TECHNOLOGIE SKLA Lubomír Němec
Laboratoř anorganických materiálů, společné pracoviště Ústavu anorganické chemie AV ČR v Řeži u Prahy a Vysoké školy chemicko-technologické v Praze
Skladba předmětu • Technologie tavení skla Prof. Ing. Lubomír Němec, DrSc. • Special glasses Doc. Ing. Jaroslav Kloužek, CSc.
Abstrakt. Náplní předmětu Technologie tavení skla jsou základní chemicko-inženýrské a technologické informace o přípravě skel, především tavicím způsobem. V první přednášce jsou shrnuty rovněž další dnes používané způsoby, vhodné především pro přípravy skel speciálních. Podstatná část přednáškového kurzu se pak věnuje tavicímu procesu průmyslových skel. Jednotlivé přednášky jsou řazeny chronologicky podle vývoje tavicího procesu. Zahrnují sklářské suroviny a jejich úpravy, popis průběhů reakcí ve sklářském kmeni, procesy rozpouštění pevných částic ve skelné tavenině, procesy odstraňování bublin a identifikace zdrojů bublin v tavicím procesu, oxidačně-redukční rovnováhy v roztavených sklech mající přímou souvislost s tavicím procesem, odstraňování chemických nehomogenit rozpouštěním v tavenině a za přispění konvekce, proudění v pecích na výrobu skla a vliv charakteru proudění na homogenizační procesy, odpařování těkavých složek skla a korozi žárovzdorných materiálů i elektrod roztaveným sklem, tvarovací procesy skel a chlazení skel. Rovněž je zahrnuta kapitola o tavení barevných skel.
1. Metody přípravy skelných materiálů. laboratorní tavby skel typy laboratorních pecí kontinuální tavení skel plynové a elektrické vany charakteristika průmyslového procesu tavení skel modelování tavicího procesu - typy modelů, aplikace expertních systémů „netavné“ techniky přípravy skel: z pevného stavu, z plynného stavu (CVD metody, příprava vláken, příprava tenkých vrstev), z kapalného stavu (sol-gel proces: princip, hlavní chemické reakce při hydrolýze a polymeraci, sintrování).
2. Suroviny, homogenizace a příprava sklářské vsázky. •
klasifikace příprav sklářské vsázky
•
zdroje surovin
•
míchání a předběžná homogenizace kmene
•
úpravy granulometrie kmene a střepů
•
náhrady surovin v kmenech
•
mechanické úpravy granulací kmene
•
tepelné úpravy kmene – hydrotermální reakce, dekarbonizace, předehřev, entalpické bilance předehřevu vsázky
3. Tavicí reakce v kmeni. •
Tři stadia konverze kmene v taveninu: – první stadium tavicích reakcí – reakční kinetika a kinetické studie – druhé stadium tavicích reakcí v kmeni – urychlovače tavení, reakce SiO2 s Na2CO3, reakce v komplexních kmenech – třetí stadium tavicích reakcí – význam historie při rozpouštění pevných částic
•
experimentální techniky
•
tavení kmene ve sklářských pecích
4. Pochody rozpouštění částic ve sklovině.
•
rozpouštění částic v nehybném prostředí a za spoluúčasti konvekce
•
semiempirická rovnice rozpouštění kulových polydispersních částic při tavení skloviny
•
vliv základních faktorů na průběh rozpouštěcích dějů – teploty, složení (aditivní vztah a optimální koncentrace čeřicí přísady), granulometrie částic, konvekce skloviny
•
shrnutí procesů rozpouštění
5. Mechanismy odstraňování bublin. (Ing. Marcela Jebavá, Ph.D.) • • • • • • • •
• • • •
Původ bublin ve sklovině, zdroje bublin, čeřicí přísady mechanismy odstraňování bublin, experimentální studie, experimentálně zjištěný mechanismus procesu basicita skel kritéria růstu a rozpouštění bublin stacionární složení bublin nukleace bublin, vznik a stabilita pěny, flotace pískových zrn definice vnějších sil základní předpoklady zjednodušeného popisu chování vícesložkových bublin, chování bublin v gravitačním poli, rovnice popisující chování vícesložkových bublin v gravitačním poli vliv teploty na průběh odstraňování bublin, vliv tlaku, vliv makroskopického a mikroskopického složení, vliv redox stavu skloviny modelování procesu odstraňování bublin praktické zkušenosti s použitím čeřicích činidel netradiční způsoby odstraňování bublin
6. Oxidačně-redukční chování sklovin. •
Definice a význam redox stavu sklovin
•
vztah k barvě skel
•
chemie oxidačně-redukčních stavů ve vodných roztocích a skelných taveninách
•
termodynamika oxidačně-redukčních reakcí
•
vliv parciálního tlaku kyslíku, teploty a složení skloviny na oxidačně-redukční rovnováhy
•
simultánní oxidačně-redukční reakce, výpočty simultánních oxidačněredukčních rovnováh ve sklovinách
•
redox reakce při chlazení
•
kinetika redox reakcí
•
metody stanovení oxidačně-redukčního stavu sklovin
•
vliv oxidačně redukčního stavu sklovin na čeřicí proces, barvu sklovin, zpracovatelnost sklovin a jejich ohřev, kyslíkový pufr
7. Barevná skla. •
Barvy produkované atomy kovů
•
rozpustnost složek a vliv složek skla na rozpustnost kovů
•
role SnO a SnCl2 při rozpouštění, barvy vyvolané oxidy vzácných zemin, barvy vyvolané uranem a jeho sloučeninami, barvy vyvolané kobaltem a jeho sloučeninami, barvy vyvolané sloučeninami mědi, barvy vyvolané vanadem a jeho sloučeninami, selenem a jeho sloučeninami, Te, P a jeho sloučeninami, barvy vyvolané sírou a jejími sloučeninami
•
kyslíkový pufr ve sklovinách
•
barvy vyvolané sloučeninami železa, vliv IR absorpce na tavicí a zpracovatelské vlastnosti skla
•
krystalizace kovů z tavenin, absorpce světla kovy
•
zlaté rubínové sklo, měď, měděný rubín a aventurín, stříbro ve sklech, skla s vrstvou tvořenou stříbrem
•
fluorescence, termoluminiscence a solarizace skel
8. Rozpouštění nehomogenit ve sklovinách difúzí a mísením. •
Definice, původ a mechanismy vyrovnávání nehomogenit, rozpouštění nehomogenit difúzními procesy, rozpouštění nehomogenit za současné jejich deformace prouděním, účinek střihu, změny průřezu proudění a rotace, kvantitativní vztahy pro deformace šlíry, vyrovnávání koncentrací difúzí u deformovaných šlír.
