Николай Качалов - Стекло

Кроме того, при столь высоком нагреве сильно разрушается огнеупорный материал, из которого выложена печь и изготовлен стекловаренный сосуд. Наконец, расплавленный кварцевый песок представляет собой такую густую, вязкую массу, что из нее очень трудно удалять воздушные пузырьки и придавать изделиям нужную форму. Правда, иногда приходится мириться с этими трудностями, а также с дефектами и высокой стоимостью получаемых изделий ради одного замечательного достоинства кварцевого стекла, выражающегося в способности выдерживать любые температурные скачки. Раскаленные добела кварцевые тигли можно бросать в воду, не боясь растрескивания. Благодаря этому свойству кварцевые стаканы, тигли, чашки и трубки поистине незаменимы в лабораторной технике, что и заставляет поддерживать их производство в объеме, удовлетворяющем потребности лабораторий. Понятно, эти изделия не могут служить предметом широкого потребления.

Тугоплавкость песка, являющаяся причиной всех трудностей при попытках сварить из него стекло, может быть значительно ослаблена прибавлением некоторых веществ. Так, например, если мы примешаем к песку соду, то нам удастся сварить стекло при температуре на 200-300° более низкой. Расплав при этом получится менее вязкий, будет успешно освобождаться от пузырей и позволит с удобством формовать из него изделия вполне удовлетворительного внешнего качества. Плавка при этом может производиться в обыкновенных топливных печах, огнеупорный материал будет работать в нормальных условиях и хорошо сохраняться. Однако достигнутый успех нас удовлетворить не может, так как оказывается, что сваренное при этих условиях стекло растворимо в воде и приготовленные из него изделия быстро разрушаются на воздухе под действием атмосферной влаги. Такой материал, конечно, не может быть использован для изготовления стеклянных изделий.

Растворимое стекло находит себе широкое применение в других отраслях народного хозяйства, например в мыловаренной промышленности, в лакокрасочном деле, в текстильном и бумажном производствах, в дорожном строительстве, при проведении подземных выработок, для пропитки рыхлых грунтов с целью их уплотнения, при изготовлении крупных строительных блоков и т. д. Растворимое стекло изготовляется у нас в количестве десятков тысяч тонн ежегодно и составляет значительную отрасль химической промышленности.

Итак, мы убедились, что ни песок один, ни смесь его с содой не дают при сплавлении такого материала, который необходим для стекольной промышленности. Нужно исправить недостаток такой двухкомпонентной смеси, дающей растворимое в воде стекло. Оказывается, для этого достаточно добавить третье вещество, например известь. Действительно, если мы составим не двух-, а трехкомпонентную смесь, или, как говорят стекольщики, «шихту», состоящую из песка, соды и известняка или мела, то получим стекло, вполне нас удовлетворяющее по всем своим свойствам.

Известняк и мел — это горные породы, имеющие одинаковый химический состав, способные в ряде случаев заменять одна другую. Обе породы принадлежат к числу весьма распространенных на земле. Известковая, так называемая «бутовая», плита относится к числу самых обычных строительных материалов и используется для кладки фундаментов. Мел же представляет собой в основном скопление известковых панцирей мелких организмов. Он образует в природе мощные залежи, целые горы и широко применяется в строительном деле как материал для побелки стен и потолков.

Остановимся на явлениях, которые происходят в шихте, когда она подвергается действию высоких температур. Сода и известняк (или мел) представляют собой карбонаты, т. е. соли угольной кислоты. Под влиянием жара печи они будут диссоциировать, или распадаться, с выделенном газообразной углекислоты, которая удалится из печи вместе с продуктами горения — дымом. При этом от соды в шихте останется окись натрия, а от известняка (или мела) — окись кальция. Вот эти-то два окисла, соединившись с кремнеземом песка, и образуют стекло.

Таким образом, мы подошли к самому обычному, самому распространенному химическому составу стекла — натриево-кальциевому, который свойствен по меньшей мере девяти десятым всего выплавляемого на земном шаре стекла.

Теперь мы имели случай убедиться в справедливости высказанного выше замечания о дешевизне, легкодоступности сырых материалов стекловарения. Действительно: песок и известняк — распространеннейшие горные породы, стоимость которых на месте залегания практически равна нулю. Нужно понести некоторые затраты лишь на добычу их и доставку на завод, что не очень обременительно, так как месторождений песков и известняков в СССР множество, а стекольные заводы располагаются всегда поблизости от них.

Сравнительно более дефицитным компонентом стекольных шихт является сода. Эта знаменитая соль натрия известна с древнейших времен. Раньше она добывалась из воды некоторых озер, позднее также из золы солончаковых растений, а за последние полтора века содовое производство стало одной из самых мощных ветвей химической промышленности. Сода производится сотнями тысяч тонн в год и идет для удовлетворения нужд самых разнообразных отраслей народного хозяйства — в основном на мыловарение, текстильное и стекольное производства. Ввиду громадного спроса на этот материал со стороны самых разнообразных потребителей стекольная промышленность за последнее время начала заменять его другим, менее дефицитным, а именно — сульфатом натрия, или так называемой глауберовой солью. В СССР имеются неограниченные природные источники получения этой соли. В одном Кара-Богаз-Голе (заливе Каспийского моря) ежегодно осаждаются миллионы тонн сульфата, и стоимость его на стекольных заводах также определяется лишь затратами по добыче и доставке.

Варка стекла на сульфате идет не так легко, как на соде, требует несколько более высоких температур и нуждается в добавке в шихту угля, который помогает разложению глауберовой соли на окись натрия и сернистый газ.

Итак, мы выяснили, что в состав стекла, помимо кремнезема, должно войти минимум два вещества: окись натрия и окись кальция. Но оказывается, что вместо окиси натрия можно с успехом ввести окись калия, а вместо окиси кальция — окись магния, окись свинца, окись цинка или окись бария. Кроме того, часть кремнезема можно заменить некоторыми другими веществами, например борной или фосфорной кислотой. Наконец, в каждом стекле содержится небольшое количество глинозема, попадающее из стенок стекловаренного сосуда, всегда в какой-то очень небольшой степени растворяющихся в расплавленном стекле. Все эти вещества, участвуя в различных количественных сочетаниях, дают стекла с очень разными свойствами.