Варка скла і скловарні печі
Стадії варіння. Варка скла - це протікає при високих температурах процес перетворення сипучої шихти в розплав скломаси, який при охолодженні стає готовим склом; процес протікає в скловарних печах. Умовно процес варіння поділяють на п'ять стадій: сілікатообразова-ня, Стеклообразование, освітлення, усереднення або гомогенізація складу, охолодження.
Сілікатообразованіе - початкова стадія варіння, під час якої в результаті фізичних і хімічних процесів, в твердому стані утворюються складні силікатні сполуки. Протікає ця стадія при температурах 800 ... 1000 ° С.
Сировинні матеріали (компоненти шихти) при проходженні цієї стадії зазнають ряд перетворень: волога випаровується; гідрати, солі, нижчі оксиди розкладаються і втрачають леткі сполуки; кремнезем змінює своє кристалічну будову. Крім того, на цій стадії виділяється велика кількість вуглекислого газу С02. Цей газ у вигляді бульбашок піднімається на поверхню вузького розплаву, де бульбашки лопаються, тому поверхня такого розплаву виглядає як би киплячій (звідси і походження терміна - варіння скла). На цій стадії утворюється неоднорідна частково осклованих маса, пронизана великою кількістю бульбашок і містить безліч непроварених зерен піску.
Стеклообразование - друга стадія варіння, під час якої відбувається фізичний процес розчинення зерен надлишкового піску в розплаві силікатів і склобою. На цій стадії закінчуються всі хімічні реакції. В результаті взаємодії між гідратами, карбонатами, сульфатами остаточно формуються складні силікати; зерна кварцу повністю розчиняються і переходять в розплав. Температура 500 ... 1400 ° С на цій стадії є недостатньою для плавлення кварцового піску, тому він не плавиться, а розчиняється; стекломасса стає відносно однорідною і прозорою без непроварених частинок шихти.
В результаті підйому температури збільшується рухливість атомів і молекул, що складають стекломассу, що веде до прискорення взаємного розчинення кремнезему і силікатів. Завдяки цьому вирівнюється концентрація розчинів силікатів на різних ділянках. Всі ці перетворення супроводжуються виділенням великої кількості газоподібних продуктів. В'язкість розплаву ще досить висока, тому газоподібні продукти не встигають випаровуватися, і стекломасса буває насичена великою кількістю бульбашок.
В результаті на другій стадії утворюється неоднорідна склоподібна маса, пронизана великою кількістю дрібних газових пухирців, але вже не містить включень непроварених зерен піску.
Освітлення - третя стадія варіння скла. Вона характеризується тим, що відбувається видалення газових включень у вигляді видимих бульбашок і в результаті між стекломассой (рідкої фазою) і газами, розчиненими в ній (газова фаза), встановлюється рівновага. З усіх стадій процесу варіння освітлення і наступна за нею стадія усереднення (гомогенізація) - найбільш відповідальні і складні. Якість скломаси залежить від того, наскільки повно і інтенсивно проходять ці стадії.
У розплаві скломаси знаходяться гази, що утворилися в результаті розкладання і взаємодії компонентів шихти; гази, механічно внесені разом з шихтою; летючі речовини, спеціально введені в шихту; гази, що потрапляють в розплав з атмосфери. Найбільша кількість газів заноситься в стек- 'ломассу з сировинними матеріалами. При освітленні видаляються тільки видимі бульбашки. Частина газів залишається в стекломассе, розчиняючись в ній. Вони невидимі оком, а тому не спотворюють оптичних характеристик скла. Щоб ці невидимі газоподібні включення не могли перейти в видимі бульбашки і тим самим зіпсувати скло, в процесі освітлення встановлюють рівновагу між газами, розчиненими в стекломассе і ув'язненими в міхурах, створюючи в печі певні умови.
