Флоат-стекло: технология производства и история развития.

Введение

Материал; тип стекла

Флоат-стекло – это лист стекла, изготовленный методом заливки расплавленного стекла на слой расплавленного металла с низкой температурой плавления, обычно олова, хотя в прошлом для этого процесса использовался свинец. Этот метод обеспечивает листу равномерную толщину и очень плоскую поверхность. Процесс производства флоат-стекла также известен как процесс Pilkington, названный в честь британского производителя стекла Pilkington, который впервые внедрил эту технологию в 1950-х годах на своем производственном предприятии в Сент-Хеленсе, Мерсисайд. Современные окна обычно изготавливаются из флоат-стекла, хотя компания Corning Incorporated использует метод вытягивания из перелива. Большинство флоат-стекла представляет собой содово-известковое стекло, хотя относительно небольшие объемы специального боросиликатного и стекла для плоских панелей также производятся с использованием технологии флоат-стекла.

История

До XVI века оконное стекло или другое плоское стекло обычно вырезалось из больших дисков (или ронделей) коронного стекла. Более крупные листы стекла изготавливались путем выдувания больших цилиндров, которые разрезались и расплющивались, а затем делились на панели. Большинство оконного стекла в начале XIX века производилось цилиндрическим способом. Эти "цилиндры" были длинными и имели определенный диаметр, что ограничивало ширину, на которую можно было разрезать стеклянные панели, и приводило к тому, что окна делились поперечинами на прямоугольные секции. Первые успехи в автоматизации производства стекла были запатентованы в 1848 году Генри Бессемером. Его система производила непрерывную ленту плоского стекла, формируя ее между роликами. Этот процесс был дорогостоящим, поскольку поверхности стекла требовали полировки. Если бы стекло можно было уложить на совершенно гладкую и плоскую поверхность, например, на поверхность открытой емкости со спокойной жидкостью, это значительно снизило бы затраты. Предпринимались попытки формировать плоское стекло в ванне с расплавленным оловом — одной из немногих жидкостей, плотность которой выше, чем у стекла, и которая оставалась бы спокойной при высоких температурах, необходимых для производства стекла, особенно в США. Было выдано несколько патентов, но в то время этот процесс оказался неработоспособным. До разработки флоат-стекла большие листы листового стекла изготавливались путем отливки большой лужи стекла на железную поверхность, а затем полировки обеих сторон, что было дорогостоящим процессом. Начиная с начала 1920-х годов, непрерывная лента листового стекла пропускалась через длинную серию встроенных шлифовальных и полировальных машин, что снижало потери стекла и его стоимость. Стекло более низкого качества, вытяжное стекло, изготавливалось путем вытягивания вверх из бассейна расплавленного стекла тонкого листа, удерживаемого по краям роликами. По мере охлаждения поднимающийся лист затвердевал и мог быть разрезан. Обе поверхности были менее качественными, то есть не такими гладкими и ровными, как поверхности флоат-стекла. Этот процесс продолжал использоваться в течение многих лет после разработки флоат-стекла. В период с 1953 по 1957 год на заводе Cowley Hill Works в Сент-Хеленсе, Ланкашир, сэр Аластер Пилкингтон и Кеннет Бикерстафф из британской компании Pilkington Brothers разработали первое успешное коммерческое применение для формирования непрерывной ленты стекла с использованием ванны с расплавленным оловом, на которой расплавленное стекло свободно течет под действием силы тяжести. Успех этого процесса заключался в тщательном балансе объема стекла, подаваемого в ванну, где оно выравнивалось под собственным весом. Первые полномасштабные прибыльные продажи флоат-стекла были достигнуты в 1960 году, а в 1960-х годах технология была лицензирована по всему миру, заменив предыдущие методы производства.

Until the 16th century, window glass or other flat glass was generally cut from large discs (or rondels) of crown glass. Larger sheets of glass were made by blowing large cylinders which were cut open and flattened, then cut into panes. Most window glass in the early 19th century was made using the cylinder method. The 'cylinders' were long and in diameter, limiting the width that panes of glass could be cut, and resulting in windows divided by transoms into rectangular panels. The first advances in automating glass manufacturing were patented in 1848 by Henry Bessemer. His system produced a continuous ribbon of flat glass by forming the ribbon between rollers. This was an expensive process, as the surfaces of the glass needed polishing. If the glass could be set on a perfectly smooth, flat body, like the surface of an open pan of calm liquid, this would reduce costs considerably. Attempts were made to form flat glass on a bath of molten tin—one of the few liquids denser than glass that would be calm at the high temperatures needed to make glass—most notably in the US. Several patents were granted, but this process was unworkable at the time. Before the development of float glass, larger sheets of plate glass were made by casting a large puddle of glass on an iron surface, and then polishing both sides, a costly process. From the early 1920s, a continuous ribbon of plate glass was passed through a lengthy series of inline grinders and polishers, reducing glass losses and cost. Glass of lower quality, drawn glass, was made by drawing upwards from a pool of molten glass a thin sheet, held at the edges by rollers. As it cooled the rising sheet stiffened and could then be cut. The two surfaces were of lower quality i. e. not as smooth or uniform as those of float glass. This process continued in use for many years after the development of float glass. Between 1953 and 1957, at the Cowley Hill Works St Helens, Lancashire, Sir Alastair Pilkington and Kenneth Bickerstaff of the UK's Pilkington Brothers developed the first successful commercial application for forming a continuous ribbon of glass using a molten tin bath on which the molten glass flows unhindered under the influence of gravity. The success of this process lay in the careful balance of the volume of glass fed onto the bath, where it was flattened by its own weight. Full scale profitable sales of float glass were first achieved in 1960, and in the 1960s the process was licensed throughout the world, replacing previous production methods.

