Введение в технологию производства флоат-стекла

В начале прошлого века стекло плоского типа производили при помощи краун-метода, который разработанный еще сирийскими стеклодувами во II веке н.э. Этот метод характеризуется многими преимуществами, хотя не лишен и недостатков. Максимальные размеры полученных стеклянных дисков не превышали 1,5 м, при этом их средняя часть характеризовалась наличием деффектов и была негодной в связи с этим. На заводах компании Pilkington, известного английского производителя стекла, в 1910 году был внедрен технологический процесс под названием «стеклянного цилиндра» — он выполнялся при помощи наддува воздуха компрессорами. При этом создавались цилиндры из стекла около одного метра в диаметре и максимально допустимой длины в 13 метров. Приблизительно в этот же временной были изобретены машины, вытягивающие стеклянные цилиндры механическим способом. При всех прорывах и технологических улучшениях удешевить продукцию стекольных заводов и сделать ее более массовой позволила лишь технология «вертикального вытягивания».

Тянутое листовое стекло

Идея получения плоского стекла методом вытягивания из расплава в вертикальном направлении принадлежит английскому инженеру Уильяму Кларку. Он оформил патент в 1857 году. Недостаток технологии Кларка определялся сужением стеклянной ленты в процессе ее вытягивания. Чтобы преодолеть сужения стекла были разработаны две новые технологии производства, получившие названия «безлодочная» (создана в 1871 г. бельгийским инженером Вэллином) и «лодочная» (создана в 1905 г. Эмилем Фурко, инженером-изобретателем из Бельгии).

метод Фурко производства-флоат стекла

Вытягивание стекла по «безлодочному» методу производится из расплава стеклянной массы методом, позволяющим регулировать степень вязкости, обеспечивающего формирование ленты. Стеклянная лента, полученная в процессе обработки, ограждалась с обеих сторон и охлаждалась при помощи водяных радиаторов. Чтобы создать края и удержать ленту на производственной линии, по ее краям выставлены ролики с принудительным вращением. Стеклянное полотно плоского типа, производимое по так называемому «безлодочныму» методу, характеризуется поверхностью достаточно высокого качества, но температурные колебания в процессе вытягивания и отсутствие химической однородности в составе расплава серьезно снижают его оптические свойства.

Флоат-стекло лодочной технологии получила название благодаря приспособлению, при помощи которого формируется стеклянное полотно. Оно выполнено из огнеупорных материалов бруса прямоугольной формы, в центральной части ее выполнен сквозной вырез. «Лодочка» погружается в расплавленную стеклянную массу и при подъеме вверх через вырез продавливается расплав, образовывая луковицу. В процессе отверждения она захватывается валками тянется между размещенными по обеим краям водяными радиаторами, при этом с двух сторон, удерживающие ролики вращаются синхронно с проходящим между ними стеклянным полотном. Качество поверхностей листового стекла при этом не особо высокое – в центре полотна часто образуется центральная полоса, размеры и глубина которой зависят от текущего состояния выреза в «лодочке».

Перечисленные методы вертикального вытягивания стекла используются и сегодня. Конечно, в большинстве случаев при производстве окрашенного в массе и бесцветного стекол толщиной 2-12 мм технического предназначения (чаще всего – в тепличных хозяйствах).

Термополированное стекло

Первые эксперименты по созданию наплывным способом (англ. float) стекла были проведены в 1843 году английским инженером Генри Бессемером. Технология, которую он предложил – заключалась в напуске стеклянного расплавленного материала по горизонтальной поверхности из жидкого олова. В те годы — это открытие было оценено, как слишком дорогая и энергоемкая технология, поэтому в «производство» не была запущена.

Компания Pilkington, кстати и сейчас, сохраняет лидирующие позиции в стекольной индустрии мирасовершила открытие одного из современных методов выпуска флоат-стекла. В связи с бурным развитием автомобильной промышленности в США и Европе появился высокий спрос на листовое стекло с минимальными оптическими искажениями и прочими дефектами – к примеру, заводы Форда скупали качественную продукцию стеклодувов несмотря на высокие цены.

В связи с необходимостью следовать устойчивому спросу английским производителем была внедрена в 1923 году на своих заводах технология прокатного стекла. Метод заключался в том, что расплавленная масса выливалась на стол и выравнивалась роликами с асбестовым покрытием, затем листы подвергались тщательной шлифовке и полировке. В 1935 году Пилкингтон, совместно с автокомпанией Ford, открывает новую конвейерную линию по выпуску прокатного стекла с автоматизированным процессом двусторонней шлифовкой стекольной полосы на фабрике в Донкастере (Англия). Характерные отличные оптические качества и прозрачность обеспечивали хороший сбыт стеклопроката даже несмотря на значительные расценки – производство было более энергоемким и очень дорогостоящим из-за 15-20% отхода.

