2.2.2. Строительные материалы из минеральных расплавов

Стройматериалы из минеральных расплавов классифицируют по различным признакам. В зависимости от сырья они бывают стеклянные, каменные, шлаковые. По назначению выделяют стекло и изделия их него, теплоизоляционные материалы, изделия высокой прочности, стойкости к агрессивным средам. От способа производства различают материалы, получаемые прессованием, прокаткой, центробежным формованием, вытягиванием, литьем, выдуванием и другими способами. Это наиболее энергоемкие производства промышленности строительных материалов. Изделия из минеральных расплавов применяют в качестве светопрозрачных конструкций, для облицовки, технологического оборудования, эксплуатации в агрессивных средах.

Стекло - твердый, прозрачный, хрупкий материал с аморфной структурой, получаемый при охлаждении расплава неметаллических окислов. Промышленность выпускает листовое, строительное, архитектурно-декоративное, пеностекло, тарное, оптическое, электротехническое, кварцевое и другие виды стекла. В стеклообразное состояние способны переходить окислы кремния (SiO₂), фосфора (Р₂О₅), бора (В₂О₅). От основного стеклообразующего окисла происходит и название стекла - силикатное, фосфатное, боратное.

Рис. 24. Схема производства строительного стекла

Преимущественно производят силикатное стекло. Для его изготовления используют кварцевый песок, горный хрусталь каолин, полевые шпаты, глинозем, кальцинированную соду, сульфат натрия, известь, мел, доломит и различные добавки. Основными сырьевыми веществами являются кислотные (кремнезем, глинозем, окись бора), щелочные (окись калия, натрий, лития) и щелочноземельные окислы (свинца, стронция и др.) (табл. 2). Для окраски стекла применяют добавки марганца, кобальта, хрома, железа, меди, урана, золота, серебра и др., обесцвечивания (осветления) - селитру, окислы мышьяка, сурьмы. Непрозрачное стекло получают с добавками фтора, фосфора, олова.

Первичный этап производства стекла - подготовка сырья (рис. 24). Известняк, мел и другие виды сырья измельчают. Песок при необходимости обогащают промывкой, флотацией, магнитной сепарацией и высушивают. Подготовленные материалы дозируют взвешиванием, перемешивают в смесителях и получают шихту, которую загружают в печь пламенного или электрического тина. В последних удельный расход энергии в 2-3 раза меньше, чем в пламенных печах. Печи эксплуатируют при 1550-1600° и футерованы огнеупорным кирпичом. Из-за износа огнеупоров через 2-4 года печь останавливают на ремонт. В печах надевают шихту с выделением летучих компонентов, расплавляют соль, образуются силикаты натрия, калия, в которых растворяются зерна кварца. Это составляли сущность стеклообразования. Стекломассу освобождают от пузырьков газов вводом осветителей и охлаждают до необходимой рабочей вязкости, позволяющей формовать изделия методом вытягивания, проката, выдувания, отливки, прессования. В результате стекломассе придают определенную форму, которую закрепляет отжигам, закалкой, упрочнением (15-20 мин) в печах с температурой на 20° меньше, чем температура стекла. Происходит медленный переход стекла из пластического состояния в хрупкое. Это не ведет к растрескиванию стекла. Перед закалкой могут проводить механическую обработку стекла (шлифовка, полировка, обточка краев) на специальных станках с помощью абразивных материалов (кварцевого песка, корунда и др.). Более совершенная полировка стекла на поверхности расплава олова. Стекло из прокатной машины пропускают по поверхности расплавленного металла. Благодаря высокой температуре олова (около 1000°) исчезают вес неровности, а лента стекла получает абсолютно одинаковую толщину. После полировки стекло отжигают и закаляют. Закалку осуществляют нагревом стекла до пластического состояния в электропечах и резким равномерным охлаждением всей поверхности воздухом. При этом прочность, термостойкость повышается в 2,5-4 раза. Такое стекло применяют для остекления транспортных средств, изготовления дверей, перегородок зданий.

Таблица 2

Основной состав некоторых видов стекол

Вид стекла	Состав, %
	SiO2	Al2O3	CaO	Na2O	MgO	K2O	B2O5	PbO
Листовое	71-73	1-2	7-10	14,0-15,2	3-4	-	-	-
Трубы повышенной термостойкости	63,5-68,0	3-15	До 13,0	2-4	4,0	5,0	20,0	-
Стеклянные блоки	74,3	0,98	5,61	14,53	3,6	0,93	-	-
Стекловолокно	48-73	2-18	5-22	0,5-16,0	3,0-5,5	до 0,5	до 6,0
Пеностекло теплоизоляционное	72-73	0,5-1,0	6,0-6,5	15,5-16,5	3,5-4,0	-	-	-
Хрусталь	55-77	-	-	-	-	10-13	-	30-35
Оптическое	47-65	-	-	-	-	6-8	-	45,0
Сортовое посудное	73-75	-	6-10	8-10	до	до 3,0	до 1,0	-
Химически стойкое	68-70	3-5	6-8	8-10		5-6	2-3	-

Упрочнение проводят также химическими и термохимическими методами. При этом стекло обрабатывают парами плавиковой кислоты или в разогретом состоянии опускают в нагретую кремний-органическую жидкость.

Листовое стекло получают методом вытягивания и проката. Оно бывает оконным, многослойным, зеркальным, полированным, узорчатым, армированным, волнистым, цветным и других видов.

Таким образом, процесс производства стекла состоит из подготовки сырьевых материалов, варки, формования изделий, отжита, механической обработки и закалки.

Из минеральных расплавов получают стеклокристаллические материалы - технические ситаллы и шлакоситаллы. Они представляют материал с частичной кристаллизацией стекломассы, с равномерно распределенными кристаллами (до 1 мк), соединенными тонкими прослойками остаточного стекла. Для этого в стекломассу вводят добавки-кристаллизаторы - окислы и соли различных металлов. Они создают очаги кристаллизации, ускоряют этот процесс и способствуют образованию мелкокристаллической структуры. Ситаллы изготавливают из чистых окислов, а шлакоситаллы с добавлением к ним в шихту доменных шлаков (50-65% от массы шихты). Шлаки могут быть гранулированными и огненно-жидкими. Применение расплавленных шлаков непосредственно из домны без дополнительного нагрева упрощает производственный процесс, экономит топливо и снижает производственные затраты. Это обусловливает целесообразность комбинирования производства чугуна и стекла.

Производство ситаллов состоит из тех же стадий, что и изготовление стекла. Ситаллы бывают прозрачными и различной окраски. Формование изделий проводят прокатом (листовые ситаллы) и прессованием (плитка и др.) Ситаллы имеют большой предел прочности (до 1500 МПа), высокую термостойкость (до 1100°), сопротивляемость истиранию, повышенную химическую стойкость, хорошие диэлектрические свойства. Ситаллы применяют в приборостроении, электронике, ракетной технике и т.д. Шлакоситаллы дешевле чистых ситаллов и находят более широкое применение. Их используют для антикоррозийного покрытия аппаратов, эксплуатируемых в агрессивных средах, изготовления труб, транспортирующих горячие, химические агрессивные жидкости, изоляторов, в строительстве как материал покрытий для пола, облицовки помещений, сооружения панелей, кровли, лестничных маршей, санитарно-технических изделий.