Производство стеклянных изделий

Технологический цикл производства стеклянных изделий складывается из следующих основных стадий: подготовки сырьевых материалов, составления шихты измельчения, варки стекломассы, формования (выработки), отжига, технической и декоративной обработки изделий.

Варка стекломассы. Представляет собой сложный физико-химический процесс, при котором механическая смесь сырьевых материалов превращается в однородную стекломассу с определенными свойствами. Процесс варки условно разделяют на следующие стадии: силикатообразование, стеклообразование, осветление (дегазация), гомогенизация, студка.

Силикатообразование – это химическое взаимодействие кремнезема и остальных компонентов шихты. Шихта – смесь сырьевых материалов, которые, подвергаясь ряду сложных физико-химических реакций, превращаются в однородную расплавленную стекломассу. Процесс наиболее активно протекает при температуре 865-1000⁰С и заканчивается образованием пенистого непрозрачного расплава, состоящего из силикатов типа Na₂SiO₃, CaSiO₃ и т.д.

Стеклообразование – процесс взаимного растворения силикатов и образования жидкого, прозрачного, пронизанного воздушными и газовыми включениями стекла. Для посудных стекол эта стадия завершается обычно при температуре 1150-1200⁰С.

Осветление (дегазацию) производят для удаления газовых включений, образовавшихся на предыдущих стадиях варки стекла. Для этого температуру стекла повышают до 1450-1500⁰С и проводят его активное перемешивание продуванием воздуха или кислорода (барботирование), введением осветлителей и т.п.

Гомогенизация заключается в длительном выдерживании стекломассы при высоких температурах для достижения ее однородности. Практически стекломассу выдерживают при температуре осветления (1400-1500⁰С), при этом ее более плотные слои (вследствие повышенной вязкости, особенностей химического состава) растворяются, происходит выравнивание свойств стекла.

Студка – процесс охлаждения стекломассы до вязкости, необходимой для выработки стеклоизделий. В зависимости от состава стекломассы температуру снижают примерно на 200-300⁰С.

Варку стекломассы производят в специальных стекловаренных печах. Весь процесс варки в печах строго контролируется, так как только правильное ведение технологического процесса обеспечивает получение стекломассы высокого качества. Большинство обыкновенных бесцветных стекол, а в последнее время часть цветных и хрустальных варят в ванных печах непрерывного действия проточного типа. Эти печи наиболее производительны, потому что загрузка шихты, варка стекломассы и выработка изделий происходят непрерывно в разных зонах печи. Сваренная стекломасса перерабатывается в изделия обычно механизированным способом.

Часть цветных, а также хрустальных стекол варят в горшковых печах небольшой вместимости. Они работают циклично, однако позволяют одновременно варить стекла разных составов, поэтому сохраняют значение для ручной выработки высокохудожественных и малосерийных изделий. Большинство ванных и горшковых печей обогревается газами – продуктами сгорания твердого, жидкого и газообразного топлива. Более прогрессивная варка стекла при помощи электронагрева позволяет повысить КПД печей и получить стекломассу высокого качества.

Формование изделий из стекла. Стекло, как ни один другой материал, поддается самым разнообразным способам формования. Его можно отливать в форму, штамповать, прессовать, прокатывать, вытягивать из него нити, выдувать. Процессы горячего формования стеклоизделий существенно зависят от вязкости и поверхностного натяжения стекла. Каждому способу формования соответствует своя вязкость стекломассы. Это достигается подбором соответствующих составов масс и температур формования. Форму изделий закрепляют дальнейшим увеличением вязкости стекла путем снижения его температуры до значений, при которых отформованные изделия утрачивают признаки текучести. В процессе выдувания изделий вязкость играет роль автоматического регулятора равномерности толщины стенок выдуваемых изделий.

Поверхностное натяжение стекла при формовании изделий выступает как фактор формообразования. Особенно это относится к выдуванию, когда на конце стеклодувной трубки образуется «баночка» (небольшой толстостенный пузырек) из стекломассы, являющаяся заготовкой для последующего изготовления самых разнообразных изделий.

