Как изготовить стекло? Технология производства стекла. Изделия из стекла

Рассмотреть себя в витрине магазина, умыться и глянуть утром в зеркало, понаблюдать за диковинным перемешиванием кофе с молоком сквозь прозрачные стенки чашки — привычные занятия. И никто не задумывается о том, какой путь делает стекло, чтобы стать неотъемлемым атрибутом быта современного человека. Все начинается со смешивания необычных ингредиентов.

Технология производства стекла начинается с подготовки и смешивания составных частей. От степени подготовки ингредиентов зависит качество стеклянных изделий.

Сортировка основы для стекла

Перед тем как изготовить стекло, песок просеивают и сортируют. Сырье худшего качества пускают на производство оконного стекла, лучшее — на изготовление посуды, украшений, оптических линз и художественных изделий. Сказывается разница в размере крупинок и химическом составе: чем мельче песок, тем шире сфера его применения. Если преобладают крупные песчинки, то такой песок — основное сырье для оконного стекла.

Метод 2: выдувание стекла

В этом стеклоформующем методе расплавленное стекло раздувается в пузырь с помощью выдувной трубки. Оно используется для производства бутылок и другой тары.

Как это работает?

Инфляция относится к процессу расширения расплавленного куска стекла путем впрыскивания в него небольшого объема воздуха. Поскольку атомы в жидком стекле связаны прочными химическими связями в беспорядочной и неупорядоченной сетке, расплавленное стекло достаточно вязкое, чтобы его можно было выдувать. По мере остывания он медленно затвердевает.

Чтобы облегчить процесс выдувания, жесткость расплавленного стекла увеличивают за счет небольшого изменения его состава. Оказывается, добавление небольшого количества Натрона делает стекло более жестким для выдувания. (Натрон — это природное вещество, содержащее декагидрат карбоната натрия и бикарбонат натрия.)

При выдувании более толстые слои стекла охлаждаются медленнее, чем более тонкие, и становятся менее вязкими, чем более тонкие. Это позволяет производить выдувное стекло одинаковой толщины.

За последние пару десятилетий были разработаны более эффективные и действенные методы выдувания стекла. Большинство из них включает одни и те же шаги:

Шаг 1: Поместите стекло в печь и нагрейте его до 1300 °C, чтобы сделать его пластичным.

Шаг 2: Поместите один конец выдувной трубки в печь и катайте им по расплавленному стеклу, пока к нему не прилипнет «капля» стекла.

Шаг 3: Раскатайте расплавленное стекло по марверу, плоской металлической пластине, которая сделана из полированной стали, графита или латуни и прикреплена к деревянному или металлическому столу. Марвер используется для контроля формы, а также температуры стекла.

Марвер используется для формования стекла

Шаг 4: Вдуйте воздух в трубу, чтобы создать пузырь. Соберите больше стекла над этим пузырьком, чтобы сделать более крупный кусок. После того как стекло получило желаемый размер, дно готово.

Шаг 5: Прикрепите расплавленное стекло к стержню из железа или нержавеющей стали (обычно известному как острие), чтобы сформировать и перенести полую деталь из паяльной трубы.

Шаг 6: Добавьте цвет и дизайн, окунув его в битое цветное стекло. Эти раздавленные куски быстро прилипают к основному стеклу из-за высокой температуры. Сложные и подробные узоры можно построить, используя трость (стержни из цветного стекла) и муррин (стержни, разрезанные в поперечном сечении для выявления узоров).

Шаг 7: Возьмите полученное изделие обратно и раскатайте его еще раз, чтобы придать ему требуемую форму.

Шаг 8: Снимите стекло со стеклянной трубы с помощью стального пинцета. Обычно нижняя часть выдувного стекла отделяется от вращающейся выдувной трубы. Его можно извлечь из паяльной трубки одним касанием.

Шаг 9: Поместите выдувное стекло в печь для отжига и дайте ему остыть в течение нескольких часов. Во избежание случайного образования трещин не подвергайте его резким перепадам температуры.

Римское выдувное стекло IV века нашей эры

Этот метод требует особого терпения, упорства и сноровки. Для создания сложных и крупных изделий требуется группа опытных мастеров по стеклу.

