Стекло

Иными словами, разнообразные потребности человеческого общества не позволяют ограничиться одним сортом стекла, обладающим стандартными качествами, а заставляют иметь много разных сортов, вернее, типов стекла, каждый из которых будет отличаться какими-то особыми, только ему присущими свойствами. В погоне за такой своеобразной специализацией стекол нередко для достижения одних свойств приходится жертвовать другими. Так, например, мы миримся с пузыристостью и свилистостью некоторых сортов оптического стекла, отличающихся зато редким сочетанием своих оптических свойств; не обращаем внимания на желтизну защитных рентгеновских стекол или недостаточную термическую стойкость хрусталя.

Как же достигнуть столь большого разнообразия в типах стекол? Как добиться того, чтобы каждому из этих типов были присущи требуемые свойства?

Здесь мы подходим к одному очень важному в технике вопросу.

Совсем недалеко еще то время, когда не знали, что свойства тела прежде всего связаны с его химическим составом, с тем, какие вещества, какие химические элементы его образуют и в каких количественных взаимоотношениях они для этого сочетаются. Ломоносов первый обратил на это серьезное внимание. До него, конечно, знали, что стекло можно сварить из разных исходных материалов, но считали, что раз стекло сварено, то свойства его всегда окажутся одними и теми же, независимо от того, какие вещества введены в его состав. Ломоносов понимал, что это не так, и в опытах, которыми он закладывал начало науки о стекле, всегда учитывал состав стекла как фактор, способный в корне изменить свойства стекла, а следовательно, и его поведение в той или иной обстановке эксперимента.

Сейчас уже хорошо известно, как химический состав любого вещества влияет на его свойства. Изучением этого вопроса в наше время занимаются во всех отраслях науки. Его исследуют отдельные ученые, лаборатории и институты, о нем написано множество книг. Знанием законов влияния состава вещества на его свойства объясняется то изобилие разнородных материалов, которое человек привлек к удовлетворению потребностей своего быта и для нужд своей деятельности.

Этим путем было достигнуто и умение управлять в широких пределах свойствами стекла, маневрируя его составом.

Каков же состав стекла?

Главной составной частью стекла, входящей в него в наибольшем количестве и определяющей все его типичные свойства, является кремнезем. Кремнезем представляет собой очень прочное химическое соединение одного атома кремния с двумя атомами кислорода.

Насколько велико значение в природе этого соединения, можно судить по тому, что оно составляет около 60% земной коры.

Природные или искусственные вещества, в состав которых входит кремнезем, называются силикатами. Помимо горных пород, к ним относится обширный ряд искусственных материалов, производство которых сейчас составляет самостоятельные крупные отрасли народного хозяйства, как, например, фарфоро-фаянсовое производство, производство огнеупорных материалов, кирпича, вяжущих веществ, стеклоделие.

Кремнезем вводится в состав стекла в виде кварцевого песка. Кварцевый песок принадлежит к числу вторичных горных пород. Он образуется путем разрушения атмосферными агентами (или, как говорят, «выветривания») тех первичных кристаллических пород, которые содержат в себе минерал кварц. Такой породой, например, является гранит, состоящий из кристаллов кварца, полевого шпата и слюды. Зерна этих минералов, освобождающиеся в результате выветривания гранитов и им подобных горных пород, подхватываются водными потоками или ветром и переносятся иногда на громадные расстояния, пока соответствующие топографические или климатические условия не остановят их движения и не образуют «залежей» или «отложений» данного материала той или иной мощности.

В процессе этого вынужденного путешествия в подземных и надземных водных потоках судьба зерен каждого типа будет различна. Она будет зависеть от их величины, формы, удельного веса и химических особенностей. Некоторые минеральные зерна будут отнесены дальше, другие ближе. Одни только изменят свою форму в результате трения друг о друга и отсортируются по крупности, другие подвергнутся сильным химическим превращениям и дадут начало новым веществам.

В результате этого процесса зерна кварца приходят к месту своего окончательного отложения в виде крупинок более или менее правильной, окатанной, шарообразной формы с диаметром, обыкновенно не превышающим 1-2 мм, иногда очень точно отсортированных по крупности.

