Технологический процесс изготовления стеклянных изделий

Первые мастерские по изготовлению стеклянных изделий были найдены в Египте и Месопотамии в 4 тыс. до н. э. В I в. н. э.

наиболее крупным центром стеклоделия был Рим. С IX по XVII вв. н.э. — Венеция. В развитии технологии и применения изделий из стекла условно выделяют четыре периода: в 4—2 тыс. до н. э. из стекла делали украшения и предметы религиозного культа, во 2— 1 тыс. до н. э.— небольшие сосуды; 1 тыс. до н. э. началось с изобретения стеклодувной трубки, что позволило стеклоделию достичь большой высоты, а стекло превратить в материал широкого потребления. XIX—XX вв. характеризуются распространением машинной техники, созданием многочисленных составов стекла и проникновением его во все области быта, науки и техники. В России стеклоделие развивалось с X—XI вв. Основоположник научного стеклоделия в России — М. В. Ломоносов, организовавший первую научную лабораторию по переработке стекла. Первый стекольный завод в России построен в 1635 году.

Традиционно, процесс изготовления стеклянных изделий состоит из следующих стадий:

1) приготовление шихты;

2) варка стекла;

3) формование изделия;

4) отжиг;

5) обработка;

6) сборка или соединение деталей;

7) контроль качества;

8) маркировка;

9) упаковка.

Приготовление шихты. В зависимости от назначения стеклянных изделий сырье для его изготовления содержит различные оксиды и минералы. Кремнезем, являющийся главной составной частью, вводят в шихту в виде кварцевого песка или молотого кварца с размером зерен 0,2—0,5 мм. Содержащиеся в сырье вредные примеси — соедийения Сг и Fe придают стеклу желтовато-зеленый и зеленый цвет.

Для варки высококачественных бесцветных стекол песок очи-щают физическими и химическими способами. В203 в шихту вводят в виде буры или Н3В03, Р205 — в виде фосфатов или Н3Р04, А1203 — в виде глинозема, каолина, глины, полевого шпата или А1(ОН)3, Na20 — в виде Na2C03, К20 — в виде К2С03 или KN03, СаО — в виде мела или известняка, ВаО — в виде BaC03, Ba(N03), или BaS04, MgO — в виде доломита или магнезита, У20 — в виде Li,C03 и природных минералов лепидолита или сподумена, РЬО — в виде сурика, глета или силиката РЬ.

С целью придания стеклу определенных потребительных свойств в шихту вводят вспомогательные материалы — осветлители, обесцвечи- ватели, красители, глушители, восстановители и др. В качестве осветлителей применяют небольшие количества (NH4)2S04, Na2S04, NaCl, AS203 и AS205 В сочетании с (NH4)2N03, плавиковый шпат. Некоторые из них одновременно являются и обесцвечивателями — окисляют в стекле соединения Fe. Иногда для обесцвечивания в шихту вводят небольшие количества веществ, окрашивающих стекломассу в дополнительный к зеленому цвет (Se, соединения Со, Мп и др.). Окрашивают стекло, добавляя в шихту красящие вещества. Желтую окраску стеклам придают Cr03, NiO, Fe203, зеленую — Сг203 и СиО, синюю — СиО и СоО, фиолетовую—NiO и Mg203, розовую — СоО, MgO и Se, коричневую — Fe203, FeS, красно-рубиновую — коллоидные Си и Аи.

Варка стекла. Процесс получения однородного расплава условно разделяют на несколько стадий: образование силикатов, стекло- образование, осветление, гомогенизация, охлаждение.

Варку стекла традиционным методом осуществляют в многотонных стекловаренных печах ванного типа. Стекла специального назначения (оптические и некоторые медицинские) — варят в тиглях.

Чаще всего варку стекла проводят в печах непрерывного дей-ствия различных типов — электрических, газопламенных, газопламенных с дополнительным электроподогревом.

На первой стадии вследствие плавления эвтектических смесей и солей происходит образование силикатов и других промежуточных соединений, появляется жидкая фаза. Силикаты и не прореагировавшие компоненты вместе с жидкой фазой представляют собой на этой стадии плотную спекшуюся массу. Для большинства силикатных стекол первый этап завершается при 1100—1200 °С.

На стадии стеклообразования при 1200—1250 °С растворяются остатки шихты, происходит взаимное растворение силикатов, удаляется пена и образуется относительно однородная стекломасса, насыщенная, однако, газовыми включениями, поскольку обычно шихта силикатных стекол содержит около 18% химически связанных газов (С02, S02, 02 и др.).

На стадии осветления (1500—1600 °С, продолжительность — до нескольких суток) происходит удаление из расплава газовых пузырей. Для ускорения процесса используют добавки, снижающие поверхностное натяжение массы. Одновременно с осветлением идет гомогенизация — усреднение расплава по составу. Наиболее интенсивно гомогенизация осуществляется при механическом перемешивании стекломассы мешалками из огнеупорных материалов.

