Изготовление стекла
Стекло — это неорганический хрупкий материал, используемый в различных сферах повседневной жизни. Изготавливается из разных материалов, от которых зависят его свойства. Разберем подробнее, как именно устроено производство.
Состав стекла
Стекло выполняется чаще всего из сырья, которое проходит плавление при высоких температурах. Основным компонентом выступает песок, хотя в техническом плане это все-таки кварц или диоксид кремния. К нему добавляют прочие составляющие, например:
- кальцинированная сода;
- доломит;
- известняк;
- стеклобой;
- прочие химикаты.
Для производства стекла осуществляется охлаждение компонентов, которые вначале были расплавлены при температуре от +300 до +2500 градусов. Скорость такая, что не допускается формирования заметных кристаллов. Интересно, что для работы бывает достаточно исключительно и песка, но тогда приходится повышать температуру. Именно по этой причине для модификации используется сода. Например, известняк повышает прочность. Оптимальный состав такой: 75% кремнезема, 10% извести и 15% соды.
Какими могут быть изделия из стекла
Изделия из стекла бывают разными. Условно они делятся на такие группы:
- прозрачные и непрозрачные;
- цветные и бесцветные;
- люминесцированные;
- поглощающие или отталкивающие ультрафиолет.
Неорганическое стекло отличается высокими механическими, химическими и тепловыми характеристиками. Стоит отметить, что, хоть материал и очень чувствителен к повреждениям, сопротивление сжатия у него аналогично таковому у чугуна. Повысить прочность можно при помощи закалки, химической или термической обработок. Благодаря этому устраняются микротрещины, которые возникают под воздействием окружающей среды.
В России производство стекла основывается на следующих процессах:
- подготовка сырья;
- формирование шихты;
- варка;
- охлаждение;
- отжиг и обработка.
Все процессы тщательно отработаны, за счет чего готовые изделия получаются высокого качества.
Этапы производства
Чаще всего стекло изготавливается из таких веществ, как кремнезем, SiO2 и Na2CO3. При производственной необходимости составы могут обогащать дополнительными модификаторами. Для осветления, например, берут сульфаты, хлорид натрия, нитрат аммония и так далее. Перед началом изготовления все компоненты просеивают и сушат. Затем их смешивают, пока масса не станет однородной. При необходимости осуществляется дополнительное измельчение.
Далее шихта отправляется в печь, которая применяется специально для варки стекла. Нагревание позволяет испарить остаточные частички воды. В это время происходит разложение абсолютно всех компонентов. По мере увеличения температуры наступает плавление силикатов. В процессе они формируют непрозрачную массу. Заканчивается этот этап сразу после того, как температура доходит до 1200 градусов. В этот момент стекло приобретает прозрачность.
Далее идет стеклообразование. В ходе этого процесса зерна кварца растворяются в силикатном расплаве, в результате чего возникает однородная масса. Идет это несколько медленно, занимает до 90% времени провара шихты. Когда масса достигает температуры 1500-1600 градусов, происходит удаление газов.
Еще один этап производственного процесса — осветление. Для этого добавляются специальные компоненты, которые способствуют уменьшению поверхностного натяжения стекломассы. Расплав хорошо перемешивают специализированным оборудованием. Вместе с этим процессом проводится гомогенезация.
Завершающий этап — охлаждение. Необходимо соблюдать вязкость массы, которая позволит в дальнейшем сформировать требуемую продукцию. Температура в процессе держится на уровне 700-1000 градусов. Тут очень важно медленно и аккуратно ее уменьшать. Создание различных изделий из стекломассы осуществляется механическим способом на специальном оборудовании.
Что такое шихта
Производство стекла стартует уже в карьере. Кварцевый песок необходимо тщательно очистить, чтобы готовое изделие получилось качественным и надежным. Для очистки сырья от посторонних примесей осуществляется промывка с использованием специализированного оборудования. По завершении этого процесса песок сушат и перемещают в вибрационное сито для просеивания. Отбираются те крупинки, диаметр которых не превышает миллиметра.
Полученное сырье направляют уже на производство — в специальное хранилище. Это главный компонент шихты, но, конечно, не единственный. Сейчас при изготовлении стекла нельзя обойтись без добавок, которые укрепят его и придадут некоторые дополнительные свойства. В состав шихты обычно входят следующие компоненты:
- кремнеземное сырье;
- сода;
- доломит;
- кокс, сульфат соды;
- силикат натрия, лития или калия;
- известняк;
- полевой шпат и так далее.
