Флоат-стекло – описание и характеристики

Еще в начале прошлого плоское стекло создавалось по краун-методу, разработанному сирийскими стеклодувами во II веке н.э. Обладая многими достоинствами, краун-метод имел существенный недостаток – максимальный размер полученных стеклянных дисков не превышал 1,5 м, при этом их середина выбраковывалась. На заводах Pilkington, известного английского производителя стекла, в 1910 году была внедрена технология «стеклянного цилиндра» - при наддуве воздуха компрессорами создавались цилиндры из стекла метрового диаметра и максимально допустимой длины в 13 метров. Примерно в это же время изобретены машины, вытягивающие стеклянные цилиндры механическим способом. Но удешевить продукцию стекольных заводов и сделать ее массовой позволила лишь технология «вертикального вытягивания».

Тянутое листовое стекло

Идея вытягивания плоского стекла из расплава в вертикальном направлении принадлежит английскому инженеру Уильяму Кларку, оформившему патент в 1857 году. Недостаток технологии Кларка заключался в сужении стеклянной ленты при ее вытягивании. Для преодоления сужения стекла были разработаны две технологии производства, получившие названия «безлодочная» (создана в 1871 г. бельгийским инженером Вэллином) и «лодочная» (создана в 1905 г. Эмилем Фурко, инженером-изобретателем из Бельгии).

Вытягивание стекла по «безлодочному» методу ведется из расплава стеклянной массы путем регулирования степени вязкости, обеспечивающего формирование луковицы. Полученная в процессе стеклянная лента ограждалась с обеих сторон и охлаждалась благодаря водяным радиаторам. Чтобы создать края и удержать ленту на производственной линии, по ее краям выставлены ролики с принудительным вращением. Стеклянное полотно, производимое «безлодочным» методом, характеризуется поверхностями достаточно высокого качества, но перепады температур в процессе вытягивания и отсутствие однородности в химическом составе расплава серьезно снижают его оптические свойства.

«Лодочная» технология получила название в честь приспособления, формирующего стеклянное полотно – выполненного из огнеупорных материалов бруса прямоугольной формы, вдоль которого по центру выполнен сквозной вырез. «Лодочка» погружается в расплавленную стеклянную массу и при подъеме вверх через вырез продавливается расплав, образовывая луковицу. После отверждения она захватывается валками тянется между размещенными по обеим сторонам водяными радиаторами, при этом боковые удерживающие ролики вращаются синхронно с проходящим между ними стеклянным полотном. Качество поверхностей листового стекла при этом невысоко – в центре полотна часто образуется полоса, размеры и глубина которой зависят от состояния выреза в «лодочке».

Оба метода вертикального вытягивания стекла используются и сегодня, при производстве окрашенного в массе и бесцветного стекол толщиной 2-12 мм. Их используют для остекления проемов в технических помещениях (чаще всего – в тепличных хозяйствах).

Термополированное стекло

Первым эксперименты по созданию наплывного (англ. float) стекла занимался в 1843 году английский инженер Генри Бессемер. Предложенная им технология – напуск стеклянного расплава по горизонтальной поверхности из жидкого олова – была оценена в те годы, как слишком дорогая и энергоемкая, поэтому в «производство» не пошла.

Открытие одного из современных методов выпуска флоат-стекла совершила компания Pilkington, кстати, сохраняющая лидирующие позиции в стекольной индустрии мира по сей день. Бурное развитие автомобильной промышленности в США и Европе установило высокий спрос на листовое стекло с минимальными оптическими искажениями и прочими дефектами – к примеру, заводы Форда скупали качественную продукцию стеклодувов несмотря на высокие цены.

В попытках следовать устойчивому спросу английский производитель внедрил в 1923 году на своих заводах технологию прокатного стекла – расплав выливался на стол и выравнивался роликами с асбестовым покрытием, затем листы подвергались тщательной шлифовке и полировке. В 1935 году Пилкингтон, совместно с автокомпанией Ford, открывает конвейер по выпуску прокатного стекла с автоматизированной двусторонней шлифовкой стекольной полосы на фабрике в Донкастере (Англия). Отличные оптические качества и прозрачность обеспечивали сбыт стеклопроката несмотря на значительные расценки – производство было очень энергоемким и дорогостоящим из-за 15-20% отхода.

Технологию флоат-стекла, частично базирующуюся на разработках Бессемера, разработал в 1952 году Аластар Пилкингтон, член семьи, владеющей одноименными стекольными фабриками в Великобритании. Получив на экспериментальных установках в 1953-1955 годах листы стекла шириной 300 и 760 мм, компания решается на потенциально убыточный проект – создание линии по производству флоат-стекла шириной 2540 мм. Неудачи с новым проектом, запущенным весной 1957 года, преследовали Пилкингтонов многие месяцы – конкуренты обещали флоат-стеклу 100% провал. Но в январе 1959 года представители английского стекольного концерна объявили об успехе своего проекта и начале выпуска float-glass в промышленных объемах.

Технология производства флоат-стекла

Метод получения термополированного листового стекла в настоящее время лидирует в мировой стекольной промышленности. Он заключается в следующем – полученный в печи расплав стекломассы вводится в широкую ванну, полную расплавленного олова и защищенную от внешней среды газовой смесью азота и водорода. Жидкая масса стекла полностью покрывает поверхность из расплавленного олова за счет поверхностного натяжения и силы тяжести. Результат – практически идеально плоский лист стекла, поверхности которого параллельны друг другу. Если необходимо получить тонкое стекло – стеклянную ленту растягивают, если толстое – растекание стеклянного расплава ограничивается. Обычно флоат-методом выпускают стекло 3-15 мм толщины – можно производить и более тонкие (1-2 мм), а также более толстые (16-25 мм) стеклянные листы, но по строительным нормам требуется именно 3 мм стекла.

Известно три технологических способа получения листового флоат-стекла, которые можно условно назвать английским, советским и американским.

Английская флоат-технология, разработана компанией Pilkington. Расплавленная масса стекла следует по направляющему лотку в ванну, полную жидкого олова, по принципу свободного (гравитационного) слива. Получившая форму стеклянная лента поступает в первую печь (первый вал шлаковой камеры), где отжигается при температурном диапазоне от 600 до 615^оС, затем лента перегибается и выводится над порогом выхода. Дистанция от поверхности расплавленного олова до порога составляет 8-10 мм.

Советская флоат-технология создавалась независимо от англичан, вел ее Государственный институт стекла с 1959 года, две первые производственные линии были внедрены на предприятии «Автостекло» в городе Константиновка (Украина). В отличие от одноэтапного формования листового стекла у компании Пинкингтон, советский флоат-метод состоит из двух этапов. После формовки в ванне с оловом, лента стекла направляется на газовоздушную «подушку», при этом выдерживается температура порядка 650^оС. Перегиба стекольной ленты при этом не происходит – в ванне уровень жидкого олова на 2-3 мм возвышается над порогом. Подъем металла обеспечивают созданные Государственным институтом стекла электромагнитные индукторы. При нахождении полосы стекла на газовоздушной «подушке» осуществляется второй этап ее формования с охлаждением. Стекло приобретает окончательную геометрическую форму, далее его лента поступает в печь отжига по приемным валкам – здесь температура ниже, в пределах 570-580^оС. Советская технология обладает следующими преимуществами по сравнению с английской от Pilkington: достигается большая сохранность нижней плоскости стекла (температура в печи отжига на 25-35^оС ниже, чем у англичан); нижняя поверхность стеклянной ленты получает более высокие характеристики за счет значительной температуры оловянного расплава – она примерно равна 650^оС, т.е. на 50^оС выше, чем по условиям английской флоат-технологии.

Американская флоат-технология, разработанная компанией PPG (Pittsburgh Plate Glass) в 1974 году, также отличается от английского и советского методов. Суть ее в особой конструкции узла слива, по которому стеклянный расплав поступает в ванну из печи – его горизонтальный слой имеет тот же уровень, что и при передаче. В результате стекломасса не растекается по оловянной поверхности подобно луже и не нарушаются ее ламинарные слои, благодаря чему стекло любой толщины обладает качественно высокими показателями с позиции оптики.

Формовка ленты стекла в случае краткосрочного охлаждения приводит к образованию множественных очагов напряженности, снижающих механические характеристики изделия. С целью устранения внутреннего напряжения стекольная лента подвергается повторной температурной обработке – отжигу, обязательно входящему во флоат-технологию.

Стадии проведения отжига:

• доведение нагревом (или, в зависимости от технологии, охлаждением) до температуры отжига. Чтобы не допустить повреждение структуры стекла, выполняется за минимальный срок;
• стеклянная лента выдерживается под температурой отжига до тех пор, пока временные напряжение не будут полностью устранены. Важно при этом поддерживать температуру изделия на уровне, исключающем деформационные процессы, но способствующем максимально быстрой компенсации напряжений;
• постепенное снижение температуры до нижнего предела температуры отжига. Интенсивность охлаждения при этом не должна способствовать развитию новых очагов напряжения;
• охлаждение ленты стекла за кратчайшие сроки, ограничением для которых служит лишь термостойкость изделия.

