Стекловидные включения «свили и шлиры» в стекломассе, причины их и способы борьбы с ними

Качество сваренной стекломассы характеризуется её химической (а, следовательно, и физической) однородностью и наличием инородных включений, называемых пороками. В зависимости от назначения изделий допускаются те или иные пороки, а также разное их количество. Самые строгие требования предъявляются к стеклу оптическому, затем листовому технического назначения, полированному и оконному.

В консервных банках, бутылках, армированном, орнаментном и других подобных изделиях, допускается сравнительно больше пороков при условии, если они существенно не понижают механическую и термическую устойчивость этих изделий. Пороки стекломассы делят на три группы: Газовые включения (пузыри и мошка); Стекловидные включения (свили и шлиры); Твердые включения (камни и кристаллы). В данной статье мы попытаемся рассмотреть 2-ю группу пороков стекломассы, а именно причины образования свилей и шлиров в стекломассе в процессе варки стекла.

Практикой установлено, что при определенных условиях в стекломассе образуются «нити» — «волокна» чужеродного стекла, называемые свилями. Они отличаются от массы расплава по химическому составу и физическим свойствам, в частности по показателю преломления, вязкости, поверхностному натяжению и плотности, иногда по цвету. Более грубые стекловидные включения называют шлирами.

Свили бывают поверхностными («рельефными») или внутренними, заключенными в массе стекла. Последние могут иметь форму нитей или узелков, чаще всего с «хвостами». Различают свили грубые или тонкие; иногда они еле заметны, и выявить их можно только специальными методами (травлением, просмотром в поляризованном свете и т.д.).

Обычно, под свилью мы подразумеваем стеклообразные неоднородности в стекломассе. Следовательно, речь идет о стеклообразных включениях, отличающихся своими свойствами от окружающего стекла, и поэтому становящихся видимыми невооруженным глазом. Свиль отличается от камней и «руха» тем, что она является не твердым (кристаллическим) веществом в стекле, а стеклообразным, то есть некристаллическим, неоднородным включением.

		Само собой разумеется, что по своему происхождению свиль имеет много общего с камнями (как шихтными, так и из огнеупорных материалов) или с кристаллизацией, поскольку обычно камни и «рух» сопровождаются свилью и, наоборот, в некоторых случаях свиль является источником кристаллизации. Поэтому причиной свилью бывают те же технологические факторы, которые ведут к образованию камней или расстекловыванию. Для сравнения можно было бы сказать, что свиль, как понятие неоднородности, существует не только в жидком состоянии (стекломасса, вообще жидкость), но и в газообразном состоянии (например, потоки теплого воздуха в холодном воздухе и т.д.).

Надо отметить, что ни для одного из материалов, вырабатываемых в промышленном масштабе, свиль не является таким неприятным производственным пороком, как для стекла. Это связано с его вязкостью и прозрачностью, делающей всякую свиль явственно видимой. Влияние вязкости теоретически можно было бы воспрепятствовать повышением температуры, когда стекломасса становится подвижной, вследствие чего её гомогенизация должна протекать намного быстрее. Однако на практике идти в этом направлении нельзя, поскольку при повышении температуры происходит одновременно повышение растворимости огнеупорных материалов — один из главных источников свили в стекломассе.

Как утверждает немецкий ученый Ебсен-Мардведель, именно свиль является тем неприятелем, с которым нужно бороться с самого начала его появления. Так, пузыри также являются пороками стекла, однако они до определенной стадии процесса варки играют важную положительную роль; только начиная с осветления оказывается необходимым освободить стекломассу от пузырей.

Знание всех факторов, влияющих на процесс варки стекла, является наилучшей гарантией того, что появление пороков при варке будет предупреждено, а в случае их появления окажется возможным быстрое распознавание, выявление причин образования и устранение.

Прежде чем осуществить какое- либо мероприятие на производстве стекла для устранения свили, необходимо знать характеристику свилей и определить их вид.