Естественно, перед использованием компоненты тщательно подготавливают и смешивают при определенных условиях. Еще в шихту могут добавлять иногда измельченное битое стекло. Такое сырье не требует никаких дополнительных обработок, что делает производство лишенным отходов.
О стекломассе
Как только смесь будет готова, ее отправляют в печь для варки стекла. Там температура поддерживается на уровне 1600 градусов. По достижении шихтой жидкого состояния, она перемещается в другую часть печи, а на ее место устанавливают новую партию. Интересно, что данный процесс не останавливается. Каждую минуту может подаваться до полутора тонн материала.
На следующем участке температура снижается до 1000 градусов. Материал становится более однородным, из него удаляют газы. По готовности стекломассу оставляют остывать, за счет чего она становится вязкой. Далее можно переходить к формированию.
Силикатное стекло
Силикатное стекло встречается нам каждый день. Из него изготавливают самые разные вещи: посуду, предметы декора, очки, лампы накаливания, окна и многое другое. Производится оно путем плавки двуокиси кремния при температуре 1700 градусов. В итоге получается материал, который характеризуется прекрасной светопропускаемостью, стойкостью к низким температурам и отсутствием взаимодействия с химикатами. Надо отметить, что он еще и хорошо сверлится, полируется или шлифуется.
Силикатное стекло, помимо уже упомянутых сфер, используется в авиации и судостроении. С его использованием изготавливают кабины, делают фонари и устройства, отвечающие за визуальный контроль. Указанный материал прекрасно подходит для изоляции.
Листовое стекло
Для изготовления листового стекла берут два основных компонента — карбонат натрия и кварцевый песок. Масса размещается в специализированной ванне, в которой также находится расплавленное олово. При этом сам материал может быть нескольких типов:
- термостойкий;
- огнестойкий;
- защищенный от воздействия тепла;
- закаленный;
- стойкий к механическим воздействиям;
- ламирированный.
Из этого следует, что листовое стекло можно использовать в разных сферах, но чаще всего — в строительстве или для обустройства автомобилей. В последней отрасли без него обойтись вообще невозможно.
Лобовые стекла
Лобовое стекло необходимо для качественной защиты салона автомобиля от внешних воздействий, проникновения внутрь осадков и пыли. Оно обеспечивает находящимся внутри людям достаточный уровень безопасности. Каждый день технология производство совершенствуется. Чаще всего стекло изготавливают из материала «Триплекс». В таком случае оно будет иметь трехслойную структуру, благодаря которой не разлетится от удара. Осколки будут удержаны армирующей пленкой.
Еще один вариант — «Сталинит». Тут в основе лежит специализированная процедура закаливания, за счет которой прочность стекла значительно повышается. При ударе оно разлетается на мелкие осколки, которые тоже не вредят людям. Но к такому материалу прибегают довольно редко.
Сама технология производства начинается с разметки по конфигурации и геометрическим размерам. Но проводится только надрез, по которому затем продвигается специализированная горелка, согревающая стекло до необходимой температуры. Это приводит к тому, что оно лопается вдоль линии. Затем кромки обрабатываются специализированными абразивными лентами, а материал промывают мыльным раствором для избавления от остатков грязи и пыли. После покрывают раствором, защищающим от слипания.
Как только эти этапы будут пройдены, специалисты проверяют, насколько качественный и крепкий получился материал. Потом два стекла соединяют друг с другом, и им придается необходимая форма, специфическая для конкретной марки автомобиля. Конструкцию кладут в печь, прогреваемую до температуры 760 градусов, что придает стеклу пластичность. Охлаждение проводится аккуратно и медленно, а после затвердевания между заготовками вставляют прозрачную пленку. Все эти процессы, естественно, автоматизированы, так что можно получить несколько идентичных изделий.
Способы производства стекла
Стекло — это твердое вещество, которое активно используется в различных строительных работах. Оно способно пропускать солнечный свет, не давая при этом теплу выйти изнутри. Чаще всего из него изготавливают окна, витрины, перегородки и зеркала. Листовые стекла обрабатывают в специализированных печах, что закаляет его, то есть придает ему увеличенную прочность. Укрепленные варианты нередко применяются для остекления лоджий и балконов. Если вдруг они повредятся, то от них не будет опасных острых осколков.
Современное производство стекла предлагает потребителям различные модели. Существуют даже энергосберегающие, солнцезащитные и армированные. В первом случае применяется тонкое прозрачное покрытие с высокой проводимостью тепла. Свет оно пропускает очень хорошо, что идеально для отопительного сезона.
