Сейчас в WikiPRO 3913 статей и 32 647 страниц на русском языке.

История стекла

Материал из ВикиПро: Отраслевая энциклопедия. Окна, двери, мебеля
Перейти к: навигация, поиск
Мне нравится
35

В этой статье описывается история возникновения стекла и развития стекловарения в мире от времен Древнего Египта до наших дней. Особое внимание уделено методам производства оконного стекла, использовавшимся в различное время.

Происхождение стекла

Изготовление листового стекла началось около 2000 лет назад. Но до его появления уже существовали основные приемы работы с расплавленным стеклом и разнообразная техника изготовления несложных изделий из стекла в виде бус, сосудов и браслетов.

Возникновение древнего стеклоделия восходит примерно к III тыс. до н. э. К этому периоду древними мастерам создан новый материал – стекло. Создание стекла по масштабам открытия - колоссальное научно-техническое достижение, его появление в истории техники и культуры может быть сопоставлено с открытием металлов, керамики и металлических сплавов.

Как, где, когда и кто начал делать искусственное стекло? На этот вопрос существуют разные версии. Стекло – искусственный материал, который создан человеком, но известны и природные стекла - обсидианы, которые образуются в магматических расплавах при высоких температурах во время извержения вулканов и падение метеоритов. Обсидианы представляют собой полупрозрачные черные стекла, обладающие высокой твердостью, и коррозионной стойкость и использовались в древности в качестве режущего инструмента. Некоторые считают, что именно обсидианы толкнули человека на создание их искусственных аналогов, однако области распространения природных и искусственных стекол не совпадают. Наиболее вероятно, что представления о стекле развивались в тесной связи с изготовление гончарных изделий и металлообработкой. Возможно, на ранних стадиях стеклоделия древние мастера увидели аналогии в свойствах стекла и металлов, которое и определили технологические приемы обработки стекла. Признав стекло аналогичным металлу (пластичность в горячем состоянии, твердость в холодном), древние создали возможность перенести в стеклоделие приемы обработки металлов. Таким путем были заимствованы тигли для варки стеклянной массы, формы для отливки изделий, технологические приемы горячей обработки (литье, сварка). Этот процесс происходил постепенно, особенно на первых этапах, настолько различны по своей природе стекло и металл.

Наиболее ранняя «теория» происхождения стекла – предложена римским ученым Плинием Старшим в «Естественной истории»:

«Однажды, в очень далекие времена, финикийские купцы везли по Средиземному морю груз добытой в Африке природной соды. На ночлег они высадились на песчаном берегу и стали готовить себе пищу. За неимением под рукой камней обложили костер большими кусками соды. Поутру, разгребая золу, купцы обнаружили чудесный слиток, который был тверд как камень, горел огнем на солнце и был чист и прозрачен как вода. Это было стекло».

Рассказ этот мало достоверен, даже сам Плиний начинает его cловами «fama est…..» или «по слухам…», потому что образование стекла при температуре пламени костра на открытом пространстве произойти не может. Всего вероятнее предположение немецкого ученого Вагнера, который связывает появление стекла с получением металлов. В процессе плавления меди и железа образовывались шлаки, которые могли под действием тепла превращались в стекло. Сейчас трудно установить, как именно было изобретено стекло, но без сомнений это открытие было случайным.

Самые древние изделия имели только стекловидный слой на поверхности фаянса, и найдены в гробнице фараона Джосера (III династия Древнего царства в Египте, 2980-2900 г.г. до н.э). Образцы стекла в виде слитков, датируемые XXII-XXI вв. до н. э., обнаружены при раскопках в области Древнего Двуречья.

Стеклоделие в Древнем Египте и Месопотамии

Наиболее ранние археологически известные стекольные мастерские датируются серединой II тыс. до н. э. Необходимо отметить, что сначала был получен сам материал (стекло), а затем осознается его новизна, и раскрываются его свойства. Приемы обработки нового материала подбираются применительно к его свойствам: вытягивание, сгибание, накручивание. Лишь со временем были подобраны и приспособлены и другие приемы: литье, прессование, обкатка.

