2020-08-05
485
Техника стекловарения включает в себя особенности составов стекол, сырья, шихты, печей и приемы, позволяющие достичь конечного результата - однородного стекла.
Стеклоделие не смогло бы развиваться без техники создания высоких температур. Как же удалось уже древним мастерам развить достаточную температуру и получить первое стекло?
Как уже было сказано, первое стекло было получено как побочный продукт более древнего керамического производства. Тогда керамику обжигали в примитивных очагах (ямах, вырытых в песке). Солома, которая служила топливом и которой обкладывали керамические изделия, сгорала, давая большое количество золы. Если эта зола перемешивалась с песком и попадала на обжигающуюся в печи керамику, то на ней образовалось твердое блестящее покрытие. Это наблюдение натолкнуло мастера-гончара на эксперимент. Он насыпал золы перемешанной с песком в кувшин и стал обжигать. После того, как кувшин был извлечен и разбит, мастер среди осколков обнаружил просвечивающие блестящие кусочки вещества, никогда не встречавшегося ему, - это было стекло.
Итак, само древнее производство керамических изделий подсказало, что для получения стекла необходим керамический сосуд (кувшин) - тигель, а, как известно, керамика обладает высокой огнеупорностью и достаточной стойкостью к действию расплава стекла.
Теперь, чтобы получить стекло в большем объеме и более высокого качества, необходимо развить высокую температуру. Поначалу пробовали накрывать куполом из глины ямки, в которых был разведен огонь. Метод давал увеличение температуры, но этого было недостаточно.
В начале-середине II тысячелетия уровень техники значительно возрастает, о чем свидетельствуют артефакты, найденные в Египте. Там найдены стекольные мастерские (рис. 22) с остатками оборудования, тигли вместимостью 250 мл, слитки стекол, в том числе и цветные, сохранившие форму тиглей. Найден и тигель вместимостью 5 л.
Рис. 22. Печь в мастерской в Тель-Эль-Амарне:
1 - реконструкция по У. Флиндерсу Питри, нашедшего мастерскую; 2 - реконструкция по Ю.Л. Щаповой (более достоверна)
Эти и другие находки позволяют заключить, что варка велась в 2 этапа. После первичной варки (фриттования), содержимое раскалывали и выбирали наиболее качественные кусочки, которые затем переваривались. Чтобы при переварке стекло не содержало пузырьков, кусочки полуфабриката закладывали в плоскую (невысокую) чашу, которую помещали в самую горячую часть печи (повыше) - стекло быстрее прогревалось, и из него легче уходили пузырьки. В результате получалось стекло практически не содержащее включений.
Судя по химическим составам стекол и тиглей, найденных в Тель-Эль-Амарне, можно заключить, что египтяне смогли достигнуть температуры в 1100 °С при варке стекол. На пороге новой эры появляется большое количество прозрачных изделий, а также изделий, свободных от посторонних включений (пузырей, камней, свилей).
Техника III-I вв. до н.э. уже позволяла вырабатывать относительно крупные изделия, однако процесс варки стекла все еще велся в 2 (3) этапа в Египте, Иудее и Финикии, из которых сырое стекло везли в Европу для последующей переплавки и выработки изделий.
В раннее Средневековье (к VIII в.) печи стали сооружать не из глины, а из камня, например, известняка. В то же время все чаше используется прямоугольная конструкция печей.
Интересно отметить, что печи возводили в течение 3-12 недель, а срок их службы составлял около 1 года, затем их ремонтировали. По этой причине большая стационарная каменная печь стала основой развития стеклоделия.
Рис. 23. Гравюры из труда Георга Агриколы (Бауэра) (1490-1555) «De re metallica libri. XII» («Книга о металлах. Том XII»), изданного в 1550 году (1 - стеклодувная мастерская XVI в; 2 -конструкция печи XVI в.)