В стекловарении используются только самые чистые разновидности кварцевого песка, в которых общее количество загрязнений не превышает 2-3%. Особенно нежелательно присутствие железа, которое, встречаясь в песках даже в таких ничтожных количествах, как десятые доли процента, окрашивает стекло в неприятный зеленоватый цвет. Принимая во внимание, что железо — также очень распространенный элемент на земле, становится понятным, что избежать его в песках не очень легко и что высококачественные чистые отложения стеклопромышленных кварцевых песков встречаются в природе не так уж часто.

Стекло можно сварить из одного песка, не прибавляя к нему никаких других веществ, но для этого нужна очень высокая температура (выше 1700°). Получение таких высоких температур в печах промышленного типа связано с большими трудностями. Обычные печи, в которых используется твердое, жидкое или газообразное топливо, для этого не годятся; приходится прибегать к электрическим печам специального устройства, эксплуатация которых обходится дорого.

Кроме того, при столь высоком нагреве сильно разрушается огнеупорный материал, из которого выложена печь и изготовлен стекловаренный сосуд. Наконец, расплавленный кварцевый песок представляет собой такую густую, вязкую массу, что из нее очень трудно удалять воздушные пузырьки и придавать изделиям нужную форму. Правда, иногда приходится мириться с этими трудностями, а также с дефектами и высокой стоимостью получаемых изделий ради одного замечательного достоинства кварцевого стекла, выражающегося в способности выдерживать любые температурные скачки. Раскаленные добела кварцевые тигли можно бросать в воду, не боясь растрескивания. Благодаря этому свойству кварцевые стаканы, тигли, чашки и трубки поистине незаменимы в лабораторной технике, что и заставляет поддерживать их производство в объеме, удовлетворяющем потребности лабораторий. Понятно, эти изделия не могут служить предметом широкого потребления.

Тугоплавкость песка, являющаяся причиной всех трудностей при попытках сварить из него стекло, может быть значительно ослаблена прибавлением некоторых веществ. Так, например, если мы примешаем к песку соду, то нам удастся сварить стекло при температуре на 200-300° более низкой. Расплав при этом получится менее вязкий, будет успешно освобождаться от пузырей и позволит с удобством формовать из него изделия вполне удовлетворительного внешнего качества. Плавка при этом может производиться в обыкновенных топливных печах, огнеупорный материал будет работать в нормальных условиях и хорошо сохраняться. Однако достигнутый успех нас удовлетворить не может, так как оказывается, что сваренное при этих условиях стекло растворимо в воде и приготовленные из него изделия быстро разрушаются на воздухе под действием атмосферной влаги. Такой материал, конечно, не может быть использован для изготовления стеклянных изделий.

Растворимое стекло находит себе широкое применение в других отраслях народного хозяйства, например в мыловаренной промышленности, в лакокрасочном деле, в текстильном и бумажном производствах, в дорожном строительстве, при проведении подземных выработок, для пропитки рыхлых грунтов с целью их уплотнения, при изготовлении крупных строительных блоков и т. д. Растворимое стекло изготовляется у нас в количестве десятков тысяч тонн ежегодно и составляет значительную отрасль химической промышленности.

Итак, мы убедились, что ни песок один, ни смесь его с содой не дают при сплавлении такого материала, который необходим для стекольной промышленности. Нужно исправить недостаток такой двухкомпонентной смеси, дающей растворимое в воде стекло. Оказывается, для этого достаточно добавить третье вещество, например известь. Действительно, если мы составим не двух-, а трехкомпонентную смесь, или, как говорят стекольщики, «шихту», состоящую из песка, соды и известняка или мела, то получим стекло, вполне нас удовлетворяющее по всем своим свойствам.

Известняк и мел — это горные породы, имеющие одинаковый химический состав, способные в ряде случаев заменять одна другую. Обе породы принадлежат к числу весьма распространенных на земле. Известковая, так называемая «бутовая», плита относится к числу самых обычных строительных материалов и используется для кладки фундаментов. Мел же представляет собой в основном скопление известковых панцирей мелких организмов. Он образует в природе мощные залежи, целые горы и широко применяется в строительном деле как материал для побелки стен и потолков.

