1.2. Основы производства
Сырье. Основные сырьевые компоненты для производства материалов из стекла — кварцевый песок, сода, мел, доломит, известняк, т.е. в стекломассу вводятся кислотные, щелочные и щелочноземельные оксиды. От их количества непосредственно зависят все основные эксплуатационно-технические свойства стекла. Большое влияние на свойства строительных стекол оказывают вспомогательные компоненты: осветлители, обесцвечиватели, красители, глушители, окислители, восстановители.
Осветлители вводят в шихту для освобождения стекломассы от видимых пузырей, т.е. для ее осветления, чем ускоряется процесс стекловарения. Действие осветлителей заключается в том, что при нагревании они разлагаются с выделением большого количества газообразных продуктов. Улетучиваясь из стекломассы, они способствуют удалению из нее и других газов (пузырей).
Обесцвечиватели вводят в стекломассу, чтобы устранить нежелательные сине-зеленые или желто-зеленые оттенки, которые стекломасса приобретает из-за примесей железа в сырьевых материалах. Стекло обесцвечивают и химическим, и физическим способами.
Красители служат для окрашивания стекла в тот или иной цвет. Обычно в качестве красителей используют соединения металлов. По механизму их действия различают молекулярные и коллоидные красители. Молекулярные красители, введенные в стекломассу, растворяются в ней. Окраска таких стекол не изменяется при повторной тепловой обработке. К этой группе красителей относятся, главным образом, оксиды тяжелых металлов — марганца, кобальта, никеля, хрома, железа, урана. К коллоидным относятся те красители, которые при введении в стекломассу равномерно распределяются в ней в виде мельчайших коллоидных частиц, например, соединения золота, меди, селена, серебра.
Большинство светопрозрачных стекол варят в окислительной среде. Это делают, в основном, для перевода закисной формы железа (FeO), содержащейся в сырье, в его окисную форму (Fe2O3). Первая придает стеклу зеленоватый оттенок. Вместе с тем существует группа стекол (цветных), для варки которых требуется восстановительная среда. Для регулирования этих условий варки в стекломассу вводят окислители и восстановители.
Сырьем для производства материалов из минеральных расплавов (каменных, шлаковых) служат, соответственно, базальтовые, диабазовые, базальто-доломитовые и другие породы, доменные металлургические шлаки.
Основы технологии. Основные технологические операции при производстве материалов из стекла — варка и формование.
Варка стекла производится в печах различного типа. Листовое светопрозрачное стекло варят в ванных печах непрерывного действия. При этом выделяют пять стадий стекловарения: силикатообразование при температуре 800—900 °С, стеклообразование (1100...1200 °С), осветление и гомогенизация (1400...1600 °С), студка (1100...1200°С).
He менее важен этап формования стекломассы. При производстве материалов из стекла применяют следующие способы формования: прессование, прокат, вытягивание, формование на расплаве металла (флоат - способ). Последние два способа широко распространены при производстве листового стекла.
Принцип вертикального вытягивания состоит в транспортировании снизу вверх с помощью валков машины ленты стекломассы (после студки) шириной до 3 м. Лента выдавливается из стекломассы с помощью погруженного в нее специального приспособления (шамотной лодочки).
Флоат - способ— наиболее производителен и эффективен. Поверхность ленты стекла получается гладкой, не требующей шлифовки и полировки, нижняя — за счет контакта с предельно ровной поверхностью расплавленного металла, а верхняя — поверхностного натяжения.
После формования материал подвергают отжигу. В результате снижаются полученные при формовании внутренние температурные напряжения, возникающие при более высокой скорости остывания наружных слоев стекла по сравнению с внутренними. Наружные слои стремятся к сжатию, а более нагретые внутренние препятствуют этому.
Отделку лицевой поверхности стекла производят механическим, химическим способами и путем нанесения различных покрытий.
Механическая обработка включает пескоструйную, ультразвуковую, резку, шлифование, гравирование и др. При пескоструйной обработке на те места прозрачного гладкого стекла, которые должны остаться нетронутыми, наклеивают шаблон (например, из плотной бумаги). Огневая полировка поверхности шероховатого стекла производится при высокой температуре.
Химическая обработка включает травление и матирование (обработку поверхности парами фтористого водорода, плавиковой кислотой, матирующими пастами или другими веществами), химическое полирование, выщелачивание (для повышения светопропускания и получения «радужного» эффекта), декорирование цветными протравами (диффузия) и др.
При обработке плавиковой кислотой на поверхность стекла при помощи трафарета наносят расплавленный парафин или воск. Кислота разрушает незащищенную поверхность стекла. Через определенное время кислоту смывают, а после подогрева стекла парафин или воск стирают ветошью.
Покрытия на поверхность стекол наносят в виде слоев керамических и других красок, эмалей, фактурных посыпок, люстров, силиконовых растворов, солей и оксидов металлов и др. В результате воздействия нагревом ниже температуры размягчения стекла происходит сплавление поверхностного слоя с нанесенным покрытием (пиролитический процесс).
Более эффективен магнетронный процесс, когда поверхностный слой не входит в структуру стекла. В этом случае получается материал более высокой качественной категории.
Технологический процесс производства материалов из других минеральных расплавов включает следующие операции: подготовка сырьевых компонентов, плавка шихты в пламенных шахтных, ванных, вращающихся или дуговых электрических печах при 1400...1450 °С; охлаждение расплава до 1250 0С для стабилизации структуры и уменьшения усадочных дефектов в готовой продукции;
литье в подогретые постоянные формы из чугуна или жароупорной стали или во временные силикатные формы; медленное (до 1 суток и более) охлаждение;
механическая обработка поверхности и кромок. Для снижения возникающих при охлаждении внутренних напряжений отливки подвергают частичной кристаллизации — отжигу в специальных печах при 800...900 °С.
Формование материалов осуществляется методами статического или центробежного литья. В производстве волокон, например из базальтового расплава, используют метод раздува струи расплава сжатым воздухом или паром. При изготовлении минеральной ваты расплав обычно получают в вагранке или в другом печном агрегате. Волокна образуются при воздействии подаваемого под давлением пара или воздуха па непрерывно вытекающую из вагранки струю расплава или при подаче пара на валки или диск центрифуги. Полученное минеральное волокно собирается в камере волокноосаждения на непрерывно движущейся сетке. В эту камеру вводят органические или минеральные связующие вещества для получения теплоизоляционных матов и плит.
Производство материалов из шлаковых расплавов, прежде всего огненно-жидких шлаков металлургической промышленности, весьма выгодно и экономично: не требуется специальных плавильных печей и дополнительных затрат топлива.