ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО СТЕКЛА И ШЛАКОСИТАЛЛОВ

СОРТОВОЕ СТЕКЛО

Общие сведения. К сортовому стеклу относят обшир­ный класс изделий, вырабатываемых из хрустальных, бесцветных и окрашенных стекол способами ручного и механизированного выдувания и прессования. Они пред­назначены для употребления в быту, хранения и розли­ва жидких пищевых продуктов, украшения жилища, оформления культурно-бытовых учреждений. Сортовые изделия должны отличаться высоким качеством стекла, они должны быть изящно оформлены, удобны в употреб­лении.

Ассортимент изделий из сортового стекла чрезвычай­но разнообразен. Их вырабатывают механизированным и ручным способами. В настоящее время механизиро­ванно вырабатывают стаканы и блюдца, графины, та­релки, селедочницы, сахарницы, масленки, изделия на ножке (рюмки, бокалы и фужеры) и др. Ассортимент изделий, вырабатываемых ручным формованием, не­сколько шире: вазы различного назначения (для ва­ренья, фруктов, цветов, декоративные), изделия на нож­ке, кувшины и графины, художественно-декоративные изделия и др.

Составы и свойства. При выборе составов сортовых стекол руководствуются следующими соображениями; стекло должно хорошо провариваться и осветляться, иметь большую температурную область формования («длинное» стекло), легко подвергаться механической обработке и иметь достаточно высокую химическую и термическую устойчивость.

Эти требования в первую очередь относятся к хру­стальным свинецсодержащим стеклам. Связано это с тем, что при их. варке стремятся не использовать слиш­ком высокие температуры, так как это может привести к разрушению огнеупора кладки печи. Изделия из свин­цового хрусталя наиболее сложны по своей конфигура­ции и вырабатываются они, как правило, методами руч­ного формования, а это требует «длинной» области фор­мования.

Кроме того, хрустальные стекла должны обладать высоким показателем преломления и повышенной свето- прозрачностью. Так, показатель преломления большин­ства хрустальных стекол составляет 1,532—1,542, а их светопропу екание — 92—94,%. Добиваются указанных свойств путем введения в составы стекол оксида свинца РЬО с содержанием 18—24 % по массе, замены Na20 на КгО, а также применения высококачественных квар­цевых песков с минимальным содержанием окси­дов железа (до 0,012—0,016%). Большинство хрустальных стекол содержат, % по массе: Si02— 57—58; РЬО—24; К20—16—16,5; В203— 1—2; ZnO—1—2.

В ряде зарубежных стран вырабатывают хрусталь­ные стекла с большим содержанием (% по массе) РЬО: в США — 34,2, во Франции 34,4.

К бесцветным стеклам не предъявляются такие вы­сокие требования по показателю преломления и свето- прозрачности, как к хрустальным стеклам. Однако они должны быть достаточно термически устойчивы (90— 110°), химически стойки (II—III гидролитические классы), температура размягчения их должна соответ­ствовать 550—580 °С, а температурный коэффициент ли­нейного расширения должен быть (90—98) • Ю-7-°С-1,

Составы бесцветных стекол зависят от способов вы­работки (ручной или механизированный) и от формова­ния (автоматическое выдувание, прессование или прес - совыдувание).

Так, составы бесцветных стекол для ручной выра­ботки содержат, % по массе: Si02 — 74,5—75,5; СаО— 6,5—8,8; MgO — 2—2,5; Na20 — 13,5—14; К2О — 1— 2,5-r составы для механизированного выдувания: Si02 — 73— 73,5; А120з—0,2—0,5; СаО — 6,4—7,5; MgO—2—2,2; Na20 — 13,5—14,5; К20 — 1—2; составы для механизи­рованного прессования: Si02—73,4—73,6; А120з—0,3— 0,5; СаО —6,8—7; MgO —2—2,2; Na20 — 13—13,5; К20— 1— 2.

Одна из существенных особенностей сортовых сте­кол — их способность окрашиваться различными краси­телями, давая при этом яркие чистые цвета.

В производстве стекла используются как молекуляр­ные, так и коллоидные красители (см. п. 4.2). В качест­ве молекулярных красителей применяют оксиды тяже­лых металлов: Со203, Мп203, Сг203 и др. В настоящее время широкое распространение получили оксиды ред­коземельных элементов, которые как в отдельности, так и в сочетании с другими красителями придают стеклу нежные, особенно приятные для восприятия цвета: Nd203, Се02, Рг203, Ег203. Концентрация молекулярных красителей в зависимости от их вида и интенсивности окрашивания может составлять от 0,02 (Со203) до 2% по массе (Nd203).

