Читайте также:
|
Стекло неорганическое, квазиаморфное твердое вещество, у которого при наличии ближнего порядка отсутствует дальний порядок в расположении частиц.
В современном понимании понятие "стекло" определяется не просто как материал, а как некоторое особое стеклообразное состояние твердого тела.
Стекло – это такое состояние аморфного вещества, которое получается при затвердевании переохлажденной жидкости. Стекло неравновесно по отношению к кристаллическому состоянию, которое может реализовываться при том же составе и при тех же внешних условиях. Отличие от кристаллов состоит в отсутствии периодичности строения.
Технологический процесс производства стеклянных изделий подразделяется на следующие основные этапы: приготовление стекломассы, варка стекломассы, выработка изделий, отжиг, обработка и декорирование стеклянных изделий.
Сырье для производства стекла. Материалы для производства стекла подразделяют на основные и вспомогательные.
Основные материалы служат для введения в стекломассу важнейших окислов, являющихся основой для образования стекла и называемых стеклообразующими. К ним относятся песок кварцевый, сульфат натрия, сода, поташ, мел, бура, свинцовый сурик, барит и др.
От качества кварцевого песка (Si02) зависит качество стекла. Он может содержать окислы железа, окрашивающие стекло в нежелательные цвета (желтовато зеленый, голубоватый, зеленый и др.), поэтому для производства стекла используют песок с незначительным содержанием окислов железа.
Сульфат натрия (Na2SO4) и сода (Na2CO3) необходимы для введения в состав стекла окисла натрия, который ускоряет стеклообразование и снижает температуру плавления кварцевого песка. Стекло, получаемое сплавлением только песка с содой или сульфатом натрия, разрушается под воздействием влаги.
Поташ (К2CO3) применяют для введения в состав стекла окисла калия, повышающего его прозрачность и блеск.
Мел и известняк (СаСО3) используют для введения в состав стекла окисла кальция, облегчающего варку стекла и придающего ему большую химическую устойчивость, в том числе и к воздействию влаги.
Бура (Na2B4O7) и борная кислота (Н2BO3) необходимы для введения в состав стекла борного ангидрида (В2O3) повышающего термическую и химическую стойкость стекла.
Свинцовый сурик (Рb3O4) служит для введения в состав стекла окисла свинца, который сообщает ему большую прозрачность, увеличивает плотность и уменьшает твердость, что облегчает механическую обработку. Свинцовый сурик применяют при получении хрустальной посуды и искусственных драгоценных камней.
С помощью барита в стекло вводят окисел бария, способствующий повышению плотности, блеска и луче преломляемости стекла. Его используют вместо свинцового сурика для изготовления стеклянной посуды высших сортов.
Доломит (СаСО3·MgСО3) является двойной солью кальция и магния. Оксид магния (MgО) снижает скорость кристаллизации и значительно влияет на улучшение химических, термических и механических свойств стекла.
Витерит (ВаСО3) используют для введения оксида бария (ВаО), который повышает коэффициент преломления, плотность и блеск стекла.
Оксид цинка (ZnО) вводят в виде цинковых белил. Он увеличивает коэффициент преломления, повышает химическую устойчивость стекла.
Вспомогательные материалы. Это красители, обесцвечивающие материалы, глушители и осветлители.
Красители применяют для окрашивания стекла. В качестве красителей используют соединения различных металлов: марганца, кобальта, хрома, никеля, урана, селена, золота, серебра, меди, редкоземельных элементов и др.
Соединения марганца окрашивают стекло в фиолетовый цвет, кобальта – в темно-синий, хрома – в зеленый, никеля – в синевато-фиолетовый до фиолетового с коричневым оттенком, железа – в различные цвета (от желтого до коричневого и в зеленый), урана – в светло-желтый, селена – в розовый, селена с примесями сернистого кадмия – в ярко-красный (селеновый рубин), золота – в ярко-красный (золотой рубин), серебра – в золотисто-желтый, окисел меди – в ярко- голубой (бирюзовый), закись меди – в красный (медный рубин).
