Кристаллические включения (камни).

ГАЗОВЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ. Пузыри могут быть различных размеров и формы. Мельчайшие пузыри, размером менее 0,8мм называют «мошкой». Располагаются они на поверхности стекла или в его толще.

Первичные пузыри образуются в результате неполного удаления газообразных продуктов разложения шихты, остаются в стекломассе при затянувшемся осветлении. Это происходит при неравномерном зерновом составе песка, недостатке осветлителей, сухой шихте, недостаточном времени пребывания стекломассы в зонах варки и осветления, низких температурах в зоне осветления, завышенных съемах стекломассы, недостаточном количестве теплоты или ее неправильном распределении по длине зон варки и осветления, что ведет к ослаблению потоков сыпочного цикла. Первичные пузыри обычно имеют мелкие размеры.

Вторичные пузыри чаще всего возникают при вторичном нагревании стекломассы, содержащей остатки карбонатов и сульфатов натрия. Опасная температура разложения этих остатков 1150-1200^оС. Если вторичный нагрев неизбежен, то необходимо избегать перегрева и вспенивания стекломассы. Вторичные пузыри образуются на границе фаз: стекломасса – включение; стекломасса – шихтные остатки; стекломасса – свили. Источником пузырей служат также и огнеупоры (вкрапления в огнеупорах железа, углерода и т.д.).

Чем ближе к месту выработки образуются пузыри, тем больше их размер.

СТЕКЛОВИДНЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ. Свили – включения стекла другого состава, отличаются от основного стекла по химическому составу и физико-химическим свойствам. Причины их образования – неполное растворение и гомогенизация зерен кварца; неточное дозирование компонентов шихты; плохое смешивание шихты; загрузка боя другого химического состава; вовлечение застойных зон в выработочный поток; неправильное распределение теплоты; свили от огнеупорных материалов; продукты взаимодействия огнеупоров с пылевидными компонентами шихты. Способность свилей растворяться зависит от поверхностного натяжения.

ТВЕРДЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ. Это опасный порок стекломассы. Они вызывают локальные напряжения, которые снижают механическую прочность и термическую устойчивость изделий и часто приводит к самопроизвольному разрушению. Твердые включения могут быть:

-шихтными – непроварившиеся компоненты шихты, которые образуются в результате содержания примесей тяжелых минералов в песке, неоднородности шихты, нехватки плавней, расслоения шихты, неправильного режима варки, образования кремнеземистая пленка;

-огнеупорными – образуются в результате использования некачественного огнеупора, нарушения эксплуатации стекловаренной печи (перелеты пламени, колебание уровня стекломассы и др.), а также в случае попадания огнеупора в печь со стеклобоем;

-сульфатными (щелочными);

-продуктами кристаллизации стекломассы;

-посторонними загрязнениями («черные точки», металл и др.).

Кристаллические включения — наиболее опасный порок стекла. Кристаллические включения портят внешний вид изделий, ухудшают оптическую однородность и снижают механическую прочность стекла.

Встречаются кристаллические включения в виде кристаллов различной формы: от мелких, видимых только в микроскоп при большом увеличении, до крупных, размером до нескольких сантиметров. Они могут быть в стекле единичными или в виде больших скоплений. Причины образования кристаллических включений различны.

Шихтные камни представляют собой непроверенные частицы шихты.

Камни, образующиеся при разрушении стекломассой огнеупоров стекловаренной печи, - следствие низкого качества огнеупоров.

Сводовые камни образуются из капель, падающих со свода печи в стекломассу. Свод и подвесные стены бассейна печи разрушаются под действием щелочей, содержащихся в атмосфере печи. При низком качестве огнеупоров и под действием высоких температур щелочи образуют на своде легкоплавкие соединения, которые и подают каплями в стекломассу (их называют также динасовыми камнями).

Продукты кристаллизации возникают вследствие кристаллизации самого стекла. Этим они отличаются от всех других кристаллических включений, которые образуются от внесения в стекломассу инородных тел.

Продукты кристаллизации называют иногда расстеклованными камнями или просто рухом стекла. Это довольно распространенный порок стекла.

Кристаллизация возникает при определенных условиях: на границе фаз — на поверхности стекломассы, около газовых пузырей, на границе с огнеупорами, вокруг шихтных и шамотных камней, на свилях.

Продуктами кристаллизации могут быть различные кристаллы, химический состав которых обусловлен составом стекломассы. Чаще всего в оконных стеклах образуются кристаллы тридимита и кристобаллита (модификации SiO2), волластонита (CaO·SiO2), девитрита (Na2O·3CaO·6SiO2) и диопсида (CaO·MgO·6SiO2).

