Стекло

ТЕМА 4.

Стекло. МАТЕРИАЛЫ НА ЕГО ОСНОВЕ. СИТАЛЛЫ.

 СТЕКЛА – это все аморфные тела, полученные переохлаждением минеральных расплавов и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел. При этом, процесс перехода из жидкого состояния в твердое обратим. Стеклам характерна изотропность свойств и отсутствие определенной температуры плавления.

Основные стеклообразующие оксиды: SiO₂ до 80 %

                                                                   Na₂O до 15 %

                                                                   CaO до 15 %

Для придания стеклу строго определенных свойств и в зависимости от способа выработки стекла, в его состав могут входить: MgO, BaO, PbO, ZnO, B₂O₃, Al₂O₃.

4.1. Свойства стекла.

1. Плотность обычных стекол составляет 2,5 г/см³.

Рекомендуемые материалы

2. Оптические свойства – прозрачность, светопреломление, отражение, рассеивание и т.д. Обычные стекла пропускают всю часть светового спектра, но не пропускают ультрафиолетовый спектр.

3. Теплопроводность и термостойкость наибольшие у кварцевого стекла. Эти показатели снижают оксиды щелочных металлов.

4. Химическая стойкость понижается с увеличением содержания щелочных оксидов. Растворимое стекло содержит только оксид кремния и оксид натрия.

5. Прочность стекла на сжатие – 700   1000 МПа, прочность на изгиб значительно ниже – 35   85 МПа. У закаленного стекла эти показатели в 3  4 раза выше.

6. Хрупкость стекол очень высокая, ударная вязкость низкая. Увеличивают показатель хрупкости оксиды магния и бора.

7. Твердость по шкале Мооса у обычных силикатных стекол 5  7, у кварцевого выше. Уменьшают твердость стекол оксиды свинца и бария.

8. Технологические свойства – стекло поддается механической обработке – пилится и режется алмазом, шлифуется и полируется. В пластическом состоянии (в состоянии стекломассы) при температуре 900   1100˚С оно формуется с помощью выдувания, вытягивания, проката, штампования.

4.2.Сырье для производства стекла и основные оксиды, содержащиеся в нем.

           Сырье                                                      Основные оксиды

кварцевый песок                                                          SiO₂      %

сода и сульфат натрия                                                 Na₂O    %

известняк                                                                      CaO      %

доломит                                                                        CaO, MgO    %

каолин                                                                          Al₂O₃      %

4.3. Общая схема получения стекла

1. Подготовка сырьевых материалов: сушка, дробление, помол, грохочение.

2. Приготовление стекольной шихты: весовое дозирование компонентов, смешивание.

3. Варка стекломассы в стекловаренных печах. Максимальная температура варки 1350   1450˚С. При этой же температуре происходят процессы осветления и гомогенизация стекломассы.

4. Охлаждение стекломассы до температуры выработки (950   1100˚С) с целью придания ей формовочной вязкости.

5. Выработка из полученной стекломассы тем или иным способом изделий.

6. Отжиг изделий – это нагрев их до температуры, близкой к температуре размягчения стекла (450   500˚С), выдержка при этой температуре, медленное охлаждение.

Дополнительные операции: шлифовка, полировка, закалка.

Пример выработки листового стекла.

Ленту листового стекла формуют лодочным и безлодочным способоми. Сущность лодочного способа: в бассейн с готовой стекломассой погружается лодочка – длинный шамотный брус со сквозным продольным отверстием, переходящим в верхней части в узкую щель. Под влиянием гидростатического напора стекломасса выдавливается через щель, образуя так называемую “луковицу”. Если на “луковицу” опустить вертикально подвешенную стальную раму – “затравку”, а затем оттягивать ее вверх с помощью валиков специальной машины, то за затравкой потянется непрерывная лента стекла.

При безлодочном способе в стекломассу погружают шамотный поплавок, способствующий созданию направленного потока стекломассы, помогающего стабилизировать формование ленты стекла.