Технологический процесс получения флоат-стекла, который основан на разработках Бессемера, разработал в 1952 году Аластар Пилкингтон, член семьи, обладающей одноименными стекольными фабриками в Великобритании. Получив на экспериментальных установках в 1953-1955 годах листы стекла шириной 300 и 760 мм, компания решается на запуск потенциально убыточного проекта – создание линии по производству флоат-стекла шириной 2540 мм. Неудачи, связанные с новым проектом, запущенным весной 1957 года, преследовали Пилкингтонов многие месяцы – конкуренты предвещали флоат-стеклу 100% провал. Но в январе 1959 года представители английского стекольного концерна произвели фурор и объявили об успехе своего проекта и начале выпуска float-glass в промышленных объемах.

Технология производства флоат-стекла

Метод получения термополированного листового стекла в настоящее время продолжает лидировать в мировой стекольной промышленности. Его суть заключается в следующем – полученный в печи расплавленный состав стекломассы вводится в широкую ванну, заполненной расплавленным оловом и защищенную от внешней среды газовой смесью азота и водорода. Жидкая масса стекла полностью покрывает поверхность из расплавленного олова за счет поверхностного натяжения и силы тяжести. Результат – практически идеально плоский лист стекла, поверхности которого параллельны друг другу. Если необходимо получить тонкое стекло – стеклянную ленту растягивают, если толстое – растекание стеклянного расплава ограничивается. Обычно флоат-методом выпускают стекло 3-15 мм толщины – можно производить и более тонкие (1-2 мм), а также более толстые (16-25 мм) стеклянные листы, но по строительным нормам требуется именно 3 мм стекла

Флоат-стекло

Сегодня разделяют три технологических способа получения листового флоат-стекла, которые можно условно определить английским, советским и американским.

Английская флоат-технология, разработанная компанией Pilkington. Суть метода заключается в том, что расплавленная масса стекла следует по направляющему лотку в ванну, полную жидкого олова, по принципу свободного (гравитационного) слива. Получившая форму стеклянная лента поступает в первую печь (первый вал шлаковой камеры), где отжигается при температурном диапазоне от 600 до 615 градусов С, затем полученная лента перегибается и выводится над порогом выхода. Дистанция от поверхности расплавленного олова до порога составляет 8-10 мм.

Советская флоат-технология развивалась независимо от англичан, велась она в Государственном институте стекла с 1959 года, две первые производственные линии были запущены на предприятии «Автостекло» в городе Константиновка (Украина). Главным отличием от одноэтапного формования листового стекла у компании Пинкингтон, советский флоат-метод двухэтапный. После формирования в ванне с оловом, полученная лента стекла направляется на газовоздушную «подушку», при этом определенно выдерживается температура порядка 650оС. Перегиба стекольной ленты при этом не допускают – в ванне уровень жидкого олова на 2-3 мм возвышается над порогом. Подъем металла обеспечивали созданные Государственным институтом стекла электромагнитные индукторы. При нахождении полосы стекла на газовоздушной «подушке» осуществляется второй этап ее формования с процессом охлаждением. Стекло окончательно формируется в четкую геометрическую форму, далее полученная лента поступает в печь отжига по приемным валкам – здесь температура собственно ниже, в пределах 570-580оС. Советская технология обладает следующими преимуществами по сравнению с английской от Pilkington: достигается большая степень сохранность нижней плоскости стекла (температура в печи отжига на 25-35оС ниже, чем у англичан); нижняя поверхность стеклянной ленты получает более высокие характеристики за счет значительной температуры оловянного расплава – она примерно равна 650оС, т.е. на 50оС выше, чем по условиям английской Pilkington флоат-технологии.

Американская флоат-технология, которая разработанная компанией PPG (Pittsburgh Plate Glass) в 1974 году, также имеет отличительные качества от английского и советского методов. Суть ее основана на особой конструкции узла слива, по которому стеклянный расплав поступает в ванну из печи – его горизонтальный слой имеет одинаковый уровень, что и при передаче. В результате чего стекломасса не растекается по оловянной поверхности подобно луже и не нарушаются ее ламинарные слои, благодаря чему стекло в независимости от толщины обладает качественно высокими показателями с позиции оптики.

Формовка ленты стекла в случае краткосрочного охлаждения неизбежно приводит к образованию множественных очагов напряженности, которые снижают механические характеристики изделия. Для устранения внутреннего напряжения стекольная лента подвергается обязательной повторной температурной обработке – отжигу, входящему во флоат-технологию.

Стадии проведения отжига:

доведение нагревом (или, в зависимости от технологии, охлаждением) до температуры отжига. Чтобы не допустить повреждение структуры стекла, выполняется за минимальный срок;

стеклянная лента выдерживается под температурой отжига до тех пор, пока временные напряжение не будут полностью устранены. Важно при этом поддерживать температуру изделия на уровне, исключающем деформационные процессы, но способствующем максимально быстрой компенсации напряжений;

постепенное снижение температуры до нижнего предела температуры отжига. Интенсивность охлаждения при этом не должна способствовать развитию новых очагов напряжения;

охлаждение ленты стекла за кратчайшие сроки, ограничением для которых служит лишь термостойкость изделия.

На завершающей стадии производства готовая стеклянная лента нарезается по заданным размерам и упаковывается, затем направляется на склад готовой продукции.