Как изготавливают стекло. Как делают стекло? Технология изготовления стекла

Удивительно, но сталкиваясь, каждый день со стеклянными изделиями, мало кто задумывается о том, из чего делают стекло. Между тем, процесс создания этого материала довольно интересен, а диапазон применения — очень широк.

Технология изготовления стекла

Основной компонент, из которого его делают — это обычный кварцевый песок . Для того чтобы из непрозрачной сыпучей субстанции образовался прозрачный и бесцветный монолит, её нагревают до очень высоких температур. Благодаря этому отдельные песчинки сплавляются между собой, и, поскольку охлаждение стеклянного «теста» происходит очень быстро, не успевают вернуться в свою первоначальную форму. Кроме того, в состав стекла входит сода, немного воды и известняк. Чтобы получить цветной материал, в расплавленную массу добавляют оксиды металлов. Каких именно, зависит от желаемого результата. Так, например, окиси хрома и меди дают вместе зелёный цвет, отдельно окись хрома — желто-зелёный, а кобальт — насыщенный синий.

Технология производства стекла выглядит следующим образом. Сначала все компоненты, вымеренные точнейшими электронными весами, отправляются в гигантскую печь, где при температуре в 1600° С превращаются в единую массу. Затем эта масса делается однородной или, говоря научным языком, гомогенизируется, а все пузырьки газа из неё удаляются. Затем стекольной массе предстоит «купание» в ванне с расплавленным оловом , температура которого приближается к 1000° С. Благодаря более низкой плотности, чем у оловянного расплава, стекло не смешивается с ним, а как бы плавает на поверхности. При этом оно охлаждается и приобретает идеальную гладкость.

Толщина материала зависит от дозировки расходной массы, попадающей в ванну — чем она меньше, тем тоньше получится. Когда стеклянное волокно покидает оловянную ванну, его температура понижается до 600 °С, однако оно ещё достаточно горячо для того, чтобы затвердеть. Поэтому его охлаждают повторно, проводя стекольную «простыню» через конвейер из вращающихся роликов до тех пор, пока масса не остынет до 250 °С. Охлаждение должно проходить постепенно, иначе материал треснет. В конце конвейера установлен автоматический контроль качества — выявляющий возможные огрехи материала. Помеченные сканером места удаляются на следующей стадии процесса — во время резки единого «полотна» на листы нужного размера. В процессе обрезается его край, на котором остаётся полоса от шестёренок.

Полученные обрезки добавляются к новой партии стеклянного «теста» — таким образом, получение стекла становится безотходным процессом.

Характеристики стекла

Теперь, когда ответ на вопрос о том, как изготавливают стекло получен, самое время рассказать о нём подробнее. Итак, существует несколько параметров, по которым подразделяются стёкла. По назначению они делятся на три категории. Бытовые — то есть те, которые идут на изготовление посуды, тары, очков и различных украшений. Строительные — в этот список входят стеклоблоки, стеклопакеты, витрины, мозаики, витражи и так далее. И, наконец, технические, применяемые в химической, машиностроительной и прочих промышленностях. Второй признак, по которому эти изделия разделяются на пять классов — это род обработки.

Первый класс. В него входят предметы, сделанные по технологиям, предусматривающим ту или иную обработку стекла.
Второй класс. Включает в себя изделия, подвергшиеся механической обработке поверхности, как то: шлифовка, полировка, матирование (без использования химических средств), гравировка и так далее.
Третий класс. К этой категории причисляют предметы, чьи грани подверглись холодной обработке механическим способом. Например, были закруглены или фацетированы.
Четвёртый класс. Изделия, подвергнутые химической обработке, например травлению или матированию с использованием кислот.
Пятый класс. Стекла, имеющие плёночные или какие-либо иные покрытия.

Также стёкла различают по фактуре наружной поверхности. Здесь существует семь категорий, в одну из которых входят , а в шесть других — глянцевые . Глянцевые поверхности могут быть травлеными, свободными от покрытий или покрытыми органической плёнкой, кремнеорганическими соединениями, полупроводниками или металлическим напылением.

Свойства стекла

Одно из основных свойств этого материала — способность пропускать свет. Стоит сказать, что стекол со стопроцентной пропускаемостью света в природе не существует. Лучшие представители прозрачного «братства» пропускают около 92% процентов видимого света, а привычные оконные — не более 87%.

Теплопроводность стекла — то есть способность проводить тепло от более нагретых участков к менее нагретым, очень мала. Такая способность этого материала создает возможность для его применения в или духовках. Плотность стекла — то есть отношение массы к объёму, полностью зависит от его химического состава. Так, например, если в стекло входит свинец, то плотность его будет высокой. Обычное же оконное имеет плотность 2,5 г на см 3 — проще говоря, 1 см 3 весит 2,5 грамма.

Твёрдость — то есть способность сопротивляться проникновению иных материалов, составляет примерно шесть баллов по шкале Мооса. Для сравнения — у алмаза, самого плотного согласно этому определению материала, данный показатель равен десяти. Хрупкость стекла, как всем известно, очень велика, однако точные её показатели можно определить только в специальной лаборатории.

Стекло служит человеку уже много сотен лет, а процесс его создания всё так же привлекателен и в чём-то даже загадочен. Оно не только защищает наши дома от холода и ветров, но и даёт большую свободу для творчества — от создания витражей до выдувания из него всевозможных предметов.

Стеклянная посуда, окна в домах и многое другое – для нас сегодня это привычные предметы обстановки. Однако много веков назад стеклянные кубки стоили баснословно дорого, и их можно было встретить только на столах у наиболее богатых и знатных вельмож.

Из чего же делают стекло, и как люди научились его изготавливать?

История изобретения стекла

Стекло было известно, по крайней мере, две тысячи лет назад. Древнеримский историк Плиний описал случай, в результате которого оно было изобретено. По его версии, однажды моряки, везшие на своем корабле соду, высадились заночевать на берегу, покрытом чистым золотым песком.

Они разожгли костер, чтобы приготовить ужин и согреться. Случайно один мешок из их груза прорвался, и сода высыпалась в костер. Ночью пошел дождь, смыл золу и головешки, и моряки увидели на месте костра сияющую стеклянную поверхность.

Компоненты для изготовления стекла

Так ли на самом деле было изобретено стекло, или, как гласит другая версия, оно получилось в ходе экспериментов с обжигом глиняных горшков – но люди овладели секретом его приготовления довольно давно.

Для того, чтобы изготовить стекло, требуется три основных компонента.

Кварцевый песок – это чистый речной песок, состоящий из оксида кремния. Доля песка в смеси для варки стекла составляет около 75%. Он плавится при очень высокой температуре: его нужно нагревать до 1700 градусов Цельсия. От качества песка во многом зависит прозрачность и качество будущих стеклянных изделий. Венецианские стеклодувы, изготавливавшие наиболее знаменитое в средневековой Европе муранское стекло, специально привозили песок из провинции Истрия, а для богемского стекла мастера измельчали в мелкий песок куски кварца.

Сода (или поташ) необходима для того, чтобы расплавить песок при более низкой температуре. Добавив в песок соду в нужной пропорции, температуру нагрева стеклянной смеси снижают практически вдвое.

В процессе нагрева сода разлагается до оксида натрия или калия, который и служит катализатором плавления. В древности ее получали путем выщелачивания золы после сжигания водорослей или хвойных пород дерева. Доля соды в смеси для стекла составляет около 16-17%.

Известь, или окись кальция , делает стекло нерастворимым большинством химических веществ, крепким и блестящим. Впервые добавлять ее в стекло начали богемские стеклодувы в семнадцатом столетии, применяя для этого известняк или мел.

Кроме того, сегодня в массу для приготовления стекла добавляют сульфат натрия, таламит и нефелиновый сиенит. Для получения разноцветного стекла в качестве добавок используют окиси различных металлов: меди, железа, серебра и т.д.

Этапы производства листового стекла

Все ингредиенты, из которых производится стекло, загружают в печь и нагревают до образования жидкой однородной массы.

Расплавленную массу загружают в гомогенизатор и перемешивают до полной однородности.

Стеклянную массу выливают в длинную емкость, где находится расплавленное олово. На его поверхности стекло разливается ровным слоем одинаковой толщины, постепенно остывая.

Застывшая стеклянная лента поступает на конвейер, где производится контроль толщины и нарезка на стандартные куски стекла. Обрезанные неровные края и брак, не прошедший контроль качества, поступает на переплавку.

Готовое листовое стекло проходит последнюю проверку качества и отправляется на склад готовой продукции.

Аналогичным образом изготавливается стекло для производства посуды, измерительных приборов, елочных игрушек и другой продукции. Состав стекла может изменяться в зависимости от свойств, которые оно должно иметь.

Кроме того, для повышения прочности оно может подвергаться процедуре закаливания, приобретая способность выдерживать сильные удары по поверхности.

Популярны сегодня дуплексные и триплексные стекла, склеенные специальными составами из двух или трех слоев тонкого стекла. Однако основу каждого из них составляют золотой кварцевый песок, питьевая сода и обычная известь.

Производство стекла началось, по меньшей мере, еще в третьем тысячелетии до н.э., о чем свидетельствуют частички стекла найденные в Междуречье. Производство стекла, которое некогда было редким искусством, стало распространенной отраслью промышленности, где изделия, изготовленные из стекла, используются как в коммерческом, так и домашнем применении, в качестве стеклянных емкостей, изоляционного материала, армирующего волокна, линз и в прикладном искусстве. Хотя материалы, используемые для изготовления стекла, могут варьироваться, основной процесс, того, как производят стекло остается одним и тем же, и он описывается далее.

Возьмите достаточное количество кремнистого песка. Он, также, называется кварцевый песок, кремнистый песок является основным компонентом в производстве стекла. Стекло без примесей железа используется для изготовления прозрачного стекла, так как железо, при его наличии, делает стекло зеленоватого оттенка. Если не удается найти песок без примесей железа, то оттеночный эффект можно исключить, добавив небольшое количество диоксида марганца.

Добавьте в песок карбонат натрия и окись кальция. Карбонат натрия (или сода) снижает температуру, которая необходима для производства стекла в промышленных масштабах. При этом, она позволяет воде проникать сквозь стекло, поэтому карбонат натрия или гидроокись кальция, добавляется для того, чтобы нейтрализовать данное свойство. Оксид магния и/или алюминия, также, может быть добавлен для того, чтобы сделать стекло более прочным. Как правило, данные добавки образуют не более 26-30 процентов от стекольной шихты.

Чтобы улучшить качество стекла, добавьте другие химические элементы, в соответствии с целью его использования. Самой распространенной добавкой для производства декоративного стекла является оксид свинца, который придает блеск прозрачным стеклянным изделиям, а также пластичность, что делает процесс резки стекла проще, и, кроме того, снижает температуру плавления. Линзы для очкового стекла могут содержать оксид лантана, из-за его преломляющих свойств, в то время как, железо помогает стеклу поглощать тепло.

Хрусталь может содержать до 33 процентов оксида свинца; однако, чем больше оксида свинца, тем больше требуется мастерства, чтобы придать расплавленному стеклу форму, поэтому многие производители хрусталя делают выбор в пользу меньшего количества свинца, содержащегося в стекле.

Если необходимо изготовить стекло определенного цвета, добавьте в него химические вещества. Как упоминалось выше, примеси железа в кварцевом песке придает стеклу зеленоватый оттенок, поэтому оксид железа, как и окись меди, добавляется для увеличения зеленого оттенка. Соединения серы придают желтоватый, янтарный, коричневатый или даже черноватый оттенок стеклу, в зависимости от того, сколько углерода или железа добавляется в смесь.

Поместите смесь в хороший термостойкий тигель или резервуар.

Расплавьте смесь до жидкого состояния. Для изготовления промышленного кварцевого стекла, плавка осуществляется в газовой печи, в то время как специальное стекло может производиться с использованием электрической плавильной печи, котловой печи или обжигательной печи.

Кварцевый песок без добавок превращается в стекло при температуре 2,300 градусов Цельсия (4,174 градусов фаренгейта). При добавлении карбоната натрия (соды) температура уменьшается до необходимого уровня для изготовления стекла, до 1,500 градусов Цельсия (2,732 градусов фаренгейта).

Удалите пузырьки и обеспечьте однородность расплавленной стекольной массы. Это означает, что необходимо помешивать смесь до состояния плотной консистенции и добавить химические вещества, такие как сульфат натрия, хлорид натрия или триоксид сурьмы.

Форма расплавленного стекла. Придание формы стеклу можно осуществить одним из нескольких способов: расплавленное стекло заливается в форму и остывает в ней. Этот метод использовался египтянами, и с его помощью в настоящее время изготавливаются линзы.

Большая часть расплавленного стекла может скапливаться на конце полой трубки, в которую, затем, дуют воздух, одновременно с этим, вращая трубку. Форма стеклу придается с помощью воздуха, который поступает через трубку, сила гравитации притягивает к себе расплавленное стекло и стеклодув использует различные инструменты для работы с расплавленным стеклом.

Расплавленное стекло можно вылить в ванну с расплавленным оловом, в качестве основы, и нагнетать с помощью азота под давлением, для придания стеклу формы и глянца. Стекло, изготавливаемое с помощью этого метода, называется полированным листовым стеклом и это, как раз тот метод, с помощью которого изготавливаются оконные стекла, начиная с 1950 года.

Оставьте стекло остывать.

Чтобы усилить прочность стекла, нужно прибегнуть к термообработке. Данный процесс называется обжигом, и с его помощью удаляются повреждения, которые образовались во время процесса охлаждения стекла. Когда этот процесс завершен, стекло можно покрывать, ламинировать или обрабатывать другим способом, для улучшения его прочности и долговечности.

Отжиг является следующим процессом производства, в котором отполированное стекло заданной формы, помещается в печь, разогретую не менее чем до 600 градусов Цельсия (1,112 градусов фаренгейта), а после, быстро охлаждается («закаливается»), с помощью сильного потока воздуха под высоким давлением. Отожженное стекло ломается на мелкие осколки 6,000 фунт-силы на квадратный дюйм (фунт/кв.дюйм), в то время, как закаленное стекло ломается на маленькие осколки не менее, чем при 10,000 фунт/кв.дюйм и, как правило, около 24,000 фунт/кв.дюйм.

Измельченные осколки старого стекла могут добавляться в стеклянную смесь, перед тем, как расплавляют стекло, для того, чтобы переработать его в новое стекло. Старое стекло или «стеклянный бой» сначала должен быть проверен на наличие примесей, которые могут ослаблять свойства нового стекла, при их попадании в него.

Компоненты, которые Вам понадобятся:

кварцевый песок (диоксид кремния);
карбонат натрия (сода);
оксид кальция (гидроксид кальция);
прочие оксиды и соли: (например, оксид магния, оксид алюминия, оксид железа, окись магния или натрия, или кальциевые соли по желанию);
оксид свинца (по желанию);
термостойкий тигель, формовая или полая трубка;
обжигательная печь или термошкаф для стекла на этом изготовление стекла завершается.

Получение стекла, бывшего когда-то редкостным и ценным произведением искусства, в настоящее время является распространенным производственным процессом. Изделия из стекла используются в качестве промышленной и бытовой тары, изоляторов, армирующего волокна, линз и предметов декоративного искусства. Материалы для получения различных типов стекла могут отличаться, но общий процесс его получения описан ниже.

Шаги

Использование печи

Приобретите кварцевый песок. Кварцевый песок - это основной ингредиент для производства стекла. Стекло без примесей железа ценится за прозрачность, так как если в стекле содержится железо, стекло будет казаться зеленоватым.

Надевайте маску, если вы работаете с очень тонкозернистым кварцевым песком. При вдыхании он может раздражать горло и легкие.
Кварцевый песок можно купить в интернет-магазинах. Он довольно дешевый, мешок весом 25 кг стоит в районе 200 рублей. Если вы хотите работать в промышленных масштабах, то для больших партий специализированные продавцы могут предложить хорошие цены - иногда менее 2000 рублей за тонну.
Если вы не можете найти песок, который содержит мало примесей, эффект зеленоватого оттенка можно компенсировать добавлением небольших количеств диоксида марганца. А если вы хотите зеленоватое стекло, оставьте железо как есть!

Добавьте к песку карбонат натрия и оксид кальция. Карбонат натрия (называемый кальцинированной содой) снижает температуру получения промышленных стекол. Однако он вызывает разъедание стекла водой. Поэтому, чтобы нейтрализовать это явление, в стекло дополнительно вводят оксид кальция, или известь. Для того, чтобы сделать стекло более стойким, в него вводят оксиды магния и/или алюминия. Обычно эти добавки занимают не более 26–30 процентов в составе стекла.

В зависимости от назначения стекла, добавьте другие химические вещества. Наиболее распространенная добавка для декоративных стекол - это оксид свинца, который обеспечивает блеск хрусталя, а также его низкую твердость, облегчающую резку, а также низкую температуру образования расплава. Линзы очков могут содержать оксид лантана, Который используется из-за своей преломляющей способности, тогда как железо способствует поглощению железа стеклом.
- Свинцовый хрусталь может содержать до 33 процентов оксида свинца, однако чем больше свинца, тем больше опыта требуется для того, чтобы сформовать расплавленное стекло, поэтому многие стеклоделы выбирают низкое содержание свинца.
Добавьте компоненты для получения желаемого цвета стекла, если это необходимо. Как было отмечено выше, примеси железа в кварцевом стекле придают ему зеленоватый вид, поэтому оксид железа добавляется для повышения зеленоватого оттенка, как и оксид меди. Соединения серы дают желтоватый, янтарный, коричневатый и даже черный оттенок, в зависимости от того, сколько углерода или железа дополнительно добавляют в стекольную шихту.

поставьте шихту в хороший температуроустойчивый тигель. Тигель должен выдерживать исключительно высокую температуру, которая достигается в печи. В зависимости от добавок, она может колебаться от 1500 до 2500 градусов. Тигель должен быть таким, чтобы захват его металлическими щипцами и прутьями не составлял затруднений.

Расплавьте смесь до жидкого состояния. Для промышленного силикатного стекла это осуществляется в газоотапливаемой печи, специальные стекла можно плавить в электрической, горшковой или муфельной печи.
- Кварц и песок без примесей переходят в стеклообразное состояние при температуре 2300 градусов Цельсия.Добавление карбоната натрия (соды) снижает температуру, необходимую для стеклообразования до 1500 градусов Цельсия.
Гомогенизируйте расплавленное стекло и удаляйте из него пузырьки. Это подразумевает размешивание стекла до равномерной густоты и добавление таких веществ, как сульфат натрия, хлорид натрия или оксид сурьмы.

Отформуйте расплавленное стекло. Формование стекла можно осуществлять одним из следующих способов:
- Расплав стекла можно вылить в форму и дать ему остыть. Этот метод использовался египтянами, именно так создаются большинство оптических линз.
- Большое количество расплавленного стекла можно собрать на конце полой трубы, а затем выдувать его, поворачивая трубу. Стекло формуется благодаря воздуху, продуваемому в трубу, силе тяжести, действующей на расплав стекла, и любым инструментам, которые использует стеклодув для работы с расплавленным стеклом.
- Расплавленное стекло можно выливать в ванну с расплавленным оловом, используемым в качестве субстрата, и продувать его сжатым азотом для формования и полировки. Сформованное по этому методу стекло называется флоат-стеклом и именно так производят листовое стекло с 1950-х годов.
Медленно охладите стекло в печи. Этот процесс называется отжигом, и при нем удаляются все точечные источники напряжений, которые могут образовываться в процессе охлаждения стекла. Неотожженное стекло гораздо менее прочное. Как только процесс будет завершен, на стекло можно наносить покрытие, ламинировать или обрабатывать его каким-либо другим способом для повышения прочности и стойкости.

Использование жаровни на древесном угле
1. Сделайте импровизированную печь из гриля для барбекю, отапливаемого древесным углем. В этом методе для расплавления кварцевого песка в стекло используется теплота, вырабатываемая пламенем от сжигания древесного угля. Используемые материалы относительно дешевы и доступны - теоретически, чтобы подготовить все необходимое для получения стекла, вам понадобится лишь сбегать в строительный магазин. Используйте большой гриль для барбекю - подойдет гриль стандартного размера модели «купол». Он должен быть как можно более толстостенным и прочным. Большинство грилей для барбекю имеют вентиляционное отверстие на дне - откройте его.
  - Даже при чрезвычайно высокой температуре, которая достигается при использовании данного метода, расплавить песок на гриле может быть очень сложно. Перед тем как начать, добавьте к песку небольшое количество (около 1/3–1/4 объема песка) стиральной соды, извести и/или буры. Эти добавки снижают температуру плавления песка.
  - Если вы собираетесь выдувать стекло, имейте под рукой длинную полую металлическую трубу. Если же вы собираетесь выливать стекло в форму, подготовьте ее заранее. Вам нужна форма, которая не сгорит и не расплавится от жара расплавленного стекла, для этих целей отлично подходит графит.
2. Знайте опасность этого метода. Этот метод предусматривает нагрев гриля для барбекю за пределы его нормальных температурных ограничений - настолько, что может даже расплавиться сам гриль. Неосторожная работа с использованием этого метода представляет угрозу тяжелейших ранений или даже смерти . Работайте с осторожностью. Держите под рукой большой объем земли, песка или огнетушитель, предназначенный для высоких температур, на случай, если вам понадобится уменьшить интенсивность огня.
  
  Предпримите все возможные меры предосторожности, чтобы защитить себя и ваши вещи от высокой температуры. Работайте по данному методу на бетонной поверхности вне помещения, в условиях достаточного пространства вокруг. Не используйте незаменимое оборудование. Держитесь подальше от гриля, когда вы варите стекло. Вам также нужно надеть как можно больше защитной одежды, включая:
  - высокопрочные перчатки или рукавицы для печей;
  - сварочную маску;
  - высокопрочный фартук;
  - огнестойкую одежду.
3. Приобретите пылесос для домашней мастерской с длинной насадкой на шланг. С помощью клейкой ленты или еще каким-нибудь образом изогните шланг так, чтобы он дул прямо в вентиляционное отверстие на дне, не касаясь корпуса гриля. Вероятно, вам понадобится прикрепить шланг к одной из ножек или колесиков гриля. Поставьте сам пылесос как можно дальше от гриля.
  - Убедитесь, что шланг закреплен и не двигается: в случае высвобождения его во время варки стекла, не подходите к грилю, если он будет сильно разогрет.
  - Включите пылесос, чтобы проверить положение шланга. Точно размещенный шланг будет дуть прямо в вентиляционное отверстие.
4. Выложите внутреннюю поверхность гриля древесным углем. Используйте больше угля, чем вы бы взяли для запекания мяса. Успешные результаты наблюдаются при заполнении гриля практически до краев. Поставьте в середину гриля чугунную кастрюлю или тигель с песком, обсыпав их древесным углем.