Полоса — стекло из стекла

Инструкция

Данная статья создана для систематизации определений, причин возникновения и методов решения проблемы полосности на основании таких работ, как ?Дефекты при изготовлении стекла? H. Jebsen-Marwedel, R. Brückner, ?Технологии производства бутылочного стекла? Генри Мура, ?Анализ и методы решения дефектов твердых включений в стекле, полосности? Дуань Шэньхуан. Надеюсь, она будет полезна при выполнении фактической работы.

1. Определение полосности

Полосность – это довольно распространенный дефект однородности стекла. Из-за многообразия форм возникновения полосности на протяжении последних нескольких лет это явление считается неоднозначным. В стандартах Американского общества по испытанию материалов просто предусмотрено, что ?полосность стеклянных изделий представляет собой тонкие и длинные стекловидные включения, которые отличаются от основной массы стекла по оптическим свойствам и иным качествам?.

Полосность можно понимать, как переходную стадию до достижения расплавом или раствором полной однородности посредством химического, физического, а также конструктивного взаимопроникновения. Ввиду этого, такое понятие как ?полосность? может выступать общим термином для обозначения стекловидных включений, которые могут быть полностью перемешаны. Если позволяют условия, они могут быть полностью перемешаны при температуре плавления с окружающими их веществами и совместно заморожены. Отличие от окружающих веществ состоит в том, что стекловидные включения могут иметь иной химический состав, также в некоторой степени могут отличаться их тепловое состояние или (и) прочностные характеристики.

Из-за наличия полосности, в том, что касается изменения физической энергии свилей, вина за множество проблем возлагается именно на появление полосности. Такого рода проблемы охватывают диапазон от легких поверхностных дефектов до дефектов, в значительной степени снижающих прочность стекла.

2. Формирование полосности различных типов

Причины возникновения полосности

Как правило, причины возникновения полосности можно разделить по нескольким нижеперечисленным аспектам:

Обусловленность нерациональным подбором фракции стекольного сырья;

Ошибочные изменения компонентов сырья;

Не самое оптимальное планирование компонентов стекла;

Обусловленность ненадлежащим плавлением в печи;

Обусловленность нестабильным объемом выгружаемого сырья;

Коррозия огнестойких материалов;

Испарение щелочных материалов.

3. Методы решения проблемы полосности 

1) Полосность, возникшая из-за неравномерного перемешивания шихты или ошибок при взвешивании

Здесь можно различать полосность при обилии и при недостатке кремнезема. При содержании же в стекле оксида алюминия, также возникает полосность при обилии и при недостатке оксида алюминия. Полосность при обилии или недостатке окиси кальция или окиси магния встречается довольно редко.

Полосность, обусловленная отклонениями шихты, часто может вызывать серьезные проблемы обеспечения безопасности бутылок. Полосность такого типа проявляется в такой особенности, как многослойность различной интенсивности, как правило имеющая форму витков, обширная и растянутая на кольцевом срезе. Полосность может появляться из-за напряжения при растяжении и сжатии, это зависит от степени серьезности ошибки при подборе шихты.

Для однородности шихты в основном следует учитывать несколько нижеперечисленных моментов:

1). Гранулометрический состав шихты – это решающий фактор, который определяет величину площади взаимного контакта участвующих в реакции веществ (сырья). Площадь контакта и соответственно площадь реакции должны быть как можно больше.

2). Распределение всех компонентов должно быть статистически максимально однородно в пространстве и времени, компоненты сырья должны равномерно перемешиваться. Для чего необходимо проводить постоянный мониторинг.

3). Для точного измерения (взвешивания) объема загружаемого сырья необходимо понимать, какова влажность шихты в любой момент времени. В обычной ситуации требуется, чтобы влажность кварцевого песка составляла 4-5% (вес). При использовании сухого песка можно добавить в шихту немного воды после или в процессе перемешивания.

Стабильность плотности может выступать в качестве показателя могущей возникнуть проблемы полосности.

В случае если колебания плотности в течение дня превышают 0,0020 г/см³, изменения компонентов, вызванные колебанием плотности, могут привести к полосности.

Необходимо обращать внимание на гомогенизацию в процессе осветления.

Значительный объем пузырьков газа в процессе плавки и осветления может вызывать множество реакций замещения, что позволит стеклу после формирования приблизиться к среднему статистическому показателю, не превышающему определенных норм. Чем меньше отклонение всех частей компонентов от этого среднего показателя, тем более гомогенный расплав.

?Горячая точка? – это область самой высокой температуры в зоне осветления, которая выполняет две основные функции: термическое разложение осветлителя и вызываемое благодаря этому вытеснение газов из расплава: в варочном бассейне для стекла образуются два больших цикла потоков и несколько малых циклов потоков. Большие циклы потоков содействуют перемешиванию пузырьков газа, что приводит к интенсивной диффузионной деформации, благодаря которой достигается эффект гомогенизации расплава. Горячая точка может быть усилена путем проведения двух мероприятий: с помощью вспомогательного нагрева и ?образования пузырьков?.

После применения вспомогательного нагрева по отношению к натриево-кальциевому стеклу коэффициент преломления стекла повышается на △=0,0003, плотность – на 4,5 %, а степень неоднородности (измеренная с помощью фильтра Кристиансена) может быть снижена на 2/3. Образование пузырьков в расплаве стекла с помощью воздуха может снизить флуктуацию плотности сырья с изначального показателя в 1,1 кг/м³ до 0,45 кг/м³.

2) Полосность, возникшая из-за замены компонентов шихты

Только при загрузке шихты одного и того же состава на протяжении длительного времени возможно добиться действительно однородного расплава в варочной ванне. После изменения химического состава шихты также потребуется некоторый промежуток времени для проведения анализа таких изменений в готовых изделиях.

В ванных печах всегда имеются слои стекломассы, которые не так интенсивно текут вслед за рабочим потоком, они могут являться причиной возникновения дефектов. Особенно в местах ванной печи, которые внезапно сужаются (пережим свода печи), и вблизи от других подобных мест легко образуются вихревые потоки, в каждом отдельном вихревом потоке состав веществ может быть различным, и формирующийся здесь слой стекломассы, хотя и является временным, тем не менее на его границах может возникать полосность.

Полосность стекла, возникающую из-за изменений компонентов шихты (по меньшей мере, временную полосность), практически невозможно предотвратить. Одновременно это оказывает влияние и на другие характеристики стекла, а также приводит к возникновению дефектов при формовании.

3) Летучесть сырья и порошковая пыль – источники возникновения полосности

Оба этих явления имеют два нижеуказанных отрицательных эффекта, которые могут стать источниками возникновения дефектов:

Эта специфическая ситуация в основном возникает в боросиликатном стекле, отличающемся малой щелочностью, так как для варки стекла требуются определенное количество оксида бора (легко испаряется) и высокая температура, что легко и быстро приводит к нехватке щелочных веществ на поверхности стекломассы, тем самым стекло становится в обилии содержащим силикаты. Если такая стекломасса попадает в систему рабочего потока, возможно возникновение полосности.

1). Несмотря на то, что изменение компонентов стекла является локальным, однако это может приводить к заметной полосности на значительной площади поверхности расплава.

2) На огнеупорных материалах, располагающихся над поверхностью стекломассы, формируется шлам. Он не только может приводить к возникновению полосности, но и оказывать в свою очередь коррозионное воздействие на огнеупорные материалы.

В общем, полосность такого типа может подразделяться на разновидности и иметь место только на части кольцевого среза. Она может появляться на бутылках в виде вертикальных полос, а на кольцевом срезе проявляться в форме, похожей на ?бугорок?.

В канале питателя температура достаточно низкая, коррозия стекла и огнеупорных материалов происходит довольно медленно, тем не менее стекломасса размывает огнеупорные материалы и оказывает на них коррозионное воздействие, стекломассе после коррозии сложней распространяться из-за низкой температуры. Но после того, как температура в канале питателя изменяется, стекломасса стекает вдоль нижней части канала питателя и потоком увлекается в стекольную продукцию. Место формирования такого вида полосности в основном аналогично для продукции одной группы. Это полосность в виде ?кошачьих коготков?.

Методом решения проблемы возникновения полосности такого вида является установка перемешивающего устройства в канале питателя.

Помимо этого, в конструкции канала питателя увеличивается радиус угла пересечения стенок и дна канала питателя, уменьшается слепая зона, во избежание замедления потока и формирования ?мертвого сырья?, усиливается термоизоляция нижней части канала питателя, повышается температура стекломассы в нижней части канала, таким образом снижается ее вязкость, увеличивается текучесть и диффузионная подвижность.

В передовой конструкции зарубежных производителей канал питателя оснащается устройством продувки.

4) Полосность, обусловленная ненадлежащим плавлением

1). Температура в печи не отличается стабильностью, она то высокая, то низкая. Когда температура повышается, слой на дне варочного бассейна, изначально недвижимый (или малоподвижный слой), претерпевает изменения. Вследствие различий в составе компонентов и вязкости также может формироваться полосность, Такой вид полосности имеет вид пластинок (кусочков).

Из-за колебаний температуры застывшее сырье различного состава и срока давности начинает перемешиваться и расплавляться с большей частью стекломассы в ванной печи, что также может приводить к возникновению полосности.

При изменении рабочего состояния печи возникают чрезмерно большие изменения объема выгружаемого материала; несбалансированное горение и окисление с одной стороны печи; колоссальные изменения электродов с флюсом или образования пузырьков; неравномерное течение стекломассы в ванной печи и другие обстоятельства.

2). Полосность, обусловленная ненадлежащей атмосферой печи

Под атмосферой печи подразумеваются не только состав и парциальное напряжение различных газов в пространстве над расплавом, но также и температура газов. Атмосфера печи оказывает серьезное влияние на расплав стекла. Говоря словами Nowacki: ?Роль атмосферы печи почти равнозначна компоненту шихты, и ее необходимо контролировать так же тщательно, как и собственно шихту?. Особенно важно поддержание стабильных температурных условий для окрашенного стекла и сульфатного стекла, отличающихся чрезвычайной чувствительностью к колебаниям степени уменьшения пламени. Так как каждый температурный показатель соответствует состоянию равновесия, он не должен подвергаться никакому вмешательству. Колебания температуры вызывают возникновение переходного состояния, что непременно приведет к неоднородности.

Некоторые виды стекла, содержащие многовалентные катионы или сульфиды, селениды, могут изменять цвет благодаря окислительно-восстановительному потенциалу, таким образом из-за влияния атмосферы печи могут возникнуть разноцветные полосы.

Многообразны причины возникновения бурых полос. Помимо восстановления стекла и восстановления селена, бывают также примеси железа в стеклобое или попадание в стекло железных деталей конструкции печи. Недостаточная очистка от старой стекломассы при замене вида окрашенного стекла, неподходящее расположение малой печи, плюс восстановление сульфатов при осветлении, занесение угольных опилок в стеклобой и другие факторы могут увеличить содержание серы в стекле, что приведет к окрашиванию стекла. Аналогичны причины появления в стекле полос и лент янтарного цвета.

4) Полосность, образовавшаяся из-за добавления стеклобоя

В обычной ситуации, когда в шихту добавлен стеклобой, плавление происходит более успешно, чем когда стеклобой не добавлен. Однако в стеклобое имеется некоторый недостаток щелочи. Это результат испарения щелочи из изначальной шихты при плавлении. И достаточно, чтобы эта разница даже не превышала 0,2% Na₂O, чтобы это привело к феномену неоднородности расплава. Ввиду этого стеклобой изначально отличается по составу от входящей в шихту фритты. Поверхность стеклобоя отличается склонностью к быстрому поглощению содержащихся в воздухе компонентов, особенно влаги. Что касается состава, в принципе, поверхность и внутренняя часть стеклобоя имеют различия, после плавления будет образовываться пограничный слой (полосность), изолированный от окружающего расплава. Необходимо обращать внимание и предпринимать меры предосторожности, направленные на то, чтобы состав стекла из стеклобоя не отличался от состава стекла в печи. Необходимо на регулярной основе осуществлять компонентный анализ стеклобоя, закупаемого у сторонних организаций, и согласно результатам анализа регулярно корректировать состав стекла.