С 1635 г., благодаря англичанину Р. Манзелю, стали применять вместо дров каменный уголь. Но уголь при сгорании дает коптящее пламя, что приводит к загрязнению стекла и окрашиванию его в желто-коричневый цвет. Тогда перешли на закрытые тигли, но температура в них заметно понизилась, и стекло не проваривалось. Стали пробовать добавлять различные вещества с целью понижения температуры варки и наткнулись на забытый оксид свинца, который не только снижал температуру расплавления, но и придавал стеклу непревзойденную красоту. Так, как предполагают, в Англии в XVII в., было заново открыто стальное стекло. Запатентовал способ производства нового хрусталя Джордж Равенкрофт (1618-1681) в 1674 г. (первое рождение хрусталя было в античности, второе - в 1409 г. на острове Мурано).
Однако в описанных выше конструкциях печей получить высокие температуры не представлялось возможным, т.к. устройств, регулирующих приток строго необходимого количества воздуха, не было, не было полного контакта топлива с воздухом, а, кроме того, потери тепла оставались значительными (при работе стены печей сильно раскалялись, а температура отходящих газов составляла 700-800 С).
Существенный прогресс в вопросе конструкций печей был достигнут в период промышленной революции в середине XIX в. Особое значение для стекловарения сыграло изобретение регенеративной стекловаренной печи Ф. Сименсом в 1868 г.
В этой печи горячие дымовые газы, покидая пространство над горшками, попадают в регенератор, в котором отдают свое тепло огнеупорным телам (насадке). Когда насадка достаточно разогреется, клапаны поворачиваются, и через горячую насадку пропускают воздух, идущий на горение, который забирает и возвращает в печь тепло от насадки.
Такая печь уже позволяла развивать температуры в 1500-1550°С, что в то время было весьма востребовано, т.к. значительно сокращало время варки и позволяло изготовлять массовую дешевую продукцию.
К началу XX в. уже были построены первые электростанции и проводились первые эксперименты по варке стекла с помощью электричества. Изобретателем этого способа можно считать Ф.Х. Беккера, который на заводе около Кельна построил первую электрическую стекловаренную печь. По его уверению стекло из шихты в такой печи образовывалось за 15-20 минут. XX век ознаменовался целым рядом новых конструкций печей, производительность которых достигла 1000 т/сут, а затраты теплоты на получение 1 кг стекла составляет около 4 МДж.
В ванных печах (рис. 24, а—е) газы могут двигаться в поперечном, продольном, подковообразном и комбинированном направлениях по отношению к направлению движения стекломассы. Поперечное направление газов понимается как перпендикулярное потоку стекломассы, продольное — как параллельно или совпадающее с ним. В регенеративных печах применяют поперечное и подковообразное направление газов, в рекуперативных, кроме того, продольное и комбинированное. В ванных печах непрерывного действия все стадии процесса варки протекают в определенной последовательности непрерывно и одновременно в различных частях бассейна печи.
Рис.24. Схемы ванных печей
Зоны варки, осветления, студки и выработки располагаются одна за другой на различных участках по длине бассейна печи. Так как обычно зоны варки, осветления и гомогенизации конструктивно не разделяются, то та часть печи, где протекают эти процессы, называется варочным бассейном. Это отапливаемая часть печи. Студочная часть печи либо не отапливается, либо имеет самостоятельную систему отопления. Зона выработки отделяется от остальной части бассейна глухой стеной с протоком или подвесным мостом, заглубленным и стекломассу.
Смесь шихты и боя, непрерывно загружаемая в одном конце печи, постепенно проходит к другому концу печи через зоны бассейна с различными температурными условиями и превращается в однородную стекломассу. В каждой зоне поддерживают определенный температурный режим.
Сегодня практически все печи для выработки массовых стеклоизделий автоматизированы. Т.е. автоматически осуществляется перевод пламени, регулируется подача шихты для стабилизации уровня стекломассы, поддерживается постоянное давление в печи. Все эти действия позволяют получать стекломассу высокого качества за меньшие затраты.
В XXI в. перед конструкторами, инженерами и учеными стоит сложная задача не только дальнейшего снижения расхода энергии на варку стекла, увеличения производительности печей, повышения однородности стекла, но и уменьшения объема вредных выбросов.