Склонность стекла к кристаллизации уменьшают корректированием его химического состава. Кристаллизацию стекла можно ликвидировать повышением температуры, так как это способствует растворению образовавшихся кристаллов.

во избежание кристаллизационных явлений следует строго соблюдать технологический режим варки и выработки стекла.

26. Термостойкость стекол и методы ее определения. Формула для расчета напряжений в стекле под воздействием температур.

Термостойкость характеризует способность материала выдерживать резкие перепады температур без разрушения. При резком нагревании или охлаждении в стекле возникают термические напряжения. Если они достигают предела прочности изделий или превышают его, то происходит разрушение.

В случае пластины напряжения в каждой точке изделия зависят от разности температур:

Δt=t_ср-t,

где t_ср – температура в середине пластины, и значение напряжений определяется формулой:

σ=(Еα/lμ)(t_ср-t),

где t – температура на поверхности пластины,

μ – коэффициент Пуансона (соотношение поперечной деформации и продольной),

Е – модуль Юнга,

α – ТКЛР.

В процессе быстрого охлаждения поверхностные слои охлаждаются быстрее , чем внутренние. При этом поверхностные слои стремятся к сжтию, а внутренние, неостывшие, препятствуют этому. В результате на поверхности на первом этапе охлаждения возникают растягивающие усилия.

При быстром нагревании, наоборот, на поверхности стекла развиваются усилия сжатия. Т.к. стекло лучше работает на сжатие, то оно имеет большую стойкость при нагревании, чем при охлаждении.

Термостойкость стекла определяется максимальной разностью температур, которую оно выдерживает при быстром охлаждении без разрушения. Для сравнительной оценки термостойкости стекол можно вычислять коэффициент термостойкости по уравнению Викельмана-Шотта:

К=(σ_раст/αЕ)(√λ/сd )

К термостойким стеклам относятся все стекла, имеющие низкий температурный коэффициент расширения α. Наиболее термостойкое — кварцевое стекло, не разрушающееся при смене температур до 1000°С (α=5,67*10^–7 1/°С при температуре 500 °С). Стойкость обычных промышленных стекол (оконных, тарных) до 80—100 °С.

Термостойкость стекла зависит не только от его химического состава, но и от интенсивности теплоотдачи на поверхности изделия, качества этой поверхности и размеров изделия. Повышают термостойкость закалкой, а также огневой полировкой и химической обработкой, устраняющими дефекты поверхности стекла. Из Т. с. изготовляют химико-лабораторную посуду, колбы для радиоламп, водомерные указатели для паровых котлов и т.д.

27. Диэлектрические потери. Виды потерь в стекле. Влияние химического состава на величину диэлектрических потерь.

Важнейшие электрические свойства стекла — электрическая проводимость, диэлектрическая постоянная, диэлектрические потери и диэлектрическая прочность.

Электрическая проводимость стекол при нормальной температуре ничтожна. Поэтому стекла можно использовать в качестве изоляторов. При повышении температуры электрическая проводимость стекол возрастает.

Электрический ток в стеклах переносится наиболее подвижными ионами, входящими в структуру стекла. При нормальной температуре подвижность ионов в стекле мала и удельная электрическая проводимость стекол составляет 10-13—10-15 Ом-1?см-1. При повышении температуры удельная электрическая проводимость возрастает и достигает у стекломассы величин 10-2—10-1 Ом-1?см-1, что все же значительно ниже удельной электрической проводимости металлов (105—106 Oм-1Xсм-1).

Электрический ток в стеклах переносится главным образом подвижными щелочными ионами. Поэтому увеличение содержания щелочных окислов вызывает увеличение электрической проводимости стекол, а увеличение содержания окислов трех- и четырехвалентных металлов SiO2, ZrO2, В203, Al2O3 приводит к уменьшению электрической проводимости.

Диэлектрической постоянной, или диэлектрической проницаемостью называется безразмерная величина, показывающая, во сколько раз емкость конденсатора, между обкладками которого находится стекло, больше чем у такого же конденсатора, между обкладками которого существует вакуум.

Величина диэлектрической постоянной стекла учитывается при подборе составов стекол для электровакуумных приборов высокой частоты. Диэлектрическая постоянная изменяется от 3,8 у кварцевого стекла до 16 у стекол с высоким содержанием свинца.

Диэлектрическая постоянная возрастает при вводе в стекло щелочных, щелочноземельных окислов и окислов тяжелых металлов, а также с увеличением температуры. Диэлектрическая постоянная стекла Ɛ приблизительно пропорциональна плотности стекла ρ. У самого легкого кварцевого стекла Ɛ=3,8, у тяжелых многосвинцовых стекол — 16. Диэлектрическая постоянная обычных промышленных стекол составляет 6,5—8 (Ɛ воздуха равна 1, неполярных органических веществ — около 2, воды — 81).

