С повышением содержания в стекле этих оксидов роль теплопередачи излучением уменьшается и возрастает роль теплопроводности.

Свойства твердых стекол

Механические свойства.

Плотность. Плотностью называется отношение массы тела к его объему, измеряется в кг/м куб.

Плотность стекол зависит от химического состава, Значительно повышают плотность оксиды тяжелых металлов. В состав самых тяжелых стекол (так называемых флинтов) входит много свинца, в состав легких стекол – окислы элементов с малым атомным весом – лития, бериллия, бора.

Плотность технических стекол в зависимости от их химического состава колеблется в пределах от 2200 до 6300 кг/м куб. Плотность стекол, применяемых для производства сортовой посуды и декоративных изделий из стекла: цветных и бесцветных натрий-кальций-силикатных 2490-2520 кг/м куб, свинцовых хрусталей 2400-3200 кг/м куб, бариевых хрусталей 2700-2900 кг/м куб.

Плотность стекол в некоторой степени зависит от температуры: с повышением температуры плотность стекол уменьшается и соответственно увеличивается удельный объем. Плотность отожженных стекол больше, чем закаленных, т.к. закаленное стекло имеет более рыхлую структуру из-за того, что при закалке в стекле замораживается высокотемпературная структура. При отжиге же стекла структура уплотняется. Плотность хорошо и плохо отожженных стекол различается на 20-30 кг/м куб.

Степень постоянства плотности и, следовательно, химического состава стекла в различных точках образца или изделия характеризует однородность стекла. Однородность определяют методом разделения порошка стекла по плотности и оценивают температурным интервалом между началом и концом всплывания частиц стеклянного порошка в жидкости при центрифугировании: чем меньше этот интервал, тем выше однородность стекла. Для сортовых и художественных стекол однородность характеризуется интервалом до 3 градусов C.

Прочность. Прочностью называется свойство материалов, не разрушаясь, воспринимать те или иные воздействия: нагрузки, температурные, магнитные, электрические поля, неравномерное протекание физико-химических процессов и т.д.

Прочность характеризуется пределом прочности. В зависимости от разрушающих усилий различают прочность на удар, разрыв, сжатие, изгиб и вдавливание. Стекло обладает сравнительно высокой прочностью на сжатие и относительно низкой на удар. Прочность стекла зависит от состояния его поверхности (наличие на поверхности стекла каких либо повреждений – трещин, царапин – снижает прочность стекла в 4-5 раз), в меньшей степени от химического состава, степени отжига, однородности, размера, состояния окружающей среды и температуры. Температурная зависимость прочности стекла имеет сложный характер, минимальная прочность стекла – в интервале 150-200 градусов С. Увеличение прочности при белее высоких температурах связано с уменьшением поверхностного поглощения влаги и опасных перенапряжений у микротрещин.

Хрупкость. Хрупкостью называют материалы, которые при небольшом превышении их прочности внезапно разрушаются. Хрупкость стекол определяется их прочностью на удар. Хрупкость материала при ударных нагрузках называется ударной вязкостью.

Хрупкость стекла зависит от состояния поверхности, толщины образца, однородности, конфигурации изделия. Разрушение стекла обычно начинается с поверхности вследствие образования и роста микротрещин. Чем меньше в стекле посторонних включений, чем оно более однородно, тем выше его хрупкость. Хрупкость стекла зависит от состава в незначительной степени.

Твердость. Под твердостью понимают способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твердого материала. Твердость стекла зависит от его химического состава. Наиболее твердые – кварцевые стекла, а также некоторые боросиликатные стекла, наиболее мягкие – многосвинцовые силикатные стекла. Повышенная твердость стекла затрудняет его механическую обработку. Преодолевают этот недостаток введением в состав стекла щелочных оксидов и оксидов свинца. Твердость стекла оценивают его микротвердостью, которая определяется на приборе путем вдавливания в стекло под нагрузкой алмазной пирамиды: размер отпечатка пирамиды в стекле тем меньше, чем выше его твердость.

Химическая устойчивость. Химической устойчивостью называют способность материала противостоять разрушающему действию воды, газов, растворов солей и иных химических реагентов. Это одно из важнейших свойств стекла, так как на стекло, находящееся в эксплуатации, постоянно воздействует какой-нибудь реагент.

Стекло по сравнению с другими материалами обладает высокой химической устойчивостью. Слабое взаимодействие со стеклом химических реагентов, кроме плавиковой кислоты, объясняется наличием на его поверхности защитной кремнеземной пленки. Химическая устойчивость стекла и механизм его разрушения подробно изучены. Природу химической устойчивости силикатных стекол и механизм их разрушения можно представить следующим образом. При воздействии воды или влаги воздуха на стекло силикаты поверхности гидролизуются. Щелочные силикаты при этом распадаются на едкую щелочь и гель кремниевой кислоты. Щелочь, как правило, вымывается из стекла дополнительно воздействующей влагой, а гель кремниевой кислоты остается на поверхности стекла в виде более или менее равномерного слоя. Этот то слой и замедляет разрушение стекла, так как по мере утолщения защитной пленки геля уменьшается скорость разрушения силикатного стекла. Стекла, не содержащие кремнезема – фосфатные или боратные – разрушаются иначе. Устойчивость таких стекол во много раз уступает устойчивости силикатных стекол и определяется она скоростью их растворения в том или ином реагенте. В данном случае, как правило, защитной пленки, замедляющей дальнейший процесс разрушения, не образуется.

Плавиковая кислота реагирует с поверхностной кремнеземовой пленкой, вследствие чего происходит обнажение поверхности стекла и процесс его растворения под действием плавиковой кислоты продолжается. На этой способности стекла растворяться в плавиковой кислоте основана химическая обработка стекла.

Химическую устойчивость стекла определяют по разности веса образца до и после опыта. Для этого приготавливают порошок из испытуемого стекла или массивный образец стекла. Перед опытом точно взвешивают испытуемый образец. После этого его подвергают обработке кипячением в избранной агрессивной среде. Затем образец тщательно высушивают и взвешивают на аналитических весах. Потеря стекла в весе и характеризует его химическую устойчивость. Химическую устойчивость определяют и титрированием кислотой (HCl) раствора, в котором было обработано испытуемое стекло. В данном случае химическую устойчивость определяют количеством кислоты, затраченной на титрирование: чем больше кислоты затрачено на титрирование, тем меньше химическая устойчивость стекла.

При подборе химического состава стекол руководствуются прежде всего тем, в каких условиях они будут использоваться, т.е. какие реагенты на них будут действовать. Химическая устойчивость силикатных стекол в основном зависит от их химического состава и определяется содержанием в них кремнезема, который всегда и значительно увеличивает химическую устойчивость стекла; щелочные же окислы, как правило, понижают ее. В отношении других компонентов можно сказать, что они ведут себя по отношению к различным реагентам по-разному. Калиево-натриевые стекла более стойки, чем чисто натриевые или чисто калиевые.

Изделия из стекла при эксплуатации в основном подвергаются воздействию воды, поэтому определяют водостойкость стекол методом выщелачивания поверхности зерен стекла под воздействием воды.

Оптические свойства. Оптические свойства стекол связаны с особенностями взаимодействия световых лучей со стеклом. Благодаря декоративной обработке стекла создаются разнообразные оптические эффекты, при которых изделие приобретает ему одному свойственный вид.

Преломление – это изменение направления распространения света при его переходе из одной среды в другую, отличающуюся от первой значением скорости распространения.

При прохождении луча света из среды А в среду В с иной плотностью (рис. 6) он меняет свое направление на границе этих сред, так как скорость распространения света в средах А и В обратна их плотности.

Для примера проанализируем путь луча света (рис. 7) при прохождении его в воздухе и через плоскопараллельную стеклянную пластину.

Падающий луч образует углы с нормалью к поверхности раздела сред в точке падения. Если луч идет из воздуха в стекло, то i (угол падения) больше r (угол преломления), потому что в воздухе скорость распространения световых волн больше, чем в стекле, так как воздух является средой оптически менее плотной, чем стекло,

Преломление света характеризуется относительным показателем преломления – отношением скорости света в среде, из которой падает свет на границу раздела, к скорости света во второй среде. Показатель преломления пропорционален плотности прозрачной среды, т.е. чем больше плотность, тем выше значение показателя преломления. Так как плотность стекол выше, чем удельный вес входящих в него окислов, то наибольшим показателем будут обладать стекла, содержащие окислы тяжелых элементов, соответственно наименьшим – содержащие окислы легких элементов.

Относительный показатель преломления не имеет размерности и для прозрачных сред «воздух-стекло» всегда больше единцы. К примеру, относительные показатели преломления по отношению к воздуху у воды 1,33, хрустального стекла 1,6, алмаза – 2,47.

Дисперсия. Дисперсией называется зависимость показателя преломления от частоты света (длины волны).
Для нормальной дисперсии характерно возрастание показателя преломления с увеличением частоты или с уменьшением длины волны. Вследствие преломления лучей с разной длиной волны пучок белого света, проходя через стеклянную призму, разлагается на цветные лучи и образует на экране, установленном за призмой, радужную полосу – призматический (дисперсионный) спектр (рис. 8).

В спектре цвета расположены в определенной последовательности, начиная с фиолетового и заканчивая красным (рис. 9).

Причиной разложения света (дисперсии) является зависимость показателя преломления от частоты света (длины волны): чем выше частота света (короче длина волны), тем выше показатель преломления. В призматическом спектре наименьшей частотой и наибольшей длиной волны обладают красные лучи, а наибольшей частотой и наименьшей длиной волны обладают фиолетовые лучи, следовательно красные лучи преломляются меньше, чем фиолетовые. Дисперсия зависит от состава стекла и возрастает при увеличении содержания в стекле тяжелых окислов, например, PbO.

Показатель преломления и дисперсия напрямую зависят от состава стекла, а показатель преломления и от плотности: чем выше плотность, тем выше показатель преломления. Оксиды CaO, BaO, PbO и некоторые другие и щелочные повышают показатель преломления, добавка SiO – снижает. BaO и CaO сильнее влияют на показатель преломления, чем на дисперсию. Для производства высокохудожественных изделий сортовой посуды, подвергающихся шлифованию, используют в основном стекла, содержащие до 30% PbO, так как он наибелее значительно увеличивает показатель преломления и дисперсию.

Отражение света. Отражение света – это явление, наблюдаемое при падении света на поверхность раздела двух оптически разнородных сред и состоящее в образовании отраженной волны, распространяющейся от поверхности раздела в ту же среду, из которой приходит падающая волна. Отражение характеризуется коэффициентом отражения, который равен отношению отраженного светового потока к падающему. От поверхности стекла отражается около 4% света.

Коэффициент отражения возрастает с увеличением показателя преломления, поэтому стекла, имеющие высокий показатель преломления (содержащие окислы тяжелых элементов), имеют повышенный коэффициент отражения. Эффект отражения усиливается при наличии многочисленных полированных поверхностей. Этой закономерностью широко пользуются при изготовлении хрустальных изделий с алмазной гранью.
Если неровности поверхности раздела малы по сравнению с длиной волны падающего света, то происходит зеркальное отражение, а если неровности больше длины волны – диффузное отражение, при котором свет рассеивается поверхностью по всевозможным направлениям. Отражение называется селективным, если коэффициент отражения неодинаков для света с различной длиной волны. Селективным отражением объясняется окраска непрозрачных материалов.

Рассеяние света. Рассеяние света происходит при распространении световых волн в среде с беспорядочно расположенными неоднородностями и состоит в образовании вторичных волн, которые распространяются по всевозможным направлениям. Рассеяние света таким образом зависит от состояния поверхности стекла и однородности его массы. В обычном прозрачном стекле рассеяния света практически не происходит. Если поверхность стекла неровная (матовое стекло) или в его массе равномерно распределены инородные включения, то световые волны не могут пройти через стекло без рассеяния. Такое стекло выглядит матовым, полупрозрачным. Оно распределяет свет более равномерно. Рассеивающими стеклами широко пользуются при изготовлении всевозможных изделий светотехнической арматуры: абажуры, колпаки, плафоны.

Пропускание и поглощение света. При прохождении пучка света через поверхность прозрачного вещества интенсивность первоначального потока ослабляется и выходящий пучок света окажется меньше. Если сложит свет отраженный и преломленный при прохождении через среду, то не получится всего количества света, которое падает на стекло: ослабление светового потока связано частично с явлениями отражения и рассеяния света, что главным образом происходит за счет поглощения световой энергии, обусловленного взаимодействием света с частицами среды. Поглощение света вызвано присутствием в стекле соединений-красителей, вызывающих избирательное поглощение, т.е. поглощение лучей только определенной длины волны.

Поглощение снижает общую светопрозрачность стекла, которая для, например, бесцветного натрий-кальций-силикатного стекла равняется 93%. Для получения стекол с высокой степенью светопрозрачности необходимо свести к минимуму содержание в сырьевых материалах нежелательных примесей.

Поглощение света различно для различных длин волн, поэтому окрашенные стекла имеют разный цвет. Цвет стекла, который воспринимается глазом, обусловлен цветом той части падающего пучка света, которая прошла через стекло непоглощенной (таб. 1).

Таблица 1. Цвет стекла в зависимости от поглощаемой части спектра

Цвет стекла является дополнительным к цвету поглощенного излучения. К примеру, стекло, которое поглощает зелено-синюю часть спектра, имеет оранжевый цвет.

Показатели пропускания (поглощения) в видимой области спектра важны для оценки цвета сортовых, сигнальных и других окрашенных стекол, в ультрафиолетовой – для эксплуатационных свойств стекол (изделия из увиолевого стекла должны пропускать ультрафиолетовые лучи, а тарные наоборот задерживать), в инфрокрасной области – для технологической варки стекла и формования изделий (теплопрозрачность стекол).
Двойное лучепреломление. Двойное лучепреломление – это раздвоение света при прохождении через оптически анизотропную среду, т.е. через среду с различными свойствами по разным направлениям (например, большинство кристаллов). Это явление происходит потому, что показатель преломления зависит от направления электрического вектора световой волны. Луч света, входящий в кристалл, разлагается на два луча, скорости распространения которых различны. Двойное лучепреломление характеризуется разностью хода лучей. При неравномерном охлаждении или нагревании стекла в нем возникает внутреннее напряжение, вызывающее двойное лучепреломление, т.е. стекло уподобляется двупреломляющему кристаллу, например, кварца, слюды, гипса. Это явление используется для контроля качества термической обработки стекла, главным образом отжига и закалки.

Классификация сортовых стекол и стеклоизделий.

Посуду и декоративные изделия из стекла, используемые в быту, обычно называют сортовой посудой или сортовыми изделиями; соответственно стекла, из которых изготовляют эти изделия, называют сортовыми.

Сортовые стекла.

Натрий-кальций-силикатное – бесцветное стекло, содержащее в основном диоксид кремния, оксиды щелочных металлов, оксиды щелочноземельных металлов и дополнительные компоненты.

