Как плавить кварцевое стекло. Как из непрозрачного песка, делают прозрачное стекло? Изготовление стеклянных изделий

В последние 10 лет продукция стекольной промышленности пользуется повышенным спросом. Из стекла изготавливают сувенирные изделия, мебель, оконные и дверные комплектующие, посуду, разнообразные емкости и т. д. Однако, чтобы выпущенные товары нашли своего потребителя, необходимо грамотно подобрать технологию производства и контролировать точность ее исполнения на всех этапах процесса. Еще один нюанс – существенные капиталовложения на старте, составляющие свыше 100 млн. рублей только на приобретение оборудования. По данной причине многие предприниматели отказываются от полномасштабного производства стекла в пользу вторичной переработки материала, что также является прибыльной, но менее затратной на начальном этапе сферой деятельности.

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). Именно перечисленные предприятия выпускают 90% отечественного листового стекла. Причем только 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.

Виды стекла

В зависимости от отрасли, которую собирается обслуживать предприятие, есть возможность наладить производство стекла различного типа. Среди наиболее востребованных модификаций:

Кварцевое стекло . Наиболее распространенный и простой в изготовлении вид материала на основе кварцевого песка. Изделия из него обладают термостойкостью, прозрачностью, но при этом достаточно хрупкие. Такое стекло применяют, например, для изготовления колб и прочей лабораторной посуды.
Известковое . Недорогой в производстве материал, который применяется для изготовления стеклотары, листового стекла и электрических ламп.
Свинцовое . В состав стекольной массы добавляются кремнезем и оксид свинца. Используется в производстве хрусталя и элементов радиодеталей.
Цветное стекло . Может быть прокрашенным в массе, тянутым, прокатным, узорчатым, гладким и двухслойным. Используется в качестве облицовочного материала, для декоративного остекления, изготовления витражей.
Энергосберегающее (К-, И-, Е-, I-стекло). Производится путем нанесения на поверхность стекла тонкого невидимого покрытия с высокой теплопроводностью. Благодаря этому в помещении удерживается порядка 70% тепла, поступающего от отопительных приборов.
Армированное стекло . Применяется для остекления оконных конструкций и перегородок в производственных помещениях. В толще стекла имеется металлическая сетка, благодаря которой при пожаре либо механическом повреждении конструкция не разлетается на осколки, а отламывается по линии среза.
Тонированное . Используется для защиты от солнечных лучей. Производится путем добавления в стекольную массу оксидов металлов заданного оттенка.
Солнцезащитное стекло . Соответсвующее покрытие наносится путем напыления. Проникая в толщу стекла, оксиды металлов придают поверхности дополнительную прочность и стойкость ко внешним воздействиям.
Закаленное стекло . Материал получают посредством термообработки. После постепенного нагрева и последующего охлаждения стекло приобретает механическую прочность, что позволяет применять его, например, в автомобильной промышленности.
Многослойное (Триплекс ). Содержит несколько слоев, склеенных прозрачными полимерами. Имеет высокую устойчивость к образованию сквозных отверстий, хорошую звукоизоляцию, не разлетается на осколки при ударах. Применяется чаще всего в качестве лобового стекла в автомобилях и в производстве стеклопакетов.
Моллированное . Обычное стекло нагревают и придают заданную форму. В результате получают самые разнообразные изделия сложной, например, изогнутой конфигурации.
Бронированное . Многослойная конструкция из нескольких стекол М1 и полимерного фотоотверждаемого состава. Может быть пленочным и беспленочным. Надежно защищает от пуль в соответствии с классом пулестойкости – В1, В2, В3, В4, В5.
Противопожарное стекло . В РФ производится мало. Содержит арматуру, которая удерживает треснувшие при пожаре стекла на месте, предотвращая, тем самым, распространение пламени.

Оборудование для производства стекла

Перечень

Выбор оборудования зависит от вида выпускаемого продукта. При этом производитель практически не играет роли. Отечественные агрегаты не уступают по качеству зарубежным аналогам. Все стандартные линии имеют одинаковый набор компонентов:

Агрегаты для подготовки сырья . Сюда относятся станки для отделения примесей, в частности, магнитные сепараторы, которые извлекают из песка частички металлов, а также мощные дробилки для измельчения ингредиентов.
Установки для смешивания шихты (шихтосмесители ). Компоненты подбираются в зависимости от состава конечного продукта.
Весовое оборудование . Высокоточные весы позволяют правильно дозировать компоненты.
Стекловарильные установки .
Конвейерное оборудование . Необходимо для транспортировки ингредиентов.

Также потребуются упаковочная линия и, возможно, установка для пескоструйной обработки.

Оборудование для производства различных видов стекла выглядит достаточно схоже. Одними из наиболее сложных считаются установки для изготовления автомобильных стекол, что связано с жесткой стандартизацией конечного продукта. Здесь присутствуют специфические охладительные линии, станки для склейки, а также приборы для обработки изделий полимерами, которые придают поверхности дополнительную прочность.

Печи для производства стекла

Для плавления стекла применяют специальные печи с различными технологическими режимами. Данное оборудование классифицируется по двум показателям.

Классификация по технологическим параметрам

На небольших предприятиях по производству оптического, светотехнического и медицинского стекла используют горшковые печи. Оборудование рассчитано на выпуск небольшого количества продукции (в печи устанавливается 1-16 горшков) с высокими характеристиками светопропускания и однородности.

