Сырьевые материалы условно делятся на главные и вспомогательные. Главные — служат для введения в стекломассу окислов, являющихся основой для образования стеклообразного вещества. Это кислотные, щелочные и щелочноземельные окислы.
Главные кислотные окислы, вводимые в шихту.
Двуокись кремния (кремнезем) является главной составной частью большинства оптических стекол, используют природный кристаллический кварц (горный хрусталь) и синтетическую двуокись кремния. Из кускового кварца приготовляют кварцевую муку, измельчая его до размеров зерен 0,1—0,5 мм.
Содержание двуокиси кремния в кусковом кварце должно быть не менее 99,5%. Наиболее вредными примесями являются окислы хрома, титана и железа, которые окрашивают стекло и понижают его светопропускание. Их содержание в сырьевых материалах должно быть минимальным; в кварцевой муке не более 0,01%.
Для удаления примесей измельченные природные сырьевые материалы подвергают обогащению, сушке, просеиванию. Обогащение кварцевой муки производят флотационной оттиркой, электромагнитной сепарацией и химическими методами. Флотационная оттирка основана на различной смачиваемости водой поверхностей минералов. Частицы минералов, поверхность которых не смачивается водой (гидрофобные), прилипают к пузырькам воздуха и вместе с ними всплывают, образуя пену. Электромагнитной сепарацией отделяют зерна, содержащие железо, при движении частиц в магнитном поле. Химический метод обогащения основан на обработке кварцевой муки концентрированными фтористой, серной и соляной кислотами.
Борный ангидрид вводят в шихту в виде борной кислоты. Он улучшает осветление стекла, увеличивает скорость провара, снижает склонность стекла к кристаллизации.
Окись алюминия (глинозем) уменьшает показатель преломления и среднюю дисперсию, снижает склонность стекломассы к кристаллизации, увеличивает механическую прочность, термическую и химическую стойкость стекол.
Двуокись германия увеличивает светопропускание стекла в инфракрасной области.
Двуокись теллура получают сжиганием металлического теллура; теллуровое стекло содержит до 50—60% окиси теллура и обладает высоким светопропусканием в инфракрасной области.
Двуокись циркония повышает химическую стойкость стекла по отношению ко всем реагентам, увеличивает показатель преломления, уменьшает коэффициент термического расширения.
Главные щелочные окислы, вводимые в шихту.
Окись натрия — важнейшая составная часть большинства стекол; вводят в шихту посредством соды и селитры; ускоряет стеклообразование, понижает температуру варки стекла и облегчает процесс удаления пузырей из стекломассы.
Окись калия вводят в шихту в виде поташа или калиевой селитры; снижает склонность стекла к кристаллизации, значительно увеличивает среднюю дисперсию.
Окись лития чаще всего вводят в виде углекислого лития; понижает коэффициент термического расширения стекла,облегчает его провар.
Щелочноземельные и некоторые другие окислы
Окись кальция — одна из важнейших составных частей стекла. Вводится в шихту посредством углекислого кальция (мела). Природный мел слегка окрашен в желтый цвет при наличии в нем окислов железа и титана. Мел требует тщательной дополнительной обработки, такой же, как и кварц, т. е. измельчения, сушки, просеивания, удаления вредных примесей. Окись кальция облегчает варку стекла и содействует осветлению стекломассы, придает стеклу химическую стойкость.
Окись магния вводят в шихту посредством магнезита; повышает химическую стойкость и механическую прочность стекла; снижает его склонность к кристаллизации, увеличивает среднюю дисперсию.
Окись бария вводят в шихту в виде азотно-бариевой соли и углекислого бария. Баритовые стекла имеют более высокий коэффициент преломления, чем известковые.
Окись свинца вводят в шихту в виде свинцового глета или свинцового сурика. Свинцовые стекла имеют самый высокий показатель преломления и большую плотность.
Окись бериллия увеличивает прозрачность стекла в ультрафиолетовой области, повышает коэффициент преломления и термическую стойкость.
Вспомогательные сырьевые материалы.
Их вводят в стекломассу в виде различных химических соединений. Вспомогательные сырьевые материалы служат для осветления, окрашивания, ускорения варки стекла, улучшения качества стекломассы и т. д.
Осветлители способствуют осветлению стекломассы в процессе ее варки, т. е. освобождению стекломассы от газовых включений — пузырей. К таким материалам относят трехокись сурьмы, хлористый натрий, трехокись мышьяка, селитру.
Красители окрашивают стекломассу в различные цвета при производстве оптических цветных стекол.
Глушители — соединения, которые лишают специальные виды стекол прозрачности. К глушителям относят фтористые соединения, соединения олова и фосфора.
Окислители и восстановители — соединения, используемые для регулирования условий варки оптических стекол. Окислительное действие оказывают натриевая и калиевая селитры, трехокись мышьяка и другие соединения. В качестве восстановителя применяют углерод, вводимый в шихту в виде древесного угля или кокса, калиевые соли, соединения олова, а также алюминий и магний.
Кроме перечисленных сырьевых материалов в шихту вводят стекольный бой. Он представляет собой измельченные и очищенные отходы оптического стекла той же марки, для которой составляют шихту. Бой стекла вводят иногда до 50% от массы шихты.
Требования, предъявляемые к шихте
Шихтой называют однородную смесь предварительно подготовленных и отвешенных в определенном соотношении сырьевых материалов для варки стекла заданного состава. Чем лучше приготовлена шихта, тем выше качество стекломассы, которую можно из нее варить. Неоднородность состава и комки в шихте вызывают различные пороки стекломассы. На качество шихты большое влияние оказывают зерновой состав, влажность, качество перемешивания, способ транспортирования и хранения сырьевых материалов.
Размеры зерен для каждого вида сырья различны. Чем больше плотность вещества, тем больше его измельчают. Сухие материалы плохо перемешиваются, а сухая шихта быстро расслаивается при транспортировании. Влажность шихты должна быть от 3 до 8%. Однородность и продолжительность перемешивания шихты зависят от конструкции смесителей; чем сложнее движение частиц материала внутри смесителя, тем быстрее и более однородной получится шихта. Способ транспортирования должен предотвращать расслаивание шихты. При транспортировании необходимо избегать вибраций и уменьшать длину пути перемещения шихты. В технологических процессах приготовления и транспортирования должна исключаться возможность попадания извне частиц железа в шихту.
Подготовка сырьевых материалов и приготовление шихты
В процессе подготовки сырьевые материалы размалывают и затем просеивают. Материалы для особо прозрачных оптических стекол просеивают на шелковых или капроновых ситах, чтобы уменьшить содержание железа в шихте.
После просева сырьевые материалы отвешивают в необходимых по расчету количествах на автоматических или стационарных весах с точностью до 0,1%. Затем компоненты перемешивают в барабанных или тарельчатых смесителях. Перемешивают шихту до получения наименьших отклонений по однородности состава в различных точках ее объема. Перемешанные сырьевые материалы поступают в загрузочный бункер, а из него в горшковую или ванную печь.
В процессе варки состав шихты претерпевает изменения. Часть компонентов улетучивается, а другая — прибавляется. При расчете шихты это учитывается использованием так называемых шихтных множителей, значения которых найдены опытным путем и имеются в справочной литературе. Для получения из шихты качественного стекла технология варки его отрабатывается на производстве пробной партии.