Температура плавления стекла

26 ноября 2021

Плавление стекла – процесс перехода его из твердого состояния в жидкое. Для того, чтобы это произошло, необходимо соблюдение определенных условий. Они зависят от вида стекла, его химического состава. Это общедоступный плавкий материал, из которого повсеместно производят посуду, предметы интерьера, украшения и еще массу полезных вещей. С помощью технологии фьюзинга создаются изделия из разноцветного стекла. Она предполагает работу с расплавленным материалом, доведенным до жидкого состояния.

Что такое стекло?

Cтекло – это однородное аморфное вещество, получаемое при затвердевании расплава оксидов. В составе стекла могут присутствовать оксиды трех типов: стеклообразующие, модифицирующие и промежуточные. Стеклообразующими являются оксиды кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка. К модифицирующим оксидам, введение которых понижает температуру плавления стекла и существенно меняет его свойства, относятся оксиды щелочных (Na, К) и щелочноземельных (Са, Mg, Ba) металлов. Промежуточными являются оксиды алюминия, свинца, титана, железа. Они могут замещать часть стеклообразующих оксидов. Стеклообразующий каркас стекла представляет собой непрерывную пространственную решетку, в узлах которой расположены ионы, атомы или группировки атомов. Химический состав стекла можно изменять в широких пределах. Поэтому и свойства стекла могут быть различными.

По химическому составу в зависимости от природы стеклообразующих оксидов различают силикатное, алюмосиликатное, боросиликатное, алюмоборосиликатное и другие виды стекла.

В зависимости от содержания модификаторов стекло может быть щелочным и бесщелочным.

По назначению различают строительное (оконное, стеклоблоки), бытовое (стеклотара, посуда) и техническое (оптическое, электротехническое, химическое и др.) стекло.

Структура и свойства стекла определяются его химическим составом, условиями варки, охлаждения и обработки.

Стекло – термопластичный материал, при нагреве оно постепенно размягчается и переходит в жидкость. Плавление происходит в некотором температурном интервале, величина которого зависит от химического состава стекла. Ниже температуры стеклования Тс стекло приобретает хрупкость. Для обычного силикатного стекла Тс = 425 – 600°С. Выше температуры плавления стекло становится жидкостью. При этих температурах стекломасса перерабатывается в изделия.

Плотность стекла составляет 2,2 – 8,0 г/см 3 . Стекло высокой плотности содержит значительные количества оксидов свинца и бария.

Стекло – жесткий, твердый, но очень хрупкий материал. Стекло хорошо сопротивляется сжатию ( = 400 – 600 МПа), но характеризуется низким временным сопротивлением при испытаниях на растяжение (30 – 90 МПа) и изгиб (50 – 150 МПа). Более прочным является бесщелочное и кварцевое стекло.

Механические свойства стекла повышаются при термической и химической обработке. Термическая закалка стекла состоит в нагреве до температур, близких к точке размягчения, и быстром равномерном охлаждении поверхности в потоке воздуха или в масле. При этом в поверхностных слоях возникают напряжения сжатия, и прочность стекла возрастает в 2 – 4 раза. Для изготовления приборов, работающих при повышенном давлении, применяют безосколочное стекло – триплекс.

Триплекс представляет собой комбинированное стекло, состоящее из двух и более закаленных слоев, склеенных прозрачной эластичной пленкой. Химическая обработка состоит в травлении поверхностного слоя раствором плавиковой кислоты с уничтожением поверхностных дефектов. Еще больший эффект достигается при комбинированной химико-термической обработке.

Важнейшим свойством стекла является прозрачность в диапазоне длин волн видимого света. Обычное листовое стекло пропускает до 90 %, а отражает около 8 % и поглощает около 1 % видимого света. Ультрафиолетовые лучи почти полностью поглощаются оконным стеклом.

Стекло имеет высокую химическую стойкость в агрессивных средах (за исключением плавиковой кислоты и щелочей). Вода постепенно разрушает стекло вследствие образования щелочных растворов. Чем выше температура и концентрация щелочных оксидов в стекле, тем сильнее проявляется действие воды. Стекло как технический материал широко используется в разных областях техники и народного хозяйства. Это объясняется благоприятным сочетанием физико-химических и механических свойств, возможностью изменять эти свойства в широких пределах в зависимости от состава стекла и способов термического воздействия, а также способностью стекла легко поддаваться разным способам горячей и холодной обработки.

