Стекольная компания “Трейдсистем"
Курс валют:
1$ -
24.87 грн

Революции в изготовлении листового стекла.

Процесс выдувания стекла. Первой «революцией» в стекловарении считается изобретение метода выдувания стекла. Процесс выдувания изделий из расплавленной стекломассы начался с важнейшего изобретения – стеклодувной трубки сирийскими мастерами между 27 г. до н. э и 14 г. н. э. С открытием процесса выдувания стеклянных изделий Сирия на целые сотни лет становится крупнейшим центром стеклоделия. Изобретение выдувания привело к рождению нового качества и составило основу не только древнего, но и современного методов изготовления стеклянной посуды, а впоследствии и оконного стекла.

Первое оконное, по настоящему плоское стекло впервые появилось значительно позже, в Древнем Риме. Оно было обнаружено при раскопках Помпеи и датируется годом извержения вулкана Везувий, 79 г. н. э. Оконное стекло получали методом литья на плоскую каменную поверхность. Конечно, качество стекла при этом сильно отличалось от современного. Это стекло было окрашенным в зеленоватые тона и матовым (бесцветное стекло в то время изготавливать еще не умели), содержало большое количество пузырей, что говорило о низкой температуре варки, и было довольно толстым (около 8-10 мм). Но, тем не менее, это был первый случай применения стекла в архитектуре, что дало значительный толчок к дальнейшему развитию стекловарения и распространению стекла по всей Европе.

 

Краун процесс. 2-я революция в стекловарении произошла приблизительно в начале II в., когда сирийские мастера изобрели совершенно новую для тех времен технологию производства плоского стекла – краун (crown) или как его в России называли лунный способ. Стекло изготавливались методом выдуванием больших пузырей, которые на следующей стадии отделялись от стеклодувной трубки, и прикреплялась к другой трубке - понтии. После интенсивного вращения на понтии, исходная заготовка под действием центробежных сил утончалась и превращалась в плоский круглый диск .  Диаметр этого диска мог достигать 1,5 м. Из него уже после охлаждения вырезали куски стекла квадратной и прямоугольной формы. Центральная часть диска имела утолщение – след от понтии, который назывался «бычьим глазом». Как правило, эта часть диска не использовалась и шла на переплавку, однако, в некоторых средневековых зданиях эти кругляшки до сих пор сохранились.

Эта технология позволяла получать стекло довольно хорошего для тех времен качества, практически без искажений. Такая технология просуществовала вплоть до середины XIX века.

Однако существовала и проблема - ограничение по размерам. Поэтому на протяжении многих лет в разных странах Европы осуществлялись попытки усовершенствования этой технологии, что привело к созданию нового метода производства стекла – метода выдувания цилиндров.

 

Метод выдувания цилиндров. В целом этот метод был очень похож на краун процесс, но при этом стеклодув набирал стекло из горшка в несколько приемов и раздувал заготовку (пульку) в форму цилиндра при постоянном вращении. Для формования цилиндрической формы мастер раскачивал заготовку в специальной прямоугольной яме. После затвердевания заготовки, суженные концы отделяют специальным нагретым крюком. Затем внутри охлажденного цилиндра делают продольный разрез и выправляют в плоские листы в особых “правильных печах”, где цилиндры постепенно разогреваются до размягчения на плоских основаниях их глины и разглаживаются в лист деревянной чуркой, закрепленной на железный стержень. К концу XIX века для выдувания цилиндров стали использовать воздушные насосы, а вскоре появился и метод механического вытягивания цилиндров. Применение более эффективного метода производства оконного стекла позволил увеличить размер листового стекла и снизить количество отходов стеклянного боя.

Метод вытягивания из расплава. Уильям Кларк из Питтсбурга первый предложил способ производства листового стекла вытягиванием со свободной поверхности расплав. В 1857 г. он представил английский патент, согласно которому, формование плоского листа осуществляется медленным вертикальным вытягиванием затравки с поверхности расплава. В течение последующих 50 лет старались решить основную проблему – сужение ленты стекла при вытягивании, но все попытки были неудачными.

В 1871 году бельгийский изобретатель Ф.Вэллин (F.Vallin) получил французский патент (№ 91787) на производство оконного стекла механическим вытягиванием стекла. Для непрерывной подачи расплава он предложил систему горшков, которые связаны между собой трубкой, так что стекломасса из одного горшка поступала в другой. В последний большой овальный горшок, который был заключен в трубу, опускалась металлическая пластина (затравка). Формование плоского листа происходило при движении этой пластины вверх. В трубе также располагались по бокам стекла воздушные трубки с отверстиями для охлаждения стекла. Лист стекла поддерживался роликами, покрытыми асбестовой тканью. Вытягивание стекла может происходить в двух направлениях: вертикальном и горизонтальном. В последнем случае предусматривался специальный металлический валок. Вэллин был гениальным изобретателем и предложил практически все основные элементы механического вытягивания, которые в 20 столетии будут применяться во всех способах вытягивания стекла. В то время, когда ванные печи были неизвестны, он представил систему стекловаренных горшков, в которых осветленная стекломасса поступала снизу по трубкам из одного горшка в другой, до основного, из которого происходило вытягивание стекла. Эта система непрерывной подачи расплава стала основой появления ванных стекловаренных печей. В 1890 году Вэллин основал в Гифорсе компанию по производству оконного стекла механическим вытягиванием.

В 1905 году бельгийский инженер Эмиль Фурко (Emile Fourcault) предложил свой способ вертикального вытягивания стекла. При этом старейшем способе (ВВС) используется шамотная лодочка, из щели которой под действием гидростатического давления вытекает постоянный поток стекла. Скорость вытягивание можно регулировать глубиной погружения лодочки. Лента стекла из лодочки поступала в шахтную камеру, где с двух сторон находятся водо-охлаждаемые трубки, и далее по роликам поступала в печь отжига. Для предотвращения сужения ленты по краям ленты были установлены бортоформующие ролики и охлаждаемые трубки. Толщина ленты стекла определялась скоростью вытягивания и температурой в зоне вытяжки («луковицы»). Первые машины Фурко для вытягивания листового стекла были установлены в Бельгии и Чехии в 1913 году. Производительность 11 машин, установленных на одной ванной печи, составляла 250 тонн стекла в день.

Процесс вытягивания стекла позволил производить дешевое оконное стекло с огненно-полированными поверхностями Основной дефект тянутого стекла появляется при формовании (вытягивании) и связан с нарушением плоскостности стекла. Такие нарушения приводят к оптическому эффекту линзы и искажению изображения. Тянутое (машинной выработки) оконное стекло широко применялось в строительстве для остекления окон и теплиц.

Метод литья и шлифования. Как уже говорилось выше, и краун процесс и метод выдувания цилиндров, да и метод ВВС имели ряд недостатков, связанных либо с наличием оптических дефектов и искажений, либо с невозможностью получить листы стекла большого размера. Поэтому как альтернатива с начала XIX века в Европе использовался также еще один способ производства методом литья и последующего отжига литого прокатного стекла. В нем горшок с расплавленным стеклом выливался прямо на разливочный стол и прокатывался роликами. Для отжига применялась специальная печь с несколькими рядами полок, позволяющая увеличить загрузочную мощность. Прокатное стекло могло быть изготовлено любого требуемого размера и толщиной 3-6,5 мм. Этим методом изготавливали цветное и бесцветное узорчатое стекло, а также большие листы неполированного оконного стекла. Особой популярностью пользовалось узорчатое цветное стекло для остекления окон в церквях и соборах.

В дальнейшем с появлением потребности в более качественном стекле на финальном этапе стали применять абразивную обработку поверхностей стекла. В то время это был трудоемкий, длительный и многоступенчатый процесс, который включал перемещение горшка с расплавом стекла, отливку и раскатку в лист, отжиг, шлифовку и полировку. Время обработки стекла составляло около 17 часов.

