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.

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.

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.

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.

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.

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.

Основные стадии процесса производства стекла

Если не рассматривать все технологические подробности, то сам процесс плавки стекла можно разделить на несколько условных этапов:

создание изначальной смеси компонентов. Первая стадия, которая считается одной из самых важных. Необходимо строго соблюдать дозировку и пропорции между основными компонентами, чтобы итоговое стекло отвечало нужным требованиям;
подготовка шихты к дальнейшей переработке. Это промежуточная стадия, которая заключается в равномерном смешивании всех компонентов перед подачей в загрузочный бункер. Существует целый ряд новых разработок, которые позволяют предварительно прогреть подаваемый состав и более тщательно его перемешать. Это приводит к уменьшению энергозатрат и большей эффективности производства;
подача состава в специальную печь. Для производства листового прокатного стекла используют прямоточные печи-ванны, которые изготавливают из жаропрочных материалов. В процессе плавки компоненты изначального сырья преобразуются в физически и химически однородную массу, из которой удаляются различные примеси и газы;
выплавка стекла. После образования однородной массы при определенной температуре происходит процесс литья.

Существует два основных способа получения прокатного стекла. Первый, консервативный, основан на вытяжке расплавленного состава из печи и прокате его на специальном конвейере. В итоге из жидкой массы формируются листы, которые затем подаются в охлаждающую камеру. Недостатков у такого способа несколько – трудно добиться получения стекла равномерной толщины по всему размеру листа и слишком трудоемкий процесс производства.

Второй способ получил название «флоат-метод». На сегодняшний день он стал единственным вариантом для получения тонкого листового стекла. Практически все заводы Европы работают с применением этой технологии. Суть метода заключается в следующем – после того как завершена подготовка шихты к дальнейшей переработке, происходит процесс ее предварительного нагрева и удаления лишних газов, а затем состав равномерно подается в плавильную печь. До последней стадии технологический процесс практически ничем не отличается от традиционного способа производства прокатного стекла. После того как расплав готов, его пропускают через ванны с расплавленным оловом. Плотность веществ разная и жидкое раскаленное стекло оказывается сверху, где под действием физических сил начинает равномерно заполнять необходимую поверхность. После этого готовый лист направляют в камеру для охлаждения и дальнейшей обработки. В итоге таким способом удается получить не только стекло необходимой толщины, но и лист с равномерными размерами по всей площади.

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.

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.

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.

Как делают особые виды стекла

В настоящее время производят много разных типов стекла, которые нашли своё применение в самых разных сферах. Какие же это стёкла?

Цветное

Чтобы получить тот или иной цвет стекла, в смесь добавляют разные химические элементы:

Хром придаёт зелёный оттенок.
Оксид урана – ярко-жёлтый.
Оксиды никеля – фиолетовый или коричневый.
Оксиды железа – оттенки красного цвета.
Оксид меди – голубой и зелёный в зависимости от типа стекла.
Оксид кобальта – в зависимости от его количества получают оттенки от голубого до фиолетово-синего.

Плоское стекло

Это листовое стекло, которое устанавливается в обычных окнах, зеркалах, автомобильной технике. Его делают нужной толщины, охлаждают и при необходимости сгибают. А для того, чтобы сделать стеклопакет, несколько стеклянных листов соединяют рядом друг с другом. Бывают 2-х и 3-х камерные стеклопакеты, между которыми находится вакуум или воздух

Стеновые стеклоблоки

Это красивые стекла, которые применяют при изготовлении световых люков, различных архитектурных решениях. Когда через эти стёкла проходит свет, они выглядят очень даже симпатично. Стеновые стеклоблоки делают из 2-х листов стекла, которые спрессовываются и обжигаются.

Бронированное

Это многослойное стекло, которое имеет пуленепробиваемое свойство. Бронированное стекло изготавливают по специальной технологии и применяют при строительстве банков, ювелирных магазинов, в автомобилях и других объектах, требующих высокий уровень безопасности. Впервые бронированное стекло установили в США в 1941 г. на окна Белого дома.

Кварцевое

Это стекло из одного компонента – природного кристалла, который добывается в виде пегматитового кварца или горного хрусталя. Добывают это вещество из земли. Это очень ценное стекло, которое используется для изготовления кварцевых часов и лабораторного оборудования.

Стеклокерамика

Этот вид стекла был придуман на заводе Corning. Стеклокерамика обладает свойствами стекла и поликристаллических веществ. Это стекло применяют в зеркалах, телескопах, проекторах, варочных панелях. Стеклокерамика создаётся путём контролируемой кристаллизации, которая не применяется при производстве стандартных стёкол.

Стеклоэмаль

Применяют такой тип материала для покрытия керамических и металлических изделий (керамическая плитка, посуда, сантехника), кухонных плит, водонагревателей, стиральных машин. Изделия, покрытые стеклоэмалью, прочные, стойкие к внешним повреждениям, имеют отличительный блеск. А горячее эмалирование металлических ванн придаёт им долговечность и прочность.

Светочувствительные стекла

Это стекло имеет очень чистый состав. Его главное свойство – при воздействии электромагнитным излучением через него видно изображение. Применяют фоточувствительные стёкла при изготовлении микросистем.

Стекловолокно

Это очень тонкие нити из стекла, которые применяют в объёмном виде для звуко- и теплоизоляции. Также стекловолокно применяют в бассейнах, дверях, автомобилях, товарах для спорта.

Жидкое стекло

Это стекло тоньше обычного волоса в 500 раз! Жидкое стекло заполняет любые поверхности, заполняя трещины и другие неровности. Этот нанотехнологическое изделие обеспечивают защиту от жидкостей, высоких температур, УФ-излучения, бактерий.

Хрусталь

Это стекло содержит свинец. Хрусталь применяют для изготовления предметов декора. Отражение света от хрусталя происходит резко, что придают вещам красивый блеск.

Богемское

Другое название этого вида стекла – богемский хрусталь. Это очень красивое стекло, которое высоко ценится уже много столетий. Его делают вручную: режут, гравируют, выдувают и окрашивают. Богемское стекло производят в Чехии.

Оптическое

Эти стёкла однородны, имеют свою степень прозрачности для максимальной компенсации искажений. При их производстве в шихту нередко добавляют редкоземельные вещества.

Оптическое стекло имеет свой показатель преломления и коэффициент средней дисперсии, что определяют следующие виды: кроны, кронфлинты, флинты. По ГОСТу существует целых 180 марок оптических стёкол.

Самые лучшие и сложные оптические стёкла применяют в космонавтике, военной промышленности, научных исследованиях.

Фотохромные и атермальные стёкла

Фотохромные стёкла могут менять светопоглощение при изменении освещённости, а термохромные – при смене температуры окружающей среды. Яркий пример – это очки-хамелеоны.

В автомобилях некоторые автовладельцы устанавливают атермальные стёкла, которые предотвращают нагрев салона на солнечном свете сохраняя при этом хорошую светопропускаемость.

Электрохромное стекло

В состав многослойного электрохромного стекла входят прозрачные электроды и плёнка с жидкими кристаллами. Эти вещества располагаются между слоями обычных стёкол. При подаче напряжения на электроды электрохромное стекло может менять свою прозрачность.

Смарт-стекло

Это современные стёкла, которые могут изменять свои свойства (прозрачность, матовость и др.) при изменении яркости света, подаче электронапряжения и температуры.

Облегчённое

Облегчённая стеклотара очень удобна за счёт сниженной массы, которая не меняют свои свойства. К примеру, пустая бутылка 660 мл будет весить всего 360 гр. Облегчённое стекло делают следующим образом. В момент формирования стеклянной капли она распределяется по заготовке более равномерно.

Посмотрите интересное видео, как сделать жидкое стекло из обычного силикагеля (наполнителя для кошачьего туалета).

Видео: как делать стекло в домашних условиях

Подведём итоги.

Стекло – это удивительное вещество, которое является прозрачным, но производят его из непрозрачного кварцевого песка.
Из стекла изготавливают огромное количество изделий, начиная от статуэток и заканчивая лабораторным оборудованием.
Состав стёкол человек может менять в зависимости от типа изделия: его цвет, физические и светопоглощающие свойства.