Използвайки стъклени предмети всеки ден, почти никой не се замисля от какво се получава този материал. Как понякога се правят невероятно красиви интериорни предмети? Как се прави стъкло? Защо слънчевата светлина прониква свободно през прозореца в стаята? Как някои видове стъкла избягват счупването дори при силен удар?
Технология на производство
Основният материал за производство на стъкло е кварцов пясък. Да, същата, която е осеяна с пясъчни плажове и по която можете да се разхождате с удоволствие боси през лятото.
Производството на стъкло започва с точното количество малък кварц, измерено на електронна скала, което се нагрява до температура над 1500 градуса C. Песъчинките се топят, образувайки хомогенна маса. Към тях се добавят калцинирана сода и варовик в малки количества. С каква цел?
Калцинираната сода действа като катализатор в този процес и кара пясъка да се стопи при по-ниска температура, приблизително 850 градуса C. Това намалява енергийните разходи за производство. Но содата не се използва без варовик. Този факт се обяснява просто: разтопеният пясък и калцинираната сода, когато се втвърдят, образуват вещество, което лесно се разтваря във вода (не е най-добрият материал за производството на домакински предмети). Тук също се добавят магнезиев и алуминиев оксид и борна киселина. Както и редица вещества, които предотвратяват образуването на въздушни мехурчета в масата.
След като всички компоненти се доведат до определена температура, следва рязко охлаждане - това ще попречи на песъчинките да се върнат в първоначалната си форма.
стъклена дъга
Натрошен кварц (пясък) в естествената си форма съдържа малка добавка на желязо, което придава на готовите продукти в бъдеще светлозелен оттенък. За да направи материала прозрачен, към него се добавя селен. Това вещество излъчва червеникави нюанси, но когато се смеси с желязо, стъклената повърхност се оказва безцветна. И от какво се прави стъкло в различни нюанси, а понякога дори и в един цвят, блещукащо с всички цветове на дъгата?
За да се даде цвят на материала, към нагрятата смес се добавят метални оксиди. Кобалтът ще даде богати сини цветове. Продуктът ще блести с лилави нюанси, ако се добави манган по време на производствения процес, а зеленото ще дойде от смес от хром и желязо. За слънчево жълт цвят е подходящ хромов оксид, за изумрудено зелено - хром и медни оксиди. Кои компоненти се добавят зависи от предназначението на стъкларския завод.
Тайната на силата
Следващият процес след оцветяването е кристализация на сместа. По друг начин се нарича процес на хомогенизиране. В резултат на това се отстраняват всички въздушни мехурчета, ивици и други несъответствия, които могат допълнително да повлияят на качеството на продуктите.
След хомогенизиране бъдещото стъкло се доставя в резервоар с разтопен калай при температура около 1000 градуса С. Тъй като калайът има по-висока плътност, течната стъклена маса е на повърхността му. Там, където става идеално гладко, малко се охлажда, придобивайки твърдост. На следващия етап масата, охладена в резервоара до 600 градуса С, се прехвърля на ролков конвейер. Тук, въз основа на правилата за производство на стъкло с високо ниво на качество, то се съхранява, докато температурата падне до 250 градуса C. Продължителността на процеса се обяснява с необходимостта от равномерно постепенно охлаждане, за да се избегне преждевременно пукнатини.
Уникално безотпадно производство
В края на конвейера е монтирано устройство, което контролира качеството на готовия материал и ако има най-малък недостатък, стъклото се изпраща за претопяване с нова приготвена смес. След преминаване на контрола на качеството, готовите листове се нарязват в необходимия формат и се изпращат или в склада, или за по-нататъшна обработка. Всичко зависи от предназначението на продукта.
Остатъците след нарязването се връщат обратно в сместа за претопяване. Всички отхвърлени материали се изпращат там. Въз основа на това как се прави стъклото, можем да кажем с увереност, че това производство е безотпадно.
Видове
Поради своите химични и физични свойства стъклото се разделя по няколко критерия:
- по предназначение (битови нужди, промишлена употреба, строителство);
- по вид обработка (химични, механични и специални технологии);
- по текстура на повърхността (матова, лъскава, покрита с различни метали, със или без филмово покритие).
Няма ясно разделение на категории. Класификацията се основава на използваната технология и начина на производство на стъклото. Крайният резултат може да бъде многослойна повърхност с обработени ръбове или продукт с високо ниво на пропускливост на светлина, студено рязан. Струва си да се отбележи, че отделен параметър за качество е нивото на предаване на светлина. Няма стъкло със 100% ниво, за битови нужди е 82%. Във високотехнологичните продукти: микроскопи, телескопи, различни лещи и прецизни инструменти - тази цифра е над 90%.
