Годен в 1839 р виготовив з
прозорого і непрозорого квар-
цевого скла нитки, кульки і
інші дрібні вироби і описав
деякі властивості отриманих
матеріалів. організація про-
промислово виробництва відно
сится до початку нинішнього століття,
коли були запропоновані «класси-
етичні »способи тигельної і стер-
жневой плавки і газополум'яної
обробки, що застосовуються на-
ряду з новими методами в раз-
особистих технологічних і конст-
руктівних варіантах до настоя-
ного часу.
Технологія кварцового скла
в усіх відношеннях, починаючи з
застосовуваного сировини і його обога-
щення, отримання розплаву і
закінчуючи формуванням, різко отли-
чає від технології многоком-
понентних силікатних стекол.
Це пов'язано з високою темпера-
турою плавлення чистого кремені
зема, виключної в'язкістю
розплаву, неможливістю його
освітлення шляхом конвекції і
механічного перемішування, а
також сильним випаровуванням рас
плаву при підвищенні температу-
ри. Тому способи отримання
прозорого кварцового скла
засновані на тому, щоб не допус-
тить утворення міхурів в роз-
плаву. Для цього застосовують осо-
бою сировину і спеціальні методи
плавки, пов'язані з вакуумом і
підвищеним тиском, викорис
товують високотемпературні електро-
тричних, газові та плазмові
печі складної конструкції, але
порівняно невеликого обсягу,
спеціальні вогнетриви, а виро
лія формують способами і маши-
нами, розрахованими на створення
великих зусиль в короткий про-
проміжок часу.
Прозоре технічне і оптичне скло. Ці види скла по-променя двома принципово різними способами: ЕЛЕКТРОТЕРМ-ного (зокрема вакуум-компресійним) і газополуменевим. Сирь третьому служать гірський кришталь, штучні кристали кварцу або гранульований жильний кварц, з яких після дроблення і киць-лотной обробки отримують крупу розміром 0,1-0,4 мм, що містить не менше 99,99 травні. % БЮГ.
Вакуум-компресійний спосіб полягає в тому, що плавку ведуть в замкнутому просторі спочатку в вакуумі з метою відкачки повітря та інших газів з проміжків між зернами, а після утворення розплаву вакуум замінюють надлишковим тиском, створюваним інертний-ним газом, що сприяє стисненню газових бульбашок і розчиненню
їх в розплаві. З метою спрощення конструкції печей часто обме-ються атмосферним тиском (вакуум-атмосферне спосіб).
V Плавку проводять в електричних печах - тигельних індукційних або стрижневих печах опору. Останні можуть мати непо-ресувні, поворотний або обертається уздовж поздовжньої осі корпус (роторні печі). Тиглі і стрижні виготовляють з чистого щільного графіту. Харчування електроенергією тигельних печей здійснюють від лампових або машинних генераторів, потужністю 100-200 кВт, стерж-невих- від спеціальних трансформаторів потужністю 50-150 кВт з широким діапазоном регулювання напруги під навантаженням. В по-останньої час часто застосовують тигельні печі опору з трьох-фазним розрізним нагрівачем, що має нульову точку внизу (рис. 21.4, а). Схема вакуум-компресійного установки представлена на рис. 21.4,6. Вакуум в печах створюють олійними вакуумними насосами високої продуктивності. Залишковий тиск на початку вакуумно-го періоду плавки становить 0,01-1 Па, але потім воно підвищується внаслідок випаровування кремнезему, а також виділення окису вуглецю в результаті взаємодії розплаву з тиглем
ЗЮ2 + ЗС- ^ НС + 2СО. (21.1
Разом з тим ця реакція є технологічно корисною при плав-ке в стрижневих печах, так як утворюються гази відокремлюють наплав-ний блок від нагрівача, що дозволяє вільно видалити останній з печі після плавки.
У компресійний період плавки надлишковий тиск до 1-2,5 МПа створюють інертним газом. В результаті плавки, що триває від 3 до 5 год, наплавляються блоки різної конфігурації масою 15-40 кг. Скло, що наплавляється цим способом, практично не містить гідро-ксільних груп і не має смуги поглинання 2720 нм.
