Технологический процесс изготовления стеклянных изделий

Традиционно, процесс изготовления стеклянных изделий состоит из следующих стадий:

• приготовление шихты;
• варка стекла;
• формование изделия;
• отжиг;
• обработка;
• сборка или соединение деталей;
• контроль качества;
• маркировка;
• 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 — соединения Сr и Fe придают стеклу желтовато-зеленый и зеленый цвет.

Для варки высококачественных бесцветных стекол песок очищают физическими и химическими способами.

В₂О₃ в шихту вводят в виде буры или Н₃ВО₃, Р₂О₅— в виде фосфатов или Н₃РО₄, А1₂О₃— в виде глинозема, каолина, глины, полевого шпата или А1(ОН)₃, Na₂O — в виде Na₂CO₃, K₂О — в виде K₂СО₃ или KNO₃, СаО — в виде мела или известняка, ВаО — в виде ВаСО₃, Ba(NO₃)2 или BaSO₄,  MgO — в виде доломита или магнезита, Li₂О — в виде Li₂CO₃ и природных минералов лепидолита или сподумена, РbО — в виде сурика, глета или силиката Рb.

С целью придания стеклу определенных потребительных свойств в шихту вводят вспомогательные материалы — осветлители, обесцвечиватели, красители, глушители, восстановители и др.

В качестве осветлителей применяют небольшие количества (NH₄)2SO₄, Na₂SO₄, NaCl, As₂O₃ и As₂O₅ в сочетании с (NH₄)2NO₃, 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  СrО₃,  NiO,  Fe₂O₃,  зеленую — Сr₂О₃ и СuО, синюю — СuО и СоО, фиолетовую — NiO и Мg₂О₃, розовую — СоО, МgО и Se, коричневую — Fe₂O₃, FeS, красно-рубиновую — коллоидные Сu и Аu.

Варка стекла. Процесс получения однородного расплава условно разделяют на несколько стадий: образование силикатов, стеклообразование, 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 действия 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 (СО₂, SO₂, O₂ 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, зольгель процесс, позволяет при значительно более низких температурах 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 порообразователи, 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.