2.2 Taveni skla

[tm21 Schott]


Taveni, miseni jednotlivych surovin pri vysoke teplote a vytvoreni skloviny, je hlavni fazi vyroby skla. Existuje rada zpusobu taveni skla, ktere zaviseji na pozadovanem vyrobku, jeho konecnem pouziti, na provozu a na komercnich pozadavcich. Podle nich se voli slozeni skla, suroviny, technika taveni, vyber paliva a velikost pece.


2.2.1 Suroviny pro vyrobu skla

[tm18 CPIV, tm21 Schott]


Tabulka 2.1 uvadi nejdulezitejsi sklarske suroviny. Podrobnejsi tabulka je uvedena v kapitole 3.


Tabulka 2.1: Dulezite sklarske suroviny



Sklotvorne materialy Kremicity pisek, strepy z vyroby, strepy ze spotrebitelskeho sberu


Polotovary a modifikatory Kalcinovana soda (Na2CO3), vapenec (CaCO3), dolomit (CaCO3.MgCO3), zivec, nefelin, uhlicitan draselny, kazivec, oxid hlinity, oxid zinecnaty, oxid

olovnaty, uhlicitan barnaty, cedic, bezvody siran sodny, siran vapenaty a

sadra, siran barnaty, dusicnan sodny, dusicnan draselny, materialy obsahujici bor (napr. borax, kolemanit, kyselina borita), oxid antimonity,

oxid arsenity, vysokopecni struska (smes kremicitanu vapenateho, hliniteho

a horecnateho a sirniku zeleza)


Barviva/Odbarviva Chromitan zelezity (Fe2O3.Cr2O3), oxid zeleza (Fe2O3), oxid kobaltu,

selen/selenicitan zinecnaty


Nejdulezitejsi sklarskou surovinou je pisek, ktery je hlavnim zdrojem SiO2. Je to bezna surovina, ale vetsina nalezist nema pro sklarstvi spravnou cistotu. Pro ekonomicke taveni je bod tani pisku prilis vysoky a ke snizeni tavici teploty je nutne tavivo, obvykle oxid sodny.


Hlavnim zdrojem nejbeznejsiho taviva - oxidu sodneho (Na2O) je kalcinovana soda (Na2CO3). Behem taveni se oxid sodny stava soucasti taveniny a uvolnuje se oxid uhlicity. Siran sodny se pridava jako cerivo a oxidacni cinidlo a je sekundarnim zdrojem oxidu sodneho. Oxid sodny se vclenuje do skla a tavenina uvolnuje plynne oxidy siry. Uhlicitan draselny (K2CO3) pusobi jako tavivo a pouziva se v nekterych procesech zvlaste u specialniho skla. Oxid draselny se zaclenuje do taveniny a emituje se oxid uhlicity.


Ke zpevneni strukturni mrizky se do skla pridavaji dalsi oxidy kovu, aby se zlepsila tvrdost a chemicka odolnost. Tento ucinek ma oxid vapenaty (CaO), ktery se do skla se pridava jako uhlicitan vapenaty (CaCO3) ve forme vapence nebo kridy. Rovnez se muze pridat jako dolomit, ktery obsahuje jak uhlicitan vapenaty, tak uhlicitan horecnaty (MgCO3). Oxid hlinity (Al2O3) se pridava pro zlepseni chemicke odolnosti a ke zvyseni viskozity za nizsich teplot. Obvykle se pridava jako nefelin (Na2O-K2O-Al2O3-SiO2), zivec nebo oxid hlinity, ale je rovnez pritomen ve vysokopecni strusce a v zivcovem pisku.

Oxidy olova (PbO a Pb3O4) se pouzivaji ke zlepseni zvucnosti a ke zvyseni indexu lomu skla a tim brilance sklenenych vyrobku, jako je olovnaty kristal. Oxid barnaty (vznikajici z uhlicitanu barnateho), oxid zinecnaty nebo oxid draselny se mohou pouzit jako alternativa oxidu olovnateho, ale vyrobky pak maji nizsi mernou hmotnost a zarivost nez olovnaty kristal. Zmena se rovnez projevi zmenou zpracovatelnosti pri rucni vyrobe.


Pro nektere vyrobky je dulezity oxid bority (B2O3), zvlaste pro specialni skla (boritokremicita skla) a pro sklenena vlakna (sklenena vlna a nekonecne vlakno). Nejdulezitejsim ucinkem je snizeni koeficientu roztaznosti skla, ale u vlaken se rovnez meni viskozita, coz podporuje rozvlaknovani a zvysuje odolnost vuci vode.


Tabulka 2.2 uvadi nektere prvky pouzivane k ovlivneni barvy skla. Barviva lze pridat bud do hlavniho kmene nebo do feedru (ve forme barvici frity).