В качестве коллоидных красителей используют со­единения золота, серебра, меди, сернистые соединения цинка, кадмия и др.

Варка сортовых стекол. При производстве сортовых стекол к сырьевым материалам, используемым для при­готовления шихты, предъявляют требования по ограни­ченному содержанию в них красящих примесей.

Для изготовления хрустальных изделий используют пески нулевой категории и высшей марки А с содержа­нием оксидов железа соответственно 0,02 и 0,025 % па массе. Этим требованиям удовлетворяют пески Ново- селовского месторождения. Для введения в состав стек­ла РЬО используют свинцовый сурик РЬ304 и свинцовый глет РЬО, однако последний применяют редко. Для вве­дения в стекла других оксидов используют традицион­ные сырьевые материалы повышенной чистоты.

Одно из существенных преимуществ варки стекла в ванных печах — одновременное и непрерывное осущест­вление всех стадий стекловарения. Это позволяет в мак­симальной степени механизировать и автоматизировать весь процесс, начиная от засыпки шихты и кончая вы­работкой стеклоизделий.

На Гусевском хрустальном заводе впервые в практи­ке стеклоделия была разработана ванная печь и осу­ществлена непрерывная варка свинецсодержащих хру­стальных стекол. Максимальная температура варки 1430 °С, температура в выработочной части 1260 °С. При варке стекла в ванной печи постоянно поддерживается окислительный характер газовой среды, в варочной ча­сти устанавливают нейтральное давление атмосферы над зеркалом стекломассы, а в выработочной части — слабоположительное давление. Производительность пе­чи составляет 6—12 т/сут стекломассы, удельный съем стекла в зависимости от интенсивности выработки нахо­дится в пределах 450—900 кг/м2 в сутки. Печь можно •отапливать природным газом и жидким топливом.

Один из недостатков варки хрустальных стекол в пламенных печах — улетучивание оксидов свинца, что приводит к обеднению ими поверхностных слоев стекло­массы и загрязнению окружающей атмосферы. Поэтому з настоящее время на Гусевском хрустальном заводе и Киевском заводе художественного стекла находятся в действии две электрические печи для варки хрустальных стекол. В качестве источника теплоты использованы пристенные блочные оксидно-оловянные электроды. - Стекловарение осуществляют в вертикальном потоке под слоем холодной шихты сверху вниз. Наличие над расплавленной стекломассой холодного слоя шихты в десятки раз уменьшает улетучивание оксидов свинца, способствует получению однородной стекломассы (см. п. 2.7).

Варку цветных стекол на заводах организуют таким образом, чтобы имелась возможность при изготовлении изделий сочетать их формование с бесцветным стеклом. Поэтому на одном участке одновременно располагают ванную печь для варки бесцветного стекла и возле нее малые ванные печи — «спутники» для варки цветных стекол.

Максимальная температура варки стекол в зависи­мости от их состава колеблется в пределах 1460— 1500 °С, температура в выработочной части— 1220— 1240 °С. Характер газовой среды при варке большинства стекол слабоокислительный.

Выработка изделий сортовой посуды в настоящее время осуществляется ручным выдуванием и механизи­рованным способом. Несмотря на то что ручное изготов­ление изделий — малопроизводительный процесс, требу­ющий большой затраты физической энергии, оно все еще остается незаменимым при производстве некоторых: изделий из хрусталя и сложной конфигурации (изделия на ножке, вазы, сувениры).

Основной принцип ручного выдувания состоит в том,, что стеклодув с помощью стеклодувной трубки набирает расплавленную стекломассу на конец трубки, подготав­ливает пульку и выдувает массу в форму. В настоящее время при ручном выдувании изделий повсеместно ис­пользуют трубку-самодувку (рис. 25.1). Основное ее от­личие от ранее применяемых трубок состоит в том, что выдувание осуществляют с помощью резинового балло­на путем его нажатия и возврата в прежнее положение.. Формы для выдувания делают преимущественно из ме­талла, однако в ряде случаев их делают из дерева, ог­неупорного материала и др.

Механизированные способы изготовления изделий из стекла и созданные в последнее время поточно-механи­зированные линии их производства отличаются высокой производительностью. Для формования изделий исполь­зуют автоматические стеклоформующие машины, по способу выдувания подразделяющиеся на прессовые, прессовыдувные и выдувные.

