СПОСОБ ВАРКИ И ВАКУУМНОГО ОСВЕТЛЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СТЕКОЛ
METHOD FOR MELTING AND VACUUM CLARIFICATION OF HIGH-TEMPERATURE GLASS

Изобретение относится к производству стекла и может использоваться при варке и осветлении высокотемпературных оптических, технических, электровакуумных и стекол специального назначения с выработкой в блоки.
Все разнообразные способы осветления применимы при вязкости стекломассы порядка 0,1-10 Па·с [1], что для указанного класса стекол может быть достигнуто при достаточно высоких температурах, например, для электровакуумного стекла С48-3 - 1600°С, а для С52-1- более 1540°С. Попытки сварить стекло С48-3 в керамических горшках емкостью 800 л при 1600°С со временем осветления при этой температуре более 80 часов не привели к положительному результату. Из-за высокой вязкости не произошло осветления стекломассы, количество пузырей различного диаметра в стекле было более 1000 шт./кг. Кроме того, такие высокие температуры и длительное время осветления привели к интенсивному разрушению керамики и к появлению в стекле большого количества включений, что является недопустимым. Таким образом, отпадает возможность варки стекла в керамическом сосуде в пламенной газовой печи, предпочтительным остается варка стекла в платиновом сосуде.
Из практики стекловарения известно, что при вакуумировании облегчается выход пузырей из стекломассы [2]. Проведенный патентный поиск показал, что вакуумирование широко применяется для осветления оконных стекол и стекол технического назначения, но происходит это в тонком слое стекломассы и основная масса патентов относится к устройствам, позволяющим получать давление ниже атмосферного, в основном, над тонким слоем стекла.
Известен способ вакуумной дегазации расплавленного стекла по патентной заявке РФ 2010139413А, опубл. 10.04.2012 г., согласно которому обеспечивают непрерывное прохождение расплавленной стекломассы тонким слоем через особую камеру дегазации, расположенную над стекловаренным бассейном, при этом в камере поддерживают разрежение. Однако аппаратурно способ оформлен достаточно сложно, с восходящей и нисходящей платиновыми трубами, с возвратом части стекломассы из нисходящей трубы снова в камеру вакуумной дегазации.
-7
-1
g
Известен другой способ осветления под вакуумом щелочно-боросиликатной стекломассы для оконных стекол по патентной заявке Германии 10223889 А1, опубл. 30.01.2003 г., согласно которому над стекломассой с температурой (1300-1600)°С поддерживают разрежение от 300 до 50 мбар в течение 15-120 мин. Способ применим для стекол с ТКЛР (30÷60)·10К, с температурой трансформации T=(500÷600)°C и вязкостью около 10·Па·с в интервале температур (1100-1300)°С. Приведенные данные температурных интервалов, вязкости, степени разрежения и времени осветления однозначно указывают на то, что осветление происходит в тонком слое стекла, поэтому способ не решает поставленную задачу.
Ближайшим по технической сущности к предлагаемому способу является патентная заявка Германии 10146884А1, опубл. 19.12.2001, где способ осветления оконного стекла под вакуумом относится к бесщелочной алюмо-боросиликатной стекломассе. В описании приводятся данные экспериментов при варьировании таких параметров, как: температура - от 1350°С до 1550°С (что соответствует вязкости от 260 до 35 Па·с), давление - от 50 до 1013 мбар, время осветления от 30 до 120 мин. Данные о количестве пузырей в стекле не приведены. Как и в предыдущем случае, способ применим для тонкого слоя стекла.
Способ совершенно непригоден для варки стекол с отливом в заготовки средних размеров, т.к. при больших толщинах при указанных в патенте условиях стекломасса не успевает осветлиться.
Техническим результатом изобретения является создание способа периодической варки высокотемпературного стекла в платиновом сосуде емкостью 5-50 литров и вакуумного осветления его до очень высокого качества, а именно с количеством пузырей диаметром менее 0,1 мм не более 10 шт. на кг.
Технический результат достигается тем, что в способе варки и вакуумного осветления высокотемпературного стекла путем выдержки стекломассы при вязкости (160-35)Па·с и разрежении до 50 мбар, в отличие от известного, стекло наваривают в платиновом сосуде в вакуумной печи до объема не более 4/5 его высоты, выдерживают в течение 2-3 часов при заданной температуре варки, производят разрежение в сосуде не менее чем 8 ступенями в интервале от 700 до (100-50) мбар с выдержками по 0,25-12 часов на каждой ступени, при необходимости снижают температуру до достижения стекломассой выработочной вязкости и производят отлив стекломассы в блоки.
