Производство стекла и изделий из него представляет собой важную составную часть общего технологического процесса изготовления источников света на электроламповом предприятии. В едином процессе получения стекла выделяют операции по подготовке исходных материалов, составлению шихты и варке стекла. Операции же по изготовлению из стекломассы различных изделий, заготовок, полуфабрикатов и их последующая обработка объединяют под общим названием стеклозаготовительных.

Выбор сырьевых материалов определяется химическим составом стекла. Дальнейшая их обработка должна учитывать состояние материала, степень его загрязненности и требуемую чистоту после очистки. Все операции по подготовке сырьевых материалов должны быть механизированы и по возможности автоматизированы, чтобы ограничить или исключить непосредственное присутствие рабочих при выполнении этих операций, связанных с большим выделением пыли.

Транспортировку сыпучих материалов желательно из тех же соображений вести пневматической системой, а все оборудование герметизировать. Применение железной тары и других железосодержащих элементов оборудования, соприкасающихся с сырьевыми материалами, нежелательно за-за опасности загрязнения стекла сильно красящими окислами железа.

Из каждого сырьевого материала берется средняя проба для полного химического анализа, определения влажности и зернового состава.

Процесс варки стекла ведется при высоких температурах в условиях довольно высокой химической активности сырьевых материалов и продуктов их реакций. Поэтому стекловаренные печи выкладываются из специальных огнеупорных материалов. Они должны быть жаростойкими, механически прочными, термически и химически стойкими. Наиболее часто применяются следующие огнеупорные материалы: шамот, каолин, муллит, бакор, динас, плавленый кварц (непрозрачное кварцевое стекло). Большинство из них изготавливается спеканием из мелкоизмельченных огнеупорных глин, некоторые получают литьем из расплава в формы.

Сваренная стекломасса перерабатывается в изделия. Чаще всего применяется выдувание, вытягивание и прессование. При этом формообразование возможно в достаточно узком диапазоне вязкости (около 10²--10⁴ Па?с). Для большинства электровакуумных стекол это соответствует температуре стекломассы 1150--1250 °С. Для тугоплавких стекол эта температура на 130--150 °С выше. Точность поддержания температуры должна быть в пределах ± (5--15) °С. Конкретная температура стекломассы зависит от способа формования и вида изделия. При этом механизированные методы выработки изделий требуют более высоких температур, чем ручные.

Повторная обработка стеклоизделий также часто связана с их деформацией в результате нагрева, например горячая резка, сварка, калибровка и т. п. В ряде случаев сначала из стекломассы вырабатывается определенная заготовка, а затем из нее изготавливается нужное изделие. Примером этого может служить получение дротов и их последующая переработка в бусинки, штенгели, кольца, тарелки для ножек ламп и т. д.

В процессе выработки стеклоизделий особое место занимают отжиг стекла и контроль стеклоизделий по остаточным напряжениям.

И, наконец, завершающими стеклозаготовнтельными операциями являются операции, связанные с обработкой поверхности стеклоизделий: их матирование, металлизация, окраска и др.

При варке электровакуумных стекол требуется строго определенная среда -- окислительная или восстановительная. Поэтому шихта должна содержать специальные окислители (селитру, мышьяковистый ангидрид, двуокись церия) или восстановители (кокс, древесный уголь, древесные опилки). В процессе варки стекла окислители разлагаются с выделением большого количества кислорода (окислителя), а восстановители при высоких температурах варки связывают свободный кислород и способствуют разложению некоторых окислов.

К осветлителям относятся материалы, которые ускоряют осветление стекломассы, т. е. освобождение ее от видимых мелких, средних и крупных газовых пузырей. В результате этого стекло становится прозрачным и более однородным по составу. В качестве таких осветлителей применяют селитру, сульфат натрия, хлористый натрий, трехокись мышьяка и сурьмы, азотнокислый, сернокислый или хлористый аммоний. Для ускорения процесса варки стекла используют фтористые соединения, аммонийные соли, хлористый натрий, окись бария, нитриты.

