Кварцевое стекло. Его свойства, производство и применение - Глаголев С.П.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 70. Внешний вид небольшой ре- Рис. 71. большая реостатная печь на остатной печи. 150 kW фирмы Quartz et Silice.
кой величины, какой желают получить внешний диаметр слитка. Плавку ведут до тех пор, пока не расплавится вся масса песка, заключенная внутри цилиндра /. Благодаря тому что в момент окончания плавки расплавленная масса находится в соприкосновении с гладкой поверхностью нагретого до высокой температуры цилиндра г, а не с нераспла-вившимся" песком, внешняя поверхность слитка выходит гладкой и лишенной полусплавленных частиц.
Несмотря на кажущуюся простоту, процессы, происходящие во время плавки кварца в печи описанного типа, довольно сложны и запутанны. Дело в том, что физический процесс плавления кремнезема
опровождается рядом реакций между материалом нагревающего стержня и соприкасающимися с ним слоями кварцевого песка. Ход этих реакции имеет решающее влияние на качество получаемого продукта,
также на операции, связанные с удалением готового слитка из печи,
ак что детальное знакомство с ними необходимо. Ю»
147
Разберем процесс плавки подробнее. После того как ток пущен, прилегающие к углю слои песка постепенно нагреваются и начинают размягчаться. Мы уже видели (стр. 114), что при высоких температурах около 1450° и выше кремнезем вступает в реакцию с углеродом, восстанавливается им, причем выделяется свободный кремний и кислород. Последний в свою очередь соединяется с углеродом стержня, давая окись углерода. Реакцию можно представить уравнением
ЭК), -Ь 2С = в! + 2СО. Оба процесса (выделение Б! и СО) имеют с точки зрения практики производства стекла прямо противоположный результат. Первый в
Рис. 72. Реостатная печь с приспособлением для быстрого вынимания сопротивления.
значительной мере затрудняет получение доброкачественного продукта, так как выделившийся кремний, диффундируя в массу расплавленного кварца, сообщает ей бурый, а иногда и совершенно черный цвет, влияя в то же время в отрицательном смысле на ее свойства. В противоположность этому, второй процесс не только не вредит производству, но, наоборот, является залогом его успешности, так как образовавшийся газ (СО), имеющий при температуре 1 700—1 800° весьма большую упругость, играет роль прослойки между слитком и стержнем и облегчает в дальнейшем извлечение слитка из печи. Не будь этого слоя газа, мы столкнулись бы с фактом прилипания расплавленной кварцевой массы к углю, что в значительной степени осложнило бЬ| процесс. На важную роль реакции между кремнеземом и углеродом указали впервые Bottomley и Paget, которые в своем патенте,
касающемся плавки кварца, говорят об использовании образовавшейся в результате этой реакции окиси углерода для облегчения вынимания слитка.
Однако роль образовавшегося газа сводится не только к этому. Геометрические параметры готового слитка, а именно отношение его внешнего диаметра к внутреннему, характеризующие возможную тол-[ щину стенок при данном сечении, также зависят от давления образовав-j шейся окиси углерода. Понятно, что чем дольше продолжать плавку,| тем большая масса кварца будет расплавлена. Однако это еще не значит, что удлиняя операцию, можно получать слитки со стенками произвольной толщины при данном внутреннем сечении. Действительно, наряду с процессом нарастания за счет расплавившихся слоев песка идет другой процесс—раздувание слитка благодаря упругости образующейся окиси углерода. В результате, какова бы ни была продолжительность плавки, отношение внутреннего и внешнего диаметра слитка меняется в ограниченных пределах. Это обстоятельство долгое время служило значительным препятствием для получения целого ряда изделий, пока новейшие методы не позволили получать на основании совершенно других принципов трубки любых геометрических размеров-
Возвратимся теперь к реакции восстановления кремния, и рассмотрим меры борьбы с загрязнением плавленого кварца в результате этой реакции. Простейшей мерой защиты служит тщательное регулирование температуры электрода с целью избежать чрезмерного разогревания и связанного с этим интенсивного восстановления Si02. Подобная регулировка может производиться изменением силы тока в цепи, например изменением сопротивления первичной обмотки понижающего трансформатора.
Однако указанным способом можно только уменьшить, но отнюдь не полностью устранить загрязнение стекла кремнием, так как понижать температуру можно лишь до известного предела, дальше которого процесс плавки крайне замедляется и становится неэкономичным. В 1912 г. Voelker предложил другой способ, который состоит в том, что на угольный стержень надевается тонкая защитная трубка из кварцевого стекла, вокруг которой уже насыпается песок. Благодаря тому, что уголь с самого начала плавки окружен плотным слоем плавленого кремнезема, диффузия восстановившегося кремния в массу песка уменьшается, и если загрязнения нельзя ликвидировать полностью, то оно во всяком случае значительно меньше, чем в том случае, когда уголь окружен пористой массой полусплавившегося песка. Чрезвычайно остроумный способ предложил George, давший вообще много ценных усовершенствований французской кварцевой промышленности. Вместо того чтобы искать физических методов защиты слитка от паров кремния, George разработал процесс плавки, в котором свободный крем-^ ний, проникший в' песок, окисляется обратно в кремнезем. Необ-j ходимым условием для обратной реакции является наличие окисляю-! Щей атмосферы в массе песка. Наиболее простым решением вопроса' оыло бы' осуществление циркуляции соответствующего газа, например воздуха, однако по чисто техническим причинам это совершенно невыполнимо. George предложил поэтому 'слегка увлажнять загружаемый/ в печь песок. Пары, воды проникают, во все поры загрузки и, диссоци-: руя, играют роль окисляющей атмосферы, обусловливающей сгора-' да*.кремния в SiO,. Вполне понятно, что количество прибавляемой
