Производство стекла

Стекло является одним из древнейших материалов, которые использует человек в повседневности. На данный момент считается, что такую науку как производство стекла первой освоила Месопотамия с древним Египтом. Это было более чем пять с половиной тысяч лет назад. Технология производства стекла не остановилась с того момента и начала активно развиваться. А использование этого материала, полученного природным образом (вулканического или же обсидианового) началось ещё раньше в каменном веке, и из-за его редкости на тот момент, оно было частым торговым товаром.

В наше же время с современными технологиями изготовить или приобрести его не составляет особого труда. Способы производства стекла шагнули далеко вперед с древних времен, и сейчас оно используется в различных сферах нашей жизни. При этом выделяют десятки различных типов самостоятельных материалов для изготовления различных изделий и использования в строительстве.

Процесс изготовления стекла, различные способы поэтапного производства

Стекло – это материал, что может менять свои технические свойства в зависимости от компонентов, из которых его изготовили. Благодаря этому оно может менять механическую прочность и термическую стойкость, прозрачность, возможность образования газонепроницаемости от совмещения с определенными металлами и сплавами.

Основным элементом, имеющим наибольший процент в составе стекла (от 40 до 96%) является кварцевый песок или же оксид кремния (IV) SiO2. Вторым по важности находится окись кальция СаО, дающая химическую стойкость стеклу и придающая блеск. Далее следуют различные оксиды щелочных металлов натрия (Na2O) или калия (K2O), благодаря которым стекло поддается плавке и выделке. Самым распространенным стеклом считается силикатное, а именно то, что используется в производстве окон, тары, различной посуды. Его состав начисляет 71-74% SiO2, от 5 до 7% CaO, ~15% Na2O и остальное в виде различных добавок Al2O3, MgO, Fe2O3, SO3.

В наше время листовое стекло производят двумя различными способами:

  1. Методом Фурко, который разработал в 1902 году Эмиль Фурко.
  2. Флоат (плавающий метод), разработанный в 1959 году фирмой «Пилкингтон», данный способ популярен до сих пор, и с его помощью производят более 90% стекла.

Остановимся детальнее на более распространенном плавающем методе получения этого материала.

Этапы производства стекла таким способом включают в себя:

  1. Все компоненты для производства стекольной массы измеряются с большой точностью на электронных весах и отправляются в печь.
  2. Далее при температуре 1600°С все превращается в сплошную массу. Ее доводят до однородного состояния с удалением пузырьков газа.
  3. После этого полученную массу окунают в ванну с оловом температурой около 1000° С, при этом стекло благодаря более низкой плотности, чем у металла, плавает на его поверхности (основной принцип этого метода производства). В дальнейшем стекло охлаждается и приобретает гладкую поверхность.
  4. В зависимости от количества загруженных расходных материалов определяется толщина стекла. После покидания оловянной ванны температура массы снижается до 600° С, которая всё ещё достаточно велика.
  5. Чтобы снизить температуру до приемлемых 250° С стекло прокатывают на валиках через охлаждающий тоннель.
  6. Далее остывшее сплошное полотно начинают нарезать на листы нужного размера, отходы при этом идут повторно в печь, обеспечивая безотходное производство.

Чтобы провернуть это сложную цепочку действий, ни одно производство не может обходиться без современных приборов. Оборудование для производства стекла по технологии флоат имеет такой состав:

  • стекловарительный агрегат – это регенеративная печь с поперечной подачей пламени, которое обеспечивает природный газ;
  • склад для сырьевых материалов;
  • склад для стеклобоя и участок для его переработки;
  • шихтосмесительная установка с высотными сило;
  • печь с отделением в виде ванны;
  • участок для флоат расплава;
  • линия для формировки, резки и отгрузки стекла;
  • система возврата отходов;
  • различные вспомогательные склады и здания, выполняющие задания по производству и хранению вторичных сырьевых компонентов.

Детальнее об изготовлении особых видов стекла

Использование данного материала не ограничивается только окнами или кухонными изделиями. Например, для декоративных целей (витражи, облицовка, архитектура) используют стекло разных цветов. Производство цветного стекла по технологии несколько отличается от обычного.

Цветное и декоративное

Существует несколько разных способов для получения цветного стекла, в соответствии с которыми получают различные оттенки. Окраска зависит от добавлений в стекольную массу различных оксидов таких металлов как медь, кобальт, железо, ванадий, титан, а также некоторых сернистых соединений кадмия, свинца, меди. В зависимости от выбранного элемента и его массы получается цвет окраски и её интенсивность.

Есть две технологии производства цветного стекла:

  1. Первая занимается получением стекла, которое окрашивают в массе. Это простой способ, мало чем отличающийся от производства обычного материала. Просто во время этапа получения стекольной массы добавляют различные красители, придающие нужные цвета и оттенки. Дополнительно также выдерживают определенный температурный режим, так как различные красители по-разному реагируют на температуру и могут улетучиваться. Минусом данной технологии считается высокий расход красителя.
  2. Вторая технология является более сложной в производстве, но при этом использование красителя в данном случае более экономно. Она заключается в том, что стекло изготавливается из двух слоёв. Один из них это обычный прозрачный стекольный лист, а второй – либо тонкий лист крашеного стекла, либо нанесенная цветная оксидная пленка. Основной сложностью в данном методе является слежение за линейным коэффициентом расширения первого и второго слоя, который должен быть одинаковым. Если он будет различаться, то тот пласт, у которого коэффициент больше, растрескается при производстве.

Также к подвиду цветного материала можно отнести декоративные изделия. Производство декоративного стекла обычно отличается приданием обычному различной архитектурной формы и нанесению на него орнаментов при помощи специальных принтеров либо химического травления.

Жидкое стекло

Следующим необычным видом является жидкое стекло, или как его ещё принято называть в торговой сфере, – силикатный клей. Оно широко используется в строительстве, канцелярии, производстве различных материалов, устойчивых к агрессивной среде, изготовлении моющих средств. Вот его свойства, которые объясняют такую широкую сферу использования:

  • отличная химическая связь, позволяющая склеивать различные материалы;
  • способность к увеличению водонепроницаемости;
  • повышение термо- и огнеупорности;
  • хорошие антисептические свойства, предотвращение образования гнилости и грибка.

Производство жидкого стекла впервые освоил в 1818 году немецкий химик Ян Непомук фон Фукс. В эксперименте он использовал действие щелочи на кремневую кислоту. В наше время такое стекло получают посредством автоклава при помощи обработки кремнезёма растворами гидроксида натрия или сплавлением соды с кремниевым песком.

Оптическое стекло

Также распространенной областью для применения стекла является оптика. Собственно без стекла эта ветвь промышленности не могла бы и существовать. Оптическое стекло встречается нам везде, где только можно: в медицине и астрономии, в приборах для фото и видео, различном высокоточном оборудовании. Производство оптического стекла является трудоёмким процессом, где очень важна чистота, точность и порядок. Его можно разделить на два этапа:

  1. Производство. Стекло особого состава варится в огнеупорных горшках около 24 часов при температуре 1500° С, при этом помешивается платиновыми или керамическими мешалками. Далее оно осветляется при помощи ввода в массу веществ-осветлителей. После замедленного охлаждения, что длится 6-8 дней, заготовки извлекаются и наиболее качественные отправляются на обработку.
  2. Обработка. Заготовки распиливаются алмазными пилами на различные формы. Далее происходит их длительное шлифование абразивами с различной зернистостью, а также промывка, пока не получится линза нужного размера и требуемых свойств.

Процесс производства стекла данного типа требует высокой технологичности производства и неумолимого следования стандартам, иначе большого количества брака не избежать.

Кварцевое стекло

Интересным видом, о котором следует знать, является кварцевое стекло. Данный материал с очень высоким содержанием кремнезёма (более 90%) имеет уникальные свойства, такие как низкий показатель преломления, широкую область прозрачности для лучей всего спектра излучения, высокая термостойкость и низкая электрическая проводимость. Благодаря этому оно незаменимо в производстве оборудования для различных лабораторий, радиотехнических изделий и в других точных отраслях.

Производство кварцевого стекла отличается особой трудоёмкостью. Расплав кварца имеет очень высокую вязкость и размягчается при температурах свыше 1700° С, из-за чего оно плохо поддается обработке и осветлению. При этом расплав быстро испаряется, что ограничивает время обработки.

Гнутое стекло

Гнутое или же моллированное стекло обычно используется для всяких витрин, оригинальных полок, прочей мебели и в автомобильной промышленности. Производство гнутого стекла имеет ограничение в максимальных размерах листа моллированного стекла из-за свойств материала. Его получают при помощи медленного нагрева стекольного полотна до 650° С. После чего материал размягчается и под своим весом начинает гнуться, облегая заготовку определённой формы. Процесс длится от 2-х до 20-ти часов. После чего гнутый лист стекла медленно охлаждают и поддают закаливанию, придавая изделию прочность и меньшую травмоопасность при разбитии на неострые осколки.

Закаленное (каленое) стекло

Закаленное стекло – это качественное изделие, требуемое в различных отраслях, где необходима высокая безопасность от травм. Оно широко используется в строительстве, производстве различных витрин для магазинов, медицине, изготовлении безопасной посуды, автомобильной, мебельной и железнодорожной промышленности. Главными свойствами, которое обеспечивает производство каленого стекла, являются его высокая механическая и стойкость к нагреву, а также повышенная безопасность при разрушении. Хотелось бы выделить характеристику безопасности: при разбитии такого стекла оно ломается на огромное множество осколков, что имеют тупые неострые грани, за счёт чего не могут наносить тяжёлых травм человеку.

Производство закаленного стекла состоит в обработке обычного стекольного листа, которое подвергают нагреву до закаливающей температуры. Она составляет около 650–680° С, после чего стекло относительно быстро охлаждают потоком воздуха с обеих сторон. При этом требуется равномерное распределение воздуха по стеклу. Это образует на поверхностных слоях мощные остаточные напряжения сжатия, а внутренний слой растягивается, благодаря чему данный материал принимает свои важные особенности.

В итоге изготовление стекла – это процесс, не ограничивающийся только одним способом производства, а имеющий множество рецептов и методик получения различных видов стёкол, востребованных во всех сферах производства и быта. Технологии создания данного материала совершенствуются с каждым днём вот уже на протяжении нескольких тысяч лет, что подтверждает высокую востребованность стекла человечеством.


Читайте другие наши статьи:

Производство изделий из стекла
Стекольные заводы России
Компоненты для производства стекла