Стекло - [9]

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.