История стеклоделия начинается с изготовление бус. Новый материал нашел свое применение в непроизводственной сфере, и изделия из него приравнивались к ценностям благородных камней и самоцветов. К древнейшими изделиями из стекла считаются стеклянные бусы царицы Хатшепсут, которая правила Египтом в 1525-1503 гг. до н. э. и стеклянный кубок, имеющий иероглифическую надпись с именем фараона Тутмоса III, относящийся ко времени Нового царства.

К середине II тыс. до н. э. стеклоделие сложилось в основных чертах почти одновременно в разных очагах древнейших цивилизаций Египте и Месопотамии. Единственным источником, на основании которого можно судить о становлении и начальных этапах истории стекла и его происхождении являются готовые изделия: бусы, вставки, сосуды. Как считают ученые, бусы для египтян выполняли функцию амулетов.

Начиная с середины VIII в. до н. э. набор найденных находок расширяется и к бусам и сосудам прибавляются перстни, браслеты, ритуальная и туалетная посуда, которых стали находить не только в районе Средиземноморье, но и на Кавказе и Западной Европе. Значительно повышаются декоративность и сложность найденных изделий. Техника изготовления изделий усложняется, мастера наряду с формовкой, навивкой и литьем, освоили и другие приемы работы с расплавленным стеклом: резание, гравировку, шлифовку, полировку и прессование в формах, различных по конструкции и материалу. Технические приемы обработки стеклянной массы сопровождалось усложнением инструментария и оборудования мастерской.

Изобретение процесса выдувания стекла

К началу римского периода стеклоделием был накоплен весьма большой производственный опыт и знания, чтобы сделать подлинный переворот в области технологии изготовления изделий из стекла.

Первой «революцией» в стекловарении считается изобретение метода выдувания стекла. Процесс выдувания изделий из расплавленной стекломассы начался с важнейшего изобретения – стеклодувной трубки сирийскими мастерами между 27 г. до н. э и 14 г. н. э. С открытием процесса выдувания стеклянных изделий Сирия на целые сотни лет становится крупнейшим центром стеклоделия. Изобретение выдувания привело к рождению нового качества и составило основу не только древнего, но и современного методов изготовления стеклянной посуды, а впоследствии и оконного стекла

Выдувание – ранее вспомогательная операция, в римское время стало использоваться как самостоятельный прием. После набора стекломассы на стеклодувную трубку мастер выдувал исходную заготовку в деревянную форму и получал различные стеклянные полые изделия в виде кувшинов, банок, кубков флаконов. Наряду с простой посудой мастера выполняли и декоративные уникальные предметы, украшенные нитями и накладом из цветного стекла.

Первое оконное стекло

Первое оконное, по настоящему плоское стекло впервые появилось значительно позже, в Древнем Риме. Оно было обнаружено при раскопках Помпеи и датируется годом извержения вулкана Везувий, 79 г. н. э. Оконное стекло получали методом литья на плоскую каменную поверхность. Конечно, качество стекла при этом сильно отличалось от современного. Это стекло было окрашенным в зеленоватые тона и матовым (бесцветное стекло в то время изготавливать еще не умели), содержало большое количество пузырей, что говорило о низкой температуре варки, и было довольно толстым (около 8-10 мм). Но, тем не менее, это был первый случай применения стекла в архитектуре, что дало значительный толчок к дальнейшему развитию стекловарения и распространению стекла по всей Европе.

Краун процесс

Crown1-2.jpg
Venice.jpg

2-я революция в стекловарении произошла приблизительно в начале II в., когда сирийские мастера изобрели совершенно новую для тех времен технологию производства плоского стекла – краун (crown) или как его в России называли лунный способ. Это идея возникла, возможно, при выдувании больших плоских тарелок. Стекло изготавливались методом выдуванием больших пузырей, которые на следующей стадии отделялись от стеклодувной трубки, и прикреплялась к другой трубке - понтии. После интенсивного вращения на понтии, исходная заготовка под действием центробежных сил утончалась и превращалась в плоский круглый диск (см. рис.). Диаметр этого диска мог достигать 1,5 м. Из него уже после охлаждения вырезали куски стекла квадратной и прямоугольной формы. Центральная часть диска имела утолщение – след от понтии, который назывался «бычьим глазом». Как правило, эта часть диска не использовалась и шла на переплавку, однако, в некоторых средневековых зданиях эти кругляшки до сих пор сохранились (см. рис.).

