Анализ технологий получения стекла

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Полтораста лет назад стекло варили только в огнеупорных сосудах. В них засыпали вручную шихту, состоящую из кварцевого песка, соды, мела, доломита и других материалов. Шихта при высокой температуре превращалась в прозрачную массу. Из жидкой стекломассы стеклодувы выдували различные сосуды, бутылки, посуду или цилиндры, из которых затем получали листы стекла. Это был тяжелейший труд. В 30 гг. прошлого столетия в России появились первые ванные печи для промышленного производства стекла. Потребность в нем росла очень быстро. Стали делать стеклоделательные заводы. И на каждом - одна или несколько ванных печей, выпускавших за сутки тонны стекла.

Современные ванные печи - большие сооружения. Длина печи для производства оконного стекла - несколько десятков метров. Шихту в печь загружают непрерывно по 10-15т в час с помощью механических устройств. Печь вмещает более 2500 т стекломассы и дает в сутки 350т стекла и больше.

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

Каждый год мы выпускаем сотни миллионов квадратных метров оконного стекла. Мало того, из стекла научились делать прочные трубы, стекловолокно, стеклопластик, бронестекло, пустотельные строительные блоки, сложную, термостойкую лабораторную посуду. Стекло успешно конкурирует с металлом. Это очень перспективный материал в самых различных отраслях народного хозяйства.

Огромно значение стекла и в нашем быту - это различная посуда, вазы, зеркала.

1. Общая характеристика стекла

Стекло, твёрдый аморфный материал, полученный в процессе переохлаждения расплава. Для стекла характерна обратимость перехода из жидкого состояния в метастабильное, неустойчивое стеклообразное состояние. При определённых температурных условиях кристаллизуется. Стекло не плавится при нагревании подобно кристаллическим телам, а размягчается, последовательно переходя из твёрдого состояния в пластическое, а затем в жидкое. По агрегатному состоянию стекло занимает промежуточное положение между жидким и кристаллическим веществами. Упругие свойства делают стекло сходным с твёрдыми кристаллическими телами, а отсутствие кристаллографической симметрии (и связанная с этим изотропность) приближает к жидким. Склонность к образованию стекла характерна для многих веществ (селен, сера, силикаты, бораты и др.).

Стеклом называют также отдельные группы изделий из стекла, например строительное стекло, тарное стекло, химико-лабораторное стекло и др. Изделия из стекла могут быть прозрачными или непрозрачными, бесцветными или окрашенными, люминесцировать под воздействием, например, ультрафиолетового и g-излучения, пропускать или поглощать ультрафиолетовые лучи и т.д. Наибольшее распространение получило неорганическое стекло, характеризующееся высокими механическими тепловыми, химическими и др. свойствами. Основная масса неорганического стекла выпускается для строительства (главным образом листовое) и для изготовления тары. Эти виды продукции получают преимущественно из стекла на основе двуокиси кремния (силикатное стекло); применение находят также и др. кислородные (оксидные) стекла, в состав которых входят окислы фосфора, алюминия, бора и т.д. К бескислородным неорганическим стеклам относятся стекла на основе халькогенидов мышьяка (As2S3), сурьмы (Sb2Se3) и т.д., галогенидов бериллия (BeFz) и т.д.По назначению различают: строительное стекло (оконное, узорчатое, стеклянные блоки и т.д.), тарное стекло, стекло техническое (кварцевое стекло, светотехническое стекло, стеклянное волокно и т.д.), сортовое стекло и т.д. Вырабатываются стекла, защищающие от ионизирующих излучений, стекла индикаторов проникающей радиации, фотохромные стекла с переменным светопропусканием, стекло, применяемое в качестве лазерных материалов, увиолевое стекло, пеностекло, растворимое стекло и др. Растворимое стекло, содержащее около 75% 3102, 24% Na2O и др. компоненты, образует с водой клейкую жидкость (жидкое стекло); используется как уплотняющее средство, например, для изготовления силикатных красок, конторского клея, в качестве диспергаторов и моющих средств, для пропитки тканей, бумаги и пр. Химический состав некоторых видов стекла приведён в таблице

2. Технология получения стекла

Получение стекломассы включает операции:

а) подготовки сырых материалов;

Сырые материалы, применяемые для стекловарения, делятся на главные и вспомогательные. Последние служат для улучшения качества стекла и получения стекла с особыми свойствами.