Оборудование для изготовления

Процесс производства стекла, конечно, длительный, но в настоящее время большинство операций автоматизированы. Оборудование разнообразное и дорогостоящее.

Основное оборудование стекольных заводов:

транспортные средства для перевозки песка из карьеров к конвейерам;
конвейерные ленты для перемещения сырья к местам сортировки;
барабаны для мытья песка;
сортировочные устройства;
фильтрующие установки;
установки для смешивания компонентов;
стеклоплавильные печи;
ванны для выравнивания или устройства для вытягивания листов стекла;
укомплектованные роликами конвейеры для передвижения стекла по цеху;
автоматизированный прибор с алмазом для разрезания листов;
пневматические захватывающие устройства.

Основные способы и технологии производства стекла

Рассмотрим основные способы и технологии производства стекла — их три:

вытягивание листа;
прокат;
флоат-способ.

Способ вытягивания листа, или Метод Эмиля Фурко

Одной из первых технологий производства стекла из песка, а точнее, из готовой стекломассы, стал метод вытягивания, предложенный Эмилем Фурко.

Рис. 1. Метод Фурко

Стекло производится с помощью машинной вытяжки материалов. Сначала сырье плавится в печи, полученная жидкая масса вытягивается посредством прокатных валов. Далее она охлаждается и режется на куски. В заключение листы шлифуются, полируются, проходят иную обработку. Толщина полотен зависит от скорости движения ленты.

Стекло в домашних условиях

Народные умельцы могут изготовить стекло даже дома. Для начала нужно просчитать пропорции компонентов. Изучив, из чего делают стекло, в состав будущей стеклянной смеси включают: песок, соду, известь, стекло битое.

Порядок изготовления стекла дома:

Подготовка основных компонентов. Необходимо 180 грамм пищевой соды нагреть на огне до испарения влаги. Прогреть 400 грамм просеянного промытого песка на огне, просушить. Измельчить 80 грамм извести. Засыпать в одну посуду. Добавить 10 грамм борной кислоты и две столовой соли пищевой.
Чтобы самому изготовить стекло, следует подготовить емкость. Металлическую посуду для сохранения целостности в сильном огне желательно обмазать смесью из жидкого стекла и глины в несколько слоев. Для этого несколько ложек глины для лепки перемешать с водой до жидкого состояния. Затем добавить одну-две ложки жидкого стекла. С помощью кисточки покрыть посуду.
Прокалить обмазанный сосуд на газе. Его поверхность покроется выпуклыми «пупырышками».
Подготовить стеклянный бой: разбитую посуду просеять. Три столовые ложки мелких стеклянных частичек засыпать в посуду для варки. Добавить остальное сырье.
Полученную шихту поставить в огонь. Поддувать можно с помощью горна. Через три–четыре часа смесь расплавится до жидкой консистенции стекла.

Метод 1: процесс флоат-стекла

В этом методе лист стекла получают путем плавания расплавленного стекла на слое из расплавленного металла, такого как олово или свинец. Он используется для производства листов стекла с однородной толщиной и плоскими поверхностями. Давайте рассмотрим пошаговый процесс:

Плавка и рафинирование

Обычное сырье, используемое для производства флоат-стекла, включает песок, доломит, соляной кек (сульфат натрия), кальцинированную соду (карбонат натрия) и известняк. Другие материалы часто используются в качестве рафинирующих агентов для изменения химических и физических характеристик стекла.

Эти ингредиенты смешиваются в порционном процессе в нужной пропорции. Затем вся партия подается в печь, где она нагревается почти до 1 500 °C. Большинство печей вмещают более 1000 тонн материалов.

При расплавлении стекла его температура стабилизируется до 1200 °C для проверки относительной плотности или удельного веса.

Оловянная ванна

Расплавленное стекло из печи перетекает во флоат-ванну, ванну с расплавленным оловом, через керамическую кромку, называемую кромкой носика. Количество стекла, наливаемого на олово, контролируется заслонкой, обычно известной как щетка.

Олово является предпочтительным выбором для этого процесса, поскольку оно является когезионным и не смешивается с расплавленным стеклом. Также он имеет высокий удельный вес. Однако на воздухе он окисляется с образованием диоксида олова, который прилипает к стеклу. Чтобы предотвратить это окисление, олово обрабатывают водородом и азотом.

