Разработка новых видов глушеных и мраморовидных стекол на основе нетрадиционных добавок

Одной из важнейших задач для осуществления экономической реформы в строительстве является развитие отечественного производства эффективных строительных материалов на основе гармоничной и сбалансированной деятельности по отношению к окружающей среде.

Это предопределяет новый подход к созданию производства и применению строительных материалов различного функционального назначения.

Возрастающий спрос и дефицитность природных отделочных материалов обусловили необходимость разработки и производства конкурентоспособных искусственных облицовочных и отделочных материалов, в том числе, на основе стекла, включая глушеное стекло.

Несмотря на достигнутые в последние годы успехи в получении новых видов отделочных материалов из стекла, проблема разработки технологических составов глушеных стекол, обеспечивающих высокую степень глушения в сочетании с низкими температурами варки и выработки и не содержащих токсичные дефицитные дорогостоящие катализаторы глушения, продолжает оставаться нерешенной.

Остается также актуальным вопрос о совершенствовании технологического процесса производства листового глушеного стекла, включая разработку более эффективных высокопроизводительных и механизированных способов производства, в частности, на расплаве металла, позволяющих повысить качество архитектурно-строительного стекла, его эксплуатационные свойства и ассортимент.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что разработка технологического состава листового глушеного флоат-стекла архитектурно-строительного назначения на базе использования нетоксичных и недефицитных добавок является одной из актуальнейших проблем.

В связи с этим цель настоящей работы заключалась в установлении физико-химических закономерностей технологии формирования структуры и свойств глушеных стекол Иа20 — СаО — БЮ2 системы при использовании нетрадиционных для стекловарения добавокпорошков металлов и синтез на их основе глушеных материалов, имитирующих природный мрамор, яшму.

Данная работа выполнена в соответствии с комплексной программой «Расширение производства новых эффективных материалов и энергосберегающих технологий в строительстве на 1998;2001 годы» (Постановление губернатора Саратовской области № 346 от 02.06.1998 г.).

Для достижения поставленной цели были сформированы следующие задачи исследования:

• изучение процессов структурообразования (глушения) стекол и возможности направленного их регулирования;

• исследование влияния вида и концентрации модифицирующих добавок на процесс глушения, структурообразованиятехнологические и физико-химические свойства стекла;

• изучение влияния химического состава стекла и технологических особенностей синтеза на глушащие технологические, физико-химические и эксплуатационные свойства разрабатываемого материала;

• разработка технологического состава и технологических параметров синтеза и структурообразования листовых глушеных стекол, применительно к высокопроизводительным методам производства, в частности, флоат-процессуапробация состава и технологических параметров в условиях опытно-промышленного производства.

Научная новизна работы заключается в том, что автором впервые исследованы глушащие, кристаллизационные, варочно-выработочные и физико-химические свойства стекла Ыа20 — СаО — 8Ю2-. состава с применением эффективных нетрадиционных для стекловарения модифицирующих добавок — порошков металлов алюминия и цинкаопределено содержание модифицирующих добавок в шихте листового стеклаустановлена их роль и влияние на технологические свойства стекломассы и степень ее глушенияс помощью прецизионных методов анализа доказано, что глушение носит смешанный характер (ликвация и кристаллизация) и, в основном, связано с процессом сульфидирования, в частности, образованием сульфида цинкаустановлено, что степень и характер глушения зависят от окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) шихты и расплава стекломассы, технологических условий шихтоподготовки, синтеза и формования стеклапоказано, что металлические порошки алюминия необходимы для создания термодинамически выгодных условий сульфидирования, увеличения ОВП шихты и сульфидного уровня расплава;

• доказано, что вводимый металлический порошковый цинк сохраняет восстановительную активность металлического алюминия, тем самым увеличивая сульфидный уровень расплава и, обладая повышенным сродством к сере, удерживает ее в расплаве стекломассы, не позволяя улетучиваться и окисляться, связывая сульфидную серу в прочную связь — сульфид цинка, который далее при определенных температурах выработки придает декоративные свойства материалу.

Новизна технических решений, положенных в основу исследований, защищена двумя патентами.

Практическая значимость работы. На основе установленных закономерностей формирования структуры материала разработаны рекомендации по составу и технологическим параметрам производства листового глушеного стекла, для получения архитектурно-строительных материалов, имитирующих природный мрамор, яшму и превосходящих их по физико-химическим характеристикам, но значительно уступающим по стоимости.

Показано, что разработанный состав, не содержащий токсичных глушителей, обеспечивает высокие глушащие свойства в сочетании с низкими температурами варки и выработки и может быть реализован на высокопроизводительных линиях, в частности, на расплаве металла.

Разработанный состав глушеного стекла возможен к реализации всеми существующими методами выработки: прессование, выдувание, прокат, флоат.

Доказана возможность использования в технологическом процессе в качестве модифицирующих добавок — порошков металлов, что приводит к формированию структуры, снижает температуры варки и выработки стекломассы, а также снимает экологическую напряженность при производстве глушеных стекол.

Осуществлена опытно-промышленная апробация результатов исследований в условиях производства на флоат линии ОАО СИС.

Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения результатов работы составит для одной линии по производству декоративного глушеного флоат стекла 19,32 млн руб. в ценах 2000 г. (при объеме выпуска 100 тыс. м2 в год).

Апробация. Результаты работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях в ОАО «Государственный институт стекла» (г. Москва) — 1985 — 1987 гг.- в ОАО «Саратовский институт стекла» (г. Саратов) — 1984 — 1986, 1999 — 2000 гг.- в Саратовском государственном техническом университете (г. Саратов) — 1999 — 2000 гг.- на заседании клуба производителей и переработчиков листового стекла СНГ (г. Саратов) — 1998 г., на Международной конференции «Стеклотара — XXI век» (Гусь — Хрустальный) — 2000 г.