Стеклянные изделия формуют либо без участия формующих поверхностей (свободно), либо в формах. Из группы стеклянных бытовых товаров свободным формованием обычно получают художественно-декоративные изделия, некоторые виды посудных изделий сувенирного и подарочного назначения. Такие изделия называют гутенскими (гутенской работы). Они, как правило, имеют чистую гладкую поверхность, которую трудно получить с помощью механической или химической обработки из-за сложной конфигурации и большого числа прилепных, приставных деталей.

Состояние поверхности изделий, выработанных в формах, во многом зависит от качества форм. Важно, чтобы стекло при формовании не прилипало к формующим поверхностям, не переохлаждалось ими, так как это вызывает дефекты стеклоизделий.

Основными методами формования стеклянной посуды являются: выдувание, прессование, прессовыдувание, сочленение.

Формование выдуванием заключается в том, что порцию стекла раздувают воздухом под давлением ручным или механизированным способом. При ручном выдувании основным инструментом служит металлическая стеклодувная трубка с насаженным на нее резиновым баллоном. Там, где насажен баллон, имеются просверленные отверстия. Нагнетание воздуха при выдувании производится сжиманием и разжиманием баллона. Техника выдувания изделий с помощью стеклодувной трубки состоит в следующем: вращая трубку, на её утолщенный конец набирают небольшое количество стекломассы, закатывают набор на металлической плите или катальнике и раздувают в баночку. Баночку охлаждают, набирают на нее новую порцию стекломассы, набор обрабатывают на катальнике и раздувают в пульку. Форма пульки- вытянутая, грушевидная, напоминающая по очертаниям будущее изделие. Оформляя пульку, мастер вращает трубку, то опуская ее вниз, то поднимая вверх, то раскачивая по горизонтали, благодаря чему достигается равномерное распределение стекломассы в стенках и дне будущего изделия.

Окончательное выдувание изделия происходит в неразъемных ил разъемных формах в зависимости от сложности изделия. По такой схеме формуют салатники, сахарницы, блюдца и др. Изделия более сложной конструкции – кувшины, графины, фужеры, рюмки, вазы на ножке и т.п. – требуют дополнительных операций – оформления горла, приставки ручек, ножек, подставок. По окончании выдувания изделие извлекают из формы и отделяют от стеклодувной трубки.

Механизированный (машинный) способ выдувания позволяет резко повысить производительность труда и снизить себестоимость продукции. Таков, например, вакуум-выдувной способ формования рюмок, бокалов, фужеров. Традиционный трехстадийный процесс (выдувание корпуса, приставка к нему ножки, а затем подставки) здесь заменен одностадийным. Внедрение вакуумного способа позволяет увеличить выработку на одного работника более чем на 50%. Механизирован также процесс формования чайных и винных стаканов, частично графинов для воды и вина, а также ваз для цветов.

Формование изделий прессованием – высокопроизводительный и распространенный способ. Производится преимущественно на специальных полуавтоматах и автоматах, реже вручную. Навеска стекломассы подается в пресс-форму. Стол автомата поворачивается на определенный угол, и форма с навеской стекла подводится под прессующую деталь – пуансон. Под давлением пуансона стекломасса заполняет зазор между ним и пресс-формой. Прикрепленное к пуансону ограничительное кольцо регулирует высоту изделия и оформляет его край. Отпрессованное изделие охлаждается и поддоном выталкивается из формы. Данная технологическая схема накладывает определенные ограничения: прессованные изделия должны иметь цилиндрическую или суживающуюся книзу внутреннюю полость, чтобы пуансон мог свободно выходить из формы по окончании процесса формования; внутренняя полость изделий не может иметь выступов и углублений, чтобы не задерживать движение пуансона. Получение прессованных изделий с высокими и тонкими стенками затруднено, поскольку в процессе формования, особенно при соприкосновении с металлом, стекло быстро твердеет.

Наружняя поверхность прессованных изделий обычно имеет разнообразный рисунок, полученный от пресс-формы, однако острота граней и углов всегда несколько сглажена силами поверхностного натяжения стекла.

Формование прессовыдувным способом применяют для ограниченного ассортимента изделий – графинов для воды и вина, судков для специй, тонкостенных стаканов, масленок. Графины, судки, стаканы изготовляют в два приема: вначале выпрессовывается черновая заготовка и оформляется верхний край, затем заготовка помещается в чистовую форму и выдувается окончательно сжатым воздухом. Масленки изготовляют иначе: корпус на тарелке прессуется, крышка выдувается. По толщине стенок, наличию следов от формы, характеру узора прессовыдувные изделия напоминают прессованные, а по сложности конфигурации (кроме масленок) – выдувные.

Формование изделий сочленением как самостоятельный способ изготовления изделий стало производиться недавно. Этим способом вырабатываются изделия на ножке – рюмки, бокалы, фужеры. Сущность его в том, что к выдутому корпусу изделия последовательно прикрепляются тонкая ножка, а затем подставка. Соединяются (сочленяются) эти три части изделия в горячем состоянии. Данный способ формования применяют заводы, не специализирующиеся на производстве сортовой посуды, используя для этого имеющиеся материалы и оборудование. Так, корпус изделия выдувают на тех же автоматах, что и колбы для электрических ламп, для ножки используют стеклянные пустотелые трубки, для подставки – отходы листового стекла.

Следует отметить, что тонкая хрупкая ножка делает сочленение изделия весьма уязвимым в процессе транспортирования и менее долговечным на стадии эксплуатации.

Отжиг. Стеклянные изделия подвергают отжигу независимо от способа формования. Необходимость отжига обусловлена том, что в процессе формования вследствие разных скоростей охлаждения наружных и внутренних слоев стенок изделия возникают напряжения, снижающие его механическую прочность и термическую стойкость. Чем толще стенки, тем больше перепад температуры и значительнее напряжения. Устранение или ослабление внутренних напряжений, а значит, повышение долговечности достигаются отжигом изделий.

Сущность отжига состоит в том, что изделия нагревают (при ручной выработке) или охлаждают (при выработке на автоматах) до 530-580⁰С, выдерживают некоторое время при этой температуре, затем медленно охлаждают. Отжиг производится в специальных отжигательных печах по определенному режиму. Оценка правильности полноты отжига основана на выявлении в изделии внутренних напряжений с помощью специальных приборов – полярископов.

В некоторых случаях (например, при получении жаростойкой кухонной посуды или прессованных упрочненных стаканов) вместо отжига производят закалку изделий. Закалка состоит в нагревании изделий до 700⁰С и последующем быстром и равномерном охлаждении обдуванием воздухом. При этом в стекле возникают высокие, равномерно распределенные остаточные напряжения, повышающие прочность в 5-8 раз, а термостойкость в 2-3 раза.

Обработка. Чтобы придать отформованным и отожженным стеклянным изделиям необходимый товарный вид, их подвергают обработке. У выдувных изделий удаляют колпачок (верхнюю часть в месте прикрепления к стеклодувной трубке) путем механической отрезки или огневой отколки. Неровный острый край, образующийся после удаления колпачка, заправляют, то есть подвергают шлифовке, в отдельных случаях фацетировке (снятию полоски стекла с внутреннего ребра края изделия) с помощью абразивных инструментов. Некоторые изделия (чайные, винные стаканы, рюмки и др.) после шлифовки края подвергают отопке – вводят их в пламя газовых горелок, благодаря чему край становится блестящим и слегка закругленным. Дно выдувных изделий шлифуют и полируют. Пробки для графинов обрабатывают на шлифовальных кругах, используя воду и песок. Для получения светлой притирки поверхность пробок дополнительно полируют. Прессованные и прессовыдувные изделия для придания им блестящей поверхности подвергают огневой полировке.