Остановимся на явлениях, которые происходят в шихте, когда она подвергается действию высоких температур. Сода и известняк (или мел) представляют собой карбонаты, т. е. соли угольной кислоты. Под влиянием жара печи они будут диссоциировать, или распадаться, с выделенном газообразной углекислоты, которая удалится из печи вместе с продуктами горения — дымом. При этом от соды в шихте останется окись натрия, а от известняка (или мела) — окись кальция. Вот эти-то два окисла, соединившись с кремнеземом песка, и образуют стекло.

Таким образом, мы подошли к самому обычному, самому распространенному химическому составу стекла — натриево-кальциевому, который свойствен по меньшей мере девяти десятым всего выплавляемого на земном шаре стекла.

Теперь мы имели случай убедиться в справедливости высказанного выше замечания о дешевизне, легкодоступности сырых материалов стекловарения. Действительно: песок и известняк — распространеннейшие горные породы, стоимость которых на месте залегания практически равна нулю. Нужно понести некоторые затраты лишь на добычу их и доставку на завод, что не очень обременительно, так как месторождений песков и известняков в СССР множество, а стекольные заводы располагаются всегда поблизости от них.

Сравнительно более дефицитным компонентом стекольных шихт является сода. Эта знаменитая соль натрия известна с древнейших времен. Раньше она добывалась из воды некоторых озер, позднее также из золы солончаковых растений, а за последние полтора века содовое производство стало одной из самых мощных ветвей химической промышленности. Сода производится сотнями тысяч тонн в год и идет для удовлетворения нужд самых разнообразных отраслей народного хозяйства — в основном на мыловарение, текстильное и стекольное производства. Ввиду громадного спроса на этот материал со стороны самых разнообразных потребителей стекольная промышленность за последнее время начала заменять его другим, менее дефицитным, а именно — сульфатом натрия, или так называемой глауберовой солью. В СССР имеются неограниченные природные источники получения этой соли. В одном Кара-Богаз-Голе (заливе Каспийского моря) ежегодно осаждаются миллионы тонн сульфата, и стоимость его на стекольных заводах также определяется лишь затратами по добыче и доставке.

Варка стекла на сульфате идет не так легко, как на соде, требует несколько более высоких температур и нуждается в добавке в шихту угля, который помогает разложению глауберовой соли на окись натрия и сернистый газ.

Итак, мы выяснили, что в состав стекла, помимо кремнезема, должно войти минимум два вещества: окись натрия и окись кальция. Но оказывается, что вместо окиси натрия можно с успехом ввести окись калия, а вместо окиси кальция — окись магния, окись свинца, окись цинка или окись бария. Кроме того, часть кремнезема можно заменить некоторыми другими веществами, например борной или фосфорной кислотой. Наконец, в каждом стекле содержится небольшое количество глинозема, попадающее из стенок стекловаренного сосуда, всегда в какой-то очень небольшой степени растворяющихся в расплавленном стекле. Все эти вещества, участвуя в различных количественных сочетаниях, дают стекла с очень разными свойствами.

Изучив детально, как влияет каждый из перечисленных окислов металлов на то или иное свойство стекла, в какую сторону и насколько он это свойство изменяет, можно, варьируя состав стекла, изменять его свойства в желаемом направлении.

Например, мы знаем, что борная кислота, вводимая в стекло взамен щелочей, понижает коэффициент теплового расширения стекла и, следовательно, делает его более устойчивым по отношению к резким температурным скачкам, поэтому мы вводим бор в стекло, предназначенное для изделий, которые будут подвергаться внезапным изменениям температуры.

Мы знаем, что свинец сильно увеличивает показатель преломления стекла, и на основании этого мы вводим большое количество свинцового сурика в шихту хрусталя, из которого будут изготовляться художественные граненые изделия, главная красота которых заключается в многоцветной игре преломляющегося света.

