Материалы и изделия из стеклянных расплавов и ситаллы

 

Стекло представляет собой переохлажденный расплав сложного состава. Это изотропный и хрупкий материал аморфного строения. Для изготовления стекла применяют следующее сырье, которое включает:

− чистые кварцевые пески;

− кальцинированная сода;

− известняк (или мел).

Строительное стекло относится к группе силикатных стекол, в составе которых содержится до 80 % кремнезема. Оконное стекло имеет следующий химический состав (%):

SiO₂ – 70…72;

СаО – 10…12;

МgO – 3…4;

Aℓ₂O₃ + Fe₂O₃ – 1…3;

Na₂O – 1,4…15;

K₂O – 1…2.

Качество стекла характеризуется следующими показателями:

− плотность – 2500…2700 кг/м³;

− предел прочности:

при сжатии – 500…1000 МПа;

при растяжении – 30…60 МПа (трещины, царапины снижают прочность при растяжении в 4…5 раз);

− при изгибе – 35…85 МПа;

− твердость по шкале Мооса - 5...7;

− теплопроводность – 0,5...1 Вт/(м К);

− температура размягчения – 500...700 °С;

− светопропускание (прозрачность) – 88 %,

− практически не пропускает ультрафиолетовые и инфракрасные лучи.

Недостатком стекла является его повышенная хрупкость. Прочность при ударном изгибе составляет всего около 0,2 МПа.

В состав некоторых строительных стекол с целью улучшения их строительно-технических свойств вводят и другие, более дорогие оксиды (например, оксид бора, повышающий термостойкость; оксид алюминия, увеличивающий прочность и химическую стойкость; оксид свинца и оксид бария, придающий блеск и повышающий коэффициент преломления).

Получение листового стекла складывается из следующих операций:

− подготовка сырьевой шихты;

− расплавление шихты в стекловаренных печах при температурах 1400-1600 °С с образованием стекломассы требуемой вязкости;

− формование листа из расплавленной стекломассы путем непрерывного вытягивания ленты и отрезания от одного конца ее после затвердения стекла листов требуемых размеров;

− термическая, механическая или химическая обработка с целью улучшения строительно-технических свойств стекла.

Варка стекла - процесс многостадийного превращения шихты в жидкую стекломассу. При нагревании стекольной шихты происходят сложные физические, химические и физико-химические процессы. При этом выделяют следующие стадии стекловарения:

− силикатообразование (1100...1150 °С);

− стеклообразование (1150...1250 °С);

− осветление (дегазация);

− гомогенизация (1450...1600 °С);

− охлаждение (1200...1300 °С). На этом этапе идет подготовка стекломассы к формованию.

Листовое светопрозрачное стекло варят в ванных печах непрерывного действия.

Формование стекла производят различными способами, среди которых основными являются два: вытягивание и на расплаве металла (флоат-способ).

Флоат-способ - это новейший прогрессивный способ производства листового стекла. Он отличается максимальной производительностью и высоким качеством вырабатываемой продукции. Скорость формования ленты толщиной 5 мм достигает 500 м/ч, а толщиной 3 мм - до 800 м/ч. Управляют всем процессом при помощи ЭВМ.

Особенность флоат-способа заключается в том, что формование происходит на поверхности расплавленного металла (олова).

Нижняя поверхность ленты стекломассы получается ровной и гладкой за счет контакта с идеально ровной поверхностью расплавленного металла, а верхняя - под действием сил поверхностного натяжения самой стекломассы (идет огневая полировка) (рис. 6.12).

После охлаждения (до 600 °С) стеклолента поступает для термической обработки.

К термической обработке стекла относят отжиг и закалку. Отжиг заключается в медленном охлаждении стекла по заданному режиму. Цель этой операции - предотвратить возникновение в материале больших внутренних напряжений при последующем быстром охлаждении на воздухе. Закалку производят для повышения прочности стекла; заключается она в быстром охлаждении (обдувании воздухом) листов, предварительно нагретых до 600-650 °С.

Закаленное листовое стекло, иначе называемое сталенитом, обладает повышенной механической прочностью и термической стойкостью, при разрушении образует осколки с нережущими краями и применяется для остекления витрин, дверей и т.п.

К разновидностям механической обработки листового стекла относят шлифовку и полировку.