Публикации. По теме диссертационной работы получено два патента РФ № 1 594 848 от 30.03. 88 г. (Способ получения стекла) и 2 154 034 от 2.08.2000 г. (Способ получения декоративного листового стекла), опубликовано 5 статей и подано 7 заявок на изобретение.

Образцы глушеных стекол демонстрировались на 2-ой Международной выставке «Мир стекла» (г. Москва) 2000 г.- Межрегиональной выставке (г. Нижний Новгород) 2000 г, на 16-ой Международной выставке по стеклу «Glasstec — 2000» 2000 г. (г. Дюссельдорф, Германия).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Получен новый вид архитектурно-строительного материала /для флоаг-лимйи — листовое глушеное стекло «Декорит», имитирующее природный мрамор, яшму, и соответствующее по эксплуатационным характеристикам облицовочным материалам из стекла.

2. Впервые разработан состав листового г лущеного стекла, сочетающий высокую скорость глушения с низкими температурами варки и выработки без применения токсичных и дефицитных соединений-глушителей.

3. Впервые проведены исследования по установлению физико-химических закономерностей технологии формирования структуры и свойств глушеных стекол Ма20"Са0~ 8Ю2 — системы при использовании нетрадиционных добавок — порошков металлов алюминия и цинка и синтез на их основе глушеных материалов архитектурно-строительного назначения.

4. С помощью прецизионных методов анализа, (электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ и т. д.) изучен механизм глушения стекол разработанного состава. Доказано, что глушение носит смешанный характер — ликвация и кристаллизация, и в основном, связано с образованием сернистых соединений цинка.

5. Определена роль металлических порошков и их влияние на степень глушения стекломассы. Установлено, что.

• металлический порошковый алюминий создает термодинамически выгодные условия сульфидирования, увеличивает ОВП шихты и сульфидный уровень расплавапри этом доказано, что гранулометрический состав порошкового алюминия принципиально влияет на ОВП шихтые вводимый в качестве второй модифицирующей добавки порошковый металлический цинк поддерживает восстановительную активность металлического алюминия и увеличивает сульфидный уровень расплава, связывая сер}/ в прочную связь — сульфид цинка, не давая ей улетучиваться и окислятьсяварьируя содержанием металлических добавок от 2,4 до 3,75 мае. %" можно изменять степень глушения стекломассы от опалесцирующей, мраморовидной до заглушённой по всему объему.

6. Определена роль металлических добавок и их влияние на технологические процессы варки и выработки, отжига и термообработки.

Установлено, что.

• варочные и выработочные свойства разработанного состава стекла хорошо согласуются с температурно-временными режимами варки и выработки флоат-стекла, а вводимые порошки металлов способствуют более быстрому провару шихты за счет экзотермических реакций окисления и поверхностно-активных свойств сульфидной серы, что снижает температуру варки;

• термостойкость стекла состава ГС практически не отличается от термостойкости флоат-стекла. Согласно термическим свойствам, отжиг листового глушеного стекла состава ГС может производиться в действующих технологических режимах отжига флоатстекла — глушение стекломассы происходит в одноступенчатом режиме термообработки в процессе формования при постепенном охлаждении.

6. На основании проведенного комплекса исследований доказано, что при использовании в технологическом процессе в качестве модифицирующих добавок металлических порошков алюминия и цинка улучшаются технологические и глушащие свойства стекломассы, снимается экологическая напряженность при производстве глушеных стекол.

Разработан оптимальный состав листового глушеного стекла, включающий, мае, %:

8Ю2 А1203 Ре203 СаО Шф Ъп О Ка20 З03.

69.5- 2,4−2,5 ОД-0,15 7,5−7,8 3,7−3,9 2,0−3,13 13,0- 0,4−0,5.

70,2 13,3 при соотношении металлических добавок 2п/А1 = 2/1 и общем содержании 3,0−3,75 мае. %.

Определены технологические параметры варки (Тта-х^ 1520−1480°С), выработки (Твыр = 1160−1190°С) и термонаводки (пребывание в температурной зоне 980−1000°С в течение 10−15 мин.).

8. Апробация и отработка технологических параметров производства листового глушеного стекла проведена в условиях опытно-промышленного производства на газо-пламенной печи периодического действия. Разработана технология производства глушеного листового стекла, включающая процессы шихтоподготовки, загрузки, варки, выработки и термообработки.

9. В условиях опытно-промышленног о производства выпущены две партии декоративной стеклоплитки при использовании различных методов формованиялитье в форму и спекание стеклокрошки. Доказано, что разработанный состав глушеного стекла может вырабатываться всеми существующими методами: прессование, выдувание, литье и т. д.

10. На промышленной флоат-линии выпущена партия листового декоративного стекла, декорированного стеклокрошкой, разработанного состава глушеного стекла. Доказана принципиальная возможность.

199. получения глушенных листовых стекол на флоат-линиях. Разработаны исходные требования к технологическому процессу производства декоративного листового стекла «Декорит». Разработанный состав стекла рекомендован к внедрению на мини флоат-установках, позволяющих производить частую смену ассортимента вырабатываемой продукции.

11. Доказано, что для производства нового материала не требуется дополнительных капитальных затрат на реконструкцию и усовершенствование оборудования. Процесс достаточно гибок, управляем, периодичен и экологически сбалансирован по отношению к окружающей среде.

12. Состав и способ производства листового глушеного стекла защищены двумя патентами. Показано, что ожидаемый экономический эффект от внедрения данной разработки только на одной флоат-линии с потребностью 100 тыс. м в год составит 19,34 млн руб. в год.