/
Author: Прянишников ВП.
Tags: строительные конструкции строительные материалы стекольная промышленность производство стекла
Year: 1956
Text
В. П. ПРЯНИШНИКОВ,
кандидат технических наук
КВАРЦЕВОЕ СТЕКЛО
Под редакцией А. С. Соколова
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ЛИТЕРАТУРЫ
ПО СТРОИТЕЛЬНЫМ МАТЕРИАЛАМ
МОСКВА—1956
АННОТАЦИЯ
В брошюре кратко излагаются достижения отечест-
венного производства изделий из кварцевого стекла и
приводятся основные данные о его физико-химических
свойствах. В ней рассказывается о применении кварце-
вого стекла и приводится ассортимент изделий из стек-
ла, выпускаемых в Советском Союзе. Кроме того, опи-
сываются типовые конструкции соединений деталей из
кварцевого стекла.
Брошюра предназначена для широких кругов инже-
нерно-технических работников стекольной промышленно-
сти, а также может быть использована специалистами
тех отраслей народного хозяйства, где применяется
кварцевое стекло.
ОГЛАВЛЕНИЕ Стр-
Глава I. Физико-химические свойства кварцевого стекла ...
1. Механические свойства . . • ............ ..............
2. Термические свойства........................ . .
3. Химические свойства . . . • •..............................
4. Электрические свойства . . • • ............................
5. Оптические свойства ..••••................................... 12
6. Вязкость...................... . ............................ 13
7. Газопроницаемость стекла .................................... 14
Глава II. Производство прозрачного кварцевого стекла 15
1. Сырье для производства стекла................................ 15
2. Способы производства стекла.................................. 17
3. Обработка стекла .............................• ... 21
Глава III. Производство непрозрачного кварцевого стекла • 27
1. Обогащение сырья . . • •..................................... 27
2. Плавка заготовок из непрозрачного стекла..................... 33
3. Формование изделий из непрозрачного стекла................... 41
4. Механическая обработка изделий............................... 43
5. Термическая обработка изделий . . *.................. 47
Глава IV. Применение кварцевого стекла и ассортимент изготовляе-
мых из него изделий................................................... 55
1. Применение кварцевого стекла в химической промышленности 56
2. Применение кварцевого стекла при тепловых процессах .... 61
3. Применение кварцевого стекла в электрорадиовакуумной про-
мышленности ................................................. 63
4. Применение кварцевого стекла в лаборатории................... 65
5. Применение кварцевого стекла для изготовления ламп ультра-
фиолетового излучения 66
6. Ассортимент изделий, изготовляемых из кварцевого стекла ... 67
Глава V. Типовые конструкции соединений деталей из кварцевого
стекла.............................................................. 74
Литература.......................................................... 80
Вадим Павлович Прянишников. Кварцевое стекло.
Редактор И. М. Барское Техн, редактор Н. И. Людковская.
Корректор Т. В. Родионова.
иумага и л. u,и под»
Л-103138.__________Т и р а ж 3000._________Цена 2 р. 75 к.________Зак аз 10.
Промстройиздат, Москва, Дьяковский пер., 4.
Типография ПромсТройиздата, г. Подольск, Рабочая ул., 17/2.
ГЛАВА I
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА
Кварцевое стекло получается плавлением чистых природных раз-
новидностей кварца — горного хрусталя, жильного кварца и кварце-
вых песков.
В зависимости от исходного сырья и технологического процесса
изготовления различают два основных вида кварцевого стекла — не-
прозрачное и прозрачное.
Нрп р оа р ajijjn е_ кв а рц евое ст£Кл о выплавляется из
чистых кварцевых песков и представляет собой белое, просвечиваю-
щееся в тонких слоях вещество. Непрозрачность стекла обусловлена
наличием в массе стекла большого количества мелких газовых пу-
зырей размером от 0,003 до 0,3 мм, рассеивающих свет.
Наиболее мелкие пузыри образовались при повышении темпе-
ратуры вследствие выделения газов, адсорбированных на поверхно-
сти и растворенных в массе зерен песка. Более крупные пузыри яв-
ляются результатом заплавления в массу стекла газов, содержа-
щихся между зернами песка. Газы, образующие пузыри, как пока-
зали анализы, содержат примерно 60% СО, 10% СО2, 8%' О2, и
22% N2.
П р о^з р а чЕо-е—fefi^g^-w^-м^ло плавится из горно-
го хрусталя и в зависимости от технологического процесса изготов-
ления содержит различное количество газовых пузырей. Так, стек-
ло, получаемое методом вакуумной плавки в графитовых тиглях,
содержит значительное количество пузырей разного размера. Нали-
чие меньшего количества пузырей характерно для стекла, наплав-
ленного в вакуумкомпрессионных печах сопротивления.
Наибольшей прозрачностью обладает стекло, получаемое при
плавке мелкой шихты в газовом пламени. Лучшие сорта этого стек-
ла содержат очень незначительное количество пузырей и других
дефектов, отличаясь достаточной оптической однородностью.
1. Механические свойства
Плотность непрозрачного стекла колеблется в пределах от 2,02
до 2,08 г/см1 * 3, что соответствует общей пористости от 7,5 до 5%.
Плотность оптического прозрачного стекла отличается постоянством
и составляет 2,21 г!см3.
3
Кварцевое стекло (как nnv,. „ лбпйЗЦОВ) прекрас-
но работает на сжатие, Удовлетворительно - на^ГИб И Растя^_
ние, но плохо сопротивляется ударРу. Так Ссли в CP^W^ ПреА
прочности прозрачного стекла при темпера™^ 90° riFТ
6500 кг!см>, на растяжение — 600 кг/см* Р на изги°б —100&W*>
то сопротивление ударному изгибу (хрупкость) не превышав»
1,1 кг- см/см2. Прочность на сжатие, растяжение и изгиб непроз-
рачного стекла приблизительно в два-три раза ниже прочности про*
зрачного стекла.
Модуль упругости для прозрачного стекла колеблется от 6600
до 7000 кг!мм2. Для непрозрачного стекла он несколько ниже.
Наличие дефектов в стекле — крупные пузыри, посторонние
включения, недостаточное проплавление стекла, остаточные напря-
жения, образующиеся при формовании и сварке изделий, значитель-
но снижает показатели прочности. Так, например, предел прочности
на растяжение непрозрачного стекла в крупногабаритных изделиях,
где наличие дефектов особенно ощутимо, составляет лишь 100—
120 кг/см2. С этим фактом приходится считаться при конструиро-
вании относительно крупной кварцевой аппаратуры.
Вместе с тем, кварцевые трубы и аппаратура небольших диа-
метров, как показывают результаты гидравлических испытаний,
приведенные в табл. 1, выдерживают значительное внутреннее дав-
ление.
Таблица 1
Внутреннее разрушающее давление для труб из кварцевого стекла
Вид стекла Внутренний диаметр, мм Толщина стенки, мм Разрушаю- щее давле- ние, кг/см*
Прозрачное стекло 5 1 150
То же 9 2 190
.. 10 1 70
Непрозрачное стекло 12 2 17
То же 115 13 10
>> 200 13 7
• 370 14 3
При повышении температуры механическая прочность кварце-
вого стекла плавно возрастает и при нагревании до 1200° на 50—
60% превышает прочность стекла при комнатной температуре.
Зависимость механической прочности непрозрачного стекла
от температуры (по данным Н. А. Коноваловой) приведена на
рис. 1.
4
2. Термические свойства
Кварцевое стекло отличается крайне незначительным коэффи-
циентом термического расширения, составляющим при 20° всего
5Х10-7 и при 1200°—11ХЮ-7, что в 10—20 раз меньше, чем у
обычного стекла.
Эта особенность кварцевого стекла определяет в свою очередь
его исключительную термическую стойкость, т. е. способность вы-
держивать, не разрушаясь,
резкие изменения температу-
Рис. 1. Зависимость механической прочно-
сти непрозрачного стекла от температуры
(по данным Н. А. Коноваловой): кривая
1—предел прочности при растяжении; кри-
вая 2—предел прочности при изгибе; кри-
вая 3—предел прочности при ударном из-
гибе.
ры.
Так, трубы, изготовлен-
ные из непрозрачного квар-
цевого стекла диаметром
20—30 мм, выдерживают
многократное охлаждение в
воде, будучи нагретыми до
800—900°. Крупные изделия
из непрозрачного стекла, на-
гретые в пределах 1000°, вы-
держивают охлаждение на
воздухе с любой скоростью,
а также допускают резкий и
неравномерный нагрев.
Тонкостенные изделия из
прозрачного стекла (чаши,
тигли, стаканы, колбы и др.)
при температуре от 800 до
1000° выдерживают охлажде-
ние в воде без какого-либо
повреждения; эти же изде-
лия, будучи нагретыми до
1300°, допускают резкое ох-
лаждение на воздухе.
Кварцевое стекло отли-
чается от других видов стек-
ла своей огнеупорностью; оно может свободно выдерживать темпе-
ратуру 1100—1200°, а кратковременно допускает нагрев и до 1400°.
При более высоких температурах кварцевое стекло деформи-
руется под нагрузкой, а также расстекловывается в a-кристоба-
лит, без заметного изменения объема и нарушения механической
прочности изделия. Однако при последующем охлаждении стекла
до 180—230° a-кристобалит переходит в 0-кристобалит, и эго
превращение сопровождается значительным сокращением объема,
разрушающим изделие. Кристаллизация чаще всего начинается на
поверхности изделия, на газовых пузырях, вдоль свилей или па гра-
нице несплавившихся зерен песка или горного хрусталя и других
инородных включений.
Скорость кристаллизации зависит от температуры, а также от
содержания примесей в стекле, прежде всего щелочных окислов. У
непрозрачного стекла заметная кристаллизация начинается при
1200°, а у прозрачного стекла — при 1300°. Скорость кристаллиза-
Рис. 2. Зависимость скорости
кристаллизации кварцевого
стекла от температуры (по
данным Н. А. Коноваловой,
Ф. А. Курлянкина и В. П. Пря-
нишникова): кривая 1 — для
непрозрачного стекла; кривая
2 — для прозрачного стекла.
Средняя теплоемкость
ции достигает максимума для непроз-
рачного стекла при 1520° и для про-
. зрачного стекла при 1630°.
Зависимость скорости кристаллиза-
ции от температуры по данным
Н. А. Коноваловой, Ф. А. Курлянкина
и В. П. Прянишникова приведена на
рис. 2.
Процесс кристаллизации ускоряет-
ся в контакте стекла с углеродом, в
восстановительной атмосфере, а также
в парах NaCl, Na2CO3, Na2SO4 и дру-
гих солей.
Кристаллизация, как правило, —
процесс нежелательный, но в некото-
рых случаях используется для повыше-
ния огнеупорности кварцевого стекла,
например кварцевых стеклобрусов в
стекловаренных печах.
В процессе выводки печи часть бру-
са, обращенная внутрь печи, превра-
щается в а-кристобалит, что повышает
его огнеупорность почти до температу-
ры плавления а-кристобалита—1713°.
кварцевого стекла по данным Всесоюз-
ного научно-исследовательского
приведена в табл. 2.
и проектного института огнеупоров
Таблица 2
Средняя теплоемкость
кварцевого стекла
Темпера- тура, град. Средняя теплоемкость, ккал/кг град
прозрачного стекла непрозрач- ного стекла
20 0,213 0,205
200 0,213 0,205
300 0.220 0,218
400 0.230 0,228
500 0,224 0,237
600 0,240 0,242
700 0,250 0,247
800 0,260 ——
1000 0,273 —
Таблица 3
Коэффициент теплопроводности
кварцевого стекла
Темпера- тура, град.. Коэффициент теплопро- водности, ккал/м час град
прозрачного стекла непрозрачно- го стекла
20 1,19 1,07
100 1,32 1,24
200 1,42 1,39
400 1,61 1,63
600 1.74 1,81
800 1,85 1,92
1000 1,97 1,98
1200 2,09 2,05
6
Зависимость коэффициента теплопроводности кварцевого стекла
от температуры по данным того же института указана в табл. 3.
Из приведенных в табл. 2 и 3 показателей следует, что величи-
на теплопроводности кварцевого стекла пропорциональна его теп-
лоемкости. С повышением температуры теплопроводность стекла
увеличивается. Наибольшую теплопроводность имеет прозрачное
кварцевое стекло.
3. Химические свойства
Кварцевое стекло чрезвычайно инертно к действию большин-
ства химических реагентов.
Органические и минеральные кислоты любых концентраций,
даже при повышенной температуре, почти. не разъ!едают кварце-
вое стекло. Исключение составляют лишь плавиковая и фосфор-
ная кислоты. Плавиковая кислота заметно разъедает кварцевое
стекло уже при нормальной температуре. При обработке кварце-
вого стекла фосфорной кислотой при 300° в течение 15 час. потери
составляют 58 г/м2у а при 700°—230 г/м2.
Фосфорная кислота разъедает кварцевое стекло при температу-
ре выше 300° с образованием химического соединения Р2О5' SiO2
двух модификаций. Высокотемпературная модификация этого ве-
щества, образующаяся при температуре выше 750°, обладает боль-
шой твердостью и кислотоупорностью.
В табл. 4 приведена потеря в весе кварцевого стекла от дейст-
вия на него концентрированных кислот, по данным кварцевой ла-
боратории завода имени Ломоносова.
Таблица 4
Потери в весе кварцевого'стекла от действия на него концентрированных кислот
Кислоты Продол- житель- ность обработ- ки стек- ла, час. Темпера- тура, град. Потери в весе, г/м1
прозрач- ного стекла непро- зрачного стекла
Серная кислота (уд. вес 1,84) .... 24 205 0,06 0,13
Азотная кислота (уд. вес 1,40) . . . . 24 115 0,11 0,15
Соляная кислота (уд. вес 1,19) . . . . 24 66 0,14 0,33
Уксусная кислота (70%) 24 108 0,01 0,03
Щавелевая кислота (30%) 24 108 —- 0,15
Серная кислота (уд. вес 1,84) 240 20 0,016 0,046
Азотная кислота (уд. вес 1,40) .... 240 20 0,06 0,092
Соляная кислота (уд. вес 1,19) . . . . 240 20 . 0,18 0,33
Как следует из таблицы, относительно наибольшим разъедаю*
щим действием обладает соляная кислота.
В целом приведенные данные характеризуют кварцевое стекло
как первоклассный кислотоупорный материал, причем преимущест-
7
ва кварцевого стекла перед кислотоупорными металлами и сплава-
ми особенно заметны при действии концентрированных кислот и по-
вышенной температуре. В еще большей степени эти преимущества
очевидны при сравнении с органическими кислотоупорными мате-
риалами, применимыми только при температурах до 120° и разру-
шающимися от действия сильных окислителей (азотная и серная
кислоты высокой концентрации, перекись водорода и др.).
Кислотоупорность прозрачного кварцевого стекла в 2—4 раза
выше, чем непрозрачного, вследствие большей чистоты, плотности
и отсутствия открытых пор, характерных для шлифованной поверх-
ности непрозрачного стекла.
В связи с этим вся ответственная кварцевая химическая аппа-
ратура изнутри покрывается тонким слоем прозрачного кварцевого
стекла, плотно сплавляющимся с основным корпусом, изготовлен-
ным из непрозрачного кварцевого стекла.
Кварцевое стекло слабее сопротивляется химическому воздей-
ствию щелочей и основных солей. Щелочи и соли, как это следует из
приведенной ниже табл. 5, в значительной степени разъедают квар-
цевое стекло, образуя растворимые силикаты.
Поэтому применение кварцевого стекла для сильно щелочной
среды не рекомендуется.
Таблица 5
Потери в весе кварцевого стекла от действия растворов щелочей и солей
при кипячении
Растворы Темпера- тура, град. Продолжи- тельность обработки стекла, час. Потери, г/.н2
непрозрач- ного стекла прозрачного стекла
NaOH (1%) 101 2 15,20 1,66
КОН (1%) 98 2 4,63 0,68
NH«OH (25%) 65 2 0,33 0,09
NaCI (10%) 102 2 0,34 0,14
CaCl. (20%) 103 2 0,40 0,06
Na,СО» (10%) 102 2 4,99 1,20
CuSO< (10%) 102 24 0,70 0,29
Большинство осадков, образующихся в результате химических
реакций и встречающихся в аналитической практике, не действует
на кварцевое стекло, и поэтому кварцевая посуда в ряде случаев с
успехом может заменять платиновую.
В табл. 6 приведены результаты действия на прозрачное квар-
цевое стекло некоторых, наиболее часто встречающихся осадков при
их прокаливании в кварцевом тигле.
Потери в весе кварцевого стекла от действия солей при высокой
температуре в течение 2,5 часа приведены в табл. 7.
s
Таблица 6
Потери в весе кварцевой посуды от действия осадков при прокаливании
Осадки Темпера- тура, град. Потери в весе кварцевой посуды, мг, после Вид поверхности посуды после ее обработки
1-й обра- ботки 2-й обра- ботки 3-й обра- ботки
CaC^Oi MgNHiPOi BaSOi ZnCO» ZI1NH4PO4 СаСОз PbSO< 10% Al (OH),+90% Fe (OH), 90% AI(OH)3 + 10 % Fe (OH), 5%Al(OH),+5% Fe(OH)3+90% Ti(OH)4 KaS,O? MgNH.-AsO, .... 50%KCl +50%NaCl . Na,SO< K2PtCle MgSO. MnNH4PO4 .... Окислы метал. MgO, ZnO, Fe2O3 j температуре ниже 824 850 850 850 850 840 824 840 840 1200 Сплавле- ние 820 840 840 800 840 820 нов — ( I A12O3 800° пра 1.6 0.3 0,8 0,5 4,0 0,4 40,4 П о 3,2 0,8 0,8 0,2 0,2 Потер То 0,3 0,4 :аО, при кти- д« 0,4 Поте] 1,0 3,3 2,3 Потерь нет 31,0 т е р ь 1.2 0,4 0,8 0,2 Поте] >ь нет Же 2,4 0,2 Потери в ‘ЙСТВИЯ С( 1 1.0 >ь нет 1,4 Потерь нет 4,3 0,2 10,8 нет 0,1 0,2 0,2 0,2 эь нет 0,2 0,8 0,1 весе ква] )лей при в Белый налет Без изменений Белый налет То же Помутнение Легкое помутнение Белый налет Без изменений То же V V Легкий налет Без изменений То же Плотный налет Без изменений Таблица 7 эцевого стекла от высокой температуре
чески не реенирудл и кьа вым стеклом. Расплавлен металлы различно действуя: кварцевое стекло. Так, на: мер, олово, свинец и цинк вершенно не реагируют с к: цевым стеклом, а алюми медь и серебро—сильно ра шают его. Действие газов на ква] вое стекло проявляется в новном в ускорении проц кристаллизации при темпе] влияние оказывают водоро, рце- :ные >т на Соли при- Темпера- тура, град. Потери в весе, г/.и2
со- ваР’ NaCl НИИ, FeCl3 Зру- FeSOi NaiSO4 ПТТА СаС12 Рце' Na2B4O7 ОС- NaNO, есса эатуре выше 131 ц, окись углерод 850 800 800 900 800 800 800 )0°, при1 а, серовс Потерь нет 0,64 Потерь нет То же 28,0 24,0 104,0 1ем наибольшее эдород и другие
восстановители.
9
Рис. 3. Зависимость электропроводности кварцевого стекла от темпе-
ратуры: кривая 1—для прозрачного стекла (по данным Н. А. Конова-
ловой и В. П. Прянишникова); кривая 2— для непрозрачного стекла
(по тем же данным); кривые 3 и 4—для прозрачного и непрозрач-
ного стекла (по данным ЛФТИ); кривая 5—для прозрачного стекла
(по данным М. М. Михайлова).
Вода выщелачивает кварцевое стекло только под высоким дав-
лением и в очень незначительной степени; так, потери при 3-часо-
вой автоклавной обработке водой под давлением 100 ати и при тем-
пературе 310° составляют всего 1,13 г/м2.
4. Электрические свойства
Кварцевое стекло обладает очень высокой пробивной напряжен-
ностью (диэлектрической прочностью), ничтожной электропровод-
ностью (даже при высоких температурах) и практически не имеет
диэлектрических потерь во всем диапазоне применяемых частот, яв-
ляясь одним из совершенных диэлектриков и выгодно отличаясь в
этом отношении от обычных стекол, фарфора и других диэлектри-
ков.
10
Вместе с тем, наличие в непрозрачном стекле газовых пузырей
и пор на поверхности, а также относительно большее количество
примесей несколько снижают диэлектрические свойства этого вида
стекла. Электропроводность кварцевого стекла носит ионный уни-
полярный характер и определяется наличием в стекле очень не-
большого количества щелочных ионов.
При обычной температуре для непрозрачного стекла удельная
электропроводность составляет всего 10~16, а для прозрачного стек-
ла —10"18 ом~х • что в 103—105 раз меньше электропроводности
обычных технических стекол.
Изучение электропроводности стекла Н. А. Коноваловой,
В. П. Прянишниковым и другими исследователями показывает, что
при повышении температуры в пределах приблизительно до 500°
электропроводность плавно увеличивается, однако зависимость
электропроводности от температуры не выражается простой экспо-
нентой, а носит более сложный характер, что отчетливо видно из
кривых, изображенных на рис. 3.