Главные сырые материалы содержат кремнезём, борный и фосфорный гидриды, оксид алюминия, оксиды щелочных и щёлочноземельных металлов, оксиды свинца, цинка и др.

Кремнезём, являющийся главной частью стекла, вводится в виде молотого кварца. Пригодность песка для стекловарения определяется содержанием в нём примесей и гранулометрическим (зерновым) составом. Вредными примесями являются прежде всего соединение железа и хрома, придающие желтовато-зелёный цвета. Размер зёрен песка для стекловарения должен находиться в пределах примерно 0,2--0,5 мм.

Оксид алюминия, применяемая в производстве большинства промышленных стекол, вводится с глиной, каолином, гидратом окиси алюминия или в виде чистого глинозёма.

Оксид натрия вводится с кальцинированной содой либо (частично) с селитрой. Оксид калия вводится в виде солей -- кислой или азотнокислой (селитра); применяется главным образом в производство посуды, цветных, оптических и некоторых технических стекол. Оксид лития используется при выработке опаловых и некоторых специальных стекол и даётся в виде содержащих литий минералов.

В стекловарении используются также материалы, содержащие одновременно соответственные горные породы, доменный шлак, стеклянный бой и др.

К вспомогательным сырым материалам относятся осветлители, обесцвечиватели, красители, глушители, а также восстановители (углеродистые вещества).

В качество осветлителей, способствующих удалению из стекла пузырей, применяют в небольших количествах сульфаты натрия и аммония, хлористый натрий, трёхокись и пятиокись мышьяка в сочетании с селитрой, плавиковый шпат.

Предварительная заготовка и формование горла изделия производятся при этом способе прессованием (в черновой форме), а остальная часть изделия -- выдуванием (в чистовой форме).Подготовка сырых материалов заключается в сушке, измельчении в дробилках, просеивании и смешивании в. определённых весовых отношениях. Однородная смесь сырых материалов составляет шихту.

б) смешивания их в определённых соотношениях, в соответствии с заданным химическим составом стекла в однородную шихту;

в) варки шихты в стекловаренных печах для получения однородной жидкой стекломассы.

Стекловарение ведётся при температурах порядка 1400°--1600°. В нём .различают три стадии. Первая стадия -- провар, или варка в собственном смысле слова, когда происходит химическое взаимодействие между составными частями шихты и образование вязкой массы. Так как при нагревании из шихты обильно выделяются газы, то в вязкой массе оказывается огромное количество пузырьков.

Во второй стадии, называемой очисткой или осветлением, происходит удаление пузырьков, а также растворение еще оставшихся нерастворёнными зёрен песка; в этой стадии стекло выдерживается в печи в течение нескольких часов при наиболее высокой температуре.

Третья, заключительная, стадия -- т. и. студка стекломассы, когда она охлаждается до такой температуры (в зависимости от процесса производства и, следовательно, вязкости), при которой становится возможным и наиболее удобным изготовлять из неё те или иные изделия. Варка стекла производится в стекловаренных печах. Выбор того или иного типа печи обусловливается видом применяемого топлива, ассортиментом вырабатываемых изделий, размерами производства и прочее.

Управление современной стекловаренной печью строго контролируется и в значительной мере автоматизировано. Контроль доведён до высокой степени точности.