Говоря о свили, мы подразумеваем под этим термином любые стеклообразные неоднородности в стекле, которые своими оптическими и другими физическими свойствами отличаются от окружающего их стекла и поэтому становятся видимыми. Тем самым мы не говорим, что свиль должна обязательно иметь другой химический состав, чем окружающее её стекло, хотя в большинстве случаев это действительно наблюдается, в зависимости от этого свиль иногда подразделяют на свиль химическую, т.е. на ту свиль, которая своим составом отличается от окружающего её стекла, и свиль термическую, то есть такую, которая от окружающего стекла отличается не составом, а тепловым прошлым, обуславливающим различие физических свойств стекла и свили.

Необходимо отметить, что термическая свиль является лишь предельным случаем, и что практически всегда приходится иметь дело со свилью химической.

Происхождение химической свили может быть различным. Для полноты картины нужно привести здесь все известные причины ей появления.

Свиль из шихты Это свиль, образовавшаяся в результате неоднородности шихты, её расслаивания или ликвации, которые не удалось устранить в процессе варки и осветления (т.е. растворить в окружающем стекле). Часто причиной такой свили, может быть, применение стеклобоя, имеющего другой состав, чем подлежащее варке стекло. Свиль из огнеупорных материалов Это весьма распространенная свиль, так как свиль, образовавшаяся в результате коррозии высокоглиноземистых огнеупорных масс, характеризуется устойчивостью в стекломассе вследствие более высокого поверхностного натяжения огнеупора. Свиль может образовываться из шамота, литых огнеупорных масс (Корхарт, Корхарт-ЦАК, Монофракс и т.д.), а также и из кислых масс — динас. Динасовая свиль обычно легче резорбируется (растворяется) стеклом и, таким образом, не бывает причиной производственных пороков, по крайней мере, не в таком масштабе, как свиль из высокоглиноземистых материалов.

Свиль из огнеупорных материалов

Это весьма распространенная свиль, так как свиль, образовавшаяся в результате коррозии высокоглиноземистых огнеупорных масс, характеризуется устойчивостью в стекломассе вследствие более высокого поверхностного натяжения огнеупора. Свиль может образовываться из шамота, литых огнеупорных масс (Корхарт, Корхарт-ЦАК, Монофракс и т.д.), а также и из кислых масс — динас. Динасовая свиль обычно легче резорбируется (растворяется) стеклом и, таким образом, не бывает причиной производственных пороков, по крайней мере, не в таком масштабе, как свиль из высокоглиноземистых материалов.

Свиль из камней Иногда эта свиль появляется от попадания в стекло неотсортированного стеклобоя (например, фарфоровые пробки бутылок и т.д.), а также стеклобоя, загрязненного глиной и т.д. Аналогичную свиль вызывают камни из огнеупорных материалов и горных пород, попавших в стекло в виде крупных кусков и т.д. Свиль, вызванная слоистостью стекломассы Такая свиль получается, когда на поверхности стекломассы под влиянием улетучивания шихты или неудачно подобранной атмосферы печи образовался слой стекломассы другого состава. Свиль, вызванная формованием Образуется либо при ручной наборке, когда поверхность стекломассы у венчика недостаточно очищена перед началом работы, либо при машинном формовании. У вакуумных машин свиль вызывается иногда неправильной установкой места наборки стекломассы, в результате чего происходит наборка уже охлажденной стекломассы. В таком случае иногда наблюдается появление и термической свили. Свиль образуется также при неправильной регулировке вращающейся трубки и плунжера в питателе.

Свиль, вызванная колебанием температуры в ванной печи (при подъеме стекломассы со дна печи) или колебанием уровня стекломассы

Образовавшаяся таким образом, свиль в некоторых случаях бывает причиной бракованного (свилеватового) стекла в течение многих дней, несмотря на постоянный контроль и поддержание постоянного режима ванной печи.

Свиль, образовавшаяся из посторонних включений, случайно попавших в стекломассу

В качестве примера, можно привести железистую (окрашенную) свиль, образовавшуюся в результате попадания в стекломассу расплавившихся винтов и других стальных предметов. Аналогичная свиль образуется при попадании в стекломассу огнеупорной замазки, применяющейся для ремонта кладки печи. Цветная свиль образуется также при растворении стальных кусков на дне ванной печи. Обычно она сопровождается пузырьками. Цветная свиль может также образоваться из капель со свода и т.д.

Рассмотрим причины появления свилей в стекломассе и в стекле, появившихся по разным причинам:

• свиль, образовавшаяся из огнеупорного глинозёмистого материала в результате его расплавления, но не гомогенизации;
• свиль, образовавшаяся в трубке ручной выработки из твердого боросиликатного стекла, это — глинозёмистая свиль, происходящая из материала горшка;
• свиль, вызванная расплавившимися, но негомогенизированными остатками шихты.

У оптических стёкол, которые должны обладать полной оптической однородностью, можно встретиться со свилью различных типов. Острые ограниченные свили в блоке оптического стекла не так опасны: они могут быть устранены обрезкой блока. В противоположность этому свиль, постепенно сливающаяся с основной массой стекла, для оптического стекла весьма опасна. Блок такого стекла необходимо забраковать.

Таким образом, при оценке свили в качестве порока стекла необходимо, учитывая характер службы и назначения изделия, руководствоваться техническими условиями и нормами, устанавливающими его допустимую свилеватость. К примеру, допустимая свиль в подвеске для хрустальной люстры была обусловлена неоднородностью шихты за счёт комкования слишком влажного поташа. Однако эта свиль не может считаться производственным пороком, и она вполне допустима для продажных изделий.

Итак, установлены 44 причины образования свилей в стекломассе.

I. Сырьевые материалы

1. Из-за колебания химического состава сырьевых материалов;
2. Из-за отклонения гранулометрического состава сырьевых материалов;
3. Из-за смешения сырьевых материалов при складировании;
4. Из-за крупнозернистых сырьевых материалов;
5. Из-за неточного отвешивания сырьевых материалов;
6. Из-за употребления некондиционного стеклобоя;
7. Из-за смешения стеклобоя различного химического состава;
8. Из-за загрязнения стеклобоя;
9. Из-за колебания влажности сырьевых материалов.

II. Шихта

10. Из-за неправильного химического состава шихты;
11. Из-за неподходящего для варки состава шихты;
12. Из-за расслаивания (сегрегации) самой шихты;
13. Из-за резкого изменения состава шихты;
14. Из-за недостаточного смешения шихты;
15. Из-за неподходящего метода загрузки шихты в печь;
16. Из-за загрузки шихты в печь со скоростью, превышающей производственную (варочную) мощность ванны.

III. Технологический режим в печи и особенности её конструкции

17. Из-за колебания уровня стекломассы в печи;
18. Из-за перегрузки ванной печи, а именно превышение допускаемой пропускной её способности;
19. Из-за нежелательных потоков в стекломассе;
20. Из-за вовлечения застойной стекломассы из глубины бассейна в рабочий поток;
21. Из-за выплавления щёлоков;
22. Из-за неравномерного отопления печи;
23. Из-за слишком большого колебания температуры;
24. Из-за прохождения неоднородной стекломассы за пределы зоны температурного максимума вследствие слишком большого съёма в печи;
25. Из-за неправильного температурного перепада в печи;
26. Из-за неправильного распределения тепла по длине ванной печи;
27. Из-за низкой температуры по всей длине печи;
28. Из-за низкой температуры в зоне варки в печи;
29. Из-за попадания огнеупорного материала печи и питателя в стекломассу;
30. Из-за отопления питателя;
31. Из-за различного отбора стекломассы у отдельных питателей;
32. Из-за остановки печи (перерыв в отборе стекломассы);
33. Из-за переменного протекания тепла в глубину стекломассы в печи;

IV. Дефекты оборудования

34. Из-за неправильно действующих весов;
35. Из-за неприспособленного помещения для хранения сырьевых материалов и шихты;
36. Из-за плохого состояния оборудования (смесителей) для перемешивания шихты;
37. Из-за неудачной системы транспортирования шихты (вибрация);
38. Из-за комкования шихты в смесителе;
39. Из-за потери компонентов шихты при её приготовлении.

