Прозрачное кварцевое стекло получают из горного хрусталя, чистых кварцитов или жильного кварца с содержанием двуокиси кремния не менее 99,96—99,98%. Возможно производство кварцевого стекла и из некоторых других материалов как природного, так и искусственного происхождения.
Однако промышленное производство высококачественного кварцевого стекла для источников света в настоящее время ведется в основном из крупки горного хрусталя.
Добытое сырье проходит сложный и дорогостоящий процесс очистки от загрязнений и переработки в крупку с определенным размером зерен (1—3 мм). Полученная крупка является исходным материалом (шихтой) для варки кварцевого стекла. Варка может вестись одним из двух основных методов — электроплавлением и газовым наплавом.
Получение электроплавленого кварцевого стекла производится следующим образом. В графитовый или молибденовый тигель загружают шихту и начинают вести ее нагрев. Для этого печи оборудуются специальными высокотемпературными нагревателями (молибденовыми, вольфрамовыми или силитовыми), располагаемыми снаружи тигля через нагреватели пропускают электрический ток. Это — электрические печи сопротивления. Часто нагрев ведется с помощью токов высокой частоты, подводимых с помощью индукторов. Это — электрические высокочастотные печи. Определенные особенности в протекании процесса варки кварцевого стекла связаны с тем, что загрузка печи происходит сразу на весь объем, используется однокомпонентная шихта, требующая очень высоких температур варки (около 1730—1830°C), а вязкость кварцевой стекломассы во много раз больше, чем для обычных стекол, что сильно затрудняет ее осветление. Для предотвращения окисления металлических деталей печи при нагреве до высокой температуры широко применяют защитные газовые среды (азот, препарировочный газ и др.).
Варка кварцевого стекла в электропечах может вестись по двум основным способам: вакуумно-атмосферному и вакуумно-компрессионному.
При вакуумно-атмосферном способе в начале варки в печах поддерживается вакуум около 10-2—10-3 Па, что способствует более интенсивному выделению из вязкой кварцевой стекломассы средних и крупных газовых пузырей. В конце процесса осветления давление в печи поднимают за счет впуска инертного газа до атмосферного давления. Это способствует растворению в стекломассе оставшихся мелких газовых пузырей.
При вакуумно-компрессионном способе первые этапы варки ведутся также при пониженном давлении, а затем давление повышается до 2,5—5,0 МПа за счет впуска инертного газа на 5—10 мин. Последующее охлаждение стекломассы ведется при атмосферном давлении. Этот способ более производителен, чем первый, и позволяет получать кварцевое стекло повышенного качества.
Очень важно при получении кварцевого стекла электроплавлением использовать графит самой высокой чистоты. Сваренное в электропечах стекло сразу же перерабатывается в трубы методом вертикального вытягивания вниз через фильеры.
Метод газового наплава заключается в том, что кварцевая крупка подается с помощью дозатора в жесткое пламя водородно-кислородной горелки. Использование другого топлива нежелательно, так как содержащийся в нем углерод может вызвать помутнение стекла за счет образования карбида кремния. Процесс газового наплава ведется в закрытой печи с муфелем из непрозрачного кварцевого стекла. Расплавленные капли кварцевой крупки попадают на предварительно разогретую кварцевую пластину («приманку»), постепенно застывая на ней в виде прозрачного стеклоблока (массой до 25 кг и выше). После этого блок извлекают из печи и перерабатывают в изделия доступным способом. Иногда после застывания блок дробят на куски, которые повторно расплавляют в электропечи, а из полученного расплава вытягивают трубы.
Для наплавления кварцевого стекла из крупки кремнезема может быть использован факел низкотемпературной плазмы.
ПРОИЗВОДСТВО ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КВАРЦОИДНОГО СТЕКЛА
Изделия из поликристаллического кварцоидного стекла получают путем специальной термохимической обработки («кварцевания») изделий из боросиликатного стекла, состоящего из 75% кремнезема, 20% окиси бора и 5% окислов щелочных металлов.
