Реферат: Стекло

Этапы развития стеклоделия.

     Естественное стекло известно человеку сдревнейших времён. Наконечникистрел, ножи и т. п., изготовленные первобытнымчеловеком из природного вулканического стекло(обсидиана), были найдены в самых различных местахземного шара.

Возникновение стеклоделия связано, по-видимому,с развитием гончарного производства. Получение стекласперва было, вероятно, случайным. Примером такойвозможности является образование стекла в результате расплавления золы при пожарезернохранилищ. Производство стеклавДревнем Египте началось около3000лет до н. э. Из стекладелались различные украшения, амулеты. Цилиндр из светло-голубогостеклапрекрасного качества, найденный в Тель-Асмаре,близ  Багдада (современный Ирак), сделанв середине 3-го тысячелетия до н. э.; плотностьэтого стекла2,463,показатель преломления1,515, в нём нет неоднородностей и посторонних включений. Найденная при раскопках знаменитая ваза с начертанным на ней именем ассирийскогоцаря СаргопаII(722— 705 до н. э.), находящаяся вБританском музее (Лондон), сделана изполупрозрачного зеленоватого С.

    Во времена Птолемеев(4—1 вв. доII. э.) в Египте существовало относительноразвитое стекольное производство. Египет оставался центром стеклоделия вплотьдо нашей эры; его стеклянные изделия вывозились во многие другие страны.Стеклоделие было развито также в странах Ближнего Востока, в частности в Сириии Финикии, а также в Причерноморье. Кроме рядовой продукции, здесь изготовлялись богатые уникальные изделия, украшенные эмалью и золотом. С древних времён стеклобыло известно в Китае, где в5—3 вв. до н. э. стеклянные изделияпоявляются уже в довольно большом количестве [в т. ч. бусы с «глазовидным» узором и специфическимхимическим составом С.(примесь бария)]. Первые письменные свидетельства об изготовлениистекла в Китае относятся к концу3 в. В источниках5 в. говорится об умении китайцев изготовлять С. пяти цветов.

 Примерно за1200 лет до и. э. ужебыла известна техника прессования стекла в открытых формах. Этим способомизготовлялись вазы, чаши, блюда, кубки, цветныемозаичные украшения. Особеннораспространённым было голубое и бирюзовое стекло,окрашенное медью.Зелёное стекло получали окрашиванием медью и железом. Синее стекло,окрашенное кобальтом,появилось в Египте в начале нашей эры.

При некоторых достижениях древнего стеклоделия техника его была примитивна и везде,в том числе в Древнем Египте,на протяжении многих столетий переживала периодзастоя. Высоких температур получать не умели,плавку стекла вели в небольших глиняных тигельках, стекло получалось не проваренным, часто непрозрачным и в очень малыхколичествах. Чтобы прикрыть обычно неприглядный видизделий, изготовленных из такого несовершенного материала, прибегали к красителям и шли по путиподражания природным полудрагоценным камням. Формовка изделий из густой, вязкойраскалённой стекломассы была нелёгкой задачей; онавыполнялась простейшими приёмами ручной лепки, для которойиспользовались плоские камни и примитивные глиняныеформы, а при изготовлении изделий в виде небольшихсосудов— деревянные палочки, обмазанныесмесью песка и глины, обволакивавшиесястекломассой. Ассортимент изделий ограничивался мелкими туалетными украшениями:бусами, серьгами, браслетами, застёжками, амулетами, флакончиками для ароматических. веществ и т.п.

Переворот втехнологии стеклоделия был вызван на рубеже нашей эры изобретением метода выдуванияполых стеклянных изделий. Возможность широкого применения нового метода былаобеспечена крупными успехами в технике стекловарения. Тогда стали уверенно получать прозрачное стекло,выплавлять его сразу в значительных количествах, научились изготовлять выдуванием красивые сосудыотносительно большого размера и самой разнообразной формы. Выдувательная трубка, это простейшее приспособление,оказалась инструментом, при помощи которого человек с художественным чутьём и даром точнойкоординации движений в результате длительных упражненийдостигал высокого совершенства в работе.

Открытие способавыдувания стекла положило начало второму большомупериоду развития стеклоделия, продолжавшемуся до конца19—начала20 вв. ихарактеризующемуся на всём своём протяжении единством технологическихприёмов, не претерпевших за это время принципиальных изменений. Всоответствии с технологией и характер продукции оставался в этот период болееили менее постоянным, охватывая всевозможные разновидностиполых изделий, главным образом всевозможные сосуды «настольного» масштаба, а также отдельные декоративные изделия—кубки, вазы, бокалы, блюда, туалетные флаконы, осветительныеприборы и т.п. Самособой разумеется, что эта однообразная по типам иназначению продукция с точки зрения стиля, композиции и исполнения отражала характерныеособенности развития искусства и народного творчества в отдельных странах вразличные эпохи.

Первыми овладелиметодом выдувания стеклянных изделий мастера Древнего Рима, где на протяжениинескольких веков искусство стеклоделия находилосьна большой высоте и где были созданы стеклянныеизделия, относящиеся к выдающимся образцам мирового искусства (например,находящаяся в Британском музее Портландская ваза).В римское время стекло было впервые использовано в качестве оконного материала. После падения Западной Римской империи(конец5 в.) центр стеклоделияперемещается в Византию, где, в частности, быстроразвивается особый вид художественного производства— выплавка цветного непрозрачногостекла (смальты) для смальтовоймозаики, сменившей в раннем средневековье античную каменную мозаику.

    На Руси стеклоделиебыло значительно развито в домонгольскийпериод. В Киеве, в слоях11—13 вв.,раскопками вскрыты большие стекольные мастерские, в частности мастерскиестеклянных браслетов, бывших тогда модным женским украшением во всех русскихгородах. Такая мастерская была обнаружена и прираскопках в Костроме. С11 в, на Русиразвилось производство смальты для монументальных мозаик, Монголо-татарское нашествиепрервало стекольное производство на Руси, которое возобновилосьтолько в17 в. В средние века мозаика из смальты создаваласьв ряде центров Грузии (например,знаменитая мозаика12 в. в Гелати). Высокого уровня развития достигло стеклоделиев средние века в Египте, где его традиции не прерывались с древних времён. Стекло изготовлялось и в других странах Востока,например, в12—14 вв. производством стеклянныхизделий с росписью эмалями славилась Сирия. Встранах Западной Европы в средние века развивает-1скусство витража  — картинили орнаментальныхкомпозиций из цветного стекла. Фигурно вырезанныестекла скреплялись свинцовыми перемычками ивставлялись в оконные проёмы зданий. Появляютсяпервые опыты росписи витражей нами, закрепленными обжигом. Контуры заливалисьтемно-коричневой краской (шварцлотом),преобладавшей и в самой росписи. В14 в. начнется применяться желтая краска, в состав которой входитсеребро. Ею покрывали большие участкистекла и это давало возможностьувеличить размеры отдельных частей витража и уменьшить число и длину новых перемычек. Расцвет искусства средневековых витражей приходится на13—14вв.

   Ведущаяроль Византии в развитиистеклоделия сохраняется до13 в., когда главным центром производства стекла в Европе становится Венеция. Художественное стеклоделие получает здесь интенсивное развитие и достигаетподъёма в15—16 вв… Венецианские мастера изготовляют разнообразнейшие по форме и техникедекоративные сосуды из топкого или окрашенногостекла, туалетныезеркала, ставшие тогда удивительной новостью, бисер, бусы и другиехудожественные стеклянные изделия, пользовавшиесяширочайшей известностью. Изделия из стекларасписывались эмалями, покрывались позолотой,украшались узором из трещинок (кракле), стеклянныминитями. Особой художественнойтонкости достигло венецианское стекло к16веку вместе с тем в16 в., после открытия Америки, (широко развивается промышленность, в частности стекольное производство, в Испании, Португалии, Нидерландах,затем во Франции, Англии и других странах. Здесьстроятся стекольные предприятия, ведущую роль в которых составляют беглые венецианскиемастера, соблазнившие огромными заработками.Развивается стеклоделие в Германии, где традицииэтого производства сохранились, по-видимому, со времён римского властвования. 1612во Флоренции была издана книга  А. Пери, которую можно считать первым научным трудом в областистеклоделия. В ней даны сведения об использованииокисей свинца и бора, а также окиси мышьяка как осветляющегостекло реагента, составы цветных стекол и прочее. Книга эта сделалась надолгоруководством по технологии получения стекла.

  В1615в Англии  предлагается способиспользования угля в качестве топлива для стекловаренныхпечей. Это даёт возможность получать при высокихтемпературах тугоплавкое и термостойкое стекла. В 70-х годах.17 века в Англии был предложен состав стекла сокисью свинца, что повысило показатель светопреломления. Это стекло,отличающееся блеском и радужной игрой, получило распространение и в другихстранах. Со второй половины17 в. первенствопо производству художественного стекла в Европепереходит к Чехии, где начали изготовлять толстостенные сосуды из стекла созначительным содержанием кальция. По своей бесцветности и чистоте это стеклонапоминало горный хрусталь. Большая толщина стенок изделий позволяла производитьособенно глубокую огранку, и в таком виде это стекло,известное под названием богемского хрусталя, получило широчайшую известность.

На Руси новый этапразвития стеклоделия начинается с17 в., когда близМожайска был построен (1635) шведом Елисеем Коэтом первый вРоссии стекольный завод. В1668 былпостроен Измайловский завод под Москвой, в 90-х гг.17 в.— завод у Тайпицких ворот в Москве; до1717 — Ямбургские заводы. Важнейшую роль в дальнейшемразвитии стеклоделия в России сыграл государственный стекольный завод, заложенный ПетромIв первые годы18 века на Воробьевых горах под Москвой и к середине18 в. вместе с Ямбургскимизаводами переведённый в Петербург. Завод этот стал образцом для всех другихстекольных предприятий страны, подлинной школойдля русских мастеров стекольного дела и лабораторией освоения новой техники. В егоработе принимали в разное время участие видные русские специалисты в областиискусства, науки и техники, в их числе М.В.Ломоносов, Т. де Томон,К. И. Росси, А. Н. Воронихин,В.П.Стасов, И. П.Кулибинидр. Русские рабочие—выдающиеся мастера стекольного дела— создавали на этом заводе замечательныепроизведения искусства, изумлявшие всю Европу и хранящиеся сейчас во дворцах имузеях. Выдающуюся роль в развитии научного стеклоделия в России сыграл М, В. Ломоносов. .В1748 он организовал при Петербургской академиипаук лабораторию, в которой проводил опыты с окрашиванием стекла, лично варил смальту, разработав палитруцветной стеклянной мозаики. В1753 им была построена для производствацветного стекла Усть-Рудицкая фабрика (близПетербурга). Из сваренной здесь смальты Ломоносов сам и по его указаниямученики выполнили ряд мозаичных произведений, в числе которых грандиознаяцветная мозаичная картина «Полтавская баталия»(1762—1764). В1764 был основан А.И. Бахметьевым в Никольской-ПестравкеПензенской губернии крупный потому временизавод для производства хрустальной посуды и зеркального стекла (ныне завод«Красный гигант»). Который дает возможностьмассового изготовления относительно крупных изделий из стекла, что даёт начало новой отрасли стеклоделия— производству архитектурно-художественного стеклакак отделочного материала в строительстве главным образом общественных зданий.К этой категории стеклянных изделий можно отнести художественно исполненныеоблицовочные плитки, карнизы, наличники, фризы, колонны, капители,вентиляционные решётки, балясины для лестничных перил и балюстрад, витражи,смальту для мозаики, барельефы, скульптуру. По решению правительства в1939—40 на основе  Ленинградской зеркальной фабрики былорганизован экспериментальный завод художественного стекла,который должен служить базой для изыскания путейдальнейшего усовершенствования советского   художественного стеклоделия.

В СССР развернулосьстроительство крупных механизированных новыхстекольных заводов и реконструкция старых заводов. Накануне ВеликойОтечественной войны стекольная промышленностьвыдвинулась по объёму производства на 1-е место в Европе (с 11-го, какоезанимала Россия в1913).

Основы современной технологии стекла.

Технология получения стекла состоит из двухпроизводственных циклов. Цикл  технологии стекломассы включает операции:

  а)подготовки сырых материалов;

  б)смешивания их в определённых соотношениях, всоответствии с заданным химическимсоставом стекла в однородную шихту;

  в)варки шихты в стекловаренныхпечах для получения однородной жидкой стекломассы. 

Циклтехнологии получения стеклянных изделий складывается из операций:

  а) доведения стекломассы дотемпературы (и вязкости), требуемойусловиями формования из неё разнообразных стеклянных изделий;

  б)формования изделий;

  в)постеленного охлаждения изделий до комнатной температуры с целью ликвидации возникающих в процессеформования напряжений;

  г) термической, механической или химической (в отдельности либо во взаимномсочетании) обработки отформованных изделий для придания им заданных свойств.

 Сырыематериалы, применяемые для стекловарения,делятся на главные и вспомогательные. Послед-ре служат для улучшениякачества стекла и получения стекла с особыми свойствами. Главные сырые материалы содержаткремнезём, борный и фосфорный гидриды, амфотерную окисьалюминия, оксиды елочных и щёлочноземельных металлов, окись свинца, цинка и др. Кремнезём, являющийся главнойчастью стекла, вводится в виде молотого кварца. Пригодность песка для стекловарения определяется содержанием в нём примесей и гранулометрическим(зерновым) составом. Вреднымипримесями являются прежде всего соединение железа и хрома,придающие желтовато-зелёный зеленый цвета. Размер зёрен песка для стекловарениядолжен находиться в пределах примерно0,2—0,5 мм.Окись алюминия, применяемая в производствебольшинства промышленных стекол.,вводитсяс глиной, каолином, гидратом окиси алюминия или в виде чистого глинозёма. Окисьнатрия вводится с одной кальцинированной содой либо(частично) с селитрой. Окись калия вводится в видесолей— кислой  или азотнокислой (селитра); применяетсяглавным образом в производство посуды, цветных,оптических и некоторыхтехнических стекол. Окись лития используется при выработке опаловых и некоторыхспециальных стекол и даётся в виде содержащих литийминералов. Окись кальция вводится преимущественно в видемела или известняка; окись магния— ввиде доломита, магнезита или жжёной магнезии. Окись барияприменяется в виде углекислого,азотнокислого и (роже) сернокислого бария; используется при производстве оптическихстекол и хрусталя. В тех же производствах находит применение окись свинца, котораявводится в виде сурика или глёта. Окись цинка даётся как таковая или в виде цинковых белил; применяется в производствооптических, химико-лабораторных и некоторых другихстекол. В стекловарении используются также материалы, содержащие одновременно соответственныегорные породы, доменный шлак, стеклянный бой и др.

Квспомогательным  сырым  материаламотносятся осветлители, обесцвечиватели, красители, глушители, а также восстановители(углеродистые вещества).В качество осветлителей, способствующихудалению из стекла пузырей,применяют в небольших количествахсульфаты натрия и аммония, хлористый натрий, трёхокисьи пятиокись мышьяка в сочетании с селитрой,плавиковый шпат. Некоторые из этих веществодновременно являются обесцвечивателями. Химическоедействие обесцвечивателейсводится к окислению в стекло соединений железа. При применении физического методов обесцвечивания в шихту вводятся внезначительных количествах вещества, окрашивающиестекломассу в дополнительный к зелёному цвет (селен, соединения кобальта, марганца и др.). В качествекрасителей применяют соединения кобальта, никеля,железа, хрома, марганца, селена, меди, урана, кадмия, серу, хлорное золото и др. Рассеивающиесвет, т. е. белые, мало прозрачные стекла называются глухими илизаглушенными. В зависимости от степени глушения различают молочные (наиболее заглушенные), опаловые и опалесцирующиеС. В качестве глушителей применяются различныефтористые соединения, фосфаты, соединения сурьмы,олова и др.

Подготовка сырыхматериалов заключается в сушке, измельчении вдробилках, бегунах или дезинтеграторах,просеивании и смешивании в. определённых весовыхотношениях. Однородная смесь сырых материаловсоставляет шихту. Однородность шихты, от которой взначительной мере зависит качество стекломассы, определяется гранулометрическим, составом сырых материалов, степенью их увлажнения, постоянством их химическогосостава, способом и продолжительностью перемешиванияшихты и др. На стекольных заводах чаще всего применяют тарельчатые либо конусные барабанные смесители. Накрупных заводах шихту хранят в бункерах. Наибольшая однородность шихты достигается при её брикетировании, которое исключает расслоение шихты при хранении иособенно передвижении, а также устраняет загрязнение пылью регенератора и уменьшает износв печах огнеупоров. Расчёт шихты ведётся обычно на100 весовых частей С., с учётомчастичного улетучивания некоторых составных частей— борной кислоты, щелочей, фтора и др.

Стекловарение ведётся при температурахпорядка1400°—1600°. В нём .различают три стадии.Первая стадия— провар, или варка всобственном смысле слова, когда происходит химическое взаимодействие между составными частями шихты и образование вязкоймассы. Так как при нагреваниииз шихты обильно выделяются газы, то в вязкой массе оказывается огромное количество пузырьков. Во второйстадии, называемой очисткой или осветлением, происходит удаление пузырьков, а также растворениееще оставшихся нерастворёнными зёрен песка; в этойстадии стекло выдерживается в печи в течение нескольких часов при наиболее высокой температуре. Третья, заключительная,стадия— т. и.студка стекломассы, когда онаохлаждается до такой температуры (в зависимости отпроцесса производства и, следовательно,вязкости), при которой становится возможным и наиболее удобнымизготовлять из неё те или иные изделия. Варка стекла производится встекловаренных печах. Выбор того или иного типа печи обусловливается видом применяемого топлива, ассортиментом вырабатываемых изделий, размерами производства и прочее. Управлениесовременной стекловареннойпечью строго контролируется и в значительной мереавтоматизировано. Контроль доведён до высокой степени точности. Например, давление (разрежение) газов в рабочемпространстве печи измеряется с точностью до0,02мм водяногостолба, уровень стекломассы— с точностью до0,1 мм и т. д.Автоматически регулируются: давление (тяга) в печи;соотношение газообразного или жидкого топлива ивоздуха; количество подаваемого в печь топлива; уровеньстекломассы в ванне и другие параметры. Каждый изних влияет на температуру в печи, поэтому, регулируя их в совокупности, можнообеспечить постоянство температурного режима варкистекломассы и, следовательно, надлежащее её качество.

Процесс варки стекланекоторых видов, напримероптического, кварцевого, стеклянного волокна, отличается специфическимиособенностями. Так, при производстве оптического стекла, к которому предъявляются особо жёсткиетребования в отношении постоянства оптических свойств, однородности,прозрачности и прочее, требуется на всех стадиях варки длительное размешивание массы. Всвязи с очень большой её вязкостью и применением высоких температур своеобразна техника варкикварцевого стекла. Прозрачное кварцевое стекло изготовляется изгорного хрусталя в графитовых тиглях, разогреваемыхпод вакуумом до1900°—2000° индукционнымитоками высокой частоты, либо прямым пропусканием электрическоготока (электропроводность стекла значительновозрастает при повышениитемпературы). В конце варки в печь впускают воздух под атмосферным или повышенным (от компрессора)давлением. Другой способ варки этого стекла— сплавлениекварцевого порошка в пламени кислородно-водородной  горелки. Непрозрачное кварцевое стекло получаетсяпутём оплавления кварцевогопеска на угольном или графитовом стержне,разогретом электрическим током до1800°.

Формование (иначе—выработка)стеклянных изделий изстекломассы на протяжении тысячелетий производилось вручную.Значительно эффективнее ручного машинноеформование. В зависимости от вида вырабатываемых изделийна практике используют несколько способов формования. Прессование применяется в производстве некоторых видов посудных изделий(чайные стаканы, пивные кружки, маслёнки, сахарницы и т. п.), стеклянной тары, архитектурныхдеталей и др. Оно может быть как ручным, так имашинным. Для ручного прессования служат пружинные или эксцентриковые прессы. Как ни разнообразны конструкции ручных имашинных прессов, все они имеют три основные формующие детали: форму (матрицу)с поддоном, пуансон и съёмное формовое кольцо. Первая деталь определяет внешнююформу изделия, втораявнутреннюю, третьякрайизделия. Выдувание—специфический метод формования,применяемый в технике только к стеклу. Возможности этого метода весьмашироки: производство сортовой (столовой) посуды, узкогорлой тары,электровакуумных изделий и т. д. При производственемассовых изделий до сих пор применяется ручной способ выдувания. Основныминструментом рабочего выдувальщика является стеклодувная трубка. В течение долгой истории стеклоделиявыдувание производилось ртом, ныне сконструированы и применяются «трубки-самодувки». Прессовыдувание применяется в машинном производстве широкогорлойстеклянной тары (банки различных типов). Предварительная заготовка иформование горла изделия производятся при этом способе прессованием (в черновой форме), а остальная часть изделия— выдуванием (вчистовой форме). Вытягивание изделий из стекломассы, как и выдувание,— своеобразный метод формования, применимый только к таким весьма вязким материалам, как стекло,притом с вязкостью, быстро возрастающей при понижении температуры. Методом вытягивания на различных машинах (разными способами) изготовляются: оконное и техническое листовое стекло,стеклянные дроты (трубки малого диаметра), трубы,стержни, стеклянное волокно. Прокатка стекла в её современном виде заключается втом, что струя стекломассы непрерывно поступает из печи в пространство междувращающимися вальцами, где и прокатывается в ленту, убираемую транспортёром.Методом непрерывной прокатки изготовляется листовое сткло, различных видов, преимущественно строительное, толщиной в3 мми больше: армированное (стекло с закатанной в него металлической сеткой), узорчатое, волнистое (имеющее форму кровельного шифера) и др. Прокаткаприменяется также в производстве стеклянных труб: стекломасса непрерывно поступает на вращающийся вал иразвальцовывается двумя роликами; внутренний диаметр трубы определяется диаметром формующего вала. Отливка стеклянных изделий в формы встречаетсяна практике редко; так изготовляются, например, крупные диски для астрономических приборов. Ведутсяопыты по отливкефасонных труб с раструбами и фланцами в быстро вращающиесяформы (способ центробежного литья). Моллирование— способ образования изделий в формах, приподаче в них стекла в виде твёрдых кусков. В результате постепенного нагреваниястекла становится вязким и заполняет форму под действием либо собственного веса, либо внешнегоусилия (прессование). Моллированием формуютсязаготовки из оптического стекла и крупнаястеклянная скульптура.

Отжиг отформованных,еще горячих изделий служит для предотвращения возникновения в нихвнутренних неравномерных напряжении, появляющихся при быстром охлаждении на воздухе и вызывающих самопроизвольное растрескивание стекла.Отжиг сводится к выдерживанию изделий в течение некоторого времени при температуре, близкой ктемпературе размягчения стекла,и к последующему медленномуохлаждению их по определённому режиму. Отжигпроизводится в отжигательных печах непрерывного илипериодич. действия. Длительность отжигаопределяется толщиной (массивностью) изделий до нескольких месяцев (астрономич, объективы). Не требуют отжига только некоторые тонкостенные изделия, например дроты, колбы(оболочки) для электрич, ламп и т. п.

Закалкастекла— операция,обратная отжигу. Её назначение— создатьв изделиях сильные равномерно распределённые напряжения. Закалённые изделия термически и механически гораздо более прочны, чем отожжённые. В результате закалки получаетсянебьющееся стекло, при