По определениям тех же исследователей в интервале между 500
и 600° наблюдаются аномалии, выражающиеся в резком уменьше-
нии величины электропроводности, достигающей минимума при
температуре 550—575°. Выше 600° электропроводность вновь про-
должает плавно увеличиваться, однако наклон кривых, как это
видно на рис. 3, уменьшается.
Исследования, произведенные М. М. Михайловым в конце
1953 г., не обнаружили этих аномалий, но при температуре 550° от-
четливо наблюдается перелом кривой (кривая 5—5) с уменьше-
нием ее наклона при более высоких температурах.
Установленные аномалии
указывают на наличие опреде-
ленных структурных измене-
ний, происходящих в кварце-
вом стекле при температуре
550—575°, что совпадает с тем-
пературой превращения 8-квар-
ца в а-кварц. Пробивная на-
пряженность (диэлектрическая
прочность) по данным завода
имени Ломоносова при 20° со-
ставляет для прозрачного стекла
43 кв/мм и для непрозрачного
стекла—32 кв!мм. С увеличе-
нием температуры пробивная
напряженность, как это видно
Таблица 8
Зависимость пробивной напряженности
от температуры
Температура, град. Пробивная напряжен- ность, кв/мм
прозрачного стекла непрозрач- ного стекла
20 43,0 32,0
100 37,0 26,5
200 32,0 21,0
300 28,0 16,0
400 17,0 12,0
500 10,0 7,0
600 5,2 3,2
из данных табл. 8, резко уменьшается и достигает при 600° соответ-
ственно 5,2 и 3,2 кв1мм.
Диэлектрические потери в кварцевом стекле ничтожны по абсо-
лютной величине. У непрозрачного стекла при частоте поля 106 гц
величина этих потерь равна 0,0003, а у прозрачного стекла они
практически отсутствуют. При частоте 2X106 гц потери для непро-
11
Таблица 9
Прозрачность кварцевого стекла для
ультрафиолетовых лучей
Длина волны, ммк Прозрач- ность, % Длина । волны, ММК Прозрач- ность, %
217 6,0 248 50,9
220 10,1 252 62,0
224 21,2 256 73,0
226 28,0 260 82,0
228 34,0 264 87,5
230 38,0 268 90,0
232 40,9 272 91,0
234 41,9 276 91,2
236 41,9 280 91,6
238 41,3 290 92,0
240 41,3 300 91,8
242 41,9 350 92,0
244 43,5 400 92,4
зрачного стекла составляют
0,0025 и для прозрачного—
0,0006. Диэлектрическая прони-
цаемость кварцевого стекла
при низких частотах равна 3,7
и при частоте 2X106 гц — 4,3.
В отличие от обычных стекол
она почти не зависит от темпе-
ратуры.
5. Оптические свойства
Самым замечательным оп-
тическим свойством кварцевого
стекла является его прозрач-
ность для ультрафиолетовых
лучей, что представляет боль-
шую научную и техническую
ценность.
Результаты испытаний проз-
рачности кварцевого стекла, произведенные Государственным опти-
ческим институтом в 1953 г., на образце толщиной 13 мм приведе-
ны в табл. 9.
Рис. 4. Прозрачность кварцевого стекла в инфракрасной
части спектра: кривая 1—для образца толщиной 10 ми;
кривая 2—для образца толщиной 2,85 мм; кривая 3—для
образца толщиной 0,5 мм.
По данным Ленинградского технологического института имени
Ленсовета для стекла толщиной 10 мм прозрачность значительно
выше и составляет при длине волны 306,5 ммк 96,5%. при длине
волны 251 и 207 ммк — соответственно 68,6 и 46,5%.
Прозрачность кварцевого стекла в инфракрасной части спектра
характеризуется кривыми, изображенными на рис. 4. Из этих кри-
12
вых следует, что кварцевое стекло прозрачно для излучений с дли-
ной волны меньше 3 мк. Для более длинных волн (6—7 мк) про-
зрачны только очень тонкие пластинки стекла.
Коэффициент светопоглощения для белого света не превышает
0,002. Коэффициент поглощения при толщине поглощающего слоя
1 мм для волны длиной 280 ммк колеблется в пределах 0,0004—
0,0008. Показатель преломления кварцевого стекла является наи-
меньшим из всех стекол (nD = 1,4584).
6. Вязкость
В процессе выработки стекла вязкость его определяет режим
Рис. 5. Вязкость кварцевого стекла: кривая /—для непрозрачного
стекла (по данным В. П. Прянишникова); кривые 2 и 3—для про-
зрачного стекла (по данным В. П. Прянишникова); кривая 4—для
прозрачного стекла (по данным Н. В. Соломина, М. П. Волярови-
ча и А. А. Леонтьевой); кривая 5—для прозрачного стекла (по
данным Ф. А. Курлянкина).
В связи с этим над изучением вязкости, как одного из важней-
ших свойств стекла, работали многие исследователи (М. П. Воля-
рович^ А. А. Леонтьева, Н. В. Соломин, Ф. А. Курлянкин,
В. П. Прянишников). Благодаря их работам удалось установить за-
висимость вязкости кварцевого стекла от температуры, химического
13
состава и других факторов. Кривые, приведенные на рис. 5, харак-
теризуют вязкость кварцевого стекла.
Из этих кривых следует, что для кварцевого стекла характерна
очень высокая вязкость при температурах плавки и формования.
Вязкость непрозрачного стекла в 3—5 раз меньше прозрачного
стекла вследствие большего содержания примесей.
Сравнительные данные по вязкости прозрачного стекла, изго-
товленного из горного хрусталя различных месторождений, пока-
зывают, что примеси, даже в очень малых количествах, резко
влияют на вязкость стекла.
7. Газопроницаемость стекла
Для полного суждения о физико-химических свойствах кварцево-
го стекла значительный интерес представляют данные о диффузии
газов через кварцевое стекло.
Ънпрратура. град
SOU ЧОЬ 700 100 *25 О 25 78
Рис. 6. Зависимость коэффициента диф-
фузии гелия от температуры через про-
зрачное кварцевое стекло и другие тех-
нические стекла: кривая 1—для кварце-
вого стекла; кривая 2 — для «пирекса»;
кривая 3 — для известково-натриевого
стекла; кривая 4—для борно-свинцового
стекле.
Таблица 10
Значения коэффициентов
диффузии различных газов через
прозрачное кварцевое стекло
Газы Коэффициент диффузии
при 700° при 600°
Гелий . 2,1X10“8 —
Водород . 2,1X10“’ 1,25X10“’
Дейтерий 1,7X10“’ —
Неон . . 4,2Х1О-10 2,8Х1О“10
Аргон . Меньше 10“15 —
Кислород То же —
Азот . . V —
На рис. 6 показана, по последним литературным данным1, зави-
симость коэффициента диффузии гелия через прозрачное кварцевое
стекло и другие технические стекла от температуры.
Как видно из рис. 6, эта зависимость подчиняется экспоненци-
альному закону. По абсолютной величине наибольшая газопрони-
цаемость свойственна кварцевому стеклу.
1Fr. I. Norton. Helium diffusion through glass. lourn. amer. Ceram. Soc. 1953.
vol. 36, № 3, p. 90.
14
В табл. 10 приведены значения коэффициентов диффузии раз-
личных газов через прозрачное кварцевое стекло, заимствованные
из того же литературного источника.
В табл. 10 и на рис. 6 коэффициент диффузии выражен в см3
газа (при 0° и 760 мм рт. ст.), проходящего в 1 сек. через 1 см2
площади стекла при толщине в 1 мм и при разности давлений в
1 см рт. ст.
Из таблицы следует, что диффузия легких газов становится за-
метной уже при 600—700°; что касается азота, кислорода и возду-
ха, то их диффузия при этих температурах является ничтожной.
Поэтому из кварцевого стекла с успехом изготовляются вакуум-
ные сосуды, работающие при нагревании под остаточным давле-
нием 10“5—10""6 мм рт. ст.
ГЛАВА П
ПРОИЗВОДСТВО ПРОЗРАЧНОГО КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА
Технология производства кварцевого стекла, особенно прозрач-
ного, является достаточно сложной и значительно отличается от
технологии производства многокомпонентных стекол, в связи с при-
менением высокотемпературных электрических и газовых печей пе-
риодического действия и небольшого объема, мощных вакуумных
насосов, гидравлических прессов, специальных высокоогнеупорных
материалов и дорогостоящего сырья. Этим же объясняется относи-
тельно позднее развитие кварцевой промышленности, а также не-
достаточное внедрение и сравнительно высокая стоимость кварце-
вых изделий.
Для преодоления отставания кварцевой промышленности не-
обходимо прежде всего усовершенствовать технологию производст-
ва, расширять сырьевую базу, в первую очередь для производства
прозрачного кварцевого стекла, применять новые конструктивные
материалы для устройства печей, а также внедрять непрерывные
процессы плавки и формования стекла.
1. Сырье для производства стекла
Производство прозрачного кварцевого стекла осложняется ис-
ключительно высокой вязкостью расплавленного кремнезема и не-
большой разностью между температурой плавления (1713°) и тем-
пературой испарения (2100°) кремнезема.
При нагревании и расплавлении шихты в расплаве неизбежно
образуется большое количество газовых пузырей различного раз-
мера.
Одной из причин образования в стекломассе большого количест-
ва мелких пузырей является попадание воздуха в трещины зерен
15
шихтй при их растрескивании во время нагрева до 575°, а также
воздуха, находящегося между зернами шихты.
Кроме того, если плавка ведется в графитовом тигле, то в шихту
и расплав проникают газообразные продукты от взаимодействия
кремнезема с графитом.
Расчеты показывают, что поднятие пузырей на поверхность
стекла при вязкости расплава 10б пуазов является очень длитель-
ным процессом.
Понижение вязкости расплава с целью осветления за счет по-
вышения температуры приводит лишь к большим потерям кремне-
зема, испарение которого увеличивается при температуре 1900°.
Добавка в шихту щелочных или других окислов, способствующих
понижению вязкости, в данном случае недопустима, так как самое
незначительное их количество ликвидирует все ценные свойства
кварцевого стекла.
Поэтому для получения прозрачного стекла применяются в ка-
честве сырья горный хрусталь, представляющий собой наиболее
чистую и прозрачную природную разновидность кремнезема, а так-
же специальные методы плавки.
В табл. 11 приведен химический состав горного хрусталя раз-
личных Месторождений по данным кварцевой лаборатории завода
имени Ломоносова.
Таблица 11
Химический состав горного хрусталя различных месторождений
Окислы . . у Содержание окислов, %, в горном хрустале месторождений
Южноураль- ского Волынского Полярно- уральского
SiOi R»O, в т. ч. FeaOa • СаО MgO R2O Потери при прокаливании 99,94 0,030 0,002 0,005 0,003 0,011 0,010 99,93 0,035 0,003 0,006 0,004 0,015 0,012 99,96 0,027 0,002 0,003 Следы 0,013
Из приведенных данных следует, что хрустали этих трех место-
рождений близки по своему химическому составу.
Южноуральский хрусталь содержит отдельные мелкие мине-
ральные включения, чаще всего пирит; кроме того, как для южно-
уральского, так и для волынского хрусталя характерно наличие
большого количества газовых включений. Повышенное содержание
щелочных окислов в волынском хрустале снижает качество полу-
чаемого из него стекла.
Длительной производственной практикой и исследованиями ус-
тановлено, что наилучшим сырьем для производства прозрачного
16
кварцевого стекла является горный хрусталь Полярноуральского ме-
сторождения.
Хрусталь, прежде чем поступить в производство, подвецра^тся
обогащению, дроблению, рассеву, рудоразборке с целью ofuooa со-
вершенно прозрачных кусков и промывке сначала
лоте, а затем в дистиллированной воде.
2. Способы производства стекла
В настоящее время применяются следующие три основйьй^по-
соба производства стекла: вакуумкомпрессионный, с предваритель-
ным подогревом кристаллов горного хрусталя и газовый. Кроме то-
го, иногда применяется безвакуумный способ плавки в стержневой
печи сопротивления.
Вакуумкомпрессионный способ. При этом способе
плавка горного хрусталя вначале осуществляется под вакуумом,
благодаря чему резко снижается количество воздуха, заплавлен-
ного в стекло. Перед концом плавки вакуум заменяется давлением,
способствующим сжатию и растворению пузырей.
По данным Ф. А. Курлянкина применение давления 25 ати в те-
чение получаса в конце плавки при вакууме 3 мм рт. ст. уменьшает
количество пузырей с 3400 до 221 в 1 см3, а размер пузырей с 0,17
до 0,007—0,07 мм при размере зерен шихты 1—2 мм.
Вместе с тем, плавка такой же шихты при атмосферном давле-
нии не позволяет добиться прозрачности стекла. В этом случае по-
лучается непрозрачное стекло с содержанием более 50000 пузырей
в 1 см3.
Широко применяемым вариантом вакуумкомпрессионного спо-
соба является вакууматмосферный способ, при котором после плав-
ки под вакуумом расплавленная масса выдерживается под атмос-
ферным давлением, что значительно упрощает конструкцию печи,
однако стекло получается с большим количеством пузырей по
сравнению со стеклом, получаемым при плавке под давлением.
Вакуумкомпрессионный способ должен применяться для выра-
ботки стекла, подлежащего в дальнейшем лишь механической об-
работке, например при производстве смотровых стекол.
В случае, если стекло требует последующей термической обра-
ботки, то наиболее целесообразным является вакууматмосферный
способ. Это объясняется тем, что в стекле, полученном вакуум-
компрессионным способом, при его термической обработке, напри-
мер, на кварцедувных горелках, при размягчении стекла сжатые
пузыри вновь увеличиваются до размера, который они имели при
атмосферном давлении.
Плавка под избыточным давлением осуществляется, как прави-
ло, в тигельных или стержневых электропечах сопротивления, а
плавка под атмосферным давлением как в индукционных тигель-,
ных печах, так и в электропечах сопротивления.
В электрической стержневой печи сопрдтивления почти отсут-
2 Зак. 10 17
ствуст непосредственный контакт расплавленного стекла с графи-
том, что обеспечивает получение стекла высокого качества.
Для плавки вакууматмосферным способом в такой печи приме-
няется мелкая шихта из горного хрусталя размером 0,1—0,4 л/.ч,
получаемая закалкой в воде кусков горного хрусталя, предвари-
тельно нагретых до 700—800°. При этом представляется возмож-
ным использовать горный хрусталь более низкого качества по хи-
мическому составу, что очень важно, ввиду дороговизны и дефи-
цитности хрусталя.
Перед началом плавки печное пространство вакуумируется в
течение 10—15 мин. до остаточного давления 0,5 мм рт. ст., после
чего на печь подается напряжение. Электрический режим плавки
почти одинаков с режимом плавки непрозрачного ‘стекла (см.
стр. 40).
Плавка под вакуумом продолжается около 3 час., после чего
вакуум отключается и стекло выдерживается под атмосферным
давлением в течение 20—30 мин. при повышенной мощности печи
на 15—20%. Выдержка стекла позволяет освободиться от большо-
го количества мелких пузырей, делающих стекло мутным («се-
дым»).
В результате плавки образуется блок прозрачного стекла ве-
сом около 15 кг. На каждый килограмм наплавленного блока рас-
ходуется 1,5—2 квт-ч электроэнергии.
Наружный слой блока, наплавившийся во время выдержки под
атмосферным давлением, получается непрозрачным; кроме того, к
нему часто приплавляется кварцевый песок, засыпаемый перед
плавкой между шихтой и.футеровкой печи в качестве термоизоля-
ционного слоя. Это приводит к необходимости производить механи-
ческую обработку блока для отделения слоя непрозрачного стекла,
что представляет известные неудобства и, кроме того, снижает вы-
ход годного стекла.
Для получения из стекла трубки, пригодной для дальнейшей пе-
реработки в изделия, наплавленное стекло приходится вторично пе-
реплавлять в индукционной тигельной печи с последующим вытя-
гиванием трубки заданного размера.
Можно также раздувать блоки непосредственно после плавки в
формы, при этом получаются цилиндрические сосуды и трубы.
При вакууматмосферном способе плавки в индукционных печах
горный хрусталь плавится в графитовых тиглях, нагреваемых тока-
ми высокой частоты с выработкой кварцевых труб диаметром ог 3
до 100 мм, из которых впоследствии изготовляется кварцедувным
методом прозрачная кварцевая химическая посуда, различные при-
боры и аппараты.
Этот способ позволяет организовать массовый выпуск труб в
широком ассортименте, однако он не обеспечивает высокого качест-
ва стекла, так как в промежутки между зернами шихты, а затем и
в стекло проникает значительное количество газообразных и паро-
образных продуктов от взаимодействия кремнезема с графитовым
тиглем, образующих пузыри в стекломассе. Кроме того, стекло на-
18
углероживается в процессе плавки, что снижает его огнеупорность,
сопротивляемость кристаллизации и другие ценные свойства.
Установка для вакууматмосферной плавки горного хрусталя
состоит из генератора токов высокой частоты, плавильной печи, ма-
шины для вытяжки стекла и
0,5—1 м3 и трубопроводами.
В качестве генератора
токов высокой частоты при-
меняются серийный лампо-
вый генератор типа ЛГПЗ-60,
мощностью 60 кет, с частотой
около 200 кгц.
Печь для плавки (рис. 7)
представляет собой трубу 1
из непрозрачного кварцевого
стекла с отшлифованными
торцами, закрытыми бронзо-
выми или медными диска-
ми 2. Нижний диск непод-
вижно закреплен на опор-
ной конструкции и имеет в
центре отверстие, закрывае-
мое во время плавки за-
глушкой 3, со смотровым
стеклом. Верхний диск яв-
ляется съемным и устанав-
ливается при помощи легко-
го поворотного крана. Оба
диска охлаждаются водой и
присоединены к вакуумпро-
водам, причем для верхнего
вакуумнасоса с ресивером емкостью
Рис. 7. Индукционная вакуумная печь для
плавки прозрачного кварцевого стекла.
диска соединение выполнено резиновым шлангом или сильфонным
шлангом из жароупорной стали.
Вакуум в системе создается масляным ротационным насосом
золотникового типа, производительностью 1 — 4 м3!мин.
Внутрь трубы 1 помещается графитовый тигель 4 емкостью 4—
5 л, опирающийся на графитовую втулку и огнеупорную проклад-
ку. Пространство между тиглем и стенками трубы заполнено теп-
ловой изоляцией 5 из зерненого магнезита.
Тигель в нижней части имеет круглое отверстие, а сверху закрыт
крышкой 6, в которой на резьбе закреплен цилиндрический пуан-
сон 7, образующий в отверстии кольцевой зазор.
Этот зазор определяет внутренний диаметр и толщину стенки
вытягиваемой трубки. При вытягивании стержней пуансон не уста-
навливается.
Печь помещается в индуктор 3, питаемый током высокой часто-
ты от лампового генератора.
Колебательный контур печи состоит из батареи конденсаторов
регулируемой емкости и индуктора, настраиваемых в резонанс.
2* 19
Печь устанавливается на высоте 2,2—2,5 м от уровня пола с
таким расчетом, чтобы под ней можно было разместить машину
для вытягивания стекла. В случае применения машины непрерыв-
ного действия захват стеклянной трубки или стержня осуществ-
ляется роликами из жароупорной стали или цепями, снабженными
специальными башмаками. При установке машины периодического
действия захват осуществляется винтовыми зажимами.
Машины непрерывного действия применяются, как правило, для
вытягивания труб небольшого диаметра от 3 до 20 мм. При вытяги-
вании труб диаметром более 20 мм устанавливают машины перио-
дического действия.
Машины обоих типов снабжаются устройствами, позволяющими
в широких пределах регулировать скорость вытягивания.
Перед началом плавки в тигель засыпается горный хрусталь кус-
ками размером от 10 до 25 для уплотнения загрузки добавля-
ется мелкая фракция размером 4—7 мм.
После установки тигля и засыпки теплоизоляции печь закры-
вается верхним диском и присоединяется к вакуумпроводу.
Через 10 мин. с момента начала откачки воздуха в печи создает-
ся остаточное давление 0,5—1 мм рт. ст., при котором на печь
подается напряжение.
Графитовый тигель разогревается до 1900 — 2000° вихревыми
кольцевыми токами, и горный хрусталь начинает плавиться с обра-
зованием прозрачного кварцевого стекла. В первые 15 мин. сила
тока на аноде генераторных ламп составляет 2—2,3 а, в следующие
15 мин. — от 3,6 до 4 а.
В результате значительного выделения газов во время работы
печи вакуум к концу плавки несколько снижается, и остаточное
давление достигает 10—12 мм рт. ст.
По истечении 45—50 мин. вакуум снимается, и стекло выдержи-
вается под атмосферным давлением, после чего приступают к его
вытягиванию.
Производительность печи составляет 15—20 кг стекла в смену
при расходе электроэнергии 20—25 квт-ч на 1 кг стекла.
Способ получения прозрачного стекла с
предварительным подогревом хрусталя. При этом
способе кристаллы горного хрусталя медленно подогреваются до
температуры 800°, во избежание растрескивания при превращении
₽-кварца в я-кварц, с последующим быстрым плавлением кристал-
лов, сохранивших свою прозрачность.
Для получения прозрачного стекла должны применяться совер-
шенно чистые и прозрачные кристаллы горного хрусталя и новые
конструктивные материалы для нагревателей, тиглей и тепловой
изоляции, так как обычный графитовый тигель быстро разрушает-
ся от действия расплавленного кремнезема, а применяющийся для
теплоизоляции магнезит частично восстанавливается и спекается,
теряя свои теплоизоляционные свойства.