Кварцевое стекло, состоящее практически из чистого кремнезема (99 % SiO2), в зависимости от способа получения бывает двух типов: оптически прозрачное и непрозрачное. Кварцевое стекло отличается от всех известных стекол высокими физико-химическими свойствами: высокой жаростойкостью (1400°С), низким температурным коэффициентом линейного расширения [(0,5 – 0,55)•10 -6 К -1 ], высокой термической (выдерживает перепад температур 800 – 1000°С) и химической стойкостью, особенно к действию кислот (кроме плавиковой) и воды. Кварцевое стекло имеет высокие диэлектрические характеристики, прозрачно в видимой, ультрафиолетовой и частично инфракрасной областях. Кварцевое стекло, имеющее особенно высокую термическую и химическую стойкость в сочетании с низким температурным коэффициентом линейного расширения, применяется для изготовления тиглей, термопар, электровакуумных изделий, химически стойкой тары, труб, лабораторной посуды. Для защиты деталей от коррозии при температурах до 500 – 600°С в машиностроении применяют стеклоэмали.

Пеностекло получают вспениванием жидкой стекольной массы при высокой температуре за счет введения газотворных веществ – измельченных известняка, мела, угля. Пеностекло имеет малую плотность, низкую теплопроводность и характеризуется высоким звукопоглощением. Это негорючий, термостойкий и химически стойкий материал.

Стеклокристаллические материалы (ситаллы) получают из стекла путем его полной или частичной кристаллизации. Название «ситаллы» образовано из слов «стекло» и «кристаллы». Ситаллы иногда называют стеклокерамикой. Содержание кристаллической фазы в ситаллах может составлять до 95 %. Размер кристаллов обычно не превышает 1 – 2 мкм.

Ситаллы – плотные, непрозрачные, газонепроницаемые, жесткие и твердые материалы. Их механическая прочность в 2 – 3 раза выше, чем прочность стекла. Они хорошо сопротивляются абразивному износу. Сочетание низкого температурного коэффициента линейного расширения и высокой механической прочности придает им высокую термостойкость. Ситаллы характеризуются высокой химической стойкостью к действию кислот и щелочей и не подвержены коррозии при нагреве до высоких температур. Ситаллы совершенно не поглощают влагу.

Благодаря сочетанию легкости, прочности, твердости и технологичности ситаллы находят широкое применение в машиностроении. Из них изготавливают подшипники скольжения, работающие без смазки при температуре до 550°С, поршни и детали выхлопа двигателей внутреннего старания, химическую аппаратуру» фильеры для вытягивания синтетических волокон, рабочие колеса и лопатки насосов, перекачивающих агрессивные жидкости с абразивами. Ситаллы используют в качестве жаро- и износостойких эмалей для защиты металлических деталей. Ситалловые эмали могут работать при температурах до 800 – 900°С.

Свойства стекла

Кроме того факта, что существует температура плавления стекла, и что из этого материала можно делать самые разнообразные изделия, он имеет много других свойств. Плотность стекла во многом зависит от его химического состава, этот показатель характеризует отношение объема к весу материала. Так, этот показатель самый низкий у кварцевого стекла.

Хрустальное, наоборот, имеет самую высокую, которая может превышать 3 г/см3. От химического состава также зависит и прочность этого материала, то есть то, как стекло может сохранять свою целостность в изделиях под воздействием внешних нагрузок. При растяжении и при сжатии влияние химического состава практически одинаково. На твердость материала влияет наличие или отсутствие примесей и их количественный показатель в данном экземпляре. Самым твердым считается то, в состав которого входит большое количество кремнезема, а именно кварцевое, а также боросиликатное. В свою очередь, наличие в составе окислов свинца снижает прочностные характеристики. Как известно, высокая температура плавления стекла позволяет изменить его внешний вид и при необходимости получить совершенно иную форму. Но при низких температурах, которые считаются нормальными для человеческой жизнедеятельности, стекло под воздействием нагрузок разрушается, а не деформируется.