Известно, что щелочи повышают растворимость стекла, поэтому мы стараемся довести их содержание до минимума в стекле, предназначенном для химической посуды.

Таким образом, несмотря на очень ограниченное количество окислов, вводимых в состав стекла, можно, варьируя их количественное соотношение, сильно изменять свойства стекла. Однако можно пользоваться этим средством лишь в ограниченных пределах. Так, например, если мы превысим допустимую норму содержания песка, шихта окажется слишком тугоплавкой, варка пойдет с большими трудностями и нам не удастся получить прозрачного, свободного от пузырей расплава. Если же, наоборот, мы введем слишком много щелочей за счет песка, стекло окажется химически нестойким и поверхность его начнет быстро мутнеть под воздействием атмосферной влаги.

Чтобы закончить наши рассуждения о химической природе стекла и тех веществах, из которых оно образуется, приведем примерные составы некоторых типичных промышленных стекол (табл. 1).

Беглого взгляда на приведенные рецепты достаточно, чтобы убедиться в разнообразии комбинаций, составляемых из небольшого количества стеклообразующих окислов. Этот перечень рецептов можно увеличить в десятки раз. Одни оптические стекла охватывают собой несколько сот сортов, из которых каждый обладает какими-то особенными свойствами и имеет свой состав. отличающий его от всех других стекол.

Таким образом, разнообразные требования к свойствам стекла на практике удовлетворяются различными комбинациями нескольких входящих в состав стекол окислов. Иногда этих окислов в состав стекла входит очень мало (но не меньше трех), иногда — до десяти. Содержание главной составной части стекла — кремнезема — колеблется от 85 до 35%, а щелочей, т. е. окислов натрия и калия, — от 17% почти до нуля. Такие вещества, как окись бария и окись свинца, иногда совершенно отсутствуют, а иногда содержание их в стекле поднимается до 30-45% и выше[1].

Все ото лишний раз подтверждает, что химический состав — могущественное средство, которым пользуются для придания материалу нужных свойств.

Итак, мы имеем достаточно полное представление о природе стекла, о его свойствах и о химических соединениях, входящих в его состав.

Познакомимся теперь с условиями его приготовления.

Как уже говорилось раньше, для того чтобы из смеси сырых материалов — шихты — получилось стекло, ее необходимо подвергнуть действию высокой температуры. При этом первой расплавится щелочь, после чего в ней начнут растворяться зерна кварца и известняка, вступая между собой в химическое соединение с образованием различных, растворенных друг в друге силикатов.

В результате по истечении нескольких часов при температуре около 1400-1500° получается расплав, в котором уже не осталось ни одной крупинки исходных материалов. Этим заканчивается первая стадия варки стекла, называемая «проваром шихты». Расплав представляет собой прозрачное вещество и уже может быть назван стеклом, так как при охлаждении он сохранит свою прозрачность и не будет обнаруживать признаков кристаллического строения, присущего всем исходным материалам, входившим в шихту.

Однако этот расплав еще не является готовым стеклом, из которого можно формовать изделия. Он недостаточно однороден. В нем имеется громадное количество пузырьков и так называемых «свилей» — нитеобразных потоков. Пузырьки бывают разной величины — от одного сантиметра до сотых в даже тысячных долей миллиметра в диаметре. Самые мелкие из них называются «мошкой». Пузырьки наполнены воздухом и газами, находящимися в продуктах горения, а также выделяющимися из шихты при диссоциации ее компонентов под влиянием высоких температур. Удаление пузырьков из расплава благодаря его большой вязкости представляет собой очень трудную задачу, не всегда удающуюся до конца.

На рис. 1 показаны пробы, последовательно извлекаемые из расплава по мере протекания процесса стеклообразования и характеризующие разные стадии варки стекла.

Рис.1. Стадии варки стекла

Свиль — это видимая граница двух соседних участков стекла неодинакового состава; она является признаком недостаточной однородности, недостаточно хорошей перемешанности расплава (рис. 2). Аналогичную картину свилистости мы можем наблюдать в стакане чая, когда в нем растворяется кусок сахара. При этом нетрудно заметить клубок нитевидных потоков, который будет подниматься над сахаром до тех пор, пока сахар не растает и чай не будет как следует перемешал ложкой.