Производство

Для изготовления флоат-стекла используются обычные сырьевые материалы, обычно состоящие из песка, соды (карбоната натрия), доломита, известняка и сульфата натрия и т. д. Другие материалы могут использоваться в качестве красителей, осветлителей или для регулирования физических и химических свойств стекла. Сырье смешивается в периодическом процессе, затем вместе с контролируемой долей стеклобоя подается в печь, где нагревается до температуры приблизительно 1500 °C. Обычные флоат-печи имеют ширину 9 м и длину 45 м и вместимость более 1200 тонн стекла. После плавления температура стекла стабилизируется примерно до 1200 °C для обеспечения однородной плотности. Расплавленное стекло подается в "оловянную ванну" – ванну из расплавленного олова (ширина около 3–4 м, длина 50 м, глубина 6 см) из подающего канала и выливается в ванну через керамический излив, известный как "губа излива". Количество стекла, поступающего на расплавленное олово, контролируется затвором, называемым "твилом". Расплавленное олово подходит для процесса производства флоат-стекла, поскольку его плотность выше, чем у стекла, поэтому расплавленное стекло плавает на его поверхности. Его температура кипения выше температуры плавления стекла, а давление паров при рабочей температуре низкое. Однако олово окисляется в естественной атмосфере с образованием диоксида олова (SnO2). В процессе производства этот диоксид олова, известный как "шлак", прилипает к стеклу. Для предотвращения окисления оловянная ванна поддерживается под положительным давлением защитной атмосферой из азота и водорода. Стекло стекает на поверхность олова, образуя плавающую ленту равномерной толщины с идеально гладкими поверхностями с обеих сторон. По мере движения стекла по оловянной ванне температура постепенно снижается с 1100 °C до примерно 600 °C, после чего лист можно поднять с оловянной поверхности на ролики. Стеклянная лента снимается с ванны роликами с контролируемой скоростью. Изменяя скорость потока и скорость роликов, можно получать стеклянные листы различной толщины. Верхние ролики, расположенные над расплавленным оловом, могут использоваться для контроля толщины и ширины стеклянной ленты. После выхода из ванны стеклянный лист проходит через отжиговую печь длиной около 100 м, где он постепенно охлаждается для снятия внутренних напряжений и предотвращения растрескивания при изменении температуры. Покинув "холодный конец" печи, стекло разрезается машинами.

Float glass uses common glass making raw materials, typically consisting of sand, soda ash (sodium carbonate), dolomite, limestone, and salt cake (sodium sulfate) etc. Other materials may be used as colourants, refining agents or to adjust the physical and chemical properties of the glass. The raw materials are mixed in a batch process, then fed together with a controlled proportion of cullet (waste glass) into a furnace, where it is heated to approximately 1500 °C. Common float glass furnaces are 9 m wide and 45 m long and have capacities of more than 1200 tons of glass. Once molten, the temperature of the glass is stabilised to approximately 1200 °C to ensure a homogeneous density. The molten glass is fed into a "tin bath", a bath of molten tin (about 3–4 m wide, 50 m long, 6 cm deep), from a delivery canal and is poured into the tin bath by a ceramic lip known as the spout lip. The amount of glass allowed to pour onto the molten tin is controlled by a gate called a tweel. Molten tin is suitable for the float glass process because it has a higher density than glass, so the molten glass floats on it. Its boiling point is higher than the melting point of glass, and its vapour pressure at process temperature is low. However, tin oxidises in a natural atmosphere to form tin dioxide (SnO2). Known in the production process as dross, the tin dioxide adheres to the glass. To prevent oxidation, the tin bath is provided with a positive pressure protective atmosphere of nitrogen and hydrogen. The glass flows onto the tin surface forming a floating ribbon of even thickness with perfectly smooth surfaces on both sides. As the glass flows along the tin bath, the temperature is gradually reduced from 1100 °C until at approximately 600 °C the sheet can be lifted from the tin onto rollers. The glass ribbon is pulled off the bath by rollers at a controlled speed. Variation in the flow speed and roller speed enables glass sheets of varying thickness to be formed. Top rollers positioned above the molten tin may be used to control both the thickness and the width of the glass ribbon. Once off the bath, the glass sheet passes through a lehr kiln for approximately 100 m, where it is cooled gradually so that it anneals without strain and does not crack from the temperature change. On exiting the "cold end" of the kiln, the glass is cut by machines.

Рынок

По состоянию на 2009 год мировым рынком листового стекла, за исключением Китая и России, доминируют четыре компании: Asahi Glass, NSG/Pilkington, Saint Gobain и Guardian Industries. Среди других компаний – Sise Cam AS, Vitro, ранее PPG, Central Glass, Hankuk (HanGlas), Carlex Glass и Cardinal Glass Industries.