Для получения прозрачного стекла по указанному способу при-
меняются электропечи непрерывного действия, работающие в ат-
20
мосфере защитного газа (чистого азота или смеси азота с водо-
родом).
Этот способ, в частности, с успехом применяется для непрерыв-
ной плавки и вытяжки калиброванных трубок небольшого диамет-
ра, получение которых позволяет механизировать и автоматизиро-
вать производство небольших изделий массового назначения, напри-
мер, колб для ртутных ламп высокого давления.
Газовый способ получения прозрачного стек-
ла состоит в том, что очень мелкие зерна горного хрусталя разме-
ром 0,1—0,3 мм увлекаются струей газа, нагреваются в пламени и
падают на горячую поверхность, где плавятся, постепенно образуя
блок прозрачного кварцевого стекла. В настоящее время построе-
ны газовые печи с несколькими многофакельными горелками, рабо-
тающие на водородно-кислородной смеси, в которых наплавляются
блоки оптического кварцевого стекла различной формы — цилинд-
ры, листы и др. — весом до 15—20 кг.
Способ безвакуумной плавки. При этом способе
мелкая шихта из горного хрусталя плавится в стержневой печи
сопротивления. Наплавленный блок предварительно растягивается
в трубу, которая затем вторично разогреваете^ в трубчатой печи
сопротивления и перетягивается в тонкую трубку. Дальнейшей об-
работкой на горелках удается получить стекло удовлетворительного
качества, но содержащее все же большое количество мелких пу-
зырей.
3. Обработка стекла
Полученное тем или иным способом стекло, чаще всего в виде
трубок или блоков, подвергается дальнейшей термической и меха-
нической обработке с целью получения из них готовых изделий.
Основным видом термической обработки является обработка
стекла на кварцедувных горелках для производства химической по-
суды, различных приборов и аппаратов.
Наилучшим газом для кварцедувных работ является водород,
дающий при сгорании в кислороде совершенно чистое не коптящее
пламя и развивающий при своем горении достаточную температуру,
что обеспечивает высокое качество вырабатываемого стекла.
Большинство других газов сгорает с образованием коптящего
пламени, и частицы несгоревшего углерода, попадая на поверхность
стекла, портят его, вызывая кристаллизацию.
Наиболее рациональным способом производства водорода ЯВ'
ляется электролиз воды с применением фильтрпрессных электро-
лизеров. Этот способ позволяет получить водород и кислород высо-
кой чистоты (водород не ниже 99,8% и кислород не ниже 99%),
в нужной для сжигания пропорции под давлением, что очень важно,
так как для работы на инжекторных горелках необходимо иметь
давление кислорода не ниже 3 ат и.
Фильтрпрессный электролизер обычно состоит из 100 ячеек, соб-
ранных последовательно. Напряжение на каждой ячейке колеблется
в зависимости от температуры электролита от 1,9 до 2,2 в. Общее
21
напряжение на электролизере составляет 190—220 в, а сила тока
при максимальной производительности 630 а.
В качестве электролита применяется 20%-ный раствор NaOII
плотностью 1,23 г/см3. Оптимальная рабочая температура электро-
лита равна 70—80°.
Схема аппарата показана на рис. 8. Ячейки электролизера стя-
гиваются с помощью концевых
Рис. 8. Схема фильтрпрессного
электролизера.
плит 1 и болтов 2. Каждая ячейка
состоит из диафрагменной ра-
мы 3 с натянутой на пей асбес-
товой тканью 4, разделяющей
водородное и кислородное прост-
ранства. Между соседними диаф-
рагменными рамами зажимается
на паронитовых прокладках 5
основной биполярный электрод 6'
с укрепленными на нем выносны-
ми перфорированными электрода-
ми—анодным 7 и катодным 8.
Анодная сторона основного элект-
рода и выносной электрод никели-
рованы для уменьшения перена-
пряжения кислорода.
К диафрагменным рамам при-
варены трубки, соединенные с
кольцами, составляющими в соб-
ранном электролизере коллекто-
ры—питательный канал 9 и газо-
вые каналы—водородный 10 и
кислородный 11. Трубки питатель-
ного канала сообщаются в каж-
дой ячейке как с водородным, так
и кислородным пространствами,
трубки же газовых каналов: кис-
лородного, только с кислородными пространствами и водородного —
с водородными пространствами. Кольца каналов каждой ячейки с
целью электроизоляции и уплотнения разделены паронитовыми про-
кладками 12.
Для разделения и промывки газов, регулирования давления и
питания аппаратов водой предусмотрена вспомогательная аппарату-
ра, технологическая схема которой приведена на рис. 9.
Процесс с внешней циркуляцией электролита в этой аппаратуре
происходит следующим образом.
Пузырьки газов, выделяясь по всей поверхности электродов
электролизера /, поднимаются вместе с электролитом по газоотвод-
ным трубкам в соответствующие газовые канал\>1. Смесь электро-
лита и пузырьков отводится по трубам в разделительные колонны 2,
где газы, освобождаясь от жидкости, поднимаются кверху и посту-
пают в промывателц 3. Электролит, охлаждаясь в разделительной
22
& канализацию
-------электролит
-------электрический ток
---------бода
Рис. 9. Технологическая схема установки для электролиза воды.
колонне, возвращается по питательной трубе обратно в электроли-
зер, пройдя предварительно через фильтр 4.
Таким образом, за счет изменения удельного веса электролита
осуществляется его непрерывная циркуляция между электролизе-
ром и разделительными колоннами. В электролизере сдельный вес
электролита при нагревании и насыщении газом понижается, а в
разделительных колоннах при охлаждении—увеличивается.
В промывателях газы, барботируя через слой воды, окончательно
охлаждаются и освобождаются от электролита, увлеченного ими
из электролизеров. Из промывателей газы поступают в регуляторы
давления 5, соединенные между собой как сообщающиеся сосуды.
В регуляторах давления выход газа запирается иглой, укрепленной
на поплавке, плавающем внутри аппарата. Если давление газов в
кислородном и водородном пространствах электролизера становится
неодинаковым, выход из регуляторов газа с пониженным давле-
нием прекращается вследствие поднятия уровня воды в
соответствующем регуляторе давления и поплавка с иглой, запи-
рающей выходное отверстие. Этим обеспечивается постоянство дав-
ления в электролизере по обе стороны асбестовой диафрагмы.
Давление в системе ограничивается предохранительными клапа-
нами, отрегулированными на 12 атм. Клапаны и манометры уста-
новлены на промывателях. Регуляторы давления снабжены также
водомерными стеклами для наблюдения за уровнем воды.
Питание установки дистиллированной водой для пополнения
расхода на разложение осуществляется из питателей 6, располо-
женных несколько выше уровня всех других аппаратов. Для возмож-
ности периодического заполнения питателей водой имеются венти-
ли. При подаче воды в электролизер открывают вентили, соединяю-
щие питатель с кислородным трубопроводом и электролизером. При
наполнении питателя водой указанные вентили перекрываются, и
питатель сообщается с атмосферой, после чего открывается вентиль
на трубопроводе, идущем от дистиллятора.
По выходе из регуляторов давления газы поступают по трубо-
проводам в водородные 7 и кислородные 8 ресиверы. Они рассчи-
таны на часовой запас газов и являются промежуточными емкос-
тями, регулирующими неравномерность потребления газов. Из реси-
веров газы направляются в кварцедувную мастерскую, пройдя су-
хие или гидравлические затворы.
Для растворения твердого каустика служит бак 9, из которого
электролит подается в систему насосом 10.
Питание электролизера постоянным током осуществляется обыч-
но от металлических ртутных выпрямителей 11 с сеточным регули-
рованием силы тока, особенно необходимым на время пуска элект-
ролизеров. Подводка тока производится к концевым плитам. Расход
электроэнергии в среднем составляет 5,5 квт-ч на 1 м3 водорода
или 1,5 м3 гремучей смеси.
Для кварцедувных работ в производстве кварцевого стекла
до настоящего времени используются инжекторные горелки, приме-
няемые при сварке металла (рис. 10).
Кислород в этой горелке через вентиль /, по трубке 2 под давле-
нием 3—4 ати поступает в инжектор 3 и далее в камеру смешения
4. Водород через вентиль 5 и трубку 6 поступает в кольцевой канал
7, окружающий инжектор. Из этого канала водород засасывается
струей вытекающего из инжектора кислорода и попадает в камеру
смешения, где оба газа смешиваются в заданной пропорции. Горю-
чая смесь по трубке наконечника 8 и мундштуку 9 выходит из го-
релки и сгорает, образуя факел пламени.
Рис. 10. Схема инжекторной газовой горелки низкого
давления.
Для получения более широкого факела пламени рекомендует-
ся производить рассверловку отверстия в инжекторе и выходного
отверстия мундштука.
Повсеместное распространение инжекторных горелок обусловле-
но лишь тем, что в существующих конструкциях газогенераторов
горючий газ (ацетилен) получается низкого давления. При исполь-
зовании водорода, вырабатываемого в электролизерах под высоким
давлением, применение инжекторных горелок ничем не оправдано,
так как они дают короткое и острое пламя небольшого размера,
мало пригодное для кварцедувных работ, особенно для изготовле-
ния крупных изделий емкостью 1—2 л.
Более удобными для кварцедувных работ являются безинжек-
торные горелки равного давления.
Горелки работают при равном давлении водорода и кислорода
(0,5—0,7 ати), что создает более безопасные условия для работы с
гремучим газом в кварцедувной мастерской. Кроме того, горелки
равного давления имеют более устойчивое пламя любого размера,
менее подвержены обратным ударам пламени, очень просты по
конструкции и производят меньше шума. Поэтому в настоящее вре-
мя в стекольной промышленности переходят на безинжекторные го-
релки равного давления специальной конструкции, предназначен-
ной для кварцедувных работ. Горелки снабжены экономизатора-
ми — газовыми рубильниками, позволяющими быстро, почти пол-
ностью, перекрывать одновременно оба газа без нарушения состава
горючей смеси. Это позволяет экономить газ во время кратковре-
менных перерывов в работе кварцедувной горелки.
Конструкция безинжекторной горелки равного давления пока-
зана на рис. 11.
Водород и кислород, независимо друг от друга, через газовый
25
рубильник 1 "поступают по трубкам 2 через каналы корпуса горел-
ки 3 в сопло смешения 4 и смесительную камеру 5,
В смесительной камере давление обоих газов снижается, газы
перемешиваются и по трубке 6 поступают в мундштук 7.
Рис. 11. Схема безинжекторной газовой горелки равного
давления.
Горелка снабжается опорной конструкцией S, при помощи ко-
торой она закрепляется на рабочем столе и может устанавливать-
ся под любым углом.
В зависимости от размера горелки расход водорода составляет
от 2 до 8 л3 в час. На 1 кг готового изделия, в среднем, в зависи-
мости от сложности изделия, затрачивается 40—45 м3 водорода.
Работа на кварцедувной горелке производится в следующем
порядке. На кварцевую трубку (полуфабрикат) напаиваются по
концам вспомогательные трубки наружным диаметром 5—6 мм,
причем один конец запаивается, а второй—остается открытым. На
открытый конец вспомогательной трубки надевается резиновый
шланг соответствующего диаметра. На другой конец шланга наде-
вается мундштук, через который рабочий-кварцедув раздувает из-
делия.
При изготовлении большинства изделий выполняется несколько
операций. Первоначально на горелке раздувается заготовка, напри-
мер, в виде шара, при изготовлении чашек, или в виде «огурца»,
при изготовлении тиглей; заготовка колбы имеет закрытое горло и
оттянутое дно. Затем заготовка разрезается карборундовым диском
в нужном сечении и поступает обратно на горелку для оплавки
краев, заделки дна, устройства носика, развертывания борта и
других операций, в зависимости от вида и назначения изделия.
При изготовлении сложного прибора или аппарата вначале вы-
полняются отдельные узлы и детали (колбы, холодильники, шли-
фы, краны и др.), которые затем уже собираются в готовое изде-
лие. При наличии в аппарате толстостенных деталей после изготов-
ления производится отжиг.
Поскольку эти операции крайне утомительны для рабочего и
связаны с возможностью попадания паров кремнезема в дыхатель-
ные органы, в настоящее время применяется раздувка сжатым воз-
26
духом, для чего рабочее место кварцедува оборудуется специальным
клапаном, с помощью которого он регулирует подачу сжатого воз-
духа.
Размягчая на пламени горелки отдельный участок трубки-полу-
фабриката, кварцедув при быстром вращении ее вокруг продоль-
ной оси раздувает его и доводит до необходимого диаметра и задан-
ной толщины стенки, соответственно конфигурации и величине из-
готовляемого изделия.
При обработке в пламени горелки стекло сильно испаряется, и
потери его на испарение колеблются, в зависимости от сложности
обработки, от 10 до 30%.
Одновременно производится очистка стекла от крупных пузырей
путем проплавления стенки заготовки в том месте, где находится
пузырь на остром пламени горелки. При этой операции пузырь вы-
дувается, а образовавшееся отверстие в последующем заплавляется.
Переходя постепенно от участка к участку трубки (ширина участка
при этом не превышает обычно 10—15 мм), кварцедув добивается
получения того или другого изделия. Эта работа кропотлива, про-
должительна и требует надлежащей квалификации рабочего.
Для повышения производительности труда кварцедувов проплав-
ление стекла и изготовление из него изделия выполняются обычно
рабочими разных квалификаций.
При работе на кварцедувной горелке требуется соблюдение осо-
бой чистоты, так как всякие загрязнения на стекле от пыли, при-
косновения рук, водопроводной воды вызывают брак изделий из-за
расстекловывания поверхности. Из других видов брака следует ука-
зать на свиль, посторонние включения в стекле, белые и цветные по-
лосы, отклонения от заданных размеров и разнотолщинность, пре-
вышающие допуски,
ГЛАВА III
ПРОИЗВОДСТВО НЕПРОЗРАЧНОГО КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА
Технологический процесс производства непрозрачного кварцевого
стекла состоит из обогащения сырья и плавки заготовок в электри-
ческих печах. Из заготовок непосредственно после плавки фор-
муются изделия. Подавляющая часть изделий механически об-
рабатывается. При необходимости изделия подвергаются также
и термической обработке.
Производственный процесс производства стекла в последнее вре-
мя существенно улучшен и усовершенствован, что позволило повы-
сить качество и снизить стоимость изделий, значительно расширить
их ассортимент.
1. Обогащение сырья
Сырье для производства непрозрачного кварцевого стекла дол-
жно содержать минимальное количество посторонних примесей к
кремнезему, быть дешевым и недефицитным.
27
Этим требованиям удовлетворяют высококачественные пески
после их обогащения.
Длительными экспериментальными работами и исследованиями
установлено, что наилучшим сырьем для производства кварцевого
стекла является песок Водолажского (Новоселовского) месторож-
дения Харьковской области УССР.
Этот песок отличается чистотой, постоянством гранулометричес-
кого состава и легко поддается механическому обогащению, так
как почти все примеси находятся в свободном виде, не будучи свя-
заны с зернами кварца.
Стекло, получаемое из песка Водолажского месторождения, по
сравнению со стеклами, вырабатываемыми из песков других место-
рождений, является лучшим по всем физико-химическим показате-
лям. Удовлетворительные результаты дает применение нулевого
сорта песка Люберецкого месторождения.
Перед плавкой песок подвергается обогащению. В процессе обо-
гащения песок обрабатывается на сотрясательном столе, промы-
вается в механическом классификаторе, сушится, подвергается
электромагнитной сепарации и вновь просеивается на контрольных
ситах.
На сотрясательном столе отделяются тяжелые железосодержа-
щие минералы. В механическом классификаторе из песка удаляют-
ся частицы глины и в значительной мере—слюда. Электромагнит-
ным сепаратором улавливаются частицы металла, попадающие в
песок в случае его сушки в железном барабане и при транспорти-
ровании элеватором.
Для обогащения песков пониженного качества особенно эффек-
тивным является применение индукционного роликового сепаратора
с высоким напряжением магнитного поля (10—12 тыс. эрстедт).
Химический состав исходного и обогащенного кварцевого песка
Водолажского и Люберецкого месторождений, по данным кварцевой
лаборатории завода имени Ломоносова, приведен в табл. 12.
Таблица 12
Химический состав кварцевых песков нулевого сорта
Окислы Содержание окислов. %
песок Водолажского месторождения песок Люберецкого месторождения
исходный обогащен- ный исходный обогащен- ный
SiOi 99,58 99,68 99,32 99,40
ЙгОэ 0,17 0,14 0,43 0,35
в т. ч. Fe2Os . . 0,03 0,02 0,05 0,02
СаО 0,063 0,054 0,10 0,083
MgO 0,043 0,042 0,06 0,05
RiO 0,014 0,012 0,02 0,017
Потери при прокаливании . 0,10 0,17 0,12 0,05
28
В результате обогащения происходит изменение гранулометри-
ческого состава. О характере этого изменения можно судить по дан-
ным, приведенным в табл. 13 для песка Водолажского месторож-
дения.
Как видно из табл. 12 и 13,
в результате обогащения содер-
жание окислов железа умень-
шается в 1,5—2 раза; в мень-
шей степени снижается содер-
жание глинозема и щелочных
окислов. По гранулометрическо-
му составу песок делается бо-
лее однородным, за счет умень-
шения содержания в нем коли-
чества крупных и мелких фрак-
ций.
На заводе имени Ломоносо-
ва разработан и внедрен в про-
изводство эффективный способ
вакуумного обезвоживания пес-
ка путем отсоса из него воды.
Таблица 13
Изменение гранулометрического состава
песка Водолажского месторождения
при его обогащении
Размеры зерен, мм Содержание фрак- ций, %, по весу
в исход- ном пес- ке в обога- щенном песке
>0,43 0,95 0,55
0,30-0,43 4,76 4,72
0,20-0,30 51,13 53,73
0,15—0,20 36,90 38,93
<0,15 6,26 2,07
Этот способ в сравнении с обычным центрифугированием и от-
стаиванием позволяет вести процесс обогащения непрерывно и
использовать для обезвоживания технологическое обогатительное
оборудование (механические классификаторы), применяемое на
стекольных заводах. Указанные преимущества приводят к экономии
капиталовложений, сокращению производственных пдрщадей и
уменьшению эксплуатационных расходов.
Схема установки для вакуумного обезвоживания показана на
рис. 12. В верхней части днища классификатора 1 имеется прямо-
угольное отверстие, перекрываемое медной сеткой 2 с количеством
отверстий 256—400 на 1 см2.
Сетка зажимается между двумя перфорированными медными
листами, для плотности пропаиваемыми по периметру, и устанав-
ливается на 20—30 мм ниже днища классификатора с целью об-
разования постоянного фильтрующего слоя.
Поскольку во время работы сетка испытывает сверху значи-
тельное давление, в больших классификаторах под ней распола-
гается опорная рама <?, рассчитанная на давление 1 кг/см2 площади
сетки.
Под сеткой и опорной конструкцией помещается сварная ваку-
умная камера 4, надежно прикрепленная к днищу классификатора.
Днище, сетка, опорная рама и камера уплотняются между собой
резиновыми прокладками.
Вакуумная камера соединяется с водосборником 5, снабженным
барометрическим гидрозатвором 6 и водокольцевым вакуумным
иасосом 7 типа РМК.
Для разравнивания и прижима песка к сетке, гребки, двигаю-
29
щиеся над вакуумной камерой, снабжаются затыльниками, шири-
ной примерно вдвое меньшей расстояния между гребками.
На вакуумной установке завода имени Ломоносова с класси-
фикатором шириной 200 мм конечная влажность песка доводится
до 8—10% при разрежении 800—1200 мм вод. ст., толщине фильт-
рующего слоя 40 мм и расходе электроэнергии примерно 3,5 кет-ч
на 1 т сухого песка.
Рис. 12. Схема установки для вакуумного обезвоживания песка.
Дальнейшие экспериментальные работы показали, что при по-
вышении разрежения до 2000—3000 мм вод. ст. влажность песка
может быть снижена до 5—6%'.
Установка работает круглосуточно, совершенно безотказно; ее об-
служивание заключается только в периодической (один раз в сме-
ну) промывке сетки проточной водой. Замена сетки и текущий ре-
монт вакуумного насоса производятся 1—2 раза в год.
Для возможности внедрения вакуумного обезвоживания на круп-
ных стекольных заводах произведено экспериментальное иссле-
дование этого процесса, определены некоторые коэффициенты, а
также разработан метод теоретического расчета вакуумного обез-
воживания песка применительно к использованию реечного клас-
сификатора.
30
Расчетом определяется размер и форма приемного отверстия ва-
куумной камеры и производительность вакуумного насоса, необхо-
димого для создания и поддержания разрежения в камере. При
расчете исходят из количества песка, подлежащего обезвоживанию,
начальной и конечной влажности песка (до и после вакуумной ка-
меры), величины разрежения в камере и гранулометрического со-
става песка.
Вначале определяется количество воды, подлежащее отсосу, и
количество воды, которое может быть удалено при заданном разре-
жении (скорость фильтрации). На основе полученных данных рас-
считывается площадь приемного отверстия вакуумной камеры и ус-
танавливаются его размеры. Затем исчисляется часовой расход воз-
духа, обеспечивающий необходимое разрежение в вакуумной камере
и количество воздуха для данного сечения камеры, в соответствии
с чем выбирается тип и производительность вакуумного насоса.