Многие из вышеперечисленных материалов оказывают комбинированное действие, например обесцвечивают стекломассу, ускоряют ее осветление и варку, изменяют свойства готового стекла. Это должно учитываться при определении состава шихты.

Большинство природных сырьевых материалов не может быть использовано для составления шихты без предварительной подготовки их. Характер подготовки зависит от природы и назначения материала. Большинство из них тщательно измельчается, просеивается и очищается от примесей. Особенно тщательно очищается кварцевый песок.

Расчет состава шихты ведется с учетом химического состава исходных сырьевых материалов, а также того, что в стекломассу переходит только часть окислов, а влага, газы и некоторая часть окислов улетучиваются. Подобные потери массы могут составлять до 20%.

Непосредственное приготовление стекольной шихты состоит в том, что каждую ее составную часть отвешивают согласно рецепту с большой точностью. на автоматических весах, а затем тщательно перемешивают в тарельчатых или барабанных смесителях конусного типа. Обычно в смеситель материалы засыпаются в определенной последовательности: песок, сода, поташ, селитра и другие материалы. Такая последовательность обеспечивает лучшее перемешивание и обволакивание частиц песка щелочными материалами. Песок перед загрузкой в смеситель или непосредственно в нем слегка увлажняют распылением воды под давлением.

После перемешивания в смесителе шихты к ней добавляют порцию дробленого стеклобоя и снова Эту смесь некоторое время перемешивают. Стеклобой должен готовиться из отходов стекла строго того состава, который предусмотрено получить. В процессе подготовки он тщательно промывается от загрязнений, высушивается и дробится на куски размером не более 3X3 см. Содержание стеклобоя в шихте берется в пределах 40--70%, причем принятое соотношение шихты и стеклобоя должно быть постоянным.

Стеклобой вводится в шихту для утилизации отходов стекла, экономии дорогостоящих сырьевых материалов шихты, экономии расходуемого на варку стекла топлива, сокращения продолжительности варки и уменьшения разъедания шихтой стенок стекловаренной печи.

Приготовленная шихта должна иметь правильный и постоянный химический и гранулометрический состав, она не должна иметь примесей сверх допустимой нормы, соотношение составных частей, взятых из произвольного места шихты, должно отвечать заданному рецепту, влажность шихты должна быть в пределах 4--6%, так как слишком сухая шихта сильно пылит, а влажная -- кбмкуется и слеживается при транспортировке и хранении. Проверка шихты на соответствие этим требованиям проводится ежесменно. Время хранения приготовленной шихты не более 1 сут.

Транспортировка подготовленной смеси шихты и стеклобоя от смесителя к стекловаренной печи ведется в специальных бункерах в помощью тельфера.

Варкой стекла называется процесс превращения стекольной шихты в однородную стекломассу.

В первой стадии (силикатообразование) шихта в результате ряда химических реакций превращается в спекшуюся массу силикатов, боратов и алюмосиликатов с некоторым избытком стеклообразующих окислов. Эта стадия практически заканчивается при 800--900°С, при этом происходит выделение основной массы газов.

Вторая стадия (стеклообразование) происходит при дальнейшем нагреве полученной массы до 900--1400 °С и характеризуется полным расплавлением шихты. Образуется жидкая прозрачная стекломасса, неоднородная по составу и пронизанная по всему объему газовыми пузырями.

На стадии осветления происходит освобождение стекломассы от газовых пузырей. Для ускорения этого процесса температура стекломассы поднимается еще выше (примерно 1450--1470 °С). При этом значительно уменьшается вязкость стекломассы и происходит интенсивное разложение осветлителей с выделением большого числа крупных газовых пузырей. Крупные пузыри быстро поднимаются на поверхность стекломассы, увлекая за собой множество более мелких пузырей и вызывая перемешивание стекломассы. Часто процесс осветления ускоряют за счет барботирования (перемешивания) стекломассы сжатым воздухом.