•
Původ proudění skloviny a jeho účel, kritéria optimálního proudění a základní typy proudění, odezvové charakteristiky, vyšetřování proudění pomocí analytického matematického modelu, popis proudění pomocí kombinací pístových toků a ideálních mísičů, popis proudění pomocí numerických matematických modelů tavicího prostoru, odhad ideálního typu proudění a jeho realizace.
9. Vypařování a koroze při tavicím procesu skel. •
Technologické účinky vypařování, těkavé složky skel a mechanismy odpařování, řízení transportem v plynné fázi a v kapalné fázi kombinované
s
povrchovou
reakcí,
odpařování
v
reálných
podmínkách. •
Charakteristika
koroze
žárovzdorných
materiálů,
zjednodušené
mechanismy rozpouštění pevných látek v taveninách, odvození rychlosti ubývání stěn žárovzdorného materiálu v důsledku natékající kapaliny vlivem vnějších sil a hustotních rozdílů, hladinová koroze, vrtání stěn a dna, vliv nucené konvekce vyvolané bublinami, zkoušky žárovzdorných materiálů.
10. Chlazení a tvarování skel. •
základní děje a základní tvarovací postupy (výroba dutého skla, výroba plochého skla, výroba skleněných trubic, výroba skleněných vláken, příprava optických vlnovodů)
•
mechanismus vzniku a vyrovnání napětí ve sklech, přechodné a trvalé napětí
•
horní a dolní chladicí teplota, řízené chlazení, provozní provedení chlazení
•
chlazení optických skel
•
tvrzená skla
11. Koroze elektrod a jiné nežádoucí jevy na styku elektricky vodivých materiálů a skloviny. Ing. Jiří Matěj, CSc •
výskyt, příčiny a metody studia, následky jevů, příčiny koroze
•
stručný úvod do teorie elektrochemických dějů ve sklovině – klidové potenciály, polarizační křivky, korozní potenciál, pasivace, vliv stejnosměrného a střídavého proudu
•
vývoj bublin na materiálech, metody studia nežádoucích jevů
•
chování některých materiálů ve sklovině
•
molybden a ochrana molybdenových elektrod
•
chování dalších materiálů
12. Sklářská tavicí pec – ohřívač taveniny nebo chemický reaktor? • •
•
•
•
•
Fyzikálně chemický základ tavicího procesu, hlavní děje, chemické reakce, přestup tepla, přestup hmoty. Technologická kriteria – měrná spotřeba energie a měrný výkon tavicího prostoru, hlavní procesy - rozpouštění pevných a kapalných nehomogenit a separace bublin. Definice technologických kriterií pomocí reakční kinetiky procesů a pomocí využití prostoru pro procesy. Typické závislosti kriterií na teplotě, optimální teplota tavení, vliv stupně intenzifikace na optimální teplotu, základní faktory ovlivňující proces. Rychlost (kinetika) rozpouštěcího procesu, vliv teploty, složení, granulometrie částic a konvekce taveniny na kinetiku procesu, využití tavicího prostoru pro rozpouštění, vliv typu proudění na využití prostoru, nucené mísení taveniny. Rychlost procesu odstraňování bublin, vliv teploty, tlaku, složení, zobecnění procesu odstraňování bublin, separace bublin v odstředivém poli, využití tavicího prostoru při odstraňování bublin, vliv typu proudění na využití prostoru. Tavicí pec jako chemický reaktor.
Doporučená literatura •
Paul A.: Chemistry of Glasses
•
Doremus R.H.: Glass Science
•
Varshneya A.K.: Fundamentals of Inorganic glasses
•
Fanderlik I.: Vlastnosti skel
•
Weyl W.A.: Coloured Glasses
•
Hlaváč J.: Základy technologie silikátů
•
Šatava V.: Fyzikální chemie silikátů I a II
•
Bartuška M. a kol.: Vady skla
•
Smrček A. a kol. Tavení skla
•
Odborné články z periodik dle potřeby