Стекло течет по оловянной ванне и образует плавающую ленту одинаковой толщины и гладких поверхностей с обеих сторон. При этом температура постепенно снижается (до 600 °C), и стеклянная лента снимается с ванны роликами.

Толщину выходящего продукта можно регулировать, изменяя скорость вращения валика и скорость потока стекла. Обычно ролики размещаются над расплавленным оловом, чтобы регулировать толщину, а также ширину стеклянной ленты.

Некоторые стекла сделаны светоотражающими. В таких случаях на поверхность охлаждаемой ленты наносится либо мягкое, либо твердое покрытие.

Отжиг

Как только стекло выходит из ванны, оно проходит через лерную печь — длинную печь с непрерывным температурным градиентом. Это позволяет стеклу отжигаться без деформации. Это также предотвращает растрескивание стекла из-за изменения температуры.

В частности, этот процесс изменяет химические и физические свойства стекла, снижая его твердость и делая его более пластичным.

Осмотр

Используя передовые технологии контроля, можно проводить миллионы проверок на протяжении всего процесса производства стекла. Большинство из них связано с выявлением напряжений, песчинок и пузырьков воздуха, снижающих качество стекла.

Сегодня существуют тысячи систем, способных точно контролировать оптическое качество, искажение, натяжение, толщину и плоскостность стекла на самом раннем этапе производственного процесса.

Резка

На выходе из «холодного конца» печи лер стекло разрезается и формируется в соответствии с требованиями заказчика с использованием специализированного оборудования. Большие листы стекла разрезаются на полуавтоматическом столе для резки стекла с компьютерным управлением. Затем эти листы вручную разбивают на отдельные листы стекла.

В то время как большинство классных фрез используют небольшое острое колесо из карбида вольфрама или закаленной стали, некоторые используют алмаз для создания раскола.

Использование флоат-стекла

Флоат-стекло стало самой популярной формой стекла в потребительских товарах. Оно может быть разного цвета и степени непрозрачности. Обладает высокой степенью светопропускания и хорошей химической инертностью.

Эти свойства делают флоат-стекло идеальным для широкого спектра применений, таких как зеркала, окна, двери, мебель и автомобильное стекло. Оно также имеет множество применений в современной архитектуре, как в жилых, так и в коммерческих зданиях.

Благодаря последним достижениям в производстве флоат-стекла, таких как ультратонкое флоат-стекло, открываются новые применения в электронике и технологиях. Алюмосиликатные композиции, такие как стекло Gorilla Glass (которое содержит диоксид кремния, алюминий, натрий и магний), используются в различных смартфонах и других электронных устройствах.

Стандарты качества

Видов стекла огромное множество. Для определения качества каждого вида созданы государственные стандарты, в котором описаны свойства и качественные характеристики.

Существуют ГОСТы для стекла кварцевого, листового, медицинского, многослойного, моллированного, неорганического, оптического и прочих разновидностей. В них описаны технологии производства, марки, методы определения качества, классификации.

Современные технологии производства стекла

Существуют и более современные технологии производства стекла. Среди первых их стала использовать компания AGC Glass. Производство AGC-стекла начинается с флоат-стадии. Затем полученные пласты проходят последовательную дополнительную обработку.

Для улучшения теплоизоляционных свойств и защиты от солнца на стеклянные листы наносят тончайшие слои оксида металла. Это осуществляется либо на линии еще на горячее стекло, тогда покрытие носит название пиролитического, либо электромагнитным способом, дающим магнетронное покрытие.
Для изготовления многослойного стекла листы склеиваются с помощью поливинилбутиральной пленки. Так получается пуле- и огнестойкий материал.
Для упрочнения используется закалка (нагревание до 700 °C с последующим резким охлаждением) и химическое воздействие (в основе ионный обмен между расплавленной солью и стеклом).

Марки стекла

Крупные производственные компании занимаются выпуском листовых видов стекла широкого перечня. Это связано с популярным остеклением крупных офисных и торговых зданий в крупнейших городах. Поэтому производственники часто используют № 111-90 ГОСТ «Стекло листовое. Технические условия».