За многолетнюю практику люди постепенно уже овладели технологией ?цикличного? использования стеклобоя при плавке стекла. В прошлом в шихту добавляли больше карбоната натрия, и без вреда можно было использовать 30%-35% стеклобоя. Сегодня же в ходе крупных производственных испытаний успешно переплавляется 66%-100% стеклобоя. И это не влияет на многие важные свойства стекла, например, на прочность на изгиб, ударную прочность, степень однородности, характеристики Е-стекла, тепловое расширение, электрическое сопротивление и т.д.

5) Полосность, обусловленная нестабильностью объема выгрузки материала

На производстве полосность чаще всего возникает при изменении продукции. Так, при изменении продукции и изменении потока стекломассы обязательно нужно тщательно контролировать скорость изменений.

Особенно это касается увеличения потока стекломассы, лучше всего постепенно увеличивать скорость работы оборудования.

При увеличении объема выгрузки материала, особенно при довольно значительных колебаниях поверхности стекломассы, отличающийся высокой степенью вязкости расплав у обеих стен бассейна, подвергающихся коррозионному воздействию, течет по направлению к центру варочного бассейна, довольно быстро проникая в рабочий поток, вследствие этого возникает полосность. При увеличении объема выгрузки материала под влиянием вязкости самого стекла первоначальный поток на дне бассейна становится медленнее, увеличивается или изменяется скорость малоподвижного слоя, вследствие этого возникает полосность.

Самый лучший метод решения этой проблемы заключается в постепенном увеличении скорости оборудования. Также нужно усилить меры контроля для стабилизации рабочего режима плавки печи.

Есть еще одна ситуация, когда после изменения продукции поток стекломассы становится меньше. В такой ситуации, как правило, вес единицы одного изделия уменьшается, требуется повышение температуры формования, повышение температуры в рабочей камере и канале питателя. Так как температура повышается, задержавшееся в рабочей камере и канале питателя старое сырье увлекается потоком стекломассы, перемешивается с потоком стекломассы в процессе формования, и возникает полосность.

Самый лучший метод решения данной проблемы заключается в том, чтобы до замены продукции заблаговременно, медленно и постепенно повышать температуру в рабочей камере и канале питателя. Также нужно усилить меры контроля для стабилизации рабочего режима плавки печи.

По сравнению с полосностью, обусловленной различием компонентов шихты, такой вид полосности на кольцевом срезе имеет тенденцию к довольно небольшому уровню напряженности, а также распространен не так широко.

6) Полосность, возникшая из-за расстекловывания и взаимодействия ?твердых включений? (камней) и окружающего расплава

Обе этих ситуации связаны с отклонениями равновесия при растворении.

7) Полосность, возникающая из-за огнеупорных материалов

Огнеупорный материал – это нестеклянный материал, с которым, кроме атмосферы печи, соприкасается расплав стекла. Сопротивляемость огнеупорного материала ограничена, он медленно растворяется в расплаве, превращаясь в источник возникновения полосности.

1). Шлакование верхней части конструкции печи становится источником возникновения полосности

Когда верхние внутрикорпусные устройства печи подвергаются незаметному воздействию щелочи из шихтной пыли, образующийся шлак также может вызвать появление полосности. Если образование шлака в рамках нормы, то его вред не будет слишком сильным. Но при превышении эвтектической точки, локальном размягчении шлака с превращением его в капли и попадании в расплав стекла возможно образование полосности значительных объемов.