Рис. 2. Свили в стекле

Чтобы пузырьки и связи удалились из расплавленного стекла, его нужно выдержать в течение нескольких часов при высоких температурах. Этот второй этап варки стекла называется «осветлением». Расплав будет постепенно разогреваться и становиться все более и более жидким, что облегчит удаление пузырей, так как скорость их подъема в жидкости обратно пропорциональна ее вязкости, и поможет уничтожению свилей, так как расплав будет лучше перемешиваться.

Чтобы понять, почему именно расплав будет лучше в этом случае перемешиваться, нужно иметь в виду, что процесс перемешивания стекломассы осуществляется тремя путями: во-первых, конвекционными потоками, которые всегда возникают в подогреваемой жидкости (более теплые, более легкие слои жидкости поднимаются, а более холодные, более тяжелые опускаются); во-вторых, диффузией, т. е. способностью жидкостей и газов проникать друг в друга при соприкосновении; в-третьих, поднимающимися в стекломассе в период осветления пузырьками.

Все эти три фактора — и конвекционные потоки, и диффузия, и поднимающиеся пузырьки — действуют гораздо активнее в более подвижных, менее вязких жидкостях, а потому и перемешивание стекломассы пойдет тем успешнее, чем выше будет ее температура.

Когда стекломасса будет выдержана при высоких температурах (1400-1500°) достаточный промежуток времени и главная масса пузырей и свилей будет удалена, можно считать, что период осветления успешно завершен. Наступает третий этап варки, называемый «студкой». Задача этого периода — осторожное охлаждение стекломассы до той температуры, при которой она примет необходимую для последующего процесса формования вязкость, или густоту. Мы сказали, что охлаждение должно быть осторожным, имея в виду неприятные неожиданности, встречающиеся иногда на этом этапе варки. Нередко при охлаждении хорошо сваренное стекло, бывшее совершенно беспузырным, вдруг пронизывается бесчисленным количеством мошки — до нескольких тысяч штук в одном кубическом сантиметре (рис. 3). Происхождение этого явления связано с очень сложным вопросом о газах, содержащихся в скрытом виде в стекле. Доказано, что совершенно чистое, беспузырное стекло может содержать в себе очень много газов, объем которых в несколько раз превышает объем самого стекла. Эти газы либо химически связаны с компонентами стекла, т. е. образуют сними какие-нибудь определенные соединения, либо просто растворены в стекле физически подобно тому, как газы растворяются в воде. Такое «зараженное» газами стекло представляет во время варки большую опасность: достаточно, чтобы одна миллионная часть незримо заключенных в стекле газов пожелала выделиться в виде мельчайших пузырьков, чтобы все стекло, безупречное по качеству, было приведено в полную негодность. А ведь для того чтобы выделилась одна миллионная часть растворенных в стекле газов, достаточно ничтожно маленькой причины, настолько маленькой, что ее не только предотвратить, но даже и обнаружить чрезвычайно трудно. Я помню, как много лет назад, когда в Советском Союзе впервые ставилось производство оптического стекла, мы мучились с этим мелким пузырьком, так называемой «вторичной мошкой», появляющейся в период студки стекла. Я помню, как мы искали, и не без основания, причины этого явления в ничтожных колебаниях атмосферного давления и поддерживали для этой цели постоянный контакт с метеорологическими станциями.

Рис. 3. Мелкие пузыри, или «мошка», в стекле

Итак, мы убедились не только в том, что варка стекла является самой ответственной операцией стеклоделия, определяющей важнейшие количественные и качественные показатели производства, но также и в том, что в этом процессе мы сталкиваемся с очень сложными физико-химическими явлениями силикатообразования, протекающими в чрезвычайно трудной для экспериментального исследования обстановке и совершенно недостаточно еще нами изученными.