По назначению стекло подразделяют на такие марки:

М1 — зеркальное улучшенное. Толщина изделий не более 6 мм и не менее 2 мм. Предназначено для ветровых стекол автомашин, зеркал качественных.
М2 — зеркальное. Используют для производства зеркал, стекол в общественном транспорте.
М3 — полированное техническое. Производят декоративные элементы мебели, зеркала.
М4 — полированное оконное. Служит для качественного остекления конструкций светопрозрачных, безопасных стекол транспортных средств.
М5 — неполированное оконное улучшенное. Используется для стекол сельскохозяйственного транспорта.
М6 — неполированное оконное. Служит для создания светопрозрачных конструкций.
М7 — полированное витринное. Толщина составляет от 6,5 мм до 12 мм. Используют при оформлении витрин, витражей.
М8 — неполированное витринное. Из него изготавливают витрины, фонари.

Технология обработки определенного вида стекла

В многочисленных сферах используются разные виды стекла, которые обладают индивидуальными характеристиками и при производстве требуют особых процессов обработки.

Солнцезащитное

Солнцезащитное стекло
Этот вид способен поглощать или пропускать ультрафиолет. Стекло подходит для изготовления экранов, козырьков, стеклопакетов и очков. Производство стекла такого типа осуществляется двумя методами.

Технология Фурио основана на прокатывании стеклянной массы сквозь валы, после чего листы помещают в охладительную камеру.

Метод Флоат – более современный и эффективный, так как исключает появления дефектов. Расплавленная масса ленточной формы поступает в резервуар с оловом. Благодаря ему, стекло охлаждается и обретает ровную поверхность. Затем материал попадает в печь, на него наносится слой диоксида металла нужного оттенка. Стекло повторно охлаждается и проверяется на наличие изъянов.

Зеркальное

Стекло основано на листовом материале. Для его изготовления используются сода, известняк, песок и минералы без железной руды. Ингредиенты смешивают, помещают в ванные печи непрерывного действия. Полученную массу прокатывают через металлические валы, обжигают, подвергают полировке, металлизируют. Это длительный процесс.

Зеркальное стекло

Бронированное

Схема бронированного стекла
Стекло отличается повышенной стойкостью к пробиванию. Это многослойный материал, состоящий из обычного и закаленного полотна. Для производства бронированного стекла используют стекла толщиной до 10 мм, которые склеивают защитной поливинилбутиральной пленкой в поперечном растяжении.

Такое изделие обладает множеством достоинств:

поглощает ультрафиолет;
исключает прослушивание;
обеспечивает безосколочность при разбивании.

Оптическое

Это стекло используется в разных областях науки и техники. Из него делают контактные линзы, призмы, кюветы. Ассортимент изделий довольно широкий. Это однородный высокопрозрачный материал определенного химического состава. Для его варки используют чистые ингредиенты, без загрязняющих примесей. Задача технологов – стекломассу расплавить в горшковых пламенных печах и достичь высокой степени однородности. Для этого используют методы механического перемешивания.

Моллированное

Или гнутое стекло, используется в архитектуре, которая давно перестала быть прямолинейной. При производстве изделий стекломасса нагревается до определенных температур, размягчается до эластичного состояния, и из нее легко слепить нужный предмет. Это происходит под влиянием силы тяжести, которая заставляет материал приобретать выпуклую или вогнутую форму.

Классификация стеклянных изделий

Вокруг человека полно предметов из стекла или с его включениями. Обобщить их можно по назначению использования.

Основные группы изделий из стекла:

Бытовые изделия. Которые в свою очередь подразделяют на хозяйственные, художественно-декоративные, кухонную посуду. Хозяйственные изделия служат для консервирования и хранения продуктов питания. Художественно-декоративные — обладают высокими эстетическими свойствами и служат для украшения интерьера. Кухонная утварь изготавливается из боросиликатного или ситаллового стекла, обладающего огнеупорными свойствами. Поэтому ассортимент представлен жаровнями, кастрюлями, утятницами.
Строительное — стекло, используемое в строительстве. Производство включает в себя стекло для окон, витрин, витражи, стеклопакеты, стеклоблоки, прочие строительные изделия.
Техническое — стекло, имеющее узкую специализацию. Включает в себя медицинское оптическое, лабораторную посуду, транспортное, используемое в электрике, детали для автомашин.

Производственное сырьё

В производстве стекла, в качестве основного материала, могут использоваться следующие химические вещества: оксиды, фториды или сульфиды. Классическая, наиболее распространённая технология предусматривает применение в качестве основного ингредиента кварцевого песка (до 70% от общей массы), содержащего в себе большое количество оксида кремния SiO2. Как дополнительные компоненты используются доломиты и известняки, а также сульфат натрия.

В качестве катализатора и ускорителя процесса стеклообразования в состав шихты добавляются стеклообразующие окислы. Кроме того, для придания производимому стеклу неких требуемых свойств, в его состав вводятся дополнительные компоненты — колеровочные материалы, изготовленные на основе марганца, кобальта, хрома; осветлители из селитры или окиси мышьяка.

В зависимости от основного стеколообразующего сырья и дополнительных компонентов имеются следующие виды стёкол:

Силикатные. Производство их основывается на силикатном оксиде SiO2. Основная разновидность, используемая сегодня повсеместно в быту и в промышленности. Это оконные и автомобильные стёкла, зеркала, экраны телевизоров и компьютерных мониторов.
Натриево-кальциевые. Также этот тип стёкол именуется «содовым» или «кронгласом», и отличается лёгкостью плавления и мягкостью, что делает его простым в обработке. Часто применяется для изготовления мелких деталей сложной конструкции, либо в декоративном искусстве.
Калиево-кальциевое, или поташное. Характеризуется тугоплавкостью и твёрдостью. Производство поташного стекла требовало большого количества древесины — основного сырья для поташа. Чтобы получить один килограмм поташа требовалось пережечь тонну деревьев, поэтому данный сорт стёкол также именовался «лесным стеклом». Вплоть до 18 века в России поташное стекло являлось основной разновидностью, которое выпускала отечественная стекольная промышленность.
Свинцовое. В быту эта разновидность стекла более известна под наименованием «хрусталь». Производство хрусталя отличается от традиционной технологии введением в состав, в качестве дополнительного компонента, оксида свинца. В итоге получается тяжёлые стеклянные изделия, обладающие ярким блеском и способностью к дисперсии — разложению светового луча на отдельные составляющие. В итоге, при прохождении сквозь хрусталь, свет начинает играть всеми оттенками радуги.
Борсиликатное. Отличается высокой механической устойчивостью к различным агрессивным воздействиям: тугоплавкость, невосприимчивость к кислотным и щелочным средам, резким скачкам температуры. Достигается это путём введения в процессе изготовления в состав стекольной массы оксида бора. Себестоимость борсиликатного стекла получается выше, нежели простого силикатного, но его высокие механические свойства с лихвой компенсируют этот недостаток. Применяется для изготовления медицинской и лабораторной посуды.

Применение стекла

Используется стеклянная продукция во многих сферах человеческой деятельности. В некоторых важна его твердость, в других — прозрачность, качество ценится везде одинаково.

Направления применения стекла:

Оптика. Первоочередное значение придается прозрачности будущих оптических элементов. Используется в научной, военной, аэрокосмической деятельности и для выпуска потребительской оптики.
Прозрачное стекло. Активно применяют в строительстве для возведения световых конструкций.
Цветное стекло — основа при создании витражей, прочих мозаик.
Художественное стекло. Данный вид используют для создания оригинальных украшений, элементов интерьера.
Стеклоэмаль. Это прочный материал с высокой устойчивостью к истиранию. Активно используется для покрытия керамической плитки, ванн, сантехники из фаянса, гальванических ванн.
Стеклоткань, стекловолокно. Из них производят стекловату, стеклотекстолит и другие материалы.
Оптическое волокно. Оно служит для изготовления особых нитей для проведения связи, интернета, телевизионных сетей.
Фотохромное стекло. Для защиты от света используется данный вид стекла. Применяют при производстве солнцезащитных очков, для затемнения окон в общественном транспорте.
Диэлектрическое стекло — активно используется для производства изоляторов в электротехнической промышленности.

Изготовление специальных видов стекольной продукции

Производство стекла не исчерпывается прямоугольными листами. Современная стекольная промышленность поставляет на рынок большой ассортимент стеклянных изделий, используемых в самых разных отраслях народного хозяйства и в повседневном быту.