Четвертая стадия (гомогенизация) протекает как завершающий этап осветления стекломассы, в результате которого она становится полностью однородной (гомогенной).

Пятая стадия --охлаждение («студка») представляет собой процесс постепенного охлаждения стекломассы до 1100--1200 °С, обеспечивающий необходимую рабочую вязкость. Во время охлаждения полностью завершается процесс осветления стекломассы. Поэтому важно, чтобы на этой стадии температура стекломассы непрерывно снижалась, а состав и давление газовой среды в печи не изменялись.

Для варки промышленных электровакуумных стекол применяют различные печи: горшковые периодического действия, ванные периодического действия, ванные непрерывного действия. По основному способу нагрева стекловаренные печи подразделяются на пламенные и электрические.

Обычное электроламповое стекло для ламп массового производства варят в ванных печах непрерывного действия с газовым отоплением. Основной частью такой печи (рисунок 1.1) является большой бассейн, выполненный из массивных огнеупорных брусьев впритирку. Конструктивно бассейн печи делится на две части: варочную и выработочную, отделенные друг от друга огнеупорной кладкой и соединяемые между собой только узким протоком на уровне дна.

Рисунок 1.1. Ванная печь непрерывного действия (горизонтальный разрез):1 -- горелки и регенераторы для подогрева воздуха и газа; 2 -- варочный бассейн; 3 -- выработочный бассейн; 4 -- загрузочный карман; 5 -- рабочие окна; 6 -- проток; 7 -- экран; 8 -- обвязка

Все стадии стекловарения протекают в ванной печи непрерывного действия одновременно, но в разных зонах. В варочной части происходит силикатообразование, стеклообразование, осветление и гомогенизация стекломассы.

Стеклообразование протекает в основном на поверхности слоя стекломассы. Для нормального хода процесса варки необходимо поддерживать строгое постоянство направления и скоростей потоков стекломассы путем сохранения стабильного режима работы печи.

Загрузка шихты и стеклобоя должна быть организована так, чтобы шихта не распылялась и не расслаивалась, а ее подача в печь производилась небольшими порциями строго в соответствии с уровнем стекломассы в печи. Наиболее часто для загрузки шихты и боя используют механические загрузчики, привод которых соединен с уровнемером. Согласованная работа этих устройств позволяет поддерживать постоянство уровня стекломассы с точностью ±0,1 мм. Это очень важно не только для постоянства режима варки, но и для уменьшения разрушения огнеупорной кладки печи.

Постоянство объемов стекломассы необходимо, так как если стекломассы отбирается очень много, то к месту выработки может притекать недостаточно проваренная или неоднородная стекломасса, что приведет к повышенному браку стеклоизделий.

На уровне стекломассы всегда поддерживается небольшое избыточное давление, что предотвращает подсос в печь окружающего воздуха. Среда над стекломассой при варке стекол с высокой прозрачностью должна выдерживаться строго окислительной.

Контроль за режимом варки стекла и управление им должны быть максимально автоматизированы, непрерывными и оперативными. Наилучшие результаты здесь может дать внедрение автоматизированной системы управления технологическими процессами на базе ЭВМ.

1.2 Дефекты стекломассы, возникновение и снятие напряжений в изделиях из стекла

стекло арматура лампа изделие

В сваренной стекломассе могут быть дефекты (пороки) трех основных видов: газовые, стекловидные и кристаллические включения.¦>

Газовые включения в стекле имеют вид отдельных пузырей, «мошки» или капилляров. Основной причиной появления в стекле газовых включений является плохой провар шихты и недостаточное осветление стекломассы. При этом в стекломассу попадает заключенный между зернами шихты воздух, пары воды, газообразные продукты реакций при варке стекла, а также газы, выделяемые огнеупорными материалами. При неблагоприятных условиях часть этих газов остается в стекле в виде более или менее крупных пузырей.

