Как изготовить стекло - технология производства

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, как изготовить 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.

Охлаждение и выравнивание стеклянной поверхности

Полученная смесь выливается в ванны, наполненные расплавленным оловом. Плотность последнего меньше плотности горячего стекла, поэтому оно ровно растекается по ванне. При этом охлаждается до температуры в 600 градусов, ведь температура олова ниже температуры жидкого стекла. Крупный ролик вытягивает мягкое стекло и проталкивает дальше.

Состав, свойства и сырьевые компоненты

В создании привычного нам твердого стекла участвуют три компонента:

песок,
вода,
известняк.

Si + Na + Ca = стекло.

Если плавить только два, то получим двухкомпонентную стекловидную массу:

Si + Na = жидкое стекло.

Жидкое стекло – обобщенное понятие для всех водных щелочных растворов силикатов.

В зависимости от задействованного щелочного катиона, оно подразделяется на:

натриевое (Na),
калиевое (K),
литиевое (Li),
с органическим основанием (например, аммонием),
комбинированного и комплексного типа.

Если коротко, то жидкое стекло – это раствор на основе натриевых, калиевых или литиевых силикатов. Выпускают также смеси натриевого и калиевого силиката в разных пропорциях.

Внешне это тягучая, густая, напоминающая резину масса желтого, зеленого, серого цвета или бесцветная без видимых глазу примесей и включений, на воздухе затвердевает.

У данного технического продукта имеется еще одно название (торговое) — силикатный клей. Он может быть представлен в виде:

силикатной глыбы (гранул);
жидкого раствора;
растворимого порошка.

Авторство изобретения жидкого стекла принадлежит немецкому профессору Иоганну Фуксу. Открытый им в 1818 году состав из щелочей и кремневой кислоты остается актуальным и в наши дни, изменились лишь технологии его получения.

Каждый вид данного продукта обладает своими особенностями. От этого зависят и области использования материала, которые рассмотрим ниже.

Нарезание

Полученный «бесконечный» стеклянный лист надрезается алмазом. Режущее устройство двигается по траектории под углом. Лист подается постоянно двигающимися валиками. Алмаз «улавливает» движения, подстраивается и надрезает ровные листы. Далее один из валиков приподнимается и стекло рассоединяется по линии отреза.

Рынок

В 2022 году мировой рынок производства стекла оценивался в 127 миллиардов долларов, и, по прогнозам, в период с 2022 по 2027 год он будет расти на 4,1%.

Основными факторами, способными стимулировать рост рынка, являются постоянно растущий спрос на бытовую электронику и проникновение искусственного интеллекта в потребительские и бизнес-приложения.

Плоское стекло, как ожидается, будет играть ключевую роль в архитектурных решениях в течение ближайшего года.

Недавняя тенденция предполагает быстрый переход в архитектуре зданий, который максимизирует естественный дневной свет за счет интеграции плоского стекла в крыши и фасады. Поскольку плоское низкоэмиссионное стекло с тройной изоляцией из серебра способствует значительной экономии энергии, его можно широко использовать в экологичных зданиях по всему миру. Солнечное плоское стекло, вероятно, также значительно вырастет в ближайшие несколько лет.

В настоящее время Китай является ведущим мировым экспортером стекла и изделий из него, на его экспорт приходится более 23% мирового экспорта стекла и изделий из него на сумму около 18 миллиардов долларов. На долю Германии и США приходится примерно 9% и 7% мирового экспорта стекла.

Оборудование для изготовления стекол

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.

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.

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.

Вот как изготовить стекло для 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.

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.

Воздействие на окружающую среду

Основное воздействие производства стекла на окружающую среду обусловлено процессами плавления, при которых в атмосферу выделяются различные газы. Например, сжигание топлива или природного газа и разложение сырья приводят к выбросу диоксида углерода.

Аналогичным образом, при разложении сульфатов в материалах партии образуется диоксид серы, который способствует подкислению. При разложении соединений азота высвобождаются оксиды азота, что способствует подкислению и образованию смога. Кроме того, при испарении из сырья и расплавленных компонентов в атмосферу выбрасываются тонны частиц.

Другие факторы, такие как выбросы летучих органических соединений и образование твердых отходов в процессе производства, также вызывают экологические проблемы.

Однако переработанное стекло может решить многие из этих проблем. Его можно переработать несколько раз без значительной потери качества. Каждые 1000 тонн переработанного стекла могут привести к сокращению выбросов углекислого газа на 300 тонн и экономии энергии на 345 000 кВтч.

В меньшем масштабе переработка одной стеклянной бутылки может сэкономить достаточно энергии для питания 20-ваттной светодиодной лампы в течение часа.

Несмотря на то, что обе технологии производства значительно улучшились с точки зрения эффективности, дальнейшее сокращение выбросов частиц пыли, двуокиси углерода и двуокиси серы по-прежнему является основной экологической задачей при производстве листового стекла.

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.

Что можно сделать из жидкого стекла?

Оценить достоинства материала, можно приготовив:

Огнестойкую пропитку для древесины: 25 г сульфата бария + 7 г окисида цинка + 20 мл воды + 25 г жидкого стекла + по желанию цветной минеральный краситель. Покрывать в два слоя.
Надежный клей: сахар + жидкое стекло + глицерин в пропорции 4:10:1.
Ремонтную смесь для каменных строений: цемент + жидкое стекло в пропорции 4:2. Места соединений предварительно рекомендуется смочить жидким стеклом.
Грунтовку: цемент + жидкое стекло в соотношении 1:1.
Гидроизоляционный раствор для обработки колодцев, бассейнов и других поверхностей: жидкое стекло + цемент + песок в пропорции 1:1:1.
Антисептический раствор: жидкое стекло + вода в соотношении 1:1.
Замазку: цинковые белила + асбест в пропорции 1:2 + жидкое стекло до образования густой пастообразной смеси.
Смесь для скрепления железа: двуокись марганца + цинковые белила + жидкое стекло (1:1 + необходимое для образования густой кашицы количество). Полученный состав выдерживает даже температуры каления.

Все материалы быстро затвердевают. Рекомендуется готовить их непосредственно перед использованием.

Сначала смешивают сухие составляющие, затем дополняют их жидкими компонентами.

Этот материал привлекает и творческих людей. Легко поддаваясь видоизменению, он дает возможность создания разнообразных декоративных изделий.

Часто жидкое стекло используют для декорирования поверхностей и закрепления различных декоративных элементов:

бусин;
ракушек;
узоров.

Из него делают эксклюзивные вещи:

заколки;
броши;
серьги;
подвески;
бусы.

Также используют для оформления картин, изготовления цветов, статуэток и ваз.

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.

Производство

В России в промышленных объемах выпускаются такие виды жидкого стекла:

натриевое,
калиевое,
смешанного типа.

Производство регламентируется ГОСТами:

13078-81,
18958-71,
ТУ 21-23-109-78,
21-23-109-73.

Другие виды производятся согласно временным стандартам предприятий и ТУ.

90 % общего объема выпуска растворимых силикатов приходится на натриевое жидкое стекло.

Основных технологий производства три, все они характеризуются высокими энергетическими затратами и применением сложного оборудования.

Но есть и еще одна, новая, которая отличается:

простотой производства;
использованием в качестве содержащего кремний сырья отходов стекла (стеклобоя).

Рассмотрим кратко каждую технологию.

Спекание смеси природного песка с технической содой

Изготовление стекла включает этапы:

смешивание безводных компонентов;
обжиг полученной смеси в печах при температуре, достигающей 1300°С;
охлаждение сплавленных компонентов на движущемся транспортере до образования стекловидных кусков (силикатных глыб);
помещение кусков в автоклав для их растворения паром под давлением, или дробление кусков до получения порошка, который затем растворяют в горячей воде.

Получение продукта путем обработки кремниевого сырья

Процесс получения включает:

размол сырья в мельнице с вибратором;
добавление гидроокиси натрия (калия, лития);
размешивание кремнеземного сырья при температуре до 1000°С с насыщенным раствором щелочи; длительность — от 30 минут до 1,5 часа в автоклаве с вибратором.

Гидротермальный способ

Продукт получают, растворяя кремниевое сырье сильными щелочными растворами.
Такая технология является более упрощенной.

Нагревать компоненты до температуры, близкой к 1000°С, не требуется.

Нагрев будет проходить сам по себе за счет выделения тепла в результате щелочной реакции.

Новая технология – использование стеклобоя

Предварительно вторсырье подготавливают:

моют;
очищают от примесей;
дробят.

Необходимо избавиться от оксидов кальция, магния, железа и других металлов, чтобы сырье было пригодно для дальнейшего использования.

После расплавления стеклянный бой превращается в силикатную глыбу – в таком виде сырье задействуется для изготовления конечного продукта.

Жидкое стекло в готовом виде получают в вибрационном смесителе в результате 0,5 – 1,5-часового взаимодействия смеси с водой, нагретой до температуры 100 °C.

Использование вторсырья положительно сказывается на качестве конечного продукта и одновременно решает проблему переработки стеклотары.

Переработка 10 % стеклобоя на 3 % снижает расход газа. Другими словами, если производить стекло исключительно из боя, то расход газа снизится на 30 % .

Природный газ является основным топливом, используемым в стекольной промышленности России.

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.

Что известно о стеклоделии?

Из истории известно, что стеклоделие — весьма древний процесс. Как это делается? По временным рамкам относится примерно к периоду до 2500 г. до н.э. Ранее такое редкое и ценное занятие в наше время сменилось распространенным производством данного материала.

Стеклянные изделия встречаются повсеместно. Их используют в качестве тары, элементов быта и декора, изоляторов, армирующего волокна и прочего. Различаются стекла лишь составляющим материалом, которое используется для изготовления. А вот сам процесс практически одинаковый.

Основные материалы, которые понадобятся:

главный элемент — это кварцевый песок (диоксид кремния);
карбонат натрия или сода;
оксид кальция, она же известь;
печь для варки стекла;
другие соли и оксиды, которые могут использоваться по индивидуальному случаю дополнительно (оксиды алюминия, железа, магния, свинца и соли кальция или натрия);
защитная одежда;
гриль;
древесные угли;
формы и другие элементы для придания формы;
огнеупорный тигель.

Какие преимущества стеклянной плитки перед другими видами покрытий?

Преимущества стен, выложенных стеклянной плиткой:

Маленькое помещение кажется больше
Затемненная комната кажется более светлой
Комната, где низкий потолок покажется выше
Из-за водонепроницаемости плитки помещение не боится сырости
Стены, покрытые стеклянной плиткой, можно мыть моющими растворами с химическими и щелочными веществами
Стены, где приклеена стеклянная плитка долговечны, не боятся солнечных лучей

Недостатки стеклянной плитки:

Стену со стеклянной плиткой нельзя чистить абразивными порошками
Стеклянная плитка довольно хрупкая и стучать по ней острыми предметами нельзя
Стеклянная плитка довольно тяжелая, поэтому при наклеивании ее нужен качественный каркас

Достоинства стеклянной плитки, сделанной своими руками: