Факторы, обуславливающие скорость процесса стекловарения

       В производстве стекла важное значение имеет скорость стеклообразования, которая увеличивается с увеличением температуры варки стекла.

       Кроме этого на скорость варки стекла влияют:

– химический состав шихты;

– ускорители варки;

– вид сырьевых материалов шихты;

– однородность шихты.

       Химический состав. Чем больше плавней в шихте, и чем выше отношение суммы щелочей и щелочноземельных оксидов к кремнезему, тем легче она проваривается. В трех- и четырехкомпонентных стеклах (SiO₂, Na₂O, CaO, MgO) сумма R₂O+RO обычно колеблется в пределах от 24 до 27 %.

       Щелочноземельные оксиды вводят в значительных количествах. Методика создания новых составов основана на представлениях о структуре стекла, роли кислородно-катионного отношения, влияния степени поляризуемости ионов и их размеров.

       Химический состав газов шихты имеет значение, от них зависит ход осветления.

       Имеет значение и примеси, входящие в состав кварцевого песка, а также других компонентов шихты. Эти примеси могут играть роль катализаторов в процессе стеклообразования, но чаще, из-за плохой растворимости в стекломассе они затягивают весь процесс стекловарения.

       Ускорители варки. Чаще всего используют фториды. Они вызывают появление жидкой фазы при более низких температурах и увеличение скорости процесса силикатообразования. Фториды снижают температуру завершения реакции силикатообраазования на 200^оС. Процесс стеклообразования завершается быстрее вследствие повышения теплопрозрачности шихты, содержащей фториды. Коэффициент поглощения тепловой энергии в шихте с фторидами выше, чем в шихте не содержащей фтора.

       При варке стекла в ванных печах и при концентрации фтора не выше 0,5 % выработочные свойства стекла улучшаются, а химическая устойчивость не изменяется. Количество улетучивающегося фтора составляет 30–40 % количества, введенного в шихту.

       Вид сырьевых материалов. Имеет значение форма зерен кварцевого песка. Окатанные зерна ведут себя в процессе стеклообразования хуже, чем зерна неокатанной формы. В первом случае шихта более склонна к расслаиванию, чем во втором. Чем больше удельная поверхность песка, тем лучше протекают реакции на его поверхности и тем быстрее они завершаются в глубине зерна.

       Выбор соды или сульфата имеет значение. Применяют гранулированную «тяжелую» кальцинированную соду, которая меньше пылит и меньше засоряют насадку регенераторов.

       Источником ввода в стекло оксида алюминия является полевой шпат. Используют каолины и глины, условием их использования является равномерное распределение их в шихте. Могут быть использованы и другие горные породы (аплиты, трахиты, вулканический пепел, нефелиновые сиениты), но к ним предъявляются требования по постоянству их химического состава.

       Оксид магния вводится в виде доломита и доломитизированного известняка. Однако доломитизированные известняки не всегда обладают постоянным химическим составом. Это может явиться причиной неоднородности стекломассы (свиль).

       Обратный бой, который обязательно вводится в количестве 25–30 %, либо непосредственно в шихту, либо одновременно с шихтой, влияет как на ход процесса стеклообразования, так и на свойства стекла. Важна стабильность соотношения боя и шихты. Для ускорения процесса гомогенизации стекломассы следует перемешивать бой в молотом виде с шихтой.

       Зерновой состав компонентов шихты. Зерновой состав компонентов влияет на склонность шихты к расслаиванию на скорость силикатообразования и стеклообразования. Наименее расслаиваются шихты, состоящие из мелкозернистых или пылевидных компонентов.

       Реакции силикатообразования в тонкомолотой шихте ускоряются и протекают при более низких температурах в связи с увеличением удельной поверхности реагирующих веществ. Уменьшение величины зерна кварцевого песка от 0,28 до 0,03 мм повышает скорость стеклообоазования в 8–9 раз. При увеличении размера зерен песка сказывается влияние размера зерен известняка. Чем крупнее фракция песка, тем мельче следует молоть известковый камень.

       Однородность шихты. Под однородностью шихты подразумевается стабильность химического и зернового состава сырьевых материалов, применяемых для приготовления шихты, а также стабильность в содержании компонентов шихты в соответствии с заданным химическим составом.

       Максимальные отклонения в массе отдельных компонентов в шихте: кварцевый песок – 1 %; мел, известняк и доломит – 0,5 %; сода и сульфат натрия – 1 %. Влажность сухого песка не должна превышать 0,1–0,2 %; мела, доломита, известняка – 0,2–0,4 %.

       В составных цехах следует предварительно смешивать сульфат с углем.