Специальное бытовое – натрий-кальций-силикатное стекло, содержащее добавки оксидов и обладающее заданными физико-химическими свойствами.

Хрустальное – бесцветное стекло, содержащее в основном диоксид кремния, а количество оксида свинца, оксида бария, оксида калия, оксида цинка, в отдельности или в сочетании – не менее 10, с показателем преломления не менее 1,520 и плотностью не менее 2400 кг/м куб.

Малосвинцовый хрусталь – хрустальное стекло, содержащее от 18 до 24% оксида свинца, с показателем преломления не менее 1,530 и плотностью не менее 2400 кг/м куб.

Свинцовый хрусталь – хрустальное стекло, содержащее от 24 до 30% оксида свинца, с показателем преломления не менее 1,545 и плотностью не менее 2900 кг/м куб.

Высокосвинцовый хрусталь – хрустальное стекло, содержащее 30% и более оксида свинца, с показателем преломления более 1,545 и плотностью более 2900 кг/м куб.

Бариевый хрусталь – хрустальное стекло, содержащее не менее 20% оксида бария и оксиды щелочноземельных металлов, с показателем преломления не менее 1,530 и плотностью не менее 2700 кг/м куб.

Цветное стекло – прозрачное или непрозрачное, способное пропускать волны определенной длины или диффузно рассеивать свет и содержащее красители, глушители или их смеси.

Сортовые изделия классифицируют по назначению, способам выработки, сложности конфигурации, размерам и вместимости, способам декорирования.

По назначению изделия подразделяются на посуду и декоративные изделия. В ассортиментной структуре сортовой посуды наибольшая доля приходится на стаканы, затем идут изделия на ножке, остальное представлено вазами для цветов, наборами для сервировки стола, салатниками, конфетницами и т.п.

По способам выработки изделия бывают ручного, механизированного выдувания, прессованные, прессовыдувные, сочлененные (многостадийной выработки), центрифугированной выработки, моллированные, из накладного стекла.

По сложности конфигурации выделяют изделия с сосудом простой и сложной конфигурации; на воронкообразной, прямой, фигурной ножке; с утолщенным дном, с заливом; изделия на поддоне, рюмочные на массивной ножке.

По размерам и вместимости изделия классифицируются на мелкие, средние, крупные и особо крупные.

Мелкие изделия имеют высоту и диаметр (или длину) до 140 см включительно и вместимость до 100 см куб. Соответствующие показатели для средних изделий – свыше 150 до 240 см и свыше 105 до 500 см куб, для крупных – свыше 250 до 340 см и свыше 510 до 1500 см куб и для самых крупных изделий – свыше 350 см и свыше 1500 см куб.

По способам декорирования изделия классифицируют на декорированные в горячем и холодном состояниях. К декорированным в горячем состоянии относятся изделия свободного выдувания (гутные), изделия с орнаментом, оптическим эффектом, наводкой, рельефами, газовыми и инородными включениями, «кракле». К декорированным в холодном состоянии относятся изделия с плоской и с алмазной гранью, с матовой шлифовкой, гравированные, с пескоструйной обработкой, декорированные травлением, поверхностными покрытиями : роспись, трафаретная печать, распыление, переводные картинки.

Сырьевые материалы, применяемые в стекловарении

Сырьевые материалы

Сырьевые материалы, используемые для производства стеклоизделий, условно подразделяются на две группы: главные и вспомогательные.

К главным сырьевым материалам относятся вещества, с которыми в стекломассу вводятся кислотные, щелочные и щелочноземельные окислы; они образуют основу стекла и определяют его основные физико-химические свойства.

К вспомогательным сырьевым материалам относятся вещества, способствующие ускорению варки стекла, улучшению качества стекломассы, изменению характеристик стекла – это ускорители варки, окислители и восстановители, глушители, красители и обесцвечиватели.

В стеклоделии используются как природные (кварцевый песок, доломиты, нефелины, полевые шпаты, известняки), так и синтетические материалы – сода, поташ, свинцовый сурик и глет, красители и т.п.

К сырьевым материалам предъявляется ряд требований, касающихся постоянства химического и зернового состава, однородности, влажности и содержания в них нежелательных примесей. Колебания химического состава сырья негативно сказываются на однородности стекла, поэтому в таких случаях необходимо корректировать состав шихты.

Высокие требования предъявляются к сырьевым материалам по допустимому содержанию вредных примесей, главным образом окрашиваемых окислов. Окислы железа, содержащиеся в песке и других сырьевых материалах, значительно ухудшают прозрачность стекла и придают ему неприятный желто-зеленый цвет. В зависимости от видов стекла устанавливаются различные допустимые пределы содержания окислов железа в сырьевых материалах.

Значительную роль играет также постоянство зернового состава шихты, например, шихта, состоящая из окатанных зерен песка, более склонна к расслаиванию, чем шихта, состоящая из пластинчатых остроугольных зерен.

Качество сырьевых материалов (химический и гранулометрический составы, примеси и т.п.) регламентируются соответствующими стандартами и техническими условиями, которые периодически пересматриваются и уточняются.

Сырье для введения в стекломассу кислотных окислов

Двуокись кремния (кремнезем). Основным материалом для введения двуокиси кремния является кварцевый песок (однако используются также кварциты и горный хрусталь, как правило в производстве оптического и кварцевого стекла). Качество песков оценивают по их химическому и зерновому составам. Главное требование: максимально высокое содержание кремнезема и минимальное содержание окрашивающих примесей. В производстве свинцового хрусталя применяются обогащенные кварцевые пески высшего сорта с содержанием 0,01-0,02% оксидов железа.

Борный ангидрит. Окись бора широко применяется при производстве химико-лабораторной посуды, термостойких и ряда специальных стекол и стекловолокна. Исходные материалы для введения борного ангидрита – борная кислота и бура, исходя из состава в стекло вместе с бурой вводится окись натрия.

Введение в состав стекла незначительно количества оксида бора (до 2%) содействует облегчению варки и осветлению стекла, позволяет снизить температуру варки, улучшить физико-химические данные стекла. Для введения оксида бора применяется борная кислота, бура и борат кальция.

Сырье для введения в стекломассу щелочных окислов

Окись натрия. Наряду с кремнеземом окись натрия – одна из важнейших составных частей стекла. Окись натрия ускоряет стеклообразование и снижает температуру варки стекла, облегчает процесс осветления. В состав стекла окись натрия вводится посредством кальцинированной соды и сульфата натрия. Кальцинированная сода – это углекислый натрий; различают безводную, или кальцинированную, соду и кристаллическую соду. В стекловарении кристаллическую соду не применяют, так как она содержит слишком много воды; в производстве стекла используют главным образом кальцинированную соду. Сульфат натрия – это натриевая соль серной кислоты; различают два вида сульфата – природный и искусственный. В стеклоделии используют преимущественно природный сульфат натрия.

Основными материалами для ввода в стекло оксида натрия являются карбонат натрия (сода), сульфат и нитрат натрия (селитра). Сульфат натрия используется в производстве сортовых стекол в небольших количествах в качестве ускорителя варки и осветлителя. Введение окиси натрия через сульфат при варке хрустальных и цветных стекол нежелательно из-за образования интенсивно красящих сульфидов металлов.

Окись калия. Окись калия воздействует на многие свойства стекла аналогично окиси натрия, но при этом у нее имеются свои особенности, к примеру, окись калия больше повышает вязкость стекла, особенно в области формования, Окись калия способствует улучшению колера стекла, придает изделию лучший товарный вид, поэтому ее чаще используют вместо окиси натрия при производстве сортовых, особенно хрустальных стекол. Небольшие добавки иногда используют и в производстве листового стекла.

В качестве сырьевых материалов для введения окиси калия используют в основном поташ. Поташ различают кристаллический и кальцинированный. В производстве стекла применяют главным образом кальцинированный поташ; для введения оксида калия применяется также нитрат калия (селитра) как окислитель для введения окиси калия.

Сырье для введения в стекломассу щелочноземельных окислов

Окись кальция. Для введения окиси кальция в стекло чаще всего используют известняк, мел, реже мрамор.

Оксид кальция, ускоряя реакции силикатообразования, способствует облегчению варки и осветлению, улучшает выработочные свойства стекла, повышает его химическую устойчивость. Оксид кальция вводится обычно через карбонат кальция; для введения оксида кальция в составы высококачественных стекол рекомендуется использование бората кальция.

Окись магния. Окись магния вводят в состав стекломассы преимущественно через доломит, иногда через доломитизированный известняк или магнезит. Доломит представляет собой двойную соль карбоната кальция и магния, таким образом при его применении в состав стекломассы одновременно вводятся окислы кальция и магния, что очень ценно при производстве оконного и полированного стекол. Природные доломиты всегда содержат примеси кремнезема, глинозема и железа. Постоянство состава и минимальное содержание вредных примесей – соединений железа – имеет большое значение для производства высококачественных стеклоизделий.

Щелочноземельные окислы входят в состав большинства промышленных стекол. Они придают стеклам ценные физико-химические свойства – повышают термическую и химическую устойчивость, увеличивают механическую прочность.

5. Сырье для введения в стекломассу окиси алюминия.

Окись алюминия. Окись алюминия вводят в состав стекла с техническим глиноземом, полевыми шпатами и пегматитами. Добавка в составы натрий-кальций-силикатных стекол окиси алюминия снижает коэффициент расширения стекла, повышает химическую стойкость, улучшает механическую и термическую прочность. Технический глинозем получают путем химической переработки алюминийсодержащего стекла. Он является продуктом высокой чистоты, так как содержит в себе мало побочных продуктов. Полевые шпаты по своему химическому составу подразделяются на калиевые, кальциевые и натриевые, называемые соответственно ортоклазом, анортипом и альбитом; полевые шпаты, состоящие из смеси альбита и анортипа, называются плагиоклазами. Химический состав полевых шпатов непостоянен. В чистых полевых шпатах содержание окиси алюминия достигает 30%; из вредных окислов присутствует окислы железа. Пегматиты представляют собой природную смесь полевого шпата и кварца. В стекловарении обычно применяют молотый обогащенный пегматит.