V. Стекловаренная печь

40. Из-за попадания в стекломассу огнеупорных материалов кладки печей;
41. Из-за выплавления стекловидной фазы из огнеупоров, в результате разъедания огнеупоров кладки печей и заградительных устройств высокощелочными силикатами, щелоками и самой стекломассой в ванной печи, которые, растворяясь, образуют свили;
42. Из-за реагирования пыли и паров щелочных компонентов стекла с материалами верхнего строения печи, давая натеки и капли, попадающие в стекломассу;
43. Из-за взаимодействия огнеупоров с парами сульфата натрия в наименее горячих участках печи, образующиеся натеки вязкого стекла становятся причиной появления свилей в стекломассе.
44. Из-за коррозии огнеупоров.

На самом деле, довольно часто источником стекловидных включений является коррозия огнеупоров. Стекломасса взаимодействует с огнеупорами не только химически, но и механически. При этом в стекломассу переходят не только химические компоненты огнеупоров в результате растворения, но и кусочки огнеупоров, отрываемые в процессе размывания движущейся стекломассой.

Огнеупоры содержат, кроме кристаллической, еще и стекловидную фазу. Эта стекловидная фаза растворяется в стекломассе и, являясь инородной по составу, образует свили. Кристаллическая фаза огнеупоров тоже при растворении в стекломассе дает свили. Следствием этих процессов является обогащение слоёв стекломассы, пограничных с огнеупором, продуктами коррозии. Эти слои вовлекаются тепловыми потоками в зону выработки и являются причиной образования свилей.

Свили образуются также в результате взаимодействия горячих газов, содержащих пары щелочей, с огнеупорами. Своды и подвесные стены ванных печей обычно имеют остеклованную поверхность именно в результате адсорбции паров щелочей и образования в поверхностном слое более легкоплавких соединений. Этот остеклованный слой огнеупора может по мере усиления коррозии образовывать капли, которые, стекая вниз, попадают в стекломассу.

Обогащенные соответствующим компонентом (например, кремнезем от динасового свода), капли начинают растворяться в стекломассе и, поскольку этот процесс не всегда завершается, возникает источник свили. Растворимость стекловидных включений также зависит от их поверхностного натяжения: кремнезёмистые свили имеют меньшее поверхностное натяжение по сравнению со стекломассой, и такие свили относительно легко растворяются. Глиноземистые же свили с поверхностным натяжением выше стекла растворяются весьма плохо. В связи с этим в выработочной зоне применяют огнеупоры высокой стеклоустойчивости или с повышенным содержанием кремнезёма, продукты коррозии которого легче растворяются в стекломассе.

Происхождение свилей определяют химическим или спектральным анализом. Эти методы требуют отделения свилистого стекла и соответствующей подготовки для анализа. Процедура анализа свили упрощается, если применяются современные методы рентгеннофлюоресцентного или микрорентгеновского анализа. При этом, элементный состав свили сравнивают с составом эталонного стекла и по разности определяют источник свили.

Если причиной свили является разрушение огнеупора, принимают меры к охлаждению участка коррозии и прекращению поступления огнеупора в стекломассу. В других случаях стабилизируют режим варки и выработки, а также устраняют другие потенциальные источники свилей (шихта, усреднение и пр.)