Редкоземельные элементы придают стеклу особую прозрачность и чистоту. Двуокись церия придает стеклу янтарно-желтый цвет; окисел неодима - красивую фиолетово-сиреневую окраску. Разнообразные цветовые эффекты получают окрашиванием стекла смесью окислов редкоземельных элементов.
Обесцвечивающие материалы (селитра, трехокись мышьяка, окислы металлов) применяют для устранения окрашивающего действия вредных примесей, содержащихся в кварцевом песке.
Глушители (окись олова, криолит) необходимы для уменьшения прозрачности стекла, получения стекла молочно-белого и цветного непрозрачного.
Осветлители (селитра, сульфат натрия) способствуют осветлению стекломассы путем удаления из нее пузырьков воздуха.
Введение в стекло оксида алюминия (А12О3) придает стеклу повышенную механическую прочность. Из такого стекла изготавливают специальные бутылки для насыщенных углекислым газом напитков (шипучих). Они могут выдерживать давление до 2x106–3x106 Па. В 1926–1928 гг. при разработке промышленного способа получения синтетического каучука советский химик С. В. Лебедев исследовал реакцию полимеризации бутадиена СН2 = СН—СН = СН2 под давлением. В эти годы в Советском Союзе ощущалась нехватка в химическом лабораторном оборудовании. В качестве реактора С. В. Лебедев использовал бутылки из-под шампанских вин.
Стекла, защищающие от инфракрасных, ультрафиолетовых и чрезмерно ярких видимых лучей, получают, вводя различные красители. Такие стекла применяют как защитные приспособления при сварочных работах, в металлургии и пр. В некоторых случаях ставится противоположная задача – надо не поглощать, а, наоборот, хорошо пропускать те или иные лучи. С этой целью применяются увиолевые стекла. Они свободно пропускают ультрафиолетовые лучи, которые поглощаются обычными стеклами. Такими стеклами остекляют окна больниц, санаториев, оранжерей. Из них изготавливают лабораторное оборудование. Для получения увиолевого стекла используют известково-натриевые составы. Оксидов железа в стекле должно быть не более 0,01%.
Специальные стекла, устойчивые к различного рода радиоактивным излучениям и потокам медленных нейтронов, получают, вводя в их состав элементы с высоким порядковым номером – свинец, висмут, вольфрам и др. Стекло, в котором практически отсутствует отражение (невидимое стекло), создали польские специалисты из г. Зелена Гура. Такие стекла необходимы как в науке и технике, так и в быту. Например, световые блики и отражения часто мешают прочесть надпись за стеклом шкалы прибора, рассмотреть картину и т. д.
Много затрачено сил, времени и средств учеными всего мира для создания световодов – стеклянного волокна высокой прозрачности, отражающего лучи света от внутренней поверхности. Луч света, проходя по такому волокну, не выходит за его пределы и может быть использован для передачи информации. На основе оптического волокна выпускаются детали приборов для радиоэлектронной, приборостроительной и других отраслей промышленности. Трудно оценить перспективу использования световодов. Световой жгут для телефонной связи обеспечит 2000 телефонных переговоров одновременно. Можно транслировать одновременно две цветные телепередачи. С помощью световодов стало возможным проводить ранее недоступные медицинские исследования внутренних поверхностей органов, моделировать нервную систему высших животных и человека. Из стекловодов делают «иглы», используемые для световых микроуколов ядра живой клетки.
Весьма перспективны работы по применению волоконной оптики в электронно-вычислительных устройствах. Их назвали ОВМ (оптические вычислительные машины) в отличие от обычных ЭВМ. Благодаря им появилась возможность введения в ОВМ прямой информации – речи, изображения, текста и пр.
Производство стекла состоит из следующих процессов: подготовки сырьевых компонентов, получения шихты, варки стекла, охлаждения стекломассы, формования изделий, их отжига и обработки (термической, химической, механической).
Все компоненты перед варкой просеиваются, сушатся, при необходимости измельчаются, смешиваются до полностью однородной порошкообразной шихты, которая подаётся в стекловаренную печь.