В качестве прессовых машин наибольшее распрост­ранение получил автоматический 12-позиционный пресс АПП-12. Этот автомат предназначен для изготовления различных изделий из бесцветного и цветного стекла (стаканов, мелких вазочек, пепельниц, салатников и др.). Рабочие органы машины приводятся в движение при помощи сжатого воздуха. Наряду с этой машиной ис­пользуются пресс-автоматы «Линч», модель МДП (за­рубежная), а также роторный автомат АРП-10.

Из прессовыдувных машин наибольшее распростра­нение получил автомат «Гортфорд-28», отличающийся высокой производительностью. Он используется главным образом для изготовления стаканов. Автомат имеет 12 рабочих секций, в состав которых входят все необ­ходимые механизмы для прессовыдувания изделий.

В качестве выдувных машин на отечественных сте-

Рис. 25.1. Трубка-самодувка / — наборная головка; 2 — сопло; 3 — предохранительное отверстие; 4—металлическая трубка; S — ниппель ниж­него клапана; $ — нижний клапан; 7 — отверстие в труб­ке; 8 — резиновый баллон; 9 — ниппель верхнего клапа­на; 10 — верхний клапан

Кольных заводах все еще широко при­меняется карусельный автомат ВС-24. Он состоит из шести секций, в каждой из которых имеются четыре выдувные труб­ки и четыре чистовые формы. Принцип питания машины — вакуумный. Автомат ВС-24 служит для изготовления тонко­стенных стаканов различного назначения, блюдцев для чая и варенья.

В производстве сортовой посуды ис­пользуют также выдувные машины с ка­пельным питанием. В качестве таковой прежде всего следует назвать автомат ВР-24, на котором изготовляют колбы для термосов, стаканы, пойла для изде­лий на ножке.

Наряду со стеклоформующими авто­матами технологические линии по произ­водству сортовой посуды включают ме­ханические конвейеры для транспорти­ровки изделий, отжигательные печи, оборудование для отрезки колпачка, обработки края и шлифовки дна из­делия. Далее рассмотрены некоторые наиболее распро­страненные технологические линии по производству сор­товых изделий из стекла.

Технологическая линия по производству прессован­ных изделий. Линия предназначена для изготовления изделий из стекла методом автоматического прессова­ния. Технологический процесс производства осуществля­ется следующим образом (рис. 25.2). Сваренная в стек­
ловаренной печи стекломасса посредством питателя 1 в виде порции стекла подается в стеклоформующий аг­регат типа автоматического пресса АПП-12 (2), на ко­тором происходит прессование изделий. Отформованное изделие с помощью механического транспортера переда­ется в машину огневой полировки 3, где одновременно происходит отопка края изделия и облагораживание его поверхности. Далее транспортером изделия с помощью загрузчиков 4 передаются в отжигательную туннельную печь 5, где производится их отжиг. После отжига изде­лия контролируются, сортируются и поступают на склад. На такой технологической линии практически все ста­дии производства автоматизированы и механизированы. Производительность одной технологической линии мо­жет достигать 50 тыс. шт. изделий в сутки.

Технологическая линия по производству прессовыдув - ных изделий. Линия предназначена для автоматическо­го прессовыдувания изделий, преимущественно стаканов для воды и чая. В состав линий (рис. 25.3) входят: ци­линдр откидного лотка 1, питатель стекломассы 2, на­клонный лоток 3, прессовыдувной автомат 4, конвейер 5, отрезная машина 6, загрузчик 7, переставитель 8, .печь отжига 9. Изделия производят примерно таким же об­разом, как и при автоматическом прессовании. Однако имеются и отличия. Порция стекломассы, отрезанная с помощью питателя, по наклонному лотку попадает в прессовыдувной автомат «Гартфорд-28», на котором фор­муют изделия. Далее изделия конвейером подаются в машину для отрезки колпачка и оплавки края стаканов. Последующие операции аналогичны операциям по схе­ме прессования: изделия отжигаются, проходят стадии контроля и сортировки и поступают на склад. Произво­дительность линии — 40—50 тыс. шт. изделий в сутки.

Технологическая линия по производству изделий на ножке. Здесь необходимо отметить, что еще 10—15 лет назад практически все изделия на ножке (рюмки, бока­лы, фужеры) изготовлялись методом ручного формова­ния. Естественно, что производительность такого труда невысока, кроме того, внедрение приемов автоматизации и механизации не представляется возможным.