Вятягивание стеклянной ленты может осуществляться вертикально вверх с помощью машины вертикального вытягивания (ВВС), при этом толщина стекла составляет 2   6 мм, и горизонтально, где толщина стекла составляет 12 мм. В первом случае отжиг стекла производится в шахте машины ВВС, во втором случае в специальных печах отжига.

Крупноразмерное листовое стекло получают способом проката: стекломасса сливается на гладкую поверхность и прокатывается катком с гладкой или узорчатой поверхностью. Таким же образом изготавливают узорчатое и армированное стекло, коврово-мозаичные плитки.

Изделия сложной конфигурации и большой толщины формуют методом прессования с помощью формы и пуансона, создающего давление на стекло и формующего внутреннюю поверхность. Таким образом формуют, например, стеклоблоки, экраны телевизоров.

4.4. Разновидности стекла и стеклянных изделий, применяемых в строительстве

Листовое стекло:

- оконное, толщиной 2   6 мм, светопропускание 84   90 %;

- витринное, толщиной 5   15 мм, размером 3,5   4,5 мм;

- армированное металлической сеткой из хромированной или никелированной проволоки – применяется для остекления фонарей промзданий;

- рифленое – применяется для остекления дверей;

- закаленное, полученное быстрым нагревом до 540   560 ˚С с последующим резким охлаждением – применяется для изготовления дверных полотен, в автомобильной промышленности.

Изделия из стекла:

- пустотелые стеклянные блоки – применяются для остекления  переходов между зданиями, лестничных клеток и т.п.;

- профильное стекло – применяется для сооружения перегородок;

- стеклянные трубы – основное применение в химической промышленности;

- стеклянная вата – материал, состоящий из тонких гибких нитей (5   6 мкм) – применяется как тепло- и звукоизоляционный материал, заполнитель для легких штукатурных растворов, для производства стеклопластиков;

- плитки «стеклокремнезит» – цветные непрозрачные плиты, имитирующие структуру полированных горных пород, получаемые плавлением с последующей кристаллизацией цветных стеклянных гранул, которые применяются для облицовки фойе и вестибюлей общественных зданий;

- стеклянная эмалированная плитка с размерами 150х150 мм и 10х75 мм, нарезанная из отходов листового стекла – применяется для облицовки стен помещений с повышенными санитарно – гигиеническими требованиями, либо с повышенной кислотно – щелочной агрессией;

- стеклопакеты – это элементы из двух или трех стекол с промежутками 15   20 мм, соединенных между собой герметично по периметру – применяются для остекления зданий, при этом они практически не замерзают, не запотевают, их применение удешевляет процесс остекления и снижает расход древесины в 1,5   2 раза.

4.5. Материалы и изделия из шлаковых расплавов

ТЕРМОЗИТ – шлаковая пемза, ячеистый материал, получаемый вспучиванием расплавленного шлака парами воды при быстром его охлаждении – применяется в виде щебня как заполнитель для легких бетонов. Термозит, армированный стальной сеткой, может выпускаться любой конфигурации и профиля в специальных формах при использовании для вспучивания шлакового расплава.

ШЛАКОВАЯ ВАТА – материал, состоящий из тончайших волокон, получаемых из огненно – жидких шлаков дутьевым способом – применяется как теплоизоляционный материал.

4.6. Ситаллы и шлакоситаллы

Понятие о получении ситаллов.

Ситаллы получают путем направленной кристаллизацией стекол, или расплавов различных составов, протекающей во всем объеме отформованного изделия.

Микроструктура ситаллов характеризуется наличием мельчайших кристаллов, равномерно распределенных во всем объеме стекла. Средний размер кристалла в ситаллах 1   2 мкм, в то время как толщина прослойки из стекла не превышает десятых долей микрона. Благодаря беспорядочной ориентации отдельных кристалликов ситаллы как и стекло изотропны.