Сырье для введения в стекломассу окиси бария

Небольшое количество окиси бария ускоряет варку стекла, улучшает выработочные свойства стекла, особенно при механизированном формовании. Стекло с добавкой окиси бария приобретает блеск, повышаются показатели преломления и плотности такого стекла. Для ввода в стекло окиси бария наиболее подходящим сырьем является углекислый барий, могут также применяться нитраты и сульфаты.

Сырье для введения в стекломассу окиси свинца

Оксид свинца является основным компонентом хрусталей, определяя их высокие оптические свойства. Основными материалами для введения в стекло окиси свинца является свинцовый сурик и свинцовый глет. При разложении сурика выделяется кислород, который способствует осветлению стекломассы и поддержанию окислительной среды. Условие применения свинецсодержащего сырья – минимальное содержание красящих примесей.

Сырье для введения в стекломассу окиси цинка

Добавление оксида цинка в стекломассу понижает коэффициент термического расширения стекла, увеличивает коэффициент преломления и химическую устойчивость стекла; оксид цинка является обязательным компонентом селенового рубинового стекла. Для введения в состав шихты оксида цинка используются цинковые белила – промышленное название оксида цинка.

Ускорители варки и осветлители

Ускорители варки, введенные в стекломассу, способствуют интенсификации процессов стекловарения.

Среди ускорителей особое место занимают фториды, способствующие появлению жидкой фазы при более низких температурах и увеличению скорости процесса силикатообразования. Фториды – наиболее эффективные ускорители, шихта, содержащая фториды, значительно быстрее проваривается и осветляется; в качестве ускорителя варки обычно применяют кремнефторид натрия.

Ускорению процессов варки также способствует ввод гидратов оксидов натрия и калия, окислителей. К ускорителям варки с известной долей условности можно отнести также осветлители, которые способствуют при высоких температурах освобождению стекломассы от крупных и мелких пузырей.

Осветлители. Осветителями называются сырьевые материалы, вводимые в шихту для интенсификации процесса освобождения стекломассы от пузырей, т.е. для ее осветления. Действие осветлителей заключается в том, что при нагревании они разлагаются с выделением большого количества газообразных продуктов, которые, бурно выделяясь из стекломассы, способствуют удалению из нее и других газов (пузырей). Как осветлители применяются азотнокислый, хлористый и сернокислый аммоний, хлористый натрий, сульфат натрия и натриевая селитра.

Некоторые осветлители вводятся в стекло основными компонентами, к примеру, сульфатом натрия, селитрами, другие вводятся в состав шихты специально, например, оксиды мышьяка и сурьмы, оксид церия, хлористый натрий; в качестве ускорителей применяют также соли аммония.

Для облегчения процессов варки применяется также стекольный бой в количестве 20-50% к массе шихты. Стекольный бой должен быть чистым, свободным от загрязняющих примесей, желательно однородный по величине кусков, Целесообразно применять бой, одинаковый по составу с применяемым стеклом. Это условие применяется в производстве сортовой посуды, где имеется значительное количество отходов после резки колпачка.

Красители, обесцвечиватели и глушители

Красители. Красители входят в группу вспомогательных материалов. Обычно в качестве красителей используют различные соединения металлов; эти соединения распределяются в стекле на ионном, молекулярном и коллоидном уровнях.

К молекулярным относятся те красители, которые при введении в стекломассу растворяются в ней. Окраска таких стекол не изменяется при повторной тепловой обработке. К этой группе красителей относятся главным образом окислы тяжелых металлов: марганца, кобальта, никеля, урана, хрома и др.

К коллоидным красителям относятся те, которые при введении в стекломассу равномерно распределяются в виде мельчайших коллоидных частиц; к ним относятся соединения серебра, золота, меди, селена и др.

Соединения марганца в виде окиси марганца или перекиси марганца придают стеклу различные оттенки фиолетового цвета; в качестве исходного сырья используют пиролюзит и марганцовокалиевую соль.

Соединения кобальта придают стеклу синий цвет; чаще всего для этого используется закись кобальта, являющуюся сильным красителем, поэтому ее вводят в стекломассу в весьма небольших количествах. Закись кобальта является стойким красителем, на нее не влияют условия варки стекла.

Соединения хрома придают стеклу зеленый цвет; в качестве красителей используется окись хрома, хромокалиевая соль и хромонатриевая соль.

Соединения железа в зависимости от его вида придают различную окраску стеклу. Закись железа окрашивает стекло в сине-зеленый цвет; окись железа дает желтый или коричневый, а в смеси с углем и серой – в оранжевый свет; смесь окиси и закиси железа придают стеклу зеленый цвет.

Соединения никеля окрашивают стекло в красно-фиолетовый цвет; для этого используется закись никеля, окись никеля и гидрат закиси никеля.

Соединения урана придают стеклу желто-зеленый цвет; для придания желто-зеленого цвета используется закись урана, треокись урана и натриевая соль урановой кислоты.