Хрупкость стеклянных изделий зависит от толщины материала, а также формы. Проще всего разбить на осколки получается стекло плоской формы. Чтобы этот показатель повысить, на производстве материала в состав добавляют окислы магния, борный ангидрид. Чем более неоднородно стекло, тем больше вероятность, что при механических нагрузках оно разобьется.

Виды стекла

Если временно не рассматривать оргстекло, а вспомнить о других видах данного материала, то их насчитывается четыре: обычное, кварцевое, боросиликатное и хрустальное. Каждый вид имеет свои особые черты, которые выделяют его среди остальных.

Обычное стекло

К обычному стеклу относят содовое, поташное, а также известково-натриево-калиевое. Первый вид используется для производства оконных стекол, посуды, различной стеклотары. Поташное имеет более высокую температура плавления. Стекла такого типа используются для создания высококачественной посуды. Эта разновидность обычного стекла имеет выраженный блек и прозрачность. Последний вид также активно используется для производства посуды.

Кварцевое стекло

Кварцевое стекло получают путем плавления сырья высокой чистоты. Поэтому ответ на вопрос о том, при какой температуре плавится стекло кварцевое, – 1000оС. Это демонстрирует тот факт, что данный тип материала ещё и самый термостойкий, поэтому, если опустить его в раскаленном виде в холодную воду, он не будет трескаться. Благодаря этому кварцевое стекло можно использовать при очень высоких температурах, ведь чтобы привести его жидкое состояние, температура должна достигать 1500оС.

Существует две разновидности этого стекла – прозрачный и молочно-матовый кварц. По своим показателям они практически одинаковы, но отличаются оптическими свойствами. Поверхность кварцевого стекла имеет бльшую адсорбционную способность не только к влаге, но и к некоторым газам. Также стоит помнить о том, что кварц необходимо предохранять от всевозможных загрязнений, в том числе и от жирных следов от рук, подобные пятна можно удалить этанолом, как вариант используют ацетон.

Боросиликатное стекло

Боросиликатное стекло имеет в своем составе большое количество оксида бора, чем и объясняется его название. Благодаря введению в состав этого вещества, оно может быть гораздо прочнее других видов. Стойкость к термоудару у боросиликатного стекла может превышать этот показатель у известкового в 5 раз. Другие показатели связаны с химической стойкостью стекла, позволяют активно использовать его в электротехнике. Чтобы размягчить этот вид описываемого материала, необходимо нагреть его до температуры 585оС.

Хрустальное стекло

Все знакомы с хрусталем, именно этот материал считается самым высокосортным среди различных стекол, он не только имеет неповторимый блеск, но и обладает способностью сильно преломлять свет. Хрустальное стекло может быть свинцовосодержащим и бессвинцовым. Первые имеют больший вес и демонстрируют красивую игру света, из них делают посуду или сувениры. Бессвинцовые стекла чаще применяются в оптических приборах и характеризуются высоким качеством.

Температура плавления стекла в градусах

Для стекла из-за его аморфных свойств довольно сложно выделить одну температуру плавления. Обычно этот показатель находится в пределах от 750 до 2500 0 С.

Приблизительная температура для перехода бутылочного стекла в жидкое состояние 1200-1400 0 С, для кварцевого стекла около 1665 0 С. Ампульное стекло плавится при 1550-1800 0 С, а жидкое стекло – при 1088 градусов Цельсия. Существует также оргстекло температура, плавления которого 160 0 С, из-за его химического состава его нельзя в полной мере отнести к стеклу.

Воздействие температуры на плавление стекла

Отдельного внимания стоит температура плавления стекла. Несмотря на хрупкость материала, для того чтобы перевести в жидкое состояние, потребуется нагреть его до высоких температур. Что касается обычного стекла, то его температура плавления колеблется от 425 до 600 оС, у кварцевого этот показатель достигает 1000 оС. Из-за своей хрупкости и, соответственно, сложности произведения действительно больших деталей из стекла, появилась необходимость создания такого материала, который мог бы быть более прочным, сохраняя при этом остальные свойства. И в 1936 году в продажу поступает органическое стекло. Температура плавления оргстекла низкая, составляет всего 160 оС, а при 200 оС материал доходит до кипения. Применяется оргстекло буквально везде, поскольку прозрачность у него такая же, как и у других но вот по удароустойчивости оно стоит на порядок выше.