Одним из видов химической обработки листового стекла является травление его газообразным фтористым водородом или растворами плавиковой кислоты и ее солей с целью получения матовой поверхности.

Листовое стекло подразделяется на неполированное и полированное: обычное (отожженное) и закаленное (сталенит); бесцветное и цветное; плоское, волнистое и гнутое. В строительстве наиболее широко применяют листовое неполированное бесцветное стекло. Выпускается оно в виде листов толщиной 2; 2,5; 3; 4; 5 и 6 мм, размерами от 250×250 до 2000×2200 мм. Оконное стекло пропускает не менее 87 % лучей видимой части солнечного спектра и применяется для остекления световых проемов зданий и сооружений.

Путем специальной механической обработки − шлифовки и полировки, в результате которой удаляются все поверхностные пороки (полосность и др.), получают листовое полированное стекло, обладающее меньшими, чем обычное оконное стекло, оптическими искажениями. Такое стекло применяют там же, где и обычное оконное стекло, а также для остекления наружных и внутренних витрин и больших проемов в кинотеатрах, клубах, выставочных залах, аэропортах, вокзалах и т.п.

С целью повышения прочности листовое стекло армируют металлической сеткой, которую укладывают внутри листа параллельно его поверхности в процессе получения методом непрерывного проката. Армированное стекло при разрушении ударом или при растрескивании при пожарах не рассыпается на выпадающие куски. Армирование стекла применяют в тех случаях, когда к стеклу предъявляются повышенные требования в отношении огнестойкости и безопасности, например, для остекления световых фонарей, лифтовых шахт, ограждения лестничных клеток и т.п.

Для остекления световых проемов дверей и перегородок в помещениях, где требуется рассеянный свет, используют узорчатое листовое стекло, на одну или обе поверхности которого в процессе прокатки наносят рельефный рисунок. Узорчатое листовое стекло выпускают бесцветным и цветным. При обработке поверхности листа струей песка при помощи пескоструйного аппарата получают матированные стекла. Они обеспечивают светорассеивание и ухудшают видимость.

Изделия из стекла. К ним относятся:

- пустотелые стеклянные блоки;

- катафот;

- стеклопрофилит;

- стеклопакеты;

- пеностекло;

- стекловата.

Пустотелые стеклянные блоки выпускают шести- и четырехгранной формы. Их применяют как вставки при кладке наружных стен в оконных проемах, в просветах железных решеток и др.

Катафот состоит из стеклянной полусферической линзы, зажима и отражателя. Их помещают в обойму из тонкого алюминиевого листа, которую вставляют в отверстие щитового дорожного знака. Устроенные из сплавленных мелких шариков, они эффективно отражают свет фар автомобиля. Катафоты в ночное время эффективно отражают свет фар автомобиля, информируя водителя о дорожной обстановке. Катафоты бывают диаметром 20, 28 и 51 мм. Они могут быть бесцветными, красного, зеленого и других цветов.

Стеклопрофилит (профильное стекло) - элементы швеллерного или коробчатого сечения из бесцветного или окрашенного стекла длиной 6 м, шириной 25...50 см. Толщина стекла 5...6 мм. Стеклопрофилит применяют для устройства стеклопрозрачных ограждений павильонов автобусных остановок, внутренних перегородок в помещениях. Светопропускная способность профильного строительного стекла 40...70 %.

Стеклопакеты состоят из двух плоских стекол, склеенных по периметру так, что между ними образуется замкнутое пространство, заполненное воздухом.

Пеностекло - стекло с ячеистой (пористой) структурой. Диаметр пор в стекле 0,1…5 мм.

Различают пеностекло с замкнутыми порами (теплоизоляционное), с сообщающимися (звукопоглощающее), с частично замкнутыми (строительно-изоляционное).

Пеностекло характеризуется малой плотностью, низкими теплопроводностью и водопоглощением, огнестойкостью, морозостойкостью и стойкостью к химическим агрессивным средам.

Пеностекло изготовляют плотностью 100…700 кг/м³, причем 90 % его производства приходится на долю легкого (до 250 кг/м³), где газовая фаза занимает объем свыше 90 %.

Механическая прочность пеностекла увеличивается с повышением его плотности. Предел прочности на сжатие пеностекла плотностью 200…400 кг/м³ составляет 2…6 МПа, а коэффициент теплопроводности изменяется от 0,055 до 0,13 Вт/(м К).

Сырьем для производства служит смесь тонкоизмельченной стекольной шихты или стеклобоя с порообразователями, которые при высокой температуре выделяют газ, вспучивающий стеклянную массу.

При получении пеностекла с замкнутыми порами применяют углеродосодержащие порообразователи – кокс, сажу, торфяной полукокс, карбид кремния и т.д. Для получения пеностекла с сообщающимися порами используют мрамор, доломит и др.

Технологический процесс производства пеностекла (в виде блоков, плит, деталей, крошки) состоит из приготовления исходной смеси, вспенивания, в обжиге, отжига заготовок и механической обработки. Вспенивают стекло при температуре 700-800 °С для обычного стеклянного порошка или 900-1250 °С для порошков стекла и стеклокристаллических композиций, полученных из глины, нерудных ископаемых, отходов производства или горных пород. Вспенивание стекла и отжиг блоков из него осуществляется в одной или двух различных печах. Пеностекло легко поддается механической обработке: его пилят, режут, сверлят.

Пеностекло применяют в строительстве в качестве тепло- и звукоизоляционного материала.

Стекловата – вид стеклянного волокна. Это теплоизоляционный волокнистый материал, получаемый при дутьевом или центробежном способах в виде тонких нитей (диаметр 5…15 мкм) небольшой длины (5…60 мм).

Технология получения стекловаты фильерным способом состоит в том, что из расплава стекла через отверстия (фильеры) в платиновой пластине вытягивают тонкие прочные нити, которые, охлаждаясь, затвердевают.

Плотность стекловаты колеблется в пределах 20…200 кг/м³; коэффициент теплопроводности 0,041…0,052 Вт/(м×К).

Из стекловаты изготовляют теплоизоляционные изделия: маты, полосы, плиты, скорлупы, где стеклянные волокна соединяются между собой с помощью вяжущих материалов.

Ситаллы.

Ситаллами называют закристаллизованные стекла с мелкокристаллической структурой, полученные впервые в СССР профессором И.И.Китайгородским путем введения в расплав стекла кристаллических затравок (катализаторов): оксидов титана (ТiO₂), циркония (ZrO₂) и др.

Получен также мелкокристаллический материал из огненно-жидких шлаков, названный шлакоситаллом.

Производство шлакоситаллов состоит из трех этапов:

1) варка стекла из шихт, содержащих катализаторы кристаллизации;

2) формование изделий;

3) термическая обработка отформованных изделий в печах-кристаллизаторах для получения мелкокристаллической структуры. Нагрев и выдерживание изделий осуществляют при температуре, соответствующей образованию центров кристаллизации (в шлакостеклянной массе равномерно распределены кристаллы размером 0,01…0,1 мкм в количестве примерно 50…90 % по объему.

Шлакоситаллы состоят из 50…90 % кристаллической фазы и 10…50 % стекловидной. Изменяя время и температуру термообработки, можно получать кристаллы необходимых размеров и нужное количество кристаллической фазы.

По сравнению с обычными стеклами ситаллы обладают значительно большей прочностью и термической стойкостью. В табл. 6.4 приведены физико-механические свойства шлакоситалла и строительного стекла.

 

Таблица 6.4

Физико-механические свойства шлакоситалла и стекла

Материал	Плотность, кг/м^3	Предел прочности при изгибе, МПа	Предел прочности при сжатии, МПа	Предел прочности при растяжении, МПа
Стекло		30-100	500…1000	30…60
Шлакоситалл			1000…1600	25…50

 

Шлакоситаллы обладают высокой стойкостью к истиранию (0,013…0,03 г/см²). Они являются высоко химически стойкими.

Ситаллы могут быть черной, желтой и белой окраски, что позволяет их применять в дорожной вертикальной разметке.

Листовые шлакоситаллы применяют для наружной и внутренней обработки стен, колонн, покрытий полов в помещениях с агрессивной средой.

Дробленый ситалл белого цвета (дорсил) используют как щебень для асфальтобетона с улучшенными светоотражающими свойствами для устройства дорожных покрытий в местах, требующих особого внимания водителей (например, участки в местах перехода людей через дорогу или при устройстве волнистых конструкций на проезжей части – «лежащий полицейский»).

Технология получения листового шлакоситалла показана на рис. 6.13.