Методы получения стекла

Реферат на тему плавленые материалы

Иркутск

2012г.

СОДЕРЖАНИЕ

1. СТЕКЛО.. 3

1.1 Сырье для получения. 6

1.2 Методы получения стекла. 8

1.3. Виды стекла. 11

1.3.1. Листовое и отделочное стекло. 15

1.4. Изделия из стекла. 17

2. Ситаллы и шлакоситаллы.. 22

3. Каменное литье. 23

СТЕКЛО

Стеклами называют переохлажденные жидкости, не успевшие при остывании перейти в кристаллическое состояние. Иными словами,
стекла – это жидкости, имеющие бесконечно большую вязкость. По-
следнее и придает им многие свойства твердого тела. В отличие от
истинно твердых тел стекла при нагревании не плавятся, а размягча-
ются, постепенно переходя в пластичное, а затем и в жидкое состояние.
При (охлаждении процесс идет в обратной последовательности. Еще
одна отличительная черта стекол — изотропность — одинаковость
свойств во всех направлениях.

Способность к образованию стекол характерна для многих мине-
ральных и органических веществ. Наиболее ярко эта способность
выражена у диоксида кремния (Si0₂) и соединений на его основе —
силикатов к которым относится большинство природных минералов.
В стеклообразном состоянии могут находиться и многие другие мате-
риалы, например, полимеры (всем известен термин «плексиглас» —
органическое стекло). В последние годы даже металлы удалось получить
в стеклообразном состоянии.

Стекла по сравнению с кристаллическими веществами обладают
повышенной внутренней энергией (скрытой энергией кристаллиза-
ции), поэтому вещество в стеклообразном состоянии метастабилъно
(термодинамически не устойчиво). Из-за этого обычное стекло при
некоторых условиях, а иногда и самопроизвольно начинает кристал-
лизоваться (этот процесс в стеклоделии называют «зарухание» или
расстекловывание). Расстекловывание является браком стеклоизделий.

Этот же процесс, но проводимый направленно с целью частичной
или полной кристаллизации расплава, используется для получения
стеклокристаллических материалов — ситаллов и каменного литья.

В строительстве, за малым исключением, применяют силикатное
стекло получаемое в промышленных масштабах из простейшего ми-
нерального сырья: кварцевого песка, мела, соды и других компонентов
(далее вместо термина «силикатное стекло» будет использоваться тер-
мин «стекло»).

Прозрачность и возможность окраски стекла в любые цвета, высо-
кая химическая стойкость, достаточно высокая прочность и твердость,
электроизоляционные и многие другие ценные свойства делают стекло
незаменимым строительным материалом. Его используют не только
для сооружения светопрозрачных конструкций (окон, витражей, фо-
нарей), но и как конструкционный и отделочный материал. В совре-
менном строительстве высотные здания часто имеют фасады, пол-
ностью выполненные из стекла с улучшенными декоративными, све-
тоотражающими и теплозащитными свойствами. Кроме того, из стекла получают различные стеклоизделия (блоки, трубы, стеклоирофилит),
эффективные теплоизоляционные материалы (пеностекло и стеклян-
ную вату), а также стекловолокно и стеклоткани.

Стекла встречаются в природе в виде бесформенных непрозрачных
кусков — например, вулканическое стекло обсидиан. Первые сведения
о получении стекла человеком относятся к третьему-четвертому тыся-
челетию до н. э. Те стекла были непрозрачными (глухими) наподобие
керамической глазури. Они варились в небольших тиглях и использо-
вались как украшения.

Коренное изменение в производстве стекла произошло на рубеже
нашей эры, когда были решены две важнейшие проблемы стеклоделия
иарка прозрачного бесцветного стекла и формование изделий с
помощью стеклодувной трубки. Первые листовые стекла получали,
разрезая и распрямляя стеклянные цилиндры, формуемые выдуванием
(их называли «халявы»). В XVII в. началось производство листового
зеркального стекла отливкой на медные плиты. Массовое производство
листового стекла большого размера стало возможным в конце XIX —
начале XX в., когда появились большие ванные печи и новые методы
выработки стекла.

Необходимо отметить, что на процесс стекловарения расходуется
очень много энергии, и при этом в атмосферу поступает много вредных
выбросов. Поэтому и экологически, и экономически целесообразно
вырабатывать стеклоизделия из вторичного сырья (стеклобоя, стеклян-
ной посуды и т. п.). Это оценили в большинстве стран Западной
Европы, где до 80 % стекла получают именно таким образом.

Сырье для получения

Современное стекольное производство включает в себя три этапа:
подготовка сырья, стекловарение и формование стеклоизделий.

Подготовка сырья. Химический состав обыкновенного оконного
стекла но основным оксидам следующий: Si0₂ — 71...72 %; Na₂0 —
15...16 %; CaO — 5...7 %; MgO-3...4%; А1₂0_} - 2...3 %; содержание
FeaOj не более 0,1 %, гак как оксиды железа придают стеклу зелено-
вато-коричневый («бутылочный») цвет и снижают свстопропускание.
Основные оксиды вводятся в сырьевую шихту в виде следующих
веществ.

Кремнезем (Si0₂) вводят в виде кварцевого песка, молотых кварци-
тов или песчаников. Основное требование к кремнеземистому сырью
— минимальное количество примесей, особенно оксидов железа. Это
основной стеклообразующий оксид, повышающий тугоплавкость и
химическую стойкость стекла.

Глинозем (А1₂0₃) поступает в сырьевую шихту в виде полевых шпатов
и каолина. Его влияние на свойства стекла аналогично действию Si0₂.

Оксид натрия (Na₂0) вводят в стекло в виде соды и сульфата натрия.
Na₂0 понижает температуру плавления стекла, повышает коэффициент
термического расширения и уменьшает химическую стойкость.

Оксид кальция (СаО) и магния (MgO) вводят в стекольную шихту в
виде мела, мрамора, известняка, доломита и магнезита. Эти оксиды
повышают химическую стойкость стекла.

В специальные стекла вводят оксиды бора, свинца, бария и др.

Вспомогательные сырьевые материмы делят по своему назначению
на следующие группы: осветлители — вещества, способствующие уда-
лению из стекломассы газовых пузырей; обесцвечиватели — вещества,
обецвечивающие стекольную массу; глушители — вещества, делающие
стекло непрозрачным.

Красители для стекла могут быть молекулярными, полностью рас-
творяющимися в стекломассе, и коллоидными, равномерно распреде-
ляющимися в стекломассе в виде мельчайших (коллоидных) частиц. К
первым относятся соединения кобальта (синий цвет), хрома (зеленый),
марганца (фиолетовый), железа (коричневый и сине-зеленые тона), а
ко вторым — металлическое золото (рубиновый), серебро (желтый),
селен (розовый).

Перед варкой стекла сырьевые материалы измельчают, тщательно
смешивают в требуемых соотношениях, брикетируют и подают в
стекловаренную печь.

Методы получения стекла

Стекловарение. Обычное стекло получают в непрерывно действу-
ющих ванных печах с полезным объемом до 600 м³ и суточной
производительностью более 300 т. Для варки специальных (оптических,
цветных и др.) стекол применяют периодически действующие ванные,
а также горшковые печи.

Стекловарение — главнейшая операция стекольного производства.
На первой стадии этого процесса — силикитообразовании ■— щелочные
компоненты образуют с частью кремнезема силикаты, плавящиеся уже
при 1000...1200° С. В этом расплаве при дальнейшем нагревании рас-
творяются наиболее тугоплавкие компоненты Si0₂ и А1₂0₃. Образую-
щаяся при этом масса неоднородная по составу и насыщена газовыми
пузырьками.

Удаление пузырьков и полная гомогенизация расплава осуществ-
ляется на второй наиболее длительной стадии стекловарения — стек-
лообразовании — при температуре 1400... 1600° С. Третья заключитель-
ная сталия — студка — охлаждение стекломассы до температуры, при
которой она приобретает оптимальную для данного метода формования
стеклоиздслий вязкость.

Формование. Метод выработки (формования) зависит от вида из-
делия. Для получения строительного стекла используют вытяжку,
прокат, прессование.

При охлаждении стекла вследствие низкой его теплопроводности
в нем возникают большие градиенты температур, вызывающие внутренние напряжения. Наиболее опасным моментом с этой точки зрения является переход стекла от вязкопластического состояния к хрупкому, поэтому для снятия внутренних напряжений после формования производят отжиг — охлаждение по специальному режиму:

Быстрое до начала затвердевания стекломассы, очень медленное в опасном интервале температур (600..300° С) и вновь быстрое до нормальной температуры.

Основной вид строительного стекла — листовое. С начала XX в. большая часть листового стекла стала производиться (а в России производится и до сих пор) методом вертикального вытягивания на машинах ВВС (рис. 6.1).

Р и с. 6.1. Машина вертикального вытягивяния стенда:

1 — стекломасса: 2 — лодочка. 3 — холодильники; 4 — шахта машины; 5 — тянущие валки; 6— скаты для удаления бок; 7— отломочная площадка

Гак получают стекла толщиной до 6 мм. Суть метода сводится к следующему. Лента стекла формуется из стекломассы лодочкой (шамотным брусом с прорезыо), удерживаемой на надлежащем уровне штангами. Стекломасса выдавливается в щель лодочки и оттягивается вверх валками машины в виде ленты шириной до 4,5 м. Скорость вытягивания достигает 2 м/мин. Проходя между холодильниками Jot лодочки до первой пары валков, стекломасса охлаждается настолько, что становится твердой и валки не оставляют на ней отпечатков (1 зона). Далее стекло валками 5 подается в шахту высотой 5—7 м. В нижней части шахты производится отжиг стекла (II зона). В верхней части стекло охлаждается окончательно и, выходя на отломочную площадку 7, нарезается на требуемые размеры.