Сначала из боросиликатного стекла вырабатываются необходимые изделия обычными стекольными способами. Затем эти изделия выдерживаются в течение 70—100 ч в печи при температуре, близкой к температуре размягчения стекла, т. е. 525—650 °C. При этом в стекле образуются две фазы, одна из которых оказывается обогащенной двуокисью кремния, а другая — примесными окислами. Стекло становится непрозрачным.
После этого изделия протравливают последовательно в плавиковой, горячей соляной и серной кислотах. В результате этого вторая фаза стекла, обогащенная окислами бора и щелочных металлов, растворяется и стекло становится пористым по структуре, приближаясь по химическому составу к чисто кварцевому.
После тщательной промывки в очищенной воде и прогрева в восстановительной среде изделия спекают при 900—1000 °C. В результате этого стекло уплотняется, его пористость исчезает и изделия снова становятся прозрачными. Дальнейшая обработка изделий из кварцоидного стекла может вестись кислородно-газовым пламенем, как обычное тугоплавкое стекло.
Недостатком метода «кварцевания» изделий является значительное изменение их размеров, а также ограничение по толщине обрабатываемых изделий, которая не должна превышать 3 мм.
ПРОИЗВОДСТВО НАТУРАЛЬНОГО ЦВЕТНОГО И ГЛУШЕНОГО СТЕКЛА
Для получения натурального цветного стекла, окрашенного в массе, используют соединения различных металлов, добавляя их в стекольную шихту. Большое разнообразие красителей обеспечивает получение стекла любого цвета.
Окрашивание зависит не только от выбранного красителя, но и от его концентрации, состава основного стекла, условий варки и охлаждения, способа выработки стеклоизделий. По составу основные стекла обычно выбираются платинитовой группы для того, чтобы облегчить спаивание колбы со стеклом ножки.
Различают два вида красителей: молекулярные и коллоидные. Красители молекулярного действия требуют при варке стекла окислительных условий, других же затруднений, связанных с применением этих красителей в процессе получения цветного стекла, нет, или они незначительны.
Производство стекла с коллоидными красителями имеет ряд специфических особенностей. Так, в процессе варки и выработки при достаточно быстром охлаждении такое стекло остается бесцветным, так как красители находятся в атомарном или молекулярном состоянии и не дают окраски. Для получения окраски на заключительных этапах варки или после выработки стеклоизделия подвергают специальной термической обработке — «наводке». При выдержке стекла в течение некоторого времени при определенной температуре в нем создаются условия для объединения разрозненных атомов и молекул красителя в более крупные образования — коллоидные частицы размером 10— 50 нм.
Увеличение размеров частиц красителя ведет к изменению окраски, появлению заглушенности в стекле до полной потери прозрачности. Поэтому следует строго выдерживать режим «наводки», вводить в шихту вещества, ограничивающие рост коллоидных частиц (например, двуокись олова), правильно выбирать состав основного стекла.
Натуральное цветное стекло варят в печах горшкового или ванного типа с уменьшенной глубиной бассейна. Выработка изделий из цветного стекла ведется обычными способами: вытягиванием, выдуванием, прессованием, прокатом.
С целью удешевления иногда вместо сплошного натурального цветного стекла применяют так называемое накладное стекло, состоящее из двух слоев—'основного (бесцветного) и цветного, соединенных при выработке в одно целое. Изготавливают накладное стекло из стекол, близких по температурным коэффициентам линейного расширения. Распространены две технологические схемы приготовления цветного накладного стекла.
По одной из них бесцветное и цветное стекло варят в отдельных печах, а затем его подают к «лодочке» специальной конструкции, с помощью которой ведется вытяжка двухслойного стекла.
По другой схеме бесцветное стекло варят в большой ванной печи непрерывного действия. Затем часть готовой стекломассы из этой печи по отдельному протоку подается к машине вытяжки, а другая — в специальный преобразователь, где ведется окраска. Окрашенная стекломасса после этого также подводится к вытяжному устройству.
Глушеные стекла (молочное, опаловое и опалиновое) получают добавлением в стекольную шихту фторных и некоторых других соеди нений.