Борьба со свилью

Как было установлено, свиль является специфическим пороком, который может сопровождать стекло от начала его образования, вплоть до получения готового изделия. При варке стекла нельзя избежать того, чтобы в течение определенного времени варки стекломасса не была неоднородной. Причина неоднородности вытекает уже из того, что при варке стекла взаимодействуют между собой совершенно отличные в химическом отношении зернистые материалы, одновременно протекает целый ряд химических реакций, физических превращений и физико-химических процессов, причём первоначальные фазы постепенно исчезают, на их месте появляются новые, до тех пор, пока в конце в идеальном случае не образуется одна гомогенная жидкая фаза. Однако к этому идеальному случаю мы можем лишь в большей или меньшей степени приближаться и, кроме того, не всегда практически необходимо стремиться к достижению идеальной гомогенности стекломассы, поскольку это не оговорено специальными требованиями, предъявляемыми к изделию при его применении.

Следовательно, со свилью необходимо бороться с самого начала получения стекла. На первой стадии производства это, прежде всего, касается однородности шихты и состава стеклобоя, который должен соответствовать составу подлежащего варке стекла.

Однородность шихты обусловлена знанием качества и состава сырьевых материалов (ежедневный контроль и поправки при взвешивании), контролем гранулометрического состава сырьевых материалов и соблюдением установленной влажности шихты, которая не только препятствует её расслаиванию, но и облегчает образование на зёрнах песка при смешивании равномерного такого слоя раствора плавней (щелочей).

Следующим этапом борьбы со свилью является поддержание постоянными температурных и технологических условий в ванной печи. Только совершенно постоянные, проверенные на производстве условия всего процесса варки позволяют получить стекломассу с максимальной однородностью. Разумеется, к вышесказанному следует добавить и огнеупорный материал, являющийся одним из важных источников свили. Также, при этом необходимо выбор и испытание огнеупорных материалов.

Ниже рассмотрим меры, способствующие достижению однородности стекломассы, то есть устранению свили:

• Правильное термическое перемешивание стекломассы за счет потоков стекломассы в горшке или в ванной печи. Потоки стекломассы в последние годы изучались современными методами с использованием радиоактивных изотопов. Например, при варке в проточных ванных печах оказывалось весьма важным наличие барьеров, препятствующих придонным потокам стекломассы. Барьеры эти могут быть осуществлены или в виде механических перегородок, или при электрическом подогреве массы или пропусканием через стекломассу газов (барботаж). С помощью этих барьеров стремятся разделить ванную печь на соответствующие зоны: варки, осветления и т.д.
• Механические средства перемешивания. Сюда относится, прежде всего, современное применение пропеллерного перемешивания при варке как в горшковых, так и в ванных печах, где мешалки (спаренные) чаще всего помещают в канале питателя. Другим важным средством является принудительное пропускание через стекломассу газов (барботаж). Все эти современные методы оказывают большое влияние на повышение однородности стекломассы (устранение свили) и на интенсификацию процессов варки.
• Использование влияния поверхностного напряжения (действия печной атмосферы) для максимального перемешивания стекломассы на её поверхности;
• Правильное составление и выбор осветлителя, чтобы процесс осветления оказывал максимальное действие не только на устранение пузырей, но и также и свили.
• Применение, в некоторых случаях, электрического подогрева.

Основная схема определения свилей в стекломассе и в стекле

Устанавливают направления, и величины напряжений в свили. Оценивают цвет свили или цвет окружающего стекла. Определяют изменение показателя преломления свили по сравнению с показателем стекла. В спорных случаях производят сошлифовывание свили или травление или спектрографический анализ стекла. Контролируют состав шихты (сырьевые материалы и их зерновой состав. Устанавливают особенности местоположения свили (закономерности расположения свили в капле и т.д.) и производят оценку однородности стекломассы в варочной и выработочной частях, а также из канала питателя и из самого питателя. Устанавливают явления, сопровождающие свили (кристаллизация, расстекловывания, остатки камней и т.д.). В случае глинозёмистых свилей осматривают огнеупорную футеровку печи (ванны), в случае кремнеземистых проверяют, не течет ли её свод.