Наши представления о варке стекла как наиболее ответственном и трудном процессе стеклоделия были бы не полны, если бы мы не остановились еще на одном вопросе.

Жидкая стекломасса, раскаленная до 1500° и содержащая 15-20% расплавленных щелочей, представляет собой исключительно агрессивное в химическом отношении вещество. Из какого же материала должен быть сделан предназначенный для варки стекла сосуд, стенки которого могли бы выдерживать долговременное соприкосновение с таким поистине чудовищным растворителем? Существует ли такой стойкий материал в природе или в числе творений рук человеческих?

По счастью, такой материал нашелся. Он долгое время оставался единственным. Люди пять тысяч лет пользуются им для варки стекла и, по существу, ничем лучшим его до сих нор не заменили.

Этот материал — глина.

Глина принадлежит к числу очень огнеупорных материалов. Ее чистые разновидности, свободные от загрязняющих примесей, плавятся при температуре, близкой к температуре плавления платины (около 1780°). Природная глина обладает двумя замечательными свойствами, обеспечивающими ей столь широкое распространение в различных отраслях промышленности, — пластичностью, т. е. способностью легко воспринимать и хорошо сохранять форму, и огнеупорностью, точнее — способностью твердеть, каменеть под действием огня. Первое качество обеспечило простоту и дешевизну методов формования изделий, второе — надежный способ навечно сохранить полученную форму путем обжига. На этих двух свойствах глины построена керамическая промышленность — одна из самых старых на земле и одна из самых важных по своему значению в жизни человека.

Глина, так же как в кварцевый песок, — весьма распространенная на земле горная порода вторичного происхождения. Она представляет собой продукт разрушения атмосферными агентами некоторых изверженных пород, богатых полевыми шпатами, например гранитов, гнейсов, порфиров. В процессе выветривания этих пород щелочи полевых шпатов вымываются водой и остается чрезвычайно тонкодисперсный минерал каолинит, состоящий из одной молекулы глинозема, двух молекул кремнезема и двух молекул воды. Этот минерал, смешанный с обломками некоторых сопутствующих ему минералов (например, кварца, полевого шпата, слюды, железорудных и некоторых других минералов), относится от места своего образования водными потоками иногда на очень большие расстояния. В застойных бассейнах при потере скорости потоков происходит осаждение взвешенных в воде частиц нередко с образованием очень мощных тонкодисперсных илистых напластований, однородных по своему строению, освобожденных от грубых включений посторонних минералов отмучиванием в процессе переноса.

Так возникают месторождения глин, называемых «вторичными», в отличие от «каолинов», или «первичных глин», которые не подвергались переносу и, в силу особенностей топографических условий, остались на месте своего образования. В подавляющем большинстве случаев месторождения вторичных глин сильно загрязнены железистыми примесями, понижающими их тугоплавкость и придающими обожженным глиняным изделиям интенсивную желто-оранжевую окраску. Такие глины обычно применяются в простом гончарном производстве и при изготовлении строительного кирпича. В обоих случаях понижение огнеупорности, т. е. понижение температуры спекания «глиняного черепка», только выгодно, так как упрощает и удешевляет обжиг изделий, а желтая окраска не имеет значения.

Но в сравнительно редких случаях глина приносится к месту окончательного залегания совершенно чистой, избежав на своем пути встреч с такими потоками, которые могли бы загрязнить ее посторонними веществами, в первую очередь железистыми примесями. Так образуются месторождения глин, обладающих драгоценными техническими свойствами, прежде всего — высокой огнеупорностью. Подобные месторождения насчитываются единицами и делаются знаменитыми на многие десятилетия по той пользе, которую они приносят человечеству.

Из такой высокоогнеупорной чистой глины и изготовляются сосуды для варки стекла.

До конца прошлого столетия эти сосуды имели форму простых толстостенных горшков, цилиндрических или слегка расширяющихся кверху. В очень древние времена, когда техника стекловарения находилась в зачаточном состоянии, когда высокие температуры достигались с большим трудом и размеры стеклянных изделий не превосходили масштабов украшений женского туалета, емкости стекловаренных сосудов были очень малы. Это, вероятно, были совсем небольшие тигельки. Но с течением времени, по мере развития техники, размеры их постепенно возрастали, и сейчас мы имеем стекловаренные горшки, вмещающие до 2-3 т стекломассы.