Основата на стъклото е един от най-разпространените материали: кварцов пясък. Подлага се на специална обработка, нагрява се до критични температури. В този случай отделните пясъчни частици се сливат заедно. След това следва бързо охлаждане на получената маса, по време на което песъчинките просто нямат време да се върнат в първоначалното си състояние.
Процесът на производство на стъкло се състои от няколко етапа:
1. Пясъкът се стопява до течно състояние в специална пещ. Кварцовият пясък се топи при температура от 2300 градуса по Целзий. Добавянето на натриев карбонат (сода) намалява температурата, необходима за образуване на стъкло до 1500 градуса по Целзий. Содата за хляб обаче кара водата да корозира стъклото. Следователно, за да се неутрализира това явление, в стъклото допълнително се въвежда калциев оксид (вар).
2. В зависимост от предназначението на стъклото, към тази смес се добавят и други химикали. Най-често срещаната добавка за декоративно стъкло е оловен оксид, който осигурява блясък, както и ниска твърдост, което го прави по-лесно за рязане. За да се направи стъклото по-устойчиво, към него се добавят магнезиеви или алуминиеви оксиди.
3. За да се даде на стъклото желания нюанс, към разтопената маса се добавят оксиди от различни метали. Например, с помощта на железен оксид се прави червен, никелов оксид - лилав или кафяв, уранов оксид - жълт. Медта или хромът му придават различни нюанси на зелено.
4. От разтопената маса от пясък, сода, вар и други компоненти се отстраняват газови мехурчета. Това включва разбъркване на стъклото, докато стане равномерно гъсто и добавяне на вещества като натриев сулфат или хлорид, антимонов оксид.
5. Разтопеното стъкло се оформя. Това може да стане по един от следните начини:
- Стъклото се излива във вана с разтопен калай като субстрат и се продухва със сгъстен азот, за да се оформи и полира. Ето как листовото стъкло се прави от 50-те години на миналия век.
- Разтопената маса се излива във формата и стъклото се оставя да изстине. Този метод е използван от египтяните и така се създават повечето оптични лещи.
- Стъклото се събира в края на куха тръба и след това се издухва чрез въртене на тръбата. Стъклото се оформя от въздуха, издухан през него, силата на гравитацията, действаща върху стъклената стопилка, и каквито и инструменти да използва стъклодухачът. Така се правят вази, чаши, украса за елха и други триизмерни предмети.
6. Стъклото се оставя да изстине, след което отново се подлага на топлинна обработка. Това се прави, за да стане стъклото по-издръжливо. Този процес се нарича отгряване и премахва всички точкови източници на напрежение, които могат да се образуват по време на процеса на охлаждане на стъклото.
7. На последния етап върху стъклото се нанасят различни покрития, ламинират се или се обработват по друг начин за увеличаване на здравината и издръжливостта. Листовото стъкло се нарязва на стандартни листове.
Ако се чудите откъде идва стъклото, отидете на плажа. Почти цялото стъкло е направено от пясък, който всъщност е смлян кварц.
Пясъкът съдържа малко количество желязо. Именно желязото придава зеленикавия цвят на стъклото, направено от обикновен пясък. Стъклената вата използва селен за производството на абсолютно безцветно прозрачно стъкло. Този минерал придава на стъклото лек червеникав оттенък, който се компенсира от зеленикав цвят, в резултат на което стъклото изглежда безцветно. (За да произвеждат стъкло с други цветове, стъкларите добавят други вещества: кобалт за наситено синьо; манган за виолетово; хром или желязо за зелено.)
За да се направи стъкло, пясъкът трябва да се разтопи. Вероятно сте ходили по горещ пясък в слънчев ден, така че предполагате, че за да направите това, той трябва да бъде нагрят до много високи температури. Кубче лед се топи при температура около 0 C. Пясъкът започва да се топи при температура най-малко 1710 C, което е почти седем пъти по-високо от максималната температура на обичайната ни фурна. Загряването на всяко вещество до такава температура изисква много енергия и следователно пари. Поради тази причина, когато произвеждат стъкло за ежедневни нужди, стъкларите добавят вещество към пясъка, което помага на пясъка да се топи при по-ниски температури – около 815 C. Това вещество обикновено е калцинирана сода.
Въпреки това, ако използвате само смес от пясък и калцинирана сода при топене, можете да получите невероятен вид стъкло - стъкло, което се разтваря във вода (честно казано, не е най-добрият избор за очила).
За да предотвратите разтварянето на стъклото, трябва да добавите трето вещество. Стъкларите добавят натрошен варовик към пясък и сода (вероятно сте виждали този красив бял камък).
Стъклото, което обикновено се използва за направата на прозорци, огледала, чаши, бутилки и електрически крушки, се нарича натриево-калциево силикатно стъкло. Това стъкло е много издръжливо и когато се разтопи, лесно се оформя в желаната форма. В допълнение към пясък, калцинирана сода и варовик, тази смес (експертите я наричат „смес“) съдържа малко магнезиев оксид, алуминиев оксид, борна киселина, както и вещества, които предотвратяват образуването на въздушни мехурчета в тази смес.
Всички тези съставки се комбинират и сместа се поставя в гигантска пещ (най-голямата от тези пещи може да побере почти 1 110 000 кг течно стъкло).
Високата топлина на фурната загрява сместа, докато започне да се топи и се промени от твърдо в вискозна течност. Течното стъкло продължава да се нагрява при високи температури, докато всички мехурчета и вени изчезнат от него, тъй като нещото, направено от него, трябва да бъде абсолютно прозрачно. Когато стъклената маса стане хомогенна и чиста, намалете топлината и изчакайте, докато стъклото се превърне в вискозна вискозна маса - като горещ ирис. След това стъклото се излива от пещта в леярска машина, където се излива във форми и се оформя.
Въпреки това, когато се произвеждат кухи предмети като бутилки, стъклото трябва да се издуха като балон. Преди това духането на стъкло можеше да се види по време на панаири и карнавали, но сега този процес често се показва по телевизията. Вероятно сте виждали духачи на стъкло да издухват горещо стъкло в края на тръба, за да създадат невероятни форми. Но стъклото може да се издуха и с помощта на машини. Основният принцип на духането на стъкло е да се духа в стъклена капка, докато в средата се образува въздушно мехурче, което се превръща в кухина в готовото парче.
След като стъклото получи необходимата форма, го очаква нова опасност - може да се спука при охлаждане до стайна температура. За да избегнат това, занаятчиите се опитват да контролират процеса на охлаждане, като подлагат втвърдяващото се стъкло на термична обработка. Последният етап от обработката е премахването на излишните стъклени капчици от дръжките на чашите или полиращите чинии с помощта на специални химикали, които ги правят идеално гладки.
Учените все още спорят дали стъклото трябва да се счита за твърдо вещество или много вискозна (подобна на сироп) течност. Тъй като стъклото на прозорците на по-старите къщи е по-дебело отдолу и по-тънко отгоре, някои твърдят, че стъклото капе с времето. Въпреки това може да се твърди, че преди прозоречните стъкла не са били правени идеално прави и хората просто са ги вкарвали в рамките с по-дебелия ръб надолу. Дори стъклария от времето на Древен Рим не показва никакви признаци на „течливост“. По този начин примерът със старо прозоречно стъкло няма да помогне за разрешаването на въпроса дали стъклото всъщност е силно вискозна течност.
Компонентите, които изграждат стъклото, могат да бъдат разделени на следните видове:
- Основата
- Задължителни оксиди на алкални метали
- Компоненти, които придават специални свойства
- Помощни вещества
Също така в някои случаи се добавя трошено стъкло.
Основата на всяко стъкло е кварцов пясък или силициев диоксид. Освен това само избран пясък, пречистен от примеси от желязо и най-малките примеси, влиза в сместа за бъдещо стъкло, разрешени са около 2% примеси. От това зависи прозрачността на самото стъкло.
Необходимите оксиди на алкални метали варират в зависимост от вида на стъклото. Например:
- оксиди на натрий, калций или алуминий се използват за прозоречно стъкло
- за кристал - калиеви и оловни оксиди
- за лабораторни - оксиди на натрий, калий, бор
- за оптични - оксиди на барий, алуминий, бор
Компонентите за придаване на специални свойства се избират въз основа на желания ефект, например се добавят титанов или бариев оксид за придаване на устойчивост на топлина и т.н.
Помощните вещества са предимно осветители, избелители и багрила.
Индустриално производство на стъкло
Всичко започва с доставянето на всички необходими вещества в завода за производство. Основните компоненти, от които се произвежда стъклото, са кварцов пясък, доломит, сода и вар. Всички вещества преминават подготвителна обработка. Пясъкът се почиства от железни примеси, доломитът и варовик се раздробяват в трошачка. След това всички вещества се смесват и на този етап се добавят и компонентите, необходими за придаване на определени свойства. Цялата тази смес се нарича бленд. Зарядът е смес, която е напълно готова за по-нататъшна обработка, тоест точно това, от което е направено стъклото.
Започва процесът на производство на стъкло. Готовият заряд преминава през конвейер в бункери, от които се излива в товарач, който след това го избутва в пещта. Тъй като температурата тук варира от 1200 до 1600 градуса, в зависимост от вида на бъдещото стъкло, такава пещ работи непрекъснато в продължение на няколко години. Защото не можете просто да изключите такава печка, в противен случай тя просто ще се срути. За да изключите такава печка, ще отнеме около седмица равномерно охлаждане. При тази температура зарядът се превръща в стъклена стопилка.
От пещта тази стъклена стопилка първо постъпва в резервоар с бъркалка и след като се смеси добре се влива в смесителната камера. Тук се охлажда до около 1000 градуса. От топилната част стъклената стопилка постъпва във флотационната вана. На този етап протича интересен процес. Флотската баня е баня от разтопен калай, чиято температура е около 600-700 градуса по Целзий. Стъклената стопилка буквално плува върху този калай и се охлажда малко, благодарение на тази технология тя придобива почти идеална равнина.
След баня с калай лентата от стъкло пада в лера за изпичане, който е дълъг над 100 метра, като се търкаля върху който постепенно изстива.
Следващата стъпка е нарязването на лентата на листове стъкло. Тук се използва много умна технология. Рязането става директно при движение на лентата, което значително ускорява целия процес на производство на стъкло. Как можете да прережете лента в движение, ще попитате? Факт е, че ножът се движи точно със същата скорост като лентата и по това време я прерязва, след което се връща в първоначалното си положение. Така получаваме готови листове стъкло.
Сега оборудване като стакерна машина влиза в действие. Както подсказва името, тя прави стъклени стекове. Стъклените листове се преместват с помощта на вендузи, тъй като стъклото е много крехко, но тежи доста, не може да бъде преместено по друг начин. След оформянето на купчините те се транспортират със специален товарач, след което стъклото се разпределя по складове, магазини, места, където се правят стъклопакети и др.
Между другото, защо стъклото става прозрачно? Факт е, че кварцовият пясък е напълно прозрачен. Но не можем да видим нищо през песъчинките поради повтарящото се пречупване на светлината. Например, ако натрошите стъкло на много парчета, вие също няма да видите нищо през тях. И когато пясъкът се превърне в гладка маса, тогава вече виждаме прозрачен лист стъкло.
Производство на изделия от стъкло
Стъклените продукти могат да бъдат разделени на два големи вида. Първите са тези продукти, които се произвеждат в промишлен мащаб, така наречените стъклени контейнери, например стъклени бутилки, буркани. Вторият голям тип са художествените продукти. Това е името на всички продукти, които са направени ръчно от духачи на стъкло, като вази, стъклени фигурки, статуетки и други подобни. При производството на изделия от стъкло, индустриално стъкло и изобщо всяко стъкло, първоначалният етап на производство винаги е абсолютно еднакъв, докато се получи стъклената маса. Различни са само компонентите, включени в заряда, температурата на топене и последващата обработка на получената стъклена маса.
Производство на изделия от индустриално стъкло
Готовата стъклена стопилка от пещта попада в стъклопровод, от който изтича под формата на наденица и се нарязва с резачка на цилиндрични капки, една такава капка е бъдещата бутилка или буркан. Капките се насочват към така наречената лъжичка, която ги насочва към формовъчната машина. Работи по следния начин: държачите хващат капката за ръба и я държат във висящо положение, цялата долна част на капката се затваря от двете страни с желаната форма, било то буркан или бутилка; формата може също имат определени модели. След като матрицата се затвори, държачът се отдалечава и в капката се вкарва устройство за издухване. Той, подобно на балон, надува капката отвътре със сгъстен въздух и масата придобива желаната форма. Излишното разтопено стъкло се връща в първоначалната си форма.
Между другото, за да се даде на стъклото някакъв цвят или сянка, към заряда се добавят определени вещества, например, за да се даде зелен цвят, се добавя железен или хромен оксид, за синьо, меден оксид и т.н.
Сега почти готовите продукти се движат по нагрят конвейер, така че няма внезапна промяна на температурата и продуктът не се напуква. От този конвейер машина за зареждане премества продуктите в лер, по който те се движат бавно и постепенно се охлаждат. Тук те се третират със специален разтвор, който им позволява да се плъзгат и да се движат гладко. И те се придвижват по-нататък към линията за проверка и опаковане. След като преминем през всички етапи, получаваме готовия продукт.
Как се правят изделия от художествено стъкло
Изделията от арт стъкло се изработват от една и съща стъклена маса. Производството на такива продукти използва една и съща пещ, но температурата на производство е малко по-ниска от индустриалната, около 1200 градуса. Самият продукт е изработен от стъклодухачи. Стъклодухачите са като бижутери за стъкло; те могат да работят сами, по двойки или дори повече.
С помощта на дълга тръба стъкларите вземат необходимото количество горещо стъкло директно от пещта и веднага започват да го оформят с различни методи, като периодично издухват през тръбата. В процеса можете да добавите още материал, например за някои допълнителни части. Много малки части се изработват отделно, също с различни техники.
След оформяне на детайлите и общата форма на изделието, то се поставя в друга пещ за 24 часа. По правило температурата в загрято състояние е около 400 градуса, през нощта такава фурна се изключва и продуктите в нея постепенно се охлаждат до 70 градуса, като по този начин се темперират и втвърдяват.
Стъклото е най-старият артефакт, намерен и използван от човека. Намерено е, защото не човекът е изобретил и направил първото стъкло. Най-вероятно първият се е появил от вулканична лава преди много милиони години. Сега това вещество се нарича обсидиан.
Хората, постепенно опознавайки природата, забелязаха, че ако смесите естествена сода с пясък и я нагреете, се появява прозрачно вещество. Така научиха от какво се прави стъклото. Поне така описва този процес древногръцкият енциклопедист Плиний. И започна историята на хората, използващи този продукт, станал абсолютно незаменим в живота на човечеството днес.
Но има и друга теория, която обяснява от какво е направено стъклото. Някои учени смятат, че стъкловидният материал се е появил като страничен продукт от изпичане на керамика или топене на мед.
Този прекрасен продукт е изиграл изключителна роля в живота на човечеството. Невъзможно е да се надцени значението му. Производството на стъкло може да се сравни с такива човешки открития като изобретяването на колелото и производството на огън. Дори в древен Египет от това вещество са правени различни декорации, с него са били остъклени съдове, а след това са се научили да правят съдове за съхранение на различни течности.
От 13-ти век производството на стъкло се е увеличило драстично. Венеция става център на производството му. Занаятчиите от този град успяха да научат тайните на производството на ориенталско стъкло и разработиха и подобриха технологията за неговото създаване. Стъкларите успяха да постигнат прозрачността на стъклото, като добавиха различни примеси към него; те се научиха да правят различни ястия от него, необичайно елегантни и тънки. Струваше много пари. Като цяло тогава продуктите, направени от него, се използват повече като декорации и луксозни предмети, произведения на изкуството. За тези произведения майсторите стъклодухачи на Венеция платиха със свободата си; затворени, те се научиха да правят такива продукти, че славата на муранското стъкло се разнесе по целия свят.
С течение на времето хората намериха други приложения за този продукт. Технологията за производство на стъкло се подобри. Покривайки едната страна на продукта с отразяващ слой, амалгама, те излязоха с огледало. Стъклото започва да се използва в строителството, предимно при създаването на храмове и дворци. След като се научиха да правят цветно стъкло, занаятчиите започнаха да правят витражи и прозорци със забележителна красота. С течение на времето стъклото започва да се използва в науката. Хората научиха, че може да разпръсква и концентрира светлината - изобретиха лупи, направиха микроскоп и телескоп. Тези изобретения направиха огромна крачка в развитието на природните науки - биология, астрономия, физика, медицина. Без този продукт научната дейност в почти всяко научно направление е абсолютно невъзможна.
От какво се прави стъкло? Както в миналото, той е направен от пясък. Факт е, че пясъкът се състои предимно от силициев диоксид, който се намира в него в кварцови кристали. Загрява се и се топи. Ако се охлади бързо, минералите нямат време да образуват кристали, което ги прави прозрачни. Ако продуктът трябва да бъде оцветен, към него се добавят различни метални оксиди. От какво се прави стъклото, за да е максимално прозрачно? За да направите това, пясъкът се почиства така, че да се състои почти само от кварц.
Днес има много методи за обработка, след които се получава продукт с разнообразни свойства - от армиран и закален до брониран и огледален. От какво се прави стъкло днес? Основата остана същата - обикновен пясък. И това, което е окуражаващо, е, че на планетата Земя има огромно количество стъкло, от което се прави, и не сме застрашени този природен ресурс да изчезне с времето.