Автомобильные стёкла. Главное требование к внешнему остеклению автомобиля — прочность стекла и отсутствие опасности разлёта осколков при ДТП. Поэтому, производство авто стёкол осуществляется в два этапа: отливка двух одинаковых стеклянных заготовок, и склеивание их между собой при помощи особой плёнки. В результате получается многослойная конструкция, скреплённая между собой клейкой лентой. При аварии осколки разбитых автомобильных окон остаются висеть на внутренней плёнке, и опасность пораниться разбитым стеклом сводится к минимуму.
Стеклотара. Производство стеклотары — банок, бутылок и прочих ёмкостей, — позволяет обеспечить необходимой посудой целый ряд отраслей хозяйства, прежде всего, пищевую и фармацевтическую. Процедура изготовления сводится к следующим этапам: получение стеклянного расплава; отливка ёмкостей определённой формы и объёма; закалка полученной продукции.
Армированное стекло. Производство армированного стекла включает в себя одновременную формовку листа с внедрением в него усиливающей металлической или полимерной сетки. Это придаёт листу большую механическую прочность и сопротивляемость ударным нагрузкам, напряжениям на изгиб и излом.
Стеклянное оптиковолокно. В последнее время всё большие темпы набирает производство оптического стеклянного волокна. Оно применяется в различных сферах электротехники и волоконной оптике для передачи видео изображения. Оптиковолокно состоит из ряда прозрачных стеклянных нитей, формируемых в пучки кабеля. Сварка передающих нитей стекла производится с помощью особого оборудования.
Цветное стекло. Производство колерованных стёкол известна уже не одну сотню лет. Необходимый окрас стекольному расплаву придают при помощи различных добавок. Чаще всего в их качестве выступают марганец, кобальт и другие металлы, способные вступать в химическую реакцию с основными стекольными ингредиентами.

В истории стеклоделия отразились судьбы народов и цивилизаций.

До начала нашей эры наиболее мощные центры стеклоделия располагались в Египте и Сирии. В VI в. н. э. к ним присоединилась Византия. Здесь в основном вырабатывались цветные стекла для посуды и смальта.

В период Римской империи стекло распространилось по всей ее территории. Образовались новые центры стекольного производства в Европе вплоть до Британских островов. Они быстро и успешно развивались. Их расцвету способствовало изобретение бесцветного стекла «кристалле», которое вначале использовалось для изготовления бус и посуды, линз, а затем оконного стекла и знаменитых венецианских зеркал. В XV в. особую славу приобрели венецианские стеклоделы.

Значительный вклад в развитие производства стекла внесли европейские стеклоделы.

Так, французские мастера нашли способ отливать зеркальные стекла высокого качества при помощи медных плит и последующей прокатки, в также способ травления стекол (начало XII в.). Английский мастер Роберт Манзель впервые применил каменный уголь в качестве топлива для варочной печи (1615 г). Мастер из Богемии Михаил Мюллер изобрел твердое, необыкновенно прозрачное калиево-кальциевое стекло. Чешские ремесленники развили технологию гравировки стекла.

Во второй половине XVII в. немецкий алхимик Иоганн Кункель открыл способ получения «золотого рубина» и опубликовал книгу «Экспериментальное искусство стеклоделия». В XVIII в. в Англии начали производить хрустальные стекла и применять алмазную грань.

В Древней Руси стекольное производство концентрировалось в основном в юго-западных областях, но в период татаро-монгольского ига стекольные мастерские были разрушены. Производство стекла возродилось только в XVII в. Огромная заслуга в восстановлении стеклоделия в России в этот период принадлежит М. В. Ломоносову. Он не только способствовал организации стекольных заводов, но возродил и развил искусство смальтовой мозаики.

Особенности российского рынка

Лидерами стекольной промышленности Российской Федерации являются 11 заводов, крупнейшие среди которых: ОАО «Эй Джи Си БСЗ» (Нижегородская область), ОАО «Саратовстройстекло» (Саратовская область), ОАО «Салаватстекло» (Башкортостан), ООО «Эй Джи Си Флэт Гласс Клин», ООО «Пилкингтон Гласс» (Московская область). Перечисленные предприятия выпускают 90% отечественного листового стекла. 30% объема стекольной продукции на рынке поставляется из-за рубежа.

Стекольное производство потребляет 21% сырьевых ресурсов, порядка 8% топлива,13% электрической энергии от общего промышленного объема РФ.