2.2 Tavení skla

[tm21 Schott]

Tavení, mísení jednotlivých surovin při vysoké teplotě a vytvoření skloviny, je hlavní fází výroby skla. Existuje řada způsobů tavení skla, které závisejí na požadovaném výrobku, jeho konečném použití, na provozu a na komerčních požadavcích. Podle nich se volí složení skla, suroviny, technika tavení, výběr paliva a velikost pece.

2.2.1 Suroviny pro výrobu skla

[tm18 CPIV, tm21 Schott]

Tabulka 2.1 uvádí nejdůležitější sklářské suroviny. Podrobnější tabulka je uvedena v kapitole 3.

Tabulka 2.1: Důležité sklářské suroviny

Nejdůležitější sklářskou surovinou je písek, který je hlavním zdrojem SiO₂. Je to běžná surovina, ale většina nalezišť nemá pro sklářství správnou čistotu. Pro ekonomické tavení je bod tání písku příliš vysoký a ke snížení tavicí teploty je nutné tavivo, obvykle oxid sodný.

Hlavním zdrojem nejběžnějšího taviva - oxidu sodného (Na₂O) je kalcinovaná soda (Na₂CO₃). Během tavení se oxid sodný stává součástí taveniny a uvolňuje se oxid uhličitý. Síran sodný se přidává jako čeřivo a oxidační činidlo a je sekundárním zdrojem oxidu sodného. Oxid sodný se včleňuje do skla a tavenina uvolňuje plynné oxidy síry. Uhličitan draselný (K₂CO₃) působí jako tavivo a používá se v některých procesech zvláště u speciálního skla. Oxid draselný se začleňuje do taveniny a emituje se oxid uhličitý.

Ke zpevnění strukturní mřížky se do skla přidávají další oxidy kovů, aby se zlepšila tvrdost a chemická odolnost. Tento účinek má oxid vápenatý (CaO), který se do skla se přidává jako uhličitan vápenatý (CaCO₃) ve formě vápence nebo křídy. Rovněž se může přidat jako dolomit, který obsahuje jak uhličitan vápenatý, tak uhličitan hořečnatý (MgCO₃). Oxid hlinitý (Al₂O₃) se přidává pro zlepšení chemické odolnosti a ke zvýšení viskozity za nižších teplot. Obvykle se přidává jako nefelín (Na₂O-K₂O-Al₂O₃-SiO₂), živec nebo oxid hlinitý, ale je rovněž přítomen ve vysokopecní strusce a v živcovém písku.

Oxidy olova (PbO a Pb₃O₄) se používají ke zlepšení zvučnosti a ke zvýšení indexu lomu skla a tím brilance skleněných výrobků, jako je olovnatý křišťál. Oxid barnatý (vznikající z uhličitanu barnatého), oxid zinečnatý nebo oxid draselný se mohou použít jako alternativa oxidu olovnatého, ale výrobky pak mají nižší měrnou hmotnost a zářivost než olovnatý křišťál. Změna se rovněž projeví změnou zpracovatelnosti při ruční výrobě.

Pro některé výrobky je důležitý oxid boritý (B₂O₃), zvláště pro speciální skla (boritokřemičitá skla) a pro skleněná vlákna (skleněná vlna a nekonečné vlákno). Nejdůležitějším účinkem je snížení koeficientu roztažnosti skla, ale u vláken se rovněž mění viskozita, což podporuje rozvlákňování a zvyšuje odolnost vůči vodě.

Tabulka 2.2 uvádí některé prvky používané k ovlivnění barvy skla. Barviva lze přidat buď do hlavního kmene nebo do feedru (ve formě barvicí frity).

Tabulka 2.2: Prvky používané k ovlivnění barvy

Materiály obsahující fluor (např. kazivec CaF₂) se používají k výrobě opakních předmětů vytvořením krystalů ve skle, které ho učiní zakaleným a opakním. Fluoridy se rovněž používají při výrobě textilního nekonečného vlákna k optimalizaci povrchového napětí a tekutosti, což podporuje rozvlákňování a snižuje rozbitnost vlákna.

Stále důležitější surovinou při výrobě skla jsou skleněné střepy, jak vlastní, tak cizí. Skoro všechny sklářské procesy recyklují vlastní střepy, ale vysoké kvalitativní požadavky nutné u některých procesů nedovolují zabezpečit dodávky dostatečně čistých cizích střepů tak, aby to bylo ekonomicky únosné. V odvětví obalového skla je někdy ve kmeni použito přes 80 % střepů. Střepy vyžadují k utavení méně energie než suroviny a každá 1 tuna střepů nahradí přibližně 1,2 tuny materiálu.

2.2.2 Tavení

[m21 Schott]

Tavení je kombinace chemických reakcí a fyzikálních procesů. Tento odstavec představuje pouze stručný přehled některých důležitých hledisek procesu. Tavení lze rozdělit do několika fází, které vyžadují velice pečlivou kontrolu.

Otápění

Konvenčním a nejběžnějším způsobem zavádění tepla do skloviny je spalování fosilních paliv nad lázní kmene, který se kontinuálně zavádí do pece a pak je v roztaveném stavu z pece odebírán. Teplota potřebná k tavení a čeření skla závisí na přesném předpisu, leží mezi 1300 ^oC a 1550 ^oC. Při těchto teplotách převládá přenos zářením zvláště z klenby pece, která se zahřívá plamenem až na 1650 ^oC, ale také z plamenů samotných. U každé konstrukce pece je přívod tepla uspořádán tak, aby vytvářel v oblasti taveného kmene recirkulující konvekční proudy a tak zajistil konzistentní homogenitu konečného skla přiváděného k tvarování. Množství skloviny v peci je udržováno konstantní, střední doba setrvání je řádově 24 hodin u obalářských pecí a 72 hodin u floatů.

Primární tavení

V důsledku nízké tepelné vodivosti kmene je proces tavení zpočátku zcela pomalý, což poskytuje čas k proběhnutí četných chemických a fyzikálních procesů. Protože se materiály zahřívají, vypařuje se vlhkost, některé ze surovin se rozkládají a plyny uvolňující se v surovinách unikají. První reakce (dekarbonizace) probíhá kolem 500 ^oC. Suroviny se začínají tavit mezi 750 a 1200 ^oC. Nejprve se začíná vlivem taviv rozpouštět písek. Oxid křemičitý z písku se váže s oxidem sodným z kalcinované sody a s dalšími látkami z kmene a vznikají křemičitany. Zároveň unikají velká množství plynů z rozkladu hydrátů, uhličitanů, dusičnanů a síranů. Uvolňuje se voda, oxid uhličitý, oxidy dusíku a oxidy síry. Sklovina se nakonec stává transparentní a tavicí fáze je skončena. Objem taveniny je kolem 35-50 % objemu původního kmene, protože ubyly plyny a eliminovaly se intersticiální prostory.

Čeření a homogenizace

Než se sklovina může tvarovat na výrobky, musí být dokonale homogenizovaná a bez bublin. To znamená úplné rozpuštění a stejnoměrnou distribuci všech složek a odstranění všech bublin čeřením.

Během tavení se plynové bubliny tvoří hlavně z oxidu uhličitého vylučovaného rozkladem uhličitých materiálů (hlavně kalcinované sody a vápence) a v mnohem menším rozsahu ze vzduchu zachyceného v surovinách. Tyto bubliny je třeba ze skloviny odstranit, protože by mohly případně způsobit v konečném výrobku vady, které by ovlivnily mechanickou pevnost a vzhled. Pohyb bublin vzhůru přispívá k fyzikálnímu míchání taveniny nutnému k získání homogenního materiálu s optimálními fyzikálními vlastnostmi. Bubliny stoupají rychlostí danou jejich velikostí a viskozitou skla. Velké bubliny stoupají rychleji a napomáhají míchání, zatímco malé bubliny se pohybují pomalu, rychlostmi, které mohou být vzhledem k větším konvekčním proudům v peci malé, a proto je obtížnější je eliminovat. Malé bubliny zůstávající v hotovém skle jsou nazývány "kyšpy".

Oxid uhličitý a vzduchové složky mají ve sklovině omezenou rozpustnost a většinou je k účinnému odstranění bublinek vytvořených tavením nutné použít chemická čeřiva. Obvyklým principem chemického čeření je přidání materiálů, které v tavenině budou uvolňovat plyny s vhodnou rozpustností ve skle. Podle rozpustnosti plynu ve sklovině (která je obecně závislá na teplotě) se mohou bubliny zvětšovat a stoupat k povrchu nebo se mohou zcela reabsorbovat. Malé bubliny mají velký poměr povrchu k objemu, což umožňuje lepší výměnu mezi plynem obsaženým v bublinách a sklem.

Nejběžnějším čeřivem ve sklářství je síran sodný. Při přibližně 1450 ^oC (1200 ^oC, jsou-li přítomna redukční činidla) se síran sodný rozkládá na oxid sodný (který se váže ve skle), plynné oxidy síry a kyslík. Bubliny kyslíku sloučené s jinými plyny, zvláště oxidem uhličitým a vzduchem, nebo jimi absorbované, se zvětšují a stoupají k povrchu. Plynné oxidy síry jsou absorbovány ve skle nebo odcházejí společně s pecními spalinami.

Síran sodný je nejběžnějším čeřivem při výrobě plochého a obalového skla. Převaha síranu sodného jako čeřiva je způsobena jeho současným působením jako oxidační činidlo k ustavení žádoucího redoxního stavu barvících prvků ve skle. Je to také nejlevnější účinné čeřivo pro sériovou výrobu skla. Další čeřiva zahrnují uhlíkaté materiály a oxidy arsenu a antimonu. Ty jsou dražší, mají ekologické a zdravotní účinky a je tendence je používat hlavně při výrobě speciálního skla. Dusičnan sodný se může rovněž použít jako čeřicí a oxidační prostředek, zvláště je-li požadován vysoký stupeň oxidace. Síran vápenatý a různé dusičnany se někdy používají při výrobě barevného plochého skla.

Homogenizace může být rovněž podpořena zaváděním bublin páry, kyslíku, dusíku nebo běžněji vzduchu vhodným zařízením ve dně vany. To podporuje cirkulaci a míchání skla a zlepšuje přenos tepla. Při některých výrobách (např. optické sklo), je možno mohou k dosažení vyššího stupně homogenity použít míchací mechanismy. Další technika užívaná v malých pecích (zvláště na speciální sklo) je známa jako tepelné čeření. Spočívá ve zvýšení teploty skla, takže se stane méně viskózním a plynové bubliny mohou snadněji stoupat k povrchu.

Maximální teplota klenby ve sklářské peci je: u obalového skla 1600 ^oC, u plochého skla 1620 ^oC, u speciálního skla 1650 ^oC, u nekonečných vláken 1650 ^oC a u skleněné vlny 1400 ^oC.

Sejití

Po prvotních etapách tavení a čeření následuje fáze sejití za nižších teplot. Během tohoto procesu se všechny zbývající rozpustné bubliny reabsorbují do taveniny. Zároveň tavenina pomalu chladne na pracovní teplotu mezi 900 a 1350 ^oC.

Při tavení kmene tyto kroky probíhají postupně, ale na kontinuálních pecích probíhají fáze tavení současně v různých místech vany. Kmen je zaváděn na jednom konci vany a protéká rozdílnými zónami vany a předpecí, kde probíhá primární tavení, čeření a sejití. Čeření v kontinuální peci je daleko choulostivější.

Sklo neproudí vanou přímočaře od zakladače kmene k průtoku, kde dosahuje teploty vhodné pro zpracování. Odklání se podle tepelných proudů. Hromádky kmene nebo studená směs surovin se netaví pouze na povrchu, ale také ze spodní strany od lázně skloviny. Pod spodní vrstvou kmene se vytváří relativně studené bublinaté sklo a klesá ke dnu vany. Příslušné konvekční proudění musí toto sklo vynést k povrchu, protože čeření probíhá ve vanových pecích nejprve na povrchu taveniny, kde bubliny potřebují k vystoupání pouze krátkou vzdálenost. Jestliže tepelné proudy proudí příliš rychle, brzdí čeření příliš brzkým přivedením skla do úpravné zóny. K vytvoření ideální cesty pro proudění skla lze zabudovat do vnitřní konstrukce vany vodicí stěny nebo jízky.