Курс лекций по "Товароведению"

 

Большое разнообразие красителей позволяет придавать стеклу любую окраску. На характер его окрашивания, кроме химической природы красителя, влияют концентрация, химический состав окрашиваемого стекла и условия варки.

Для устранения нежелательного цветового оттенка (который придают стеклу в основном оксиды железа) при получении бесцветных стекол в состав стекольной шихты вводят обесцве-чиватели. Различают физические, химические и смешанные обесцвечиватели .

Сущность физического обесцвечивания заключается во введении в состав стекла красителей, которые окрашивают его в Цвет, дополнительный к окраске соединениями железа. В результате такого двойного окрашивания стекло приобретает нейтральный, серый оттенок, но его светопропускание понижается. Следует различать светопрозрачные и обесцвеченные стекла. В качестве физических окислителей применяют селен, оксид никеля, небольшие добавки оксида кобальта.

Химическое обесцвечивание сводится к тому, чтобы по возможности перевести содержащийся в стекле оксид железа (II) в °Ксид железа (III) (FeO окрашивает стекло в 10 раз интенсивнее, чем Гв20з). В качестве химических обесцвечивателей применяют сильные окислители: селитру, оксиды мышьяка, сурьмы и др.

Смешанные обесцвечиватели производят одновременно и Физическое, и химическое обесцвечивание. Наиболее характерным обесцвечивателем данного типа является пиролюзит

Большая часть цветных  стекол требует окислительных условий варки, чтобы предотвратить переход красящих оксидов в низшие степени окисления. В других случаях (например, при варке медного рубина) условия этого процесса должны быть восстановительными.

В качестве окислителей  применяют нитраты калия и  натрия, оксид мышьяка А8₂0з и другие вещества, разлагающиеся с выделением кислорода в процессе варки.

Наиболее  распространенным восстановителем  является углерод, который вводят в шихту посредством угля, кокса или древесных опилок. Применяют также соединения олова (оксид или хлорид олова (II)).

Для получения  непрозрачного (глушеного) стекла применяют глушители. В основном это соединения фтора и фосфора.

К осветлителям относятся материалы, способствующие удалению из стекломассы видимых мелких и крупных газообразных пузырей. В их качестве применяют материалы, которые под воздействием высоких температур разлагаются с выделением большого количества газообразных веществ (селитры, аммонийные соли и даже сырая древесина).

Ряд химических соединений ускоряет варку стекломассы, понижает температуру варки. В качестве ускорителей варки стекломассы используют соединения фтора, аммонийные соли, хлорид натрия и др.

 

3. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА СТЕКЛЯННЫХ  ИЗДЕЛИЙ

В процессе производства стеклянных изделий можно выделить основные этапы.

1. Подготовка сырьевых материалов и приготовление шихты (шихтой называют смесь предварительно подготовленного и отвешенного по заданному рецепту сырья).
2. Варка стекломассы.
3. Формование изделий.
4. Обработка изделий (термическая и техническая).
5. Декорирование изделий.

Каждый этап характеризуется  набором определенных операций и способами их осуществления. Точность соблюдения технологического режима на каждом из указанных этапов определяет качество готовых изделий.

 

1. Подготовка сырьевых материалов

Характер подготовки природных сырьевых материалов зависит от их природы, свойств и назначения.

Искусственные материалы, как правило, не нуждаются  в предварительной подготовке, так как обладают достаточной степенью чистоты и необходимой дисперсностью. Подготовка песка состоит из операций обогащения, сушки и просеивания.

Процесс обогащения песка заключается в удалении из него до допустимой нормы вредных (в первую очередь — железистых) примесей. При этом улучшается зерновой состав и повышается его однородность.

В зависимости от характера  примесей могут применяться следующие методы обогащения: промывка, оттирка, флотация, магнитная сепарация, химические методы.

Песок, содержащий более 4,5 % влаги, малосыпуч, его трудно перемешивать с другими компонентами стекольной шихты. Поэтому невозможно получить однородную шихту. Поскольку песок после обогащения имеет высокую влажность, операция сушки является обязательной стадией его подготовки.

При просеивании  из песка удаляются крупные зерна  и побочные включения. Это обычно вспомогательный процесс при обогащении песка.

Известняк, доломит и  другие каменистые материалы готовят по следующей схеме: дробление — сушка — тонкий помол — просеивание — магнитная сепарация. Карбонатные породы обычно обогащению не подвергают из-за сложности отделения железосодержащих примесей. Мел готовят по той же схеме за исключением процесса дробления.

Соду, сульфат  натрия и другие сыпучие материалы обычно только просеивают. Древесный и каменный уголь дробят в молотковых дробилках и просеивают.

Стеклянный  бой очищают от посторонних примесей, промывают и измельчают. Химический состав боя должен соответствовать составу основного стекла, к которому он добавляется.

После осуществления  операций подготовки сырьевые материалы взвешивают и смешивают в определенной пропорции.

Для получения качественного  стекла приготовленная шихта Должна быть прежде всего однородной. Скопления или комки отдельных материалов в шихте вызывают образование в стекле различных пороков.

 

2. Варка стекла

В стекловаренной печи при  высокой температуре в шихте  происходят различные процессы и  разнообразные превращения. При сравнительно небольших температурах (около 400 °С) между материалами шихты начинаются химические реакции, ведущие к образованию силикатов. По мере дальнейшего нагревания шихта превращается в расплав различных солей. Образовавшиеся силикаты и остатки непрореагировавших компонентов спекаются в плотную массу. Это первая стадия варки стекла — силикатообразование (температурный режим — 800—900 °С).

При последующем  повышении температуры силикаты расплавляются и растворяются. Образуется пенистый и непрозрачный расплав, пронизанный частицами материалов шихты и пузырьками газов, выделяющихся во время реакций.

Постепенно  твердые остатки шихты растворяются в расплаве, пена исчезает, образуется прозрачная стекломасса. Это вторая стадия стекловарения — стеклообразование (протекает при температуре 1150—1200 °С).

Полученная  масса содержит в себе газообразные включения различных размеров и неоднородна по химическому составу. Поэтому она пока еще непригодна для выработки изделий.

Процесс удаления из стекломассы пузырей (дегазация) называется осветлением (температура 1400—1500 °С). Заключается оно в выделении газообразных включений из стекломассы при дальнейшем ее нагреве за счет снижения вязкости последней. Для ускорения процесса через стекломассу могут пропускать сжатый воздух или пары воды (барботирование), добавлять осветлители. Принцип ускорения процесса в том, чтобы насытить стекломассу крупными газообразными включениями. Такие пузыри сравнительно легко поднимаются к поверхности. По пути они захватывают мелкие пузыри, которые самостоятельно поднимаются очень медленно или не поднимаются вовсе по причине довольно высокой вязкости стекломассы.

Процесс выравнивания химического  состава полученной массы называется гомогенизацией. Она представляет собой длительную выдержку стекломассы при высоких температурах (около 1500 °С). При этом в результате диффузии расплава стекломасса становится химически однородной.

Полученная  однородная масса охлаждается до вязкости, необходимой для формования из нее изделий (обычно до температуры около 1200 °С). Данный процесс называется студкой.

Таким образом, в процессе варки стекла можно условно выделить пять основных этапов: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизация и студка. На практике только первая и последняя стадии протекают неодновременно и в разных местах ванной печи. Вторая, третья четвертая стадии начинаются практически в одно и то же время. Затем стеклообразование прекращается, а осветление и гомогенизация продолжаются вплоть до этапа студки.

Для варки  стекла используют горшковые и ванные печи. Последние могут быть периодического и непрерывного принципа действия.

В горшковых печах  стекло варят в специальных огнеупорных сосудах (горшках), которые помещаются в печь, в ванных печах — в бассейнах, являющихся частью кладки печей. В горшковых и периодических ванных печах процессы варки стекломассы и выработки изделий чередуются: в горшок или разогретую печь засыпают шихту, стекломассу проваривают, охлаждают и вырабатывают. Затем цикл начинается снова. В непрерывно действующих ванных печах в один конец печи все время засыпают шихту, а из другого непрерывно вырабатывают изделия. Здесь все стадии варки стекла осуществляются одновременно, но в различных зонах печи.