Для изготовления ситаллов применяются те же исходные компоненты, что и для варки стекла, только в шихту вводятся катализаторы кристаллизации (соединения титана, лития, циркония и др.), которые растворяются в расплавленной стекломассе.

Принципиальная схема получения ситаллов:

- варка стекла из шихты, содержащей катализатор кристаллизации;

- формование изделий одним из обычных методов;

- медленное охлаждение изделия до температуры максимального выделения центров кристаллизации и выдержка при этой температуре один час;

- дальнейшее охлаждение до температуры, соответствующей максимальной скорости роста кристаллов, и выдержка при этой температуре до возможно более полного завершения процесса кристаллизации;

- охлаждение до комнатной температуры, быстрое – для тонкостенных изделий, медленное – для массивных.

Регулируя режимы термообработки можно изменить степень кристаллизации, размеры кристаллов, что отражается на свойствах изделий.

Свойства ситаллов и изделий из них.

Ситаллы обладают благоприятным сочетанием многих свойств: высокой механической прочностью, термостойкостью, высокой температурой размягчения, химической стойкостью. Они выдерживают сравнение с легированными сталями, черными металлами, алюминием. Ситаллы подвержены действию только плавиковой кислоты. Термостойкость их от 200˚С до 700˚С и даже 1100˚С.

Применение: в химической и нефтехимической промышленности, для фундаментов особо точных станков, в качестве трубчатки для теплообменников.

Полученные ситаллы, поглощающие нейтроны, отличающиеся жаростойкостью и способностью герметически паяться со сталью. Применяются они в ядерных реакторах и для устройства биологической защиты.

Шлакоситаллы.

Сырье – металлургические шлаки с корректирующими добавками и катализаторами кристаллизации. Шлакоситаллы обладают высокой износоустойчивостью, высокой прочностью, химической стойкостью, высокой атмосфероустойчивостью, теплопроводностью до 750˚С, не обладают токсичностью. Плотность ситаллов 2,5   2,6 г/см³, предел прочности на сжатие 500   650 МПа. По долговечности они конкурируют с базальтами и гранитами.

Применение: для полов промышленных и гражданских зданий, облицовки наружных и внутренних стен, перегородок, цоколей, защитной футеровки строительных конструкций.

4.7. Материалы и изделия из каменного литья.

Сырье – магматические горные породы, обладающие пониженной вязкостью в расплавах, чаще базальты и диабазы. Полученные изделия из такого сырья имеют темный цвет. Для получения светлого каменного литья используют шихту, состоящую из 45 % кварцевого песка, 34 % доломита, 21 % мела или мрамора 3 % плавикового шпата для снижения температуры плавления.

Плавку горных пород или специально приготовленной шихты осуществляют в вагранках, в ванных или электрических печах.

Формуют изделия в керамических и металлических формах или используют формовочную землю.

Для получения мелкокристаллической структуры изделий их подвергают медленному охлаждению, не вынимая из форм, в печах отжига при тщательной тепловой изоляции без подвода тепла.

Свойства изделий из каменного литья: однородная мелкокристаллическая структура, высокая прочность, твердость, высокие морозо- и кислотостойкость, износоустойчивость.

Применение: трубопроводы, лотки для сыпучих материалов, футеровка шаровых мельниц.

Контрольные вопросы.

1. Что называется стеклом ?

2. Сырье для производства стекла ?

3. Основные стеклообразующие оксиды ?

4. Основные свойства стекла ?

Рекомендация для Вас - Опасность и вероятность кризисов в тенденциях циклического развития организации.

5. Принципиальная схема получения стекла ?

6. Какие существуют способы выработки листового стекла ?

7. Виды листового стекла, применяемые в строительстве ?

8. Какие материалы и изделия из стекла относятся к стеклокристаллическим ?

9. Какие изделия можно получать на основе шлаковых расплавов ?

10. Какие виды теплоизоляционных изделий получают на основе стекла ?