В начале XX века рост автомобильной промышленности стимулировал развитие более эффективных высокопроизводительных методов производства полированного стекла. В 1923 году был разработан и запущен непрерывный процесс производства прокатного стекла. Расплав стекла плавился в ванной печи и через сливное устройство непрерывным потоком проходил через водоохлаждаемые валы и прессовался до заданной толщины. Основная проблема заключалась в получении качественного расплава в ванной печи. В 1925 году этот метод был дополнен машиной для односторонней шлифовки и полировки. Следующим шагом к автоматизации производства была разработка машин для двухсторонней шлифовки и полировки стекла. Введение этой технологии явилось наиболее значительной разработкой в длинной истории производства полированного стекла.

Более дорогое полированное стекло обладало хорошим оптическим качеством, и с успехом использовалось для остекления зданий, витрин, транспорта, изготовления зеркал. Но процесс производства полированного стекла всегда отличался большой энергоемкостью, высокими операционными и капитальными затратами. Отходы стекла при шлифовке и полировке доходили до 20%.

К середине XX века назрела необходимость использования новых более простых и дешевых методов производства высококачественного стекла.

Флоат процесс. Заслуга создания революционного способа производства полированного стекла (флоат процесс) принадлежит Сэру Аластару Пилкингтону (Alastair Pilkington).

В результате первых экспериментов, он предложил для формования и транспортировки ленты стекла использовать расплав металла. В 1953 году на первой опытной установке был изготовлен образец флоат-стекла (float-glass) шириной 300 мм. В 1955 году на новой экспериментальной установке было получено флоат-стекло шириной 760 мм, и правление Пилкингтон принимает смелое и рискованное решение о строительстве производственной флоат линии (float-line) шириной 2540 мм. Компания надеялась на успех, но в тоже время понимала, что в случае неудачи финансовые потери будут составлять миллионы фунтов. С другой стороны, успешный запуск линии гарантировал значительный и революционный скачок в технологии листового стекла за всю длительную историю производства стекла.

Производственная линия, работающая по флоат-методу, была введена в Коулей Хилле (Великобритания) 6 мая 1957 года. Только через 14 месяцев было получено первое качественное флоат-стекло (float-glass) толщиной 6,5 мм.

В соответствии с разработанной компанией Пилкингтон (Pilkington) флоат-способом стекломасса из студочного бассейна при температуре 1100°С непрерывной лентой поступает из стекловаренной печи на поверхность расплавленного олова. Лента выдерживается при достаточно высокой температуре для удаления всех дефектов и неровностей на поверхности стекла. Так как поверхность расплавленного металла является идеально ровной поверхностью, то стекло приобретает “огненно-полированную” блестящую поверхность, которая не нуждается в дальнейшей шлифовке и полировке. При проведении экспериментов установлено, что расплавленная стекломасса не растекается бесконечно на поверхности расплавленного олова. Когда силы тяжести и поверхностного натяжения уравновешиваются, лента приобретает равновесную толщину около чуть меньше 7 мм. Для получения ленты стекла различной толщины были созданы методы, основанные на регулировании вязкости стекла в зоне формования и величины растягивающего усилия. Если необходимо получить толщину ленты стекла больше 7 мм, то ее сжимают несмачивающими бортовыми ограничителями.

В начале работы возникла проблема выбора расплавленного металла, который должен находиться в жидком состоянии в пределах температурного интервала от 600 до 1050°С, иметь низкие значения давления паров, а величина плотности должна быть выше, чем стекла. Исследования показали, что всем этим требованиям соответствует олово, которое почти не взаимодействует со стеклом, и является вполне доступным и дешевым продуктом. Но олово при высоких температурах окисляется кислородом с образованием оксидных соединений. Поэтому, чтобы исключить окисление поверхности расплава олова, во флоат-ванне необходимо создавать инертную атмосферу азота с малой добавкой водорода. После формования лента стекла охлаждается до 620°С и транспортируется в печь отжига.