Иногда на своде стекловаренной печи из-за неплотности сварных швов появляется шлак в форме сталактитов и других форм. Причиной неплотности сварных швов может быть не совсем правильный размер огнеупорного кирпича (выпуклости, кривизна тела кирпича, деформация из-за неравномерного обжига, несовпадение углов заострения и т.д.), также это может быть связано с недостаточной тщательностью при кладке, неудачным выбором или недостаточным количеством известкового раствора. Помимо этого, также встречаются некоторые виды кирпича, особенно легко поддающиеся шлакованию и коррозии.

Неуместное повышение температуры свода печи также может приводить к раскрытию изначально плотно пригнанных сварных швов и проникновению через них газов.

Правильный выбор размеров кирпича, а также надлежащим образом рассчитанная кривая нагрева (тепловое расширение кирпичей свода, направление расширения в сторону увеличения толщины при установлении температурного градиента), возможно, будут самым оптимальным вариантом для схождения разошедшихся сварных швов. Заслуживает внимания рекомендация раз в 4-5 месяцев тщательно проверять свод плавильной печи и ремонтировать подвергшиеся серьезному разрушению части.

2). Места размыва поверхности стекломассы – основные части, где возникает полосность.

Каждое колебание поверхности стекломассы может повлечь за собой поднимание или опускание в местах размыва насыщенной коррозионно-активными веществами стекломассы. Такие колебания поверхности стекломассы могут вызываться снижением объема выплавки из-за неполадок розжига печи, а также возможным сознательным снижением уровня стекломассы в выходные дни. Однако нанесенный в результате этого ущерб не будет меньшим. Ввиду этого необходимо обязательно избегать колебаний вниз и вверх поверхности стекломассы. Иначе значительное количество полос в разной степени окажутся внутри стекломассы. Вот почему крайне важно, используя подходящие оптические устройства контроля, строго поддерживать на стабильном уровне поверхность стекломассы.

8) Горячие полосы

При локальном нагреве однородной жидкости или расплава стекла появляются места с большей или меньшей плотностью (густотой), которая имеет функцию преломления проходящего света, под воздействием напряжения перемещается, образуя тени, и, несомненно, может называться полосчатостью. Это проявление неоднородности (так называемые ?горячие полосы?) так же, как и полосность, обусловленная химическими факторами, может обнаруживаться с помощью оптического метода выявления полосности и оптического анализа напряжений. Эти ?горячие полосы?, которые также называют ?физическими полосами?, могут быть устранены только после нагрева элементов структуры стекла до состояния, когда они будут обладать достаточной текучестью (температурный интервал отжига).

4. Для диагностики и состава полосности могут применяться нижеперечисленные методы

1) Специалисты обычно могут определить причины возникновения дефектов (пороков) по внешнему виду или цвету полос.

2) Диагностика полосности с применением метода ?полного отражения?.

3) Измерение постоянного напряжения.

Степень и класс однородности стеклянных бутылок и банок обычно проверяется на кольцевом срезе с помощью поляризационного микроскопа.

4) Тип полосности, а иногда и причины ее возникновения можно определить по разнице коэффициентов преломления полос и основной части стекла.

5) С помощью метода определения полосности, интерферометрического метода, светотени и градиента показателя преломления можно полностью визуализировать диапазон и структуру полосности.

6) Если позволяют условия (например, при ?бугорках?) можно с помощью полировки или микрошлифа отделить материал с полосностью от основной части стекла и провести анализ.

7) Путем травления фтористоводородной (плавиковой) кислотой, борфтористоводородной кислотой в сочетании с соляной кислотой, каустической содой и другими веществами можно определить тип полосности.

8) После раздробления стекла с полосностью часть с полосностью и основную часть стекла отделяют друг от друга в растворах с разным удельным весом, а затем проводят анализ.

9) После раздробления стекла с полосностью в пропитывающем растворе обнаруживается рассеивание света, степень неоднородности можно определить с помощью фильтра Кристиансена.