CC BY
26Авантюриновое стекло: выбор состава стекла, обладающего высокими физико-химическими свойствами, из отходов электрометаллургической промышленности
Староверова Ольга Николаевна
старший преподаватель, кафедра технологии вяжущих веществ и бетонов, НИУ Московский государственный строительный университет, olga.staroverova@inbox.ru
Целью работы являлось выбор состава стекла обладающего высоким физико-химическими свойствами, подходящими стекломассы, хорошими декоративными качествами из отходов электрометаллургической промышленности. Так как качество авантюринового стекла определяется количеством, размером, формой и расположением кристаллов в матрице стекла изучалась влияние количества Сг203 и Fe2O3 разработка состава проводилась путем изучения влияния соотношения основных компонентов системы на его физико-химические свойства и изучение зависимости выделения кристаллической фазы от содержания Сг203. Приготовление шихты для синтеза авантюринового стекла не отличается от технологии получения ее при производстве других видов стекол. Поэтому в работе изучено влияние варки на свойства авантюринового стекла. Были получены образцы стекол с хорошими декоративными свойствами и техническими характеристиками.
Ключевые слова: шлак, авантюриновое стекло, декоративное стекло
Авантюриновое стекло, полупрозрачное, бурых, красных и зеленоватых оттенков стекло, пронизанное по всей массе металлическими блестками, наподобие естественного авантюрина [1]. Изготавливается по различным рецептам путем введения в расплавленное стекло закиси меди и железных опилок [2]. Железные опилки восстанавливают при медленном остывании металлическую медь по всей массе стекла в виде мельчайших кристаллических пластинок, отражающих свет.
Выбору оптимального состава авантюринового стекла с использованием отходов производства предшествовало изучение и обобщение данных литературы, проверка некоторых рекомендуемых составов стекол в лабораторных условиях, синтез новых стекол с целью выбора состава стекла обладающего высоким физико-химическими свойствами, хорошими варочными и выра-боточными характеристиками, хорошими декоративными качествами [3.4].
Методики определения физико-химических свойств стекла.
Вязкость измеряли с помощью усовершенствованного ротационного вискозиметра системы ОРГРЭС. Кристаллизационную способность стекла определяли методом массовой кристаллизации.
Плотность стекла определяли с помощью прибора ТГП-1. Микротвердость - методом вдавливания алмазной пирамидки, с помощью прибора ПМТ-3.
Показатель преломления - иммерсионным методом. Коэффициент линейного термического расширения - с помощью дилатометра ДКВ-1.
Водостойкость стекла по ГОСТ 10134.1-82. Рентеге-нофазовый анализ - с помощью дифрактометра УРС-50ИМ.
Характеристика феррохромовых самораспадающихся шлаков.
Хромовые самораспадающиеся шлаки представляют собой тонкодисперсный слабоокрашенный материал. Для авантюринового стекла можно рекомендовать шлак марки ОФШС, содержащий до 8% Сг203. Такой шлак не должен содержать самораспадающихся шлаков производства других феррорасплавов в шлаке допускается присутствие МдО.
Феррохромовые шлаки имеют следующий химический состав, в % по массе: 5(02 24-32%, А1203 4-8%, СаО 46-55%, МдО 7-16%, Сг203 3-8%.
Влажность шлака не более 1,5%, количество фракций, проходящих через сито номер 2 составляет 99%. Как видно из химического состава шлаки содержат компоненты, входящие в составы обычных промышленных натрий-кальций-силикатных стекол. Кроме того, шлак содержит оксид хрома, который необходим для получения авантюринового стекла. Поэтому при добавлении к шлаку песка и можно получить шихту для хромового
X X
о
го А с.
X
го т
о
2 О
м о
о см
0 см
сч
01
о ш т
X
<
т о х
X
авантюринового стекла. Химический состав шлака отдельных партий приведен в таблице 1.
Рентгенофазовый анализ определяет в качестве основной минеральной фазы ортосиликат кальция.
Таблица 1.
Химический состав шлака
Номера SiO2 А12О3 Fe2Oз СГ2О3 СаО МдО МпС
1 23,8 10,7 1,21 4,79 48,43 10,21 0,86
2 24,16 5,98 0,75 4,05 54,8 10,26 -
3 22,64 7,46 0,54 3,83 53,83 11,7 -
4 26,48 7,8 0,59 4,18 51,95 9,0 -
5 23,35 11,18 0,94 4,29 49,68 9,24 1,32
6 24,89 8.48 0,45 3,57 53,58 8,47 1,56
7 22,44 9,03 0,29 3,96 54,10 8,01 2,17
8 25,05 6,33 0,75 5,5 |52,13 |10,27 | -
Микроскопический просмотр феррохромового шлака показал, что основная его масса состоит из бесцветных мелких призматических кристаллов с хорошо выраженной спайностью, высоким рельефом, показателем преломления выше 1,66 и низким двупреломлением в скрещенных николях. Рентгенофазный анализ выявляет следы шпинели типа хромпиктина.
Выбор оптимального состава шлакового авантюринового стекла.
Так как качество авантюринового стекла определяется количеством, размером, формой и расположением кристаллов в матрице стекла изучалась влияние количества Сг203и Ре203.
Разработка состава проводилась путем изучения влияния соотношения основных компонентов системы 5(02- А1203- СаО- МдО- Ыа20 на его физико-химические свойства и изучение зависимости выделения кристаллической фазы от содержания Сг203. При этом учитывались варочные и выработочные свойства стекла. Всего было сварено три серии стекол, на основании которых был выбран следующий основной состав стекла в % по массе: БЮ2 - 71,5 А1203 - 2,5 СаО - 10,0 МдО - 2,0 Ыа20 - 14.
С целью выявления оптимального количества Сг203 и Ре203 необходимо для получения стекла с хорошими декоративными свойствами, были проведены исследования растворимости оксида хрома на образцах стекол, сваренных с разным содержанием Сг203 (от 1% до 6%) и Ре203 (от 1% до 5%). При этом стекла сравнивались со стеклом, разработанным Сергеевой Л.С. обладающим высокими декоративными свойствами.
При просмотре образцов стекла в отраженном свете наблюдаются особенности микрорельефа кристаллов и разнообразие формы их роста. Отмечается ступенчатый рост кристаллов, видны кристаллы, имеющие правильные формы. Проведенные рентгеноструктурные и петрографические исследования подтвердили, что в кристаллическом виде выделяется оксид хрома. Анализ хода процесса кристаллизации позволил ограничивать введение Сг203 до 1,5-2% и Ре203 до 2-3%.
Таким образом, для производства облицовочных плиток рекомендуется следующий химический состав в % по массе: БЮ2 - 68,0 А1203 - 2,5 СаО - 10,0 МдО - 2,0 Ыа20 — 14,0 Ре203 2,0 Сг203 - 1,5.
Исследование особенностей технологии получения авантюринового стекла.
Технологический процесс стекловарения включает в себя следующие стадии: Приготовление шихты, получение расплава стекла, варку, формование изделий и их отжиг. Особенностью синтеза авантюринового стекла является создание условий для кристаллизации расплава стекла в ванной стекловаренной печи.
Приготовление шихты для синтеза авантюринового стекла не отличается от технологии получения ее при производстве других видов стекол. Поэтому в работе изучено влияние варки на свойства авантюринового стекла.
Таким образом, варку шлаковых авантюринов целесообразно проводимых в нейтральной или восстановительной среде. Для создания восстановительных условий в самой стекломассе в стекло добавлено 2% Ре203 для равновесия в сторону Сг203.
Исследование некоторых свойств хромового авантюринового стекла оптимального состава для производства облицовочных плиток.
С целью объективной оценки свойств оптимального состава были приведены исследования ряда технологических, физико-механических, термических и декоративных свойств хромового авантюринового стекла в % по массе БЮ2 - 68,0 А1203 - 2,5 СаО - 10,0 МдО- 2,0 Ыа20-14,0 Ре203 2,0 Сг203 - 1,5.
Из технологических свойств исследовалась вязкость и скорость твердения в сравнении бесцветным стеклом, так как именно эти свойства дают большое практическое значение для выбора режимов варки и выработки стекла и методов формования. При сопоставлении кривых вязкости видно, что вязкость авантюринового стекла при высоких температурах ниже вязкости бесцветного стекла, что можно объяснить присутствием Ре203(рисунок 1).
5,5
5
4,5
с и 4
Л к 3,5
о
к « 2,5
2
1,5
1
—^ Чг
—^ ч V
> N
-безцитпсж стекло
-ДМИ7ЮРНН0ВМ
стекло
800 1000 1200 1400 Температура, "С
Рис. 1. Температурная зависимость вязкости стекол
Характер изменения кривых вязкости с понижением температуры свидетельствует о более быстром ее повышении в авантюриновом стекле по сравнению с бесцветным, что связано, по-видимому, с увеличением кристаллической фазы и присутствием окрашивающих компонентов. При исследовании твердения поверхностных и внутренних слоев в процессе охлаждения стекла было выявлено, что кинетические кривые изменения температуры и вязкости показывают некоторую неравномерность охлаждения и твердения для поверхностного слоя в пределах 1 мм. И для слоя расположенного на расстоянии 8 мм от поверхности. Это явление необходимо учитывать при формовании. Кривые охлаждения и твердения хромового авантюринового стекла приведены на рисунке 2.
Декоративные свойства авантюринового стекла зависят от цвета, показателя преломления, коэффициента отражения стекловидной матрицы и кристаллов и других факторов [5]. На рисунке 3 приведены спектральные кривые отражения хромового авантюринового стекла. В сравнении с кристаллами Сг203. Сопоставление кривых отражения в областях 520-550 нм. Показало значительное отражение (23,5%) от кристаллов и гораздо меньше от образца стекла (6,8-8,9%). Понижение значения отражения в образцах стекла является, очевидно, результатом влияния стекловидной матрицы.
Рис. 2. Кривые охлаждения и твердения хромового авантюринового стекла
Рис
■Авантюр и НОЯМ стекло Кристаллы Сг203
3. Спектральные кривые охлаждения
Некоторые технологические и эксплуатационные свойства полученного стекла в таблице 2.
Таблица 2.
Свойства хромового авантюринового стекла оптимального состава
1 2 3
Цвет зеленый с блестками
Линейные размеры кри- мм 2-3
сталлов
Количество кристаллич. фазы % 1,8
Показатель преломления стеклофаз - 1,576
Плотность стекла Кг/м3 2800
Микротвердость МПа 8350
Прочность при сжатии МПа 90,0
Коэфф. линейного расши- 1/град 86,6
рения
Температура размягчения С 629
Водоустойчивость, класс - 2
Таким образом, феррохромовый шлак отвечает требованиям, предъявляемым как к сырью и красителю для получения авантюринового стекла. Шлак не требует дополнительной обработки, кроме просева. Низкая стоимость шлака делают его применение экономически выгодным.
Результаты проведенных испытаний показали полную пригодность стекла и отходов электрометаллургической промышленности для производства облицовочной плитки из авантюринового стекла.
Литература
1. Семенова Е.А. Китайское авантюриновое стекло «золотая звезда». Декоративное искусство и предметно-пространственная среда//Вестник МГХПА, №1, 2013.
2. Silakate, S., Wannagon, A., Nuntiya, A. Influence of ferric oxide on the crystallization of Li-Zn ferrite anorthite and hematite phases at low temperature ceramic glaze//Journal of the European Ceramic Society, Volume 35, Issue 7, 2015
3. Каздым А.А..Техногенные минералы и техногенное минералообразование// История науки и техники, №6, 2007.
4. Ovcacikova, H., Vlcek, J., Klarova, M., Topinkova, M. Metallurgy dusts as a pigment for glazes and engobes//Ceramics International, Volume 43, Issue 10, Pages 7789-7796
5. Самченко С.В., Удалов А.В., Козлова И.В. Современные аспекты в дизайне изделий из художественного стекла. Сборник статей Международной научно-практической конференции: Теоретические и практические вопросы науки XXI века, 2015. С. 32-34.
Aventurine glass: choice of glass composition with high physical-chemical properties of waste from the electrometallurgical industry Staroverova O.N.
The Moscow State University of Civil Engineering The aim of the work was the choice of glass composition with high physical-chemical properties, appropriate characteristics of glass, good decorative qualities of waste from the electrometallurgical industry. There were samples of glass with good decorative properties and characteristics. Since the quality of aventurine glass is determined by the number, size, shape, and location of crystals in the glass matrix, the influence of the amount of Cr2O3 and Fe2O3 has been studied. The composition was developed by studying the effect of the ratio of the main components of the system on its physical and chemical properties and studying the dependence of the crystal phase separation on the Cr2O3 content. Preparation of the charge for synthesized aventurine glass does not differ from the technology of obtaining it in the production of other types of glasses. Therefore, the paper studies the influence of mink on the properties of aventurine glass. of waste from the electrometallurgical industry. There were samples of glass with good decorative properties and characteristics. Keywords: slag, aventurine glass, decorative glass References
1. Semenova EA Chinese aventurine glass "golden star". Decorative art and object-spatial environment // Vestnik MGHPA, No. 1, 2013.
2. Silakate, S., Wannagon, A., Nuntiya, A. Influence of ferric oxide
on the crystallization of Li-Zn ferrite anorthite and hematite phases at low temperature ceramic glaze // Journal of the European Ceramic Society, Volume 35, Issue 7th, 2015
3. Kazdym A.A. Technogenic minerals and technogenic mineral
formation // History of Science and Technology, No. 6, 2007.
4. Ovcacikova, H., Vlcek, J., Klarova, M., Topinkova, M. Metallurgy
dusts as a pigment for glazes and engobes // Ceramics International, Volume 43, Issue 10, Pages 7789-7796
5. Samchenko S.V., Udalov A.V., Kozlova I.V. Modern aspects in
the design of art glass products. Collection of articles of the International scientific-practical conference: Theoretical and practical issues of science of the XXI century, 2015. P. 32-34.
X X О го А С.
X
го m
о
ю
2 О
м о
