ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
ПРОИЗВОДСТВО СТЕКЛА И ИЗДЕЛИЙ ИЗ НЕГО
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Производство стекла и изделий из него представляет собой важную составную часть общего технологического процесса изготовления источников света на электроламповом предприятии. В едином процессе получения стекла выделяют операции по подготовке исходных материалов, составлению шихты и варке стекла. Операции же по изготовлению из стекломассы различных изделий, заготовок, полуфабрикатов и их последующая обработка объединяют под общим названием стеклозаготовительных.
Выбор сырьевых материалов определяется химическим составом стекла. Дальнейшая их обработка должна учитывать состояние материала, степень его загрязненности и требуемую чистоту после очистки. Все операции по подготовке сырьевых материалов должны быть механизированы и по возможности автоматизированы, чтобы ограничить или исключить непосредственное присутствие рабочих при выполнении этих операций, связанных с большим выделением пыли.
Транспортировку сыпучих материалов желательно из тех же соображений вести пневматической системой, а все оборудование герметизировать. Применение железной тары и других железосодержащих элементов оборудования, соприкасающихся с сырьевыми материалами, нежелательно из-за опасности загрязнения стекла сильно красящими окислами железа.
Из каждого сырьевого материала берется средняя проба для полного химического анализа, определения влажности и зернового состава.
Процесс варки стекла ведется при высоких температурах в условиях довольно высокой химической активности сырьевых материалов и продуктов их реакций. Поэтому стекловаренные печи выкладываются из специальных огнеупорных материалов. Они должны быть жаростойкими, механически прочными, термически и химически стойкими. Наиболее часто применяются следующие огнеупорные материалы: шамот, каолин, муллит, бакор, динас, плавленый кварц (непрозрачное кварцевое стекло). Большинство из них изготавливается спеканием из мелко-измельченных огнеупорных глин, некоторые получают литьем из расплава в формы.
Сваренная стекломасса перерабатывается в изделия. Чаще всего применяется выдувание, вытягивание и прессование. При этом формообразование возможно в достаточно узком диапазоне вязкости (около 102—104 Па-с). Для большинства электровакуумных стекол это соответствует температуре стекломассы 1150—1250°C. Для тугоплавких стекол эта температура на 130—150 °C выше. Точность поддержания температуры должна быть в пределах ±(5—15) °C. Конкретная температура стекломассы зависит от способа формования и вида изделия. При этом механизированные методы выработки изделий требуют более высоких температур, чем ручные.
Повторная обработка стеклоизделий также часто связана с их деформацией в результате нагрева, например горячая резка, сварка, калибровка и т. п. В ряде случаев сначала из стекломассы вырабатывается определенная заготовка, а затем из нее изготавливается нужное изделие. Примером этого может служить получение дротов и их последующая переработка в бусинки, штенгели, кольца, тарелки для ножек ламп и т. д.
В процессе выработки стеклоизделий особое место занимают отжиг стекла и контроль стеклоизделий по остаточным напряжениям.
И, наконец, завершающими стеклозаготовительными операциями являются операции, связанные с обработкой поверхности стеклоизделий: их матирование, металлизация, окраска и др.
СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПРИГОТОВЛЕНИЕ ШИХТЫ
Стекольной шихтой называется смесь сырьевых материалов, подготовленных в заданном отношении по массе для получения стекла нужного состава. Введение необходимых окислов в стекло производится путем подбора соответствующего исходного сырьевого материала. К исходным сырьевым материалам предъявляются жесткие требования по чистоте, гранулометрическому составу, влажности и др.
Для большинства электровакуумных стекол главным стеклообразующим окислом является кремнезем SiO2. Его вводят в стекло в виде кварцевого песка. Песок должен содержать не менее 95% двуокиси кремния и возможно меньшее количество (не более 0,02—0,03%) других примесей, особенно окиси железа Fe2O3 и окиси хрома Сr2O3, которые вызывают окрашивание стекла и заметно снижают его светопропускание.
Борный ангидрид В2О3 вводится в стекло через борную кислоту Н3ВО3, вырабатываемую химическими заводами, или через безводную буру Na2B4O7, получаемую прокаливанием природного минерала тин- каля Na2B4O7-H2O.
Окись алюминия А12О3 (глинозем) может применяться при составлении шихты как искусственного, так и природного происхождения (полевые шпаты, каолин, пегматит и др.).
Окислы щелочных металлов вводят в шихту через соду Na2CO3, поташ К2СО3 или. сульфат натрия Na2SO4.
С помощью известняка СаСО3, доломита CaCO3-MgCO3, магнезита MgCO3, барита BaSO4 и витерита ВаСО3 в стекло вводятся окислы щелочноземельных металлов и магния.
По некоторым рецептам составной частью стекольной шихты является свинцовый сурик Рb3О4, при разложении которого в процессе варки получается окись свинца РbО.