Окись меди окрашивает стекло в зеленовато-голубой цвет.

В качестве красителей при производстве сортовых стекол применяются окислы редкоземельных элементов. Чаще других используется двуокись церия, дающая золотисто-желтый цвет; окись празеодима окрашивает стекло в зелено-золотистый цвет; окись неодима окрашивает стекло в пурпурно-красный цвет.

Соединения серебра придают стеклу золотисто-желтый цвет; в качестве красителей обычно используют азотнокислое серебро.

Соединения золота окрашивают стекло от нежно-розового до темно-красного цвета (так называемый золотой рубин); в качестве красителя чаще всего применяют хлорное золото, содержащее 4,96% чистого золота; розовую окраску стекла получают уже при введении 0,01% металлического золота, а для получения темно-красного цвета (золотого рубина) вводят 0,02% золота.

Закись меди в восстановительных условиях варки придает стеклу ярко-красный цвет (медный рубин), а в окислительных условиях варки окрашивает стекло в синий цвет.

Обесцвечиватели. Обесцвечиватели вводят в стекломассу для устранения нежелательного сине-зеленого или желто-зеленого цвета стекла, который придают ему соединения железа, присутствующие в сырьевых материалах.

Закисная форма железа окрашивает стекло в десятки раз сильнее, чем окисная. Для обесцвечивания стекла при его образовании необходимо перевести закисную форму железа в окисную. Для этого применяют такие сырьевые материалы, которые при нагревании разлагаются с выделением свободного кислорода. Наличие кислорода является непременным условием успешного протекания основной реакции обесцвечивания.

В качестве обесцвечивателей применяют перекись мышьяка, селитру, сульфат натрия, двуокись церия и др. Наиболее часто для химического обесцвечивания стекла применяются комбинации оксида мышьяка: трехокись мышьяка при нагревании при сравнительно низкой температуре поглощает кислород, превращаясь в пятиокись азота; затем – уже при высоких температурах, близких к температурам осветления стекломассы – пятиокись разлагается на трехокись с выделением свободного кислорода, который и обеспечивает протекание реакции обесцвечивания. Для обесцвечивания стекла таким способом достаточно ввести в стекломассу 0,3-0,5% трехокиси мышьяка.

Селитра разлагается с выделением кислорода уже при температуре 400 градусов С; ее вводят совместно с трехокисью мышьяка.

Соединения мышьяка ввиду их большой ядовитости часто заменяют оксидом сурьмы.

В качестве химического обесцвечивателя применяю также оксид церия. Двуокись церия разлагается при высокой температуре с выделением кислорода. Оксид церия является весьма эффективным обесцвечивателем, к тому же его применение исключает использование ядовитых соединений мышьяка и сурьмы.

Физическое обесцвечивание состоит в том, что в стекломассу вводят вещества, которые окрашивают стекло в цвет, дополнительный к существующему, т.е. как бы накладывают один цвет на другой. Подбор цветов ведется таким образом, чтобы уменьшить интенсивность окраски стекла, при этом с уменьшением интенсивности окраски стекла снижается общая светопрозрачность стекла. В качестве физических обесцвечивателей используют оксиды марганца, кобальта, никеля, неодима и эрбия, элементарный селен.

Глушители. Для придания стеклу светорассеивающих свойств в стекломассу вводят глушители. Так называемые глушеные стекла широко применяются в светотехнике: стеклянные абажуры, колпаки и т.д. В качестве глушителей обычно применяются фтористые или фосфорнокислые соединения.

Соединения фтора вводятся через фторид кальция, камнефторид натрия, криолит и хиолит. Соединения фосфора применяются в виде костной муки, фосфата кальция, кислой фосфорнонатриевой соли, апатита.

Заглушенность в стеклах достигается также за счет кристаллизации определенных соединений, а также введением в сваренную стекломассу тугоплавких соединений или пузырьков воздуха.

Приготовление шихты

Подготовка сырья

Сырьевые материалы, используемые для производства стекла, нуждаются в дальнейшей обработке. К примеру, пески подвергают обогащению – из них извлекаются и удаляются железистые примеси, затем их сушат и просевают; доломит и известняк предварительно дробят и смалывают и т.д.

Подготовка песков. Используемые в стекловарении пески обычно подвергают обработке: обогащению, сушке и просеву.

Процесс обогащения состоит в обезжелезивании песка, т.е. удалении из него железистых примесей или уменьшения их содержания до необходимых параметров. Включения железа в песке могут быть разнообразных видов: это глинистые примеси, примеси легких и тяжелых железистых минералов, поверхностных пленок, а также скоплений внутри кварцевого зерна песка. Гравитационный метод обогащения песка основан на разделении частиц минералов в водной или воздушной среде по их удельному весу. Флотационный метод обогащения песков состоит в разделении минералов, смачиваемых и не смачиваемых водой; при засасывании в пульпу пузырьков воздуха минералы, поверхность которых не смачивается, прилипают к пузырькам и вместе с ними всплывают вверх, т.е. флотируются (рис. 10).

Минерализованные воздушные пузырьки всплывают и увлекают вредные примеси в пену, которая в дальнейшем легко отделяется от песка. Для образования устойчивых пузырьков в пульпу вводят реагенты;в качестве реагентов может использоваться, например, сульфатное мыло. Флотооттирочный метод обогащения песков включает в себя три процесса: флотацию, оттирку пленки и промывку. Оттирка основана на взаимном трении зерен песка в водной среде; при трении друг о друга пленка гидроокислов железа, имеющая меньшую твердость по сравнению с кварцем, оттирается. Метод электромагнитной сепарации основан на способности различных минералов по-разному притягиваться магнитом. Для обогащения песков методом электромагнитной сепарации в стекольной промышленности применяют магнитные сепараторы; для удаления из сырьевых материалов аппаратурного железа применяют дисковые, индукционно-роликовые и барабанные сепараторы. Магнитную сепарацию проходят пески, предназначенные для производства высококачественного бесцветного стекла, особенно свинцового хрусталя.

Сушка песка необходима для доведения сырья до нужной кондиции. Влажный песок, поступающий с места добычи или прошедший процесс обогащения, трудно поддается перемешиванию с другими компонентами шихты, он плохо пересыпается, комкуется и т.д.;сушат песок в сушильных барабанах. Температура сушки песка 700-800 градусов С.

Просеиванию подвергаются все без исключения материалы, применяемые при подготовке шихты. При просеивании удаляются крупные зерна и включения.

Подготовка известняка, доломита и мела заключается в дроблении, сушке, помоле и просеве.

Дробление состоит в измельчении материалов до кусков размером 2-3 см. Это делается для облегчения их дальнейшей обработки – помола и сушки.

Сушка известняка, доломита и мела производится в сушильных барабанах при температуре 400-450 градусов С (при более высоких температурах они будут разлагаться).

Помол является следующим этапом подготовки материалов к стекловарению.

Просеивание известняка, доломита и мела производится на том же оборудование, что и просеивание песка.

Подготовка сульфата натрия сводится к сушке, помолу и просеву. Сушат сульфат натрия в сушильных барабанах при температуре 650-700 градусов С. Помол производят в молотковых мельницах. Просев производят аналогично с другими материалами. Ввиду того, что поступающий на производство сульфат натрия имеет непостоянный химический состав, его подвергают усреднению.
Прочие сырьевые материалы подвергаются аналогичной обработке.

Приготовление шихты

Шихта – это однородная смесь предварительно подготовленных и отвешенных по заданному рецепту; шихта должна быть однородной, соотношение сырьевых материалов в ней должно быть одинаковым и соответствовать заданному составу. Основными условиями получения правильно подготовленной шихты являются применение обогащенных и подготовленных материалов, точная дозировка, тщательное перемешивание до полной однородности, подача и загрузка, исключающая возможность ее расслаивания. Рекомендуемая влажность шихты – 2-7%.

Сырьевые материалы перемешивают в специальных смесителях. Наибольшее распространение в производстве сортовой посуды получили контейнерные и тарельчатые смесители. Контейнерные смесители исключают операцию выгрузки шихты. Их применяют при небольшом объеме производства, к примеру, при варке окрашенных стекол в горшковой печи или варке свинцового хрусталя. Но наибольшее распространение в производстве сортовой посуды имеют тарельчатые смесители.

Гранулирование шихты производят с целью сохранения ее однородности при транспортировке, загрузке в печь и ускорении процесса стекловарения. В результате гранулирования устраняется пыление шихты, а также расслаивание, ускоряется провар, улучшается качество стекломассы. Технология гранулирования сводится к получению гранул достаточной прочности и необходимого размера. В качестве связующего используется жидкое стекло или вода. Для получения гранул используют барабанные, тарельчатые или другие грануляторы.

Контроль качества заключается в своевременной проверке качества шихты и обнаружении нарушений при ее приготовлении. Готовая шихта контролируется на соответствие заданному химическому составу, влажности, однородности, гранулометрическому составу, а также на комкование. В смену проводят один полный анализ и четыре на определение щелочности и нерастворимого остатка.

Content

Мельников Илья Стекло и его свойства. Сырьевые материалы для стекловарения. Приготовление шихты

Художественная обработка стекла. Стекло и его свойства. Сырьевые материалы для стекловарения. Приготовление шихты

Стекло и его свойства. Классификация стекол и стеклоизделий

Понятие о стекле и его структуре

Свойства расплавов стекол

Свойства твердых стекол

Классификация сортовых стекол и стеклоизделий.

Сырьевые материалы, применяемые в стекловарении

Сырьевые материалы

Сырье для введения в стекломассу кислотных окислов

Сырье для введения в стекломассу щелочных окислов

Сырье для введения в стекломассу щелочноземельных окислов

Сырье для введения в стекломассу окиси бария

Сырье для введения в стекломассу окиси свинца

Сырье для введения в стекломассу окиси цинка

Ускорители варки и осветлители

Красители, обесцвечиватели и глушители

Приготовление шихты

Подготовка сырья

Приготовление шихты