Процесс стекловарения условно подразделяют на несколько стадий: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизацию и охлаждение ("студку").
При нагревании шихты вначале испаряется гигроскопическая и химически связанная вода. На стадии силикатообразования происходит термическое разложение компонентов, реакции в твёрдой и жидкой фазах с образованием силикатов, которые вначале представляют собой спекшийся конгломерат, включающий и не вступившие в реакцию компоненты. По мере повышения температуры отдельные силикаты плавятся и, растворяясь друг в друге, образуют непрозрачный расплав, содержащий значительное количество газов и частицы компонентов шихты. Стадия силикатообразования завершается при 1100–1200°С.
На стадии стеклообразования растворяются остатки шихты и удаляется пена – расплав становится прозрачным; стадия совмещается с конечным этапом силикатообразования и протекает при температуре 1150–1200°С. Собственно стеклообразованием называют процесс растворения остаточных зёрен кварца в силикатном расплаве, в результате чего образуется относительно однородная стекломасса. В обычных силикатных стеклах содержится около 25% кремнезема, химически не связанного в силикаты (только такое стекло оказывается пригодным по своей химической стойкости для практического использования). Стеклообразование протекает значительно медленнее, чем силикатообразование, оно составляет около 90% от времени, затраченного на провар шихты и около 30% от общей длительности стекловарения.
Обычная стекольная шихта содержит около 18% химически связанных газов (СО2, SO2, O2 и др.). В процессе провара шихты эти газы в основном удаляются, однако часть их остаётся в стекломассе, образуя крупные и мелкие пузыри.
На стадии осветления при длительной выдержке при температуре 1500–1600°С уменьшается степень пересыщения стекломассы газами, в результате чего пузырьки больших размеров поднимаются на поверхность стекломассы, а малые растворяются в ней. Для ускорения осветления в шихту вводят осветлители, снижающие поверхностное натяжение стекломассы; стекломасса перемешивается специальными огнеупорными мешалками или через нее пропускают сжатый воздух или другой газ.
Одновременно с осветлением идёт гомогенизация – усреднение стекломассы по составу. Неоднородность стекломассы обычно образуется в результате плохого перемешивания компонентов шихты, высокой вязкости расплава, замедленности диффузионных процессов. Гомогенизации способствуют выделяющиеся из стекломассы газовые пузыри, которые перемешивают неоднородные микроучастки и облегчают взаимную диффузию, выравнивая концентрацию расплава.
Последняя стадия стекловарения – охлаждение стекломассы ("студка") до вязкости, необходимой для формования, что соответствует температуре 700–1000°С. Главное требование при "студке" – непрерывное медленное снижение температуры без изменения состава и давления газовой среды; при нарушении установившегося равновесия газов образуется вторичная мошка (мелкие пузыри).
Процесс получения некоторых стекол отличается специфическими особенностями. Производство каждого типа стекла определяется технологической нормалью.
Формование изделий из стекломассы осуществляется механическим способом (прокаткой, прессованием, прессовыдуванием, выдуванием и т.д.) на стеклоформующих машинах. После формования изделия подвергают термической обработке (отжигу).
В результате отжига и последующего медленного охлаждения происходит релаксация напряжений, появляющихся в стекле при быстром охлаждении. В результате закалки в стекле возникают остаточные напряжения, обеспечивающие его повышенную механическую прочность, термостойкость и специфический (безопасный) характер разрушения в сравнении с обычным стеклом (закалённые стекла применяют для остекления автомобилей, вагонов и т.п. целей).
Выработка стеклоизделий. В данном учебнике рассматриваются только те способы выработки стекла, которые применяется в производстве бытовой посуды и художественно-декоративных изделий.
Основными способами выработки стеклоизделий являются: прессование, выдувание, прессовыдувание, литье и центробежное литье.
Прессование. Способ формования стекла прессованием возник раньше других способов, но до сих пор он широко применяется в стекольной промышленности, так как отличается высокой производительностью и экономичностью. Прессование является более простым способом выработки изделий, чем выдувание.
