Литье стекла: анализ процессов, технологий и областей применения

История литье стекла уходит корнями в глубокую древность, когда мастера овладели искусством изготовления стеклянных изделий методом выдувания и формовки. С наступлением промышленной революции и развитием технологий техника литье стекла получила значительное развитие.

Современная технология литье стекла включает в себя не только традиционные методы выдувания и каландрирования, но и многие передовые процессы, такие как производство флоат-стекла, центробежное литье и прецизионная формовка. Развитие этих технологий привело к расширению спектра применения стеклянных материалов, без которых не обходится ни одно изделие — от повседневных предметов быта до высокотехнологичного оборудования.

В этой статье мы рассмотрим определение и значение литье стекла, принципы и процесс, технологию литья специального стекла, передовую технологию литье стекла, анализ областей применения и другие сопутствующие материалы.

1. Определение и значение литье стекла

Литье стекла — это технология, при которой стекло формируется путем нагревания до расплавленного состояния и последующего заливания в форму для охлаждения. Эта техника играет важную роль в современной промышленности, особенно в области архитектуры, электроники, медицины и искусства. Технология литье стекла позволяет не только производить изделия сложной формы и точных размеров, но и реализовывать различные специальные оптические и физические свойства путем изменения состава стекла и параметров процесса.

2. Принцип и процесс литье стекла

Литье стекла — это древняя и превосходная техника, основной принцип которой заключается в том, чтобы расплавить сырой стеклянный материал до жидкого состояния с помощью высокой температуры, затем влить его в форму и сформировать желаемую форму после охлаждения. Ниже перечислены основные процессы литье стекла:

(1) Плавление стекла

1) Подготовка сырья:

Основными сырьевыми материалами для производства стекла являются кварцевый песок, кальцинированная сода и известняк. В зависимости от типа и свойств требуемого стекла в него могут добавляться другие ингредиенты, например оксиды металлов, для получения определенных цветов или свойств.

2) Смешивание и предварительный нагрев:

Ингредиенты смешиваются в точных пропорциях и предварительно нагреваются при высокой температуре, чтобы вода из ингредиентов испарилась, а некоторые из них вступили в химическую реакцию.

3) Плавление:

Предварительно нагретое сырье помещается в печь и расплавляется в однородное жидкое стекло при температуре от 1500°C до 1600°C. Процесс происходит одновременно в печи. Этот процесс включает в себя две основные стадии: образование силикатов и формирование стекла. На стадии образования силикатов компоненты сырья вступают в твердофазную реакцию, в результате которой образуется смесь силикатов и кремнезема. На стадии формирования стекла эти смеси переплавляются в прозрачную стеклянную жидкость.

(2) Формование стекла

Формование — это процесс придания жидкому стеклу желаемой формы и размера. К распространенным методам формовки стекла относятся прессование, выдувание, рисование и литье.

1) Метод нажатия:

Расплавленный стеклянный материал забирается и перехватывается в определенном количестве, помещается в форму, и стекло прессуется в форме благодаря взаимодействию сердечника формы и кольца формы.

2) Метод обдува:

Собранное стекло прокатывается в тарелке или чаше галтовочного станка, образуя стеклянную массу, которая затем выдувается через выдувной аппарат, образуя полый пузырь, а затем формируется с помощью ручных инструментов.

3) Метод вытягивания:

Подходит для производства листового стекла, когда жидкое стекло вытягивается из печи и формуется в плоские листы с помощью оборудования, например, роликов.

4) Метод заливки:

Стеклянная жидкость впрыскивается непосредственно в форму, что подходит для изготовления стеклянных изделий сложной формы.

Процесс использования метода литья заключается в следующем:

① Подготовка формы:

Форма предварительно изготавливается в соответствии с формой и размером требуемого изделия. Материал формы должен быть устойчив к высоким температурам, например, металл или огнеупор.

② Впрысните расплавленную жидкость:

Расплавленная стеклянная жидкость впрыскивается в заранее подготовленную форму. Метод впрыска может быть гравитационным, литьем под давлением, центробежным и т.д.

③ Охлаждение и отверждение:

Жидкое стекло постепенно охлаждается и застывает в форме. Скорость охлаждения влияет на конечную структуру и свойства стекла.

(3) Отжиг стекла

1) Обработка отжигом:

Свежеотформованные стеклянные изделия подвержены внутренним термическим напряжениям, которые могут привести к разрыву изделия при непосредственном охлаждении. Поэтому требуется отжиг. Отжиг — это процесс медленного охлаждения стеклянного изделия, обычно в печи для отжига.

2) Снятие стресса:

В процессе отжига напряжения в стекле постепенно снимаются, придавая ему более стабильную структуру. Этот процесс достигается за счет контроля скорости охлаждения, которое обычно осуществляется в диапазоне температуры трансформации стекла.

3) Окончательное охлаждение:

После отжига стеклянное изделие может быть дополнительно охлаждено до комнатной температуры. В этот момент стеклянное изделие уже имеет желаемую форму, размер и свойства для последующей обработки или использования. Отожженные стеклянные изделия не только обладают повышенной прочностью и стабильностью, но и улучшают свои оптические и механические свойства.

Резюме:

Благодаря этим трем основным этапам стекло превращается из сырья в изделия с определенными формами и свойствами, которые широко используются в архитектуре, декоре, искусстве и промышленности. Постоянный прогресс технологии литье стекла также предоставляет больше возможностей для инноваций и применения стеклянных изделий.

3. Технология литья специального стекла

(1) Оптическое стекло

1） Характеристики и область применения

Оптическое стекло используется в производстве точных оптических приборов, таких как линзы и телескопы, и его состав значительно отличается от состава обычного стекла, обычно в нем содержится больше элементов, таких как оксид свинца и оксид бария, для улучшения показателя преломления и оптической прозрачности стекла. Литье оптического стекла требует особой точности и чистоты и обычно осуществляется в строго контролируемой среде для обеспечения стабильных оптических свойств.

2) Анализ процесса литья

Процесс литья оптического стекла требует особого внимания к чистоте материала и точности процесса. В процессе плавления необходимо строго контролировать температуру и время, чтобы обеспечить однородность и отсутствие пузырьков в стеклянной жидкости. В процессе формовки обычно используются такие методы, как прецизионные формы и заливка под высоким давлением, чтобы обеспечить точность размеров и качество поверхности изделия. В процессе отжига требуются специальные процессы отжига для устранения внутренних напряжений и повышения стабильности и надежности оптических свойств.

(2) Микрокристаллическое стекло

1） Характеристики и область применения

Микрокристаллическое стекло образуется путем управления процессом кристаллизации стекла и обладает очень высокой механической прочностью и термостойкостью. В процессе производства при определенных температурах внутри стекла образуются мельчайшие кристаллы, наличие которых придает стеклу новые физические и химические свойства. Микрокристаллическое стекло широко используется в архитектурной и электронной промышленности, поскольку оно не только эстетично, но и долговечно.

2) Анализ процесса литья

Процесс литья микрокристаллического стекла включает три основных этапа: плавление, формовку и термообработку. В процессе плавления сырьевые материалы необходимо смешать в определенной пропорции, а затем расплавить при высокой температуре, чтобы образовалась однородная стеклянная жидкость. В процессе формования стеклянная жидкость заливается в форму для охлаждения и формирования. Термообработка является ключевым этапом в производстве микрокристаллического стекла. Контролируя температуру и время термообработки, можно вызвать образование мелких кристаллов внутри стекла, что повышает механическую прочность и термостойкость стекла.

(3) Стеклокерамика

1） Характеристики и область применения

Стеклокерамика сочетает в себе свойства стекла и керамики с превосходными механическими характеристиками и термической стабильностью. Она производится путем добавления в стекло специальных кристаллизующих веществ и последующей термообработки стекла для образования мельчайших керамических кристаллов. Стеклокерамика находит применение в кухонной утвари и медицинских имплантатах благодаря своей способности сохранять стабильность и не разрушаться при высоких температурах.

2) Анализ процесса литья

Процесс литья стеклокерамики аналогичен процессу литья микрокристаллического стекла, который также включает три основных этапа — плавление, формовку и термообработку, поэтому выше показан конкретный процесс литья микрокристаллического стекла.

4.Передовая технология литье стекла

(1) Применение компьютерного моделирования при литье стекла

Использование компьютерного моделирования при литье стекла позволило значительно оптимизировать производственные процессы и сократить потери материалов. Проводя виртуальные эксперименты с помощью современного программного обеспечения, производители могут предвидеть и решать возможные проблемы еще до начала производства. Например, моделирование течения стеклянной жидкости в форме позволяет эффективно избежать образования пузырьков и трещин и повысить выход продукции. Кроме того, компьютерное моделирование помогает оптимизировать процесс нагрева и охлаждения и снизить потребление энергии.

(2) Технология тонкого литья

Технология тонкого литья — это ключ к повышению качества стеклянных изделий. Передовое литейное оборудование позволяет точно контролировать температуру и давление для производства стеклянных изделий с точными размерами и гладкой поверхностью. Новые технологии, такие как литье под высоким давлением и прецизионное литье под давлением, позволяют создавать изделия из стекла сложной формы и отвечают требованиям высокоточных приложений, таких как оптические приборы и высококлассное электронное оборудование. Технология точного литья не только повышает конкурентоспособность продукции, но и открывает возможности для использования стекла в более широком спектре применений.

(3) Меры по охране окружающей среды и энергосбережению

Охрана окружающей среды и энергосбережение являются важными направлениями развития современной технологии литье стекла. Применение новых технологий значительно сокращает выбросы отходящих газов, сточных вод и твердых отходов. Например, использование электрической плавильной печи вместо традиционной топливной не только снижает потребление энергии, но и уменьшает выброс вредных газов. Кроме того, переработка отработанного стекла стала отраслевой тенденцией: на каждую тонну переработанного стекла можно сэкономить около 0,58 тонны кварцевого сырья и сократить выбросы углекислого газа на 0,7 тонны. Благодаря этим мерам индустрия литье стекла постепенно переходит на «зеленое» производство.

5. области применения технологии литье стекла

Технология литье стекла имеет широкий спектр применения во многих областях, ниже перечислены основные области применения и особенности их использования:

(1) Строительство:

Технология литье стекла в основном используется в строительной сфере для производства архитектурного стекла, например, стеклянных навесных стен, дверных и оконных стекол. Эти стеклянные изделия не только имеют красивый внешний вид, но и обладают хорошей светопропускной способностью, теплоизоляцией и звукоизоляцией, что позволяет повысить общий комфорт здания и эффективность энергосбережения. Кроме того, технология литье стекла может также производить архитектурное стекло со специальными функциями, такими как самоочищающееся стекло, стекло с затемнением и т.д., чтобы удовлетворить потребности различных архитектурных проектов.

(2) Электроника:

В электронной промышленности технология литье стекла используется для производства различных электронных устройств отображения информации, таких как жидкокристаллические дисплеи, плазменные дисплеи и органические светодиоды. Для обеспечения качества и производительности этих дисплеев требуются высокоточные стеклянные подложки и прецизионные процессы литья. Кроме того, технология литье стекла может быть использована для производства электронных упаковочных материалов, таких как упаковка интегральных схем и полупроводниковых чипов. Эти материалы должны обладать высокой чистотой, высокой прочностью и хорошей герметичностью, чтобы защитить электронные компоненты от воздействия внешней среды.

(3) Медицинские и оптические приборы

Технология литье стекла также широко используется в области медицины и оптических приборов. Например, она может использоваться для производства высокоточных оптических компонентов, таких как оптические линзы, призмы и зеркала, которые являются ключевыми компонентами медицинского оборудования, такого как микроскопы, телескопы и эндоскопы. Кроме того, технология литье стекла может использоваться для производства медицинских контейнеров и посуды, таких как пробирки и чашки Петри, которые должны обладать высокой чистотой и хорошей химической стабильностью для удовлетворения потребностей медицинских экспериментов и диагностики.

(4) В области произведений искусства и предметов декора:

Технология литье стекла также широко используется в области художественных работ и декораций благодаря уникальному оптическому эффекту и художественной выразительности стеклянного материала. Художники могут использовать технологию литье стекла для создания разнообразных форм, красочных произведений искусства и скульптур. Кроме того, технология литье стекла может быть использована и для производства домашних украшений, таких как стеклянные вазы, лампы и фонари, эти изделия не только красивы и практичны, но и повышают качество домашней жизни.

6. Резюме

В целом, технология литье стекла имеет широкий спектр применения в области архитектуры, электроники, медицинских и оптических приборов, а также художественных и декоративных изделий. Благодаря непрерывному научно-техническому прогрессу и инновациям области применения технологии литье стекла будут расширяться, принося все больше инновационных продуктов и решений для различных отраслей промышленности.