Это — один из типов, применяющихся сейчас сосудов для варки стекла, а служащие для этого печи называются «горшковыми» печами.

Но существуют также печи, предназначенные для массовой выплавки особо ходовых сортов стекла, например оконного; они называются «ванными» печами и отличаются от «горшковых» не только своими огромными внешними габаритами, но также формой и величиной того вместилища или того сосуда, в котором находится стекло во время варки. Такие печи вошли в употребление около ста лет назад (рис. 4).

Рис. 4. Ванная стекловаренная печь

В ванных печах расплавленная стекломасса помещена в прямоугольный бассейн 4, имеющий в ширину 7-8 м, а в длину до 30-35 м. Глубина слоя стекла, заполняющего бассейн, доходит до полутора метров. Это — поистине циклопическая ванна. В нее входит больше тысячи тонн стекломассы, иначе говоря, целый железнодорожный состав сырых материалов.

В отличие от горшковых печей, варка стекла в ванных печах протекает как непрерывный процесс. С переднего, обращенного к нам на рисунке конца бассейна, через загрузочный карман 3 непрерывно при помощи автоматических устройств подается шихта, поступающая в бункера 2 из подходящих по монорельсу контейнеров 1, а с противоположного конца бассейна 6 формующие машины днем и ночью выбирают сваренную стекломассу и безостановочно выбрасывают на эстакады сотни тони продукции.

Под раскаленным добела сводом печи расплавленная масса стекла медленно, никогда не останавливаясь, течет вдоль стен канала, в то время как гигантские газовые горелки с ревом стелют свое пламя поперек этого потока, поддерживая температуру на уровне 1500°.

Понятно, в каких непомерно тяжелых условиях находится материал, из которого сделаны стенки и дно бассейна ванной печи, и здесь мы опять используем в основном огнеупорную глину. Она способна выстаивать месяцами, непрерывно омываемая огнедышащим потоком расплавленного стекла. Из нее изготовляется главная масса тех громадных кирпичей (брусьев), весом до 100 кг каждый, из которых выкладываются стенки и дно бассейна ванных печей. Лишь в редких, особо ответственных случаях в последнее время стали применять специальные высокоогнеупорные муллитовые, корундовые и кварцевые брусья.

Интересна такая деталь. Огнеупорные брусья кладут всухую впритык один к другому. Хотя и стараются добиться при этом возможно более плотного прилегания, все же между брусьями остаются узкие щелевидные промежутки, как говорят — «швы». Жидкая расплавленная стекломасса легко проникает в эти швы, она вытекла бы наружу, если бы стенки и дно бассейна не охлаждались с внешней стороны непрерывно действующими воздуходувными машинами. Вследствие этого проникшая в швы жидкая стекломасса застывает раньше, чем успеет приблизиться к наружным стенкам кладки, и останавливает таким образом дальнейшее просачивание стекломассы.

Конструкция ванных печей дает возможность проникнуть в пространство, находящееся непосредственно под дном бассейна. Подняв голову, можно отчетливо увидеть прямоугольную сетку ярких, огненно-красных «швов», ограничивающих отдельные брусья.

Современные ванные стекловаренные печи — это весьма сложные сооружения громадных размеров. Каждая из них помещается в специальном здании, которое занимает площадь немногим меньше гектара. Кирпича, идущего на кладку одной ванной печи, хватило бы на постройку двух школ десятилеток.