Эта технология позволяла получать стекло довольно хорошего для тех времен качества, практически без искажений. Неудивительно, что эта технология просуществовала вплоть до середины XIX века. Так, известный всем и один из старейших в мире производителей стекла - английская компания Пилкингтон (Pilkington) полностью прекратил использовать краун процесс только в 1872 г.

Однако существовала и проблема - ограничение по размерам. С помощью краун процесса невозможно было получить стекло большого размера. Поэтому на протяжении многих лет в разных странах Европы осуществлялись попытки усовершенствования этой технологии, что привело к созданию нового метода производства стекла – метода выдувания цилиндров.

Производства оконного стекла цилиндрическим способом

В целом этот метод был очень похож на краун процесс, но при этом стеклодув набирал стекло из горшка в несколько приемов и раздувал заготовку (пульку) в форму цилиндра при постоянном вращении. Для формования цилиндрической формы мастер раскачивал заготовку в специальной прямоугольной яме. После затвердевания заготовки, суженные концы отделяют специальным нагретым крюком. Затем внутри охлажденного цилиндра делают продольный разрез и выправляют в плоские листы в особых “правильных печах”, где цилиндры постепенно разогреваются до размягчения на плоских основаниях их глины и разглаживаются в лист деревянной чуркой, закрепленной на железный стержень. К концу XIX века для выдувания цилиндров стали использовать воздушные насосы, а вскоре появился и метод механического вытягивания цилиндров (см. рис.).

Cylinder.jpg

Применение более эффективного метода производства оконного стекла позволил увеличить размер листового стекла и снизить количество отходов стеклянного боя. Так, установленные в 1910 году на одной из английских фабрик Пилкингтон (Pilkington) воздушные машины американского инженера Джона Любберса (John H. Lubbers) позволили получать стеклянные цилиндры длиной до 13 м и диаметром до 1 м.

Производство оконного стекла методом вытягивания из расплава

Уильям Кларк из Питтсбурга первый предложил способ производства листового стекла вытягиванием со свободной поверхности расплав. В 1857 г. он представил английский патент, согласно которому, формование плоского листа осуществляется медленным вертикальным вытягиванием затравки с поверхности расплава. В течение последующих 50 лет старались решить основную проблему – сужение ленты стекла при вытягивании, но все попытки были неудачными.

В 1871 году бельгийский изобретатель Ф.Вэллин (F.Vallin) получил французский патент (№ 91787) на производство оконного стекла механическим вытягиванием стекла. Для непрерывной подачи расплава он предложил систему горшков, которые связаны между собой трубкой, так что стекломасса из одного горшка поступала в другой. В последний большой овальный горшок, который был заключен в трубу, опускалась металлическая пластина (затравка). Формование плоского листа происходило при движении этой пластины вверх. В трубе также располагались по бокам стекла воздушные трубки с отверстиями для охлаждения стекла. Лист стекла поддерживался роликами, покрытыми асбестовой тканью. Вытягивание стекла может происходить в двух направлениях: вертикальном и горизонтальном. В последнем случае предусматривался специальный металлический валок. Вэллин был гениальным изобретателем и предложил практически все основные элементы механического вытягивания, которые в 20 столетии будут применяться во всех способах вытягивания стекла. В то время, когда ванные печи были неизвестны, он представил систему стекловаренных горшков, в которых осветленная стекломасса поступала снизу по трубкам из одного горшка в другой, до основного, из которого происходило вытягивание стекла. Эта система непрерывной подачи расплава стала основой появления ванных стекловаренных печей. В 1890 году Вэллин основал в Гифорсе компанию по производству оконного стекла механическим вытягиванием.

В 1905 году бельгийский инженер Эмиль Фурко (Emile Fourcault) предложил свой способ вертикального вытягивания стекла. При этом старейшем способе (ВВС) используется шамотная лодочка, из щели которой под действием гидростатического давления вытекает постоянный поток стекла. Скорость вытягивание можно регулировать глубиной погружения лодочки. Лента стекла из лодочки поступала в шахтную камеру, где с двух сторон находятся водо-охлаждаемые трубки, и далее по роликам поступала в печь отжига. Для предотвращения сужения ленты по краям ленты были установлены бортоформующие ролики и охлаждаемые трубки. Толщина ленты стекла определялась скоростью вытягивания и температурой в зоне вытяжки («луковицы»). Первые машины Фурко для вытягивания листового стекла были установлены в Бельгии и Чехии в 1913 году. Производительность 11 машин, установленных на одной ванной печи, составляла 250 тонн стекла в день.

Процесс вытягивания стекла позволил производить дешевое оконное стекло с огненно-полированными поверхностями Основной дефект тянутого стекла появляется при формовании (вытягивании) и связан с нарушением плоскостности стекла. Такие нарушения приводят к оптическому эффекту линзы и искажению изображения. Тянутое (машинной выработки) оконное стекло широко применялось в строительстве для остекления окон и теплиц.

Производство оконного стекла методом литья и шлифования

CH.jpg

Как уже говорилось выше, и краун процесс и метод выдувания цилиндров, да и метод ВВС имели ряд недостатков, связанных либо с наличием оптических дефектов и искажений, либо с невозможностью получить листы стекла большого размера. Поэтому как альтернатива с начала XIX века в Европе использовался также еще один способ производства методом литья и последующего отжига литого прокатного стекла. В нем горшок с расплавленным стеклом выливался прямо на разливочный стол и прокатывался роликами. Для отжига применялась специальная печь с несколькими рядами полок, позволяющая увеличить загрузочную мощность. Прокатное стекло могло быть изготовлено любого требуемого размера и толщиной 3-6,5 мм. Этим методом изготавливали цветное и бесцветное узорчатое стекло, а также большие листы неполированного оконного стекла. Особой популярностью пользовалось узорчатое цветное стекло для остекления окон в церквях и соборах.

В дальнейшем с появлением потребности в более качественном стекле на финальном этапе стали применять абразивную обработку поверхностей стекла. В то время это был трудоемкий, длительный и многоступенчатый процесс, который включал перемещение горшка с расплавом стекла, отливку и раскатку в лист, отжиг, шлифовку и полировку. Время обработки стекла составляло около 17 часов.

В начале XX века рост автомобильной промышленности стимулировал развитие более эффективных высокопроизводительных методов производства полированного стекла. Одним из пионеров этого метода была также компания Пилкингтон (Pilkington), которая в 1923 году совместно с компанией Форд Моторс разработала и запустила непрерывный процесс производства прокатного стекла. Расплав стекла плавился в ванной печи и через сливное устройство непрерывным потоком проходил через водоохлаждаемые валы и прессовался до заданной толщины. Основная проблема заключалась в получении качественного расплава в ванной печи. В 1925 году этот метод был дополнен машиной для односторонней шлифовки и полировки. Следующим шагом к автоматизации производства была разработка машин для двухсторонней шлифовки и полировки стекла. После долгих экспериментов и трудных сборочных работ первая поточная линия производства полированного стекла была запущена на фабрике Пилкингтон в Донкастере (Великобритания) в 1935 году. Непрерывная лента стекла длиной 300 м двигалась со скоростью 66 м/час и обрабатывалась одновременно с двух сторон огромными плоскими шлифовальными дисками. Введение этой технологии явилось наиболее значительной разработкой в длинной истории производства полированного стекла.

Более дорогое полированное стекло обладало хорошим оптическим качеством, и с успехом использовалось для остекления зданий, витрин, транспорта, изготовления зеркал. Но процесс производства полированного стекла всегда отличался большой энергоемкостью, высокими операционными и капитальными затратами. Отходы стекла при шлифовке и полировке доходили до 20%. Так, например, производственная линия двухстороннего непрерывного шлифования и полировки компании Пилкингтон (Pilkington) в Коули Хилл (Великобритания) в 1944 году, включая стекловаренную печь, лер, станки для шлифовки и полировки растягивалась на более чем 430 м. Современники замечали с гордостью или сожалением, что производственная линия была на 21 м длиннее самого большого в то время океанского лайнера «Queen Mary».

К середине XX века назрела необходимость использования новых более простых и дешевых методов производства высококачественного стекла.

Переход на новые способы производства оконного стекла – флоат-процесс

Заслуга создания революционного способа производства полированного стекла (флоат процесс) принадлежит Сэру Аластару Пилкингтону (Alastair Pilkington).

Лайонел Александр Бетин (Аластар) Пилкингтон родился в 1920 году, после окончания школы в Шерборне поступил в Тринити Колледж в Кембридже, где получил свою первую научную степень в области механики. Во время войны он покинул университет и поступил на службу в Королевскую артиллерию. Участвовал в военных действиях в Греции и на Крите. После освобождения из плена в конце войны, он вернулся в Кембридж для продолжения учебы и решил продолжить карьеру как гражданский инженер. В марте 1947 году он был назначен техническим помощником на фабрике листового стекла Пилкингтон, а через два года выполняет обязанности производственного менеджера на фабрике в Донкастере. В 1952 году Аластар возвращается в Сент-Хеленс, и под его руководством начинаются экспериментальные работы над разработкой флоат процесса. В результате первых экспериментов, он предложил для формования и транспортировки ленты стекла использовать расплав металла. В 1953 году на первой опытной установке был изготовлен образец флоат-стекла (float-glass) шириной 300 мм. В 1955 году на новой экспериментальной установке было получено флоат-стекло шириной 760 мм, и правление Пилкингтон принимает смелое и рискованное решение о строительстве производственной флоат линии (float-line) шириной 2540 мм. Компания надеялась на успех, но в тоже время понимала, что в случае неудачи финансовые потери будут составлять миллионы фунтов. С другой стороны, успешный запуск линии гарантировал значительный и революционный скачок в технологии листового стекла за всю длительную историю производства стекла.

Производственная линия, работающая по флоат-методу, была введена в Коулей Хилле (Великобритания) 6 мая 1957 года. Многие в то время не верили в новый процесс, и говорили, что эта линия не произведет даже 1 m² стекла. Только через 14 месяцев было получено первое качественное флоат-стекло (float-glass) толщиной 6,5 мм, и 20 января 1959 года компания Пилкингтон официально опубликовала пресс-релиз, в котором представила флоат-процесс следующими словами:

«Флоат-процесс является наиболее фундаментальным, революционным и важным достижением в производстве стекла в 20 столетии»

В соответствии с разработанной компанией Пилкингтон (Pilkington) флоат-способом стекломасса из студочного бассейна при температуре 1100°С непрерывной лентой поступает из стекловаренной печи на поверхность расплавленного олова. Лента выдерживается при достаточно высокой температуре для удаления всех дефектов и неровностей на поверхности стекла. Так как поверхность расплавленного металла является идеально ровной поверхностью, то стекло приобретает “огненно-полированную” блестящую поверхность, которая не нуждается в дальнейшей шлифовке и полировке. При проведении экспериментов установлено, что расплавленная стекломасса не растекается бесконечно на поверхности расплавленного олова. Когда силы тяжести и поверхностного натяжения уравновешиваются, лента приобретает равновесную толщину около чуть меньше 7 мм. Для получения ленты стекла различной толщины были созданы методы, основанные на регулировании вязкости стекла в зоне формования и величины растягивающего усилия. Если необходимо получить толщину ленты стекла больше 7 мм, то ее сжимают несмачивающими бортовыми ограничителями.

В начале работе возникла проблема выбора расплавленного металла, который должен находиться в жидком состоянии в пределах температурного интервала от 600 до 1050°С, иметь низкие значения давления паров, а величина плотности должна быть выше, чем стекла. Исследования показали, что всем этим требованиям соответствует олово, которое почти не взаимодействует со стеклом, и является вполне доступным и дешевым продуктом. Но олово при высоких температурах окисляется кислородом с образованием оксидных соединений. Поэтому, чтобы исключить окисление поверхности расплава олова, во флоат-ванне необходимо создавать инертную атмосферу азота с малой добавкой водорода. После формования лента стекла охлаждается до 620°С и транспортируется в печь отжига.

Вклад участников

Толстов Илья

Обратная связь Автору