Процесс варки стекла некоторых видов, например оптического, кварцевого, стеклянного волокна, отличается специфическими особенностями. Так, при производстве оптического стекла, к которому предъявляются особо жёсткие требования в отношении постоянства оптических свойств, однородности, прозрачности и прочее, требуется на всех стадиях варки длительное размешивание массы.

Непрозрачное кварцевое стекло получается путём оплавления кварцевого песка на угольном или графитовом стержне, разогретом электрическим током до 1800°.

3. Получения стеклянных изделий

а) доведения стекломассы до температуры (и вязкости), требуемой условиями формования из неё разнообразных стеклянных изделий;

б) формования изделий;

Формование (иначе --выработка) стеклянных изделий из стекломассы на протяжении тысячелетий производилось вручную. Значительно эффективнее ручного машинное формование. В зависимости от вида вырабатываемых изделий на практике используют несколько способов формования.

1) Прессование применяется в производстве некоторых видов посудных изделий (чайные стаканы, пивные кружки, маслёнки, сахарницы и т. п.),стеклянной тары, архитектурных деталей и др. Оно может быть как ручным, так и машинным. Для ручного прессования служат пружинные или эксцентриковые прессы.

2) Выдувание - специфический метод формования, применяемый в технике только к стеклу. Возможности этого метода весьма широки: производство сортовой (столовой) посуды, узкогорлой тары, электровакуумных изделий и т. д. При производстве не массовых изделий до сих пор применяется ручной способ выдувания. Основным инструментом рабочего выдувальщика является стеклодувная трубка. В течение долгой истории стеклоделия выдувание производилось ртом, ныне сконструированы и применяются «трубки-самодувки». Прессовыдувание применяется в машинном производстве широкогорлой стеклянной тары (банки различных типов).

3) Вытягивание изделий из стекломассы, как и выдувание, -- своеобразный метод формования, применимый только к таким весьма вязким материалам, как стекло, притом с вязкостью, быстро возрастающей при понижении температуры. Методом вытягивания на различных машинах (разными способами) изготовляются: оконное и техническое листовое стекло, стеклянные дроты (трубки малого диаметра), трубы, стержни, стеклянное волокно.

4) Прокатка стекла в её современном виде заключается в том, что струя стекломассы непрерывно поступает из печи в пространство между вращающимися вальцами, где и прокатывается в ленту, убираемую транспортёром. Методом непрерывной прокатки изготовляется листовое сткло, различных видов, преимущественно строительное, толщиной в 3 мми больше:армированное (стекло с закатанной в него металлической сеткой), узорчатое, волнистое (имеющее форму кровельного шифера) и др. Прокатка применяется также в производстве стеклянных труб: стекломасса непрерывно поступает на вращающийся вал и развальцовывается двумя роликами; внутренний диаметр трубы определяется диаметром формующего вала.

5) Отливка стеклянных изделий в формы встречается на практике редко; так изготовляются, например, крупные диски для астрономических приборов. Ведутся опыты по отливке фасонных труб с раструбами и фланцами в быстро вращающиеся формы (способ центробежного литья).

6) Моллирование -- способ образования изделий в формах, при подаче в них стекла в виде твёрдых кусков. В результате постепенного нагревания стекла становится вязким и заполняет форму под действием либо собственного веса, либо внешнего усилия (прессование). Моллированием формуются заготовки из оптического стекла и крупная стеклянная скульптура.

в) постепенного охлаждения изделий до комнатной температуры с целью предотвращения растрескивания стекла;

г) термической, механической или химической (в отдельности либо во взаимном сочетании) обработки отформованных изделий для придания им заданных свойств.

Обработка стекла служит для придания стеклу определенных свойств. Обработка (иначе --отделка) отформованных стеклянных изделий может быть разделена на горячую (огневую), холодную (механическую) и химическую, которые применяются в отдельности либо во взаимном сочетании.

