Стекловарение - сложный процесс, сопровождающийся физическими, химическими и физико-химическими явлениями.
К физическим явлениям относятся нагревание шихты, испарение влаги, плавление и растворение отдельных компонентов, изменение кристаллической формы и улетучивание некоторых составных частей. Одновременно происходят химические реакции: расщепление гидратов, удаление химически связанной воды, разложение карбонатов, сульфатов, перекисей и нитратов и взаимодействие компонентов с образованием силикатов. Существенное значение при стекловарении имеют физико-химические процессы: взаимодействие жидкой стекломассы с атмосферой печи и включенными в стекломассу газами, взаимодействие стекломассы и огнеупора.
Основные стадии стекловарения - силикатообразование, стеклообразование, дегазация, гомогенизация и студка.
Силикатообразование завершается обычно при температурах: 300-900° С, когда в шихте не остается отдельных составляющих компонентов, когда реакции между компонентами шихты в твердом состоянии закончились и большинство газообразных соединений улетучилось. На этой стадии образуется непрозрачный расплав, который пронизан большим количеством газовых пузырей. Скорость силикатообразования зависит от состава шихты.
Образование прозрачной стекломассы происходит на второй стадии процесса стекловарения - стеклообразовании, которое заканчивается при температуре 1200° С.
Стеклообразование характеризуется завершением основных химических реакций в шихте, образованием силикатов натрия, кальция и сложных силикатов и резким возрастанием скорости диффузионных процессов и скорости растворения кремнезема и силикатов в результате дальнейшего повышения температуры. Благодаря диффузионным процессам выравниваются концентрации растворов силикатов в различных участках и образуется относительно однородная стекломасса. Однако в расплаве остается большое число пузырей и свилей. Скорость стеклообразования увеличивается с повышением содержания в шихте щелочных окислов и при повышении температуры.
Осветление - процесс удаления из расплава газовых пузырей при температуре 1400-1450° С. Причиной возникновения газовых пузырей являются летучие вещества, образующиеся при разложении компонентов шихты, механически занесенные с шихтой, специально введенные в шихту, а также газы, попавшие в расплав из атмосферы печи. Интенсивность осветления зависит от вязкости, поверхностного натяжения и насыщенности газами расплава.
Улучшить осветление стекломассы можно удлинением продолжительности варки, повышением температуры, бурлением, Добавлением осветлителей и применением ультразвуковых колебаний.
Одновременно с осветлением протекает гомогенизация стекломассы, т. е. выравнивание, усреднение ее химического состава по всему объему. Процесс гомогенизации интенсифицируется при повышении температуры, перемешивании стекломассы различными методами, в том числе активным осветлением, бурлением, с применением ультразвуковых колебаний и механических мешалок.
Химическая однородность стекломассы достигается тщательным соблюдением технологического режима подготовки шихты и ее загрузки в стекловаренную печь, а также последующих стадии стекловарения.
Студка стекломассы проводится с целью увеличения ее вязкости до рабочего состояния, при котором можно вырабатывать изделия тем или иным способом. Температура студки на 200-300° С ниже температуры осветления стекломассы.
При студке важно соблюдать постоянство давления газовой сpеды печи, понижать температуру следует плавно. Нарушение этиx правил может привести к образованию в стекломассе мельчайших пузырей (мошки), которые практически невозможно удалить.
В целом, качество стекла определяется всеми технологическими стадиями его изготовления. Стекло помнит свою «биографию» и хранит в себе отпечатки своего «прошлого», когда оно еще было шихтой, когда оно проходило все процессы стекловарения и находилось в контакте и взаимодействии с газовой средой.
Для варки стекла созданы различные конструкции печей, которые различают по способу нагрева (пламенные, электрические, пламенно-электрические), направлению движения газов (продольное, поперечное, подковообразное), способу использования тепла отходящих газов (регенеративные, рекуперативные, прямого нагрева), режиму работы (периодические и непрерывные) и др.
В производстве стеклянной тары преимущественное применение находят ванные непрерывно действующие стекловаренные печи с пламенным или пламенно-электрическим обогревом. В качестве топлива используют природный или генераторный газ, жидкое топливо. Ванные печи чаще всего имеют поперечное или подковообразное направление движения газов. Утилизация тепла отходящих газов производится, как правило, в регенераторах.
Стекловаренные печи имеют различную конструкцию и непрерывно совершенствуются. Большое значение имеет качество огнеупоров, используемых при сооружении печей, так как оно определяет возможность подъема температуры, длительность эксплуатации печей и качество стекломассы (отсутствие свилей и инородных включений).
Важнейшими показателями эффективности работы стекловаренной печи являются качество (однородность) стекломассы и ее удельный съем.