Количество воды, подлежащее отсосу, определяется по форму-
ле:
100(7 («1 — Si)
V = TTod-s?) (ioo-4;) (')
где: G—количество сухого песка, получаемого в классификаторе, в т/час;
51 и $2 — влажность песка до и после вакуумной камеры в процентах.
Скорость фильтрации или количество воды, которое может быть
удалено из песка через единицу площади, определяется из уравне-
ния ламинарной фильтрации жидкостей через пористые среды:
192,6/п’^я г , ,
Ш= “Гм-----м и [•“/’“’«L (2)
а*(1—
d,= 100S[ел*], (3)
где: Н — напор (разрежение) в см вод. ст.;
Л — толщина пористой перегородки в см;
т — пористость (для песка принимается 0,35—0,42);
а—коэффициент увеличения поверхности зерна песка по сравнению с по-
верхностью шара ( 1,25);
т) —динамическая вязкость воды в пуазах;
— эффективный диаметр зерна песка в см;
pi — весовой процент каждой фракции в процентах;
—средний диаметр зерна каждой фракции в см.
Необходимая площадь приемного отверстия вакуумной камеры
определяется по следующей формуле:
F=C^ (*«]. (4)
где С—коэффициент, учитывающий уменьшение свободной площади отверстия
за счет сетки и опорной конструкции. Коэффициент принимается рав-
ным 1.3—1,5.
31
Приемное отверстие устраивается по всей ширине классифика-
тора (Ь), тогда длина отверстия в направленйи движения гребков
легко определяется из соотношения:
а = 4 W. (5)
Изучение процесса обезвоживания показало, что отсос воды на-
чинается еще до подхода песка к вакуумной камере и практически
заканчивается в период прохождения песком в ней расстояния
200—250 мм. Таким образом, увеличение длины вакуумной камеры
свыше 250—300 мм является нецелесообразным и приводит лишь к
увеличению количества отсасываемого воздуха.
Скорость фильтрации воздуха, т. е. количество воздуха, прохо-
дящего через пористую перегородку при изотермическом процессе,
на единицу площади определяется по формуле:
где: g— ускорение силы тяжести в см/сек2;
к— проницаемость пористой среды;
рх — давление воздуха в атм\
р2—давление в вакуумной камере в атм;
0— газовая постоянная в см*/атм • град;
h—толщина пористой перегородки в см;
т) — вязкость воздуха в пуазах;
7 — плотность воздуха в г!см3.
Проницаемость для сухого песка может быть определена, на-
пример, по формуле:
(7)
(1 — т)
где: d3—эффективный диаметр в см;
т —пористость;
е—коэффициент, зависящий от формы зерен песка. Для зерен угловагой
формы £ = 6 и для круглых зерен £ =10,5;
—минимальная пористость, при которой прекращается фильтрация
(то = 0,13). •
Для влажного песка, в связи с отсутствием расчетных формул,
значения проницаемости были определены экспериментально. Зави-
симость проницаемости песка от его влажности изображена на
кривой рис. 13.
Количество воздуха, которое должно проходить через камеру,
рассчитывается по формуле:
Qx=QF [м3/час]у (8)
где: Q — скорость фильтрации воздуха в м!час, определяемая по формуле (6);
F — сечение вакуумной камеры в лс2, определяемое по формуле (4).
По величине Qi и Н выбирается необходимый вакуумнасос.
Примерный расчет, произведенный по этим формулам для про-
мышленного классификатора размером 700X4500 мм производи-
тельностью 8 т сухого песка в час, показывает, что вакуумная каме-
32
:. 13. Зависимость проницаемости песка от
его влажности.
l конструкций. Они допускают воз*
ра должна иметь сечение 700X300 мм, и к классификатору необхо-
димо установить вакуумнасос РМК-3 производительностью
480 м31час при разрежении 2400 мм вод. ст. Расход электроэнергии
на 1 т сухого песка составляет 3,6 квт-ч.
Г” Вакуумный способ обезвоживания с успехом может быть ис-
пользован для обезвоживания других материалов и руд при их обо-
гащении.
Обезвоженный песок далее поступает для сушки горячим возду-
хом в сушильный барабан, откуда после электромагнитной сепара-
ции загружается в расход-
ный бункер. Перед плав-
кой песок вторично про-
сеивается через контроль-
ное сито со 196 отверстия-
j ми на 1 см2.
2. Плавка заготовок из §
непрозрачного стекла g
Конструкции печей.
Наплавление заготовок
(блоков) из непрозрачно-
го кварцевого стекла, как
правило, осуществляется в
электрических печах со-
противления с графито-
выми или угольными на-
гревателями. Эти печи
имеют ряд преимуществ
по сравнению с печами други
можность получения необходимой равномерной температуры (2000°
и выше) с широким плавным ее регулированием. Для нагрева
применяется электрический ток низкого напряжения, что весьма
важно для создания безопасных условий работы на печах.
В печах наплавляются большие массы стекла в форме, удобной
для последующего формования большинства изделий, при этом рас-
плавленное стекло не соприкасается с нагревателями. Эти печи и
относящиеся к ним трансформаторы и вспомогательное оборудова-
ние достаточно просты по конструкции и обладают высоким коэффи-
циентом полезного действия, доходящим до 45%.
Для наплавления заготовок, идущих на изготовление большинст-
ва полых изделий, применяются одностержневые вертикальные, ре-
же наклонные или горизонтальные, печи с нагревательным стерж-
нем, расположенным по оси печи. В этих печах блоки стекла на-
плавляются в виде толстостенного полого цилиндра.
Для производства сплошных изделий в настоящее время раз-
рабатываются печи другой конструкции. Не исключена возможность
использования для этой цели дуговых печей.
3 Зак. 10
33
В зависимости от принятого способа формования изделий из на-
плавленного блока, конструкция электрических печей может изме-
няться.
Так, например, при раздувке заготовки в изделие непосредствен-
но в печи, последняя снабжается специальными зажимами и меха-
низмами для зажатия блока стекла, причем сама форма, в которой
производится раздувка, может служить корпусом печи.
Однако следует отметить, что конструкция такой печи получает-
ся весьма сложной и трудноприменимой для производства сколько-
нибудь широкого ассортимента изделий. Поэтому печи, предусмат-
ривающие раздувку изделий непосредственно в них, не получили
пока широкого распространения.
Чаще применяются печи, предназначенные только для наплавле-
ния блока с последующим переносом его для раздувки в форму, на-
ходящуюся вблизи печи.
На рис. 14 изображена одна из таких печей. Она состоит из ли-
того чугунного корпуса /, покоящегося цапфами 2 на сварной ста-
Рис. 14. Электрическая печь сопротивления для плавки непрозрачного
кварцевого стекла.
нине 3. Корпус выполнен в виде глубокого корыта для удобства ус-
тановки в печь нагревателя, создания надежного контакта между
его торцами и токоподводящими электродами 4, а также для обес-
печения засыпки песка и удаления готового блока из печи после
плавки.
Электроды смонтированы в чугунных откидных крышках 5, зе-
34
крывающих корпус печи с торцов п закрепляющихся поворотным за-
пором или клиньями.
Для того, чтобы нагреватель, расширяясь при плавке, не изогнул-
ся и не сломался, один из электродов имеет возможность продоль-
ного перемещения, прижимаясь к нагревателю двумя спиральными
пружинами 6. Концы нагревателя делаются коническими или сфе-
рическими. В электродах соответственно предусматриваются углуб-
ления, обеспечивающие надежный контакт между ними и нагревате-
лем.
Сверху корпус печи перекрывается откидной крышкой 7, закреп-
ляемой двумя поворотными запорами. Для облегчения открывания
крышка снабжена противовесом 8.
Корпус печи может поворачиваться при помощи ручного приво-
да 9.
Печь внутри футеруется легковесным шамотным кирпичом, ко-
торый одновременно служит теплоизоляцией и предохраняет блок
от чрезмерного раздутия во время плавки.
Основной корпус печи рассчитан на получение блока длиной
1 м. Однако при необходимости наплавлять блоки большей длины
(до 3 м) корпус печи может наращиваться. При обычном режиме
работы мощность печи составляет около 80 кет (при нагревателях
диаметром до 40 мм) и дает возможность наплавлять блоки весом
до 70 кг на 1 м длины.
В настоящее время изготовляются печи для производства круп-
ногабаритных изделий диаметром до 900 мм и длиной до 2 м. На-
плавление блокА происходит в этих речах на нагревателе диамет-
ром 75 мм при мощности 200 кет. Вес блока при этом достигает
180 кг на 1 м длины. Печь снабжена электрическим приводом для
поворота корпуса и комплектуется гидравлическими ножницами
для отрезки и заварки блока.
На рис. 15 показана печь с корпусом круглого сечения длиной
3 м, снабженная электроприводом для поворота и вращения корпу-
са во время плавки.
Процесс плавки. Перед плавкой внутренность печи в поперечном
*разрезе имеет вид, изображенный на рис. 16,а. Вдоль оси печи рас-
положен нагреватель 1 с надетой на него кварцевой трубкой (чех-
лом) 2, диаметр которой на 5—10 мм больше диаметра нагрева-
теля.
Чехол защищает обогащенный песок 3 от проникновения в него
летучих из нагревателя, а также газообразных продуктов контакт-
ных реакций, загрязняющих стекло, что особенно опасно в первый
период плавки, когда вокруг нагревателя еще не образовался слой
стекла. Кроме того, чехол создает в изделии зеркально-гладкую
внутреннюю поверхность. При изготовлении менее ответственных
изделий чехол не устанавливается. Другой мерой для получения чис-
того и более плотного стекла является добавка к песку воды в ко-
личестве 0,5—1 %.
3* 35
p„. 15. Э«ктр««™« “"°'”’”” ”m'
36
Между засыпанным в печь обогащенным песком и кожухом 4
печи расположен слой теплоизоляционного кирпича 5.
После включения печи температура нагревателя быстро повы-
шается и при 1600—1700° чехол размягчается и прилипает к нагре-
Рис. 16. Поперечный разрез печи: а) до плавки;
б) после плавки.
вателю. Почти одновременно происходит спекание и плавление близ-
лежащих к нагревателю слоев песка и начинаются реакции между
кремнеземом и графитом, выражаемые суммарным уравнением:
SiOa^w^ + зс™ = Sic^e + 2С0^- О)
В результате реакций нагреватель 1 (рис. 166) покрывается
слоем карбида кремния 2, а образующаяся окись углерода отодви-
гает наплавляющийся блок стекла от нагревателя, и блок прини-
мает вид толстостенного полого цилиндра 3.
Образование газового промежутка 4 между нагревателем и
блоком имеет важное технологическое значение, так как позволяет
получить блок в форме, удобной для производства большинства из-
делий, а также дает возможность легко удалить нагрейатель из печи
после плавки.
Блок стекла с наружной поверхности имеет слой 5 плотно при-
плавившегося песка, частично переродившегося в кристобалит. Не-
который слой песка 6 не сплавляется и остается без изменений.
Кроме вышеприведенной реакции в печи происходят процессы,
приводящие к образованию элементарного кремния:
^^2Жидк <- пар + 2СОглз. (10)
Кремний всегда находится или в возгоне или в виде корольков
внизу печи.
При интенсивной плавке блок оседает вниз, и в непосредствен-
ном контакте кварцевого стекла со стержнем происходит разложе-
ние карбида кремния на поверхности нагревателя по уравнению:
2SiCwe + 3Si„np + 2СОгаз. (Н)
С разрушением слоя карбида кремния вновь протекает реакция (10).
37
В результате этих реакций нагреватель разъедается, что может
привести к прекращению плавки.
Следует отметить, что при плавке прозрачного стекла в тигель-
ной печи протекают те же реакции, но скорость их увеличивается за
счет непосредственного контакта расплава со стенками тигля в про-
должение всей плавки и постоянного отсоса газообразных и паро-
образных продуктов реакций, сдвигающих равновесие реакций впра-
во. В первый период плавки протекает реакция (9), а затем, по осе-
дании расплавленного стекла, в зоне непосредственного контакта
расплава с тиглем происходят реакции (10) и (11), в результате кон-
тор ых постепенно разъедаются стенки тигля. При форсированной
работе печи газообразные продукты этих реакций могут попадать
в стекло, образуя в нем крупные пузыри.
Кремнезем, бурно испаряющийся в вакууме над зеркалом рас-
плава, реагирует со стенками тигля, осаждаясь на них в виде плот-
ного слоя карбида кремния серо-зеленого цвета. Газообразные про-
дукты реакции отсасываются из печи и конденсируются на холод-
ных частях трубопроводов и вакуумнасосов тонким слоем бурого
порошка, обладающего абразивными свойствами.
Таким образом, при вакуумной тигельной плавке указанные ре-
акции приводят к разъеданию тиглей, загрязнению стекла и к пре-
ждевременному выходу из строя вакуумнасосов.
Процесс наплавления блока из непрозрачного кварцевого стекла
сопровождается превращением £ -кварца при температуре 575° в
а-кварц, а затем, минуя фазу тридимита при 1200—1350°, в
а-кристобалит. При дальнейшем нагревании а -кристобалит плавит-
ся, образуя кварцевое стекло. В процессе плавки при температуре
1600° происходит также непосредственное плавление а-кварца с
образованием кварцевого стекла. Преобладание того или иного про-
цесса зависит от содержания плавней—слюды, полевого шпата, као-
лина и других примесей, способствующих превращению а -квар-
ца в а-кристобалит.
Поскольку содержание примесей в песке непостоянно, то следует
говорить не об определенной температуре образования кварцевого
стекла, а о некотором температурном интервале, установленном
экспериментально в пределах 1600—1630°.
Процесс наплавления блока может продолжаться до некоторого
предела, зависящего от распределения температурного поля внутри
печи. Наружный размер блока определяется концентрической
цилиндрической поверхностью, имеющей температуру образования
кварцевого стекла из песка. Диаметр этой поверхности определяется
размером газового промежутка, увеличивающимся в ходе плавки,
толщиной стенки блока и температурными перепадами между нагре-
вателем и внутренней поверхностью блока, а также в его толще.
Наружный диаметр блока обычно равен 5—6 диаметрам нагрева-
теля, а его внутренний диаметр примерно в два раза превышает
диаметр нагревателя.
Решающее значение для получения блока стекла надлежащего
38
качества имеют тепловой и электрический режимы плавки, харак-
теризуемые удельной поверхностной мощностью, излучаемой нагре-
вателем.
Поверхностная мощность не зависит от геометрических размеров
нагревателя и его удельного сопротивления.
Зная ее величину, легко перейти к электрическим параметрам
плавки—силе тока и напряжению, при которых должна вестись
плавка.
Автору настоящей брошюры удалось установить соотношения
между удельной поверхностной мощностью, силой тока и напряже-
нием для одностержневой электрической печи:
£ -6,3/
Л
d
и
(12)
(13)
где: I —сила тока в а;
Е —напряжение тока в в;
w—удельная поверхностная мощность на нагревателе в вт/см2;
d —диаметр нагревателя в мм;
I —длина нагревателя в м;
— удельное сопротивление нагревателя при рабочей температуре в
ом • мм2/м. Для графитовых нагревателей р = 11 ом • мм2!м.
Таким образом, напряже-
ние и сила тока пропорцио-
нальны корню квадратному
из величины удельной по-
верхностной мощности, а их
зависимость от диаметра на-
гревателя выражается пока-
зательными функциями.
На рис. 17 показаны кри-
вые зависимости напряжения
и силы тока от диаметра гра-
фитового нагревателя при
разных значениях удельной
поверхности мощности.
Мощность печи прямо
пропорциональна удельной
поверхностной мощности и
диаметру нагревателя и не
зависит от материала, из ко-
торого изготовлен нагрева-
тель.
Оптимальные значения
удельной поверхностной мощ-
ности находятся эксперимен-
тально. Как показали много-
Рис. 17. Зависимость напряжения и силы
тока от диаметра графитового нагревателя.
39
численные опыты, при поверхностной мощности ниже 20 вт!см2
стекло получается плохо проплавленным, а процесс наплавления
идет слишком медленно. Выше 40 вт!см2 стекло получается темно-
го тона и с меньшей механической прочностью. Резко усиливается
отек блока, а на его внутренней поверхности появляются порис-
тость и раковины.
Наилучшие результаты дает плавка при удельной поверхностной
мощности 25—35 вт]см2\ в этом случае стекло наплавляется доста-
точно быстро и высокого качества. Эффективным средством против
отека блока является периодическое поворачивание корпуса печи
вокруг горизонтальной поперечной оси.
Поскольку в процессе плавки внутренняя полость блока и его
толщина все время увеличиваются, то для сохранения постоянной
температуры в зоне плавления песка должна увеличиваться и удель-
ная поверхностная мощность на нагревателе.
Практически плавку начинают при мощности 20—25 вт/см2, по-
вышая ее ступенями несколько раз в процессе плавки, руководст-
вуясь показаниями амперметра и вольтметра до 35 вт!см2 к концу
плавки.
Перед самым окончанием плавки для разогрева блока часто
практикуется кратковременное (на 3—5 мин.) повышение удельной
мощности до 40—45 вт!см2.
Рис. 18. График примерного электрического режима плавки:
кривая 1—мощность печи; кривая 2 — удельная поверхностная
мощность; кривая 3—сила тока.
Следует отметить, что в начале плавки на графитовом нагре-
вателе наблюдается резкое увеличение силы тока, связанное с
уменьшением сопротивления графита, которое при температуре
600 — 700° достигает своего минимума. Для избежания этого в
указанный период необходимо на 30—40% снижать напряжение.
График примерного электрорежима плавки блока на графитовом
нагревателе диаметром 40 мм изображен на рис. 18.
40
\ Момент окончания плавки определяется по счетчику' расхода
электроэнергии, так как при заданном режиме плавки вес наплав-
ляемого блока пропорционален расходу электроэнергии. Продолжи-
тельность плавки в зависимости от веса блока колеблется от 0,5
до 3—4 часов.
Расход электроэнергии на 1 кг наплавленного блока
составляет 1,8—2 квт-ч.
Питание печей электроэнергией предусматривает возможность
регулирования напряжения и силы тора во время плавки и приме-
нения различных нагревателей.
Электропечь питается электроэнергией от блока, состоящего из
двух трансформаторов, включенных последовательно. Для более
крупных печей трансформаторы включаются параллельно с механи-
ческой связью приводов автотрансформаторов или устанавливаются
трансформаторы большей мощности.
Электроэнергия из сети высокого напряжения подается на мас-
ляный автотрансформатор, оборудованный подвижной катушкой,
позволяющей плавно изменять напряжение в пределах 20—220 в.
Далее ток регулируемого напряжения подается на печной секцион-
ный трансформатор, обмотки которого на низкой стороне имеют не-
сколько групп, что дает возможность при необходимости комбиниро-
вать напряжение и силу тока.
Применение, например, трансформаторов АОМК-100/0,5 и ОСУ-80
позволяет получать на печи напряжение от 5 до 80 в и силу тока
до 14000 а при мощности 80 ква, что вполне достаточно для работы
на большинстве печей.
Управление трансформаторами автоматизировано и производится
с лицевой стороны щита, на котором смонтированы все необходимые
приборы для контроля и учета работы электропечи.
3. Формование изделий из непрозрачного стекла
Особенности формования изделий из непрозрачного стекла зак-
лючаются в высокой вязкости расплавленного стекла и небольшом
перепаде температур, при которых возможна выработка кварцевого
стекла.
Вязкость непрозрачного стекла в интервале температур формо-
вания (1550—1750°) составляет 108 пуаз для наружных слоев блока
и 106 пуаз для внутренних слоев.
В связи с этим формование изделий из непрозрачного стекла не-
обходимо вести очень быстро и применять для этого большие уси-
лия.
Основным способом формования блока в изделие является раз-
дувка сжатым воздухом или газообразующими веществами в чугун-
ные формы. Кроме того, для производства массивных изделий, на-
пример, стеклобруса и толстых пластин, применяется прессование
на гидравлических прессах. Меньшее распространение получили про-
катка и штамповка.
4'1
Наиболее удобный прием формования раздувкой состоит в том,
что наплавленный блок с одного конца, еще находясь в печи, пере-
резается и герметически заваривается при помощи ножниц, имеющих
ромбовидный вырез и монтируемых непосредственно у печи.
Для небольших блоков обычно пользуются ножницами с ручным
приводом. Для резки и заварки блоков диаметром более 200—250 мм
применяются ножницы с электрическим, пневматическим или гидра-
влическим приводом.
Эта операция занимает всего 10—15 сек., но требует значитель-
ного усилия, достигающего при отрезке крупных блоков 5 т.
После заварки блок захватывается с открытого конца клещами
и быстро переносится в форму. Внутрь блока вводится кусок мокрой
древесины или вставляется графитовый наконечник приспособления
для подачи сжатого воздуха.
Для создания давления внутри полости блока (5—8 ати), необ-
ходимого для раздувки, последний сверху сжимается специальными
зажимами.
При раздувке за счет сгорания древесины давление образую-
щихся продуктов горения внутри блока часто превышает допустимое
и тогда за счет выпуска части газов, путем ослабления зажимов,
давление несколько понижается.
После охлаждения до 300 — 400° изделие вынимается из
формы.
Изделия простой конфигурации, такие как сосуды, прямые трубы
и другие, раздуваются в вертикальные цельные формы, а сложные
изделия, как, например, S-образные и U-образные трубы, абсорбе-
ры и аналогичные им изделия раздуваются в разъемные горизон-
тальные формы.
Перенос крупных блоков из печи в форму и изделий после раз-
дувки осуществляется электрическими кран-балками или поворотны-
ми кранами.
