Технология производства лабораторного стекла

ТЕХНОЛОГИЯ  СТЕКОЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Рассмотрим  схему технологического процесса стекольного  производства. 
 
Первым этапом всякого стекольного производства является получение расплава или, как часто говорят, процесс «варки» стекла. Варку стекла производят в специальных печах, в которые загружают смесь сырьевых материалов (шихта), а также бой стекла. Шихта состоит из природных и искусственных материалов, в которых главной составной частью является кремнезем (кварцевые пески) SiO₂. Для облегчения процесса плавления в шихту вводят щелочные материалы — кальцинированную соду (Nа₂СO₃) или сульфат натрия (Nа₂SO₄); для придания стеклу химической устойчивости — мел, известняк (СаСO₃) и другие щелочноземельные окислы. Помимо упомянутых, в современный состав шихты входит еще много различных материалов, играющих роль осветлителей, красителей, глушителей и т.п. 
 
В состав химико-лабораторного стекла для повышения химической и термической устойчивости вводят борную кислоту или буру, окислы бария (ВаО); для снижения склонности к кристаллизации— глинозем (Аl₂O₃), а часто также окислы цинка (ZnO) и титана (ТiO₂). В последние годы с целью повышения щелочеустойчивости выпускаются циркониевые стекла, содержащие ZrO₂ (двуокись циркония), которая вводится через минерал циркон — ZrSiO₄. 
 
До поступления в шихту сырьевые материалы (кварцевый песок, кальцинированная сода, мел, доломит, борная кислота, каолин и другие материалы) подвергаются предварительной обработке: обогащению, дроблению, промыванию, высушиванию, перемешиванию, взвешиванию и дозировке. Эти операции на заводах выполняет цех приготовления шихты. 
 
Прибывающие на завод сыпучие сырьевые материалы разгружаются в приемную траншею. Материалы хранятся раздельно в соответствующих отсеках, оттуда они поступают либо на сушку в сушильные барабаны, либо на измельчение в дробилки или в шаровые мельницы. Измельченный материал хранится в приемных бункерах и через дозировочные весы попадает на ленточный транспортер, который подает материал в смеситель. Тщательно перемешанная шихта, во избежание распыления, часто передается ковшовым элеватором на пресс для брикетирования или подается контейнерами в сыпучем состоянии к стекловаренной печи для загрузки. Транспортировка материалов внутри цеха производится с помощью мостового крана с грейфером. 
 
Для варки стекла применяют различные печи: ванные (имеющие один бассейн, образованный кладкой огнеупорного кирпича) или горшковые (в бассейн которых устанавливают огнеупорные сосуды-горшки).

 
В горшковую стекловаренную печь можно  установить два, четыре, шесть и более горшков. По газопроводу поступает естественный или полученный в газогенераторной станции горючий газ, по воздуховоду — воздух. Газ и воздух проходят через регенераторы, где подогреваются, а поступая в печь смешиваются и горят мощным пламенем, обеспечивающим температуру 1450-1500°С. Иногда отопление стекловаренных печей производят жидким топливом (например, нефть, мазут). В горшки засыпают подготовленную шихту и бой стекла, которые под воздействием высокой температуры плавятся, образуя сначала густую непрозрачную массу. Затем постепенно эта масса под влиянием температуры и перемешивания очищается, светлеет, приобретает нужную вязкость и становится пригодной для выработки и формования различных изделий. 
 
Особенность горшковых печей состоит в том, что в каждом горшке можно варить стекло другого состава, но в небольших количествах. Объем таких горшков не превышает 1,0-2,0 г стекломассы. Процесс варки и выработки стекла в горшковых печах протекает периодически, т.е. после засыпки шихты проходит 13-16 ч для разогрева и варки, 6-7 ч для выработки, а затем процесс повторяется. Горшковые печи по сравнению с ванными менее экономичны и применяются только в случаях необходимости получения стекла особого состава или особого цвета. 
 
Современные ванные стекловаренные печи — это сложные сооружения значительных размеров. Некоторые из них доходят до 35-40 м в длину, 7-8 м в ширину. Глубина слоя расплавленного стекла достигает 1,5 м. В такой бассейн вмещается около 1000 г стекломассы. Печи этого типа применяются для выработки массовых видов стеклянных изделий: оконное, витринное стекло, тарная, бутылочная посуда и т.п. 
 
Контейнеры с брикетами или шихтой регулярно заполняют имеющиеся у печи бункеры, откуда по мере надобности шихта подается питателем в загрузочный карман. По газопроводу и по воздуховоду поступают горючий газ и воздух, которые проходят через нагревательные камеры-регенераторы, заполненные огнеупорными кирпичами-насадками. Поступая через горелки в печь, газ и воздух образуют горючую смесь, обеспечивающую температуру порядка 1500°С, необходимую для расплавления шихты, очистки и осветления стекломассы. В отличие от горшковых, в ванных печах процесс варки и выработки протекает непрерывно, но изготавливается только один определенный сорт стекла. Поступление газа и воздуха отрегулировано таким образом, что по длине бассейна создаются различные тепловые зоны, в соответствии с требованиями технологического процесса. Сначала происходит процесс плавки, затем стеклообразование. Далее стекломассу осветляют, остужают и направляют в формующие машины, в которых изготавливают заданные изделия: бутылки, банки, оконное листовое стекло. Некоторые изделия, как, например, бутылки, тарные банки поступают для отжига в специальные печи. Оконное же стекло после охлаждения идет на резку, упаковку и на склад готовой продукции. 
 
На современных заводах необходимый температурный режим варки обеспечивается автоматически, как и сохранение заданной атмосферы печи. 
 
Образовавшийся расплав выдерживают в печах установленное время, постепенно снижая температуру, чтобы удалить растворенные газы, достигнуть однородности и довести вязкость до соответствия принятому способу формования или выработки; при этом температура снижается до 1220-1250°С. 
 
Отформованное изделие не может быть сразу пущено в употребление, так как при быстром охлаждении оно приобретает внутреннее напряжение и вскоре растрескивается. Поэтому изделия после изготовления должны подвергаться медленному и постепенному охлаждению (отжигу).

 
Обычно отжиг производят в тоннельной печи. Печь эта отапливается также горючим газом или электрическим током. Нагрев печи рассчитан таким образом, что изготовленное горячее изделие, помещенное в тоннельную печь, проходит несколько тепловых зон. Двигаясь по конвейерной ленте вдоль длины печи, готовое изделие подвергается такой термической обработке, когда все внутренние напряжения исчезают и оно выходит из печи пригодным для дальнейшей обработки или для непосредственного употребления. 
 
Способы формования. Стекло является тем исключительным материалом, который поддается всем известным способам формования. Стекло можно выдувать, отливать, прессовать, штамповать, прокатывать между вальцами и на столах, вытягивать в виде бесконечной ленты и в виде тончайших волокон, формовать на вакуумных машинах и применять другие способы формования. До начала XX в. наиболее распространенным был способ выдувания. Мастер набирает в несколько приемов из стекловаренной печи на металлическую трубку (длина 120-140 мм, толщина 15-20 мм с внутренним отверстием в 5-6 мм) порции расплавленной стекломассы и воздухом своих легких раздувает сперва небольшой шар, или цилиндр, а затем, пользуясь рядом простейших инструментов (лопатки, ковшики, ножницы и другие) придает заготовке нужную форму (стакан, кувшин, ваза и др.). Часто пользуются металлическими и деревянными формами. Частично раздутую заготовку вносят в форму и постоянным вращением и дутьем достигают того, что размягченное стекло плотно и точно облегает все очертания формы. Освобождая заготовку от трубки, получают нужное изделие, которое должно подвергаться в дальнейшем отжигу, удалению колпачка (литника) и прочей обработке. 
 
В настоящее время все способы горячего формования механизированы. Ручной труд остался лишь на заводах художественного стекла, частично на заводах химико-лабораторной посуды при выпуске немассовых изделий и некоторых других видов. 
 
Производство стеклянных трубок, применяемых для стеклодувных работ, в основном также механизировано. Сохранилось ручное вытягивание лишь в тех случаях, когда требуются трубки спе- циального назначения (особые размеры, из стекла особого состава, трубки с эмалевой полоской и др.). 
 
Схема изготовления трубок ручным способом приводится на рис.13. Мастер набирает на металлическую трубку порцию стекломассы и набор этот раскатывает на металлической плитке, постепенно раздувая до образования заготовки цилиндрической формы — «постика». В это время второй рабочий набирает на конце металлического стержня небольшую порцию расплавленного стекла и придает этому набору форму небольшого диска — «лепки», который в горячем состоянии прикрепляется к «постику». Затем оба работающих переносят заготовку, удерживающуюся на металлической трубке и стержне, в специальный коридор (длина 20-25 м), расходятся в противоположные стороны, все время растягивая трубку и вдувая воздух в ее полость. Диаметр и толщина стенок трубки регулируются скоростью растягивания и количеством вдуваемого воздуха. Вытянутую длинную трубку укладывают на деревянные планки и осторожным прикосновением металлического предмета, смоченного холодной водой, «разрезают» на заданные отрезки по длине. Таким же способом освобождают концы металлических трубки и стержня от стекломассы, успевшей за это время остыть и прочно пристать к металлу. После этого процесс вытягивания трубок начинают сначала.

 
Ручное вытягивание требует от мастера высокой квалификации и  больших физических затрат. Ручным способом вытягивают трубки диаметром  до 70-80 мм. Такой способ является малопроизводительным: бригада из 4 человек за смену вытягивает 500-550 кг трубок. Существует несколько способов механизированной выработки трубок. В зависимости от требований к диаметру, толщине стенок, составу стекломассы применяют тот или иной способ. В 20-х годах XX века известный советский стекольщик-изобретатель С.И. Королев разработал способ механизации выработки трубок, используя для подачи стекла огнеупорное тело в виде лодочки. 
 
Установка для вытягивания трубок при помощи лодочки приводится на рис.14. Лодочка имеет форму прямоугольника и изготовлена из высокоогнеупорного шамотного материала. При помощи зажимного устройства она заглублена в стекломассу. В лодочке имеется кольцевидное (может быть и квадратное, прямоугольное или любого другого сечения) отверстие, образованное сердечником. Стекломасса выдавливается сквозь это отверстие: сначала образовывается утолщение в виде луковицы, а затем под воздействием вытягивающего устройства масса тянется вверх ровной и гладкой цилиндрической трубкой на высоту до 5 л. В сопло лодочки подается сжатый воздух. На определенной высоте трубка отрезается и падает в лоток. 
 
При помощи такой же лодочки, но без подачи воздуха, вытягивают не трубку, а сплошной стержень (палочки). В зависимости от диаметра трубки определяется и скорость вытягивания, которая колеблется в пределах 2-20 м/мин. На установках С.И. Королева получают трубки диаметром 3-30 мм. Чем меньше диаметр трубки, тем выше скорость вытягивания. В настоящее время этот способ применяют только для получения специальных видов трубок в небольших количествах. Способ вертикального вытягивания недостаточно экономичен. 
 
Широкое промышленное применение приобрел метод горизонтального вытягивания трубок (рис.15). Главной рабочей частью установки является «мундштук» — огнеупорный шамотный вращающийся наконечник. По центру полого наконечника подается сжатый воздух. Жидкая стекломасса поступает из стекловаренной, печи по лотку и тонкой струйкой стекает на вращающийся мундштук. Количество стекла, поступающего на мундштук, регулируется шибером. Струйка из расплавленного стекла полностью обволакивает мундштук и у нижнего конца при выходе из мундштучной машины уже имеет вид сформировавшейся трубки. Далее специальная машина тянет трубку через канал, где происходит ее охлаждение и отжиг. За тянульной машиной устанавливается приспособление для разрезания трубок в «размер», т.е. на отрезки заданной длины. На установках горизонтального вытягивания получают трубки диаметром 1,8-45 мм. Скорость вытягивания зависит от заданного диаметра и составляет 10-150 м/мин. 
 
Способ горизонтального вытягивания трубок является высокопроизводительным. Выработка достигает 5,0-5,5 т в смену.

 
Существуют еще методы вертикально-безлодочного вытягивания, непрерывного вальцевания  и другие, но применяются они для  выработки толстостенных труб, из которых в комплекте с различными фасонными частями монтируются трубопроводы в химической, пищевой, текстильной и многих других отраслях промышленности и сельского хозяйства. Из толстостенных труб изготовляют змеевики для стеклобетонных отопительных панелей. Такие трубы применяются также для прокладки скрытых электропроводок и других целей. 
 
Для производства лабораторного оборудования, ампул, термометров, электровакуумных изделий, елочных украшений применяются тонкостенные трубки диаметром 2,0-50 мм с толщиной стенок 0,4-2 мм. 
 
Громадное количество видов изделий из стекла предусматривает и многообразие технических решений в части формования и выработки стекломассы. Строительное, строительно-архитектурное, светотехническое стекло получают способами вертикального и горизонтального вытягивания, периодическим и непрерывным прокатом, отливкой, прессованием и другими способами. Тарное и сортовое стекло вырабатывается стеклоформующими и вакуумными машинами, ручным и механизированным выдуванием и прессованием. Медицинское, оптическое, кварцевое, электродное, пеностекло, стеклянное волокно и другие виды изделий вырабатываются различными способами в зависимости от их формы, размера и условий эксплуатации. Поскольку этот вопрос выходит за пределы руководства по основам стеклодувного дела, мы касаться его не будем.

 
Важнейшие пороки стекла. Несмотря на то, что стекольная промышленность накопила громадный производственный опыт и строит свою работу на основе строгих научно-технических исследований, не удалось еще полностью устранить причины, вызывающие появление в стекломассе и изделиях из нее инородных включений, нарушающих прочность, прозрачность и внешний вид. Инородные включения стекла в основном подразделяются на три группы: 
 
1) твердые (камни и кристаллы); 
2) стекловидные (свили и шлиры); 
3) газовые (пузыри, мошки). 
 
В стекле, предназначенном для химических, физических аппаратов и приборов, безусловно не допускаются твердые включения, так как они ведут к снижению прочности, термостойкости и самопроизвольному разрушению (см. ГОСТ 10394-63). 
 
Твердые включения имеют различное происхождение. На рис.16, а показана микрофотография кварцевого камня, образовавшегося в результате «непровара». Загруженная в печь шихта была неправильно приготовлена: недостаточно измельчены и просеяны сырьевые материалы. Крупная тугоплавкая частица материала не могла одновременно расплавиться с другими частицами. Шамотный камень-корунд, попавший в стекломассу от огнеупора, который, возможно, был неправильно обожжен либо содержал недопустимые компоненты, изображен на рис.16, б. 
 
Причины попадания в стекломассу твердых включений различны: от связки огнеупора, скрепляющего отдельные брусья, от резких колебаний температуры и т.п. 
 
На рис.17 показан вид наиболее часто встречающейся кристаллизации образца с образованием девитрита (силикат натрия или кальция). Кристаллизация может быть вызвана неправильным тепловым режимом, наличием в стекле химически неоднородных участков, нарушением установленного времени выдержки и другими причинами. Стекло с явными признаками кристаллизации для дальнейшей обработки непригодно.