Что происходит во время варки стекла⁠⁠

Здравствуйте товарищи, сегодня мы продолжим погружаться в мир стеклоделия, и постараемся понять, а что происходит во время варки стекла. И как из кучи разнообразных порошков получается такое привычное, для нас, стекло.

Синтез стекол достаточно сложный физико-химический процесс, который можно разделить на несколько этапов: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизация и студка.

За время своей профессиональной деятельности я понял, что если хочешь кому-то объяснить процессы, происходящие в стекловарении или керамическом производстве, то необходимо найти пример, который доступен всем. И тут на помощь приходить кулинария, каждый же или готовил сам, или интересовался, или видел как готовят мамы, папы, братья, сестры, супруги, котики и т.д. Поэтому будем сравнивать с готовкой, если у вас возникнут свои ассоциации и примеры, напишите в комментариях.

Когда готовим, к примеру, супчик нужно подготовить мяско, овощи, сделать зажарку, и все мы берем в определенном количестве, как написано в рецепте. Так и в стекловарении все начинается с сырья. Берем рецепт интересующего нас стекла, берем необходимые компоненты, берем точные весы, и начинаем составление шихты, так мы называем смесь компонентов, из которой варится стекло. Далее берем лаборанта, если нет в наличии, то берем себя, вспоминаем о ТБ, напяливаем респиратор и топаем к вытяжному шкафу, ведь силикоз заработать не хочется… Соблюдая все требования к безопасности, грустный лаборант (в университете несчастный студент), ну или ты сам, должен ОЧЕНЬ хорошо перемешать шихту, чтобы все компоненты равномерно распределились. В противном случае у нас выйдет стекло с кучей проблем.

Все описанное характерно для лабораторных варок в тиглях, шихту смешивают чаще всего в ступке, так удобнее и комочки можно протереть (все как в готовке). Если брать промышленность, то там, чаще всего, все автоматизировано, смешивают шихту в специальных смесителях, к примеру «Пьяной Бочке».

На первом этапе варки у нас происходит силикатообразонание. Для составов оконных стекол, данный этап проходит при нагреве до 1150ᵒС. Что происходит в тигле в этот момент? Сначала начинают плавиться эвтектические смеси (легкоплавкие) и соли, входящие в состав нашей шихты. Эти компоненты, перешедшие в жидкое состояние, запускают череду химических реакций (силикатобразование), в конце образуется плотная спекшаяся масса. Я бы сравнил спек с карамелькой из сахара, которую мы не доделали и среди карамельки есть куски сахара. На фото ниже представлен не до конца сформировавшийся спек. Но видно уплотнение шихты, частично образовавшуюся стеклофазу и непрореагировавшие компоненты.

После силикатообразования у нас идет стеклообразование. На этом этапе проходят последние силикатные реакции, образовавшийся спек начинает плавиться, а силикаты взаимно растворяются. Процесс стеклообразования протекает до температур 1200-1250ᵒС. Фактически стекло уже готово, в древние времена на этом этапе стекловарение и заканчивалось, но стекло было мутное и сложно его назвать достаточно прозрачным. Примерно такое стекло получали на заре стеклоделия в Древнем Египте.

Далее при температуре более 1500ᵒС происходят два очень сложных этапа стекловарения: осветление и гомогенизация.

Осветление необходимо для удаления газов содержащихся в стекле, а их там достаточно много, причем находятся они в двух состояниях: в растворенном (невидимом) и свободном (видимом).

В видимом состоянии газы образуют мелкие и крупные пузыри, а наша задача снизить их количество. Для этого необходимо повысить температуру варки, тем самым снизив вязкость стекла, тогда пузырьку становится легче свалить из стекломассы. Также нам нужны пузырьки побольше, которые будут захватывать мелкие пузырьки, и тащить за собой. Но, повторюсь, процесс очень сложный, и если вязкость будет слишком низкой, то растворенные газы начнут формировать кучу очень мелких пузырьков, которые невозможно убрать, на производстве это называется мошка́.

Это как при варке супа, лучше не максимальный огонь, когда все бурлит и кипит интенсивно, а средний, когда спокойно томится.

Для улучшения процесса осветления применяют специальные добавки, которые при высоких температурах образуют крупные пузыри.

Гомогенизация всегда идет рука об руку с осветлением, ведь ее методы помогают удалению пузырей газов из стекла. Зачем она нужна? Чтобы усреднить стекло, сделать его однородным, ведь не всегда мы хорошо перемешаем шихту, она может расслоиться в процессе транспортировки и засыпки. Само стекло из-за разного прогрева расслаивается по плотности, как в озере на поверхности теплый слой воды имеет ниже плотность, чем холодный на дне и они не сильно смешиваются. Для этого мы и перемешиваем стекло механическим путем: специальной керамической мешалкой, как миксером или с помощью бурления сжатым газами. Оба способа помогают удалению лишних пузырей. И тут опять как с супчиком, помешиваем, чтобы лучше получилось.

Последний этап – это студка. Мы подготавливаем стекломассу к формованию конечного изделия, снижая ее температуру и повышая вязкость, ведь для каждого метода нужна своя вязкость.

Вообще, деление процесса варки на пять этапов достаточно условно. В реальных промышленных печах они накладываются друг на друга и разделить их достаточно сложно, если только процесс силикатообразования можно наблюдать отдельно от остальных. А все остальные этапы были выделены в лабораторных условиях на специальных установках.

Вот такая кухня стекловарения, только температура варки не 100 градусов, а больше тысячи. Причем температуры настолько индивидуальны для каждого стекла, что их подбирают не только по составу, но и по способу варки: в горшковой печи, ванной периодического действия, ванной непрерывного. Ко всему нужен индивидуальный подход, но тем интереснее.

На фото тигель с остатками стекла после выработки, на дне, немного, видно пузырьки и следы непровара из-за плохой гомогенизации. Это характерно для маленьких тигельных варок, поэтому стараются не «слить» грязь со дна. Опять убедился, что стекло очень сложно фотографировать))