В 1959 г. появился новый способ получения высококачественного стекла — флоат-метод (от англ. float — плавать), при котором горячая стекломасса выливается на поверхность расплавленного металла (обычно олова) и формуется на нем. Производительность таких установок до 3...4 тыс. м'/ч. Размер листов: ширина до 3 м; толщина от 2 до 25 мм. Преимущества флоат-метода — стабильная толщина листа и высокое качество поверхности, не требующее дальнейшей полировки. В Европе большая часть стекла вырабатывается именно этим методом.

Виды стекла

Основной вид стекла, применяемый в строительстве,— листовое стекло, используемое для остекления оконных и дверных проемов, витрин и т. п. Наряду с этим все шире развивается выпуск листового стекла со специальными свойствами, например, теплопоглощающего, светоотражающего, увиолевого, защитного, декоративного и др.

Листовое оконное стекло вырабатывается шести марок толщиной 2; 2,5; 3; 4; 5 и 6 мм. Ширина листов — 250... 1600 мм, длина — до 2200 мм. Масса 1 м² — 2...5 кг. Светопропускание — не менее 87 %. К дефектам оконного стекла относятся газовые включения (пузырьки), свиль и «полосность» (неровность поверхности).

Витринное стекло — листовое стекло толщиной 6... 10 мм и размером до 3500 х 6000 мм. Витринное стекло, как правило, делают полированным.

Светорассеивающее стекло пропускает свет, но не дает сквозной видимости. Оно может быть матовое или узорчатое. Матовое получают пескоструйной обработкой или обработкой в парах плавиковой кислоты (HF). Узорчатое получают методом горизонтального проката на фигурных вальцах. Оригинальный метод используется для получения стекла под названием «мороз»: узор получается при помощи столярного клея, наносимого на поверхность стекла.

Увиолевое стекло — стекло, пропускающее большую долю ультра-фиолетовых лучей (45...75 %), получают из сырья с минимальными примесями оксидов железа, хрома и титана. Такие стекла применяют в лечебных учреждениях, для остекления оранжерей и т.п.

Специальное листовое стекло или функциональное стекло не только пропускает свет, но и выполняет другие важные функции:

• теплоизоляция зимой и теплозащита летом;

• звукоизоляция и защита от утечки информации;

• защита от механического разрушения;

• создание декоративного эффекта.

Теплоизоляционные стекла отличаются от обычных тем, что благодаря специальному тонкому покрытию на внутренней стороне стекла они снижают долю теряемого через стекло тепла путем отражения инфракрасной части спектра («тепловых лучей») обратно вовнутрь
помещения. Светопропускание таких стекол немного ниже, чем у обычных,— 72...79 %.

Теплозащитные (солнцезащитные) стекла выполняют обратную функцию: они отражают часть падающей на них лучистой энергии, не пропуская ее в помещение. Это достигается двумя методами:

• на поверхность стекла наносится тончайший металлический слой, работающий, как зеркало;

• на поверхности стекла создастся слой из оксидов металла, задерживающий часть солнечных лучей и придающий стеклу серый,
зеленоватый или бронзовый оттенок.

Защитные стекла— стекла с повышенными прочностными свой-ствами, не раскалывающиеся на опасные остроугольные осколки. Для получения стекол, более прочных и безопасных по сравнению с обычным листовым стеклом, существует несколько способов.

Закаленное стекло получают специальной термической обработкой стекла. При этом в нем создаются сжимающие напряжения, за счет чего повышается прочность на изгиб в 5...8 раз и прочность на удар в 4...6 раз. При разрушении такое стекло распадается на мелкие (5... 10 мм) кусочки кубической формы, безопасные для человека. В строительстве такие стекла применяют для устройства прозрачных дверей, перегородок и т. п.

Армированное стекло получают путем запрессовки в расплавленную стекломассу во время ее проката чистой сетки из хромированной стальной проволоки. Эта сетка удерживает осколки стекла при его повреждении (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Стекло, армированное проволочной сеткой

Ламинированное стекло (от лат. lamina — слой) реализует парадоксальную идею упрочнения стекла с помощью эластичной полимерной пленки, запрессованной между слоями стекла. При ударе по стеклу в нем возникает трещина, идущая в глубь стекла. Когда трещина встречает на своем пути полимерную пленку, последняя, деформируясь, поглощает энергию развития трещины и останавливает сс. При этом внутренняя часть стекла остается целой. Такие стекла получили название «триплекс».

Подобный композиционный листовой материал из трех слоев
стекла и двух слоев полимерной пленки делает стеклопуленепробиваемым.

Самые современные варианты специальных стекол изготовляют
таким образом, что функциональные слои (светоотражающие, тепло-защитные и т. п.) наносятся на полимерную пленку, и они оказываются внутри слоистой конструкции, защищающей их от повреждения. Такой метод и более технологичен, так как напыление слоев металла или оксидов проще производить на полимерную пленку, чем на лист стекла.

Поиск по сайту: