XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

I) Введение.

 

1) Историческая справка.

Изделия из стекла вошли в культуру и быт человека с незапамятных времен. Считается, что первые изделия из стекла появились более шести тысяч лет назад.

Первые образцы стекла были естественного происхождения: это так называемые обсидианы и грозовое стекло. Обсидианы – продукты деятельности вулканов; при извержении вулканов из недр земли выбрасывается магма температурой 1000-1500 °С. При остывании магмы при благоприятных условиях образовывается стекло. Грозовое стекло, в свою очередь, получается при ударах молнии в песок. В месте прохождения молнии в мокром песке создается исключительно высокая температура и образовывается кварцевое стекло.

Вполне вероятно, что первые образцы стекла были получены случайно в результате деятельности человека. Скорее всего первое знакомство человека с выработкой стекла связано с производством других материалов, требующих обработки при высокой температуре – это плавка металлов, изготовление керамических изделий. Первые образцы искусственно стекла были малопрозрачными и содержали большое количество пузырей. Они служили в основном для изготовления украшений.

Этапом в развитии стеклоделия стали средние века. В Венецианском государстве стеклодувы изготовляли удивительные по разнообразию форм, цвета и рисунка изделия различного назначения, Чуть позже славу венецианских стеклодувов подхватили чешские мастера; был создан знаменитый богемский хрусталь, а затем освоено производство бесцветного стекла, отличающегося высокой твердостью и сильным блеском.

Нынешние стеклоделы – мастера декоративной обработки стекла – используют традиции прошлого и современную технику обработки стеклоизделий. Наряду с массовым производством всегда было и будет ручное производство, особенно высокохудожественных изделий из стекла. Они украшают жилища, общественные учреждения, выставляются в галереях, приобретаются музеями, становятся гордостью коллекционеров.

2) Что такое стекло и его состав.

Стеклом называются аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от их состава и температурной области затвердевания и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел. Процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное является обратимым.

В состав стекла входят кремнезем, оксиды алюминия, бора, калия, кальция, магния, натрия, свинца и др. Каждый оксид придает стеклу определенные свойства.

Главной составной частью стекла, входящей в него в наибольшем количестве и определяющей все его типичные свойства, является кремнезем. Природные или искусственные вещества, в состав которых входит кремнезем, называются силикатами. Помимо горных пород, к ним относится обширный ряд искусственных материалов, производство которых сейчас составляет самостоятельные крупные отрасли народного хозяйства, как, например, фарфоро-фаянсовое производство, производство огнеупорных материалов, кирпича, вяжущих веществ, стеклоделие. Кремнезем вводится в состав стекла в виде кварцевого песка, который принадлежит к числу вторичных горных пород. Он образуется путем выветривания тех первичных кристаллических пород, которые содержат в себе минерал кварц.

В стекловарении используются только самые чистые разновидности кварцевого песка, в которых общее количество загрязнений не превышает 1—3%. Особенно нежелательно присутствие железа, которое, встречаясь в песках даже в таких ничтожных количествах, как десятые доли процента, окрашивает стекло в зеленоватый цвет.

Стекло можно сварить из одного песка, не прибавляя к нему никаких других веществ, но для этого нужна очень высокая температура (выше 1700°). Получение таких высоких температур в печах промышленного типа связано с большими трудностями. Обычные печи, в которых используется твердое, жидкое или газообразное топливо, для этого не годятся; приходится прибегать к электрическим печам специального устройства, эксплуатация которых обходится дорого. Кроме того, при столь высоком нагреве сильно разрушается огнеупорный материал, из которого выложена печь и изготовлен стекловаренный сосуд. Наконец, расплавленный кварцевый песок представляет собой такую густую, вязкую массу, что из нее очень трудно удалять воздушные пузырьки и придавать изделиям нужную форму.

Тугоплавкость песка, являющаяся причиной всех трудностей при попытках сварить из него стекло, может быть значительно ослаблена прибавлением некоторых веществ. Самый распространенный химический состав стекла— натриево-кальциевый, который свойствен по меньшей мере девяти десятым всего выплавляемого стекла.

Разнообразные требования к свойствам стекла па практике удовлетворяются различными комбинациями нескольких входящих в состав стекол окислов. Иногда этих окислов в состав стекла входит очень мало (но не меньше трех), иногда — до десяти. Содержание главной составной части стекла — кремнезема — колеблется от 85 до 35%, а щелочей, т. е. окислов натрия и калия,— от 17% почти до нуля. [1]

II) Производство листового стекла.

1) Свойства стекла.

Листовое стекло −бесцветное прозрачное натрий-кальций-силикатное стекло, изготавливаемое методами флоат или вертикального вытягивания без какой-либо дополнительной обработки поверхностей, имеющее вид плоских прямоугольных листов, толщина которых мала по отношению к длине и ширине.

Листовое стекло является одним из важнейших видов строительных материалов, с помощью которого создается различная освещенность помещений, регулируется поступление и потери тепла. Наряду с обычным бесцветным стеклом организовано производство цветного стекла и стекол со специальными спектральными характеристиками (теплопоглощающих, солнцезащитных и др.), окрашенного в массе накладного и покрытого цветными окисно-металлическими пленками.

К важнейшим свойствам стекла можно отнести плотность, прочность, твёрдость, хрупкость, теплопроводность, термическую стойкость, оптические свойства.

Плотность — это отношение массы тела к его объёму. Она зависит от химического состава стекла. Большинство стёкол имеет плотность 2,2 … 2,8 г/см^3. Плотность обычного листового стекла при комнатной температуре в среднем равна 2500 кг/м³. С повышением температуры она уменьшается.

Прочность — способность материала сопротивляться разрушению под действием внешних сил, вызывающих деформацию и внутренние напряжения в материале. Прочность на сжатие листового стекла сравнительно высока и составляет 0,9−1,05ГПа. Прочность на растяжение и изгиб приблизительно в 10 −15 раз меньше, чем на сжатие, и составляет всего 50−100 МПа, в то время как теоретическая прочность стекла, т. е. прочность связей в его структурном каркасе оценивается не менее 10 ГПа.

Твёрдость — это способность стекла оказывать сопротивление проникновению в него более твёрдого материала. Микротвёрдость листового стекла, измеренная путём вдавливания под нагрузкой алмазной пирамиды, составляет 5,4−5,7 ГПа.

Теплопроводность — это способность материала пропускать теплоту сквозь свою толщу от одной поверхности к другой, если у этих поверхностей разная температура. Теплопроводность листового стекла в диапазоне температур 0 − 100°С находится в пределах 0,87−0,93 Вт/ (м-°С).

Тепловое расширение — это увеличение линейных размеров материала при его нагревании. У стекла оно незначительно и равно 88∙10^-7.

Хрупкость — это свойство материала разрушаться при небольшой нагрузке или деформации. Стекло — очень хрупкий материал, и обращаться с ним следует осторожно.

Термическая стойкость — это способность стекла выдерживать резкие изменения температуры не разрушаясь. Термостойкость стекла во многом зависит от его химического состава. Так термостойкость оконных стёкол равна 80 … 90°С, а кварцевое стекло выдерживает резкий перепад температур до 1000°С.

Оптические свойства — это светопрозрачность, светопоглощение, отражение и преломление света. Максимальное значение коэффициента светопропускания обычного листового стекла даже при отсутствии поглощения света самим стеклом примерно равно 0,92 (92%).[2]

2) Способы производства листового стекла.

Самыми первыми способами изготовления листового стекла были «лунный» способ и способ цилиндров. Особенностью всех этих способов является то, что лист стекла получался не из стекломассы. [3]

«Лунный» способ. Получать стекло больших размеров начали еще в 14 веке. Первый способ производства был так называемый «лунный» способ. С помощью стеклодувной трубки набиралась стекломасса массой 8−9 кг. Из нее выдувался стеклянный шар больших размеров. С противоположной стороны к шару прикреплялась понтия, затем трубка выламывалась, а шар с понтией оставался. Затем шар с понтией начинали вращать и в результате образовывался диск. Понтия выламывалась и получалась заготовка. Эта заготовка разрезалась на 2 части и из каждой части вырезались форматы нужных размеров.

Способ цилиндров. На смену «лунному» способу в средние века стал развиваться способ цилиндров. Отличие этого способа производства в том, что стеклодув выдувал из стекломассы цилиндр, затем трубка выламывалась и отрезалась нижняя часть цилиндра. Цилиндр разрезался и помещался в печь, под действием температур он раскрывался. Таким образом, получалась первичная заготовка, из которой вырезались форматы определенных размеров. Первый механизированный способ был основан на способе цилиндра.

На сегодняшний день существует три основных способа получения листового стекла: вытягивание, прокат, флоат-способ.[4]

Лодочное вертикальное вытягивание.

Рисунок 1: Схема формования ленты стекла способом лодочного вертикального вытягивания: а) - схема образования ленты стекла, б) - схема подмашинной камеры, 1 - стекломасса, 2 - лодочка, 3 - холодильники, 4 - валики машины ВВС, 5 - бортодержатель, 6 — мост.

 

Вытягиванием изготовляют листовые стекла толщиной 2—6 мм, стеклянные трубы, стекловолокно. В бассейн (он обычно имеет длину 5—6 м при глубине 1,2—1,5 м) с готовой стекломассой, охлаждаемой до температуры, соответствующей необходимой вязкости (не ниже 102 Па*с) погружается лодочка. Лодочка — это длинный прямоугольный шамотный брус со сквозным продольным вырезом, переходящим в верхней части в узкую щель. Под влиянием гидростатического напора стекломасса выдавливается через щель; растекания при этом не происходит. Если опустить на стекломассу, выдавливаемую из щели лодочки, горизонтально подвешенную стальную раму — «приманку», а затем оттягивать ее вверх с помощью валиков специальной машины ВВС (вертикального вытягивания стекла), то за приманкой потянется лента стекла. Отформованная лента стекла охлаждается и отжигается в шахте машины. После выхода из шахты от нее отрезают листы требуемых размеров.

 

 

Рисунок 2: Схема непрерывной прокатки листового стекла: 1 — прокатные валки; 2 — арматурная сетка; 3 — валик для арматурной сетки; 4 — выработочная часть стекловаренной печи; 5 — слив­ной порог, 6 — плита; 7 — транспортирующие валики

Прокат. Методом проката, при котором стекломасса сливается на гладкую поверхность и прокатывается валками с гладкой или узорчатой поверхностью, изготовляют крупноразмерное листовое стекло (гладкое и узорчатое), коврово-мозаичные плитки, а также стекло, армированное металлической сеткой (Рисунок 2).

 

Рисунок 3: Схема формования листового стекла флоат-способом: 1 - стекломасса, 2 - ванна расплава, 3 - нагреватели, 4 - олово, 5 - свод ванны, 6 - холодильник, 7 -лента стекла, 8 - печь отжига

Флоат-способ. Стекло с высоким качеством поверхности и утолщенное (8—30 мм) получают эффективным флоат-способом (Рисунок 3). При этом способе формование ленты стекла происходит на поверхности расплавленного олова в результате растекания стекломассы. Такое стекло не нуждается в последующей полировке, имеет ровные края.

3) Технология производства листового стекла.

Основным сырьём для производства листового стекла служат: кварцевый песок, мел, доломит, сода кальцинированная, сульфат натрия, уголь, полевошпатовый материал.

 

Рисунок 4

 

Производство листового стекла включает в себя такие стадии, как подготовка шихты; стекловарение, включающее в себя силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизацию и студку; формообразование стекломассы; концевые операции [3].

 

Подготовка шихты.

Шихтой называют однородную смесь отвешенных в соответствии с заданным составом стекла и хорошо перемешанных между собой сырьевых материалов. Под воздействием высоких температур, поддерживаемых в стекловаренных печах, в результате ряда сложных физико-химических процессов из неё образуется однородный расплав − стекломасса. Расход сырьевых материалов для получения определённого количества стекломассы заданного состава рассчитывают исходя из состава стекла и химического состава применяемых сырьевых материалов. При этом учитывают также и количество боя стекла, загружаемого вместе с шихтой в стекловаренную печь.

Основными требованиями, предъявляемыми к шихте, являются точное соответствие заданному составу стекла и химическая однородность.

Точное соответствие шихты заданному составу стекла определяется постоянством состава сырьевых материалов, в свою очередь связанного со степенью химической однородности отдельных партий, а также с точностью дозирования. Погрешность при отвешивании сырьевых материалов должна быть не более 0,3%.

Степень химической однородности шихты зависит главным образом от того, насколько хорошо перемешаны сырьевые материалы, т. е. в конечном счёте от эффективности работы смесителей, их конструкции и продолжительности процесса смешивания применительно к свойствам и гранулометрическому составу используемых сырьевых материалов.

При изменениях состава сырья в отдельных партиях, поступающих на завод, а также его влажности при транспортировании и хранении рецепт шихты корректируют. Получение однородной стекломассы при недостаточной однородности шихты приходится компенсировать весьма дорогой ценой − повышением температуры варки и снижением удельных съёмов стекломассы.

В связи с наличием в шихте компонентов различной плотности и гранулометрического состава она имеет склонность к расслаиванию. Для предупреждения расслаивания при транспортировании готовой шихты от смесителя до бункеров загрузчиков ванной печи и при хранении нельзя допускать резких сотрясений и падения её с большой высоты. Для лучшего перемешивания, уменьшения склонности к расслаиванию и повышения реакционной способности шихту увлажняют до содержания в ней влаги в среднем 4−6%.

Стекловарение.

Главными требованиями, предъявляемыми к качеству стекломассы для производства листового стекла, являются полное отсутствие непроварившихся частиц шихты; отсутствие видимых газовых и твёрдых включений; химическая и термическая однородность. Процесс варки стекломассы условно принято делить на пять стадий: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизацию и студку. Между каждой из этих стадий нет чётко определённых границ, все они накладываются друг на друга и последовательно переходят одна в другую, однако каждую из них можно характеризовать по главнейшим признакам протекающих процессов.

Силикатообразование.

На стадии силикатообразования протекают процессы испарения влаги из шихты, термической диссоциации карбонатов и сульфатов как непосредственно, так и через образование двойных солей, взаимодействия карбонатов, сульфатов и двойных солей с кремнезёмом с образованием силикатов в твёрдой и, частично, в жидкой фазе. С появлением жидкой фазы, чему способствуют плавление легкоплавких солей и эвтектик, процессы силикатообразования значительно ускоряются. К концу стадии силикатообразования, завершающейся при температурах 800°С и выше, в зависимости от скорости нагрева основные химические реакции в твёрдом состоянии заканчиваются, большинство газообразных из шихты улетучивается и образуется спёк силикатов.

Стеклообразование.

Стеклообразование характеризуется растворением оставшихся зёрен кварца в образовавшихся силикатах и выравниванием концентраций различных силикатов в отдельных участках расплава. Скорость указанных процессов определяется скоростью диффузии ионов и молекул внутри расплава.

К концу стадии стеклообразования, завершающейся при температурах выше 1150°С, стекломасса становится прозрачной, в ней отсутствуют непроваренные частицы, однако содержится большое количество пузырей и свилей.

Скорость процесса стеклообразования зависит от состава стекла и температуры. В производстве листового стекла главным фактором, определяющим скорость варки, является температура.

Осветление.

Осветление характеризуется выделением из расплава газов, пересыщающих стекломассу после завершения процессов стеклообразования, и протекает при максимальной температуре варки (в современных условиях 1560−1600°С). К концу этой стадии стекломасса освобождается от видимых газовых включений. В начале процесса осветления стекломасса содержит большое количество газов как в виде пузырьков различных размеров, так и в растворённом состоянии. Введение осветляющих добавок ускоряет рост и подъём пузырьков к поверхности стекломассы и снижает парциальное давление содержащихся в ней газов.

Гомогенизация.

Гомогенизация должна обеспечивать химическую однородность стекломассы, что наряду с термической однородностью играет большую роль в производстве листового стекла. Если в зону формования протекает химически и термически однородная стекломасса с одинаковой вязкостью по всей ширине формующейся ленты, исключаются причины образования разнотолщинности, полосности или волнистости на ней. При этом исключается также возможность возникновения в плоскости ленты дополнительных напряжений.

Процесс гомогенизации стекломассы при варке подавляющего большинства видов листового стекла протекает одновременно с процессами стеклообразования и осветления при высоких температурах. Чем полнее протекают диффузионные процессы в силикатном расплаве на стадиях стеклообразования и осветления, тем однороднее получается стекломасса, а поскольку для заданного состава стекла скорость диффузии определяется уровнем температур и вязкости, решающим фактором обеспечения химической однородности стекломассы является повышение температур варки. Положительную роль в процессе гомогенизации стекломассы играет и перемешивание отдельных её участков поднимающимися в процессе осветления газовыми пузырями.

Таким образом, химическая однородность стекломассы, поступающей на формование ленты стекла, обеспечивается как степенью однородности и постоянством состава сырьевых материалов и шихты, так и условиями варки и в частности уровнем температур в зонах стеклообразования и осветления.

Студка.

Пятая и последняя стадия процесса варки − охлаждение стекломассы до температур, соответствующих рабочей вязкости, необходимой для формования ленты. По существу эта стадия является подготовкой сваренной стекломассы к выработке. На этой стадии стекломасса должна быть не только охлаждена до установленной выработочной температуры, но и подведена к местам формования лент, будучи максимально термически однородной.

Для интенсификации процесса охлаждения стекломассы с целью сокращения размеров студочно-выработочных частей стекловаренных печей применяют различного рода преграды, которые ослабляют конвекционные потоки и ограничивают передачу лучистого тепла из варочной части в студочную часть печи. При этом стремятся к тому, чтобы характер движения потоков стекломассы с установкой преград не изменялся в сторону ухудшения её термической однородности.

Для повышения термической и химической однородности стекломассы, идущей на формование листового стекла, в последнее время начали применять бурление её сжатым воздухом, а также механическое перемешивание вращающимися мешалками, используя опыт, накопленный в этом отношении в других отраслях стекольной промышленности.

Формование стекломассы.

Известны три принципиально различающихся флоат-способа производства стекла:

В способе фирмы «Пилкингтон» подача стекломассы из стекловаренной печи в ванну расплава осуществляется методом свободного слива по узкому лотку, отстоящему от поверхности олова на некотором расстоянии. Отформованная лента стекла выводится из ванны расплава на первый вал печи отжига (шлаковой камеры) с температурой 600−615°С и поднимается над выходным порогом (с перегибом ленты), уровень олова в ванне ниже уровня порога на 8 −10 мм.

По способу двухстадийного формования, разработанному Саратовским институтом, лента стекла выходит из ванны расплава без перегиба на газовоздушную опору (подушку) при температуре более 650°С. При этом уровень олова в ванне выше уровня порога на 2−3 мм, что достигается за счёт применения электромагнитных индукторов, также разработанных институтом. На газовоздушной подушке происходит вторая стадия формования ленты, где она охлаждается. При этом обеспечивается окончательная фиксация её геометрической формы, после чего лента передаётся на приёмные валы печи отжига.
Преимуществом двухстадийного способа формования является возможность передачи ленты стекла на приёмные валы печи отжига с более низкой температурой (570−580°С), что ниже на 20−35°С, чем в процессе фирмы «Пилкингтон», и более надёжно обеспечивает сохранность нижней поверхности. Что касается процессов восстановления оксидов олова, то поскольку температура олова в выходной части ванны расплава выше примерно на 50°С и составляет около 650°С, процессы восстановления оксидов олова идут интенсивнее, и тем самым повышается качество нижней поверхности ленты стекла.

Способ производства флоат-стекла, разработанный фирмой «Пи-Пи-Джи Индастриз», отличается от способов фирмы «Пилкингтон» и Саратовского института стекла узлом слива стекломассы из стекловаренной печи в ванну расплава. Этот способ предусматривает подачу стекломассы из печи в ванну расплава в виде горизонтального слоя на поверхность расплава металла на том же уровне, что и передаваемый слой. Использование данного способа позволяет вырабатывать ленту стекла без растекания в «лужу», т. е. без нарушения ламинарности слоев подаваемой стекломассы, что обеспечивает получение стекла (как толстых, так и тонких номиналов) с высокими оптическими показателями.

Концевые операции.

Для отжига флоат-стекла применяют печи отжига с принудительной циркуляцией воздуха внутри туннеля и интенсивным охлаждением ленты стекла ниже температуры 200°С на открытом роликовом конвейере при помощи воздушного душирования. Предусматривается также подача сернистого газа под ленту стекла в начале печи отжига для защиты поверхности ленты стекла от возможных повреждений ее валами конвейером.

Обнаружение дефектов на ленте стекла, раскрой и резка ее на заданные размеры с учетом обнаруженных дефектов, разделение ленты на отдельные листы, съем их, стопирование и упаковка представляют собой весьма сложные и трудоемкие процессы в условиях производства флоат-стекла, когда лента имеет ширину до 4 м, а скорость ее движения может достигать 1000−1500 м /ч.

На части работающих флоат-установок применяют автоматические линии с механизированным раскроем без обнаружения и учета дефектов в ленте стекла, на которых программа раскроя задается оператором с пульта управления. При этом предполагается, что качество флоат-стекла при выдерживании заданного технологического процесса должно быть стабильным, не требующим применения дорогостоящего и сложного в эксплуатации оборудования для обнаружения дефектов. Однако применение устройств для автоматизированного обнаружения дефектов в ленте стекла и раскроя ее с учетом выявленных пороков позволяет увеличить выход годного стекла на 5−10% по сравнению с механизированной или ручной резкой.

Лишь на отдельных флоат-установках раскрой и резку стекла производят на полумеханизированных резных столах с большей затратой рабочей силы и излишними потерями стекла.

Стекло после автоматической резки поступает по двум направлениям: для изготовления автомобильного или других видов стекла и на склад как товарное полированное стекло. Стекло, идущее на переработку, должны снимать с конвейера соответствующие механизмы и ставить в ящики-кассеты, в которых листы стекла не соприкасаются один с другим. Ящики-кассеты хранят на складах запаса стекла.

III) Заключение.

Несмотря на то, что технический прогресс и разработка новых материалов и элементов вытесняет стекло из некоторых отраслей, в настоящее время листовое стекло и изделия на его основе применяются во всех областях народного хозяйства, а объем мирового спроса на листовое стекло составляет около 45 миллионов тонн ежегодно, при этом 50 % спроса приходится на Азию, 27 % – на Европу и 15 % – на Северную Америку.

Стекло продолжает играть важную роль в строительном секторе, на который в структуре спроса по отраслям промышленности приходится 70 %, а потому его производство является неотъемлемой частью мировой промышленности.

IV) Список литературы.

1) Стекло / Н. Качалов. — Москва : Издательство Академии наук СССР, 1959. — 465 с., ил.

2) Стекольные работы: Учеб. для проф. учебных заведений — 6-е изд., перераб. и доп. / Шепелев А. М. — М.: Высш. шк., 1993. - 127 с.: ил.

3) http://ukrglass.ru/page1/tekhnologiya-proizvodstva-listovogo-stekla

4) http://stroy-spravka.ru/article/osnovy-proizvodstva-stekla

Код для цитирования: Скопировать