Освітлення відбувається наступним чином: великі пузи-ри піднімаються до поверхні і лопаються. За законами фізики всередині великих бульбашок тиск нижче, ніж усередині більш дрібних. Піднімаючись легше до поверхні, великі бульбашки шляхом всмоктують вміст більш дрібних бульбашок, в результаті стекломасса освітлюється. Зовсім дрібні бульбашки розчиняються в розплаві.
Вуглекислота, парціальний тиск якої невисоко, прагнучи вирівняти свій тиск, переходить в утворилися від розкладання освітлювача бульбашки. Вони укрупнюються, підйомна сила їх збільшується, внаслідок чого вони піднімаються до поверхні і лопаються. Газ, що міститься в них, переходить в атмосферу печі. У свою чергу, гази, що утворюються при розкладанні освітлювача, переходять в дрібні бульбашки вуглекислого газу, укрупнюються їх, чим сприяють їх підйому і тим самим освітленню скломаси.
Усереднення (гомогенізація) складу - четверта стадія процесу скловаріння - характеризується тим, що до її кінця стекломасса звільняється від бульбашок, звили і стає однорідною. Незважаючи на те, що в піч надходить однорідна, добре перемішана шихта, фізичні і хімічні процеси протікають в шихті між її компонентами неоднорідне, тому і склад скломаси в різних ділянках печі виявляється неоднорідним. При підвищених температурах складові частини скломаси знаходяться в безперервному природному русі, тому локальні порції скломаси різного складу витягуються в напрямку руху, утворюючи переплетені джгути, нитки, які називаються звили. Якщо таке скло різко охолодити, то з-за відмінності в показниках заломлення межа розділу між ділянками з різним хімічним складом стає видимою неозброєним оком. Свиль, таким чином, є пороком скла, що погіршує естетичний вигляд виробу.
Гомогенізація здійснюється в основному за рахунок інтенсивного руху (дифузії) речовин, що складають стекломассу. Чим вище температура варіння і, як наслідок, нижче в'язкість розплаву скла, тим краще умови дифузії, і, навпаки, дифузія в в'язкому середовищі, при знижених температурах, протікає повільно і до кінця варіння не закінчується. Тому при гомогенізації температура скломаси грає вирішальну роль.
Значно прискорює гомогенизацию виділення бульбашок. Піднімаючись до поверхні, вони розтягують прикордонні плівки скла різного складу в найтонші нитки з сильно розвиненою Удільної поверхнею і полегшують взаємну дифузію скломаси сусідніх ділянок. Таким чином, процес усереднення скла тісно переплітається з висвітленням. При варінні скла в промислових печах стадії освітлення та гомогенізації протікають одночасно в однакових умовах, тому зону ос. ветленія неможливо відокремити від зони гомогенізації.
Важливе значення для отримання однорідної скломаси має її штучне перемішування. При варінні кришталевих стекол використовують керамічні мішалки.
Для отримання однорідної маси при гомогенізації велике значення має однорідність і тонкість помелу шихти. Впливає на однорідність скломаси і бій скла завантажується з шихтою в піч. Зазвичай склобій дещо відрізняється за хімічним складом від основного скла, так як в процесі попередньої варіння він втрачає частину летючих компонентів, збагачується розчиненими газами та ін. Тому, бій скла подрібнюють і рівномірно розподіляють в шихті.
Після висвітлення і гомогенізації стекломасса за своєю якістю повністю відповідає висунутим до неї вимогам, проте через високу температуру розплаву і низькою в'язкості формувати його неможливо. Тому завдання заключної стадії скловаріння - підготувати стекломассу до формування.
Охолодження - п'ята, заключна стадія процесу скловаріння. Вона характеризується тим, що температуру скломаси знижують для створення в'язкості, що дозволяє формувати з неї вироби. Температура скломаси на цій стадії підтримується близько 1200 ° С.