На завершающей стадии производства готовая стеклянная лента нарезается по заданным размерам и упаковывается, затем направляется на склад готовой продукции.

Типы флоат-стекла

Независимо от толщины прозрачное стекло, полученное флоат-методом, обладает высоким коэффициентом светопропускания (более 88%). При этом флоат-стекло различается на бесцветное и особо прозрачное – по степени цветового оттенка. Чем выше толщина бесцветного флоат-стекла обычного типа, тем больше снижается коэффициент направленного светопропускания, появляется заметный голубоватый или зеленоватый оттенок. В стеклах особо прозрачного типа увеличение толщины практически не влияет на светопропускание. Визуальное отличие между двумя типами термополированного стекла особенно заметно при наблюдении торца стекла – лист бесцветного стекла будет иметь яркий цветовой оттенок в торце, а особо прозрачное стекло такого оттенка либо не имеет вовсе, либо он слабо выражен.

Коэффициент светопропускания также зависит от химического состава, присутствующего в данном листе стекла. А химический состав определяется сырьем, используемым при составлении смеси для отливки стекла. Ведущие мировые производители флоат-стекла применяют в процессе его получения примерно схожее сырье и рецептуры, проводят тщательную подготовку сырья в отношении очистки от любых посторонних примесей. Поэтому их продукция обладает приблизительно схожим коэффициентом направленного пропускания света, однако имеет некоторые визуальные различия по цветовому оттенку.

Окрашенное в массе цветное флоат-стекло, избирательно поглощает и пропускает свет в зависимости от спектра. Из-за свойств поглощения света такие стекла носят название «солнцезащитные», «светозащитные» и т.п. Чем толще цветное стекло – тем хуже оно пропускает свет и тем выше его поглощает. При визуальном наблюдении окрашенные в массе тонкие стекла выглядят светлее, чем толстые. Важно учитывать эту деталь при остеклении цветным флоат-стеклом фасадов, иначе его цветность будет неоднородной.

Интенсивность цвета стекла также связана с химическим составом сырья, используемого при его производстве. Также существует зависимость от качества и количества красителей. Компании, занимающиеся выпуском флоат-стекла, используют в процессе свои рецептурные составы и диапазон расцветок стекла достаточно широк. Но малейшее изменение состава в расплаве стекломассы, причиной которому могут быть самые разные причины технологического характера, часто приводят к заметным различиям в цвете между партиями цветного стекла при полной идентичности данных по производителю, толщине и марке.

Ввиду высокого поглощения солнечного света и, в результате, нагрева, цветные стекла следует с осторожностью использовать в наружном остеклении. К примеру, в условиях неравномерной освещенности – часть стекла находится на солнце, а часть в тени – в нем образуется температурный перепад, часто приводящий к растрескиванию стекла. Учитывая это факт, применение стекол с коэффициентом светопоглощения свыше 25% в остеклении фасадов допускается лишь в том случае, если они упрочненные.

Область применения термополированного стекла

Это основной продукт в строительстве, используемый для перекрытия светопроницаемых конструкций. 70% производимого флоат-стекла подвергается дополнительной обработке – закалке, нанесению покрытий, включается в состав стеклопакетов, из него производятся многослойные стекла и пр.

Бесцветное флоат-стекло широко применяется в остеклении светопрозрачных конструкций, требующих высокого пропускания света. Особо прозрачное термополированное стекло необходимо в тех ситуациях, когда присутствует потребность в одновременно высоком пропускании света и полном отсутствии цветовых оттенков, как-то:

• при построении многослойных стекол для объемных аквариумов, витрин и т.д.;
• при декоративной отделке стекла лаками и красками (иначе цветовой оттенок стекла исказит тональность краски);
• при безрамном ограждении светопроницаемых проемов (кромочная часть не закрывается, лишь подвергается полировке).

Цветное стекло используется при построении внутренних и внешних интерьеров зданий, оно служит своеобразным барьером для избыточного излучения солнца, препятствуя прогреву внутренней атмосферы дома в условиях жаркого климата. Применение окрашенного в массе флоат-стекла с целью преуменьшения солнечных лучей способствует сокращению расходов на кондиционирование дома.