Производство стекла¶
Производство стекла — это комплекс технологических операций по превращению сырьевой смеси в стеклянную массу, формованию из неё изделий и их дальнейшей обработке. Стекло — аморфное твёрдое тело, получаемое охлаждением расплава так, чтобы кристаллизация не успела произойти. Основное сырьё — кварцевый песок (SiO₂), сода (Na₂CO₃) и известняк (CaCO₃); при плавке они образуют расплав с температурой 1400–1600 °C.
¶Сырьё и шихта
Кварцевый песок даёт основу стеклянной матрицы. Сода снижает температуру плавления, а известняк стабилизирует состав и придаёт стеклу химическую стойкость. В зависимости от типа стекла добавляют другие компоненты: оксид бора (для боросиликатного), оксид свинца (для хрусталя), оксиды натрия и калия (для содово-калиевого). Шихту готовят на смесительных площадках: компоненты дозируют, перемешивают и подают в печь. Песок предварительно промывают, обезжиривают и просеивают для удаления примесей железа, которые придают стеклу нежелательный зеленоватый оттенок.
¶Плавка
Плавление происходит в стеклоплавильных печах — плоскостных (для листового стекла) или ванных (для стеклянных изделий). Печи работают на природном газе или мазуте; в России ведущие производства используют преимущественно газ. Температура в зоне плавления — 1400–1600 °C, в зоне отстаивания — около 1200 °C. Процесс занимает от 12 до 48 часов в зависимости от типа печи и состава шихты.
В плавильной ванне одновременно происходят три зоны: плавление, отстаивание (выравнивание состава и удаление газовых пузырей) и охлаждение до рабочей температуры формовки (около 1000 °C). Пузырьки воздуха удаляют добавлением сульфата натрия или обжигом шихты; для ускорения процесса применяют вакуумирование.
¶Формование
¶Листовое стекло
Традиционный способ — вытягивание ленты (метод Фурко). Расплав поднимают вертикально с поверхности ванны через щель, формируя непрерывную ленту толщиной 2–12 мм, которую затем режут на листы. Альтернатива — метод плосковытяжной машины (Float-метод), разработанный в 1950-х годах в Великобритании. Расплав выливают на поверхность расплавленного олова, где он растекается, образуя идеально ровную ленту. Этот метод обеспечивает высокое качество поверхности и стал основным в мировом производстве.
¶Стеклянные изделия
Бутылки и посуду формуют на автоматических машинах: стеклянные заготовки («шары») подают в формы, где их раздувают сжатым воздухом. Различают выдувание в открытую форму, в закрытую форму и комбинированные методы. Стеклянные лампы и лабораторная посуда изготавливаются вытягиванием из расплава.
¶Стекловолокно
Для получения стекловолокна расплав продавливают через фильеры — пластины с множеством мелких отверстий. Нити охлаждают и накатывают на катушки. Стекловолокно применяют в теплоизоляции, композитных материалах и оптических кабелях.
¶Отжиг и закалка
После формования изделия подвергают отжигу — медленному охлаждению в туннельных печах для снятия внутренних напряжений. Без отжига стекло может самопроизвольно разрушиться. Для повышения прочности стекло закаляют: нагревают до 600–700 °C и быстро охлаждают потоками воздуха. Закалённое стекло прочнее обычного в 5–7 раз и при разрушении распадается на мелкие безопасные осколки.
¶Обработка поверхности
После охлаждения стекло подвергают дополнительной обработке: полировке, гравировке, нанесению покрытий (например, энергосберегающих и зеркальных). Листовое стекло режут алмазными резцами или лазером. Для производства зеркал на поверхность наносят слой металла (обычно алюминия или серебра) и защитное покрытие.
¶Экология и переработка
Стекло — один из немногих материалов, который можно перерабатывать без потери качества. Стеклобой — измельчённое стекло — используется как вторичное сырьё, снижая расход песка и энергии на плавку. В России действуют программы раздельного сбора стеклотары; переработка одного тонны стеклобоя экономит около 300 кг песка и 100 кг соды.
¶История
Стекло известно с III тысячелетия до н. э. — первые изделия из него найдены в Месопотамии и Египте. В России стекольное производство зародилось в XVI веке: в 1632 году в селе Дединово под Коломной была основана первая стекольная фабрика. В XVIII веке в России работали стекольные заводы в Коробейке, Нижнем Новгороде и других местах; в 1754 году по указу Елизаветы Петровны в Императорском Стекольном заводе (ныне «Русский хрусталь») начали производство хрусталя.
¶Источники
- «Стекло: технология и свойства» — учебное пособие
- ГОСТ 111-90 «Стекло листовое. Технические условия»
- История стекольного производства в России