Введение
Минеральные (неметаллические) расплавы представляют собой огненно-жидкие и вязкие массы расплавленного при высокой температуре природного неорганического сырья или промышленных шлаков.
В зависимости от исходного сырья различают расплавы:
- стеклянные (в основном из кварцевого песка и других осадочных горных пород),
- каменные (из магматических и осадочных горных пород),
- шлаковые (из промышленных шлаков с обогащающими добавками).
При охлаждении расплавы затвердевают, превращаясь в стекловидные или камне видные вещества.
Для развития производства строительных материалов и изделий на основе минеральных расплавов наша страна располагает широко распространенной сырьевой базой - большими запасами минерального природного сырья (кварцевого песка, известняка, доломита, угля, базальта, диабаза и др.), а также ценных промышленных отходов и, в частности, доменных шлаков текущего производства и отвальных шлаков, ежегодные накопления которых составляют десятки миллионов тонн.
На основе минеральных расплавов в настоящее время изготавливают широкую номенклатуру и разнообразный ассортимент конструкционных и отделочных строительных материалов и изделий, отличающихся высокими эксплуатационными свойствами (долговечностью, стойкостью к агрессивным воздействиям, светопрозрачностью, сопротивлением износу и т.д.), декоративностью и технико-экономической эффективностью. Материалы эти находят применение в ограждающих светопрозрачных конструкциях, теплоизоляции, покрытиях полов, наружной и внутренней облицовке стен.
2. Общие сведения и классификация материалов и изделий из минеральных расплавов. Основы производства
В соответствии с приведенной классификацией минеральных расплавов получаемые из них строительные материалы и изделия можно разделить по сырьевому и технологическому признаку на аналогичные виды: стеклянные, каменные и шлаковые. Иногда в самостоятельный вид выделяют стеклокристаллические материалы - ситаллы и шлакоситаллы, получаемые соответственно из стеклянных и шлаковых расплавов управляемой катализированной кристаллизацией стекол.
В процессе переохлаждения стеклянного расплава получается твердый аморфный материал - НЕОРГАНИЧЕСКОЕ СТЕКЛО. Стекло характеризуется термопластичностью - обратимостью перехода из жидкого состояния в стеклообразное; при нагревании оно не плавится подобно кристаллическим телам, а размягчается, постепенно переходя из твердого состоянии сначала в пластическое, потом в жидкое. Стекло находится в метастабильном (термодинамические неравновесном) состоянии, склонно к кристаллизации при определенных температурных условиях.
В зависимости от состава основных стеклообразующих компонентов различают многочисленные виды стекла; в строительстве применяют, в основном, силикатное стекло, из которого изготавливают материалы и изделия различного типа (листовые, плитные, плиточные, волокнистые, жидкие и др.) и назначения (конструкционные, ограждающие, теплоизоляционные, электротехнические, отделочные, декоративно-художественные и др.).
СВОЙСТВА строительного стекла определяются составом сырьевых масс, режимом термообработки, формой и размерами выпускаемой продукции, другими факторами. Однако для большинства строительных материалов и изделий из стекла характерны такие их общие свойства, как высокая светопрозрачность (до 90% и выше), хрупкость, прочность на сжатие (до 1000 МПа), растяжение и изгиб (до 80 МПа). Модуль упругости стекла около 7 • 104 МПа; плотность 2,45-2,5.
Общими являются и ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ производства строительного стекла: подготовка сырьевых компонентов (сушка, очистка от примесей, дробление и пр.), приготовление шихты, варка и охлаждение стекломассы, формовка материала (изделия), отжиг (релаксация напряжений) и обработка (механическая, термическая, химическая и др.).
ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ - стеклообразующие вещества, содержащие щелочные, щелочеземельные и кислотные окислы; главный из них - кремнезем, который вводят в виде кварцевых песков (60-75% по массе). В варке стекла используют также глинозем (полевой шпат), сульфат натрия (или сода), известняк, доломит, уголь и другие добавки.
Однородная порошкообразная шихта подается в стекловаренную печь, где при температуре 1100-1200°С происходит варка стекла.
Процесс варки условно делят на следующие стадии:
- силикатообразование (термическое разложение, реакции образования силикатов, образование непрозрачного расплава);
- стеклообразование (растворение остатков шихты, удаление пены, образование относительно однородной прозрачной стекломассы);
- осветление и гомогенизация (длительная выдержка при 1500-1600°С, уменьшение степени пересыщения стекломассы газами, перемешивание, усреднение по составу);
- охлаждение или «студка» (медленное снижение температуры до 700—1000°С, доведение стекломассы до вязкости, необходимой для формования).
Формирование материала (изделия) может осуществляться разными способами - литьем с последующей прокаткой, вытяжкой, прессованием, дутьевым и центробежным способом и др. Весьма перспективно формование листового стекла на поверхности расплавленного металла (флоат-процесс).
Отделку и декорирование (облагораживание) стекла при необходимости осуществляют механической, тепловой или химической обработкой поверхности материала (изделия), а также нанесением декоративных покрытий. Механическая обработка включает резку, шлифование, гравирование, пескоструйную обработку, обработку ультразвуком и др. Термической обработке подвергают, как правило, уже охлажденные изделия. В результате воздействия нагревом ниже температуры размягчения стекла происходит сплавление поверхностного слоя с нанесенным покрытием. При высоких температурах обработки на поверхности шероховатого стекла производят огневую полировку.
Химическая обработка включает травление и матирование (обработку поверхности парами фтористого водорода, плавиковой кислотой, другими веществами), химическое полирование, выщелачивание (для повышения светопроницания и получения «радужного» эффекта), декорирование цветными протравами (диффузия) и др.
Декоративные и отделочные покрытия на поверхности стекол наносят в виде слоев муфельных и других красок, эмалей, фактурных посыпок, люстров, силиконовых растворов, солей и паров металлов и т.п. Все эти способы, широко практикуемые для облагораживания художественно-декоративного стекла, могут применяться для обработки архитектурно-строительного листового стекла, стеклоблоков, профильных изделий, в современном витражном искусстве. В настоящее время чаще применяют более технологичные и дешевые способы получения рельефных, узорчатых и цветных стекол, при которых процессы облагораживания стекол совмещены с процессом их изготовления.