Массивные изделия прессуются из блока, как правило, на гид-
равлических прессах с грузовым аккумулятором под давлением
20—30 кг!см2 в течение 15—20 секунд.
Трубы диаметром 20—50 мм вырабатывают путем растяжки на-
плавленного блока в горизонтальном и вертикальном направлениях
с поддувкой сжатым воздухом.
В последнее время в производстве изделий из непрозрачного
кварцевого стекла достигнуты значительные успехи: освоен массо-
вый выпуск горшков емкостью 150 л для варки оптического стекла,
S-образных труб и абсорберов длиной до 2,5 м, стеклобруса для
ванных печей, изоляторов сложной конфигурации и т. д.
Вместе с тем, в кратчайший срок должно быть освоено произ-
водство горшков емкостью до 400 л, стеклобруса повышенного ка-
чества, трубопроводов для химической промышленности и других
изделий.
В связи с производством крупных и сложных изделий назрела
необходимость создания в ближайшее время механизированных аг-
42
регатов для выполнения всех операции формования: очистки и
транспортирования блоков, закрывания и открывания формы при
раздувке, извлечения изделия из формы и т. д.
4. Механическая обработка изделий
В кварцевом производстве применяется разнообразная механи-
ческая обработка. Наряду с резкой, круглой и плоской шлифовкой
изделий, применяются полировка, доводка, притирка шлифов, свер-
ловка и другие операции.
Вследствие большой твердости кварцевого стекла его механи-
ческая обработка возможна только абразивным инструментом и
алмазом. Наилучшие результаты дают абразивные круги средней
мягкости, изготовленные из карбида кремния. Многочисленные по-
пытки применить для этой цели резцы из специальных сталей и
твердых сплавов пока не дали положительных результатов.
Высокая термостойкость кварцевого стекла допускает резкие
местные перегревы, что дает возможность вести обработку на боль-
ших подачах при интенсивном охлаждении водой.
Резка стекла. Для резки изделий разработаны различные конст-
рукции отрезных станков, из которых наиболее удачными оказались
станки для автоматической двусторонней резки круглых изделий
конструкции лауреата Сталинской премии Б. Н. Шамарина.
Малая модель такого станка для резки изделий диаметром до
300 мм изображена на рис. 19.
На заводе имени Ломоносова освоено производство кругов для
резки кварцевого стекла на бакелитовой и вулканитовой связке.
Организация этого производства вызвана тем, что абразивная
промышленность не выпускает кругов для резки кварцевого стекла
достаточной производительности и необходимой сопротивляемости
износу.
Резка крупных и массивных изделий, в основном из непрозрач-
ного стекла, осуществляется кругами на бакелитовой связке диамет-
ром от 150 до 350 мм и толщиной от 1 до 4 мм. Для резки тонко-
стенных изделий с окружной скоростью 40—50 м/сек применяются
круги на вулканитовой связке диаметром от 100 до 150 мм и тол-
щиной 0,2—0,8 мм.
Круги на бакелитовой связке изготовляются из смеси зерен
карбида кремния №№ 46, 60 и 80 и бакелита в количестве 6—7%
от веса карбида кремния.
Полученная масса после тщательного перемешивания заклады-
вается в металлическую пресс-форму и прокатывается стальным вал-
ком. Отформованные круги сушатся при комнатной температуре в
течение 10—12 час., а затем подвергаются первичному обжигу при
температуре 140—160° в течение 6—7 часов. Для повышения меха-
нической прочности круги после первичного обжига пропитываются
жидким бакелитовым лаком, просушиваются и вторично обжигают-
ся при том же режиме.
43
Производство кругов иа вулканитовой связке начинается с рас-
творения натурального каучука в авиационном бензине. В получен-
ный раствор добавляется сера в количестве 20—25% от веса каучу-
Рнс. 19. Отрезной станок для круглых изделий конструкции
Б. Н. Шамарина.
ка. На этой связке замешивается смесь из порошков карбида крем-
ния №№ 120—180.
44
Образовавшаяся масса прокатывается в листы нужной толщины,
из которых вырубаются затем круги заданного диаметра. После
сушки круги обжигаются аналогично кругам, изготовляемым на ба-
келитовой связке, бакелитизируются и вторично обжигаются.
Производительность кругов при резке прозрачного стекла сос-
тавляет в среднем около 300 см2/час, а непрозрачного стекла — бо-
лее 500 см21час. Эта производительность только в 2,5—3 раза ниже,
чем при резке изделий алмазной пилой.
Такие же результаты получены при резке оптического стекла
разных марок.
Это свидетельствует о том, что абразивные круги могут с успе-
хом применяться в оптико-механической промышленности, которая
до сих пор расходует на резку стекла значительное количество ал-
мазов, а также для резки стекла различных сортов, камней и все-
возможных керамических изделий.
Сверление отверстий в кварцевом стекле производится трубча-
тыми тонкостенными сверлами из мягкой стали с одновременной по-
дачей в высверливаемое отверстие карборундового порошка и воды.
Шлифовка и полировка стекла. Для шлифовки плоских и сфе-
рических поверхностей применяются круги, изготовленные на кера-
мической связке.
В последние годы стали широко применяться для этих целей
обычные металлообрабатывающие шлифовальные станки. Так, на-
пример, вся механическая обработка стеклобруса осуществляется
на плоскошлифовальных станках типа 372-Б. На станках произво-
дится отрезка прибылей по торцам и шлифовка всех граней со сня-
тием значительного слоя стекла. Обработка одного бруса размером
800 X 250 X ЮО мм занимает сейчас 2—2,5 часа.
На круглошлифовальных станках типа ЗА-12 и ЗЖ-16 осущест-
вляется шлифовка изоляторов, фланцев и других изделий.
Тонкая шлифовка и полировка производятся методами, приня-
тыми в оптико-механической промышленности с применением ана-
логичных станков и инструмента.
Изделия из непрозрачного стекла с целью очистки наружной
шероховатой поверхности от приллавившегося к ней песка подвер-
гаются пескоструйной или гидропескоструйной (жидкостно-абразив-
ной) обработке. Последняя значительно улучшает условия труда'
рабочих, являясь одновременно более производительной и эконо-
мичной по сравнению с обычной сухой пескоструйной обработкой.
Кроме того, жидкостно-абразивная обработка может быть исполь-
зована для полировки поверхности.
Установка для жидкостно-абразивной обработки, основанная на
пневмоэжекционном принципе, состоит из устройства для смешива-
ния абразивных материалов с водой, форсунки с гибким шлангом,
камеры для обработки и тележки для подачи изделия.
Устройство состоит из бака, в котором абразивные материалы,
чаще всего песок, смешиваются с водой при помощи гребного винта
или сжатого воздуха.
45
Рис. 20. Форсунка’ для жидкостно-абразивной обработки поверхности стекла конструкции
Е. П. Кочетова.
Полученная в баке суспензия засасывается через гибкий шланг
и форсункой конструкции Е. П. Кочетова распыляется по поверхно-
сти изделия. Отработанный абразив с водой стекает обратно в бак.
Устройство форсунки показано на рис. 20. В корпусе 1 смонтирова-
ны воздушные сопло 2 и насадка 5, закрепленная накидной гай-
кой 4. В трубку сопла подается сжатый воздух, а в пространство
между корпусом и соплом засасывается абразивная суспензия.
5. Термическая обработка изделий
Сварка стекла. Вследствие специфических свойств кварцевого
стекла сварка имеет исключительное значение в изготовлении слож-
ных изделий, например, химической аппаратуры.
В связи с очень высокой вязкостью стекла при температурах
плавления и формования, литье кварцевого стекла является невоз-
можным, а раздувкой под большим давлением можно получать
лишь относительно простые изделия.
Вместе с тем, подавляющее количество химических аппаратов и
других сложных изделий имеет патрубки, отводы, фланцы, шлифы,
днища и прочие конструктивные детали, которые могут быть соеди-
нены с корпусом аппарата только методом сварки. Это же относит-
ся и к приварке фланцев и шлифов к частям трубопроводов.
Сварка позволяет сваривать из нескольких частей очень крупные
изделия, которые невозможно изготовить целиком, а также ремонти-
ровать разбитые или треснувшие аппараты. Наконец, сварка дает
возможность соединять детали из прозрачного и непрозрачного стек-
ла, вваривать в аппараты смотровые стекла и производить ряд
других операцйй.
До недавнего времени способы сварки кварцевого стекла не бьь
ли разработаны, и все попытки сварки крупных изделий из стекла
оканчивались неудачей, вследствие появления трещин вблизи места
сварки при охлаждении.
Проблема сварки толстостенных крупногабаритных стеклянных
изделий была решена путем применения предварительного равно-
мерного подогрева изделий перед сваркой до температуры 1000—
1100°, выше которой стекло начинает размягчаться.
Теоретическое исследование влияния подогрева на величину ос-
таточных деформаций и напряжений произведено И. П. Байковой
и В. П. Прянишниковым в соответствии с работами Н. Н. Рыкалина
о распространении тепла в изделиях при сварке и работами
Н. О. Окерблома о сварочных напряжениях и деформациях.
Непосредственное применение теории сварочных деформаций и
напряжений, разработанной для стальных конструкций, к конструк-
циям из кварцевого стекла является недопустимым, так как послед-
нее по своим теплофизическим и прочностным характеристикам рез-
ко отличается от стали.
Поскольку сталь обладает достаточными пластическими свойст-
вами, конечное напряженное состояние, возникающее после сварки,
47'
iic влияет на снижение работоспособности стальных конструкций. В
кварцевом же стекле, которое при нормальной температуре являет-
ся хрупким и не обладает пластическими свойствами, остаточные
сварочные напряжения непосредственно снижают на всю свою вели-
чину допустимую рабочую нагрузку, а в ряде случаев могут пре-
взойти предел прочности и вызвать разрушение изделия при охлаж-
дении после сварки.
Для исследования был взят случай наплавки валика на кромку
тонкой стеклянной полосы различной ширины при мощности газо-
вой горелки q = 1 000 кал/сек и скорости сварки v = 0,1 см)сек.
Теплофизические характеристики стекла приняты при этом в соот-
ветствии с данными, приведенными в первой главе.
В расчетах для их упрощения было принято следующее:
сварка ведется в условиях установившегося температурного по-
ля, что позволяет определить напряжение в одном сечении и распро-
странить результат на все изделие;
900
^800
Iго -я-
600
<3 V Cs,
^500 M?
S §
распределение температуры по толщи-
не изделий осуществляется равномерно;
модуль упругости постоянен и не зави-
сит от температуры (Е=6,5Х105 кг/см2)-,
предел прочности при растяжении по-
стоянен, с резким падением до нулевой
величины при 1100°, т. е. в начале перехо-
да стекла из упругого состояния в пласти-
ческое.
На рис. 21 показаны кривая распреде-
ления температуры Т по сечению, где ши-
рина зоны разогрева до температуры 1100°
1000
Д25
toc *
Ч 5 6 7 8 9 10
X-48J
200 g
100
o'
012 3
Л100
21
30
W ^3
Ширина изделия, chi
£25
Рис. 21. Кривые распределения сварочных напряжений и деформа-
ций при нагревании.
является максимальной, и кривая распределения относительных теп-
ловых удлинений [Х^аГ].
На том же рисунке нанесена прямая (Д]( ) действительных де-
формаций для полосы шириной 15 см из условия равновесия всех
внутренних сил и их моментов относительно любой точки:
48
h
(Ду — Xy)dy = О
О
и
h
(Ду—Xy)yrfy = 0.
о
(14>
(15)
Это осуществляется путем определения площади О'АБ и мо-
ментов относительно точки О с последующим вычислением ординат
До и Д^, определяющих положение прямой Д15.
Несоответствие положения прямой действительных деформаций
с тепловыми относительными деформациями привело к появлению в
сечении упругих деформаций и соответствующих им напряжений,
величина которых определяется заштрихованной эпюрой разности
(Дг/—)у). Знаком плюс обозначены напряжения растяжения, наи-
более опасные для кварцевого стекла, знаком минус — напряжения
сжатия.
Расчетные деформации и напряжения при полном остывании из-
делия после сварки даны на рис. 22. Как видно, при охлаждении в
зоне, прилегающей непосредственно к шву и при сварке находив-
шейся в пластическом состоянии, появляются напряжения растяже-
ния, достигающие максимальной величины при полном остывании
примерно в расстоянии 3 см от шва:
’max = ешахЕ = 177,2х10"6Х6,5X108=115 кг/см*. (16)
Эти напряжения превышают предел прочности, определяемый
обычно для раздутых изделий, и могут вызвать их разрушение.
Аналогичные расчеты, произведенные для полос шириной 25 и
100 см (прямые Д26 и Д100), показали, что с увеличением ширины
4 Зак. 10 49
Рнс. 23. Зависимость остаточных напряжений
от ширины изделия и температуры подогре-
ва: кривая /—сварка без подогрева; кривая
2—сварка с подогревом до 600°; кривая
3—сварка с подогревом до 1000°.
изделия деформации и напряжения увеличиваются, что подтверж-
дается наблюдениями.
Предварительный подогрев выравнивает температуру изделия и
уменьшает величину деформации и напряжений.
Результаты расчетов, показывающие влияние подогрева при раз-
ной ширине изделия, показаны на рис. 23. Кривые 1, 2 и 3 изобра-
жают величину максимальных напряжений при различной темпера-
туре подогрева и ширине изделий. На рисунке также нанесена пря-
мая (ао6р) предела прочности для образцов и прямая (°практ)
практического предела прочности для раздутых изделий.
Из рисунка видно, что
подогрев до 600° лишь
увеличивает ширину из-
делия, свариваемого без
разрушения, и является
малоэффективным, а по-
догрев до 1000° дает воз-
можность сварки изделий
всех габаритов, с тем, что
остаточные напряжения
не будут превосходить
30—35% предела прочно-
сти.
При определении проч-
ности сварных швов бы-
ло установлено, что наи-
большие напряжения на-
ходятся в зоне, удаленной
от шва на 8—12 мм и что
они достигают величины
50—60 кг/см2, т. е. нес-
колько больше вычислен-
них.
Это является совершенно закономерным, так как сварка встык
толстостенных изделий теоретически должна создавать большие на-
пряжения, чем наплавка валика на кромку тонкой полосы, для ко-
торой были выполнены приведенные выше расчеты.
Теоретические выводы полностью подтверждаются многочислен-
ными экспериментальными работами и накопленным производствен-
ным опытом.
Расчеты величины сварочных напряжений были проверены экс-
периментально в кварцевой лаборатории завода имени Ломоносова
оптическим методом фотоупругости.
Как известно, стекло при воздействии механических усилий ста-
новится оптически анизотропным и обнаруживает явление времен-
ного двойного лучепреломления. Величина лучепреломления про-
порциональна разности главных напряжений:
67/(3! —з2),
(17)
50
где: Kt— относительная линейная разность хода;
С—оптический коэффициент напряжения (коэффициент фотоупруго-
сти), в брюстерах (один брюстер равен Ю“1Э см2!дин)\
о, и а2—главные напряжения в дин/см2\
d—толщина пластинки в см.
Определяя экспериментально величину R t на поляриметре и
зная оптический коэффициент (для кварцевого стекла он равен 3,5
брюстера), можно определить разность главных напряжений <4
И 32-
Затем, пользуясь методом определения главных напряжений по
осям симметрии или методом графического интегрирования вдоль
линий главных напряжений, находится их величина. Эти методы
были применены для определения сварочных напряжений, возника-
ющих при сварке встык (без предварительного подогрева) плас-тин
толщиной от 5 до 15 мм.
Как показали экспериментальные работы, область, находящаяся
после сварки в напряженном состоянии, имеет ширину от 10 до
100 мм. Зона, прилегающая непосредственно к сварному шву, яв-
ляется зоной пластичности. Ширина зоны пластичности, размягчаю-
щейся в процессе сварки, в зависимости от толщины пластины и
мощности горелки, колеблется от 5 до 40 мм, а ширина соседней с
ней зоны — от 5 до 60 мм.
В зоне пластичности главные напряжения и а2 представ-
ляют собой растяжение, причем напряжение, параллельное шву,
несколько больше напряжения, перпендикулярного к нему. Макси-
мальное значение напряжений составляет 150—180 кг)см2. В зоне,
соседней с зоной пластичности, напряжение, параллельное шву,
представляет собой сжатие и достигает максимума 100—150 кг/см2.
Напряжение, перпендикулярное шву, является растяжением.
Более всего опасными при сварке являются места в зоне плас-
тичности, где напряжения, параллельные шву, являются наибольши-
ми на расстоянии 5—20 мм от шва. В соседней зоне опасными яв-
ляются участки на расстоянии от 10 до 80 мм от шва, где быстро
возрастают напряжения, перпендикулярные шву.
Наблюдения над расположением трещин, образующихся при ох-
лаждении после сварки, подтверждают указанные выводы.
Толстостенные крупногабаритные изделия после сварки должны
подвергаться отжигу или, во всяком случае, очень медленному ох-
лаждению.
В настоящее время газовая сварка производится водородно-кис-
лородным пламенем. Это пламя развивает необходимую температу-
ру, является достаточно чистым и безвредным.
Для повышения калорийности газовой смеси и температуры пла-
мени при сварке прозрачного кварцевого стекла целесообразно, по
литературным данным, добавлять к водороду 10—15% ацетилена.
При сварке непрозрачного стекла в такой добавке нет необходи-
мости.
Подготовка изделия к сварке заключается в скашивании на шли-
фовальной шайбе кромок свариваемых деталей под углом 35—45°.
4» 51
Часть кромки оставляется нескошенной. Величина затупления со-
ставляет 1—2 мм. При сварке между затуплениями двух сваривае-
мых деталей оставляется зазор шириной 1—2 мм для обеспечения
лучшего провара по всей глубине кромки. После обработки кромок
свариваемые детали тщательно промываются водой и спиртом на
ширину 50—60 мм от кромки, так как самые ничтожные загрязне-
ния вызывают кристаллизацию и затрудняют сварку.
Небольшие изделия могут свариваться непосредственно на воз-
духе с предварительным подогревом их горелкой и последующим
отжигом; более крупные изделия подогреваются и свариваются в
специальных электрических или газовых печах.
Электрические печи по сравнению с газовыми печами позволяют
вести подогрев при широком регулировании теплового режима, что
особенно важно в случае необходимости отжига изделий.
Однако газовые печи несколько проще по конструкции и дают
возможность концентрировать подогрев изделия в необходимом для
сварки месте.
Экспериментальная печь для сварки с газовым подогревом пред-
ставляет собой металлический каркас, выложенный шамотным кир-
пичом. В верхней части печи имеется отверстие для свободного вы-
хода газов при сварке. Сбоку печи расположены два отверстия: од-
но щелеобразное — для предварительного подогрева и второе —
для выполнения сварочных работ, закрываемое несколькими двер-
цами.
Снизу печь открыта и установлена на железную опорную кон-
струкцию. На этой же опоре установлен механизм для вращения
изделия во время подогрева и сварки.
Механизм состоит из двух специальных червячных редукторов,
фрикционной передачи и электродвигателя. Один из редукторов
имеет две скорости вращения. При большем числе оборотов (от 8
до 17 об/мин) производится подогрев, при малых оборотах (от 7ie
до ’/75 об/мин)—сварка. Регулировка числа оборотов в пределах
каждой скорости вращения производится фрикционной передачей.
Весь механизм смонтирован на каретке, легко перемещающейся
в вертикальном направлении по червячному ходовому винту при по-
мощи штурвала.
В более крупных печах механизм подъема и опускания изделия
целесообразно снабжать электрическим приводом, а внизу печи
устраивать песочный затвор.
На шпиндель механизма насаживается металлический диск, к
которому закрепляются шамотные круги, входящие в шахту печи.с
небольшим зазором. При нижнем положении каретки на шамотные
круги устанавливается изделие, подлежащее сварке, которое, затем
вводится (поднимается) в печь.
Предварительный подогрев осуществляется (при постоянном
вращении изделия) двумя газовыми горелками, которые закреп-
ляются на траверсе приспособления, расположенного рядом с печью.
Это приспособление состоит из редуктора и кривошипа с регулиру-
52
емым шагом. Конструкция крепления позволяет легко менять вза-
имное расположение горелок, устанавливать их под различными
углами и изменять положение горелок относительно печи. При по-
мощи этого приспособления, приводимого в движение электродви-
гателем, горелки совершают поступательно-возвратное движение в
вертикальном направлении. Величина перемещения горелки регули-
руется, в зависимости от высоты изделия, положением пальца кри-
вошипа.
Приспособление для подогрева имеет дополнительный редуктор
для уменьшения скорости движения горелок в 40 раз при автомати-
ческом оплавлении наружной шероховатой поверхности изделия.
Для равномерного подогрева и проплавления кромок горелкой
производят поперечное непрерывное зигзагообразное или спираль-
ное движение.
Во избежание перегрева наконечников, горелки обертываются
тонкой медной трубкой или снабжаются рубашкой, через которые
пропускается холодная вода для охлаждения.
Для сварки изделий толщиной 5—7 мм пользуются сварочной го-
релкой № 6, а для сварки более толстых изделий — горелками
«№№ 7 и 8. В качестве присадочного материала применяются стерж-
ни из прозрачного кварцевого стекла диаметром 6—10 мм.
Подогрев производится вначале горелками, работающими на
чистом водороде в течение 10—15 мин., а затем на водородно-кисло-
родном пламени в течение 30—40 мин. до температуры 1000—1100е,
контролируемой оптическим пирометром. Во время сварки подогрев-
ные горелки не выключаются.
В производстве чаще всего применяется так называемая правая
сварка, при которой горелка движется слева направо; в нашем слу-
чае горелка остается неподвижной, а вращается изделие против ча-
совой стрелки. Присадочный стержень находится при этом между
•швом и горелкой, а шов — все время впереди горелки.
Указанный способ правой сварки, по сравнению с левой сваркой,
является значительно более производительным, обеспечивает высо-
кое качество шва и удобен для сварщика.
Шов после разогрева попадает в зону действия сварочной горел-
ки, с помощью которой стекло расплавляется по всей ширине кро-
мок, с одновременным заполнением шва расплавленным стеклом
присадочного стержня. Последнему придают зигзагообразные и ча-
стично вращательные движения для смешения стекла присадочного
стержня со стеклом свариваемых деталей.
Скорость сварки в среднем составляет от 1 до 2 мм в секунду.
С учетом необходимости дополнительной обработки шва практичес-
ки скорость сварки не превышает 30—50 мм в минуту.
В результате сварки получается очень ровный, плотный шов,
слегка выступающий над поверхностью изделий, внешне очень по-
хожий на шов при сварке металла.
После окончания сварки шпиндель механизма переключается на
большую скорость (10—15 об/мин) и изделие прогревается в тече-
53
ние 10—15 мин., с преимущественным направлением пламени на
сварной шов, при этом кислородный вентиль постепенно закрывает-
ся. Подогревные горелки после этого выключаются, удаляются из
печи, и последняя плотно закрывается для медленного охлаждения.
Эти операции способствуют получению плотного и прочного шва,
а также гарантируют от появления трещин и разрушения изделий
при их остывании.
Очень хорошие результаты получены при применении газопрессо-
вой сварки в пластическом состоянии. При этом методе сварки кром-
ки свариваемых деталей прогреваются в течение 1—2 мин. кольце-
вой горелкой до размягчения, после чего сжимаются с образованием
кольцевого выступа на наружной поверхности изделия в плоскости
стыка. После сжатия изделия вторично прогреваются в течение 2—
3 мин. при постепенном уменьшении размера пламени.
Такой способ сварки в несколько раз ускоряет процесс, дает ка-
чественный шов и позволяет организовать массовое производство
труб с фланцами.
Представляет интерес проведение экспериментальных работ по
сварке кварцевого стекла электрической дугой.
Отжиг. Этот процесс, как показала практика, имеет существен-
ное значение при изготовлении толстостенных изделий, особенно из
прозрачного стекла.
При повторной термической обработке массивцых изделий из
кварцевого стекла, например, при оплавлении шлифованной поверх-
ности, сварке толстостенных труб, изготовлении шлифов, кранов,
сборке сложных приборов, а также при сварке, без должного пред-
варительного подогрева, на изделиях после их охлаждения часто об-
разуются трещины, разрушающие изделия.
Трещины являются следствием образования в стекле остаточных
напряжений растяжения от неравномерного распределения темпера-
туры в массе изделия при термической обработке. Эти напряжения
могут быть сняты отжигом, т. е. выдержкой изделия при определен-
ном интервале температур, близком к температуре начала размяг-
чения свекла с последующим медленным охлаждением.
Верхним пределом температурного интервала отжига является
температура, соответствующая вязкости 1013 пуаз, а нижним преде-
лом — температура, при которой вязкость стекла колеблется от 10ls
до 1016 пуаз.
Отжиг обычно ведется при вязкости 1013,4 —Ю’3’5 пуаз с тем, что
все остаточные напряжения практически снимаются в течение
15 мин. Для прозрачного кварцевого стекла указанной вязкости со-
ответствует температура 1130—1140° и для непрозрачного стекла —
1100—1120°.
Опыты, произведенные кварцевой лабораторией завода имени
Ломоносова, показали, что напряжения в прозрачном стекле, состав-
ляющие до отжига 90—120 кг/см2, начинают исчезать при темпера-
туре 850—900° и окончательно исчезают при 1150°. Ькорость нагрева
при этом составляет 4—7° в минуту, причем выдержка при темпера-
54
туре 1150° является необязательной, а при 1130° длительность необ-
ходимой выдержки не превышает 10—15 мин. Кривые отжига трех
образцов толщиной 10 мм показаны на рис. 24.
Отжиг производится в электрических силитовых печах, снабжен-
ных соответствующей регулирующей аппаратурой—электронными
Рис. 24. Кривые отжига прозрачного кварцевого стекла: кривая
/—для образца размером 100Х80ХЮ мм, кривая 2—для об-
разца размером 80X80X10 лсиг'кривая 3—для образца разме-
ром 100 X ЮО X Ю мм.
Для качественного отжига большое значение имеет равномерное
распределение температуры по всему изделию, что является доста-
точно сложным, учитывая высокую температуру отжига и сравни-
тельно небольшой габарит печей. Выравниванию температуры спо-
собствует засыпка изделия кварцевым песком.
ГЛАВА IV
ПРИМЕНЕНИЕ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА И АССОРТИМЕНТ
ИЗГОТОВЛЯЕМЫХ ИЗ НЕГО ИЗДЕЛИЙ
Несмотря на то, что многие отрасли промышленности до послед-
него времени не пользуются'в должной мере кварцевым стеклом,
его применение в народном хозяйстве уже сейчас широко и разно-
образно.
Достаточно сказать, что только завод имени Ломоносова выпол-
няет ежегодно большое количество заказов на кварцевые изделия
весьма обширного ассортимента для самых различных целей.
Особенно эффективно применение кварцевого стекла в условиях
55
повышенных температур, токов высокой частоты и напряжения, а
также при работе в агрессивной химической среде, когда обычные
стекла, керамика и другие материалы становятся непригодными.
Применение кварцевого стекла позволяет интенсифицировать
технологические процессы, повысить качество продукции, а также
дает возможность осуществить некоторые новые процессы и создать
новые конструкции.
С этой точки зрения кварцевое стекло является особенно перспек-
тивным и ценным материалом.
Большую роль играет кварцевое стекло как заменитель цветных
и драгоценных металлов — меди, свинца, алюминия, олова, бронз
различного состава, серебра, платины, а также специальных кисло-
тоупорных и жароупорных сталей, легируемых такими металлами,
как никель, хром, молибден, вольфрам, ванадий, тантал и др.
Этому способствует недефицитность сырья для производства не-
прозрачного кварцевого стекла, а также широкие возможности ор-
ганизации его производства в больших масштабах.
Дешевое непрозрачное стекло применяется прежде всего в хи-
мической промышленности, металлургий и при всевозможных тер-
мических процессах, в основном для изготовления крупногабарит-
ных изделий, аппаратов и трубопроводов.
Из прозрачного стекла вырабатываются лабораторные приборы,
аппараты и посуда, изоляторы для радиопромышленности, лампы
ультрафиолетового излучения, смотровые стекла для различных ап-
паратов, детали оптических приборов, прецизионные и эталонные
приборы и т. д.
С каждым новым шагом в развитии техники открываются даль-
нейшие перспективы в расширении производства и применения квар-
цевого стекла в народном хозяйстве. Это положение прекрасно под-
тверждается практикой работы завода имени Ломоносова, который
наряду с выпуском типовых и стандартных кварцевых изделий си-
стематически осваивает производство большого количества новых
видов продукции.
1. Применение кварцевого стекла в химической промышленности
Химическая промышленность в ближайшее время должна явить-
ся наиболее крупным потребителем кварцевого стекла, преимуще-
ственно для изготовления аппаратуры больших габаритов и трубо-
проводов различного диаметра.
Широкие возможности применения кварцевого стекла для хими-
ческих производств определяются, как было указано выше, его ис-
ключительной кислотоупорностью, термической стойкостью и огне
упорностью.
Высокая кислотоупорность обеспечивает длительную службу хи-
мической аппаратуры, сокращает простои и затраты на ее ремонт,
позволяет получать чистые химические продукты. Твердость кварце-
S6
рого стекла устраняет загрязнение химикатов и этим исключает воз-
можность абразивных действий продукта.
Термостойкость и огнеупорность стекла позволяют интенсифици-
ровать процессы путем применения высоких температур с резкими
перепадами, например, охлаждать водой холодильники для газа с
температурой 400—600°, производить непосредственный нагрев ап-
паратуры топочными газами и открытым пламенем, располагать
электрические нагревательные элементы непосредственно на аппа-
ратах и т. д.
Применение кварцевого стекла позволяет сократить производст-
венные помещения, в частности, за счет установки аппаратуры за
пределами здания.
В сернокислотной промышленности из кварцевого стекла изго-
товляются башенные концентраторы и другие аппараты для кон-
центрирования и получения химически чистой кислоты.
Принцип работы башенных концентраторов заключается в том,,
что слабая (60%-ная) серная кислота после подогрева поступает в
верхнюю часть башни, состоящую из отдельных кварцевых царг, и в
распыленном состояние встречается с идущим снизу потоком горя-
чих газов от специальных горелок, расположенных в нижней царге
башни.
Образующаяся горячая концентрированная (96%-ная) кислота
сливается для охлаждения в змеевиковые кварцевые холодильники,
расположенные под башнями. Газы, насыщенные кислотой, после-
выхода из башни проходят скруббер и освобождаются в нем от кис-
лоты.
Общий тепловой коэффициент полезного действия такой уста-
новки достигает 75%, а самого концентратора — более 90%.
Широкое применение на заводах серной кислоты должны полу-
чить трубопроводы и холодильники для горячей кислоты из кварцево-
го стекла взамен свинцовых.
Имеются данные о денитрационных установках за рубежом, вы-
полненных полностью из кварцевого стекла.
В этих установках серная кислота, содержащая 0,3—1% азотной
кислоты, 0,5—1% окислов азота и продукты нитрации, поступает в
паровой подогреватель и оттуда в верхнюю часть денитрационной
башни, наполненную кварцевым боем.
В нижнюю царгу башни подается пар, нагревающий кислоту.
Выделяющиеся при этом окислы азота концентрируются и охлаж-
даются в холодильниках, образуя крепкую (90—98%-ную) азотную
кислоту. Несконденсировавшиеся окислы азота для поглощения по-
ступают в абсорбционные башни, орошаемые слабой азотной кисло-
той. Денитрированная 70%-ная серная кислота из башни сливается
в холодильник, где охлаждается до 20°. В случае необходимости
получения крепкой 96 %-ной кислоты денитрированная серная кис-
лота непосредственно после башни поступает на концентраторы. Для
перекачки кислоты применяются кварцевые инжекторные насосы.
Схема такой установки изображена на рис. 25.
57
Рис. 25. Схема установки для денитрации серной кислоты.
Печь для синтеза хлористого водорода состоит из нескольких от-
дельных царг. Нижняя царга снабжена горелкой из двух концент-
рических кварцевых трубок — хлорной и водородной, в которых про-
исходит сжигание водорода в хлоре. Горелка закреплена в железной
арматуре при помощи замазки. Для наблюдения за факелом и ре-
гулирования режима печи в нижней царге имеется трубка со смот-
58
ровым стеклом из прозрачного кварцевого стекла. Верхняя царга
сверху закрыта диском с предохранительным взрывным клапаном в
виде очень тонкой кварцевой пластинки. Образующийся хлористый
водород с температурой 200—300° проходит последовательно воз-
душный и оросительный холодильники, составленные из ряда S-об-
разных труб из кварцевого стекла, уплотняемых в раструбах замаз-
кой.
Cwnpotoe
if стекло
ВойродУ
)Хлоо
Рис. 26. Схема установки для производства хлористого водорода и
соляной кислоты.
Часть хлористого водорода конденсируется и собирается в виде
концентрированной соляной кислоты в сборники. Охлажденный хло-
ристый водород используется для гидрохлорирования или абсорби-
руется в вертикальной системе из S-образных плоских абсорберов,
орошаемых водой с образованием 30—35 %-ной соляной кислоты.
Вода на абсорбцию подается сверху, а хлористый водород поступает
снизу. Неабсорбированный газ поглощается в хвостовой керамико-
вой башне, где образуется слабая кислота.
Кварцевое стекло является единственно пригодным материалом
для изготовления аппаратуры, работающей в условиях действия го-
рячего концентрированного влажного HCl-газа и соляной кислоты.
В этой аппаратуре можно работать с высокой концентрацией HCl-
газа, достигающей 85—95%, и 37 %-ной соляной кислоты, получая
при этом кислоту большой чистоты. Применяя для абсорбции ди-
стиллированную воду, этим методом можно получать непосредствен-
но реактивную соляную кислоту.
Чаши, кюветы, ванны, цилиндрические сосуды из кварцевого
стекла широко используются для процессов выпаривания и кристал-
лизации в производстве различных химических реактивов.
Концентрирование растворов и выпаривание осуществляются в
кварцевых чашах на газовом пламени. Получающиеся соли поме-
59
щаются в кварцевые лотки и прокаливаются в кварцевых муфелях
при температуре 900°.
Посуда из кварцевого стекла применяется при получении редких
металлов — платины, иридия, палладия, родия, рутения, осмия
и др. В колбах, обогреваемых открытым пламенем, растворяются в
царской водке руды при температуре кипения и выпаривания азот-
нокислых растворов. Окислы азота и хлористый водород конденси-
руются и охлаждаются
в кварцевых змеевиках,
погруженных в проточ-
ную холодную воду.
Кварцевое стекло
применяется в виде ре-
торт, газоходов и холо-
дильников при дистил-
ляции воды, кислот,
ртути, для сублимации
иода и при других хи-
мических процессах.
Широкое примене-
ние кварцевое стекло
должно иметь в про-
изводстве минеральных
солей и, в первую оче-
редь, хлористых, так
как хлористый водород
и хлор разрушающе
действуют на все мате-
риалы, кроме кварце-
вого стекла.
В этих производст-
вах из кварцевого стек-
ла изготовляются реак-
торы, реторты, холо-
дильники и другие ап-
параты. На рис. 27 в
качестве примера такой
аппаратуры показан ре-
актор с крышкой, ме-
шалкой и тубусами ем-
костью 150 л.
В производстве органических кислот — бензойной, лимонной,
щавелевой, муравьиной, хлоруксусной, пикриновой и многих других,
применение кварцевого стекла обеспечивает максимальную чистоту
получаемых продуктов и высокую производительность. То же самое
относится и к области органического синтеза, где для хлорирования,
гидрохлорирования, нитрации и других химических процессов ра-
ционально применять аппаратуру из кварцевого стекла.
В отдельных отраслях пищевой промышленности, близких по ха-
60
рактеру к химической, кварцевое стекло имеет преимущество перед
другими материалами, являясь полностью безвредным и не загряз-
няющим получаемые продукты. Пищевая промышленность предъяв-
ляет большой спрос на кислотоупорную аппаратуру, так как многие
пищевые производства связаны с достаточно сильно корродирующи-
ми средами—уксусной, лимонной, молочной кислотами, фруктовы-
ми соками и т. п.
На мыловаренных и гидрогенизационных заводах большое коли-
чество трубопроводов для жирных кислот и слабой серной кислоты,
а в фурфуроловых цехах—для паров и водных растворов фурфуро-
ла, муравьиной, уксусной и серной кислот выполняется из цветных
металлов. Замена этих трубопроводов кварцевыми позволит высво-
бодить значительное количество дефицитных металлов.
Применение в химической промышленности кварцевого стекла
для изготовления трубопроводов, запорной арматуры и различных
насосов является одной из важнейших задач на пути технического
прогресса в этой отрасли народного хозяйства.
2. Применение кварцевого стекла при тепловых процессах
Кварцевое стекло в связи с его огнеупорностью и термической
стойкостью, а также кислотоупорностью и высокими диэлектрически-
ми свойствами является хорошим конструктивным материалом для
изготовления изделий, работающих в условиях высоких температур.
Из кварцевого стекла вырабатываются чехлы для термопар м
трубы для печей сжигания, имеющих повсеместное распростране-
ние. Чехлы для термопар применяются в металлургии и машино-
строении для замера температуры расплавленных стали, чугуна,
цветных металлов, в соляных, свинцовых и масляных ваннах для
различных видов термической обработки.
Широко применяются кварцевые наконечники термопар быстрого
погружения для замера температуры жидкой стали, выдерживаю-
щие кратковременное погружение на 10—12 сек. при температуре
расплавленной стали 1700—1800°.
В большом количестве из этого стекла изготовляются муфели и
жаровые трубы газовых и электрических печей для термической об-
работки металлов, обжига керамических изделий, прокаливания
осадков и солей, возгонки цинка и т. п.
Благодаря кислотоупорности кварцевого стекла в печах можно
создавать искусственную атмосферу любого газа, что имеет большое
значение при термической обработке металлов, например, при обез-
углероживании, нитрации и других процессах. Газонепроницаемость
кварцевого стекла для большинства газов исключает возможность
разъедания ими металлического сопротивления в случае электриче-
ского нагрева муфелей.
Кварцевое стекло является особенно ценным материалом для из-
готовления корпусов индукционных печей высокой частоты для
плавки металлов, закалки и других целей в связи с его высокими
6L
электроизоляционными свойствами и ничтожными диэлектрическими
потерями.
Фарфор и другие керамические массы, применяемые для этих це-
лей, резко снижают свои электроизолирующие свойства при высокой
температуре и не выдерживают резких температурных перепадов.
Широко применяются вакуумные индукционные печи с корпусом
и тиглями из кварцевого стекла. Для наблюдения за процессом
плавки печи снабжаются смотровыми окнами из прозрачного квар-
цевого стекла.
Для аппаратуры с газовым подогревом применяются кварцевые
горелки. Горелки одного типа состоят из двух концентрических тру-
бок и работают под давлением, с образованием длинного пламени.
Горелки другого типа работают при невысоком давлении газа, не
превышающем 0,1 ат и, давая короткое интенсивное пламя темпера-
турой 1400—1440°.
Из кварцевого стекла с успехом могут изготовляться электропо-
догреватели мощностью от 1 до 25 кет для подогрева кислоты и
других жидкостей, путем непосредственного их погружения в жид-
кость. Подогреватели допускают плавное регулирование температу-
ры, занимают очень мало места и имеют чрезвычайно высокий
коэффициент полезного действия, доходящий до 85—90%.
Электроподогреватель состоит из двух концентрических кварце-
вых труб. На внутренней трубе помещается спиральное сопротивле-
ние из нихромовой, железной или константановой проволоки. Во из-
бежание смещения витков проволоки и образования короткого за-
мыкания поверхность внутренней трубы делается с нарезкой или
покрывается после намотки спирали термостойкой замазкой. Ниж-
ний конец наружной трубы запаивается. Сверху трубы закрыты
металлическим или пластмассовым колпаком с контактами, к кото-
рым с одной стороны присоединены концы спирали, а с другой —
электропровода от источника тока. Подогреватели монтируются в
сосудах при помощи замазки, на шлифе или зажимном фланце. По-
догреватели часто опускаются на дно или подвешиваются.
В металлургии применяются чаши из кварцевого стекла, тигли и
реторты для плавки и возгонки легкоплавких металлов — ртути,
цинка, олова, сурьмы, висмута, а также ванны для электролиза.
Кварцевые трубы широко используются при рафинировании в про-
изводстве алюминия и его сплавов для подачи хлора в расплавлен-
ный металл при температуре 740—760°.
Кварцевые трубы выдерживают 50—60 и более операций хлори-
рования.
Значительное место должно занять кварцевое стекло в стеклова-
рении. Огнеупоры, обычно применяющиеся для кладки стен ванных
печей — муллитовые, каолиновые, высокоглиноземистые и другие,
при растворении в стекле образуют грубые свили, пузыри, снижают
светопрозрачность стекла и придают ему окраску.
Проведенные в производственных условиях испытания бруса, из-
готовленного из непрозрачного кварцевого стекла, при варке боро-
62
силикатного стекла с высоким содержанием кремнезема в ванных
печах периодического действия и при варке стекла с содержанием
14—15% щелочных окислов в печах непрерывного проката, пока-
зали, что кварцевое стекло, как огнеупорный материал, для этих це-
лей имеет ряд преимуществ перед другими огнеупорами,
Обладая высокой огнеупорно-
стью и стеклоустойчивостью, квар-
цевый брус при растворении не об-
разует в стекле грубых свилей, кам-
ней и пузырей, не окрашивает,стек-
ло, что повышает его светопрозрач-
ность.
Вместе с тем, устранение неко-
торых дефектов в кварцевом стекло-
брусе (внутренние пустоты и щели),
наличие которых связано с несовер-
шенством технологического процес-
са его производства, а также сни-
жение стоимости будут способство-
вать внедрению такого бруса в сте-
кольную промышленность, что даст
большой технико-экономический эф-
фект. На рис. 28 показан кварцевый
стеклобрус производства завода име-
ни Ломоносова.
.При варке оптических и некото-
рых других специальных стекол
большое значение для повышения их
Рис. 28. Кварцевый стеклобрус
производства завода имени Ломо-
Носова.
качества имеет применение горшков из непрозрачного кварцевого
стекла емкостью 100—400 л, взамен шамотных.
3. Применение кварцевого стекла в электрорадиовакуумной
промышленности
В электрорадиовакуумной промышленности кварцевое стекло на-
ходит широкое и разнообразное применение. Современная электро-
радиовакуумная промышленность не располагает, за редким исклю-
чением, электроизоляционными материалами, полностью отвечаю-
щими требованиям, предъявляемым к ним в отношении электриче-
ских, термических, механических и других свойств. Подавляющее
большинство диэлектриков не обладает одновременно комплексом
этих свойств, в то время как это требование является решающим в
выборе диэлектрика для той или иной цели.
Особенно остро вопрос об электроизоляции стоит в областях
применения электрической энергии, связанных с высокими темпе-
ратурой, напряжением и частотой. Кварцевое стекло соответствует
всем этим требованиям. Высокая электрическая прочность и сопро-
6Х
тивление кварцевого стекла, сохраняющиеся при повышенной тем-
пературе, практическое отсутствие диэлектрических потерь, огне-
упорность, исключительная термическая стойкость и кислотоупор-
ность характеризуют его как лучший электроизоляционный мате-
риал.
Из конкретных примеров применения кварцевого стекла прежде
всего следует назвать изоляторы для электрических газоочиститель-
ных установок для очистки газов в химической и металлургической
промышленности. Изоляторы в этих установках работают в очень
тяжелых условиях, так как рабочее напряжение тока достигает
70 кв, а температура 500—600° при резких ее перепадах. Кроме то-
го, изоляторы подвержены действию химически активных газов, па-
ров и пыли. Единственно пригодным изолятором в этих условиях яв-
ляется кварцевое стекло. Из него изготовляются трубчатые изоля-
торы для подвески верхней рамы с коронирующими электродами,
муфты для изоляции от перекрытий, опорные и проходные изоля-
торы.
Высоковольтные изоляторы из кварцевого стекла обладают ду-
гостойкостью, в связи с этим применение его для изготовления пре-
дохранителей, выключателей, разрядников, разъединителей и дру-
гой аналогичной аппаратуры имеет значительные преимущества по
сравнению с применением фарфора, который трескается и разру-
шается при дуговом или искровом разряде.
Из кварцевого стекла вырабатываются проходные изоляторы для
ввода в здание линий электропередач, особенно на химических заво-
,дах, где важную роль играют негигроскопичность кварцевого стекла
и его устойчивость против влажной среды, содержащей химически
активные газы и пары.
Широкое применение получило кварцевое стекло для изготовле-
ния катодных изоляторов металлических ртутных выпрямителей. Из
него возможно также изготовление изоляторов запальных свечей
автомобильных и авиационных двигателей.
Применяемые в технике высоких частот для изготовления изо*
ляторов эбонит, обычное стекло, фибра, слю^да, миканит, фарфор,
карболит, пластические и керамические массы не удовлетворяют
всем требованиям, предъявляемым к высокочастотному изолятору.
Только кварцевое стекло, как материал, почти не имеющий ди-
электрических потерь во всем диапазоне применяемых коротких и
ультракоротких волн и температур, обладает высокими электроизо-
лирующими свойствами.
Для некоторых изделий кварцевое стекло является единственно
пригодным материалом. Из кварцевого стекла изготовляются раз-
личные детали переменных конденсаторов, остовы катушек самоин-
дукции, изоляторы для антенн, изоляторы, цоколи и панели катод-
ных ламп, изоляторы для прецизионной измерительной аппаратуры,
детали мощных генераторных ламп, изоляторы самого разнообраз-
ного профиля и размера для специальной высокочастотной аппара-
туры.
64
4. Применение кварцевого стекла в лаборатории
Кварцевое стекло широко применяется для изготовления лабо-
раторной посуды и аппаратуры. Лабораторная посуда, изготовляе-
мая из кварцевого стекла, с большим успехом заменяет платиновую
и значительно превосходит по своему качеству посуду, изготовлен-
ную из обычного лабораторного стекла, пирекса (стекла МКР-1)
и фарфора.
В кварцевой посуде выпариваются кислые и нейтральные жид-
кости, прокаливаются осадки, осуществляются всевозможные хими-
ческие реакции в кислых и нейтральных средах при высокой темпе-
ратуре.
Из кварцевого стекла изготовляются: трубки различного диамет-
ра — от 3 до 100 мм, тигли для сжигания в калориметрических бом-
бах, дилятометры разных конструкций, пикнометры, термометры
для измерения температур до 800°, стержни разнообразного профи-
ля и др.
Повсеместно в лабораториях применяется аппарат для дистил-
ляции воды и других жидкостей. Он состоит из перегонной колбы
емкостью до 2000 мл, в горло которой впаяна сетка или вложена
кварцевая вата для улавливания брызг. К колбе на шлифе присое-
динен холодильник, выполненный в виде змеевика, спирали или си-
стемы последовательно расположенных полых шариков, заключен-
ных в охлаждающую рубашку. Конденсат собирается в приемной
колбе, соединенной с холодильником. Такой перегонный аппарат,
выполненный из кварцевого стекла, допускает интенсивную перегон-
ку жидкостей любого состава.
Широко применяются сосуды Дьюара различной формы и сосу-
ды Вуда для спектроскопического анализа паров.
Благодаря применению кварцевого стекла научно-исследова-
тельские и заводские лаборатории получили возможность осущест-
вить и проверить ряд процессов. Так, например, имеются: прибор
для определения серы в пиритах и огарках, аппарат для определе-
ния серы и углерода в сталях и чугунах, аппарат для химического
микроанализа, дефлегматоры, облучательные аппараты, приборы
различной конструкции для исследования расплавленных солей, во-
дородные трубки с впаянными металлическими электродами, при-
боры для измерения потенциалов, хлорные установки для раство-
рения металлов, прибор для определения водорода в стали, лока-
лизаторы для ламп Кромайера, компенсаторы, бромоотделите-
ли, аппараты для хлорирования и гидрохлорирования, абсорбцион-
ные сосуды для паров, всевозможные вакуумные приборы, ртутные
диффузионные насосы и т. д. Все эти приборы из кварцевого стекла
способствуют развитию научно-исследовательских работ.
Лабораторные индукционные печи, работающие в высоком вакуу-
ме (10-5—10-6 мм рт. ст.), снабжаются корпусами из кварцевого
стекла.
5 Зак. 10 65
Прозрачное кварцевое стекло используется для изготовления
смотровых стекол к аппаратам, работающим при высоких давлении
и температуре, для индукционных печей и др.
Особую область применения кварцевого стекла, основанную
прежде всего на исключительно низком коэффициенте теплового
расширения и неизменяемости его под действием атмосферы, сос-
тавляют прецизионные и эталонные приборы: волномеры, гравимет-
ры, интерферометры, нерасстраивающиеся дальномеры, эталоны
длины, индукции, звука, маятники, точность колебаний которых в
вакууме составляет 10-7 сек., и др.
5. Применение кварцевого стекла для изготовления ламп
ультрафиолетового излучения
Как известно, ультрафиолетовые лучи оказывают исключитель-
ные биологическое и химическое действия, которыми широко поль-
зуются в медицине и, в меньшей степени, в химической промышлен-
ности.
В медицине ультрафиолетовые лучи применяются для лечения
различных заболеваний (фототерапия), а также с гигиеническими
и профилактическими целями, для дезинфекции и т. д.
Ультрафиолетовые лучи используются для стерилизации питьевой
воды, молока, растительных масел, мяса и др. Биологическое дей-
ствие ультрафиолетовых лучей должно сыграть большую роль в
сельском хозяйстве для улучшения семян и в животноводстве для
выращивания здорового молодняка и понижения смертности скота.
Значение ультрафиолетовых лучей в химической технологии
обусловливается тем, что ряд сложных химических реакций совер-
шается в природе под действием лучистой энергии; например, син-
тез разнообразнейших органических соединений из углекислоты,
происходящий в растениях.
Некоторые фотохимические процессы уже нашли применение в
химической промышленности; например, при получении хлороформа
и четыреххлористого углерода хлорированием метана, при хлориро-
вании толуола, разложении галоидосеребряных солей и в других
производствах. При проведении фотохимических процессов в про-
мышленном масштабе, ввиду трудности изготовления больших реак-
торов из кварцевого стекла, в металлические реакторы вставляются
иллюминаторы различной формы, через которые и производится
облучение.
Кроме того, из кварцевого стекла изготовляется целый ряд при-
боров и аппаратов, связанных с ультрафиолетовым излучением—
трубки для спектрального анализа, специальные гейслеровские
трубки, подводные разрядники, ультрафиолетовые фотоэлементы,
лабораторные сосуды для проведения фотохимических реакций
и т. п.
В последнее время все шире применяются приборы и аппараты
для исследования различных материалов и процессов методом ка-
тодной и ультрафиолетовой люминесценции.
66
Источником ультрафиолетовых лучей в настоящее время служат
исключительно ртутно-кварцевые лампы. Оболочка этих ламп изго-
товляется из прозрачного кварцевого стекла, которое является наи-
более совершенным и единственно пригодным материалом для этой
цели, благодаря его высокой прозрачности для ультрафиолетовых
лучей, тугоплавкости и термической стойкости.
Сейчас наибольшим распространением пользуются лампы сред-
него и высокого давления различной конструкции, работающие на
переменном токе.
Ртутно-кварцевые лампы обладают высоким коэффициентом по-
лезного действия и исключительной яркостью, достигающей 80000
стильбов, в то время как яркость обычных электрических ламп на-
каливания не превышает 2500—3000 стильбов.
Оптически прозрачное кварцевое стекло находит применение в
оптической и оптико-механической промышленности для изготовле-
ния линз и призм ответственных, в том числе и астрономических,
приборов, где необходима прозрачность для лучей с волнами всех
длин и оптическая однородность.
6. Ассортимент изделий, изготовляемых из кварцевого стекла
Ассортимент изделий, изготовляемых из кварцевого . стекла
отечественной промышленностью, в настоящее время достаточно
широк и разнообразен.
Большинство изделий выпускается в соответствии с действующи-
ми стандартами; на другие изделия имеются ведомственные техни-
ческие условия и нормали.
Кроме этого, большое количество различных приборов и аппа-
ратов изготовляется по чертежам и техническим условиям потреби-
телей.
Из прозрачного стекла изготовляются: стержни и трубы различ-
ных диаметров, химико-лабораторная посуда (рис. 29), приборы
и аппараты емкостью до 2 л (рис. 30), смотровые стекла разной
формы и размеров, заготовки деталей оптических приборов, изо-
ляторы и пористые фильтры.
Стержни и трубы выпускаются в соответствии с техническими
условиями, утвержденными МПСМ СССР. По ВТУ № 53 стерж-
ни изготовляется диаметром от 1 до 20 мм ж длюЫМЙЙвЬяш^От-
клонения в размерах диаметра не должны превышать 5—10%, а
кривизна не должна быть более 0,5%.
Трубы выпускаются с внутренним диаметром от 2 до 100 мм
при длине 1000 мм. Согласно действующим техническим условиям
(ВТУ № 59), они предназначаются для работы под давлением не
свыше 3 ати и при температуре не более 1000°. По требованию по-
требителей трубы могут изготовляться большей длины и с утол-
щенной стенкой для работы под давлением 10—15 ати. Трубы могут
поставляться с запаянными, оттянутыми или загнутыми концами, а
5* 67
также снабжаться фланцами, шаровыми, коническими или плоски-
ми шлифами.
Кривизна труб допускается в пределах 5 мм для первого сорта
и 8 мм для второго сорта.
Рис. 29. Образцы химико-лабораторной посулы из прозрачного стекла.
Рис. 30. Образцы аппаратов и приборов из прозрачного кварцевого
стекла.
Химико-лабораторная посуда. Тигли (согласно ГОСТ 6377—52)
изготовляются высокой и низкой формы, номинальной емкостью
5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 75 и 100 мл. При необходимости они мо-
68
гут снабжаться крышками. Толщина стенок тигля составляет
1,2+0,3 мм.
По ГОСТ 7300—54 выпускаются чаши полусферической формы
с плоским дном и носиком для слива жидкости. Стандартом пре-
дусматриваются чаши номинальной емкостью 15, 30, 50, 75, 100, 150
и 200 мл. Толщина стенок такая же, как и у тиглей.
В соответствии с ГОСТ 7382—55 выпускаются высокие и низкие
стаканы (с носиком и без носика для слива) следующей номиналь-
ной емкости: высокие—25, 50, 100, 150, 300, 400, 500 и 800 мл и
низкие—250, 300, 400, 600, 800, 1000 и 1500 мл.
По тому же стандарту изготовляются колбы следующего ассор-
тимента: круглодонные, узкогорлые с длинным горлом (номиналь-
ной емкостью 50, 100, 250, 500 и 1000 мл) и с коротким горлом
(номинальной емкостью 25, 50, 100, 250, 500, 750, 1000 и 1500 мл);
круглодонные широкогорлые с коротким горлом и отогнутыми края-
ми (номинальной емкостью 50, 100, 250, 500, 750, 1000 и 1500 мл);
плоскодонные узкогорлые с отогнутыми краями (номинальной ем-
костью 50, 100, 500, 1000 и 1500 мл) и широкогорлые (номинальной
емкостью 50, 100, 250, 500 и 1000 мл); конические узкогорлые (но-
минальной емкостью 50, 100, 250, 500, 750, 1000 и 1500 мл) и широ-
когорлые—той же номинальной емкости за исключением 1500 мл;
колбы для перегонки с нижней, средней или верхней отводной
трубкой (номинальной емкостью 50, 100, 250, 500, 750 и 1000 мл) и
грушевидные узкогорлые (номинальной емкостью 25, 50, 100, 250,
500 и 750 мл).
Реторты поставляются без тубуса (номинальной емкостью 100,
250, 500, 750 и 1000 мл) в соответствии с техническими условиями
(ВТУ № 57)'. Воронки изготовляются наружным диаметром 35, 45,
55, 70 и 100 мл, конусностью в 60° по техническим условиям (ВТУ
№56).
Толщина стенок реторт, стаканов и колб всех типов и размеров
колеблется в пределах 0,5—1,7 мм, а воронок—в пределах 1—2 мм.
Согласно стандартам и техническим условиям вся посуда и тру-
бы должны выдерживать испытания на химическую и термическую
стойкость. Потеря в весе при кипячении в течение трех часов в
серной кислоте уд. веса 1,84 и соляной кислоте уд. веса 1,19 не
должна превышать соответственно 0,3 и 0,45 мг на 1 дм2 поверх-
ности изделий.
Химическая посуда, предварительно нагретая до 800°, должна
выдерживать 20-кратное охлаждение в холодной воде до темпера-
туры 20°, а трубы—10-кратное. Стержни, нагретые до той же тем-
пературы, испытываются охлаждением на воздухе.
Химическая посуда, кроме того, испытывается на сопротивле-
ние самопроизвольной кристаллизации; при трехкратном охлажде-
нии на воздухе после нагрева до 1000° на изделии не должно появ-
ляться заметного на глаз помутнения.
Для приборов и аппаратов из прозрачного кварцевого стекла
изготовляются одноходовые краны (рис. 31), размеры которых при-
ведены в табл. 14.
69
о
•Таблица 14
Размеры нормальных одноходовых кранов из прозрачного кварцевого стекла
Условный проход, мм Размеры, мм
d ^2 1 /1 £ h а ь
ч *
1.5 ’ 1.5±0,25 9+1 6±1 38 25 5,5+0,5 1±0,2 80 30—37 6-9
2,5 2,5±0,25 11 + 1 7+1 43 28 7,5+0.5 1+0,2 100 34—42 7—10
4 4±0.5 14+1 8+1 55 36 9,5+1 1,25+0,25 120 44-54 9-13
6 6+0.5 17+2 10+2 65 42 11+1 1,25±0,25 120 51—63 10-15
8 8±0,5 20+2 12+2 75 50 12+1 1,5±0,25 120 60—75 12—18
10 10+1 25+2 14+2 85 56 15+1 2+0.5 150 68—84 14-20
15 15+1 35+3 20+2 105 70 22±1 2±0.5 180 85—105 17—25
20 20+1 48+3 23±2 125 82 28+1 2.5+0,5 200 100—120 20—30
Пробка крана выполняется полой; толщина стенки для кранов
с условным проходом до 4 мм составляет приблизительно 1,25 мм,
а для кранов с условным проходом выше 4 мм—2 мм.
Смотровые стекла изготовляются круглой формы диаметром до
200 мм и толщиной до 40 мм, а также любой другой формы, при
условии, что их размеры вписываются в круг диаметром 200 мм. В
отдельных случаях могут быть изготовлены путем сварки детали
большего размера.
Рис. 31. Нормальный одноходовой кран из прозрачного хвар*
-цевого стекла.
Количество мелких пузырей, не видимых невооруженным глазом,,
в стекле не нормируется.
Среднее количество более крупных пузырей составляет на 1 кг
изделий:
размером 0,3—0,7 мм—100—250 шт.
> 0,7—1,0 » — 10— 50 >
» 1,0—2,0 »— 5— 15 »
По двойному лучепреломлению отожженное стекло относится ко
второй категории; остальные оптические свойства для этого сорта
стекла не нормируются.
При определенных условиях может быть получено стекло для
оптических целей в заготовках весом до 1—2 кг. В соответствии с
ГОСТ 3514—47 это стекло по оптической однородности в рабочем
направлении и двойному лучепреломлению относится ко второй ка-
тегории, по количеству пузырей—ко второй—третьей категории, по
бессвильности в рабочем направлении—к третьей категории и по
размеру пузырей—к пятой категории.
На рис. 32 показаны образцы изделий из оптического кварце-
вого стекла.
Плоские пористые фильтры разных номеров выпускаются диа-
метром до 100 мм и цилиндрические—диаметром до 60 мм при дли-
не до 500 мм.
71
Из непрозрачного кварцевого стекла изготовляются: трубки ди-
аметром от 1 до 50 мм, трубы и фасонные части трубопроводов ди-
аметром от 60 мм, сосуды различной формы, реакционная и пере-
гонная химическая аппаратура, ванны и чаши, изоляторы, стекло-
брус, плиты и футеровочная плитка, змеевики.
Рис. 32. Образцы изделий из оптического кварцевого стекла.
Трубки в соответствии с техническими условиями (ВТУ № 51 и
52) изготовляются внутренним диаметром от 1 до 50 мм, с шерохо-
ватой и оплавленной наружной поверхностью. Длина трубок зависит
от диаметра и колеблется от 1 до 3 м. Кривизна трубок не должна
превышать 1%.
По требованию потребителей трубки изготовляются с фланцами,
коническими или шаровыми шлифами, с запаянными, оттянутыми
или загнутыми концами.
Трубы и фасонные части трубопроводов согласно техническим
условиям (ВТУ № 54) выпускаются диаметром от 60 до 500 мм при
длине не более 1500 мм. В отдельных случаях при изготовлении
трубчатой аппаратуры (абсорберы и др.) трубы могут иметь длину
до 2500 мм.
При диаметре от 60 до 200 мм детали трубопроводов могут изго-
товляться как с раструбами, так и с приварными плоскими флан-
цами, а свыше 200 мм—только с раструбами.
Толщина стенки трубопроводов по этим техническим условиям
должна составлять при диаметре:
60—100 мм.........5—12 мм
100—250 » . .........8—15 »
250—400 ............. 8—20 »
400—500 .............10—25 „
72
На рис. 33 показан опытный образец пробкового крана из не-
прозрачного кварцевого стекла с условным проходом 80 мм.
Сосуды различной формы, реакционная и перегонная аппаоату-
ра по тем же техническим усло-
виям выпускаются емкостью от 3
до 150 л. В настоящее время
осваивается производство цилин-
дрических сосудов емкостью до
400 л.
Аппараты рассчитаны на ра-
боту под вакуумом и под давле-
нием до 2—3' ати, снабжаются
крышками, штуцерами, патруб-
ками, смотровыми стеклами, ме-
шалками и другими устройства-
ми, определяемыми требования
ми технологического процесса.
Рис. 33. Опытный образец пробкового
крана из непрозрачного кварцевого
стекла с условным проходом 80 мм.
пределах:
. . 2—10 мм
. . 5—12 >
. . 10—18 »
. . 10—20 »
. . 12—25 »
Толщина стенки изделий мо-
жет колебаться в зависимости от
диаметра или ширины изделия в следующих
при диаметре или ширине 60—100 мм .
» » » » 100—150 »
> » » » 150—250 »
» » » » 250—400 »
> » » » 400—600 »
Форма, конструкция и размеры отдельных изделий, допускаемые*
отклонения в размерах, характер и чистота обработки, требования к
сварным швам и другие показатели устанавливаются чертежами по-
требителей, согласованными с заводом-изготовителем.
Чаши и ванны изготовляются емкостью 1, 3, 5, 10 и 25 л, их;
форма и размеры уточняются при заказе.
Толщина стенки должна составлять при емкости:
1л............................ 2,5 мм
3 „............................ 3-8 ,
5 „............................ 4—10 .
10 ........................ 5—15 „
25 ............................ 8-20 ,,
Все эти изделия выпускаются двух сортов, отличающихся друг'
от друга дефектами по внешнему виду.
Кварцевое стекло для изготовления изделий должно выдержи-
вать испытание на химическую стойкость, заключающееся в трех-
часовом кипячении в серной кислоте уд. веса 1,84 и в соляной кис-
лоте уд. веса 1,19. При этом потери не должны превышать соответ-
ственно 1,5 и 2,0 мг на 100 см2 поверхности.
Методы испытаний на термическую стойкость и механическую
прочность определяются в каждом отдельном случае.
Изоляторы могут быть изготовлены различной формы диамет-
ром до 300 мм и длиной до 1000 мм. При простой форме они могут
73>
быть отшлифованы по наружной поверхности, а в отдельных слу-
чаях и по внутренней.