1) Горячая обработка стекла включает отколку, отопку, огневую полировку и другие операции, требующие нагревания изделий. Отколка колпачков, образующихся на выдувных изделиях после выработки в форме, производится посредством надреза алмазом и последующего прогрева изделия у надреза узким пламенем горелки; колпачок отскакивает ,по линии надреза, после чего острые края шлифуются или подвергаются оплавлению вручную, с помощью горелки, или на машинах периодического либо непрерывного действия. Огневая полировка (оплавление поверхности изделий) обычно производится вручную. Закалка стекла. Закалённые изделия термически и механически гораздо более прочны, чем отожжённые. В результате закалки получается небьющееся стекло, применяемое для остекления окон вагонов, автомобилей, самолётов и т. п. Чтобы закалить листовое стекло, его предварительно разогревают до 600°--650°, затем быстро охлаждают в обдувочной решётке путём равномерного обдувания воздухом.

2) К холодной обработке стекла относятся его резка, сверление, шлифовка и полировка. Последние две операции придают стеклу ровную и гладкую поверхность.

Шлифовка -- сначала грубая (обдирка), затем тонкая (дистировка )-- осуществляется с помощью (абразивов и даёт матовую поверхность изделий. Полировка сглаживает микро неровности поверхности, остающиеся после шлифовки, и придаёт стеклу прозрачность и блеск. В производство листового стекла шлифовка и полировка выполняются на одинаковых станках (ручных или конвейерных), только при шлифовке применяется металлический плоский диск, а при полировке -- мягкий (например, суконный) полировальник

3) Химическая обработка применяется для получения при кислотной полировке, клеймении, художественно-декоративной отделке стеклянных изделий. Распространённым методом химической обработки является травление стекла азотобразным фтористым водородом или растворами плавиковой кислоты и её солей. Взаимодействие фтористых соединений со стеклом приводит к образованию нерастворимых и малорастворимых химических соединений, и поверхность изделия становится матовой. При травлении слабыми растворами плавиковой кислоты в смеси с концентрированной серной кислотой на поверхности стекла происходит равномерное образование растворимых соединений, и она становится гладкой и блестящей (кислотная полировка).

4) Старинным способом украшения посуды является живопись по стеклу путём нанесения на него муфельных красок (смеси легкоплавкой глазури и минеральных красок) с последующим обжигом. Для художественной отделки стекла на него наносят также различными способами тончайшие плёнки золота и серебра. Основой химических способов золочения и серебрения стекла является осаждение на поверхности изделий коллоидно-дисперсных частиц металла при его восстановлении из растворов солей. Серебрение, а также алюминирование широко применяются в производстве зеркал.

Каждый год мы выпускаем сотни миллионов квадратных метров оконного стекла. Мало того, из стекла научились делать прочные трубы, стекловолокно, стеклопластик, бронестекло, пустотельные строительные блоки, сложную, термостойкую лабораторную посуду. Стекло успешно конкурирует с металлом. Это очень перспективный материал в самых различных отраслях народного хозяйства.

Огромно значение стекла и в нашем быту - это различная посуда, вазы, зеркала.

4. Применение и виды стекла

моллирование стеклянный гранулометрический

Энергосберегающее (теплозащитное) стекло.

Оно сейчас расходится на ура во всем мире. И неспроста. Зимой энергосберегающие стекла сохраняют тепло, летом - прохладу. Подсчитано: благодаря этим стеклам удается сократить расходы электроэнергии примерно на 30%. И вообще снижение тепловых потерь чудодейственным образом отражается на климате всей планеты - позволяет избежать глобального потепления. Так что, приобретая такие стекла, вы совершаете поступок вселенского масштаба.

Тонированное, цветное и зеркальное стекло.

Тонированное и зеркальное стекло - стекло, имеющее соответствующую пленку. На зеркальное наносится тончайшая пленка из серебра, цветное - может быть за счет пленки или за счет добавления какого-либо красителя в шихту.

Очень популярны сейчас тонированные (с легким оттенком коричневого, зеленого и т.д.), цветные (с ярким насыщенным цветом) стекла и те, что с зеркальным эффектом.

Тонировать стекло, прошедшее отжиг, можно через любой промежуток времени (хоть через год). Делают это так: стекло снова нагревают до 600-700 градусов, потом пульверизатором наносят раствор специальной пленкообразующей соли. В результате химических реакций на поверхности стекла образуются тонкие (до 1 микрона) прозрачные пленки (оксидов металлов). Эта пленка может быть:

токопроводящей,

радиозащитной,

теплопоглощающей (голубая),

теплоотражающей (синяя),

поглощающей УФ-лучи (желтая),

зеркальной (пленка из оксида титана),

солнцезащитной (голубая) - из закиси железа,

декоративной (зеленая) и т.д.

Есть пленки, которые обладают сразу несколькими свойствами. Причем можно наносить пленки сразу после изготовления стекла и после этого направлять его на отжиг.

Тонированные и зеркальные стекла, которые используются в строительстве, придают зданиям респектабельность и солидность. Это - с одной стороны. А с другой - зеркальные стекла тщательно скрывают "внутренности" дома, оберегая вашу личную жизнь. С этими стеклами вам не страшны взгляды зевак и любопытных соседей, которые попытаются рассмотреть поближе, что творится у вас в доме. Эффект от такого стекла замечательный: вас никто не видит, зато вы видите все, что происходит на улице.

А вот тонированные и цветные стекла, из которых делают стеклянные двери и перегородки внутри помещений, придают интерьеру легкую интимность и неординарность, оставляя простор для фантазии дизайнеров.

Узорчатое стекло.

Те, кто считает, что гладкие стекла - это плоско и скучно, кому хочется чего-нибудь эдакого с завитками и загогулинами, могут выбрать узорчатые стекла. Их поверхность щедро украшена всевозможными орнаментами. Сейчас в Европе, например, самый "писк" - стекла с мелким-мелким геометрическим рисунком. Технология эта новая, и поэтому такие стекла стоят в четыре раза дороже обычных узорчатых.

Обычные узорчатые стекла, как мы уже говорили, получаются с помощью метода прокатки еще горячего стеклянного листа через рельефные валики. Но наши умельцы изобретают и свои способы обработки. Например, стекло "мороз" делают так - на стекло наносят силикатный клей, а затем кладут в печь. В результате получается очень похоже на те узоры, что зимой образуются на наших стеклах

Безопасные и прочные стекла.

Если бы наше привычное оконное стекло изобрели только сегодня, то его наверняка бы запретили использовать из-за несоответствия стандартам безопасности. Например, сейчас в общественных местах, где толчется много народа, стараются ставить безопасные стекла.

Самое "древнее" среди них - армированное стекло, внутри которого проходит металлический скелет-сетка.

Закаленное стекло более стойкое, чем армированное, и в 10 раз прочнее обычного. "Закаливающие процедуры" проводят таким образом: горячее стекло сразу после изготовления быстро остужают холодным воздухом. В результате ему не страшны ни мороз, ни жара.

Но самое надежное и безопасное стекло все-таки триплекс. Технология его изготовления примерно следующая. Между двумя листами стекла укладывают полимерную пленку и помещают в автоклав. Пленка сделана из эластичного материала - бутафоля (для самых дотошных читателей приведу название полностью - поливинилбутироль пластифицированный). При температуре выше 100 градусов пленка полимеризуется и, как клей, соединяет два листа. Прочность триплекса на удар в 12 раз превышает прочность обычного листового стекла". Если некто попытается разбить триплекс, бедняге придется нелегко. Но в случае чего осколки не брызнут во все стороны: они повиснут на промежуточной пленке, не причинив вреда. Если пленка цветная, то триплекс получается цветной. Кроме того, такая пленка поглощает тепло или свет. Смотрится такое многослойное стекло как монолит. Еще триплекс поглощает звук. Подсчитано, что в крупных городах нам по ушам бьет не менее 72 разновидностей уличного шума, врывающегося в окна.

Стоит триплекс в среднем 30 - 40$ за кв.м.

Защитное стекло.

Надо сказать, пленкой из полимера возможно склеить не только два стекла. Можно и больше. Хотя оптимальным вариантом пока считается трехслойный триплекс. Дальнейшее склеивание будет лишь удорожать продукт

Стекла класса А (защита от вандализма) дают трещину, только если по ним несколько раз хорошенько ударить кирпичом. (Стоят такие стекла 30 - 120$ за 1 кв.м.) Если у вас стоят стекла, защищающие от проникновения (класс защиты Б), для них нужно что-то посерьезнее кирпича, к примеру, кувалда. Подсчитано, что, пожалуй, с 70-го удара разбить такое стекло все-таки можно. Но пока злоумышленник будет колотить по стеклу, бдительные соседи, по идее, успеют вызвать милицию. Между прочим, владельцы дорогих особняков, не желающие уродовать окна решетками, ставят именно эти стекла. И правильно делают. (Цена на эти стекла 160 - 300$ за 1 кв.м.)

Класс защиты В - пуленепробиваемые стекла. Они стоят от 150 до 1250$ за 1 кв.м.

Стекло - самый перспективный строительный материал нового, ХХI века. Запасы кварцевого песка, из которого стекло делают, не иссякнут практически никогда! А возможностей - уйма. Сейчас изобрели стеклянные гвозди. Прочные, не ржавеют и не гнутся!

Заключение

ХХ век - эра стекла

Сейчас стекло превратилось в привычный и надежный строительный и отделочный материал. И разновидностям его теперь несть числа. При желании можно даже стены и полы из него делать. А что, красиво - гораздо оригинальнее железобетона, правда, значительно дороже.

Со временем изменилась не только технология изготовления стекла, но и состав шихты. Кроме основных компонентов, о которых мы рассказали, в нее может быть добавлено еще более 20 других. В зависимости от них стекло приобретает новые и самые разнообразные свойства. Шихту можно назвать папой и мамой ребеночка-стекла: какие у них качества, такой и ребеночек получится. Кроме того, на обыкновенное стекло делают самые различные напыления. Благодаря этому оно приобретает всевозможные свойства, например, оберегает нас от солнечной радиации и ожогов, а имущество - от выгорания. Ультрафиолет не пропускают стекла, полученные либо методом напыления, либо при варке шихты специального состава (например, стекло с красителем Fe2O3 + FeO).

Поскольку первое листовое стекло было далеко от идеала, пролетарии всех стран бились над тем, как сделать его гладким и ровным. Когда в начале ХХ века придумали метод вытяжки стекла, мастеров-стеклодувов заменили машины.

Процесс вытяжки стекла можно объяснить так: стеклянная масса, постепенно остывая, проходит через целую систему валиков, которые вытягивают будущее стекло. Этот метод позволяет получать тонкие листы стекла достаточно больших размеров, правда, потом их обязательно нужно отшлифовать и отполировать. Большинство отечественных заводов сегодня делают стекло именно этим методом.

Но такое стекло тоже не очень ровное и допускает искажение изображения.

Список литературы

1. Айрапетова Г.А., Несветаева Г.В. Строительные материалы. Учебно-справочное пособие (Серия «Строительство».) - Ростов Н/Д: изд-во «Феникс», 2004. - 608с.

2. Горчаков Г.Н. Баженов Ю.М. Строительные материалы. Учеб. Для вузов. (ред. Строительные материалы и конструкции) - М.: Строиздат, 1986. - 688с.

3. Домокеев А.Г. Строительные материалы. Учебник. - М.: Высш. школа, 1982. - 383с.

Размещено на Allbest.ru