Производство стекла

Стекло появилось в жизни человека более пяти с половиной тысяч лет назад, но остается востребованным даже в 21 веке. Ученые считают, что наука о производстве стекла зародилась в Месопотамии и древнем Египте. Технология развивалась и видоизменялась, становясь все более популярной. Если же говорить о природном материале обсидианового или вулканического происхождения, то он заинтересовал людей ещё в каменном веке. Стекло встречалось очень редко, поэтому ценилось и использовалось для торговли.

Современные технологии позволяют производить различные виды стекла большими партиями и без особого труда. А само стекло прочно вошло в жизнь человека, ведь оно используется в разнообразных областях и встречается не только в чистом виде, но и в составе других востребованных материалов.

Процесс изготовления стекла

Особенность этого материала заключается в его зависимости от компонентов. Состав влияет на различные технические характеристики: прочность, прозрачность, устойчивость к высоким и низким температурам и пр.

Два основных элемента, без которых невозможно создать стекло, – это оксид кремния (его же называют кварцевым песком) и окись кальция. Соотношения этих веществ могут быть разными, что отражается на прочности и химической стойкости конечного продукта.

В состав могут входить оксиды натрия и калия, влияющие на плавкость материала. Самое распространенное и привычное стекло, которое используется для окон, посуды и емкостей, состоит из оксида кремния на 71–74%, оксида натрия на 5–7%, а на оставшиеся ~15% из добавок.

На данный момент для производства листового стекла используются следующие подходы:

• метод Фурко, разработанный в 1902 году и названный в честь его создателя;
• плавающий метод «флоат», впервые реализованный фирмой «Пилкингтон» в 1959 году. В последнее время подавляющее большинство продукции изготавливается именно этим способом.

Метод «флоат» состоит из нескольких этапов:

1. Все входящие в состав ингредиенты тщательно измеряются при помощи электронных весов, а затем отправляются в печь.
2. Под воздействием высокой температуры (1600 С) компоненты смешиваются между собой и становятся общей пузырящейся массой. Для получения однородного высококачественного материала пузырьки газа аккуратно удаляют.
3. Затем массу отправляют в специальную ванну с оловом, температура которого составляет 1000 С. Поскольку плотность металла намного выше, то стекло не опускается на дно, а остается на поверхности, не соприкасаясь с бортами. Масса постепенно охлаждается, а поверхность становится ровной и гладкой.
4. Толщина материала регулируется объемами используемых компонентов. Однако на этом этапе производство стекла не завершается. Температура массы в ванне с оловом опускается до 600 С, но для дальнейшей обработки необходимо снизить её до 250 С. Добиться этого помогает охлаждающий тоннель.
5. Затем необходимо нарезать полотно на фрагменты нужного размера, при этом все оставшиеся кусочки не выбрасываются, а отправляются обратно в печь. Производство стекла в этом случае является полностью безотходным.

Очевидно, что такой сложный технологический процесс требует современного высокоточного оборудования. Чтобы произвести стекло по методу флоат, нужны:

• шихтосмесительная установка;
• стекловарительный агрегат;
• система возврата отходов;
• склад для хранения сырья;
• склад для обрезков;
• печь со специальной ванной;
• дополнительные склады и здания;
• участок для флоат расплава;
• производственная линия для формирования и нарезки стекла.

Производство особых видов стекла

Окна и посуда — это лишь малая часть вещей, для создания которых используется стекло. Этот материал особо популярен в дизайне и архитектуре, он позволяет создавать уникальные интерьеры и новые формы. Чаще всего для этих целей используется цветное стекло. Технология его производства немного отличается от стандартной.

Метод изготовления цветного стекла

Существуют различные способы изготовления цветного стекла, при этом можно получить разнообразные оттенки в зависимости от входящих в состав компонентов. В основной состав добавляют кобальт, титан, медь, железо, сернистые соединения свинца, кадмия и пр. Цвет определяется компонентом или их сочетанием, а интенсивность — объемом используемых веществ.

Существует два метода производства:

Самый простой способ окраски стекла — добавление красителей к массе на этапе плавки. У этого способа есть несколько недостатков: нужно выдерживать определенную температуру, чтобы добавки не улетучились, а расход красителей значительно выше, чем при использовании другой технологии.

