Стадии процесса варки оптического стекла

Варка – сложный тепловой процесс в течении которого компоненты смеси стекломатериала претерпевают ряд физических и химических изменений. Процесс варки можно условно разделить на стадии:

1) Силикатообразование;

2) Стеклообразование;

3) Осветление;

4) Гомогенизация;

5) Охлаждение.

Стеклообразование, осветление и гомогенизация начинаются одновременно. После окончания стеклообразования последние стадии проходят совместно до завершения процесса варки. В результате протекания каждой стадии изменяется состояние стекла в физическом и химическом отношении по признакам которых удобно разделить процесс варки.

Силикатообразование начинает происходить уже при температуре 400°C когда заканчиваются основные химические реакции в твердых частицах и улетучиваются газообразные составы, испаряется вода, а не прореагировавшие компоненты спекаются. С дальнейшим повышением температуры плавятся эвтектические соединения и некоторые соли, твердые вещества растворяются в расплавах и реакции ускоряются. Большинство реакций эндотермические и для ускорения провара нужна интенсификация подачи стекла.

Стеклообразование начинается когда стекло представляет собой еще пенистый расплав, который насыщен частицами шихты, кварца и пузырьками газов. Кварцевый песок растворяется в расплаве силикатов, а силикаты провариваются, стекло становится прозрачным, число пузырей и пена уменьшается. Стеклообразование продолжительно во времени особенно для вязких составов стекла. Для низкотемпературных стеклообразующих необходимо интенсивно увеличивать температуру, перемешивать стекломешалкой, бурным выделением газов.

Осветление заключается в освобождении стекла от газовых пузырьков, т.е. выравнивание ее в физическом отношении. Шихта содержит до 18% песка связных газов, которые в большинстве испаряется в печи но часть их остается в виде пузырьков, растворенных в стекле. Газы выделяются из расплава стекла благодаря причинам: изменению химического состава, неравномерному состоянию химически связных компонентов, контакту с парами, кристаллами огнеупора горшка. Из газов образуются пузыри, содержащие СО₂, СО, SO₂, О₂, пары воды. Большое количество пузырей делает стекло не пригодным для изготовления оптических деталей. Чтобы легче удалить пузыри нужно сделать стекло менее вязким и создать в нем восходящий поток. Для этого повышают температуру на 100°C выше температуры провара шихты, и интенсивным механическим перемешиванием стекла, добавкой в состав стекла осветителей, которые интенсивно выделяют легкие пузырьки О₂, способствующие перемешиванию стекла и удалению тяжелых пузырей из СО и СО₂.

Гомогенизация – процесс приведения стекла к состоянию химической однородности. В следствии разнородности исходных гранулометрического и химического состава компонентов шихты жидкое стекло состоит из частиц малых объемов различных сплавов между которыми есть границы раздела. Тепловое и механическое движение частиц возникающее при проваре и осветлении в стекле, растягивает частицы имеющие разный химический состав и показатели преломления, в потоки, одиночные волокна – свили. Выравнивание составов потоков происходит путем диффузии. Гомогенизация ускоряется движением пузырей, конвекционных потоков и мешалки, растягивающих потоки грубых свилей в тонкие волокна, которые исчезают в результате диффузии.

Охлаждение необходимо для получения стекла вязкостью обеспечивающей ее отлив из стекло варенного сосуда. При охлаждении в стекле продолжаются процессы осветления и гомогенизации. Режим охлаждения должен выдерживаться строго по графику – чтобы избежать появление кристаллизации. Нарушение теплового и концентрационного равновесия, самопроизвольного выделения по всему объему газов в виде мельчайших пузырей.