Стекломассу охолоджують плавно і поступово - при різкому охолодженні може порушитися рівновага між рідкою і газовою фазою, що призведе до нового утворення газових включень у вигляді дрібних бульбашок (вторинної мошки). Звільнити стекломассу від подібних газових включень важко через її підвищеної в'язкості. Щоб уникнути появи вад скла на заключній стадії, необхідно строго дотримуватися встановленого режиму тиску газової атмосфери печі і зниження температури.
Скловарні печі. Скловарна піч - це теплотехнічний агрегат періодичної або безперервної дії, в якому варять скло і готують його до формування. Печі обігрівають або газом, або електрикою. По режиму роботи печі бувають періодичного (горшкові) або безперервного (ванні) дії. У деяких випадках застосовують ванні печі періодичної дії.
Роботу печі характеризують такі показники, як продуктивність (з'їм скломаси в одиницю часу, т / добу; питома з'їм, кг / м2 на добу), коефіцієнт корисної дії і витрата теплоти на одне варіння або одиницю кількості скла. Коефіцієнт корисної дії (ККД) печей періодичної дії невисокий (): горшкових - 6 ... 8, ванних - 10 ... 15, безперервних ванних печей-17 ... 28. Найбільш ефективні електричні печі - ККД 50-70. однак більш висо-
я вартість електроенергії в порівнянні з вартістю приснився газу або рідкого палива стримує широке застосування електричних печей.
Для варіння скла художнього призначення, відпрацювання нових видів стекол, проведення експериментальних робіт і вироблення високохудожніх виробів використовують гір ш підступи е печі, в яких одночасно варять в вогнетривких тиглях (горщиках) стекломассу різних складів або квітів. Недоліки цих печей - низький ККД. ручна засипка горщиків, необхідність заміни лопнули тиглів на ходу, підвищена витрата палива і т. д. У виробництві сортових виробів високої якості з кольорового і свинецсодержащего (кришталевого) скла застосовують многогоршковие регенеративні печі з нижнім підведенням теплоти. Такі печі мають до 16 горщиків корисною місткістю 300 ... 500 кг і ККД до 8%.
Горщики, як правило, бувають круглі, рідше овальні; в поперечному вертикальному перерізі в формі усіченого конуса, рідше циліндра. Розміри горщика підбирають відповідно до розміру виробляється вироби.
Шихта в скловарної горщику отримує теплоту головним чином за рахунок випромінювання від склепіння печі і частково за рахунок теплопровідності через стінки горщика. Тому для горшкових печей особливе значення має висота склепіння печі: чим нижче звід, тим інтенсивніше прогріваються горщики і знаходиться в ньому шихта.
Відмітна особливість варіння скла в горшкових печах- періодичність всіх технологічних процесів, які чергуються в суворій послідовності: розігрів печі після вироблення виробів, засипка шихти і склобою, варіння скла, студка скломаси і вироблення скловиробів.
Перед тим як використовувати горщики для варіння, їх обпалюють і поступово, плавно виварюють до температури 1500 ... 1540 ° С.
Шихту і бій скла в співвідношенні 50: 50 завантажують в прогріті горщики в кілька прийомів: спочатку бій, потім шихту, причому наступні порції подають після того, як поплавилися порції, попередньо отримані. Після провару останньої порції температуру в печі піднімають до максимальної і проводять освітлення і гомогенізацію, які можуть тривати до 6 ч. Для інтенсифікації цих процесів застосовують бурління скломаси, для чого за допомогою металевого стержня в скломасу вносять шматок замоченої деревини. Під дією високих температур з дерева бурхливо виділяється волога і продукти горіння, що призводить стекломассу в інтенсивний рух, сприяючи її перемішування і освітленню від газових бульбашок. Цей же ефект досягається при бурлінні стисненим в ° здухом, який вводять в скломасу під тиском. Після т ° го як закінчена варіння, стекломассу охолоджують до температур робочої в'язкості, а потім починають вироблення скловиробів.
Зазвичай цикл роботи Горшковій печі триває одну добу щодня повторюючись протягом року, іноді більш - до зупинки печі на ремонт.
Мал. 1. Горшкова піч з нижнім підведенням полум'я: 1 - нижня частина стіни (окружком), 2 - робочі вікна, 3 - звід, 4 - робоча камера, 5 - під регенератор, 7 - отвори для обслуговування горщиків, 8 - скловарні горщики, 9 - горючі отвори (кади), 10 - отвори для завантаження горщиків
Розглянемо пристрій Горшковій печі. Головний елемент печі - робоча камера, в якій встановлюють необхідне для роботи кількість горщиків. У верхній частині бічних стін розташовані робочі вікна. В окружком проти кожного горщика є отвір через яке обслуговують горщики. Для завантаження від виїмки горщиків в окружком і над нею зроблено отвір, яке під час роботи закривають плитами. До Проміжне становище між Горшкова і ванними ечамі займають секційні печі. Їх застосовують в основному при виробництві художніх виробів. Так само, як і в горшкових, в секційних печах можна варити стекломассу кількох складів або квітів - за кількістю секцій, що представляють собою примикають один до іншого «кишені», виконані з вогнетривкої цегли і мають спільну полум'яне простір.
Ванні печі безперервної дії - більш досконалі і продуктивні теплотехнічні агрегати, вони найбільш поширені в скляної промисловості. При варінні скла у ванних печах все стадії скловаріння протікають одночасно і безперервно. Це дозволяє максимально механізувати і автоматизувати весь процес, починаючи від засипки шихти і закінчуючи виробленням скловиробів.
Головна частина печі - басейн (ванна), викладений з вогнетривких брусів, тому печі називаються ванними. Варильна частина басейну (ванни) зазвичай має прямокутну конфігурацію в плані. З одного торця ванни через завантажувальний кишеню безперервно автоматично завантажується в піч шихта, що доставляються в контейнерах. Рівнеміри реєструють рівень дзеркала скломаси. Якщо він піднімається вище заданої межі, то завантажувач шихти автоматично відключається. У міру вироблення рівень скломаси знижується, спрацьовує система автоматичного включення завантажувача і в ванну надходить нова порція шихти. У виробництві сортового посуду переважно застосовують ванні печі з протокою, який розташовується нижче рівня дна варильної честі. З протоки відбирають краще проварену і більш охолоджену стекломассу.
Різні стадії скловаріння протікають одночасно в різних зонах печі. Оптимальні температури в зонах варіння 1 420 ° С, освітлення - 1430, вироблення - 1260 ° С.
При варінні скла у ванній печі постійно підтримують окислювальний характер газового середовища, в вручений частини над дзеркалом скломаси встановлюють нейтральне тиск атмосфери, а в виработочной частини - слабопозитивний. Продуктивність печі 6 ... 12 т скломаси в 1 добу, питома знімання скла в залежності від інтенсивності вироблення 450 кг / м2 в 1 добу. Піч може опалюватися як природним газом, так і рідким паливом.
Одним з недоліків печей, що обігріваються газом, в тому, що випаровування оксидів свинцю призводить до збіднення ними поверхневих шарів скломаси і забруднення оточуючого середовища. В електричних печах як джерела теплоту встановлюють пристінні блокові оксидно-олов'яні елект. пологи. Процес скловаріння здійснюється у вертикальному потоці під шаром холодної шихти зверху вниз. Наявність над розплавленої стекломассой холодного шару шихти зменшує випаровування оксидів свинцю, сприяє отриманню однород. ної скломаси.
При роботі такої печі немає втрат теплоти та відходять димовими газами. Питомі витрати енергії для отримання 1 кг скла менше, ніж в полум'яних ванних печах. Крім того, електропечі з електродами на основі діоксиду олова Sn02 не роблять ніякого фарбувального дії на стекломассу.
Кольорові скла можна варити одночасно з безбарвним. Для цього на одній ділянці одночасно мають у своєму розпорядженні ванну піч для варіння безбарвного скла і біля неї печі-супутники для варіння кольорового.