Также в стекольной промышленности часто применяют ванные печи непрерывного либо периодического действия, имеющие вид массивных емкостей прямоугольной формы. Конструкция и размеры их могут быть разными. В состав линий входят установки с расплавленным оловом, где охлаждается стекломасса.

Купногабаритные ванные печи комплектуются комплексами автоматического контроля работы горелок, что позволяет регулировать и равномерно распределять давление, температуру и газовый компонент на рабочей поверхности.

Классификация по принципу нагрева

По принципу нагрева различают плазменные и электрические печи. Первые работают от сжигания топлива и обладают низким КПД, поскольку тепловая энергия используется для нагрева шихты и котлов.

Электрооборудование дает возможность выпускать все существующие виды стекла. В качестве нагревательного элемента здесь выступает стекломасса, которая под действием высоких температур приобретает свойства электролита. Основное преимущество установок – отсутствие теплопотерь с исходящими газами.

Также существуют комбинированные газоэлектрические печи, где для плавки шихты используется газовый нагрев, а стекломасса нагревается посредством прямого сопротивления.

Из чего делают стекло?

В соответствии с классической технологией, основными сырьевыми компонентами в производстве стекла служат кварцевый песок, сульфат натрия, доломит и известняк. Для ускорения производственных процессов применятся так называемая шихта – специфические окислы, способствующие стеклообразованию. Они могут быть базовыми либо кислотными. Для придания стеклу заданных свойств используются вспомогательные «ингредиенты» – марганцевые, хромовые и кобальтовые красители, осветлители (селитра, трехокись мышьяка) и т. д.

Базовыми компонентами стекольной смеси являются песок (70%), сода и известь (30%). После добавления прочих веществ согласно технологическому процессу, масса перемешивается, расплавляется, охлаждается и нарезается на листы заданного размера. Современные производственные линии рассчитаны на выпуск листового стекла толщиной 2-50 мм и размером 5х3 м².

Технология производства стекла + Видео как делают

Его производство – трудозатратный и кропотливый процесс, который требует профессионального владения технологиями и крупных капиталовложений. Классический способ изготовления стекла основан на плавке исходной массы, куда дополнительно вводятся обесцвечиватели, глушители, красители, усилители и т. д. Далее состав охлаждается и режется, исходя из заданных параметров. На данный момент в мире популярны 2 технологии производства стекла.

Метод Эмиля Фурко

Технология основана на вертикальной машинной вытяжке материала. Стекольная масса плавится в стекловарной печи и вытягивается посредством прокатных валов, а затем подается в шахту охлаждения и режется. Почти готовые листы подвергаются шлифовке и полировке. Толщину изделий регулируют при помощи изменения скорости вытягивания.

Флоат-метод [основной]

Технология предполагает, что расплавленная стекольная масса из печи помещается на горизонтальные поддоны и подается во флоат-ванну с расплавленным оловом и газовоздушной атмосферой. Перемещаясь по поверхности, будущее стекло приобретает плоскую форму и напитывается частицами олова. Затем листы охлаждаются и подвергаются отжигу. Основные преимущества метода – высокая производительность и отсутствие необходимости в последующей обработке (шлифовке, полировке). Кроме того, такое стекло обладает:

правильной геометрией, одинаковой толщиной по всему листу;
высоким качеством;
прозрачностью;
прекрасными оптическими свойствами.

Аналогичным способом изготавливают армированное стекло с фигурными ячейками.

Полное видео о всем процессе как делают, включая подготовку песка:

Дополнительная обработка

В данном случае речь идет о нанесении ЛКМ на сторону стекла, не контактировавшую с расплавленным оловом. Технология находит применение в создании нестандартных дизайнерских решений.

Вследствие дороговизны оборудования и высокой сложности производственного процесса, многие предприниматели отдают предпочтение вторичному бизнесу по переработке стекла либо изготовлению определенных изделий – сувениров, зеркал, стеклянной мебели, стеклопакетов, различной декоративной продукции.

Технология производства зеркал

Зеркальную поверхность получают путем декоративной обработки листового стекла. По краю заготовки выполняют фацеты шириной 4-30 мм и углом наклона к лицевой поверхности 5-30°.

Затем на тыльную сторону наносят отражающий слой серебра толщиной 0.15-0.3 мкм и покрывают пленкой на медной основе для электрохимической защиты серебряного слоя. Завершает процесс нанесение лакокрасочных материалов, предотвращающих механическое повреждение поверхности. В их качестве могут использоваться эпоксидные эмали, поливинилбутиральные и нитроэпоксидные составы.

Еще один способ изготовление зеркал – металлизация стекла путем вакуумного испарения и катодного распыления.

Технология производства цветного стекла + Видео

По внешнему виду и соответственно технологии изготовления выделяют несколько типов листового стекла: тянутое, узорчатое, гладкое, окрашенное в массе, двухслойное, выполненное при помощи нанесения окисных пленок заданного цвета.

Базовый состав материала аналогичен используемому для изготовления оконного листового стекла. Для окрашивания применяются чаще всего молекулярные красители. Наибольшим спросом пользуются изделия красного, голубого, зеленого, фиолетового, синего, молочно-белого, желтого, оранжевого и черного цветов.

По типу окрашивания стекла могут быть прозрачными, глушеными либо мраморовидными. В последнем случае эффект достигается посредством неполного смешивания цветной стекольной массы с глушеным стеклом.

В качестве красителей выступают окислы металлов, сернистые соединения железа, свинца, кадмия и меди, а также сера и селен. Интенсивность цвета зависит как от выбранного красителя, так и от свойств самого стекла. Экспериментируя с несколькими пигментами, есть возможность получать десятки вариантов окрашивания.

Отличия технологии производства цветного стекла от изготовления обычного листового заключаются в специфике процессов варки и формования. Так, во время варки необходимо особенно тщательно относиться к соблюдению температурного и газового режимов, алгоритму подачи в печи шихты и возвратного боя. Целый ряд красящих компонентов при нагревании улетучивается, соответственно, даже небольшие отклонения от технологии могут стать причиной получения некондиции.

Из-за существенной разницы в теплоотдаче наружных и внутренних слоев при охлаждении первые затвердевают быстрее. Таким образом, чем тоньше лента, тем равномернее она охлаждается. Именно поэтому метод вертикального лодочного вытягивания не используется для производства утолщенного листового стекла.

Варка цветного стекла осуществляется в стекловаренные печи производительностью 2-15 тонн в сутки с бассейном небольшой глубины (300-700 мм). Режим варки устанавливается соответственно типу и составу стекла, а также свойствам используемых добавок. Некоторое время назад варку цветных стекол стали выполнять в печах прямого нагрева без рекуператоров и регенераторов.

Требования к производственным помещениям

На сегодняшний день наиболее рентабельным считается стекольное производство мощностью порядка 600 и более тонн продукции в сутки. Соответственно, расположение завода следует подбирать с учетом наличия поблизости месторождений кварцевого песка и компонентов стекловарной шихты, мест компактного проживания населения и дорожных, в том числе, железнодорожных развязок.

Технологический цикл допускает ввод железнодорожных путей на территорию предприятия, соответственно, следует исключить наличие в сооружениях открытых сгораемых конструкций, покрытий и перекрытий, а ширина подъездных путей должна быть достаточной для подачи пожарных машин.

Сооружения, где ведется непосредственно производство стекла, принадлежат к категории Г в отношении пожарной безопасности, остальные здания – к категории Д.

Согласно действующим санитарным нормам, стекольное производство относится к III классу и должно быть отделено санитарно-защитной зоной шириной 300 м. Также на предприятии необходимо установить систему фильтрации сточных вод и воздушные фильтры.

Каждое здание на предприятии должно быть подключено к системам водоснабжения, водоотведения, электроснабжения, теплоснабжения, газоснабжения, проточной вентиляции.

Тип и этажность сооружений зависят от состава, вида, количества и габаритов производственного оборудования. Как правило, речь идет об одноэтажных многопролетных зданиях с сеткой колонн 30х12 и 36х12 м, высотой 14.4 и 16.5 м. Каркас зданий выполняют из сборных ж/б или стальных несущих конструкций.

Тенденции в развитии стекольного производства

Современное стекольное производство развивается по трем основным направлениям: улучшение условий труда, автоматизация процессов и ориентация на выпуск «зеленой» продукции.

Для решения поставленных задач ведутся разработка и внедрение новых технологий, включая передовые разработки IT отрасли, активная модернизация действующих производств, вводятся специальные программы, предусматривающие сокращение рабочего дня, страхование сотрудников, установку эффективного вентиляционного оборудования.

Компенсировать вред, причиняемый экологии в процессе варки стекла, предприятия стремятся за счет активного использования вторичного сырья.

Стекло - это материал, по некоторым свойствам не имеющий аналогов. До сих пор для его производства используются натуральные ингредиенты, повторная переработка испорченного изделия может происходить неоднократно без потери качества и почти без отходов.

Определение

Стекло может находиться в нескольких агрегатных состояниях на разных этапах производства. И все же, стекло - что такое и из чего его делают?

Согласно научному определению, стеклом является всякое аморфное тело, полученное методом расплава, которое при увеличении вязкости приобретает свойства твердого тела. При этом процесс перехода из одного состояния в другое является обратимым.

История материала

В повседневной жизни мы ежедневно используем стекло. Что такое и из чего его делают - это редко задаваемые в современности вопросы, настолько нам привычен материал. Ученые считают, что стекло впервые было получено случайно, проследить зарождение технологии невозможно. Первые изделия датируются примерно 2540 годом до нашей эры. В древней рецептуре присутствовали три компонента - сода, песок и глинозем. В дальнейшем научились улучшать свойства материала, добавляя к основным ингредиентам мел, доломит и другие составляющие. Весь состав, из которого варится стекло, называется шихта.

Цветное стекло начали получать, используя природные пигменты - окиси хрома, оксид никеля, кобальтовые добавки. Первое формованное изделие было получено в 1-м веке нашей эры римскими мастерами. Они же изобрели листовое стекло. Технология производства стекла в листах состояла в выдувании огромного, в человеческий рост цилиндрического пузыря из горячей массы. Пока она не остыла, ее разрезали вдоль длинной части и раскладывали на поддонах для выравнивания. Такая техника была распространена повсеместно до начала 20-го века. В России стекольное производство было открыто в 17-м веке и располагалось в селе Духанине, мастерами в то время были только иностранцы.

Состав

Для множества целей используется стекло. Что такое стекло, мы уяснили, а что представляют собой его основные ингредиенты? Состав исходных ингредиентов за весь период практики изготовления материала практически не изменился. Три основных компонента составляют основу (шихту) - это кремнезем или кварцевый песок, сода (оксид натрия) и оксид кальция, известный под названием известь. Составляющие соединяются в определенных пропорциях и плавятся в печи при температуре от 300 до 2500 °С. В состав шихты, в зависимости от желаемых свойств, добавляются поташ, борный ангидрид, битое стекло предыдущих варок или сырье вторичной переработки.

Технология

Для усиления или ослабления свойств соединений в процесс плавки добавляют усилители, глушители, красители, обесцвечиватели и т. д. После варки массу быстро охлаждают, что позволяет избежать образования кристаллов. Из всех составляющих самый большой процент в рецептуре занимает песок - от 60 до 80%. Песок выступает остовом, вокруг которого формируется стекловидный материал. Технология производства стекла остается неизменной в течение столетий.

Известь является еще одним компонентом, без которого не производится стекло. Что такое оксид кальция в составе ингредиентов? Эта составляющая придает материалу химическую устойчивость и усиливает блеск. Стекло можно выплавить лишь из песка и соды, но без извести оно растворится в воде. Третьим игроком в составе шихты является оксид металла - натрия или калия (до 17%). В смесь вводится в виде кальцинированной соды или поташа. Эти составляющие уменьшают температуру плавления, позволяя отдельным песчинкам полностью расплавиться и соединиться в монолит.

Виды

В зависимости от используемых компонентов в составе шихты, разделяют виды стекла:

Кварцевое. Изготавливается из одного компонента - кремнезема. Обладает высокими качествами: устойчиво к высокой температуре (до 1000 °С) и термоудару, пропускает видимый и ультрафиолетовый спектр излучения. Производство связано с высокими энергетическими затратами, поскольку кремнезем (силикатное стекло) - тугоплавкое сырье и плохо поддается формовке. Основные сферы применения - химическая и лабораторная посуда, части оптических систем, ртутные лампы и пр.
Натриево-силикатное. Изготавливается из двух компонентов, состав стекла - силикатный песок и сода (1:3). По своим свойствам имеет широкое применение в промышленности в качестве компонента какого-либо процесса, но не применяется в других сферах, изделия из него не изготавливаются. Основной недостаток - растворяется в воде.
Известковое. Самый распространенный вид материала, из которого производится большинство изделий - листовое стекло, стеклотара, зеркальное полотно, посуда и многое другое.
Свинцовое. В классический состав стекла (шихты) пропорционально добавляется оксид свинца. Свинцовое стекло отличается повышенными диэлектрическими свойствами, что позволяет использовать его в качестве лучшего изолирующего состава в телевизионных трубках, осциллографах, конденсаторах и пр. Наличие свинца в стеклянной массе придает материалу дополнительный блеск, сверкание, что часто используется при изготовлении художественных изделий, посуды и т. д. Хрусталь - один из видов свинцового стекла.
Боросиликатное. Добавка оксида бора в состав материала увеличивает его устойчивость к термическому удару до 5 раз, существенно улучшаются химические свойства. Боросиликатное стекло используется для изготовления труб и лабораторно-химической посуды, изделий для бытовых нужд. Масштабным примером использования служит зеркало, созданное на основе боросиликатного стекла для крупнейшего в мире телескопа.
Прочие виды стекла - алюмосиликатные, боратные, цветные и др.

Виды оконных стекол

Оконное стекло самый востребованный вид материала. Оно пропускает солнечный свет, осуществляет теплоизоляцию зимой и летом, препятствует проникновению шума, эстетически оформляет оконный проем и выполняет еще множество функций. На сегодняшний день существует широкий выбор видов стекла, каждый из которых отвечает определенным требованиям:

Энергосберегающее. Вид стекла, тонированного в массе или покрытого специальной пленкой, которая обеспечивает проникновение в помещение коротковолнового солнечного излучения, а длинноволновое излучение отопительных приборов из помещения не выпускается. Второе название - селективное стекло. На сегодняшний день разработано несколько типов покрытий. Наиболее перспективными являются - К-стекло (нанесение окислов металлов на поверхность) и i-стекло (вакуумное многослойное напыление серебра - диэлектрика).
Солнцезащитное. Снижает пропускание солнечного света в помещение. Разделяют на два вида - отражающее и поглощающее. Эффект достигается либо тонировкой стекла в массе при варке, либо нанесением специальной пленки на поверхность.
Декоративное. Оконное стекло с дополнительными эстетическими характеристиками - узорчатое, цветное и т. д.

Безопасные стекла

Одним из отрицательных качеств стекла является его хрупкость, существуют технологии упрочнения материала. Самые распространенные виды:

Армированное. Листовое стекло, при формовке которого в массу внедряется металлическая сетка. Сфера применения - производственные помещения, уличные осветительные приборы, облицовка лифтовых шахт и т. п.
Ламинированное или триплекс . Два или больше стекол скрепляются между собой специальной пленкой или жидкостью. Этот вид материала существенно снижает уровень шума в помещениях. Также при использовании дополнительных цветофильтров при ламинации способно выполнять солнцезащитные функции. Триплекс обладает повышенной механической устойчивостью, при разбивании полотна осколки остаются прикрепленными к пленке, что делает его максимально безопасным для применения при фасадном, балконном, оконном, дверном остеклении.
Огнестойкое . Чаще всего производится по технологии ламинации специальными пленками, которые при температуре свыше 120 °С меняют свои физические свойства и, расширяясь, становятся матовыми, придавая стеклу жесткость.
Защитное . Представляет собой многослойный материал, состоящий из нескольких видов стекла, скрепленного полимерной пленкой. Например, силикатное стекло скрепляется с поликарбонатом и органическим стеклом. Такой светопрозрачный блок устойчив к механическим, химическим, ударным повреждениям. К защитным видам стекла относятся пулестойкое, ударостойкое, устойчивое к пробиванию и другие типы. Технические требования к материалу и классификация защитных стекол регулируются ГОСТом Р 51136.
Закаленное. Обладает высокими прочностными характеристиками. Эффект обеспечивает технология производства стекла - в специальной тоннельной печи листы краткосрочно подвергаются воздействию высокой температуры и быстро охлаждаются. При разбивании закаленное стекло рассыпается на мелкие осколки, не несущие угрозы жизни и здоровью. Недостатком является невозможность механической обработки закаленного полотна, при малейшем воздействии оно разрушается. Большинство изделий из закаленного стекла сначала формуются, режутся или обрабатываются иным способом и только после этого проходят закалку.

Автостекло

Стекла для автомобилей обладают повышенными прочностными характеристиками, отвечающими требованиям безопасности. На сегодняшний день при производстве используются две технологии - ламинация (триплекс) и закаливание (сталинит):

Закаленное получают термической обработкой обычного силикатного стекла, разогревая его в печи до температуры +600 °С с последующим быстрым охлаждением. Оно приобретает механическую и термическую прочность, но при сильных ударах разрушается, распадаясь на мелкие безопасные осколки, у которых отсутствуют режущие и колющие кромки. Российская маркировка - буква «З», европейская - «Т» или Tempered.
Ламинированное - это два тонких листовых стекла, скрепленных полимерной пленкой под действием температуры и вакуума. Свойства стекла таковы, что оно остается целостным при сильных воздействиях, не распадается на осколки, если лопнуло. Части остаются скрепленными пленкой. У триплекса есть дополнительные возможности - тонировка цветофильтрами в процессе ламинации, дополнительная шумоизоляция салона, низкая теплопроводность и пр.

Современные разработки

Двадцатый век можно назвать временем широкого применения стекла. После разработки технологии механических способов получения материала его стали применять в самых разных областях - в качестве тончайшего волокна в сферах телекоммуникаций, с не меньшим успехом используется большими многотонными блоками в строительных технологиях.

Свойства стекла многообразны, их до сих пор продолжают изучать в научных институтах, а умельцы находят новые способы применения и изобретают новые виды. В 1940 году стеклоделы представили миру пеностекло. Его качествами является:

Легкость - не тонет в воде, имеет ячеистую структуру, удельный вес немного превышает вес пробки.
Влагоустойчивость, долговечность.
Экологичность (в классический рецепт шихты добавлен кокс).
Пожаробезопасен (не горит) и заглушает огонь.
Материал можно распиливать на куски без ущерба для качества.

Сферой применения стали изоляционные материалы для опасных производств, холодильных камер и пр.

Для солнечных батарей используют стекло с проводящим покрытием из тонкого слоя оксида металлов. Панели с покрытием работают при температурах около 350 °С. Кроме того, такое стекло монтируют в кабины самолетов, чтобы избежать наледи и сохранить тепло внутри кабины.

Важным достижением современности стала возможность производства стеклокерамики. Материал изготавливается по технологии обычного стекла, но на последнем этапе охлаждения процесс замедляется, и происходит кристаллизация в массе материала. Катализаторами служат специальные добавки, которые никак не влияют на внешнее состояние стекла, но образуют мелкие кристаллы. Материал без деформации выдерживает высокие температуры и более устойчив ко всем видам повреждений. Используется в ракетостроении, бытовой технике, лабораториях, частях двигателя и во многих других областях.

Человек ежедневно сталкивается со стеклянными изделиями. Стекло почти волшебный предмет – с одной стороны прозрачное, с другой материальный объект. Вещество будет прозрачным, когда фотоны (кванты света) проходят сквозь него, не поглощаясь. Но почему-то далеко не каждому приходит в голову мысль – как и из чего делают стекло? Как происходит процесс?

Интересные факты:

Чтобы стекло разложилось, понадобится миллион лет.
Стекло перерабатывается без потери качества.
Самое толстое стекло в мире – это 26 см экран сиднейского аквариума.

Из чего делают стекло?

Для изготовления стекла мастера берут: кварцевый песок (основная составляющая); известь; сода;

Вначале кварцевый песок, соду и известь нагревают в специальной печи до температуры 1700 градусов выше нуля. Песчинки соединяются между собой, после гомогенизируются (превращается в однородную субстанцию), газ удаляется. Масса «окунается» в расплавленное олово с температурой выше 1000 градусов, которая плавает на поверхности из-за более низкой плотности. Чем меньше масса, попадающая в ванну с оловом, тем тоньше будет стекло на выходе.

Завершающим штрихом является постепенное охлаждение. Субстанцию помещают в специальный конвейер, где охлаждают до температуры 250 градусов выше нуля. Почему стекло прозрачное можно прочитать .

Интересные факты:

Самое дорогим в мире считается Муранское стекло. Изделия из него стоят миллионы долларов. Венеция с древних времен славилась изготовлением качественного стекла. Достоверно известно, что в XIII веке правительство государства перенесло производство на крупный остров Мурано, и мастерам было категорически запрещено покидать его. Наказание – смертельный приговор. Кроме того, для туристов или других жителей Венеции также вход на остров был закрыт. Такие жесткие меры позволили сохранить тайну производства.
Одним из самых интересных психических заболеваний Средневековья является «стеклянная болезнь». Человек при таком расстройстве думал, что сделан из стекла, и боялся разбиться. Таким недугом страдал французский король Шарль VI. Монарх носил всегда несколько слоев одежды и запрещал к себе прикасаться.

Какие функции выполняют сода и известь в процессе производства?

Сода помогает уменьшить температуру плавления в 2 раза. Если ее не добавить, песок будет очень сложно расплавить, и соответственно – соединить отдельные песчинки между собой. Известь нужна, что бы масса стойко переносила воду. Если бы ее не было в составе, окно, например, растворилось бы сразу после первого дождя, а стакан лопнул после соприкосновения с водой.

Интересные факты:

Китай не производил стекло более 500 лет – с XIV по XIX века. Сейчас государство – один из лидеров производства, и контролирует треть мирового стеклянного рынка.
1994 год стал крайне активным в плане переработки стекла в США. Если выложить в одну линию все переработанные за тот год стеклянные изделия, получится своеобразная «дорога» на Луну.

Как получается цветное стекло?

Стекло производят не только бесцветное. Чтобы получить цветное изделие, в печь для плавления, помимо основных компонентов, добавляют химические соединения:

Оксиды железа дают стеклу насыщенный красный оттенок.
Оксиды никеля – коричневый, фиолетовый (в зависимости от количества).
Чтобы получить ярко-желтый оттенок, добавьте к песку, соде и извести оксиды урана.
Хром делает стекло зеленым.

Какими характеристиками и свойствами обладает стекло?

Пропорции компонентов для изготовления стеклянных товаров подбирают в зависимости от их назначения. Выделяют: бытовое стекло – то, из чего после делают посуду, очки, украшения; строительное – витрины, окна, витражи;

Техническое стекло – наиболее плотное. Используется в тяжелой промышленности. Основное свойство стекла – «умение» пропускать через себя солнечный свет. Но не полностью. Так, стандартное оконное стекло пропускает лишь 85 % солнечного света. Стекло имеет малую теплопроводность, проще говоря – оно не слишком нагревается от других продуктов. Это свойство широко используется для использования стекла в каминах (бытовой техники – плитах и духовках).

Интересный факт: Все слышали о бронированном (пуленепробиваемом) стекле. Процесс его производства выглядит так: несколько стеклянных пластов соединяют между собой, фиксируют полимерными пленками и отправляют в печь. Первое пуленепробиваемое стекло установили на окна Белого дома в 1941 году.

Стекло – удивительный материал. Процесс его создания сложный и травмоопасный, но интересный и очень нужный.

Изготавливать стекло начали приблизительно в третьем тысячелетии до н.э., что подтверждают найденные в Междуречье стеклянные части. Производство стекла тогда было редким искусством – изделия из него были признаком богатства владельца. Сделать стекло сейчас возможно и в домашних условиях, материалы для этого могут различаться, но принципиальные моменты процесса одинаковы вне зависимости от характеристик сырья.

Материал, из которого делают стекло

Чтобы изготовить стекло понадобится кремнистый песок, который иначе называют кварцевым. Этот элемент – основа производства стеклянного полотна. Для получения прозрачного стекла необходимо брать кремнистый песок без присутствия железа. Примесь железа в кварцевом песке приводит к тому, что итоговое полотно приобретает некоторый зеленоватый оттенок, интенсивность которого зависит от количества металла.

Для справки!

Когда найти кремнистый песок без большого объема примеси железа возможности нет, для нейтрализации зеленоватого оттенка в будущем стеклянном изделии нужно добавить незначительное количество диоксида марганца.

В кварцевый песок добавляют кальциевую окись и карбонат натрия. Сода (карбонат натрия) понижает температуру, необходимую для производства стеклянного полотна. Карбонат натрия и гидроокись кальция также препятствуют воде проникать сквозь стекло – их добавляют специально для нейтрализации этого свойства. Чтобы ликвидировать водопроницаемость и увеличить прочность стекла также применяют оксиды алюминия либо магния. Но, такие примеси составляют 26-30% стекольной шихты, не больше. При изготовлении цветного стекла используют некоторые «побочные» свойства химических элементов:

Чтобы получить зеленое стекло добавляют большой объем оксида меди, хрома либо железа.
Для желтого, черного, коричневого либо янтарного цвета в стекольную шихту вносят серу. Степень насыщенности цвета зависит от объема добавленного железа либо углерода.
Совмещение серы и бора приводит к синему тону.
Добавление марганца придает фиолетовый оттенок.
Соединения никеля позволяют получить красно-фиолетовый цвет.
При использовании окиси неодима стекло приобретает красный тон.
Розовый цвет получают при помощи оксида эрбия.

Стекло своими руками

Сделать стекло в домашних условиях возможно только, когда есть плавильня, так как без добавок кремнистый песок плавится при температуре в 2300 ̊С, а в случае присутствующей в нем соды (карбоната натрия) градус плавления понижается до 1500 ̊С. Для получения однородной массы надо удалить пузырьки – чтобы получить такой эффект стекловаром делают постоянные помешивания, пока расплавленная стекольная масса не загустеет. Кроме помешиваний также необходимо привнести в стекольную массу одно из трех химических веществ:

натрия сульфат;
хлорид натрия;
триоксид сурьмы.

Внимание!

Придать форму жидкой стекольной массе возможно используя формующие емкости, вылив в ванну с оловом (расплавленным), а также применяя стеклодувную технику.

При использовании форм необходимо залить расплавленную массу в емкость и оставить в ней до полного застывания и остывания. Такая методика применялась египтянами и используется сейчас для получения оптических линз. Вариант ванны с оловом предполагает нагнетание азотом давления для придания стеклу глянца и формы. Эту методику применяют для получения полированного стеклянного листа (оконного стекла) с 1950 г. В случае стеклодувной техники, форму стеклу придают при помощи воздуха:

Больший объем расплавленной стекольной массы скапливается на конце трубки.
В полую трубку задувают воздух, при этом ее непрерывно вращают.
Сила притяжения действует на стекольную массу, она стремится к земле, а стеклодув формирует необходимый вид предмета при помощи специализированных инструментов.

Где взять кварцевый песок

Прежде, чем делать стекло необходимо купить кварцевый песок. Иногда найти качественный материал тяжело, так как нередко в кремнистом песке присутствует значительное число примесей. Их надо нейтрализовать при помощи диоксида марганца – для получения прозрачного стекла. Купить кварцевый песок можно в специализированных магазинах, цена материала находится в районе 20 у.е. за небольшой объем, необходимый для разовой работы. Когда запланирована работа в промышленных масштабах, цена кремнистого песка составляет порядка 100 у.е. за 1 тонну.

Подготовка смеси и добавки к песку

Подготавливают смесь кварцевого песка – в него добавляют необходимые химические элементы, влияющие на характеристики итогового изделия (цвет, прочность, подобное). Обязательно, для водостойкости в сырье добавляют оксид кальция либо известь, а для понижения температуры плавления – карбонат натрия (соду). Часть примесей не должна превышать треть от объема получившейся смеси кварцевого песка с химическими элементами.

Внимание!

Перед началом работы с кремнистым песком необходимо надеть защитную маску, так как материал тонкозернистый и легко проникает в дыхательные пути, раздражая слизистые.

Этапы стекольного производства и порядок работы

Чтобы приготовить стекло своими руками нужно строго соблюдать порядок этапов его производства. Перед началом плавки предварительно подготовленную шихту помещают в тигель, устойчивый к высоким температурам, и подготавливают нагревательное устройство. На производстве для нагрева используют сложную печь высокой температуры, но при малых объемах и добавлении соды подойдет гриль или миниатюрная плавильня. Дальнейшие этапы соответствуют:

Расплавленную массу в сосуде перемешивают до однородности расплавленного стекла – пузыри воздуха должны выйти.
Когда масса уже готова ее нужно сформировать в соответствии с задуманным – отлить слиток или форму.
После застывания стекла проводят отпуск и закаливание – итоговый результат будет прочнее, так как снято внутреннее напряжение.

На производстве, кроме фигур и посуды, изготавливают обычное стекло для окон и зеркал, но в домашних условиях получить его возможности нет. Для отливания гладкой стеклянной поверхности используют чашу с расплавленным оловом – расплав растекается по поверхности и постепенно остывает до твердости. Упрочнение стекла происходит из-за разницы в температурах плавления материалов.

Использование жаровни на древесном угле

Горение древесного угля дает высокую температуру, которой будет достаточно для расплавления стеклянной шихты в тигле. Чтобы использовать этот вариант нужно подготовить жаровню или использовать готовый вариант – мангал, барбекю, гриль. Однако надо учитывать прочность материала жаровни – алюминий легко расплавится при необходимых температурах, а тонкая сталь просто выгорит. Количество топлива также нужно увеличить, в сравнении с подходящим объемом для приготовления пищи, так как нужна высокая и стабильная температура.

Внимание!

Если на жаровне имеется отверстие для вентилирования углей, его нужно открыть – без доступа кислорода нагрев будет недостаточным для плавления.

Использование печи

Для плавления стеклянного песка используют различные виды печей – газовые, муфельные, электрические и горшковые. В печи возможен разогрев шихты до необходимой температуры в 1500-2500°С. В зависимости от конструкции устройства, могут понадобиться щипы с фиксацией для тигля. Охлаждение готового материала после значительного нагрева должно быть плавным – при касании к холодным объектам появляются трещины.

О ЧЁМ СТАТЬЯ?

Состав стекла

Компоненты входящие в состав стекла можно разделить на следующие типы:

Основа
Обязательные оксиды щелочных металлов
Компоненты, придающие особые свойства
Вспомогательные вещества

Также в некоторых случаях, добавляют стеклобой.

Основу любого стекла представляет собой кварцевый песок или диоксид кремния. При чем в смесь для будущего стекла попадает только отборный песок, очищенный от примесей железа и от малейших загрязнений, допускается около 2% примесей. От этого зависит прозрачность самого стекла.

Обязательные оксиды щелочных металлов различны в зависимости от типа стекла. Например:

для оконного стекла используют оксиды натрия, кальция или алюминия
для хрустального — оксиды калия и свинца
для лабораторного — оксиды натрия, калия, бора
для оптического — оксиды бария, алюминия, бора

Компоненты для придания особых свойств подбираются, исходя из желаемого эффекта, например добавляют оксиды титана или бария для придания термоустойчивости, и так далее.

Вспомогательные вещества в большинстве своем представляют из себя осветители, обесцвечиватели и красители.

Производство стекла в промышленных условиях

Начинается все с того что на завод по производству привозят все необходимые вещества. Основные компоненты из чего делают стекла это кварцевый песок, доломит, сода, известь. Все вещества проходят подготовительную обработку. Песок очищают от примесей железа, доломит и известь измельчают в дробилке. После чего все вещества смешиваются и на этом этапе также вмешивают компоненты, нужные для придания определенных свойств. Вся эта смесь называется шихтой. Шихта — это уже полностью готовая к дальнейшей обработке смесь, то есть это уже конкретно то из чего делают стекло.

Начинается технологический процесс по изготовлению стекла. Готовая шихта по конвейеру попадает в бункеры, из которых засыпается в погрузчик, и уже погрузчик заталкивает её в печь. Так как температура здесь колеблется от 1200 до 1600 градусов, в зависимости от типа будущего стекла, то такая печь работает непрерывно на протяжении нескольких лет. Потому что нельзя просто так взять и отключить такую печь, иначе она просто разрушится. Для того чтобы выключить такую печь потребуется около недели равномерного остывания. При такой температуре шихта превращается в стекломассу.

Из печи эта стекломасса сначала попадает в резервуар с мешалкой, а после того как она хорошо размешается, вытекает в студочную камеру. Здесь она остужается примерно до 1000 градусов. Из студочной части стекломасса попадает во флот-ванну. На этом этапе происходит интересный процесс. Флот ванна представляет собой ванну с расплавленным оловом, температура которого около 600-700 градусов по цельсию. По этому олову стекломасса буквально плывет и немного остывает, именно благодаря этой технологии она приобретает практически идеальную плоскость.

После ванны с оловом, лента стекла попадает в лер обжига, который в длину больше 100 метров, прокатываясь по которому оно постепенно остывает.

Следующий этап — это нарезка ленты на листы стекла. Здесь применяется очень хитрая технология. Нарезка происходит прямо по ходу движения ленты, что значительно ускоряет весь процесс изготовления стекла. Как на ходу можно нарезать ленту, спросите вы. Дело в том что резак двигается с абсолютно одинаковой с лентой скоростью и в это время режет её поперек, после чего возвращается в исходное положение. Итак мы получаем готовые листы стекла.

Теперь в работу вступает такое оборудование, как стоплеровочная машина. Как можно понять по названию она делает стопки из стекла. Перемещение листов стекла, происходит при помощи присосок, так как стекло очень хрупкое, но весит довольно много, то другим способом его никак нельзя передвинуть. После того как стопки образованы их перевозит специальный погрузчик, а дальше уже стекло распределяется на склады, магазины, в места где из них делают стеклопакеты и так далее.

Кстати почему стекло получается прозрачным? Дело в том что кварцевый песок полностью прозрачен. Но мы не можем ничего увидеть через песчинки из за многократного преломления света. Например, если вы раскрошите стекло на много частей то через них вы тоже ничего не увидите. А когда песок превращается в гладкую массу то тут мы уже видим прозрачный лист стекла.

Изготовление стеклянных изделий

Стеклянные изделия можно разделить на два больших вида. Первые это те изделия которые производятся в промышленных масштабах, так называемая стеклотара, например стеклянные бутылки, банки. Второй большой вид это художественные изделия. Так называются все изделия, которые делаются вручную стеклодувами, например вазы, стеклянные статуэтки, фигурки и тому подобное. При изготовлении стеклянных изделий, промышленного стекла и вообще любого стекла начальный этап производства всегда абсолютно схож, до получения стеклянной массы. Различны только компоненты входящие в состав шихты, температура плавления и последующая обработка получившейся стеклянной массы

Производство промышленных стеклянных изделий

Готовая стекломасса из печи попадается в линию стекла, из которой она вытекает в форме колбасы и нарезается резаком на цилиндрические капли, одна такая капля это будущая бутылка или банка. Капля направляется в так называемый черпак, который направляет их в формовочную машину. Она работает следующим методом: держатели берут каплю за край и держат в висячем положении, вся нижняя часть капли закрывается с двух сторон нужной формой, будь то банка или бутылка, на форме также могут быть определенные узоры. После того как форма закрылась держатель отодвигается и в каплю вставляется устройство для выдувки. Оно, как воздушный шарик, раздувает каплю изнутри сжатым воздухом и масса приобретает нужную форму. Излишки расплавленного стекла уходят в первоначальную форму.

Кстати для придания стеклу какого либо цвета или оттенка в шихту добавляют определенные вещества, например для придания зеленого цвета добавляют оксид железа или хрома, для голубого оксид меди и так далее.

Теперь почти готовые изделия двигаются по обогреваемому конвейеру, для того чтобы не произошел резкий перепад температур и изделие не треснуло. С этого конвейера погрузочная машина передвигает изделия в лер, по которому они медленно перемещаются и постепенно остывают. Здесь же их обрабатывают специальным раствором, который позволяет им скользить и двигаться гладко. А движутся они дальше на проверочную и упаковочную линию. После прохождения всех этапов мы получаем готовое изделие.

Как делают художественные стеклянные изделия

Художественные стеклянные изделия делают все из той же стеклянной массы. На производстве таких изделий стоит все та же печь, но только температура для изготовления немного ниже промышленных, около 1200 градусов. Непосредственно само изделие делают стеклодувы. Стеклодувы как ювелиры для стекла, они могут работать как в одиночку, так и парами или даже больше.

При помощи длинной трубки мастера по стеклу достают необходимое количество раскаленного стекла прямо из печи и сразу же начинают придавать ему форму различными методами, при этом периодически выдувая через трубку. В процессе можно будет добавить еще материала, например для каких либо дополнительных деталей. Совсем маленькие детали делаются отдельно, тоже различными методиками.

После формирования деталей и общей формы изделия, его на сутки помещают в другую печь для обжига. Как правило, температура в разогретом состоянии около 400 градусов, на ночь такую печь выключают и изделия в ней постепенно остывают до 70 градусов, там самым закаляясь и затвердевая.