Tabulka 2.2: Prvky pouzivane k ovlivneni barvy


Prvek

Iont

Barva

med

(Cu2+)

svetle modra

chrom

(Cr3+)

zelena


(Cr6+)

zluta

mangan

(Mn3+)

fialova

zelezo

(Fe3+)

zlutohneda


(Fe2+)

modrozelena

kobalt

(Co2+)

intenzivne modra, v boritych sklech svetle ruzova


(Co3+)

zelena

nikl

Ni2+)

sedohneda, zluta, zelena, modra do fialova podle zakladni hmoty skla

vanad

(V3+)

zelena v kremicitem skle, hneda v boritem skle

titan

(Ti3+)

fialova (taveno za redukcnich podminek)

neodym

(Nd3+)

cervenofialova

selen

(Se0)

svetle ruzova (take Se2+, Se4+ a Se6+ podle typu skla)

praseodym

(Pr3+)

svetle zelena


Materialy obsahujici fluor (napr. kazivec CaF2) se pouzivaji k vyrobe opaknich predmetu vytvorenim krystalu ve skle, ktere ho ucini zakalenym a opaknim. Fluoridy se rovnez pouzivaji pri vyrobe textilniho nekonecneho vlakna k optimalizaci povrchoveho napeti a tekutosti, coz podporuje rozvlaknovani a snizuje rozbitnost vlakna.


Stale dulezitejsi surovinou pri vyrobe skla jsou sklenene strepy, jak vlastni, tak cizi. Skoro vsechny sklarske procesy recykluji vlastni strepy, ale vysoke kvalitativni pozadavky nutne u nekterych procesu nedovoluji zabezpecit dodavky dostatecne cistych cizich strepu tak, aby to bylo ekonomicky unosne. V odvetvi obaloveho skla je nekdy ve kmeni pouzito pres 80 % strepu. Strepy vyzaduji k utaveni mene energie nez suroviny a kazda 1 tuna strepu nahradi priblizne 1,2 tuny materialu.


2.2.2 Taveni

[m21 Schott]


Taveni je kombinace chemickych reakci a fyzikalnich procesu. Tento odstavec predstavuje pouze strucny prehled nekterych dulezitych hledisek procesu. Taveni lze rozdelit do nekolika fazi, ktere vyzaduji velice peclivou kontrolu.


Otapeni


Konvencnim a nejbeznejsim zpusobem zavadeni tepla do skloviny je spalovani fosilnich paliv nad lazni kmene, ktery se kontinualne zavadi do pece a pak je v roztavenem stavu z pece odebiran. Teplota potrebna k taveni a cereni skla zavisi na presnem predpisu, lezi mezi 1300 oC a 1550 oC. Pri techto teplotach prevlada prenos zarenim zvlaste z klenby pece, ktera se zahriva plamenem az na 1650 oC, ale take z plamenu samotnych. U kazde konstrukce pece je privod tepla usporadan tak, aby vytvarel v oblasti taveneho kmene recirkulujici konvekcni proudy a tak zajistil konzistentni homogenitu konecneho skla privadeneho k tvarovani. Mnozstvi skloviny v peci je udrzovano konstantni, stredni doba setrvani je radove 24 hodin u obalarskych peci a 72 hodin u floatu.


Primarni taveni


V dusledku nizke tepelne vodivosti kmene je proces taveni zpocatku zcela pomaly, coz poskytuje cas k probehnuti cetnych chemickych a fyzikalnich procesu. Protoze se materialy zahrivaji, vyparuje se vlhkost, nektere ze surovin se rozkladaji a plyny uvolnujici se v surovinach unikaji. Prvni reakce (dekarbonizace) probiha kolem 500 oC. Suroviny se zacinaji tavit mezi 750 a 1200 oC. Nejprve se zacina vlivem taviv rozpoustet pisek. Oxid kremicity z pisku se vaze s oxidem sodnym z kalcinovane sody a s dalsimi latkami z kmene a vznikaji kremicitany. Zaroven unikaji velka mnozstvi plynu z rozkladu hydratu, uhlicitanu, dusicnanu a siranu. Uvolnuje se voda, oxid uhlicity, oxidy dusiku a oxidy siry. Sklovina se nakonec stava transparentni a tavici faze je skoncena. Objem taveniny je kolem 35-50 % objemu puvodniho kmene, protoze ubyly plyny a eliminovaly se intersticialni prostory.


Cereni a homogenizace


Nez se sklovina muze tvarovat na vyrobky, musi byt dokonale homogenizovana a bez bublin. To znamena uplne rozpusteni a stejnomernou distribuci vsech slozek a odstraneni vsech bublin cerenim.


Behem taveni se plynove bubliny tvori hlavne z oxidu uhliciteho vylucovaneho rozkladem uhlicitych materialu (hlavne kalcinovane sody a vapence) a v mnohem mensim rozsahu ze vzduchu zachyceneho v surovinach. Tyto bubliny je treba ze skloviny odstranit, protoze by mohly pripadne zpusobit v konecnem vyrobku vady, ktere by ovlivnily mechanickou pevnost a vzhled. Pohyb bublin vzhuru prispiva k fyzikalnimu michani taveniny nutnemu k ziskani homogenniho materialu s optimalnimi fyzikalnimi vlastnostmi. Bubliny stoupaji rychlosti danou jejich velikosti a viskozitou skla. Velke bubliny stoupaji rychleji a napomahaji michani, zatimco male bubliny se pohybuji pomalu, rychlostmi, ktere mohou byt vzhledem k vetsim konvekcnim proudum v peci male, a proto je obtiznejsi je eliminovat. Male bubliny zustavajici v hotovem skle jsou nazyvany "kyspy".