Периодические ванные печи по производительности примерно такие же, как и горшковые, а по экономичности вдвое их превосходят. Единственное преимущество горшковых печей в том, что в одной из них можно в различных горшках одновременно варить стекло разного химического состава (например, различного цвета). Наиболее производительными и экономичными являются ванные печи непрерывного действия.

3. Формование стеклянных изделий

Благодаря уникальным свойствам стекломассы (главным образом ее пластичности, вязкости и высокому поверхностному натяжению) вырабатывать из нее изделия можно самыми разнообразными способами.

Одним из самых  старых способов выработки стеклоизделий является выдувание. Данный способ практически универсальный для производства стеклянных изделий бытового назначения. Выдуванием можно получать плоские и полые, тонко- и толстостенные, мелкие и крупные, простые и сложные по форме изделия.

Способ заключается  в том, что порцию стекла, подобно ному пузырю, раздувают воздухом под давлением. Различают ручное и механизированное выдувание. Ручное применяют для механизированное — более простых (например, стаканов).

При ручном процессе воздух вдувают в порцию стекла при помощи специальной трубки, которая представляет собой пустотелый стержень из жаропрочной стали длиной более 1 м. Воздух в нее вдувается ртом мастера или посредством резинового ручного баллона, надетого непосредственно на трубку. Она получила название «трубка-самодувка».

При формовании изделий на разогретый конец трубки, имеющий утолщение, называемое «набелем», из печи набирают порцию стекломассы, которая прилипает к разогретому металлу, и раздувают в небольшой пузырь — «баночку». Заготовку охлаждают, набирают на нее новую порцию стекла и, слегка раздувая, придают набору нужную форму (вращая его, сплющивая или оттягивая при помощи специальных металлических щипцов). Затем набор помещают в подогретую форму и получают изделие, постоянно вращая при этом трубку. Под действием вдуваемого воздуха стекло плотно прилегает к стенкам формы и застывает.  Чаще всего используют металлические (стальные или чугунные) формы. Цилиндрические и конические изделия выдувают в неразъемные формы. Изделия сложной  конфигурации (у которых  верхний  диаметр  меньше нужного) выдувают в разъемные формы, состоящие из двух или трех частей. Благодаря тому, что изделие при выдувании постоянно вращается и внутренние стенки формы покрыты специальной смазкой (обычно это древесный уголь, который под воздействием высокой температуры выгорает, образуя огневую прослойку между стенками формы и изделием), поверхность изделий получается гладкой. При этом даже если их выдували в разъемные формы, швы от мест соединения частей формы отсутствуют.

После извлечения изделия из формы мастер касается холодным металлическим предметом места соединения нижнего конца трубки с изделием. Причем из-за резкого местного изменения температуры образуется трещина, и изделие легко отделяется от трубки.

При механизированном способе  принцип формования тот же, только воздух вдувается посредством специальной головки стеклодувного автомата. Баночка раздувается в так называемой черновой форме, а изделие формуется в чистовой. Все процессы (набор стекломассы в формы, подача воздуха, извлечение готового изделия и т.д.) автоматизированы.

В производстве стеклянных изделий часто используют метод прессования. Стекломассу прессуют при помощи формы, определяющей контур внешней поверхности изделия, и сердечника (пуансона), создающего давление на стекло и оформляющего внутреннюю поверхность. Способ дает возможность получить и полые, и плоские изделия. Толщина стенок изделия зависит от величины зазора между пуансоном и формой. Понятно, что данным способом получить тонкостенные изделия невозможно. Еще один недостаток прессования в том, что поверхность изделия подучается более грубая, не такая гладкая, как у выдувных. На ней часто могут оставаться следы от пресс-формы (порок «кованность»). У изделий, прессованных в разъемные формы, на поверхности всегда остаются швы от мест соединения их частей. Для маскировки грубой поверхности изделий и швов от пресс-формы, а также в качестве метода декорирования часто используется рельефный рисунок, получаемый за счет аналогичного рисунка на внутренней поверхности формы.