В настоящее время на ряде стекольных заводов со­оружены и успешно эксплуатируются поточно-механизи­рованные линии по производству изделий на ножке. Эта технология основана на принципах выдувания пойла и прессования ножки на выдувных и пресс-автоматах с

26-468
последующей их спайкой. Схема одной из подобных ли­ний по изготовлению изделий на ножке из хрусталя по­казана на рис. 25.4.

Изделия изготовляют в две стадии: прессование нож­ки с донышком и выдувание пойла с одновременным свариванием ножки и пойла. Технологический процесс состоит в следующем. Порция стекла с помощью пита­теля 3 подается в автомат 5 для выдувания пойла изде­лия. В это же время с помощью питателя 1 и пресса 2 прессуется ножка. В момент выдувания пойла отпрессо­ванная несколько ранее ножка с донышком с помощью конвейера 4 поддается в выдувной автомат, где одновре­менно происходит выдувание пойла и его сваривание с ножкой. Полностью отформованные изделия далее с помощью конвейера 6 и загрузчика 7 поступают в отжи­
гательную печь 8 для отжига. После отжига изделия проходят стадии контроля и поступают на склад.

Внедрение поточно-технологических линий по изго­товлению изделий на ножке имело важное значение для стекольной промышленности. Оно позволило резко уве­личить выпуск сортовых изделий, значительно сократить численность рабочей силы, создать условия для широко­го использования средств автоматизации и механизации.

Технологическая линия по изготовлению выдувных изделий. Линия предназначена для автоматического выдувания тонкостенных стаканов. Согласно технологи­ческой схеме (рис. 25.5), стекломасса, сваренная в пе­чи 1, путем вакуумного набора порции стекла поступа­ет в вакуумно-выдувной автомат 2 типа ВС-24, где вы­дувается изделие вместе с колпачком. Затем с помощью конвейера и механического переставителя 3 изделия по­ступают в отжигательную печь 4. Пройдя отжиг, изде­лия с помощью единого ленточного конвейера 6 подвер­гаются отколке колпачка на отколочной машине 5, шли­фовке дна на машине Ш-12 (7) и отопке края на ото - почной машине 8, после чего следует их сортировка 9, контроль и складирование. Как видно из схемы, практи­чески все операции автоматизированы или механизиро­ваны. Производительность одной такой линии — 50— 60 тыс. шт. стаканов в сутки.

Обработка изделий. Сортовые изделия, выработан­ные выдуванием или прессованием с целью придания им облагороженного и декоративного вида, подвергаются дополнительной механической, огневой и химической обработке. Различают следующие способы обработки стекла: шлифование, гранение, гравирование, химичес­кое матирование, золочение, нанесение керамических и других красок, огневое полирование, химическое поли­рование.

Одни способы используют для улучшения декоратив­ного вида стекла, которое достигается нанесением ри­сунков путем гравирования, гранения, матирования и золочения, использования красок. Другие же способы предназначены для облагораживания стекла, т. е. улуч­шения его внешнего вида, причем достигается это шли­фованием и полированием стекла.

Шлифование. Изделия из стекла можно шлифовать с целью придания стеклу матированной (шероховатой) поверхности, и этим приемом создавать на поверхности стекла определенные рисунки, а также с целью подго­
товки стекла для его полирования. В этом случае шли­фование — предварительный процесс.

Различают валовую и номерную шлифовку. При ва­ловой шлифовке изделия обрабатывают на широких аб­разивных кругах, рисунок при этом получают в виде плоских сферических шлифов, ямочек и углубленных прямых линий. Номерная шлифовка представляет собой более сложную обработку изделий, включающую эле­менты валовой шлифовки и алмазной грани.

Гранение. Это довольно широко распространенный метод декорирования изделий из стекла, часто называе­мый обработкой алмазной гранью. Он заключается в на­несении специальным абразивным инструментом на по­верхность изделий глубоких прорезей в разнообразном сочетании, причем линии пересечения образуют различ­ные фигуры: кусты, звезды, медальоны и др. В процесс нанесения алмазной грани входят: гранка (нанесение глубоких граней) и дистировка (удаление следов, обра­зующихся при гранке, — песка, царапин).

Алмазные грани на изделия наносят при помощи остро заточенных абразивных кругов. Круги изготовля­ют из абразивных естественных или искусственных по­рошков, сцементированных минеральной, органической или керамической связкой. В качестве абразивных мате­риалов применяют искусственные алмазы, корунд, кар­бид кремния, электрокорунд.

Для нанесения алмазных граней используют станки САГ и высокоточные станки ШАГ-1 и ШАГ-2. Основной узел станков для нанесения алмазных граней — шлифо­ванный круг, укрепленный на шпинделе, приводящийся во вращение при помощи электродвигателя. Скорость вращения может составлять 350—5000 мин-1. Отличи­тельная черта станков последних модификаций (ШАГ-1 и ШАГ-2) так, что их шлифовальную головку крепят на аэростатических опорах. Это создает возможности для большой частоты вращения шпинделя. Максималь­ные отклонения вращения шпинделя при этом не превы­шают 0,004 мм.

Механическую обработку изделий на стекольных за­водах осуществляют на конвейерно-поточных линиях. Работа на этих линиях организована таким образом, что весь процесс обработки расчленен на отдельные опе­рации, за которыми закреплены определенные рабочие. Внедрение поточной обработки изделий позволило повы­сить производительность труда на 25—30%, сократить бой на 3—5 %> улучшить условия труда.

Гравирование. Сущность этого способа заключается в нанесении рисунка при помощи абразивных порошков или твердых инструментов малых размеров. Для худо­жественного гравирования преимущественно используют медные круги. Гравирование производят порошком наж­дака или карбида кремния, разведенных на масле до состояния кашицы, а медные колеса служат лишь для передачи давления абразива на поверхность стекла.

Матирование. С помощью этого способа наносят на стекло тонкий рисунок. Предварительно изделие покры­вают защитным слоем, затем с помощью иглы или дру­гого приспособления на поверхность наносят рисунок путем прорези защитного слоя до основания — поверх­ности стекла. После этого изделие окунают в травиль­ные растворы. При этом происходит взаимодействие хи­мических реагентов с непокрытыми участками стекла (рисунком), в результате поверхность стекла после уда­ления защитного слоя остается в первоначальном со­стоянии, а рисунок протравливается и выделяется на общем фоне изделия.

Золочение. Покрытие изделий золотом заключается в нанесении на изделие 12 %-ного раствора золота и его дальнейшем закреплении путем обжига в муфельных печах периодического или непрерывного действия. Тем­пература обжига при этом должна быть на 30—40 °С ниже температуры размягчения стекла. Украшение из­делия «чеканным» золотом заключается в том, что сна­чала рисунок на изделие наносят методом матирования, а затем покрывают золотом, которое закрепляют обыч­ным путем.

Декорирование силикатными красками. Часто в це­лях декорирования изделий из стекла их расписывают силикатными красками. Эти краски представляют собой тонкомолотые легкоплавкие цветные стекла. Их в хо­лодном состоянии наносят на изделия, создавая при этом особый рисунок. После нанесения рисунков изде­лия подвергают обжигу, при этом силикатные краски растекаются (550 °С) и приплавляются к поверхности стекла. Изделия обжигают в муфельных или туннельных печах.

Огневая полировка. Сущность огневой полировки за­ключается в кратковременном разогреве изделия в вы­сокотемпературном пламени, в котором тонкий поверх­ностный слой стекла расплавляется, и все микронеров­ности на нем сглаживаются за счет сил поверхностного

Н&тйжения. При этом достигается заметное улучшение внешнего вида изделия, повышение его механической прочности и химической устойчивости. Огневую поли­ровку применяют главным образом для изделий из сор­тового стекла и хрусталя, выработанных механизирован­ным прессованием.

Химическая полировка. Сущность химической поли­ровки основана на разрушающем действии на стекло пла­виковой кислоты. В производстве сортовых хрустальных изделий она применяется для полирования рисунков алмазной резьбы, имеющих после гранения шлифован­ный вид. Химическая полировка стекла протекает при взаимодействии стекла со смесью плавиковой и серной кислот, преобладающее влияние из которых имеет пла­виковая кислота. Вступая в реакцию со стеклом, она об­разует газообразный фтористый кремний и фториды ме­таллов по следующей схеме:

Si02 + 4HF-*-SiF4 + 2Н20;

SiF4 + 2HF-*H2SiFe,

Іри этом разрушается кремнекислородная основа стек­ла, и оксиды металлов, входящих в состав стекла, легче вступают в реакцию с образованной кремнефтористово - дородной кислотой:

К20 + H2SiF,-*K2SiFe + Н20; СаО + HjjSiFe-*-CaSiFe 1 + Н20.

При химической полировке за счет протекания этих (и других) реакций наблюдается растворение микроне­ровностей стекла, что приводит к получению прозрачной блестящей поверхности изделий.