Для получения бесцветного стекла в состав стекольной шихты вводят обесцвечиватели. По своему действию они разделяются на физические (дающие окраску стекла в дополнительные цвета) и химические (нейтрализующие химическим путем нежелательные красящие соединения). Часть обесцвечивателей оказывает смешанное действие. Небольшие добавки селена S1, закиси никеля NiO, закиси кобальта СоО, двуокиси церия СеО2, окиси неодима Nd2O и окиси празеодима Рr2О3 оказывают физическое обесцвечивание.
В качестве химических обесцвечивателей обычно используют сильные окислители: селитру KNO3, трехокись мышьяка As2O3, трехокись сурьмы Sb2O3 и фтористые соединения (криолит 3NaF-AlF3, кремнефтористый натрий Na2-SiFe, полевой шпат K2O-Al2O3-6SiO3. Ярко выраженное обесцвечивание смешанного типа дает пиролюзит МnО2.
С целью получения натурального цветного стекла в шихту добавляют небольшое количество некоторых солей или окислов специальных металлов — красителей, а для получения непрозрачных опаловых и молочных («глушеных») стекол в шихту вводят фтористые соли или соединения фосфора.
При варке электровакуумных стекол требуется строго определенная среда — окислительная или восстановительная. Поэтому шихта должна содержать специальные окислители (селитру, мышьяковистый ангидрид, двуокись церия) или восстановители (кокс, древесный уголь, древесные опилки). В процессе варки стекла окислители разлагаются с выделением большого количества кислорода (окислителя), а восстановители при высоких температурах варки связывают свободный кислород и способствуют разложению некоторых окислов.
К осветлителям относятся материалы, которые ускоряют осветление стекломассы, т. е. освобождение ее от видимых мелких, средних и крупных газовых пузырей. В результате этого стекло становится прозрачным и более однородным по составу. В качестве таких осветлителей применяют селитру, сульфат натрия, хлористый натрий, трехокись мышьяка и сурьмы, азотнокислый, сернокислый или хлористый аммоний. Для ускорения процесса варки стекла используют фтористые соединения, аммонийные соли, хлористый натрий, окись бария, нитриты.
Многие из вышеперечисленных материалов оказывают комбинированное действие, например обесцвечивают стекломассу, ускоряют ее осветление и варку, изменяют свойства готового стекла. Это должно учитываться при определении состава шихты.
Большинство природных сырьевых материалов не может быть использовано для составления шихты без предварительной подготовки их. Характер подготовки зависит от природы и назначения материала. Большинство из них тщательно измельчается, просеивается и очищается от примесей. Особенно тщательно очищается кварцевый песок.
Расчет состава шихты ведется с учетом химического состава исходных сырьевых материалов, а также того, что в стекломассу переходит только часть окислов, а влага, газы и некоторая часть окислов улетучиваются. Подобные потери массы могут составлять до 20%.
Непосредственное приготовление стекольной шихты состоит в том, что каждую ее составную часть отвешивают согласно рецепту с большой точностью на автоматических весах, а затем тщательно перемешивают в тарельчатых или барабанных смесителях конусного типа. Обычно в смеситель материалы засыпаются в определенной последовательности: песок, сода, поташ, селитра и другие материалы. Такая последовательность обеспечивает лучшее перемешивание и обволакивание частиц песка щелочными материалами. Песок перед загрузкой в смеситель или непосредственно в нем слегка увлажняют распылением воды под давлением.
После перемешивания в смесителе шихты к ней добавляют порцию дробленого стеклобоя и снова эту смесь некоторое время перемешивают. Стеклобой должен готовиться из отходов стекла строго того состава, который предусмотрено получить. В процессе подготовки он тщательно промывается от загрязнений, высушивается и дробится на куски размером не более 3X3 см. Содержание стеклобоя в шихте берется в пределах 40—70%, причем принятое соотношение шихты и стеклобоя должно быть постоянным.
Стеклобой вводится в шихту для утилизации отходов стекла, экономии дорогостоящих сырьевых материалов шихты, экономии расходуемого на варку стекла топлива, сокращения продолжительности варки и уменьшения разъедания шихтой стенок стекловаренной печи.
Приготовленная шихта должна иметь правильный и постоянный химический и гранулометрический состав, она не должна иметь примесей сверх допустимой нормы, соотношение составных частей, взятых из произвольного места шихты, должно отвечать заданному рецепту, влажность шихты должна быть в пределах 4—6%, так как слишком сухая шихта сильно пылит, а влажная — комкуется и слеживается при транспортировке и хранении. Проверка шихты на соответствие этим требованиям проводится ежесменно. Время хранения приготовленной шихты не более 1 сут.
Транспортировка подготовленной смеси шихты и стеклобоя от смесителя к стекловаренной печи ведется в специальных бункерах с помощью тельфера.