Стеклобрус поставляется шириной 250 мм, толщиной 100 мм с
длиной 600, 800 и 1000 мм. Для каждого бруса допустима разно-
толшинность (клин) до 2 мм; практически она значительно мень-
ше и составляет 0,3—0,5 мм. На одной трети поверхности бруса
допустима чешуйчатость глубиной до 3 мм и отдельные мелкие
сколы на ребрах.
Плиты могут быть изготовлены размером до 0,3 м2 при толщи-
не 15—40 мм; их поверхность обрабатывается шлифовальным кру-
гом с разной чистотой. Футеровочная плитка выпускается различ-
ных размеров и толщиной 15—25 мм.
Таблица 15
Стоимость изделий из кварцевого стекла
Наименование изделий
Змеевики из кварцевого
стекла намечено выпускать
диаметром до 500 мм из
трубки диаметром 30—40 мм.
Отдельные секции змееви-
ков, длиной 3—5 м каждая,
свариваются между собой
встык.
Стоимость изделий из
кварцевого стекла пока еще
достаточно высока и это в
первую очередь объясняется
незначительным масштабом
производства, являющимся
в основном индивидуальным
и мелкосерийным, а также
несовершенством технологи-
ческих процессов производ-
прозрачного стекла усугубляется еще
Средняя
стои-
мость 1 кг
изделий,
руб.
Кварцевый стеклобрус ....
Аппаратура из непрозрачного
стекла ....................
Трубы из прозрачного стекла .
Химическая посуда из прозрач-
ного стекла ...............
Приборы из прозрачного стек-
ла ......................
Смотровые стекла из высоко-
прозрачного стекла ....
ства. Стоимость изделий из
высокой стоимостью сырья—горного хрусталя, а также водорода
и кислорода, применяемых в производстве этого стекла.
Средняя стоимость 1 кг изделий из кварцевого стекла приведена
в табл. 15.
9
32
250
530
670
2600
ГЛАВА V
ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ СОЕДИНЕНИЙ ДЕТАЛЕЙ
ИЗ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА
Внедрение кварцевой аппаратуры и трубопроводов в промыш-
ленности в большей степени определяется степенью разработанно-
сти конструкций соединений деталей из кварцевого стекла, обеспе-
чивающих удобство при монтаже и надежную эксплуатацию.
Наиболее распространенными являются следующие типы сое-
динений: раструбное, фланцевое и муфтовое.
Раструбное соединение, уплотняемое замазкой, состав которой
зависит от среды и температуры, хорошо проверено в производст-
71
вецных условиях для аппаратуры диаметром до 600—700 мм, рабо-
тающей под низким давлением или с небольшим разрежением.
Раструб легко выполняется при формовании изделия, не требу-
ет никаких дополнительных операций, что делает это соединение
очень простым, дешевым и применимым для деталей большого раз-
мера.
Как правило, раструб должен располагаться горизонтально,
причем между торцами соединенных деталей должен оставаться
зазор 3—5 мм. Уплотняемый зазор между боковыми поверхностями
деталей должен составлять от 10 до 25 мм, в зависимости от их
диаметра.
Для температур ниже 80—100° применяется органическая за-
мазка, состоящая из битума или пека и пудры кварцевого стекла
в качестве наполнителя; соотйошение битума (пека) и пудры со-
ставляет примерно 1,1 —1,5. Эта замазка обладает высокой кисло-
тоупорностью и обеспечивает герметичность уплотнения благодаря
хорошему сцеплению замазки со стенками аппаратуры.
Если аппаратура орошается водой, то замазка наносится под
некоторым углом для того, чтобы вода не могла застаиваться в рас-
трубе; кроме того, соединение аккуратно промазывается сверху
чистым битумом или пеком для большей герметичности и образова-
ния гладкой поверхности, способствующей лучшему стоку воды.
При температуре от 100 до 600° применяется замазка, состоя-
щая из жидкого стекла (водный раствор силиката натрия) и квар-
цевой пудры. Жидкое стекло должно иметь модуль 2,6—3, а пудра
должна быть, по возможности, более тонкой и проходить через си-
то 10 000 отв. на 1 см2. На 1 кг кварцевой пудры расходуется
200 см3 жидкого стекла.
Получаемая замазка является достаточно термостойкой и очень
кислотоупорной. Так, потеря при кипячении в 20 %-ной соляной кис-
лоте не превышает 4—6 кг/м2 за 6 часов. Предел прочности за-
мазки на разрыв составляет 20—30 кг/см2.
Замазки, приготовленные на жидком стекле с меньшим моду-
лем, в 4—5 раз менее кислотоупорны, а замазки с жидким стек-
лом более высокого модуля, не повышающие заметно своей кисло-
тоупорности, плохо схватываются со стенками аппаратуры и имеют
большую усадку.
Замазка на жидком стекле при обычной температуре схваты-
вается и твердеет сравнительно медленно, в связи с чем для уско-
рения ее твердения можно рекомендовать добавку кремнефтористо-
го натрия в количестве 4—5% от веса кварцевой пудры или подо-
грев раструба до 80—100°.
Кремнефтористый натрий ускоряет процесс твердения замазки,
вступая в химическое взаимодействие с жидким стеклом. При этом
выделяется гель кремневой кислоты и нейтрализуется щелочь, обра-
зующаяся при гидролизе жидкого стекла.
Однако следует иметь ввиду, что оба способа ускорения тверде-
ния несколько понижают качество замазки, делая ее пористой, уве-
75
личивая усадку и уменьшая, таким образом, герметичность соеди-
нения. Кроме того, добавка кремнефтористого натрия понижает
кислотоупорность замазки в 2—3 раза.
Замазка при твердении дает усадку, что может привести к поя в
лению трещин, крупных пор и к отставанию от стенок аппаратур^-
Для уменьшения усадки замазку следует наносить несколькими по-
следовательными тонкими слоями, тщательно уплотняя ее вручную
деревянным шпателем или электромагнитным вибратором. Для
лучшего сцепления замазки со стенками аппаратуры гладкие оплав-
ленные поверхности следует обрабатывать на пескоструйном аппа-
рате, а затем всю поверхность, соприкасающуюся с замазкой, про-
мазывать жидкой замазкой того же состава. Для большей герметич-
ности промазка соединения рекомендуется и после нанесения ос-
новного слоя замазки.
Ввиду того, что установки из кварцевого стекла могут устанав-
ливаться на открытом воздухе или орошаться водой (холодильники,
абсорберы и др.), силикатную замазку необходимо предохранять от
растворяющего действия атмосферных осадков или охлаждающей
воды слоем органической замазки. В этом случае уплотнение яв-
ляется комбинированным.
На рис. 34 показаны три варианта уплотнений раструбного сое-
динения—на органической и силикатной замазках и комбинирован-
ное уплотнение. Известен также ряд других замазок и уплотнении
для кварцевой аппаратуры.
Рис. 34. Уплотнение раструбного соединения: а) на органиче-
ской замазке; б) на силикатной замазке; в) комбинированное
уплотнение: 1—битум или пек; 2 — органическая замазка;
3—асбестовый шнур; 4—жидкая силикатная замазка; 5—ос-
новная силикатная замазка.
В качестве пластической незатвердевающей замазки, обеспечи-
вающей гибкое соединение деталей, может быть рекомендована за-
мазка, состоящая из 48 вес. частей асбестового волокна, 20 вес. ча-
стей сернокислого бария или каолина и 23 вес. частей олифы.
Вполне оправдало себя в качестве гибкого соединения уплотнение
ватой из кварцевого стекла с покрытием сверху тонким слоем сили-
катной замазки указанного выше состава.
Для соединений трубопроводов и аппаратуры, имеющих дело с
керосином и бензином, а также всеми кислотами (за исключением
76
крепкой серной кислоты), рекомендуется замазка, состоящая из 40
вес. частей фенола, 10 вес. частей ацетатцеллюлозы, 10 вес. частей
параформальдегида и 3 вес. частей диметиланилина.
Замазки наносятся на слой асбестового шнура, закладываемого
8 раструб, причем во всех случаях, когда позволяют температурные
условия, следует пользоваться пластическими замазками, дающими
гибкое соединение, обеспечивающее целость аппаратуры при темпе-
ратурных деформациях металлических опорных конструкций.
Из соединений, обеспечивающих надежное уплотнение, следует
указать прежде всего на конические шлифы, применяемые для де-
талей диаметром до 80 мм. Шлифы диаметром до 50 мм изготов-
ляются с конусностью 1 : 10, шлифы большего диаметра—с конус-
ностью 1 :5. Шлифы диаметром свыше 50 мм с конусностью 1: 10
Рис. 35. Фланцевое соединение с арматурой конструкции С. А. Ляуса.
не применяются, так как у больших шлифов с малой конусностью
механическая нагрузка может превзойти предел прочности стекла,
и шлиф разрушится; кроме того, в таких шлифах возможно закли-
нивание.
Шлифы могут смазываться или рабочей жидкостью или, в слу-
чае высокого вакуума, специальной смазкой, причем последняя на-
носится только на верхнюю половину шлифа для того, чтобы пары
смазки не могли проникнуть через несмазанную часть в вакууми-
руемое пространство.
Фланцевое соединение применяется для деталей размером до
300—400 мм, работающих как под давлением, так и под вакуумом.
В связи с тем, что изготовление фланца одновременно с формова-
нием изделия невозможно, они делаются приварными.
Для труб диаметром до 70—80 мм фланцы вытачиваются из
Цилиндрического блока стекла с хвостовиком и привариваются к
тРубс с тем, чтобы изгибающие усилия при стягивании не приходи-
лись на сварной шов, ослабленный сварочными напряжениями.
Для скрепления деталей может быть применена различная ар-
77
Рис, 36. Фланцевое соединение с арматурой из полуколец.
матура. Па рис. 35 показано фланцевое соединение трубопровода'
диаметром 40 мм с арматурой конструкции С. А. Ляуса. Арматура
состоит из двух стальных полуколец /, стягиваемых четырьмя бол-
тами 2. Для того, чтобы полукольца не раскрывались и не смеща-
лись при стягивании, они скрепляются двумя специальными шай-
бами 3, имеющими кольцевой стопор, входящий своим выступом в
заточку. Между фланцами ставится уплотняющая прокладка 4, а
под полукольца—смягчающая прокладка 5.
Другой вид арматуры, показанный на рис. 36, применяется для
деталей диаметром до 300—400 мм. Эта арматура, так же как и в
предыдущем случае, состоит из двух полуколец /, скрепляемых,
кольцом 2 и сжимаемых
болтами 3. Между флан-
цами и под полукольца
ставятся соответствующие
прокладки 4 и 5.
Сопряжением, обеспе-
чивающим известную гиб-
кость и допускающим
возможность некоторого
относительного поворота
соединяемых деталей, является соединение на сферических (шаро-
вых) шлифах. Это соединение удобно в монтаже и надежно в эк-
сплуатации. Оно с успехом применяется для трубопроводов с внут-
ренним диаметром до 50 мм.
На рис. 37 и в табл. 16 приведены размеры нормальных шаро-
вых шлифов, применяемых в промышленности.
Рис. 37. Нормальный шаровой шлиф.
Таблица 16
Размеры нормальных шаровых шлифов
Размеры №№ шлифов
1 2 3 1 1 4 5 6 7
d 20 25 30 35 40 45 50
D 39 44 53 62 70 79 88
нг 23 29 35 40 46 52 58
Нг 15 19 23 26 30 34 38
45 55 65 75 85 95 100
Шлифы стягиваются хомутами или с помощью сферической ме-
таллической муфты с нажимным винтом. Уплотнение достигается
прокладкой или применением специальной смазки.
Муфтовое соединение показано на рис. 38. Оно состоит из рас-
порной муфты 1, двух резиновых прокладок 2 и нажимных флан-
цев 3, стягиваемых болтами 4. Для обеспечения плотности соедине-
ния поверхность концов труб должна быть обработана на кругло-
шлифовальном станке.
Распорная муфта может быть изготовлена из стали или чугуна
с последующим покрытием поверхности кислотоупорным лаком, а
также и из пластмассы. В ответственных случаях, связанных с очень
79
грессивной химической средой и высокой температурой, распорные
уфты изготовляются из кварцевого стекла, а прокладки выполня-
тся из асбестового шнура, обмотанного лентой специального кис-
отоупорного материала.
Рис 38. Муфтовое соединение.
Муфтовое соединение является очень удобным и нетрудоемким в
зготовлении, и может быть широко рекомендовано для применения
химической, пищевой промышленности и в ряде других произ-
здств.
ЛИТЕРАТУРА
1 С. П. Г л а г о л е в. Кварцевое стекло, его свойства, производство и при-
енение. Госхимтехиздат, 1934.
2. Л. Я- Марковский, Д. Л. Оршанский и В. П. П р я и и ш н и-
о в. Химическая электротермия. Госхимиздат, 1953.
3. В. П. Прянишников и Л . В. Пурин. Производство кварцевого
^екла. Промстройиздат, 1949.
4. Ф. А. К у р л я н к и и. Влияние давления на обеспузырпвание кварцево-
) стекла во время плавки. «Стекло и керамика», 1951, № 12, стр. 13.
5. В. П. Прянишников. Вонг-осы производства кварцевого стекла.
Стекло и керамика», 1954, № 9, стр. 15.
6. В. П. П р я н и ш н и к о в. Трубопроводы и аппаратура из кварцевого
текла. «Химическая промышленность». 1954, № 1, стр. 15.
7. К. Г. Бондарев. Плавленый кварц — новый огнеупор для стеколь-
ой промышленности. «Стекло и керамика-, 1954, № 10, стр. 24.
)4 7 Н- Н. Р ы к а л и н. Тепловые основы сварки. Изд. Академии наук СССР,
948* Н’ О* О к е р б л о м. Сварочные деформации и напряжения. Машгиз,
10. В. П. Прянишников. Г:ро1^г«?дство кварцевого jjfftKjoбруса. «Стек-
э и керамика», 1955, № 5, стр. 12. -
ИМЕЮТСЯ В ПРОДАЖЕ КНИГИ
Безбородов М. А. и П е т р о в Л. К. Д И. Виноградов—выдающий-
ся керамик XVII! века. Промстройиздат, 1953, 87 cip., и. I р. 50 к.
Баринов II. А., Волков В. И. Производство чугунных отопитель-
ных радиаторов. Промстройиздат. 1952, 203 стр., ц. 7 р. 65 к.
Б и и ь И. И. Борьба с потерями в производстве оконного стекла. Второе,
исправленное и дополненное издание. Промстройиздат, 1952, 159 стр.,
ц. 6 р. 20 к.
Б о г а н о в А. И. Механическое оборудование цементных заводов. Вто-
рое, переработанное и дополненное издание. Учебник для техникумов.
Промстройиздат, 1955, 292 стр., ц. 10 р. 20 к.
Будников П. П., 3 н а ч к о-Я в о р с к и й И. Л. Гранулированные
доменные шлаки и шлаковые цементы. Промстройиздат, 1953, 223 стр.,
ц. 8 р. 30 к.
Взрывные работы (сборник статей). Промстройиздат, 1954 , 82 стр.,
ц. 2 р. 50 к.
Воробьев В. А. Лабораторный практикум по общему курсу строи-
тельных материалов. Учебное пособие для инженерно-строительных
институтов и факулыеюв. Промстройиздат, 1955, 295 стр., ц. 7 р. 80 к.
Действие взрыва в грунте и расчет зарядов (сборник статей). Промстрой-
издат, 1954, 128 стр., ц. 3 р. 75 к.
Дудеров Г. Н. Практикум по технологии керамики и огнеупоров.
Второе, переработанное и дополненное издание. Учебное пособие для
технологических вузов и факультетов. Промстройиздат, 1953, 383 стр.,
. ц. 10 руб.
Со л инов Ф. Г. Выработка листового стекла машинами вертикального
вытягивания. Промстройиздат, 1952, 94 стр., ц. 3 руб.
ВПИИС. Труды, выпуск 32. Экспериментально-исследовательские работы
в области производства строительного и технического стекла. Пром-
стройиздат, 1953, 132 стр., п. 4 р. 60 к.
ВПИИС. Труды, выпуск 33. Работы по исследованию физико-химических
и физических свойств стекла и огнеупоров. Промстройиздат, 1953,
126 стр., и. 4 р. 25 к.
Ш л а й н И. Б. Минеральное сырье для стекловарения. Промстройиздат,
1955, 274 стр., ц. 10 р. 35 к.
НОВАТОРЫ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Больше цемента Советской Родине (из опыта работы Грузинского цемент-
ного завода нм. И. В. Сталина). Промстройиздат, 1954, 89 стр.,
ц. 1 р. 70 к.
Б у т т Л. М. Продление межремонтного периода службы ванных стекло-
варенных печей (из опыта работы Гомельского стекольного завода
им. И. В. Сталина). Промстройиздат, 1954, 43 стр., и. 90 коп.
За высокое качество стекла (из опыта работы коллектива комбината
«Ярваканди»). Промстройиздат, 1954, 47 стр., ц. 85 коп.
Передовые приемы ведения горных работ. Новое на карьерах цементной
промышленности. Промстройиздат, 1955, 78 стр., п. 1 р. 40 к.
Увеличим выпуск полированного стекла. Промстройиздат, 1954, 65 стр.,
ц. 1 р. 05 к.
ПЛАКАТЫ
НОВАТОРЫ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Опыт работы Александры Астаховой по полировке листового стекла на
станках 4-ПС. Промстройиздат, 1954, ц. 2 руб.
Цена 2 p 75 K.
карьерах промышленное ги
3 руо
ii. 7 p. 50 i
ПОСТУПЯТ В ПРОДАЖУ КНИГИ
ПРОМСТРОЙИЗДАТА
Торопов II А. Химия цемента, ц. 9 руб.
А н и к е е в II Я Гидромеханизация на
строительных материалов, ц. 8 рус.
£)Л?,?'ВИЧ £ Л- Производство автоизоляторов, ц
ВпИИСтекло. Сборник трудов, выпуск XXXVI ц 4 о 50 к
ЛеВм" Х‘ Организац1|я ^‘Работной платы, ц. 10 р’ 5П к
пни!' "М-‘ Ме" ie,iee~ СбоРник трудов, выпуск XXI, ц. 7 р 50 .
НИИстроикерамика. Сборник трудов, выпуск XI. ц 8 руб
Новосельский II. Л. Строительные плиты из органического волок-
на, ц. 13 р. 50 к.
П ” L£’..* 5)борУдовани‘>- приборы и арматура систем цен-
....
и др. Взрывные ра-
трального отопления и вентиляции, ц. 13 р. 50
П а п о р о т с к и й Л. А., Покровский Г И
боты. Сборник статей № 3, ц. 5 р. 50 к.
Прянишников В. И. Кварцевое стекло, ц. 2 р. 50 к.
Ф и в и ппова С. В Архитектурная майолика, ц. 5 руб.
ОБМЕН ОПЫТОМ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
БулкинА. Г., П р о и и ш и и В. Д. Больше дешевой, прочной и кра-
сивой черепицы (из практики работы Львовского заво ia е че г
песчаной черепицы), ц. 1 р. 40 к.
Ванина Л. И. Роль лаборатории на цементном заводе (из ц»лктнкп
работы завода «Октябрь»), ц. 70 коп
Гарбузова Т. В., Диль A. II. В борьбе за использование резервов
производства при обжиге клинкера (опыт работы । те й шг.тди
цементного заво in Октябрь ), ц. 70 коп.
Лобанов А. II., Е ф н м о в А. Е. Производство керамических камней
на Черемушкинском кирпичном заводе, ц. 1 р. 05 к.
М а х и о в е ц к и й М С., Обухов В. AI Автоматическое регулиро-
вание и тепловой контроль в производстве листового стекла (из прак-
тики работы стек к завода нм Дзержинского), ц 2 р. 10 к
Потапов М. Г. Керамические рамки для сушки черепицы (из прак-
тики Бучапского кирпичного завода № 4) ц. 35 коп
Простяков II. М, Сорокин Е. 1. Отливка канализационных труб
центробежным способом (из практики работы 1ппецкого заводаh
ц I р. 05 к.
С а т а р и п В. II Производство цемента в Польской народной респуб-
лике, ц. 2 руб.
Уманский Н. Л. Конвейерная машина для производства цементно-
песчаной черепицы, ц. 1 р. 25 к
Э л ь к и н с о и Р. 3., Т а у б М. Л. Рационализация производства на
Куйбышевском заводе строительной керамики, ц. 1 р. 05 к
ПЕРЕЧИСЛЕННЫЕ КНИГИ И ПЛАКАТЫ ПРОДАЮТСЯ В МАГАЗИНАХ КНИГО-
ТОРГОВ, А ТАКЖЕ ВЫСЫЛАЮТСЯ НАЛОЖЕННЫМ ПЛАТЕЖОМ ОТДЕЛАМИ
„КНИГА ПОЧТОЙ- РЕСПУБЛИКАНСКИХ, КРЧЕВЫХ И ОБЛАСТНЫХ
КНИГОТОРГОВ.
При отсутствии книг и плакатов в местных книжных магазинах
заказы следует направлять по адресам:
Москва, Сюлсшпнков пер., д. 14, магааин № 77 Москниго орга,
Москва, Петровка 15, магавин № 8 Москнигоюрга,
Москва, Дьякоеский пер., д. 4, Промстроиивдат.
В.П ПРЯНИШНИКОВ
арцсвис
П РО ЛАСТРО Й И ЗДАТ
19^6