Получение стекла состоит в подготовке сырьевых материалов, составлении шихты и варке стекла.
Сырьевые материалы в том виде, в каком они поступают на производство, не всегда бывают пригодны к непосредственной шихтовке. Очень часто онисодержат вредные примеси, их зернистость не всегда соответствует требуемой. Это вызывает необходимость предварительной подготовки сырьевых материалов, сущность которой заключается в обогащении сырья, дроблении и помоле, просеивании и сушке.
Обогащение и подготовка песка
Обогащение песка - удаление из него вредных глинистых, пылевидных, мелкозернистых и крупнозернистых примесей, а также соединений, содержащих железо и титан. В зависимости от того, в каком виде вредные примеси находятся в песке, выбирают соответствующий метод обогащения. Наиболее широко распространенными методами предварительной обработки считаются: промывка, промывка с оттиркой, флорооттирка, электромагнитная сепарация и значительно реже химическая обработка. Обязательными операциями являются сушка, и затем просеивание. Промывка представляет собой наиболее простую операцию по удалению глины, слюды, пылевидных и мелких зерен песка и органических примесей; осуществляют ее на лотках, в специальных пескомойках и гидроциклонах. С помощью промывки количество железа в песке может быть снижено на 25-30%, а если железистые примеси находятся в глине, то и на 50-60%.
Если железистые примеси находятся на поверхности песчинок в виде пленок, одной только промывкой удалить их нельзя. В этом случае применяют оттирку, которая заключается в том, что водопесчаную пульку интенсивно перемешивают в специальных чанах в течение 8-9 мин. От трения песчинок друг о друга железистая пленка оттирается и затем удаляется вместе с промывной водой.
Если содержащиеся в песке железистые примеси способны притягиваться магнитом, их удаляют при помощи электромагнитной сепарации. Сущность электромагнитной сепарации заключается в следующем: сухой песок из бункера через щелевой зазор просыпается на вращающийся барабан, поверхность которого намагничена. Песок, который магнитом не притягивается, просыпается в приемный бункер, а частицы железистых примесей, удерживаемые на поверхности барабана, уносятся к нейтральной линии, где, оторвавшись от барабана, падают в бункер.
Химическое обогащение песка дорого и применяется редко. Сущность его заключается в том, что железосодержащие пленки, покрывающие поверхность песчинок, растворяются под действием различных химических реагентов, а затем удаляются из песка в виде водных растворов или летучих железистых соединений.
Когда песок вполне удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям и обогащение является излишним, подготовка его к шихтовке состоит из подсушивания до остаточной влажности (4-4,5%) с последующим отделением крупных зерен и случайных загрязнений. Обогащенные пески сушат в сушильных барабанах. Известняк, мел и доломит поступают на производство в виде крупных глыб и больших кусков, поэтому первой подготовительной операцией для этих материалов является дробление. Раздробленный материал подают для сушки в сушильный барабан, затем высушенные материалы подают для тонкого помола в молотковые дробилки или под бегуны. Тонкость помола должна быть меньше 0,75 мм.
Приготовление шихты. Шихту составляют по определенному рецепту, где указывается количество компонентов, которые необходимо смешать, чтобы в конечном итоге получить стекло заданного химического состава и заданных свойств Шихта представляет собой однородную смесь точно отдозированных в строго определенном количественном соотношении предварительно подготовленных сырьевых материалов.
Варка стекла — чрезвычайно важный процесс в стеклоделии. Во время варки шихта, представляющая собой смесь сырьевых материалов, из которых каждый обладает своими индивидуальными свойствами, подвергаясь ряду сложных физико-химических реакций, превращается в однородную расплавленную массу, называемую стекломассой. Чтобы сварить стекло, шихту необходимо подвергнуть со ответствующей термической обработке, т. е. нагреть примерно до 1450-1500 °С и выдержать при этой температуре столько времени, сколько это будет необходимо для образования однородной стекломассы.
Технологический процесс варки стекла состоит из нескольких этапов: первый называют силикатообразованием, второй — стеклообразованием, затем следует осветление или дегазация стекломассы; последний этап варки — гомогенизация. На этом этапе стекломасса становится вполне однородной как по составу, так и по свойствам. Гомогенизированную стекломассу подвергают студке, т. е. некоторому охлаждению, после чего из нее вырабатывают изделия.
Силикатообразование начинается с момента загрузки шихты в печь и заканчивается для большинства промышленных стекол при 800—900 °С. При этом шихта превращается в спекшуюся массу, называемую фриттой. На этом этапе из шихты удаляется гигроскопическая, кристаллизационная и химически связанная вода.
На втором этапе в процессе стеклообразования от 800—900 до 1150—1200 °С фритта превращается в стекломассу. Последняя становится более прозрачной, отдельные твердые частицы сырьевых материалов расплавляются и растворяются в вязком расплаве; такая стекломасса еще неоднородна и представляет собой смесь расплавов различного состава, причем вся она насыщена газовоздушными включениями различной величины. Третий этап — осветление или дегазация стекломассы (от 1200 до 1500 °С). На этом этапе из стекломассы полностью удаляют не растворившиеся в ней газовоздушные включения. Стекломасса становится прозрачнее и более однородной.
Последний этап варки стекла — гомогенизация, т. е. полное выравнивание всего расплава по составу и свойствам. Происходит это при самых высоких температурах варки, т. е. при 1450-1500 °С.
При этих температурах стекломасса становится достаточно подвижной. Это благоприятствует интенсивной диффузии между различными силикатами в расплаве. В дальнейшем осветленная и гомогенизированная стекломасса охлаждается на 200—300 °. При этом вязкость ее возрастает, и стекломасса из текуче-подвижной переходит в пластическое состояние, что дает возможность формовать из нее изделия.
Стекло варят в стекловаренных печах. Промышленные стекловаренные печи в основном бывают двух видов: периодического действия и непрерывно действующие.
Сущность работы печей периодического действия заключается в том, что весь процесс варки стекла, начиная от загрузки шихты и кончая выработкой стекло массы, протекает в одном месте.
Ванные печи представляют собой большие ванны, перекрытые сводом и выложенные огнеупорным материалом. В этих печах варка и выработка изделий проходят непрерывно, так как на одном конце загружается шихта и варится стекло, а на другом - вырабатываются изделия.
Производство стеклянных изделий
Производство стеклянной посуды состоит из следующих процессов: выработки изделий, отжига, обработки и украшения.
Выработка стеклянных изделий
Стеклянную посуду вырабатывают выдуванием, прессованием, прессовыдуванием и центробежным литьем.
Выбор того или иного метода формования зависит в первую очередь от конструктивных особенностей изделий. Выдувание подразделяют на ручное, механизированное, вакуумное и гутенское.
Ручное выдувание осуществляется с помощью стеклодувной трубки из стали с резиновым баллончиком на верхнем конце. На нижний конец этой трубки набирается небольшая порция стекломассы, раздуваемая в пузырек (баночку), посте пенно превращаемый в форму, близкую к форме изделия, а затем помещаемый в металлическую форму, в которой и производится окончательное выдувание изделия. Изделия сложной формы с дополнительными деталями (ножками, ручками) выдувают по частям: сначала изготовляют корпус, к которому после нагревания присоединяют нагретые до размягчения детали.
Механизированное выдувание, которым в настоящее время вырабатывают значительно больше посуды, чем ручным, осуществляется на автоматической вакуумной машине карусельного типа. В стекломассу погружают наборные головки с черновыми формами, в которые засасываются порции стекломассы, превращаемые выдувальными трубками в баночки, а затем окончательное выдувание производится в чистовых формах.
Изделия на ножке в основном вырабатывают на вакуум - выдувной установке; сначала изготовляют корпус со стеблем изделия, к которому затем присоединяют основание ножки.
Гутенское выдувание изделий осуществляется без форм, и это позволяет получать изделия с красивым внешним видом, часто с толстыми стенками, массивные. Такие изделия называют «изделиями гутенской работы».
Прессование широко применяется в производстве стеклянной посуды, так как является самым производительным и экономичным способом выработки посуды и других изделий. Изготовление изделий производится на автоматических, полуавтоматических и иногда на ручных прессах. Прессованные изделия отличаются от выдувных большей толщиной стенок, меньшей прозрачностью и большей массой.
Прессовыдувание применяется для изготовления изделий, у которых внутренний верхний диаметр меньше, чем нижний; такие изделия прессованием изготовить нельзя. Сначала на машине прессованием изготовляют баночку, которую затем в чистовой форме раздувают в готовое изделие. Как и прессованные изделия, прессовыдувные изделия отличаются большей толщиной стенок и наличием рельефных украшений, полученных в процессе формования изделий.
Отжиг стекла
Отжигом называют процесс тепловой обработки стеклоизделий, при котором устраняются или уменьшаются остаточные напряжения до практически допустимой величины.
Возникновение остаточных напряжений имеет место тогда, когда частицы стекломассы благодаря большей вязкости не могут быстро переместиться относительно друг друга с тем, чтобы эти напряжения исчезли. Различают низшую и высшую температуры отжига.
Низшей температурой отжига называют такую, при которой перемещение частиц и связанное с этим перемещением исчезновение напряжений, хотя и медленно, но возможно. Ниже этой температуры напряжение не исчезает.
Высшей температурой отжига называют такую, при которой происходит полное удаление напряжений в довольно короткий промежуток времени. Изделия при этой температуре еще не деформируются.
Температурный интервал между высшей и низшей температурой отжига составляет 50-70 °С. Он является наиболее опасным в смысле возникновения и сохранения в изделиях остаточных напряжений.
Чтобы предотвратить их образование, необходимо отформованные изделия выдержать некоторое время в этом температурном интервале до полного исчезновения напряжений, затем медленно охладить до низшей температуры отжига, после чего изделия могут быстрее охладиться до обычных температур. Необходимо иметь в виду, что напряжения будут тем больше, чем толще стекла и чем быстрее они охлаждаются в температурном интервале отжига.
Температуру отжига стекол различного химического состава определяют экспериментальным путем, расчетом, учитывая, что продолжительность выдержки изделии при температуре отжига и скорость дальнейшего их охлаждения зависят не только от состава стекла, но и от толщины изделия.
Отжиг проводят в специальных отжигательных печах периодического или не прерывного действия.