Oxid uhlicity a vzduchove slozky maji ve sklovine omezenou rozpustnost a vetsinou je k ucinnemu odstraneni bublinek vytvorenych tavenim nutne pouzit chemicka ceriva. Obvyklym principem chemickeho cereni je pridani materialu, ktere v tavenine budou uvolnovat plyny s vhodnou rozpustnosti ve skle. Podle rozpustnosti plynu ve sklovine (ktera je obecne zavisla na teplote) se mohou bubliny zvetsovat a stoupat k povrchu nebo se mohou zcela reabsorbovat. Male bubliny maji velky pomer povrchu k objemu, coz umoznuje lepsi vymenu mezi plynem obsazenym v bublinach a sklem.


Nejbeznejsim cerivem ve sklarstvi je siran sodny. Pri priblizne 1450 oC (1200 oC, jsou-li pritomna redukcni cinidla) se siran sodny rozklada na oxid sodny (ktery se vaze ve skle), plynne oxidy siry a kyslik. Bubliny kysliku sloucene s jinymi plyny, zvlaste oxidem uhlicitym a vzduchem, nebo jimi absorbovane, se zvetsuji a stoupaji k povrchu. Plynne oxidy siry jsou absorbovany ve skle nebo odchazeji spolecne s pecnimi spalinami.


Siran sodny je nejbeznejsim cerivem pri vyrobe plocheho a obaloveho skla. Prevaha siranu sodneho jako ceriva je zpusobena jeho soucasnym pusobenim jako oxidacni cinidlo k ustaveni zadouciho redoxniho stavu barvicich prvku ve skle. Je to take nejlevnejsi ucinne cerivo pro seriovou vyrobu skla. Dalsi ceriva zahrnuji uhlikate materialy a oxidy arsenu a antimonu. Ty jsou drazsi, maji ekologicke a zdravotni ucinky a je tendence je pouzivat hlavne pri vyrobe specialniho skla. Dusicnan sodny se muze rovnez pouzit jako cerici a oxidacni prostredek, zvlaste je-li pozadovan vysoky stupen oxidace. Siran vapenaty a ruzne dusicnany se nekdy pouzivaji pri vyrobe barevneho plocheho skla.


Homogenizace muze byt rovnez podporena zavadenim bublin pary, kysliku, dusiku nebo bezneji vzduchu vhodnym zarizenim ve dne vany. To podporuje cirkulaci a michani skla a zlepsuje prenos tepla. Pri nekterych vyrobach (napr. opticke sklo), je mozno mohou k dosazeni vyssiho stupne homogenity pouzit michaci mechanismy. Dalsi technika uzivana v malych pecich (zvlaste na specialni sklo) je znama jako tepelne cereni. Spociva ve zvyseni teploty skla, takze se stane mene viskoznim a plynove bubliny mohou snadneji stoupat k povrchu.


Maximalni teplota klenby ve sklarske peci je: u obaloveho skla 1600 oC, u plocheho skla 1620 oC, u specialniho skla 1650 oC, u nekonecnych vlaken 1650 oC a u sklenene vlny 1400 oC.


Sejiti


Po prvotnich etapach taveni a cereni nasleduje faze sejiti za nizsich teplot. Behem tohoto procesu se vsechny zbyvajici rozpustne bubliny reabsorbuji do taveniny. Zaroven tavenina pomalu chladne na pracovni teplotu mezi 900 a 1350 oC.


Pri taveni kmene tyto kroky probihaji postupne, ale na kontinualnich pecich probihaji faze taveni soucasne v ruznych mistech vany. Kmen je zavaden na jednom konci vany a proteka rozdilnymi zonami vany a predpeci, kde probiha primarni taveni, cereni a sejiti. Cereni v kontinualni peci je daleko choulostivejsi.


Sklo neproudi vanou primocare od zakladace kmene k prutoku, kde dosahuje teploty vhodne pro zpracovani. Odklani se podle tepelnych proudu. Hromadky kmene nebo studena smes surovin se netavi pouze na povrchu, ale take ze spodni strany od lazne skloviny. Pod spodni vrstvou kmene se vytvari relativne studene bublinate sklo a klesa ke dnu vany. Prislusne konvekcni proudeni musi toto sklo vynest k povrchu, protoze cereni probiha ve vanovych pecich nejprve na povrchu taveniny, kde bubliny potrebuji k vystoupani pouze kratkou vzdalenost. Jestlize tepelne proudy proudi prilis rychle, brzdi cereni prilis brzkym privedenim skla do upravne zony. K vytvoreni idealni cesty pro proudeni skla lze zabudovat do vnitrni konstrukce vany vodici steny nebo jizky.