       На скорость провара шихты, а следовательно, на производительность печи влияют способ загрузки и толщина слоя шихты, загружаемой в печь. Загрузка шихты периодическая или кучами вызывают колебания уровня стекломассы, в результате чего усиливается разрушение огнеупоров и загрязнение стекломассы.

       При периодической загрузке крупными порциями в печь засасывается холодный воздух, который нарушает установившийся температурный режим. Процесс стеклообразования в куче шихты протекает медленно и завершается долго. Загрузка шихты кучами влияет на течение физико-химических процессов стеклообразования. Диссоциация карбонатов и сульфатов и удаление газовых продуктов затрудняются, так как наружная оболочка кучи обедненная щелочами образует вязкий слой стекломассы, через который трудно пройти газам.

       Тонкое распределение шихты на поверхности зеркала варочной части ванной печи изменяет тепловой режим частиц шихты в процессе плавления. Каждая отдельная частица шихты энергично поглощает тепло, необходимое для завершения стеклообразования; процессы диссоциации протекают быстро и легко.

       При тонком распределении шихты на поверхности стекломассы возрастает не только скорость силикатообразования, но и скорость осветления. Тонкослойная варка стекла препятствует проникновению непроваренных частиц шихты в глубинные слои.

       Удерживанию шихты на поверхности стекломассы способствуют явления прилипания твердых частиц к поверхности раздела жидкость–газ. Благодаря плохой смачивыаемости тончайшие слои шихты удерживается на поверхности зеркала на время вполне достаточное для превращения ее в стекломассу.

       Высокодисперсные материалы, сода и мел равномерно распределяются по поверхности стекломассы, удерживая зерна кварцевого песка. Механизация загрузки и переход на непрерывный способ питания увеличивают варочную способность ванных печей на 10–15 %.

ПОРОКИ СТЕКЛОМАССЫ

       Низкое качество готовых изделий может быть вызвано двумя причинами:

1) пороками стекломассы;

2) недостатками или нарушениями технологического режима процессов формования и последующей обработки изделий.

       Пороки сте5кломассы – различные нарушения ее физической и химической однородности, возникшие в процессе варки стекла.

       Все пороки стекломассы можно классифицировать по их агрегатному состоянию на три группы: газовые, стекловидные и кристаллические включения.

       Газовые включения могут присутствовать в стекле в виде пузырей размерами от долей миллиметра до несколько миллиметров. Мельчайшие пузыри в практике называют мошкой. По форме газовые пузыри разнообразны: сферические, эллипсоидные, волосяные. По химическому составу пузыри могут содержать: CO₂, O₂, SO₂, N₂, оксиды азота, пары воды, воздух.

       Пузыри в стекле ухудшают его внешний вид, прозрачность, химическую стойкость, механическую прочность. Основными причинами появления газов в стекломассе являются:

– неполное удаление газообразных продуктов разложения шихты;

– вторичное разложение составных частей стекломассы (например, разложение остатков сульфата натрия при варке сульфатной шихты);

– взаимодействие стекломассы с огнеупорами, например, при растворении в стекле SiO₂ и Al₂O₃, содержащиеся в огнеупоре, происходит смещение равновесия между стекломассой и растворенными в ней газами в сторону выделения этих газов в пузыри;

– попадание металлического железа в стекломассу, которое начинает постепенно растворяться в стекломассе, сообщая ей окраску, а содержащийся в железе углерод окисляется, образуя пузыри газов.

       Появление пузырей в значительной мере зависит также и от того, в какой период происходит разложение материалов шихты с выделением газов. Если шихта составлена из материалов, выделяющих газы при более низкой температуре, то часть их образует пузыри, а другая незначительная их часть растворяется в стекломассе. Так как при повышении температуры растворимость газов уменьшается, то жидкая стекломасса в этом случае будет пересыщена газами. Если при этом образование пузырьков газов вследствие не до конца завершившихся реакций разложения и стеклообразования еще продолжается, то эти пузырьки в дальнейшем увеличиваются в размерах за счет растворенных в стекле газов, что облегчает их удаление из стекломассы. Так как скорость подъема газовых пузырьков к поверхности стекломассы прямо пропорциональна квадрату их радиуса, то для удаления, например, пузырька диаметром 1 мм потребуется в 100 раз больше времени, чем для пузырька диаметром 10 мм.

       Стекловидные включения отличаются от основного стекла своим составом, свойствами и называются свилями или шлирами, имеют вид нитей, прямых или изогнутых, одиночных или располагающихся пучками. Стекловидные включения нарушают однородность стекломассы, ухудшают свойства ее и готовых изделий: снижают механическую прочность, термическую стойкость и оптическую однородность.

       Основными причинами появления свилей и шлиров являются: недостаточная гомогенизация; разъедание стекломассой огнеупоров, при этом может происходить неравномерное обогащение стекломассы оксидами кремния и другими соединениями как при механическом, так и при химическом разрушении огнеупоров, при этом возникают места, отличающиеся по составу и свойствам от основного расплава – появляются свили; капли со свода печи. Горячие газы, улетучивающиеся из шихты или стекломассы реагируют с огнеупором верхнего строения печи поверхность которого бывает остеклованна. Образующиеся на динасовом огнеупоре капли содержат большое количество кремнезема. Стекая вниз и попадая в стекломассу, такая капля начинает медленно растворяться, образуя свиль и шлиры.

       Кристаллические включения представляют собой кристаллы различных соединений, разнообразных форм и размеров, вкрапленные в стекло, нарушающие его однородность. Это самый опасный порок стекломассы, резко снижающий оптическую однородность, механическую прочность и термическую стойкость, т.к. создает дополнительные внутренние напряжения в стекле. В случае, когда кристалл под действием высокой температуры расплавляется, но не растворяется в окружающем расплаве, образуя «узелок» – стекловидная капля в стекле, дающая начало свилю. Кристаллические включения классифицируются на шихтные камни («непровар»); продукты разрушения огнеупоров стекломассой; сводовые камни; продукты расстекловывания, возникающие в результате кристаллизации самого расплава: часто расстекловывание начинается вокруг шихтных и шамотных камней и в свилях.

       Шихтные камни, как правило, состоят из кремнезема и имеют обычно белый цвет и сферическую форму. Образуются они в том случае, если какая-либо часть шихты остается в стекломассе нерастворенной.

       Шихтные камни в стекле не имеют резко выраженных границ и постепенно переходят в стекло. Появляются они в результате неудовлетворительной подготовки и недостаточно тщательного перемешивания сырьевых материалов, а также плохого провара стекломассы. К этому роду пороков чаще всего относится так называемое «песчаное стекло», в котором по всей массе в большом количестве рассеяны мелкие песчинки. Это происходит как вследствие неудовлетворительного перемешивания шихты, так и в тех случаях, когда шихта составлена неправильно и содержит избыточное количество кварцевого песка. Шихтные камни помимо отдельных песчинок могут присутствовать в стекле в виде маленьких комочков известняка, доломита и т. п.

       В результате повышенной влажности шихты твердые комки сульфата и соды также могут давать камни; при указанных условиях в этих включениях происходит наружное остекловывание, тогда как внутренняя часть не меняется. При варке стекла из сульфатных шихт необходимо принимать меры к устранению образующегося «щелока», состоящего в основном из расплавленного неразложившегося сульфата натрия. Попадая в стекломассу при ее перемешивании, включения плавающего «щелока» вызывают появление так называемых «хальмозных камней», имеющих вид белых хлопьев.

       Камни из огнеупорных материалов обычно имеют неправильную форму и белый или беловато-серый цвет. Чаще всего они попадают в стекломассу во время варки, отделяясь от стенок горшка и брусьев бассейна печи или от плавающих в стекломассе заградительных лодок, наборных кранцев и т. п. Особенно часто они появляются при недостаточной механической прочности или термической стойкости огнеупора, когда стенки горшка или ванной печи сильно разъедены шихтой и имеют губчатое строение.

       Разъедание огнеупоров в печи обусловливается главным образом действием у поверхности стекломассы непроварившихся еще щелочных компонентов шихты. Образованию камней способствуют также повышение температуры варки стекла, недостаточно тщательное смешивание материалов шихты, неравномерно разъедающей стенки горшков и стеновые брусья печи и, в особенности, колебания уровня стекломассы в бассейне ванной печи.

       Если шамотный камень, даже очень мелкий, попадает в стекло на более поздней стадии его варки, то все же он вызывает в нем образование трещин, лучеобразно расходящихся во все стороны. Расстекловывание, или кристаллизация стекла в начальной стадии, проявляются в том, что образуются отдельные отложения кристаллов в виде коротких непрозрачных палочек или отдельных мелких сферолитов, рассеянных по всей стекломассе. При более сильном зарухании кристаллы собираются в узлы, вследствие чего поверхность стекла в изделии становится шероховатой. При полном зарухании вся стекломасса принимает кристаллическое строение и теряет прозрачность.

       Склонность стекла к расстекловыванию зависит не только от температуры, но и от его состава. Чем богаче стекло оксидом кальция, тем более оно склонно к кристаллизации. Щелочи, присутствующие в стекле, различно влияют на его способность к заруханию; натриевое стекло зарухает легче, чем калиевое. Борный ангидрид противодействует расстекловыванию. Как правило, наиболее устойчивы к расстекловыванию составы стекол, близкие к эвтектическим.