Физико-химические основы производства изделий из минеральных расплавов.

Общим для всех используемых в промышленности строительных материалов минеральных расплавов является то, что они имеют силикатную природу, т. е. состоят в основном из силикатов. Именно для силикатных расплавов характерна способность переходить при быстром охлаждении в стеклообразное состояние. Признаками стеклообразного состояния в отличие от кристаллического являются прежде всего изотропность, т. е. отсутствие векториальных свойств, гомогенность, отсутствие определенной температуры плавления. Постепенно размягчаясь при нагревании, стеклообразные вещества переходят в жидкое состояние.

Вещество в стеклообразном состоянии обладает повышенной внутренней энергией – скрытой энергией кристаллизации, т. е. оно термодинамически неустойчиво (метастабильно). Однако стекло, как расплавленное, так и отвердевшее, нельзя рассматривать как хаотическое скопление молекул или ионов. Хотя изотропность стекла свидетельствует об отсутствии упорядоченности частиц на больших расстояниях (дальний порядок), в стекле существуют фиксированные микроучастки упорядоченной структуры малой протяженности (ближний порядок). Управление процессами структуро-образования в стекле позволяет эффективно влиять на свойства изделий.

Процесс получения изделий из минеральных расплавов включает следующие технологические операции: расплавление исходного сырья или шихты, литье в специальные формы или формование другими способами, термическая обработка изделий с целью получения требуемой конечной микроструктуры и физико-химических свойств, а также снятие внутренних напряжений. При производстве литых изделий из расплавленных шлаков процесс упрощается тем, что первая операция плавления отсутствует вследствие использования жидких металлургических шлаков – относительно легкоплавких силикатных масс, Которые образуются как побочный продукт при выплавке различных металлов. Производство строительных материалов из шлаковых расплавов весьма экономично, поскольку не требуется дополнительных затрат топлива на расплавление сырьевой шихты.

Сырьем для получения каменного литья служат горные породы магматического происхождения, преимущественно основные базальты и диабазы, обладающие пониженной вязкостью в расплавах. По своему химическому составу базальты более постоянны, а каменное литье из них обладает высокой химической стойкостью прочностью при истирании. Иногда сырьем служат кислые и средине горные породы, но их тугоплавкость повышает вязкость расплава и затрудняет получение изделий высокого качества.

В расплавленной шихте для получения каменного литья при 1650 – 1800 К происходит химическое взаимодействие компонентов, образование силикатов и алюмосиликатов кальция, магния, железа. Низкая вязкость расплава при высоких температурах благоприятствует дегазации – удалению С02 и других газообразных продуктов.

Сложные процессы происходят при охлаждении каменного литья в формах, когда при температурах ниже 1570 К начинается первичная кристаллизация. Для получения заданной структуры необходимо строго регулировать время кристаллизации, необходимое для перехода массы из жидкого состояния в кристаллическое. За процессом кристаллизации следует стадия медленного охлаждения – отжиг, в процессе которого снимаются температурные напряжения.

Особенно сложны физико-химические превращения в стекольных расплавах. Для удовлетворения потребностей разнообразных отраслей техники, народного хозяйства, строительства разработаны сотни видов стекол различных составов. Как правило, современные промышленные стекла содержат не менее пяти компонентов, а специальные технические — более десяти.

Изменение химического состава стекольного расплава позволяет активно воздействовать в нужном направлении на прочностные, теплофизические, диэлектрические, химические и другие свойства стекла. Так, повышение химической устойчивости и механической прочности достигается за счет увеличения в составе стекла Si02, А12Оз и СаО; замена части Si02 на РЬО придает стеклу повышенный блеск, введение в расплав фторидов позволяет получить глушеное стекло и т. д.