При использовании стекла в качестве прокладки конденсатора часть энергии, подводимой к его обкладкам, поглощается стеклом и называется диэлектрическими потерями. Диэлектрические потери характеризуют углом сдвига фаз между силой тока и напряжением на обкладках конденсатора. Тангенс угла диэлектрических потерь у кварцевого стекла равен 0,001, а у обычных промышленных стекол колеблется в пределах 0,01—0,05.

Диэлектрические потери вызывают выделение тепловой энергии в стекле. Мощность этих потерь определяется произведением диэлектрической постоянной стекла на тангенс угла диэлектрических потерь. Выделение тепла вызывает разогрев стекла. Такой разогрев наблюдается при использовании стеклянных деталей в приборах высокой частоты. Разогрев стеклянных деталей может вызвать размягчение стекла и разрушение прибора. Поэтому при подборе составов стекол для электровакуумных приборов необходимо стремиться к тому, чтобы наряду с диэлектрической постоянной величина тангенса угла диэлектрических потерь была невелика.

Диэлектрическая прочность характеризует способность стекла выдерживать воздействие высокого напряжения без разрушения и ухудшения диэлектрических свойств. Диэлектрическая прочность характеризуется отношением разности потенциалов, при которой происходит пробой диэлектрика (стекла), к его толщине в точке пробоя. Диэлектрическая прочность измеряется в кВ/см.

Увеличение содержания SiO2 в стекле повышает его диэлектрическую прочность, а увеличение содержания щелочных окислов снижает ее. Диэлектрическая прочность является важным свойством электротехнического стекла, используемого для изготовления стеклянных изоляторов.

28. Теоретические основы формования стекла. Факторы, определяющие процесс формования. Стадии и разновидности процесса формования.

Возможность формования стекломассы в пластичном состоянии связана прежде всего с особенностями изменения ее вязкости в зависимости от температуры. Пластичность расплава позволяет ему принять заданную форму; затем полученное изделие охлаждают, и приданная ему форма фиксируется в процессе затвердевания изделия.

Интервал температур, при которых стекло отформовывают, называют интервалом формования или выработки. В этом интервале вязкость стекла изменяется от 10² до 10⁸ Па-с, изделие полностью отвердевает при вязкости, равной 10¹² Па-с.

Температуры и вязкости, соответствующие выработке, зависят от состава стекла и способа формования. Так, например, вязкость при вытягивании листового стекла составляет 10^3,5Па-с, вязкость при выдувании тарных изделий—10^2,2 Па-с, при прессовании — 10^2>7 Па-с. Вязкость отформованных изделий на стадии передачи в отжиг составляет 10⁴—10⁷ Па*с. Скорость изменения вязкости стекломассы во времени (скорость затвердевания), зависящая от состава и цвета стекла, определяет необходимое время формования и производительность выработки изделий.

Важную роль в процессе формования стекломассы играет также ее поверхностное натяжение. Оно может действовать положительно или отрицательно в зависимости от способа формования. Благодаря этому свойству удается выдуть без формы тонкостенный круглый пузырь — заготовку будущего изделия, ограничить растекание стекломассы по поверхности какого-либо материала, получить гладкую поверхность стекла при его огневой полировке. Однако при вытягивании или прессовании стекла поверхностное натяжение вызывает деформацию изделий — сужение вытягиваемых листов, закругление углов и ребер изделий.

Важнейшие способы формования стеклянных изделий — вытягивание, прокатка, растекание, литье, выдувание, прессование и центробежное формование. Тепловой режим процесса формования должен быть таким, чтобы изделие до момента затвердевания успело приобрести окончательную форму и размеры. При выработке изделий необходимо, чтобы формующие приспособления оставляли как можно меньше отпечатков и следов на поверхности изделий, а для этого стекло при выработке не должно ни прилипать к формующей поверхности, ни переохлаждаться ею.

Формование изделий осуществляют различными способами: вытягиванием ленты стекла лодочным и безлодочным способами, прокатом, литьем, прессованием, выдуванием.

29. Способы формования стекла. Формование листового стекла и штучных изделий.

