Как выплавить стекло в домашних условиях: просты методы. Производство стекла как бизнес: перечень оборудования, описание технологии изготовления, нюансы организации дела Как делается стекло из песка
Зачем вообще для стекловарения нужны печи? Дело в том, что чтобы из стекла сделать что-нибудь полезное, нужно его сначала расплавить, а плавится оно при температурах ни много, ни мало, 1400-1600 °С.
Сырьем для изготовления стекла служит, главным образом, кварцевый песок (оксид кремния SiO2)
Кварцевый песок
Чтобы придать стеклу необходимые свойства, кварцевый песок смешивают с разными добавками, в основном, это известняк (тот, который ракушечник, с фасадов зданий), полевой шпат, доломит, сода и красители (оксиды металлов)
Известняк
Полевой Шпат
Доломит
Таких добавок в стекле бывает до 20-30%. Вообще-то, чем больше добавок, тем ниже вязкость расплава (грубо говоря, он «текучее») и ниже температура плавления, т.е. его обрабатывать проще, например, выдувать бутылки и пр. можно уже при 800 °С. Но может быть и по-другому: если, например, в смесь оксид бора добавить, выйдет борсиликатное стекло, жаростойкое и устойчивое к перепадам температур - на радость домохозяйкам. Стекло же из чистого оксида кремния получится тугоплавким, из него чтобы что-нибудь выдуть, придется до 1600 °С разогреть.
В общем, с сырьем разобрались. Всё, что надо, тщательно очищают, измельчают (этим обычно специальные обогатительные фабрики/производства занимаются), перемешивают и засыпают в стекловаренную печь через специальное окно. Внутри печи в огромном бассейне за дело берется практически инфернальный огонь и превращает за несколько часов песок в жидкость.
Пламя внутри печи.
Кстати, раскочегаривание такой печи до нужной температуры - непростой, долгий, а главное, дорогой процесс (сколько топлива надо, чтоб такую огромную дуру на 2-9 тыс. тонн стекла разогреть!), поэтому, разжегши её единожды, стараются больше не гасить: процесс варки стекла за 10-15 лет службы печи прерывают только пару раз для холодного ремонта.
Естественно, смесь расплавляется не сразу вся, а постепенно; по мере расплавления она перемешивается, из нее выходят пузырьки воздуха. То, что уже хорошо расплавилось, собирается на дне бассейна (плотность-то у расплава выше) и по закону сообщающихся сосудов перетекает под стенкой, проходящей через бассейн, в другую его часть, подальше от пламени и еще не расплавленной смеси.
Тут температура немного ниже, и жидкое стекло отсюда поступает уже в следующую, рабочую ванну за пределами печи, а оттуда уходит на обработку. Чтобы получить, например, листовое стекло для окон и зеркал, его отливают и прокатывают почти как металл.
Чтобы получить идеально ровную поверхность, на современных заводах расплавленное стекло сначала выливают в бассейн, полный расплавленным оловом, и оно, стекло, плавая на поверхности олова, распределяется по нему равномерным тонким слоем и остывает примерно с 1000 до 600 °С, так получают так называемое флоат-стекло (float-glas).
Как я уже говорил, процесс этот непрерывный, и на выходе после охлаждения получается бесконечная стеклянная лента. Но прежде, чем её на куски разрезать, поверхность вновь нагревают газовыми горелками: таким образом запаиваются микротрещины, которые все равно образуются даже несмотря на постепенное охлаждение из-за разности напряжений внутри стекла при твердении. В результате стекло выходит особенно прозрачным.
Производство флоат-стекла
Старая технология, применявшаяся на советских заводах, предусматривала вертикальное вытягивание стеклянной ленты при интенсивном охлаждении поступающей из печи массы. Стекло, произведенное таким образом, отличается значительно большими оптическими искажениями.
Ну вот, вроде почти со всем разобрались. На картинке только еще одна непонятная часть печи осталась: регенератор. Штуковина замечательная и гениальная в своей простоте. За её изобретение еще в 1856 году младший из братьев Сименсов, Фридрих, получил английское дворянство. А смысл в том, чтобы экономить топливо для стекловаренной печи, подогревая воздух, подающийся в печь для горения. И экономия на топливе может достигать 40%!
Принцип работы регенератора
Регенератор состоит из двух одинаковых шахт, заполненных жаропрочными керамическими сборками, образующими внутри шахт множество мелких каналов для воздуха. Воздух поступает через первую шахту, попадает в печь через окно, смешивается с топливом (газом) и сгорает. Раскалённые продукты горения уходят через другое окно во вторую шахту, и прежде, чем выйти наружу, нагревают упомянутые керамические сборки. Потом, как они достаточно накалятся, минут через двадцать, поток воздуха пускают через вторую шахту, он в ней разогревается перед попаданием в печь, а отработанные газы начинают разогревать сборки в первой шахте. Затем цикл повторяется.
За рамками этого рассказа остались разнообразные жаропрочные керамические покрытия внутри печи (металл для такой температуры не годится). С ними всё тоже довольно занимательно: физические и химические процессы, протекающие во время плавления стекла, приводят к удивительным образованиям: внутри печи начинают расти сталактиты!
Такая вещь, как стекло, окружает нас повсюду: окна в доме или авто, аквариумы, посуда, предметы декора, реторты и мензурки в промышленности и медицине, даже в часах оно есть. Интересные факты:
- Для разложения стекла должно пройти миллион лет.
- При переработке стекло сохраняет все свои качества.
- Самый толстый лист стекла – экран аквариумы в Сиднее. Его толщина составляет 26 см.
Современные технологии производства позволяют получить стекло с самыми различными характеристиками и качествами:
- Бытовое. Его используют в повседневной жизни: посуда, очки, декоративные изделия.
- Техническое. Это очень плотное стекло, используемое в тяжелой промышленности.
- Строительное. Из него делают витрины, витражи, окна.
- Пуленепробиваемое. Применяется в целях повышения безопасности зданий, автомобилей и т.д.
Сегодня, глядя на крошечный часовой циферблат, мы можем поразмышлять: какое стекло лучше сапфировое или минеральное . Можем выбрать для отделки своих окон материал различных оттенков: синего, красного, зеленого или вообще без цвета. Купить матово-белую строгую вазу или разноцветное яркое изделие фриформ от профессиональных стеклодувов. Даже странно для такой популярности, что очень немногим приходит в голову вопрос, как изготавливают стекло? Что для этого нужно?
Из чего делают стекло
Любопытен не только сам процесс изготовления, а и то, из чего делают стекло. В основе обычно лежат всего три ингредиента, и у каждого из них своя роль в процессе создания:
- Кварцевый песок – основа. Температура его плавления 1700⁰С.
- Сода. Она помогает снизить температуру плавления песка вдвое и существенно упростить процесс изготовления.
- Известь. Этот компонент необходим для водонепроницаемости. Если бы ее не было, то в вазу мы бы не смогли поставить цветы, из стакана не выпили бы чай, поскольку вода просто растворила бы такой сплав.
Изготовление стекла – процесс достаточно жаркий, трудоемкий и опасный. Сначала все компоненты смешивают и плавят в специальной печи. После того, как песчинки соединятся между собой, превратившись в однородную массу, ее отправляют в ванну с расплавленным оловом (его температура выше 1000⁰С). Стеклянная смесь будет плавать на поверхности из-за разницы в плотности материалов. Чем меньше массы будет в оловянной емкости, тем тоньше получится образец. После этого происходит охлаждение заготовок на специальном конвейере.
Любопытное в истории:
- Одна из самых древних стеклянных частиц датируется XXI в. до н.э. Синее прозрачное сырое стекло было найдено в южной Месопотамии. Стеклоделием занимались также в Сирии, Египте и Финикии.
- Многие века самым дорогим считалось стекло из Венеции. У мастеров получались необычайно тонкие и красивые изделия: посуда, украшения, зеркала, стоящие баснословных денег. Очень долго Венеция была стеклянным монополистом, а секреты мастерства ревностно хранились. В ХІІІ веке производство даже перенесли на остров Мурано, и запретили мастерам покидать его под страхом смертной казни. Несмотря на это, стеклоделы были особой, богатой и привилегированной кастой. Неслыханное для того времени дело: женившись на дочери такого мастера, парень переезжал в семью жены!
- Один из мировых лидеров производства на сегодня – Китай, он контролирует третью часть мирового рынка. А в период с XIV по XIX век страна не производила стекла вообще.
Столько сколько существует стекло, существуют и его разновидности, различающиеся по цветам. Из чего делают стекло синего, зеленого или красного цвета? Что позволяет изменить оттенок материала для создания красивого витража, вазы или скульптуры? Все дело в добавлении различных химических соединений, чаще всего оксидов:
- Красный цвет придает добавление оксида железа.
- Фиолетовый и коричневый оттенки (все зависит от количества) – никель.
- Ярко-желтый цвет – уран.
- Оттенки зеленого – хром и медь.
- Насыщенный синий – кобальт.
Кстати еще один оксид – на этот раз оксид алюминия используют для производства сапфирового стекла для часов. Оно очень твердое, оставить на нем царапину можно только алмазом!
Стекло – интересный и удивительный материал, который необходим во многих аспектах жизни.
По традиции, прелагаем посмотреть захватывающее видео о том, как делают стекло
Если вам интересно, откуда берется стекло, пойдите на пляж. Почти все стекло делается из песка, который на самом деле является измельченным кварцем.
Песок содержит небольшую примесь железа. Именно железо придает стеклу, сделанному из обычного песка, зеленоватый цвет. Для производства абсолютно бесцветного прозрачного стекла стекловатры используют селен. Этот минерал придает стеклу легкий красноватый оттенок, который компенсируется зеленоватым цветом, и в результате стекло кажется бесцветным. (Для производства стекла других цветов стеклодувы добавляют другие вещества: кобальт - для глубокого синего цвета; марганец - для фиолетового; хром или железо - для зеленого.)
Чтобы получить стекло, песок необходимо расплавить. Вам наверняка приходилось ходить по раскаленному песку в солнечный день, поэтому вы догадываетесь, что для этого его нужно нагреть до очень высоких температур. Кубик льда тает при температуре около 0 С. Песок начинает плавиться при температуре не менее 1710 С, что превышает максимальную температуру нашей привычной духовки почти в семь раз. Нагревание любого вещества до такой температуры требует больших затрат энергии, а следовательно, и денег. По этой причине при производстве стекла для повседневных нужд стекловары добавляют в песок вещество, помогающее песку плавиться при более низких температурах - примерно 815 С. Обычно этим веществом является кальцинированная сода.
Однако, если при расплаве использовать смесь только песка с кальцинированной содой, можно получить удивительный сорт стекла - стекло, растворяющееся в воде (прямо скажем, не самый лучший выбор для стаканов).
Чтобы стекло не растворялось, нужно добавлять третье вещество. Стекловары прибавляют к песку и соде измельченный известняк (вы наверняка видели этот красивый белый камень).
Стекло, из которого обычно делают окна, зеркала, стаканы, бутылки и лампочки, называется натриево-кальциево-силикатным. Такое стекло очень прочное, а в расплавленном виде ему легко придать нужную форму. Кроме песка, кальцинированной соды и известняка в эту смесь (специалисты говорят «шихту») входит немного окиси магния, окиси алюминия, борной кислоты, а также вещества, предотвращающие образование пузырьков воздуха в этой смеси.
Все эти ингредиенты соединяют и смесь (шихту помещают в гигантскую печь (самые большие из этих печей могут вмещать почти 1110000 кг жидкого стекла).
Сильный огонь печи нагревает смесь, пока она не начнет плавиться и не превратится из твердого вещества в тягучую жидкость. Жидкое стекло продолжают прогревать при высоких температурах, пока из него не исчезнут все пузырьки и прожилки поскольку сделанная из него вещь должна быть абсолютно прозрачной. Когда масса стекла становится однородной и чистой, огонь уменьшают и ждут пока стекло превратится в вязкую тягучую массу - как горячий ирис. Затем стекло выливают из печи в отливную машину, где оно разливается по отливным формам и формуется.
Однако при производстве полых вещей, например бутылок, стекло приходится выдувать, как воздушный шарик. Раньше выдувание стекла можно было увидеть во время ярмарок и карнавалов, ныне этот процесс частенько показывают по телевизору. Вы, вероятно, видели, как стеклодувы дуют в кусок горячего стекла, висящего на конце трубки, и создают удивительные фигурки. Но выдувать стекло можно и с помощью машин. Основной принцип стеклодувов - дуть в стеклянную каплю, пока в середине не образуется воздушный пузырь, который станет полостью в готовой вещи.
После того как стеклу придана необходимая форма, его подстерегает новая опасность - оно может треснуть при охлаждении до комнатной температуры. Во избежание этого мастера стараются контролировать процесс охлаждения, подвергая застывающее стекло термообработке. Последний этап обработки - снятие лишних капелек стекла с ручек чашек или полировка тарелок с помощью специальных химикатов, делающих их идеально гладкими.
Ученые до сих пор спорят, чем следует считать стекло - твердым веществом или очень вязкой (сиропообразной) жидкостью. Поскольку стекла окон старых домов внизу толще, а вверху тоньше, некоторые заявляют, что стекло со временем стекает. Однако на это можно возразить, что раньше оконные стекла делали не идеально ровными и люди просто вставляли их в рамы более толстым краем вниз. Даже изделия из стекла времен Древнего Рима не демонстрируют никаких признаков «текучести». Таким образом, пример со старым оконным стеклом не поможет разрешить вопрос, является ли стекло в действительности жидкостью высокой вязкости.
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.
Человек ежедневно сталкивается со стеклянными изделиями. Стекло почти волшебный предмет – с одной стороны прозрачное, с другой материальный объект. Вещество будет прозрачным, когда фотоны (кванты света) проходят сквозь него, не поглощаясь. Но почему-то далеко не каждому приходит в голову мысль – как и из чего делают стекло? Как происходит процесс?
Интересные факты:
- Чтобы стекло разложилось, понадобится миллион лет.
- Стекло перерабатывается без потери качества.
- Самое толстое стекло в мире – это 26 см экран сиднейского аквариума.
Из чего делают стекло?
Для изготовления стекла мастера берут: кварцевый песок (основная составляющая); известь; сода;
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.
Завершающим штрихом является постепенное охлаждение. Субстанцию помещают в специальный конвейер, где охлаждают до температуры 250 градусов выше нуля. Почему стекло прозрачное можно прочитать .
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?
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.
Интересные факты:
- Китай не производил стекло более 500 лет – с XIV по XIX века. Сейчас государство – один из лидеров производства, и контролирует треть мирового стеклянного рынка.
- 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.
Как получается цветное стекло?
Стекло производят не только бесцветное. Чтобы получить цветное изделие, в печь для плавления, помимо основных компонентов, добавляют химические соединения:
- Оксиды железа дают стеклу насыщенный красный оттенок.
- Оксиды никеля – коричневый, фиолетовый (в зависимости от количества).
- Чтобы получить ярко-желтый оттенок, добавьте к песку, соде и извести оксиды урана.
- Хром делает стекло зеленым.
Какими характеристиками и свойствами обладает стекло?
Пропорции компонентов для изготовления стеклянных товаров подбирают в зависимости от их назначения. Выделяют: бытовое стекло – то, из чего после делают посуду, очки, украшения; строительное – витрины, окна, витражи;
Техническое стекло – наиболее плотное. Используется в тяжелой промышленности. Основное свойство стекла – «умение» пропускать через себя солнечный свет. Но не полностью. Так, стандартное оконное стекло пропускает лишь 85 % солнечного света. Стекло имеет малую теплопроводность, проще говоря – оно не слишком нагревается от других продуктов. Это свойство широко используется для использования стекла в каминах (бытовой техники – плитах и духовках).
Интересный факт: Все слышали о бронированном (пуленепробиваемом) стекле. Процесс его производства выглядит так: несколько стеклянных пластов соединяют между собой, фиксируют полимерными пленками и отправляют в печь. Первое пуленепробиваемое стекло установили на окна Белого дома в 1941 году.
Стекло – удивительный материал. Процесс его создания сложный и травмоопасный, но интересный и очень нужный.