Принципы расчета температуры плавления

  1. Необходимость обеспечения поэтапного повышения температуры расплавляемого тела строго на один градус. В противном случае невозможно будет достоверно установить, при каком именно показателе начинается процесс перехода из твердого состояния в жидкое, то есть эксперимент завершится неудачей.
  2. Нужно найти очень точный термометр, способный замерять температуру до 2 тысяч градусов по Цельсию с минимальной погрешностью. Лучше всего подойдет электронный прибор, который будет стоит слишком дорого для бытовых опытов.
  3. Проведение эксперимента дома в принципе не самая удачная идея, потому что придется искать посуду, в которой можно плавить стекло, раздобыть устойчивый источник огня, способный обеспечить нужный уровень подогрева, купить дорогостоящее оборудование.

Можно ли расплавить стекло и что для этого нужно?

Плавка стекла осуществляется при больших температурах. Нет точного значения, его определяют экспериментальным путем. От того, какие примеси и в каком количестве содержатся в стекле, зависит время нагрева. Обычно для каждого конкретного вида определены средние значения температуры плавления стекла, которые были получены при их изучении и тестировании в лабораториях. Наиболее распространенные виды плавятся при следующих температурах:

  • Простое стекло – 700-750 оС.
  • Стекло для изготовления посуды и тары – 1200-1400оС.
  • Ампульное – 1500-1800оС.
  • Кварцевое – 1650оС.

На предприятиях, которые работают со стеклом, температура в печах поддерживается на уровне 1600оС.

Бутылочное стекло

Есть два метода плавления стекла – литье и моллирование. При литье оно расплавляется до жидкого состояния и им заполняются необходимые формы (молды). Моллирование – процесс, при котором стекло нагревается до тягучего состояния и становится гнущимся и податливым. В таком состоянии с ним работают стеклодувы, изгибая и вытягивая материал.

Моллирование стекла

Как видно, температура расплавленного стекла имеет большие значения, достичь которых можно, если использовать качественную муфельную печь.

Печи для плавления стекла и их виды

Муфельная печь – устройство для равномерного нагревания веществ. Она состоит из:

  • Корпуса.
  • Камеры, которую еще называют муфелем.
  • Двери.
  • Блока управления.

Корпус может быть выполнен из нержавеющей стали или углеродистой. Модели из нержавейки служат намного дольше.

Муфель – самая важная часть печи, потому что именно в нем плавится стекло и располагаются нагревательные элементы. Он может быть выполнен из керамики, корунда или специального волокна.

Еще одна важная часть – это блок управления, который отвечает за выбор режима и настройку печи. Сейчас все печи оснащаются электронными блоками, которые вытеснили циферблатные.

Отличаются печи и по режиму обработки, бывают:

  • Работающие в воздушной среде (обычные).
  • Вакуумные (нагрев производится в вакууме).
  • Работающие в газовой среде (нагрев производится в присутствии различных газов, например, водорода, азота, аргона и пр.).

Есть модели, которые предназначены для домашнего использования, а есть профессиональные агрегаты, которые используются в лабораториях или на крупных предприятиях. Как отечественные, так и зарубежные производители выпускают различные варианты муфельных печей.

Особенности использования муфельной печи на примере плавления бутылочного стекла

Расплавить бутылку из стекла можно в домашних условиях, имея под рукой обычную муфельную печь. Стеклянные бутылки найти несложно, причем бывают они различных форм и цветов. Можно использовать тару от пива, соков, воды, косметики. Перед тем, как приступить к самому процессу, их нужно тщательно подготовить. Необходимо очень тщательно очистить бутылки от наклеек, чтобы на поверхности ничего не осталось. Затем их нужно вымыть и обсушить так, чтобы не было пятен и жирных следов.

Градус плавления стекла, из которого изготовлены бутылки, составляет примерно 700-750оС. Печь перед применением также необходимо проверить и очистить. Далее нагревательные элементы и исправность работы устройства нужно испытать с помощью пирометрического конуса.

Правила тестирования оборудования описаны в инструкции по эксплуатации. Многие печи имеют специальные тестовые программы, которые помогут узнать, исправна ли она

Для работы понадобится полка и форма для литья. Их также необходимо подготовить и нанести специальный сепараторный состав для отделения стекла. Форма для литья должна быть установлена так, чтобы оно не могло стечь за ее границы. Далее следует установить нужный температурный режим, который, как мы уже говорили, зависит от типа стекла и его химического состава.

Плавление бутылочного стекла

Подготовленную бутылку помещают в центр печи так, чтобы при расплавлении она стекала в форму. Нагревание необходимо производить постепенно, чтобы форма для литья не треснула. Нужно установить невысокие начальные значения и постепенно увеличивать их с небольшим шагом. При 500оС начинается плавление бутылочного стекла, причем сначала стекают тонкие стенки. На этом этапе необходимо попытаться равномерно прогреть бутылку, еще медленнее увеличивая температуру. Жидкое состояние стекло примет уже при 700оС, однако температуру следует увеличить еще на 70оС и выдержать жидкую субстанцию в этих условиях еще 10 минут. После этого необходимо произвести операцию отжига. Для этого полученное изделие выдерживается определенное время при 500оС. Это необходимо для того, чтобы заготовка не треснула.

Печь для плавления стекла – оборудование с высокими температурами, которое имеет повышенный класс опасности, поэтому при работе с ней нужно придерживаться правил техники безопасности. Используйте термостойкие перчатки и защитные очки.

Процесс плавления стекла

Отсутствие четкого числа заставляет нерационально использовать производственные ресурсы. Например, на стекольных заводах в печах поддерживают температуру около 1600 градусов Цельсия, притом, что многие виды могли бы без проблем расплавиться и при одной тысяче. Экономия энергоносителей позволила бы значительно снизить себестоимость готовой продукции, что положительно повлияло бы на экономическую эффективность деятельности стеклодувных заводов.

Температура плавления стекла в градусах начинается от 750 (некоторые источники приводят цифру от 1000) и продолжается аж до 2500. При этом, если брать акриловое стекло, которое по сути не является стеклом, а просто имеет такое название, то оно плавится всего при 160 градусах, а на 200 градусах уже начинает кипеть. Но оно состоит из органической смолы и не имеет в составе кремния и других химических элементов.

А вот остальные марки наоборот зачастую могут похвастаться пестрым разнообразием состава. Используемый в производстве песок часто проходит недостаточную очистку, в результате чего в готовых изделиях содержится много ненужного. Внешне это никак не отражается на эксплуатационных свойствах, но приводит к аморфности химических характеристик.

Понижения температуры плавления стекла можно достичь, если в расплав добавить соответствующие элементы. В бытовых опытах наиболее доступными являются оксид свинца и борная кислота. Массовую долю нужно будет рассчитать по известным формулам, так как она будет зависеть от количества расплавленного стекла. После застывания можно будет повторить свой опыт и убедиться, что теперь материал плавится при значительно меньшей температуре.

Но стоит учесть, что полученное стекло не имеет практического значения и годится исключительно для опытов. Это связано с тем, что добавление примесей изменяет и его рабочие параметры, так что вещество не сможет в полной мере справляться с возложенными на него функциями. Именно поэтому никто не изменяет технологический процесс с помощью добавления указанных компонентов.

Основные значения перехода стекла в жидкое состояние

–    температура плавления бутылочного стекла – 1200-1400 градусов по Цельсию;
–    температура плавления кварцевого стекла – около 1665 градусов по Цельсию;
–    температура плавления ампульного стекла – 1550-1800 градусов по Цельсию;
–    жидкое стекло температура плавления – 1088 градусов по Цельсию.

Для последнего вещества можно указать точную цифру, потому что оно не проявляет аморфных свойств, так как является водно-щелочным раствором силикатов натрия и калия. Стоит также учесть, что стекло плавится не сразу, а вначале переходит в тягучее карамелеобразное состояние. Это свойство используется мастерами-стеклодувами для создания различных изделий и сувениров.

Заняться подобным ремеслом можно и в домашних условиях. Недостатка в сырье не будет, так как можно найти массу стеклянных бутылок прямо на улице. А в качестве прибора для размягчения материала подойдет и обычная газовая лампа. Свои изделия ручной работы можно будет потом продавать на сувениры и зарабатывать неплохие деньги.

Плавление стекла в промышленности

Для производства стекла первым этапом готовят сырые материалы, которые смешивают в определенных пропорциях для получения однородной шихты. Данную смесь варят в стекловаренных печах до получения жидко однородной стекломассы.

Шихта плавится в печи при определенной температуре, которая зависит от химического состава. Нужная температура достигается с помощью топливных или газовых горелок. Высокая температура поддерживается несколько часов, чтобы стекломасса очистилась от пузырьков воздуха.

Ученые проводят исследования для выяснения температуры плавления разного вида стекла. Они заносят свои результаты в таблицы в зависимости от химического состава соединений, а также работают над увеличением прочности и изменением свойств, присущих стеклу.

Флоат – это метод, который используется в промышленности для производства стекла, изобрел Пилкингтон еще в 1959 году. Стекло из печи плавления поступает в прямоугольную ванну с расплавленным оловом, где его охлаждают, а затем отправляют на отжиг.

В промышленности используются стеклоплавильные печи, которые поддерживают температуру на уровне 1600 градусов Цельсия. Но это не всегда оправдано, так как многие виды стекла требуют температуру около 1000 градусов Цельсия. Соответственно поддержание меньшей температуры приведет к использованию меньшего количества топлива и удешевлению производства в целом.

Промышленное оборудование для плавления стекла

Самый важный моментдля варки стекла – это выбор печи для производства стекла.

Есть два вида классификации стекла и стекловаренных печей. В первом случае печи разделяются на горшковые и ванные. Во второй классификации вид печи зависит от способа нагревания. В этом случае различают пламенные, электрические и газоэлектрические агрегаты.

Горшковые печи чаще всего используются для малых объемов производства или для изготовления специальных оптических и светотехнических стекол.

Ванные печи – это большие резервуары с расплавленным оловом, по которому идеально ровно растекается стекло. Олово помогает постепенно охлаждать стекло от 1600 0 С до 600 0 С, что позволяет избежать внутренних напряжений и не ухудшить прочность готовой продукции.

Пламенные печи – наименее эффективные, КПД примерно 25-30%, плавка осуществляется посредством сжигания топлива. Энергия нагревания тратится не только на шихту, но и на котел.

Самый большой КПД у электрических печей (50-60%).

Эти агрегаты бывают:

  • дуговые;
  • прямого и косвенного сопротивления;
  • индукционные.

У электрических печей есть значительный минус, они напрямую зависят от надежного дешевого источника электроэнергии.

Газоэлектрические печи – это симбиоз первых двух видов. Плавка осуществляется путем сжигания газообразного топлива, а высокая температура поддерживается за счет прямого сопротивления.

Особенности плавление стекломассы в домашних условиях

В домашних условиях можно плавить стекло, но, как и в любом ремесле, необходимо специальное оборудование и соблюдение техники безопасности. Для плавления стекла нужно строго выдерживать температурный режим и временные интервалы, так как при несоблюдении временной выдержки или повышении температуры даже на несколько градусов, результат может быть совсем другой.

Для спайки элементов можно использовать газовую горелку. Для полноценной работы со стеклом необходимо приобрести специальную печь с температурным режимом до 1000 0 С. Для создания новых изделий подходят стеклянные бутылки, парфюмерные флаконы, и другие часто используемые в быту стеклоизделия. Для качественного результата необходимо тщательно очистить материал от этикеток и других посторонних элементов. Допускается расплавка стекла с краской, но следует учитывать, что эта краска скажется на конечном результате.

В домашних условиях чаще всего применяют технику фьюзинг. Данный вид не требует четкого контура, скорее помогает создать акварельный результат. Техника подходит для изготовления украшений и других небольших творческих изделий.

Плавление стекла в домашних условиях сопряжено с рядом трудностей, среди которых расчет температуры плавления разных материалов и четкая выдержка заданного режима и времени.

 

 

Источники:

  • https://labor-snol.ru/news/kak-rasplavit-steklo
  • https://promplace.ru/steklo-staty/-1990.htm
  • https://oknaforlife.ru/poleznaya-informatsiya/temperatura-plavleniya-okonnogo-stekla
  • https://www.syl.ru/article/319546/temperatura-plavleniya-stekla-maksimalnyie-i-minimalnyie-pokazateli

Оцените статью:
[Всего голосов: 1    Средний: 1/5]