Методом прессования изготавливаются изделия, имеющие простую форму (стаканы, блюдца и др.). Этот способ отличается высокой производительностью, так как позволяет применять высокопроизводительные автоматы и полуавтоматы. Процесс прессования осуществляется в металлических формах, причем внутренняя поверхность их может быть гладкой или с рельефным рисунком. Прессование изделий производится в разъемных (состоящих из двух или трех частей) и неразъемных формах.
Процесс прессования состоит в следующем: определенная весовая капля стекломассы подается в форму (матрицу), предварительно нагретую до температуры 300–400°С, в которую опускают пуансон, оказывающий при своем движении давление на стекломассу, последняя заполняет пространство между формой и пуансоном. Изделия прессуют на ручных, полуавтоматических и автоматических прессах.
Прессованные изделия от выдувных можно отличить по целому ряду признаков. Основными являются следующие: верхний диаметр изделия больше, чем нижележащий; на внешней стороне изделия имеются швы от прессформы, переход дна в стенки неравномерный – дно имеет большую толщину, чем стенки.
Выдувание. Выдувной способ выработки может быть ручным (для изделий сложных форм) и механизированным. При ручном способе используют металлические трубки самодувки, длиной 1200–1400 мм, в которые воздух подается специальным резиновым баллоном. В настоящее время все заводы, вырабатывающие стеклянную посуду, применяют трубку системы инженеров Гринберга, Гандушаи Благообразова, вытеснившую выдувание легкими. Трубка самодувка состоит из обыкновенной выдувательной трубки, на верхнем конце которой надет резиновый баллон, в той части трубки, которая охватывается баллоном; на длине 40–50 мм просверлено несколько отверстий. Верхнее отверстие трубки закрыто резиновым клапаном, который пропускает воздух только внутрь трубки. При сжатии баллона находящийся в нем воздух через отверстия поступает в клапан трубки. Так как установленный у верхнего конца трубки клапан пропускает воздух только снаружи в канал трубки, а в обратную сторону – нет, то воздух по каналу трубки устремляется вниз для выдувания изделия. Разогретый конец трубки опускают в стекломассу, которая прилипает к нагретому металлу. На трубку навивают определенное количество стекла, выравнивают его на металлическом столе, после чего раздувают в небольшой пузырек «баночку». Из которой окончательно выдувают изделия в металлической разъемной форме.
Прессовыдувание. Прессовыдувной способ формования стеклоизделий сочетает прессование и выдувание. Ассортимент изделий, вырабатываемых прессовыдувным способом, ограничен. Это графины для вина, масленки, тарная посуда и др.
Прессовыдувной способ изготовления изделий осуществляется в два приема: вначале выпрессовывают заготовку и отделывают края изделия, а затем заготовку выдувают сжатым воздухом до заданных размеров. Выработка этих изделий производится на автоматических машинах.
Литье. Способ центробежного литья применяется пока еще редко. В быстровращающуюся форму подается определенная порция стекломассы, которая равномерно распределяется и приобретает конфигурацию готового изделия.
Изделия художественно-декоративного назначения изготавливают методом литья. Стекломассу заливают в специальную форму, где она охлаждается и принимает очертания формы. Выработанные этим методом изделия могут быть пустотелыми и полнотелыми.
После того, как изделие изготовлено, его направляют на отжиг.
Отжигом называется процесс обработки стеклоизделий, при котором устраняются или ослабляются внутренние напряжения, возникающие в результате неравномерного остывания внутренних и внешних слоев изделия. Отжиг производится в особых печах как периодического (опечки), так и непрерывного действия (леры).
Процесс отжига заключается в том, что изделие нагревают или охлаждают до температуры 530–580°С и выдерживают его при этой температуре обычно 7–15 мин. В течение этого времени напряжения в различных слоях стенок постепенно выравниваются, после этого изделие медленно охлаждают. От качества проведенного отжига зависит термическая устойчивость изделия. Плохо отожженные изделия уже в пути или в процессе хранения покрываются трещинами или иногда просто разрушаются.
Дата добавления: 2015-02-16; просмотров: 116 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |