Стеклами называются все аморфные тела, получаемые путём переохлаждения расплава и обладающие, в результате постепенного увеличения вязкости, свойствами механических твёрдых тел. Главные составные части стекла кремнезём, окись натрия и окись кальция. Количество возможных соединений исключительно велико. Почти все химические элементы применяются для придания стеклу тех или иных свойств. Особенно сложный состав имеют стекла, применяемые в оптике и для технических целей. Химический состав стекол, идущих на изготовление зеркал, посуды и на остекление окон, значительно проще. Они состоят из сплавленных солей: натрия, кальция, магния и свободной двуокиси кремния.
Из истории развития производства стекла
Производство стекла известно с глубокой древности. Установлено, что ещё за 3000 лет до нашей эры египтяне, а так же жители Месопотамии изготовляли из стекла украшения и предметы обихода. Значительный расцвет стеклоделия наступил в Средние века. Изобретение Ф. Сименсом (1850) регенеративного способа отопления стекловаренных печей, а затем (1870) создание им ванной печи (бассейна, вместо отдельных горшков) внесли в технологию и экономику стекольного производства существенные сдвиги. Однако до конца 19 в.С.п. базировала своё производство исключительно на ручном труде.
Добавки
Для получения большего блеска в состав (посудного) стекла часто вводят окиси свинца, бария и калия. Стекло содержащее окись свинца и калия, называется хрусталём. Оптические стекло, содержащие окись свинца, носят также название флинтглас, или сокращённо «флинт». При введении в состав стекла больших количеств окиси бария они приобретают оптические свойства, близкие к свойствам свинцового стекла, и поэтому их часто называют баритовыми флинтами. Классифицируется:
- По химическому составу;
- По способу получения готовых изделий;
- По области их применения.
Разделение стекла на группы по химическому их составу производится в зависимости от содержания в них соединений кремния, алюминия, бора или фосфора. В пределах основных групп стекло разделяются на подгруппы по наличию в их составе тех или иных щелочных или щелочноземельных металлов. Затем стеклянные изделия могут разделяться по способу производства:
- На выдувные (бутылки, хозяйственная и лабораторная посуда и т. д.);
- Вытянутые (листовое);
- Прессованные и т. д.
Процесс образования стекла
Процесс варки стекла продолжается до возможно полного удаления газовых пузырьков из стекломассы. После этого температура понижается, и стекломасса поступает для изготовления стеклянных изделий путём выдувания или прессовки. Горшковые печи служат для изготовления стекла сложного состава (оптического, цветного, светотехнического, молочного, термометрического, хрусталя и термостойкого стекла). В настоящее время проводятся опытные работы по варке цветных и светотехнических стекол в ванных печах.
Ванные печи
В ванных печах процесс варки стекла протекает непрерывно. С одного конца печи непрерывно или через небольшие промежутки времени загружается шихта, на другом конце печи непрерывно вырабатывается стекломасса. Для устранения попадания непроварившейся ещё шихты в выработочную часть печи, а также в целях снижения температуры стекломассы для возможности обработки стекла печи обычно разделяются на 2 части. Посредством экранов и установки поплавков (заградительных лодок) или же путём устройства протока. В последнем случае достигается более полное разделение варочной части печи от выработочной.
Подготовка сырья
Исходным сырьём для получения стекла служат:
- Песок, сода, поташ;
- Углекислые соли кальция (известняк—мел), магния, свинца, бария, цинка;
- Борная кислота и окись свинца;
- Окись алюминия, сильно повышающая химическую устойчивость, вводится в виде полевого шпата, пегматита или же глины.
Необходимое для приготовления стекла сырьё предварительно измельчается, если надо, то подсушивается песок и просеивается через сита. Затем отвешенные количества отдельных компонент тщательно перемешиваются и готовая смесь (шихта) помещается в стекловаренную печь.
Варка стекла производится в Горшковых или ванных печах. Как показывает само название печей, варка ведётся или в отдельных горшках, изготовленных из огнеупорной массы и обожжённых при высокой температуре (t°), или же в бассейнах (ваннах), занимающих всё пространство печи.
Горшковые печи
Горшковые печи работают периодически. Засыпка шихты производится обычно в несколько приёмов. По мере повышения температуры шихта превращается в расплав, как и ванных печах. Для получения искусственного газа применяют дрова, торф, каменный и бурый уголь. Для газификации применяют генераторы разных систем. В последние годы стекло плавят в электрических печах. Контроль температуры в печах осуществляется с помощью термопар. В последнее время удачно проведены опыты автоматического управления тепловым режимом печей. Распределение t» по печи обычно следующее:
- В зоне максимальной — около 1.430—1.500°;
- В зоне выработки—около 1.100—1.200°.
В зависимости от конструкции печи и типа стекол эти цифры соответственно видоизменяются. Так, например, при варке очень тугоплавкого стекла, идущего для изготовления мощных электроламп, температура варки возрастает до 1.550—1.000 . Основная масса стеклянных изделий изготовляется механизированным путём. Созданы специальные автоматы для прессования, выдувания и вытягивания. Большинство бутылок вырабатывается на автоматах.
Типы стекол
Листовое
Такие типы вырабатываются исключительно механизированным путём. Машины Фурко вытягивают стекло из канала, представляющего собой длинный механизм, погружающий лодочку в стекло. Вальцы, подающие ленту стекла вверх бассейна с расплавленным составом, соединённым с основной печью (варочной её частью) узким протоком. Стекло вытягивается в виде бесконечной ленты определённой ширины, причём для формования ленты служит погружаемая в стекломассу лодочка-поплавок со щелью в середине. Над щелью лодочки, через которую вытягивается стекло, расположена машина Фуpкo, снабжённая вращающимися валиками, служащими для подъёма ленты стекла вверх. В верхней части машины производится отрезка уже готовых листов.