листовое

1 метод вертикального вытягивания ВВС

-ЛОДОЧНЫЙ- фурко

- БЕЗЛОДОЧНЫЙ- АСАХИ(валки)

- ПОПЛАВКОВЫЙ- БВВС

Вытягиванием изготовляют листовые стекла толщиной 2—6 мм, стеклянные трубы, стекловолокно. Сущность лодочного способа получения листового стекла заключается в следующем. В бассейн (он обычно имеет длину 5—6 м при глубине 1,2—1,5 м) с готовой стекломассой, охлаждаемой до температуры, соответствующей необходимой вязкости (не ниже 10² Па*с) погружается лодочка. Лодочка — это длинный прямоугольный шамотный брус со сквозным продольным вырезом, переходящим в верхней части в узкую щель. Под влиянием гидростатического напора стекломасса выдавливается через щель; растекания при этом не происходит. Если опустить на стекломассу, выдавливаемую из щели лодочки, горизонтально подвешенную стальную раму — «приманку», а затем оттягивать ее вверх с помощью валиков специальной машины ВВС (вертикального вытягивания стекла), то за приманкой потянется лента стекла. Отформованная лента стекла охлаждается и отжигается в шахте машины. После выхода из шахты от нее отрезают листы требуемых размеров.

При безлодочном способе (вертикальном и вертикально-горизонтальном) в стекломассу погружают огнеупорный поплавок со сквозной щелью или без нее. Поплавок способствует созданию направленного потока стекломассы, помогающего стабилизировать формование ленты стекла. При этом способе лента стекла поднима­ется непосредственно со свободной поверхности стекломассы с помощью бортоформующих роликов.

30. Теоретические основы процессов отжига и закалки изделий. Виды напряжений в стекле и схема …..вания. Расчет режимов отжига и закалки.

Закаленным называют стекло любого состава, цвета и формата, подвергнутого специальной термической обработке (нагрев + быстрое охлаждение), в результате чего в нем образуются остаточные напряжения, которые и обеспечивают особенности его свойств в сравнении с рядовым стеклом. Придает дополнительные полезные свойства: особый (безопасный) характер разрушения и повышенную термостойкость.

Различают два вида закаленного листового стекла: плоское и гнутое.

Предел прочности при изгибе в случае воздушной закалки может превышать 250 МПа, при этом его упругость, характеризуемая стрелой прогиба, возрастает в 4–6 раз в сравнении с рядовым стеклом. Работа разрушения закаленного стекла при испытании на удар возрастает в 8 раз: при толщине 5 мм оно выдерживает удар стальным шаром массой 800 г при падении с высоты более 1200 мм, в то время как обычное стекло – только с высоты 150 мм. Увеличение механической прочности обусловливает повышение термостойкости до 175°С, а структурные особенности, вызванные спецификой термической обработки – увеличение (в 2–3 раза) электропроводности, незначительный (в пределах 3 × 10^–7°С^–1) рост ТКЛР и небольшое снижение плотности.

Оптические, а также теплофизические свойства стекол после закаливания изменяются мало. Закаленное стекло характеризуется стабильностью свойств при длительной его эксплуатации в обычных условиях.

Процесс закалки проводят путем быстрого, но равномерного охлаждения изделия, нагретого выше температуры трансформации T_g, в струях воздуха, органических и иных жидкостях, расплавах металлов.

В ходе закалки в поверхностных слоях стекла формируются напряжения сжатия, которые компенсируются глубинными растягивающими напряжениями.

При резком, но равномерном охлаждении листа тонкий поверхностный слой затвердевает, изменяя свои размеры (сокращаясь) практически без сопротивления размягченных внутренних слоев.

Напряжений между затвердевшим стеклом и центральной частью листа не возникает. Они появляются, когда в ходе последующего после закаливания охлаждения стекла начинается твердение слоев, прилегающих к затвердевшему поверхностному. Сокращая свои размеры, они обжимают отвердевший ранее слой, степень сжатия которого уже значительно меньше. Таким образом, в наружных слоях изделия возникают напряжения спекания. В свою очередь, сопротивляясь сжимающимся усилиям внутренних твердеющих слоев, внешние их растягивают, поэтому центральная часть образца подвержена действию напряжений растяжения.

Уровень остаточных напряжений, сформированных в закаленном стекле, характеризует степень его закалки, которую измеряют величиной двупреломления поляризованного луча при просвечивании стекла в торец и выражают в нанометрах на 1 см хода лучей.

Разность хода лучей на единицу пути Δ / L достаточно просто определяется поляриметром на образцах небольших размеров, закаляемых вместе с большими листами стекла.

Ослабленными зонами в закаленном листовом стекле являются кромки. При ударе они разрушаются легче, чем в отожженном стекле, поскольку удар в этом случае производится по наименее прочному месту, где доминируют напряжения растяжения.

Принципиальное отличие закалки от отжига изделий из стекла состоит в следующем:

– закалка реализуется от более высоких температурах (на 70–100°С выше температуры трансформации стекла T_g);