Второй метод требует больше времени и возможностей, но сокращает расход красителя. Основное отличие этого способа от стандартной технологии в том, что стекло производится не из одного, а из двух слоев. К обычному прозрачному стеклу добавляется ещё один лист цветного, который в некоторых случаев заменяют цветной пленкой. В любом случае составление двух слоев — это сложный процесс, требующий особого внимания. Если линейный коэффициент будет отличаться, то один из пластов покроется трещинами и разрушится.

Декоративное стекло может быть цветным или прозрачным, но отличается от остальных видов необычной формой и орнаментами.

Жидкое стекло

Этот вид материала существенно отличается от традиционного представления о стекле, поэтому его часто называют силикатным клеем. Сфера применения этого материала очень широка: канцелярия, моющие средства, строительство и пр. Такую популярность обеспечивает уникальное сочетание свойств:

• высокая биологическая устойчивость к образованию плесени и грибка;
• способность увеличить огнеупорность и термостойкость;
• наличие сильной химической связи;
• способность повысить влагостойкость.

Изобрел жидкое стекло Ян Непомук фон Фукс. Этот немецкий химик совместил кремневую кислоту с щелочью и получил совершенно новый материал в 1818 году. Технология значительно изменилась, в наше время используется автоклав, а кремнезем обрабатывают содой с кремниевым песком или раствором гидроксида натрия.

Оптическое стекло

Сложно представить себе такую обширную область, как оптика, без стекла. Разнообразное оборудование используется в медицине, фотографии, астрономии и десятках других направлений. При этом процесс производства оптического стекла требует особой точности, профессионализма и чистоты. Выделяют два основных этапа:

1. изготовление стекла. Все входящие в состав ингредиенты укладывают в специальные горшки высокой термостойкости и варят при температуре 1500 С в течение суток. Массу необходимо мешать, чтобы она оставалась однородной. Затем добавляются осветлители, которые меняют цвет массы. Процесс охлаждения занимает от 6 до 8 дней, после чего стеклянные заготовки проверяются на соответствие стандартам качества;
2. обработка. Заготовки делятся на части при помощи алмазных пил, а затем шлифуются разнообразными абразивами до тех про, пока не будет достигнут нужный размер. Чтобы избежать брака, необходимо следовать технологии, соблюдать чистоту и использовать самое современное оборудование.

Кварцевое стекло

Этот вид материала отличается от остальных своим уникальным составом с 90-процентным содержанием кремнезёма, который отражается на свойствах стекла: низкой электрической проводимости, прозрачности, высокой термостойкости. Кварцевое стекло используется для создания современного высокоточного оборудования.
Однако технология изготовления такого материала имеет высокий показатель трудоемкости: чтобы размягчить кварц, требуется температура не ниже 1700 С. При этом расплав быстро испаряется, что затрудняет работу.

Гнутое стекло

Стильное и необычное гнутое стекло используется для создания оригинальных предметов мебели, декоративных изделий и пр. Моллированное стекло также пользуется популярностью в автомобильной промышленности. Особые свойства этого материала влияют на его технические характеристики — размер листа ограничен.

Стекольное полотно медленно нагревают до 650 С, чтобы оно могло принять форму заготовки. Этот процесс может занимать от 2 до 20 часов, точное время зависит от сложности желаемой формы. Затем стекло постепенно охлаждают и закаливают.

Закаленное стекло

Особые требования к прочности и надежности стекла привели к созданию нового материала. Каленое стекло выгодно отличается от других видов и подходит для использования в строительстве, медицине, железнодорожной промышленности, для изготовления мебели, витрин, посуды и пр. Закаленное стекло имеет высокую термостойкость, прочность и безопасность при разрушении. Последний пункт особо важен, ведь при разрушении каленое стекло рассыпается на осколки, которые не могут причинить вреда, поскольку не имеют острых краев.

Для производства такого стекла используется обычное стеклянное полотно, которое нагревают до 650–680 С, а затем охлаждают. Важно сохранить равномерное распределение воздуха с двух сторон.

Процесс изготовления стекла бывает разным и зависит от требований к конечному материалу и его свойствам. Существуют десятки разнообразных методик и способов производства стекла различных видов. Технология меняется в течение многих сотен лет, становится более совершенной и менее трудоемкой