Зеркальное
Зеркальное стекло вырабатывается большей частью литьём из горшков. Состав стекла обычного выливают из горшка на литейный стол и разравнивают тяжёлым катком. Полученное таким образом стекло подвергают механической обработке на конвейерной установке или же на больших индивидуальных станках (шлифовка и полировка). Сейчас освоено производство толстых зеркал по методу непрерывного вытягивания на машинах Фурко.
Цветное стекло
Изделия из цветного стекла вырабатываются, за исключением прессованных изделий и бутылок, ручным способом. Варка цветных стекол, так же как и оптических, представляет наиболее трудную задачу. Самое трудное это получить стекло строго определённого оттенка. Ещё более сложная задача это получить стекло с заданной заранее избирательностью по отношению к определённым частям спектра. Такие изделия характеризуются кривой поглощения или пропускаемое, т. е. избирательным поглощением света. Окраска массы производится введением в него красящих окислов, образующих силикаты, в большей или меньшой степени диссоциированных на ионы.
Или же за счёт образования пирозолей, коллоидных растворов золота, серебра, меди, сульфидов и селенидов кадмия. Получение коллоидно окрашенных стекол очень сложно в виду изменения цвета в зависимости от концентрации дисперсной фазы, степени дисперсности состава. Почти все красные и жёлтые стёкла коллоидно окрашены. Для уничтожения механических натяжений и установления структурного равновесия все изделия из стекла немедленно после их изготовления подвергаются термической обработке (отжигу). Для этого служат специальные тепловые установки—опечки, тягуны или леры (особые туннельные печи).
Контроль свойств
При производстве листового изделия отжиг производится в самой машине (шахта Фурко). Плохо отожжённые изделия легко разрушаются при резких изменениях t°, иногда даже без всякой видимой причины. Механическая прочность их также невелика. Для контроля отжига используют специальные приборы (полярископы). Эти приборы указывают на наличие явлений двойного лучепреломления в местах плохого отжига. Особенно хороший отжиг необходим при изготовлении стеклянных изделий для оптических приборов, так как плохо отожжённые стекло имеют не одинаковый показатель преломления в отдельных частях изделия.
Физические и физико-химические состав тугоплавкого стекла изменяются в зависимости от его состава. Константы для некоторых свойств характеризуются специальной таблицей. Так как механическая прочность определяется весьма небольшой величиной сопротивления изгибу и растяжению, то возникла мысль создать сжатие стекла в процессе его изготовления для повышения его прочности. Это достигается нагреванием изделия до точки размягчения и резким ого охлаждением. Такое стекло называется закалённым, или сталинитом. Сопротивление на изгиб и разрыв этого стекла в 5—8 раз выше, чем у обычного.
Очень сильно изменяются механические свойства при вытягивании в тонкие нити. Сопротивление растяжению возрастает с уменьшением диаметра нити. Так, например, у нитей с диаметром в 5 мм оно выражается в 200—350 кг/мм2 вместо обычных 2—5 кг/мм 2 . На этом основано получение стеклянного волокна, ткани, ваты и т. д.
Безосколочное стекло
Современное развитие техники вызвало к жизни появление таких видов продукции, как безосколочное стекло «триплекс» для лобового стекла автомобилей. Сигнальные линзы для автоблокировки, колбы для радиоламп, водомерные стёкла и дюрансы для 120—150 атм. Давления. Стёкла с высокой механической прочностью, жароупорная посуда, стеклянное волокно и стеклянная ткань, стеклянные блоки, радиаторы и Т.Д.
Вредная для человека пыль
Процессы дробления, размалывания, перемешивания составных частей шихты для получения стекла сопровождаются выделением значительных количеств пыли. Особенно много её выделяется при выполнении этих операций вручную (до многих сотен мг на 1 м 3 воздуха). В механизированных производствах количество выделяющейся пыли гораздо ниже. Пыль эта содержит значительные количества окиси кремния (SiO), что при отсутствии соответствующих мероприятий создаёт угрозу развития у рабочих специфической болезни лёгких (силикоза). При составлении шихты для специального состава кварцевого стекла имеется опасность отравления свинцом и мышьяком. Особенно опасен размол мышьяка на бегунах.
Охрана труда
Оздоровительные мероприятия:
- механизация и герметизация производственных процессов и транспортировки материалов и готовой шихты;
- устройство местной отсасывающей вентиляции;
- замена свинцового сурика кальцием и магнием;
- применение комового мышьяка, загружаемого непосредственно в печь.
Радикальным мероприятием по улучшению условий работы на стекольном производстве является переход на механизированное изготовление стекла, что осуществлено на крупных заводах и что сразу устранило причины проф. болезней стеклодувов.
В механизированных помещениях, где установлены стеклоплавильные печи и производится изготовление стекла, устраивают естественную вентиляцию (аэрация), изолируют излучающие поверхности и т. д. В не механизированных гутах, наряду с этим, у мест работы стеклодувов устраивают:
- Местную обдувающую вентиляцию (воздушные души);
- Щитки у окошек печи с приспособлениями для их подъёма;
- Проводят рациональный режим труда (кратковременные перерывы в работе);
- Снабжение рабочих подсоленной питьевой водой;
- Применяют гидропроцедуры (души, обливания, обтирания);
- Для защиты глаз от воздействия инфракрасных лучей необходимо ношение очков со стёклами ТИС (кобальтовые), поглощающими эти лучи;
- Из других оздоровительных мероприятий следует указать на механизацию резки оконного стекла и механизацию его транспорта;
- Правила устройства, содержания и безопасности работ на стекольных заводах предусмотрены в законодательстве (КЗОТ).