На стадии охлаждения проводят подготовку стекломассы к формованию, для чего постепенно снижают температуру на 400— 500 °С и достигают необходимой вязкости стеклянной массы.

Новые методы варки стекла стали развиваться в последнее время. Например, золь-гель процесс, позволяет при значительно более низких температурах, чем при традиционных способах, получать стекла высокой чистоты и однородности.

Другой метод заключается в гелировании золей, приготовленных из коллоидных дисперсий оксидов. Этим методом получают заготовки, трубы и волокна для оптических световодов и других элементов волоконной оптики.

При производстве пеностекла в шихту (или тонкоизмелъченный стеклянный бой) добавляют парообразователи, выделяющие при варке стекла газ и вспучивающие стеклянную массу. Вспенивают стекло при 700—800 °С (для обычной шихты) или 950—1150 °С (для шихты из глин, горных пород, нерудных ископаемых).

Формование осуществляют различными методами — прокаткой, прессованием, прессвыдуванием, выдуванием, вытягиванием и др. на специальных стеклоформующих машинах. Метод выбирают в зависимости от вида изделия (см. рис. 19.3.).

Прокатку применяют при производстве листового стекла раз-личных видов, преимущественно строительного, толщиной 3 мм и более. При прокатке горячую стеклянную массу пропускают между двумя валками, вращающимися навстречу один другому. Для улучшения светопропускания горячее листовое стекло после прокатки подвергают полированию на специальных установках.

Прессование используют в производстве стеклянной тары, архитектурных деталей, посуды. При этом методе навеску расплавленной стекломассы помещают в матрицу формы, полость которой соответствует внутренней поверхности прессуемого изделия (см. рис. 19.36).

Выдувание осуществляют в производстве узкогорлой тары, сортовой (столовой) посуды, электровакуумных изделий.

При этом раскаленная стекломасса, набранная на выдувальную металлическую трубку, помещается в металлическую форму, по-лость которой воспроизводит форму изделия. Стекломассу вращают, а в трубку подают воздух, который раздувает массу, заставляя ее принять заданную форму.

Прессвыдувание применяется в машинном производстве широ- когорлой посуды.

Вытягивание требуется при изготовлении оконного и технического листового стекла, трубок, труб, стержней, стеклянных воло-

Схемы получения стекольного дрота (а) и формования изделия методом прессования (б) и прессвыдувания (в) кон. При этом методе в охлажденную до определенной температуры стеклянную массу вводят специальное устройство, называемое лодочкой, имеющее сквозную продольную прорезь. Через прорезь в лодочке стеклянная масса вытягивается асбестовыми валками. Листовое стекло, трубки и стержни получают вытягиванием и прокаткой на специальных машинах.

Толстостенные изделия сложной конфигурации получают методом выдувания.

Другие методы: отливка в формы при изготовлении крупно-габаритных предметов, моллирование — получение изделий в форме при нагревании твердых кусочков стекла.

Применяют также метод прямого литья (для низковязких масс и изготовления несложных изделий), литье под давлением. Техника и технологические приемы идентичны с переработкой металлов.

Отжиг. Стеклянные изделия и полуфабрикаты после изготовле-ния подвергают отжигу при 400—600 °С для снятия остаточных внутренних напряжений. При этом режимы нагрева, выдержки изделия при заданной температуре и охлаждения строго выдерживаются. Продолжительность отжига зависит от толщины изделия. Несоблюдение режима отжига может привести к самопроизвольному разрушению изделия в результате высоких внутренних напряжений.

Металлические, халькогенидные и галогенидные стекла получают быстрым охлаждением расплавов. При этом часто используют сверхвысокие скорости охлаждения.

Обработка. При необходимости стеклянные изделия подвергают механической обработке (точению, сверлению, фрезерованию) с применением абразивного и алмазного инструмента.

Перспективными являются лучевая (лазерная) обработка изде-лий и обработка с помощью ультразвука.

При производстве оптических стекол используется полирование с применением паст и других средств.

Сборка^ Все силикатные материалы, в том числе и стекло мож-но соединять клеевым способом. Для склеивания и приклеивания к другим материалам (металлу, пластмассам) применяют цементы и различные вяжущие (клеевые) композиции на основе синтети-ческих смол (например, арзалиты).

Неразъемное соединение стекол можно осуществить сваркой и пайкой. Сварку осуществляют газовой горелкой с применением присадочного прутка из стекла, который, сплавляясь в зоне сварки, дает прочный шов, а пайку — путем нагрева стекол до темпера-туры, при которой вязкость снижается до определенного предела, и механического их сдавливания. В результате происходит взаимное смешение и в процессе охлаждения возникает прочное соединение.

Контроль качества стеклянных изделий, их маркировка и упаковка

осуществляется в соответствии с требованиями государственного стандарта на изделие.

Дата добавления: 2015-10-13