Газополум'яний спосіб полягає в тому, що кварцову крупку неодмінно-ривно або імпульсами подають в факел многосопловой воднево-киць-лородной пальника із зовнішнім змішуванням газів, в якому вона нагріву-ється, потім падає на поверхню скла і прилипає до неї. На по-поверхні скла зерна нагріваються до температури плавлення, пла-вятся, перетворюючись в краплі, які потім зливаються між собою і з масою скла, поступово утворюючи блок прозорого кварцового скла. Якщо між окремими краплями утворюються газові порожнини, то вони в процесі в'язкої течії скла зменшуються в розмірі і за-пливают.
Час плавлення сильно залежить від температури розплаву і роз-ра зерен. При 2100 ° С теоретично час процесу наплавлення стек-ла з зерен розміром 0,2-0,5 мм складає 1-2,5 с відповідно, а при 2200 ° С воно знижується в 2,5 рази.
У сучасних газових печах швидкість наплавлення становить не-скільки кілограмів в 1 ч, розміри виробів досягають 1,5-2 м і мас-са багатьох сотень кілограмів. Скло, спрямоване цим способом, з-тримає кілька гідроксильних груп (0,02-0,04 травні.%), Що викликають смугу поглинання 2720 нм.
Одна з конструкцій газових печей показана на рис. 21.5. Водень і кисень, необхідні для процесу, отримують одночасно елект-Роліз води під тиском в електролізерах фільтр-прессной типу. Водень при спалюванні в кисні дає чисте, не коптить полум'я з високою температурою (розрахункова температура горіння стехіометріче-ської гомогенної суміші становить 2810 ° С, а фактично в факелі горе-лок різної конструкції температура досягає 2100-2500 ° С), високою теплотворною здатністю (242 кДж / моль), що забезпечує ефективне наплавление якісного кварцового скла, а також виконання кварцедувних робіт і зварювання. Тому газові станції з виробництва водню і кисню є обов'язковою частиною підприємств з виробництва прозорого і особливо чистого скла.
Особливо чисте скло. У зв'язку
з потребою радіоелектроні-
ки, прецизійного пріборостро-
ення, лазерної техніки та атомної
енергетики в кварцовому склі,
володіє особливою хімічною
чистотою, високою однорідністю,
радіаційною стійкістю і лу-
чевой міцністю, прозорістю
в короткій ультрафіолетовій
області спектра і іншими спе-
соціальними властивостями, розробити конструкцію
тани і широко застосовуються прин-
ціпіально нові методи отриман-
ня кварцового скла.
Перш за все це відноситься
до методу високотемпературного
парофазного синтезу з тетрахло-
ріда кремнію в воднево-кисло
рідному полум'я по результірую-
щей реакції
Суть методу полягає в
тому, що парогазову суміш, сос
тоящую з парів тетрахлориду та
осушенного кисню, подають в
факел воднево-кисневого
полум'я, що утворюється пальником з
зовнішнім змішанням газів, изго-
лення з прозорого кварце-
вого скла. Факел полум'я яв-
ляется одночасно джерелом необхідного тепла і реакційної
зоною процесу, так як пари води, які утворюються в результаті сгора-
ня водню в кисні, безпосередньо використовуються для реакції
гідролізу.
В результаті гідролізу утворюються лінійні молекули О - О, які потім полімеризуються і конденсуються в найдрібніші частини-ці аморфного двоокису кремнію, осідають на підкладці з квар-цевого скла з подальшим розплавленням і утворенням моноліт-ного блоку зі склоподібного кремнезему. важливою технологічною
і енергетичної особливістю є проведення процесу наплав- лення при значно нижчій (в порівнянні з плавленням мак-рочастіц кристалічного кремнезему) температурі, так як темпера-туру плавлення знижується зі зменшенням розміру частинок під впливав-ням капілярного (лапласовского) тиску
де 0 - поверхнева енергія; г - радіус викривлення.
Для опуклої поверхні частинки АР завжди позитивно і викликаючи »ет зниження температури плавлення, кількісно виражається рівнян-ням
ДГ = 2аМТ / г<И, (21.4)
де а - поверхнева енергія, Дж / м 2; М - молярна маса, кг / моль; Т - температу-ра плавлення в макрооб'ємів, К; г - радіус частинок, м; й - щільність, кг / м 3; Ь - прихованої-тая теплота плавлення, Дж / моль.
Для кремнезему при відносно невеликій Ь цей ефект особ-но значний.
Теоретично для частинок кремнезему молекулярно-колоїдної ді-сперсності зниження температури освіти скла має состав-
Тому для потреб напівпровідникової техніки і інших цілей раз-роблені методи отримання безгідроксільного особливо чистого скла. Один з методів - плазмохімічний синтез - заснований на прямому окисленні тетрахлорида кремнію в кисневій низькотемпературній плазмі:
Метод полягає в тому, що парогазову суміш подають в факел низькотемпературної кисневої плазми, створюваної високочастотн-ним плазмотроном; утворюється тонкодисперсна двоокис кремнію конденсується і плавиться на підкладці, даючи в результаті блок квар-цевого скла.
На сучасних установках, обладнаних пристроями для неї-централізації хлору і живляться від високочастотних генераторів мощ-ністю 100-150 кВт, наплавляються блоки масою до 150-200 кг.
Високоякісне безгідроксільное скло наплавляют також з добірної кварцової крупки в азотної або повітряної нізкотемператур-ної плазмі. Швидкість наплавлення в печах, що працюють за цим спо-собу, досягає 2 кг / ч, а маса блоків перевищує 100 кг.
Інший метод полягає в напиленні особливо чистої двоокису кремнію на графітову оправлення в процесі парофазного синтезу з по-наступним заскловування в електричних вакуумних печах при 1600-1650 ° С. Цим способом можна одержувати як масивні вироби, так і безпосередньо тиглі і чаші діаметром до 250-300 мм.
Отримання особливо чистого скла можливо також із синтетичної двоокису кремнію шляхом її термообробки і плавлення в вакуум-ком прессіонних печах. Використання синтетичної 8Ю2 дає скло ви-сокого якості і разом з тим цей процес не пов'язаний з виділенням таких токсичних речовин, як хлористий водень або хлор.
Безгідроксільное особливо чисте скло є самим здійснений-ним, «універсальним» склом, в найбільшою мірою реалізують теоретичні можливості структури склоподібного кремнезему.
Леговане скло. Найбільше застосування поки отримало стек-ло, леговане 9-10% по масі ТЮ2. відповідає за своїм складом евтектиці, плавиться при +1550 ° С. Це скло має практично нулі-вої коефіцієнт теплового розширення, що робить його незамінним матеріалом для виготовлення великогабаритних прецизійних оптич-ських деталей, зокрема астрозеркал. Необмежені можливості застосування зварювання дозволяють створити з цього скла полегшені кон-струкції без шкоди для їх жорсткості. Разом з тим скло, легуючих-ванне ТЮ2. а також оксидами європію і олова, є светофільт-ром, що затримує УФ-випромінювання в області 180-300 нм.
Найбільш однорідне скло з рівномірно розподіленими легованої-рующими добавками отримують спільним Парофазная синтезом з летючих сполук в воднево-кисневому полум'ї.
Леговане скло з різними спеціальними властивостями з-тримає оксиди N (1, Ре, Со, N1, Мо, Сг, А1 і інших металів.
Непрозоре скло являє собою біле, просвічуване в тонких шарах речовина. Непрозорість обумовлена наявністю в масі скла численних дрібних газових бульбашок розміром від 0,003 до 0,3 мм, які розсіюють світло.
Сировиною для виробництва непрозорого кварцового скла служать високоякісні кварцові піски або жильний кварц. Після обо-чення піски містять ЕЮг 99,6-99,7% за масою.
Розроблено і застосовується відцентровий спосіб наплавлення стек-ла електричною дугою на внутрішню поверхню обертового по-лого корпусу. Цей спосіб дозволяє отримувати безпосередньо в печі вироби, що представляють собою тіла обертання, наприклад, труби, тиг-ли, ковпаки з дуже рівномірною товщиною стінки і великих габа-рітов.