Предложенный навар стекломассы в платиновом сосуде не более 4/5 его высоты и набор вакуума не менее чем 8 ступенями до 100-50 мбар гарантируют отсутствие опасного вспенивания стекломассы и ее освобождение в большой толщине от совсем мелких пузырей (диаметром менее 0,1 мм) при их количестве не более 10 шт. на кг.
Экспериментальные варки для моделирования процессов проводились на стеклах С48-3 и С52-1 в 15 литровом платиновом тигле, а стекло С48-3, кроме того, варилось и в тигле емкостью 50 литров. Режим варки стекла следующий. После загрузки боев и шихты и их расплавления высота слоя стекломассы не должна превышать 4/5 от высоты тигля (в нашем случае эта величина составляет 30 см и 45 см). Эксперименты проводились при вязкостях 160 Па·с; 80 Па·с (стекло С48-3) и 40 Па·с (стекло С52-1). После достижения заданной температуры делалась выдержка 2-3 часа, за это время успевают пройти все основные реакции, затем приступали к откачке воздуха до определенного уровня вакуума. Особенностью процесса набора вакуума является внезапное вспенивание стекломассы при определенном уровне разрежения, что может привести к заливу тигля с внешней стороны, короткому замыканию и его порче. Уровни разрежения, при которых происходит вспенивание, соответствуют выходу пузырей определенных размеров. Чтобы обеспечить безопасный набор вакуума, требовалось экспериментально определить уровни разрежения, на которых происходит вспенивание и, не доходя до этих уровней разряжения на 10-20 мбар (в этом случае идет интенсивная дегазация, но не происходит вспенивания стекломассы), произвести выдержку до появления зеркальной поверхности стекломассы и за несколько минут перейти на следующий уровень разрежения. Конкретные примеры набора вакуума приведены в таблице. Далее при достигнутых давлениях стекломасса выдерживалась (осветлялась) до получения годного стекла. После осветления стекломассу, при необходимости, студили до выработочной вязкости (это относится к стеклу С52-1) и отливали через донный патрубок в блоки, отжигали при температурах 720°С- С48-3 и 560°С - С52-1, затем контролировали и разделывали на заготовки. Количество пузырей по анализу также приведено в таблице.
В электровакуумных стеклах и стеклах специального назначения крупные пузыри не допускаются вообще, а количество пузырей диаметром менее 0,1 мм не должно превышать 10 шт. на кг.
Обсуждение полученных результатов.
1. Из таблицы видно, что для получения беспузырного стекла набор вакуума осуществляется не менее чем 8 ступенями. Не доходя до уровней разрежения, на которых происходит вспенивание, на 10-20 мбар производится выдержка, время выдержки на каждой ступеньке определяется появлением зеркальной поверхности стекломассы, т.е. до полного выхода пузырей определенных размеров. Все это обеспечивает безопасный набор вакуума для достижения конечных величин давления. Из примеров следует, что, чем больше вязкость, высота слоя расплава и выше вакуум, тем дольше надо делать выдержку на каждой ступени до перехода к следующей, чтобы обеспечивать практически полный выход пузырей, диаметр которых уменьшается с уменьшением величины остаточного давления, и обеспечить полную технологическую безопасность.
Время выдержки на первой ступени составляет от 0,25 до 1 часа. При достижении давления 100 мбар и 50 мбар создаются условия для достаточного осветления. Стекло без пузырей получается, когда время выдержки на последней ступени разрежения 100 мбар составляет от 3 до 12 часов, а на 50 мбар - от 1 до 4 часа. Общее время набора вакуума не менее 7 часов.
2. В результате получено стекло с пузырностью не хуже категории 2, класс Б по ГОСТ 23136-93 (не более 10 шт. пузырей диаметром до 0,1 мм на кг стекла), что является идеальным результатом для тугоплавких стекол. Более стабильный результат получается при использовании девяти ступеней, когда последней ступенью является остаточное давление 50 мбар.
3. Из приведенных в таблице экспериментов следует, что изменение вязкости стекла и толщины слоя прямо пропорционально влияет на время осветления. Увеличение толщины расплава в 1,5 раза (сравнение варок 2 и 4; 3 и 5 - зависимость от толщины слоя), а также увеличение и уменьшение вязкости в 2 раза (сравнение варок 2,6 и 8; 3,7 и 9 - зависимость от вязкости стекла) при пропорциональном изменении всех времен подтверждает, что количество пузырей осталось практически неизменным. Отсюда следует, что правомерно переносить наработанный опыт на другие марки стекол и на другие условия варки.
Литература
1. «Физико-химические основы производства оптического стекла» Под редакцией заслуженного деятеля науки и техники РСФСР доктора технических наук Л.И. Демкиной. Издательство «Химия». Ленинградское отделение, 1976 г., стр.236.
2. И.И. Китайгородский «Стекло и стекловарение».
Гос. Издательство литературы по строительным материалам, 1950 г., стр.223