1. 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.