Как делают стекло из песка: от карьера до листа на вашем окне
Стекло делают из кварцевого песка, соды и известняка: смесь этих материалов плавят при температуре 1450–1550 °C, расплав осветляют от пузырей, формуют в плоский лист на поверхности расплавленного олова, отжигают для снятия напряжений и режут на готовые форматы. Весь технологический цикл на современном заводе непрерывен: остановка стекловаренной печи разрушительна для неё, поэтому она работает круглосуточно годами.
Из чего состоит стекло и какое сырьё нужно
Основа листового стекла — кремнезём (SiO2), который составляет 70–74 процента состава. Его источник: кварцевый песок с содержанием SiO2 не менее 99 процентов: примеси железа придают стеклу зелёный или бурый оттенок, поэтому сырьё строго отбирают по цвету. Кварцевый песок сам по себе плавится лишь при 1700 °C, что крайне дорого и технически сложно. Чтобы снизить температуру плавления до 1450–1550 °C, добавляют соду (карбонат натрия) в количестве около 13–14 процентов. Известняк (карбонат кальция) вводят в количестве 8–10 процентов: при плавлении из него получается оксид кальция, который придаёт стеклу химическую стойкость (без него стекло растворялось бы водой). В шихту также добавляют доломит (источник оксида магния), глинозём (повышает твёрдость) и бой собственного стекла в доле до 25–30 процентов. Бой снижает температуру плавления ещё примерно на 30–40 °C и уменьшает расход сырья.
Стекловаренная печь и варка расплава
Подготовленную шихту непрерывно загружают в стекловаренную печь через загрузчик на одном конце. Печь длиной 40–65 метров отапливают природным газом или мазутом; пламя бьёт попеременно то справа, то слева через регенераторы, которые нагревают входящий воздух отходящими газами, повышая КПД. Шихта постепенно плавится, проходя через несколько зон. В зоне варки (1530–1560 °C) компоненты полностью переходят в расплав, выделяя углекислый газ, именно здесь активно пенится поверхность. В зоне осветления (1460–1500 °C) пузырьки газа всплывают и удаляются: для ускорения вводят осветлители: сульфат натрия или оксид сурьмы. В зоне студки расплав охлаждают до 1050–1100 °C, добиваясь нужной вязкости для формования. Производительность одной ванной печи для листового стекла составляет 400–1000 тонн расплава в сутки.
Флоат-процесс: как получают идеально ровный лист
Большинство плоского стекла в мире производят флоат-методом, изобретённым в конце 1950-х годов. Суть его проста: расплавленное стекло вытекает из печи тонкой лентой на поверхность ванны с расплавленным оловом. Олово выбрано не случайно: при рабочих температурах (600–1050 °C) оно остаётся жидким, не смешивается со стеклом и практически не испаряется. Стекло плавает на олове, растекаясь под действием поверхностного натяжения до толщины 6–7 мм (так называемая равновесная толщина). Чтобы получить более тонкое стекло (2–4 мм), ленту вытягивают валиками-«топ-роллерами», для более толстого (8–19 мм) сдерживают скорость вытягивания. Обе поверхности ленты получаются идеально гладкими без полировки: нижняя «копирует» зеркальную поверхность олова, верхняя выравнивается силами поверхностного натяжения. Ванна флоата находится в защитной атмосфере смеси азота и водорода, чтобы олово не окислялось.
Отжиг, резка и контроль качества
Выходя из флоат-ванны, стеклянная лента имеет температуру около 600 °C и содержит термические напряжения: быстрое охлаждение сделало бы её хрупкой. Поэтому лента проходит через туннельную печь отжига длиной 100–200 метров, где её планомерно охлаждают с 600 до 60–70 °C в течение 20–40 минут. После отжига ленту проверяют датчиками на наличие включений, пузырей и оптических искажений, а затем алмазные резаки режут её на листы стандартных форматов (чаще всего 3210 x 2250 мм или 6000 x 3210 мм). Дефектные участки автоматически вырезают и отправляют в бой. Готовые листы укладывают в пирамиды или на поддоны с прокладками и отправляют на склад. Если нужно закалённое стекло, лист повторно нагревают до 620–680 °C и резко охлаждают струями воздуха: поверхность сжимается быстрее сердцевины, создавая сжимающие напряжения и повышая прочность в 4–5 раз. Производство листового стекла в России сосредоточено на заводах в Борисове, Клину, Дзержинске, Саратове и ряде других городов.
