Как изготовить стекло? Технология производства стекла. Изделия из стекла

Рассмотреть себя в витрине магазина, умыться и глянуть утром в зеркало, понаблюдать за диковинным перемешиванием кофе с молоком сквозь прозрачные стенки чашки — привычные занятия. И никто не задумывается о том, 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.

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.

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.

Как делают стекло?

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.

Изготовление стекла

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

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?

Известь
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.

Интересно: Как делают елочные игрушки? Описание, фото и видео

Интересные факты:

1. Китай не производил стекло более 500 лет – с XIV по XIX века. Сейчас государство – один из лидеров производства, и контролирует треть мирового стеклянного рынка.
2. 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.

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.

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.

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.

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:

1. 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.
2. 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.
3. Прокалить обмазанный сосуд на газе. Его поверхность покроется выпуклыми «пупырышками».
4. Подготовить стеклянный бой: разбитую посуду просеять. Три столовые ложки мелких стеклянных частичек засыпать в посуду для варки. Добавить остальное сырье.
5. Полученную шихту поставить в огонь. Поддувать можно с помощью горна. Через три–четыре часа смесь расплавится до жидкой консистенции стекла.

Способы изготовления стекла с использованием печи

Первый способ, как спаять стекло в домашних условиях, — это использование печи.

Приобретение кварцевого песка:

• Данный материал является основой для производства стекла. Стекло, в котором нет примесей железа, имеет свои преимущества — оно светлое. Что нельзя сказать о стекле, в котором оно присутствует. Оно будет отдавать зеленцой.
• Важно перед началом работы надеть маску. Кварцевый песок — тонкозернистый и с легкостью попадает в носовую полость и далее в легкие. Это, в свою очередь, будет раздражать горло.
• Приобрести кварцевый песок с легкостью можно в специализированном интернет-магазине. Стоимость у него невысокая.

Важно! Стоимость примерного количества, которое понадобится, будет в районе 20 у. е. В будущем можно приобретать его вплоть до тонны, примерная стоимость которой будет 100 у. е. Это если вы планируете работать в промышленном масштабе.

• Бывает, что найти качественный песок не так-то и просто, и в нем превышает количество примесей. Не расстраивайтесь. В данном случае на помощь придет диоксид марганца. Его стоит добавить в небольшом количестве. Если же в вашей задумке именно стекло с зеленоватым оттенком, то делать абсолютно ничего не нужно. Оставьте все как есть.

Добавление карбоната и оксида кальция:

• Карбонат в данном случае снижает температуру получения промышленных стекол. При этом он вызывает разъедание стекла при участии воды. Чтобы этого избежать, необходимо дополнительно в стекло ввести известь или оксид кальция.
• Для стойкости стекла используют оксиды магния или алюминия. Как правило, эти включения занимают не большой процент в составе стекла. Цифра приблизительно 26-30 процентов.

Добавление других химических элементов:

• Такой метод изготовить декоративное стекло в домашних условиях требует использования оксида свинца. Он придает блеск хрусталю, низкую его твердость, делает его доступным к резке, придает низкую температуру образования расплава.
• Оксид лантана можно встретить в составе линз для очков. Он обладает преломляющим свойством.
• Что касаемо свинцового хрусталя, то он может содержать до 33 процентов оксида свинца.

Важно! Чем больше свинца, тем больше необходимо ловкости, чтобы придать форму расплавленному стеклу. Исходя из этого, многие стеклодувы предпочитают меньшее его количество.

• Примеси железа в стекле из кварца придают ему зеленый оттенок. При этом оксид железа добавляется для увеличения зеленоватого оттенка. Это касается и оксида меди.
• Желтый, янтарный, и даже черный цвет можно получить при помощи соединения серы. Все зависит от количества углерода или железа добавленного в стекольную шихту.

Основные этапы изготовления стекла:

• Поместите шихту в температуроустойчивый тигель. Последний должен быть максимально устойчив к температуре, которая будет в печи. Она может варьировать от 1500 до 2500 градусов. Это зависит от добавок.

Важно! Еще есть одно немаловажное требование к тиглю — он должен быть таким, чтобы при помощи металлических щипцов его с легкостью можно было зафиксировать.

• Расплавьте смесь до жидкой консистенции. Для промышленного силикатного стекла это можно сделать в газоотапливаемой печи.

Важно! Также существуют электрические, муфельные и горшковые печи. В них можно выполнить специальное стекло. Учтите, что кварц и песок, которые не содержат дополнительных примесей, переходят в стеклообразное состояние, когда температура в печи 2500 градусов по Цельсию. Если к содержимому добавить карбонат натрия, это же обычная сода, то температура снизится до 1500 градусов.

• Тщательно следите за консистенцией стекла. Важно своевременно удалить из него все пузырьки. Добиться этого можно при регулярном помешивании до равномерной густоты. Также необходимо добавить один из элементов — хлорид натрия, сульфат натрия или же оксид сурьмы.
• Придайте форму стеклу. Для этого используйте один из перечисленных способов.
• Самое простое — это вылить расплав стекла в форму и дождаться пока оно остынет. С помощью такого метода создаются множество оптических линз. Ранее именно этот способ использовали египтяне.
• Готовое расплавленное стекло поместите в ванную, в которой содержится расплавленное олово. Последнее выступает в роли субстрата. Далее необходимо продувать его сжатым азотом для придания формы или же полировки. Еще один способ — это собрать на конце полой трубы необходимое количество стекла и, поворачивая трубу, выдувать его.

Важно! Стекло, выполненное по данному методу, имеет название флоат-стекло. С начала 1950-х годов производят именно его.

• Оставляем стекло, чтобы оно остыло. Важно расположить его в таком месте, где оно не повредится, его не испортит вода, пыль или, например, листья. Имейте ввиду, что при контакте с холодными предметами, оно даст трещины.
• Завершающим действием данного способа изготовить стекло в домашних условиях будет отжиг стекла. Этот способ тепловой обработки придаст прочность материалу. При его использовании будут убраны все точечные источники напряжений, с которыми можно столкнуться в процессе охлаждения стекла.

Важно! При завершении данной работы на стекло можно наносить дополнительные покрытия для увеличения стойкости и прочности. Также можно ламинировать.

Полезные советы:

1. Не отожженное стекло обладает меньшей прочностью.
2. Что касаемо температуры для завершающей работы, то она зависит от точного состава стекла — от 400 до 550 градусов по Цельсию.
3. Скорость охлаждения стекла зависит от размера. Крупные стеклянные изделия необходимо охлаждать медленно. С мелкими дела обстоят быстрее.

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.

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.

Классификация стеклянных изделий

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

Основные группы изделий из стекла:

1. 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.
2. Строительное — стекло, используемое в строительстве. Производство включает в себя стекло для окон, витрин, витражи, стеклопакеты, стеклоблоки, прочие строительные изделия.
3. Техническое — стекло, имеющее узкую специализацию. Включает в себя медицинское оптическое, лабораторную посуду, транспортное, используемое в электрике, детали для автомашин.

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.

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:

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

Характеристики и сферы применения

Жидкое стекло широко применяется в бытовой и промышленной сферах. Популярность материала обусловлена:

1. Высоким уровнем вяжущих свойств и проникающих способностей.
2. Повсеместной доступностью исходных составляющих (песка, соды, поташа, стеклобоя) и их дешевизной. Это делает и конечный продукт доступным и недорогим. Натриевое жидкое стекло стоит от 16 рублей за кг, калиевое — от 54 рублей за кг.
3. Отсутствием токсичности как при производстве (в том числе из вторсырья), так и в процессе использования. Жидкое стекло относят к категории «зеленой химии», ведь оно экологично и безопасно.
4. Абсолютной негорючестью, отсутствием выделения вредных веществ при воздействии высоких температур.
5. Низкой проводимостью тепла.
6. Возможностью использования в качестве растворимого кремнезема – в этой сфере природных аналогов нет.

Выдерживает высокие температуры ( до 1200оС). Затвердевает жидкое стекло при температуре от 0оС.

Жидкое стекло применяется в создании:

• силикагеля;
• катализаторов;
• адсорбентов;
• силиката свинца;
• метасиликата натрия;
• изготовлении белой сажи;
• текстильного смягчителя;
• цеолитов;
• кремнезоля;
• органосилоксанов и других веществ.

Кроме того, оно широко используется для производства:

• клеев;
• красок;
• огнезащитных, защитных, противопригарных, антикоррозийных, антибликовых покрытий;
• электродов;
• в качестве компонента для укрепления грунтовок;
• пропитывающих составов для дерева, бумаги, тканей, строительных изделий и других материалов;
• окускования руд.

Добавляя жидкое стекло к разнообразным материалам, можно повысить их:

• прочность;
• плотность;
• долговечность;
• устойчивость к истиранию;
• огнеупорные и водоотталкивающие свойства;
• химическую инертность;
• коррозионностойкость.

Кроме того, можно исключить появление плесени, грибка и гнили.

Основные технические характеристики:

• плотность;
• силикатный модуль;
• процентное содержание оксидов кремнезема и металла.

Силикатный модуль указывает на клеящую способность материала. Чем больше эта величина – тем выше способность. Наибольшим спросом пользуется продукт с модулем 2,6 – 3,6.

Замерзший раствор — мягкая, желеобразная, загустевшая масса, после оттаивания свойства возвращаются.

Может появиться осадок, не влияющий на качество.

К недостаткам материала относят:

• несовместимость с кирпичными поверхностями – происходит разрушение;
• хрупкость при использовании в чистом виде — необходимо сочетание с другими веществами;
• очень быстрое схватывание – цементная смесь с добавлением жидкого стекла в зависимости от концентрации последнего (2 – 10 %) начинает застывать в течение 5 – 50 минут);
• щелочной характер – работы следует проводить в защитной одежде; избегать попадания на кожу или в глаза.