Как делают стекло: от кварцевого песка до прозрачного листа

Стекло получают из смеси кварцевого песка, кальцинированной соды и известняка, которую расплавляют в стекловаренной печи при температуре около 1550–1600 градусов Цельсия. Расплав формуют в листы, трубы или сосуды и медленно охлаждают. Весь цикл от загрузки сырья до готового листа занимает от 5 до 10 суток непрерывной работы.

Из чего делают стекло: состав шихты

Основное сырьё для стекла — кварцевый песок с содержанием оксида кремния (SiO2) не менее 95%. Сам по себе диоксид кремния плавится лишь при 1700 градусах Цельсия, что энергетически неэффективно. Поэтому в шихту (смесь для стекловарения) добавляют флюсы, снижающие температуру плавления: кальцинированную соду (карбонат натрия) и доломит. Известняк (карбонат кальция) повышает химическую устойчивость стекла к воде и кислотам. Типичный состав листового стекла: 72% оксида кремния, 14% оксида натрия, 9% оксида кальция, остальное — оксиды магния, алюминия и другие добавки. До 30% шихты составляет стеклобой — бой и отходы стекла с предыдущих плавок. Добавление стеклобоя снижает расход энергии: он плавится быстрее чистой шихты и одновременно ускоряет растворение свежих компонентов. Для специальных стёкол состав существенно меняется: боросиликатное стекло (лабораторная посуда, термостойкая кухонная утварь) содержит до 12–13% оксида бора, что делает его устойчивым к резким перепадам температур.

Стекловарение: как шихта превращается в расплав

Шихту подают в стекловаренную печь непрерывного действия. Это сооружение длиной 50–80 метров с огнеупорными стенами из шамота и корунда, обогреваемое природным газом или мазутом. Процесс стекловарения разделяется на несколько стадий. При нагреве до 600–900 градусов Цельсия происходит силикатообразование: карбонаты разлагаются с выделением углекислого газа, компоненты вступают в реакцию с образованием силикатов. При 900–1200 градусах Цельсия начинается стеклообразование: силикаты растворяются в расплаве кремнезёма. На этапе осветления при 1450–1600 градусах Цельсия из расплава удаляются пузырьки газа — без этого стекло было бы непрозрачным от миллионов мелких пузырей. Для ускорения осветления добавляют осветлители: сульфат натрия или оксид мышьяка в малых количествах. Гомогенизация расплава обеспечивается его перемешиванием и выдержкой при высокой температуре. Затем расплав охлаждают до рабочей температуры 1050–1200 градусов Цельсия и направляют на формование.

Флоат-процесс: как делают плоское стекло

Метод флоат изобрели в 1950-х годах и сегодня он производит более 90% всего листового стекла в мире. Расплавленное стекло выливают через щелевой питатель на поверхность расплавленного олова. Олово выбрано не случайно: оно жидкое при температуре формования стекла (температура плавления олова всего 232 градуса Цельсия), химически инертно по отношению к стеклу и обеспечивает идеально ровную горизонтальную поверхность. Стеклянная лента плывёт по ванне с оловом в контролируемой атмосфере азота и водорода (чтобы олово не окислялось). Разные скорости вытяжки ленты позволяют регулировать толщину стекла от 0,4 до 25 мм. Вытягиваясь и остывая, стекло постепенно твердеет. На выходе из ванны оно уже достаточно жёсткое, чтобы не деформироваться, но сохраняет температуру около 600 градусов Цельсия.

Отжиг, резка и контроль качества

После флоат-ванны стеклянная лента поступает в печь отжига — туннель длиной 100–150 метров, где её медленно охлаждают с 600 до 60 градусов Цельсия в течение нескольких часов. Без отжига в стекле остаются внутренние термические напряжения, и оно самопроизвольно трескается при малейшей нагрузке. Охлаждённую ленту инспектируют оптическими системами на дефекты: пузыри, свили (неоднородности состава), царапины, и автоматически нарезают на листы стандартных форматов. Толщину проверяют с точностью до 0,05 мм. Ведущие предприятия по производству листового стекла в России расположены в Московской, Владимирской, Орловской, Ярославской и Нижегородской областях. Страна производит порядка 250–300 млн квадратных метров листового стекла в год, покрывая потребности строительства, автомобильной промышленности и производства бытовой техники.