«Мошка» -- это скопления в стекле мельчайших газовых пузырей. Она чаще всего получается при вторичном нагреве стекла в зоне выработки или нарушении газового режима в зоне осветления, в результате чего стекло вспенивается.

Капиллярные включения образуются при вытяжке изделий из стекломассы, имеющей газовые пузыри, которые в этом случае вытягиваются в нити.

Стекловидные включения (свиль и шлир) отличаются от основной массы стекла химическим составом и физическими свойствами. В готовых изделиях они выделяются на общем фоне разницей в преломлении света и искажением формы предметов, если на них смотреть через стекло. Свиль имеет шихтное происхождение. Она образуется при неточном отвешивании материалов шихты, применении стеклобоя другой марки, при расслаивании или плохом перемешивании шихты, недостаточном проваре стекломассы и т. п.

Шлир -- это полностью остекловавшийся прозрачный камень, попавший в стекломассу с шихтой или из огнеупорной кладки печи в результате ее разрушения.

Колебание уровня стекломассы в ванных печах непрерывного действия и повышение температуры сверх допустимого приводят к появлению стекловидных включений за счет выплавления их из огнеупорных материалов. Они попадают в стекломассу в виде остеклованных капель, падающих со свода печи, или остеклованной пленки, сползающей в стекломассу со стен бассейна.

Кристаллические включения («камни») делятся на три основных вида: шихтные (материальные) камни, огнеупорные камни и продукты расстекловывания.

Шихтные камни чаще всего представляют собой не-шроварившиеся зерна кварцевого песка, барита, глинозема или других тугоплавких компонентов шихты. Причиной шоявления шихтных камней может быть недостаточное просеивание и плохое перемешивание шихты, ее расслоение, и комкование, заниженная температура варки и высокий съем стекломассы.

Огнеупорные камни попадают в стекломассу в результате разрушения огнеупорной кладки печи.

Продукты расстекловывания образуются в результате кристаллизации самой стекломассы. Этот процесс может иметь место при длительной выдержке стекломассы в определенном интервале температур, неправильном химическом составе стекла, наличии в стекле так называемых инициаторов, т. е. веществ, ускоряющих кристаллизацию стекла. Повышенную склонность к кристаллизации имеют высококремнеземистые стекла.

Из всех вышеперечисленных дефектов стекломассы наиболее опасными являются кристаллические включения. При обработке стеклоизделий с такими дефектами в условиях электролампового производства вероятность брака особенно велика.

Для выработки заготовок и деталей источников света из стекла применяются разнообразные технологические процессы: выдувание, вытягивание, прессование и центробежное литье. Для придания изделиям необходимых размеров и нужной конфигурации их часто подвергают резке, сварке, калибровке и т. п.

Почти все методы обработки стекла основаны на изменении вязкости стекла при изменении температуры. При нагреве до достаточно высокой температуры стекло становится пластичным, способным к изготовлению из него изделий различной формы, а при охлаждении стекло затвердевает и приданная изделиям форма сохраняется. При термической и термопластической обработке стекла для его нагрева используют тепловое излучение (воздушно- или кислородно-газовых пламенных или беспламенных горелок, специальных нагревателей), прямое пропускание электрического тока, дуговой разряд. В стекле под влиянием механических или тепловых воздействий создаются внутренние напряжения. В производстве электроламп наиболее часто приходится иметь дело с напряжениями теплового происхождения. Внутренние напряжения подразделяются на временные (переходные) и постоянные (остаточные). Основной причиной возникновения тех или других напряжений является низкая теплопроводность стекла.