Нижняя, наиболее объемистая часть строения печи представляет собой две огромные камеры 7 [2], заполненные так называемой «насадкой», т. е. кирпичом, уложенным в клетку с большими прозорами 8. Эти камеры называются «регенераторами», и назначение их заключается в том, чтобы улавливать тепло, теряющееся с горячими продуктами горения, покидающими печь через трубу в виде дыма. Эти продукты горения, раньше чем попасть в дымовую трубу, протягиваются через одну из регенераторных камер, скажем от нас правую, и отдают свое тепло кирпичной насадке, накаливая ее до 1000° и выше. Когда температура насадки достигает своего высшего предела, поток горячих продуктов горения направляют при помощи особых перекидных устройств 10 в другую, левую от нас, камеру, а через правую, только что накаленную, начинают протягивать воздух, поступающий в печь на горение. При этом воздух нагревается и возвращает печи то тепло, которое она теряла бы в трубу, если бы не существовало регенератора.

Когда и левая камера нагреется до предела, опять переключают поток горячих газов на правую камеру, а воздух начинают протягивать через левую, и т. д.

Кроме воздуха, подогревают также и газ, поступающий в печь на горение, для чего устраивают вторую пару регенераторов, расположенных параллельно первым 9 [3].

Остановимся несколько подробнее на конструкции горелок 5, являющихся устройствами, через которые подогретые газ и воздух поступают из регенераторов в печь на горение.

Таких горелок, как видно на рисунке, в нашем случае имеется по семь с каждой стороны бассейна. Одна из них разрезана, для того чтобы можно было видеть ее несложное устройство. Каждая горелка — это сооружение, выложенное из огнеупорного материала и заключающее в себе два коротких спаренных канала, из которых нижний 11 соединен с газовым регенератором, а верхний 12 — с воздушным. По этим каналам газ и воздух поступают в печь под некоторым напором, образуют горючую смесь и воспламеняются в виде факела в несколько метров длины, пересекающего поперек всю ширину бассейна. В регенераторных печах горелки всегда работают попеременно: либо правые, либо левые. Когда работают правые, левые бездействуют и служат лишь каналами, по которым отработанные накаленные газы, т. е. продукты горения, будут уводиться из печного пространства в левые газовый и воздушный регенераторы, чтобы нагревать их кирпичную насадку, успевшую остыть за то время, пока действовали левые горелки.

Такими перемежающимися режимами, то правым, то левым, сменяющимися примерно через каждый час, работает всякая регенераторная печь.

Верхнее строение печи, расположенное между горелками, — наиболее ответственная часть, в которой протекает варка стекла и где господствуют наиболее высокие температуры, необходимые для завершения процессов стеклообразования.

Продолжением печи служит «студочная», или «выработочная», часть, где путем постепенного охлаждения стеклу придается необходимая вязкость и откуда производится питание формующих машин стекломассой. Конструкция и размеры выработочной части печи бывают различными и зависят от типа выпускаемых изделий, а следовательно, и от особенностей формующих машин.

Понятно, что такое чудовище, как современная стекловаренная печь, должно пожирать громадное количество шихты. Суточный расход сырых материалов достигает 200-300 т и больше. Песок, сода, сульфат, известняк потребляются ежедневно вагонами. Если мы представим себе, что все эти материалы, раньше чем поступить в шихту, должны подвергнуться некоторой предварительной переработке — дроблению, высушиванию, промыванию, иногда освобождению от вредных примесей, а полученная из них смесь должна быть тщательнейшим образом перемешана, а нередко после этого и подвергнута прессованию в брикеты, то станет ясным, что составной цех завода, т. е. тот отдел, где заготовляется шихта, по масштабам своим и разнообразию оборудования представляет собой крупное обособленное звено технологического процесса, состоящее на правах самостоятельной небольшой «обогатительной фабрики», как выражаются в горнорудном деле.

Большая часть этого громадного здания занята отсеками для хранения различных сырых материалов вместимостью до нескольких сот тонн каждый. Мощный мостовой кран с грейфером, который может захватить и поднять до 5 т материала, катается под крышей вдоль всего здания и производит все необходимые транспортные операции по загрузке и разгрузке хранилищ сырых материалов и по обслуживанию всех механизмов, предназначенных для предварительной обработки компонентов шихты.

На рис. 5 представлен общий вид такого цеха с его хранилищами, транспортными, помольными, тушильными и другими механизмами. Боковые стены и крыша здания на рисунке не показаны.

Рис 5. Цех приготовления шихты