Как и из чего сделано стекло и стеклянные изделия. Стекло: что такое, виды, технология производства, свойства, назначение

Удивительно, но сталкиваясь, каждый день со стеклянными изделиями, мало кто задумывается о том, из чего делают стекло. Между тем, процесс создания этого материала довольно интересен, а диапазон применения — очень широк.

Технология изготовления стекла

Основной компонент, из которого его делают — это обычный кварцевый песок . Для того чтобы из непрозрачной сыпучей субстанции образовался прозрачный и бесцветный монолит, её нагревают до очень высоких температур. Благодаря этому отдельные песчинки сплавляются между собой, и, поскольку охлаждение стеклянного «теста» происходит очень быстро, не успевают вернуться в свою первоначальную форму. Кроме того, в состав стекла входит сода, немного воды и известняк. Чтобы получить цветной материал, в расплавленную массу добавляют оксиды металлов. Каких именно, зависит от желаемого результата. Так, например, окиси хрома и меди дают вместе зелёный цвет, отдельно окись хрома — желто-зелёный, а кобальт — насыщенный синий.

Технология производства стекла выглядит следующим образом. Сначала все компоненты, вымеренные точнейшими электронными весами, отправляются в гигантскую печь, где при температуре в 1600° С превращаются в единую массу. Затем эта масса делается однородной или, говоря научным языком, гомогенизируется, а все пузырьки газа из неё удаляются. Затем стекольной массе предстоит «купание» в ванне с расплавленным оловом , температура которого приближается к 1000° С. Благодаря более низкой плотности, чем у оловянного расплава, стекло не смешивается с ним, а как бы плавает на поверхности. При этом оно охлаждается и приобретает идеальную гладкость.

Толщина материала зависит от дозировки расходной массы, попадающей в ванну — чем она меньше, тем тоньше получится. Когда стеклянное волокно покидает оловянную ванну, его температура понижается до 600 °С, однако оно ещё достаточно горячо для того, чтобы затвердеть. Поэтому его охлаждают повторно, проводя стекольную «простыню» через конвейер из вращающихся роликов до тех пор, пока масса не остынет до 250 °С. Охлаждение должно проходить постепенно, иначе материал треснет. В конце конвейера установлен автоматический контроль качества — выявляющий возможные огрехи материала. Помеченные сканером места удаляются на следующей стадии процесса — во время резки единого «полотна» на листы нужного размера. В процессе обрезается его край, на котором остаётся полоса от шестёренок.

Полученные обрезки добавляются к новой партии стеклянного «теста» — таким образом, получение стекла становится безотходным процессом.

Характеристики стекла

Теперь, когда ответ на вопрос о том, как изготавливают стекло получен, самое время рассказать о нём подробнее. Итак, существует несколько параметров, по которым подразделяются стёкла. По назначению они делятся на три категории. Бытовые — то есть те, которые идут на изготовление посуды, тары, очков и различных украшений. Строительные — в этот список входят стеклоблоки, стеклопакеты, витрины, мозаики, витражи и так далее. И, наконец, технические, применяемые в химической, машиностроительной и прочих промышленностях. Второй признак, по которому эти изделия разделяются на пять классов — это род обработки.

• Первый класс. В него входят предметы, сделанные по технологиям, предусматривающим ту или иную обработку стекла.
• Второй класс. Включает в себя изделия, подвергшиеся механической обработке поверхности, как то: шлифовка, полировка, матирование (без использования химических средств), гравировка и так далее.
• Третий класс. К этой категории причисляют предметы, чьи грани подверглись холодной обработке механическим способом. Например, были закруглены или фацетированы.
• Четвёртый класс. Изделия, подвергнутые химической обработке, например травлению или матированию с использованием кислот.
• Пятый класс. Стекла, имеющие плёночные или какие-либо иные покрытия.

Также стёкла различают по фактуре наружной поверхности. Здесь существует семь категорий, в одну из которых входят , а в шесть других — глянцевые . Глянцевые поверхности могут быть травлеными, свободными от покрытий или покрытыми органической плёнкой, кремнеорганическими соединениями, полупроводниками или металлическим напылением.

Свойства стекла

Одно из основных свойств этого материала — способность пропускать свет. Стоит сказать, что стекол со стопроцентной пропускаемостью света в природе не существует. Лучшие представители прозрачного «братства» пропускают около 92% процентов видимого света, а привычные оконные — не более 87%.

Теплопроводность стекла — то есть способность проводить тепло от более нагретых участков к менее нагретым, очень мала. Такая способность этого материала создает возможность для его применения в или духовках. Плотность стекла — то есть отношение массы к объёму, полностью зависит от его химического состава. Так, например, если в стекло входит свинец, то плотность его будет высокой. Обычное же оконное имеет плотность 2,5 г на см 3 — проще говоря, 1 см 3 весит 2,5 грамма.

Твёрдость — то есть способность сопротивляться проникновению иных материалов, составляет примерно шесть баллов по шкале Мооса. Для сравнения — у алмаза, самого плотного согласно этому определению материала, данный показатель равен десяти. Хрупкость стекла, как всем известно, очень велика, однако точные её показатели можно определить только в специальной лаборатории.

Стекло служит человеку уже много сотен лет, а процесс его создания всё так же привлекателен и в чём-то даже загадочен. Оно не только защищает наши дома от холода и ветров, но и даёт большую свободу для творчества — от создания витражей до выдувания из него всевозможных предметов.

Из чего делают стекло?

1. Лучше купить в магазине и не париться.
2. Из чего "варят" стекло?

   Как это не парадоксально, СТЕКЛО представляет собой находящуюся в застывшем состоянии жидкость.
   Главная составляющая часть стекла, входящая в него в наибольшем количестве (60-70 % объема) и определяющая его типичные свойства - это КРЕМНЕЗЕМ SiО2 (песок, кварц, мелкозернистый песчанник) .
   Кремнезем вводится в состав стекла, в виде, например, кварцевого песка.
   В стекловарении используются только САМЫЕ ЧИСТЫЕ разновидности кварцевого песка, в котором общее количество загрязнений (примеси глины, извести, слюды) не превышают 2-3 %.
   Особенно нежелательно присутствие железа, которое встречаясь в песках даже в небольших количествах, окрашает стекло в неприятный зеленоватый цвет.

   Стекло можно сварить из одного песка, не добавляя к нему никаких других веществ, но для этого нужна очень высокая температура (свыше 1700 градусов С) .
   Обычные современные печи, выложенные из огнеупорного глиняного кирпича, в котором используется твердое, жидкое или газообразное топливо, для этого не годятся: приходится прибегать к электропечам, эксплуатация которых обходится очень дорого.
   Поэтому, чтобы снизить температуру плавления песка, используют различные добавки...

3. Его делают из песка при большой температуре и определнном давлении
4. Для изготовления стекла мастера берут: кварцевый песок (основная составляющая); известь; сода; 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 тоньше масса, попадающая в ванну с оловом, тем тоньше будет стекло на выходе. Изготовление стекла Завершающим штрихом является постепенное охлаждение.

   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 масса стойко переносила воду.

5. Кварцевый песок, известь и сода
6. Ну вообще то из кварцевого песка
7. Стекло получают, расплавляя смесь песка и других минеральных компонентов, каких - зависит от марки стекла. Например, хрустальное стекло, из которого делают декоративную посуду, содержит значительное количество свинца. При переплавке чистого кварцевого песка получается кварцевое стекло - оно очень тугоплавко и в расплаве вязко, так что даже не получается прозрачным из-за остающихся в нем пузырьков воздуха. Оно имеет мизерный коэффициент температурного расширения - если его нагреть до красна и сунуть в воду, то оно не треснет. Применяется при изготовлении лабораторной посуды, стеклянных ТЭНов для лабораторий и промышленности и т. п. Для получения оптического кварцевого стекла, пропускающего ультрафиолет, плавят горный хрусталь - это тоже, как и кварцевый песок, чистый SiO2, но крупнокристаллический, который в природе встречается редко.

   К ответу Васильченко. Раньше для изготовления декоративной посуды изготавливали урановое стекло - изумительного желтовато-зеленого цвета, изделия из него можно увидеть в Москве в музее Кусково. С открытием радиоавтивности, производство такого стекла прекратили.
   Для зашиты от радиоактивного излучения применяют экраны из свинцового стекла - оно содержит еще больше свинца, чем декоративное хрустальное, и имеет желтоватый оттенок. Из подобного же стекла делают кинескопы для мониторов - чтобы защитить пользователя ПК от потока электронов из "электронной пушки" кинескопа.

8. Обычное стекло содержит в своем составе примерно 70% диоксида кремния, который в таком же виде содержится в кварце, и в его поликристаллической форме, песке. Состав стекла

   Чистый кремнезем (SiO2) имеет точку плавления примерно 2000 градусов, и в основном используется для получения стекла для специальных приборов. Обычно в состав смеси добавляют еще два вещества, чтобы упростить процесс производства. Во первых это углекислый натрий (Na2CO3), или углекислый калий, который понижает точку плавления смеси до 1000 градусов. Однако, эти компоненты способствуют растворению стекла в воде, что является крайне нежелательным. Поэтому в состав смеси добавляют еще один компонент известь (окись кальция, CaO), чтобы придать составу нерастворимость. Такое стекло содержит примерно 70%-ый кремнезем и называется известково-натриевым стеклом. Доля такого стекла в общем объеме производства составляет примерно 90%.

   Так же как известь и углекислый натрий, к обычному стеклу добавляют и другие компоненты, чтобы изменить его физические свойства. Добавление в стекло свинца увеличивает показатель преломления света, заметно увеличивает блеск, а добавка в состав смеси бора изменяет тепловые и электрические свойства стекла. Оксид тория придавал стеклу высокий показатель преломления и низкую дисперсию, что необходимо в производстве высококачественных линз, но из-за его радиоактивности был заменен на оксид лантана в современной продукции. Добавки железа в стекло, используются для поглощения инфракрасного излучения (тепла) .

   Металлы и их оксиды добавляют в состав стекла, чтобы изменить его цвет. Например, марганец добавляют в малых количествах, чтобы придать стеклу зеленый оттенок, или при более высоких концентрациях цвет аметиста. Так же как и марганец, селен используют в малых дозах, чтобы обесцветить стекло, или в больших концентрациях чтобы придать красноватый цвет. Малые концентрации кобальта придают стеклу синеватый оттенок. Оксид меди придает бирюзовый свет. Никель, в зависимости от концентрации, может придать стеклу синюю, фиолетовую или черную окраску. В зависимости от состава стекла, можно влиять на его окраску путем нагрева или охлаждения. #9679; Химический состав, % :
   SiO2 - 72,2
   Al2O3 - 1,7
   CaO+MgO 12,0
   Na2O+K2O 13,7
   SO3 - 0,3
   Fe2O3 - 0,1

9. Варят из кварцевого песка.
10. Из кремния, с помощью электролиза.

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.

Инструкция

Вначале технологи подбирают компоненты, из которых будет изготовлено стекло для конкретных нужд. В качестве исходных материалов используются кварцевый песок, сульфат натрия, кальцинированная сода, доломит и некоторые другие добавки. Все компоненты тщательно отмеряются, ведь от правильного выбора пропорций будет зависеть качество стеклянной массы.

В бункер с исходными компонентами добавляют также битое стекло. При изготовлении стеклянной массы обычно остаются излишки и отходы, которые тоже идут в дело. Их измельчают и подают в общую емкость, где все материалы смешиваются до сравнительно однородного состояния. Теперь смесь готова к следующему этапу обработки.

Из бункера исходные компоненты поступают в газовую печь. Температура внутри этого устройства достигает 1500оС. Под воздействием такого количества тепла компоненты будущего стекла расплавляются и превращаются в прозрачную массу. Полученный состав тщательно перемешивают, чтобы вещество стало полностью однородным. Весь процесс постоянно находится под контролем оператора печи, помогает которому автоматика.

На следующем этапе обработки стеклянная масса поступает в специальные емкости. Они напоминают большие ванны, наполненные жидким оловом. Распределяясь по поверхности этого металла, будущее стекло не тонет, а превращается в тонкий листовой материал с почти идеально ровной поверхностью. Для придания листам нужной толщины стекло пропускают через валки определенного размера.

Постепенно стеклянная лента охлаждается. После выхода из оловянной ванны температура материала уменьшается примерно до 600оС. Теперь лента подается на длинный роликовый конвейер и достигает специального устройства, где стекло проходит тест на толщину листа. Точность контроля очень высока и может достигать сотых долей миллиметра. Выявленный брак возвращается на этап первичной обработки.

Длинную и непрерывную стеклянную ленту на очередном этапе режут на стандартные листы при помощи инструмента, устойчивого к износу. Одновременно обрезаются неровные кромки листа. Образующиеся при резке отходы измельчают и подают в бункер; эти осколки участвуют в новом цикле производства стекла. Фактически все производство становится безотходным.

Завершающий этап всего процесса – окончательный контроль качества стекла. На помощь контролерам приходят флуоресцентные лампы, которые позволяют выявить даже незаметные дефекты хрупкого материала. Прошедшие через участок контроля листы отправляют на склад, где они хранятся в вертикальном положении до момента отгрузки потребителю.

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!