Временные напряжения в стекле возникают следующим образом. При нагревании изделия в первую очередь повышается температура наружных слоев стекла, внутренние слои стекла некоторое время остаются холодными. Наружные слои стекла вынуждены занимать объем, меньший, чем тот, который соответствует данной температуре, и оказываются сжатыми. Внутренние слои стекла, испытывая на себе воздействие расширяющихся наружных слоев, имеют напряжения растяжения. При остывании изделия, когда температура во всех точках выравняется, исчезнут и напряжения. Напряжения, исчезающие после выравнивания температур между отдельными частями изделия, есть временные напряжения. Они могут привести к разрушению изделия, если их значение оказывается больше предела прочности стекла.

Постоянные напряжения возникают при быстром охлаждении стекла. Если изделие нагреть до точки размягчения стекла и выше, то при быстром охлаждении между отдельными частями изделия сохраняются остаточные или постоянные напряжения. В стеклах с высоким температурным коэффициентом линейного расширения возникают большие постоянные напряжения, поскольку сжатие при охлаждении у таких стекол сильнее, чем у стекол, имеющих меньший коэффициент расширения.

К другим причинам возникновения напряжений в стекле могут быть отнесены: большое различие в температурных коэффициентах линейного расширения спаиваемых материалов, неудачная конструкция стеклоизделия (резкие переходы толстых стенок в тонкие, преобладание растягивающих напряжений) и др.

Процесс тепловой обработки, при котором достигается ослабление остаточных напряжений до нормы, обеспечивающей длительную и надежную эксплуатацию стеклянных изделий, называют отжигом. Сущность отжига состоит в нагревании стекла до температуры, при которой частицы его приобретают подвижность, достаточную для снятия постоянных напряжений.

Таблица 1.1. Расчетные формулы отжига стеклоизделий

Здесь а--толщина стеклянной стенки, обогреваемой с одной стороны, см; --термостойкость cтекла, °С.

Диапазон температур, в котором производится отжиг стекла, называется зоной отжига. Зона отжига ограничивается высшей и низшей температурами отжига.

Рисунок 1.2. Кривая отжига стекла

Под высшей температурой отжига подразумевают температуру, соответствующую вязкости стекла 10¹² Па?с. При этой температуре за время, равное 5 мин, исчезает не менее 95% всех имеющихся в стекле напряжений.

Под низшей температурой отжига подразумевают температуру, отвечающую вязкости стекла 10¹⁴ Па?с. Обычно она имеет значение на 100--150 °С ниже высшей температуры отжига.

Отжиг стеклоизделий производится в режиме, изображенном на рисунке 1.2 в виде температурной кривой, состоящей из четырех зон: нагрев 1, выдержка 2, медленное охлаждение 3 до низшей температуры отжига и быстрое охлаждение 4 до комнатной температуры. Каждый из участков этой кривой может быть рассчитан по эмпирическим формулам (табл. 1.1). Реально отжиг проводится по плавной кривой, вписанной в ломаную расчетную кривую отжига, изображенную на рисунке 1.2.

Для отжига используются барабанные, конвейерные, камерные и другие печи с газовым или электрическим нагревом, с ручным или программным управлением. Иногда печи отжига называют мерами. Особое значение имеет отжиг для мягких стекол с температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), равным (80--100)?10^-7К^-1

Кварцевое стекло не отжигают. Изделия с тонкими стенками также практически не отжигают, а ограничиваются их обработкой в мягком пламени горелки.

Напряжения в спаях стекла с металлом, вызванные неодинаковым тепловым расширением, никаким отжигом снять невозможно. Отжиг спаев представляет собой тепловую обработку для устранения закалочных напряжений и управления в известных пределах термическими напряжениями. Для спаев стекло -- металл применяется так называемый дифференциальный отжиг или дифференциальное охлаждение. Суть этого отжига состоит в том, что в материалах спая с различными ТКЛР при охлаждении разность температур поддерживается таким образом, чтобы тепловое сжатие металла и стекла оставалось примерно постоянным в продолжение всего процесса охлаждения. Дифференциальный отжиг дает возможность создания в спае желательного распределения напряжений.

1.3 Тарелочки, их виды и назначение во внутренней арматуре ламп общего назначения