Солнцезащитные стекла многократно тонируются для достижения идеального результата. Их применяют для фасадов, включают в состав стеклопакетов. Они способствуют повышению комфортности проживания в доме. Иногда встречаются при производстве аквариумов и витражей.
Армированные стекла хороши для обустройства окон или перегородок. Они отличаются высокой стойкостью к огню благодаря наличию специальной сетки из металла.
Изготовление цветного стекла
Цветное стекло может быть изготовлено различными способами, от которых зависит окончательный оттенок. Первая технология предполагает окрашивание в массе. Она довольно проста и практически ничем не отличается от производства обычного материала. В сырье добавляют разные красители, а также обязательно устанавливается строго заданная температура. Минус — высокий расход средств для придания желаемого оттенка.
Вторая технология уже сложнее, зато краситель уходит более экономно. Стекло изготавливается из двух слоев: первый — простой прозрачный лист, второй — либо тонкий крашеный, либо цветная оксидная пленка. Очень важно следить за линейным коэффициентом, он должен быть абсолютно одинаковым.
Особые виды стекла
Существуют особые виды стекла, которые могут использоваться в разных сферах и для разных целей. Разберемся подробнее в этом вопросе:
- Плоское стекло. Чаще всего его используют в окнах, дверях, автомобильных стеклах и так далее. Для изготовления жидкий материл доводится до желаемой толщины, а потом охлаждается и сгибается при необходимости. Стеклопакеты соединяют сразу несколько панелей в одну систему.
- Стеновые стеклоблоки. Для изготовления берут две разных половинки, которые спрессовывают и отжигают вместе. Их используют в архитектурной сфере для обустройства стен, люков и так далее. Стоит отметить, что такие изделия отличаются эстетичностью.
- Бронированное стекло. Оно является пуленепробиваемым и применяется в различных сферах промышленности. Выполняется из многослойного стекла, для изготовления которого прибегают к реализации специальных технологий. Подобный материал идеален для повышения безопасности: например, в ювелирных магазинах, банках.
- Кварцевое стекло. Считается одним из самых ценных. Выполняется из природного кристалла, который измельчают до гранулята и расплавляют. Чаще всего используется для изготовления деталей точной механики — например, кварцевых часов, контейнеров химических реагентов, лабораторного оборудования и так далее.
- Стеклокерамика. Сначала применялась для создания зеркал и креплений телескопов. Сейчас же из нее также изготавливают варочные панели и посуду. Производится путем «контролируемой кристаллизации».
- Светочувствительные стекла. Они позволяют получить картинку через образование микроскопических частиц из металла после воздействия электромагнитного излучения. Считается перспективным для выполнения всевозможных сложных микросхем.
- Стекловолокно. Расправленный материал пропускают через очень тонкие отверстия, в результате чего формируются нити, которые потом сплетаются друг с другом или остаются в пухлом веществе, применяемом для изоляции тепла или звука. Из стекловолокна делают различное спортивное оборудование, корпуса лодок и прочее.
- Жидкое стекло. Используется для заполнения пор и различных недостатков. Оберегает поверхности от воздействия влаги и солнца, а также прочих потенциально опасных факторов.
- Хрусталь. Из этого вида стекла выполняются элементы декора, имеющие красивый блеск.
- Богемское стекло. Производство ведется в Чехии и Силезии. Резка и гравировка производятся вручную.
- Оптическое стекло. Встречается в разных сферах: медицине, астрономии, фотоаппаратуре и так далее. Производство считается довольно сложным процессом, поскольку важна скрупулезная точность и чистота. Обработка осуществляется с помощью алмазных пил. Стандарты должны строго соблюдаться, в противном случае будет брак.
- Гнутое стекло. Зачастую применяется для витрин, необычных полок и мебели. Материал получают посредством медленного нагрева полотна до 650 градусов. Он смягчается и под собственным весом сгибается. Сам процесс занимает от двух до двадцати часов.
Технология производства стекла не стоит на месте и регулярно совершенствуется. Благодаря этому готовые изделия приобретают все более высокое качество. Знание особенностей создания стекла поможет выбрать самый качественный и подходящий для конкретной ситуации вариант.
Купол как уникальная конструкция
Лаборатория деревянных конструкций ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко АО «НИЦ «Строительство» совместно с ООО «ЦНИПС ЛДК» разрабатывает проекты большепролетных каркасов покрытия из клееных деревянных конструкций (КДК). По их проектам построено более 10 аквапарков по всей России. Крупнейший из них – аквапарк «Питерлэнд» в парке 300-летия Санкт-Петербурга. Об особенностях проекта «Строительному Еженедельнику» рассказал заведующий лабораторией деревянных конструкций ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко Александр Погорельцев:
– В бассейнах и аквапарках КДК имеют преимущества перед конструкциями из металла или железобетона. Для них хлорирование или озонирование воды создает агрессивную среду, нейтральную для древесины.
В ТРК «Питерлэнд» смонтирован ребристый купол диаметром 90 м и высотой 45 м. Особенности конструкций связаны в основном с его габаритами. В плане меридиональные ребра купола опираются с шагом 14,5 м на нижнее железобетонное кольцо и на стальное верхнее кольцо диаметром 5 м. Основные ребра длиной около 60 м выполнены в виде серповидных сборных ферм и сами по себе являются уникальными в части принятых конструктивных решений, изготовления, сборки и монтажа. На эти ребра с шагом 6 м опираются девять криволинейных кольцевых элементов, из которых два – верхний и нижний – являются опорами для 60 промежуточных меридиональных ребер. Нижний кольцевой элемент выполнен в виде горизонтальной фермы, воспринимающей реакции опор от промежуточных ребер и нагрузки от кольцевой технологической площадки. Остальные кольца являются распорками между меридиональными ребрами для обеспечения их устойчивости.
В конструкции купола реализованы основные принципы «системы ЦНИИСК», все основные узлы и стыки поясов серповидных ребер выполнены на наклонно вклеенных стержнях и V-образных анкерах. Это уникальная система узловых соединений, основанная на вклеивании в древесину арматурных стержней периодического профиля. Россия обладает приоритетом в области подобных узловых соединений деревянных конструкций.
Все жесткие стыки ребер и соединения закладных деталей со стержнями, вклеенными на заводе и на монтаже, выполнены ручной сваркой. Экспериментальные исследования, проведенные в ЦНИИСК с целью оценки влияния сварки на соединения, показали, что существующий «психологический» барьер при сварке деревянных конструкций успешно преодолевается. При соблюдении нескольких рекомендаций сварка практически не сказывается на несущей способности соединений.
Меридиональные ребра состоят из четырех отправочных блоков полной заводской готовности, соединяемых на монтаже жесткими стыками на сварке. Все блоки по торцам снабжены выпусками V-образных анкеров и закладными деталями.
Проблемы допусков по длине для меридиональных ребер решены с помощью зазоров около 40 мм между торцами поясов, заполняемых полимербетоном после сварки V-образных анкеров и стальных полос. Этим достигается плотный контакт по площадкам сжатия.
Треугольная решетка меридиональных ребер включает горизонтальные и вертикальные элементы. Горизонтальные соединены с поясами на цилиндрических нагелях и шпильках, а вертикальные – с усилием растяжения до 40 т – путем сварки выпусков вклеенных стержней и закладных деталей на раскосах.
Сборка и монтаж меридиональных ребер производились в три этапа: сначала на жестком горизонтальном стенде производилась предварительная сборка блоков в проектных габаритах, затем окончательная сборка в вертикальном стальном стенде с последующей установкой блоков в проектное положение.
Из-за кризиса 2008 года после монтажа каркаса купола строительство было приостановлено – и возобновлено только в 2011 году. В результате влажность древесины, не защищенной от атмосферных осадков, значительно превысила величину равновесной влажности, соответствующей условиям эксплуатации. Быстрое завершение строительства и ввод в эксплуатацию могли привести к неравномерной усушке древесины и, как следствие, к появлению значительных трещин и расслоений. Разработанные в ЦНИИСК рекомендации по обеспечению температурно-влажностного режима при завершении строительства позволили избежать этих проблем.
Цифровые технологии – спорту
Олимпиада в Сочи и Чемпионат мира по футболу – 2018 задали новые требования к проектированию и строительству спортивных сооружений в России. О том, как создать современный спортивный объект мирового класса и уложиться в жесткий дедлайн, рассказывает руководитель отдела ОВиКВ компании «Метрополис» Сергей Брюзгин.
Проектирование спортивных сооружений – задача сложная и ответственная. Объекты такого рода сочетают в себе яркую, запоминающуюся архитектуру и комплекс сложнейших инженерных систем. Именно поэтому проектировщики постоянно находятся в поиске новых эффективных решений для работы с такими проектами.
В основе – технологии
Одними из наиболее успешных разработок, активно используемых проектировщиками, являются BIM-технологии. Их применение при проектировании современных сложных объектов, к числу которых относятся и спортивные сооружения, является одним из ключевых условий успешных инвестиций заказчика, ведь технология BIM-проектирования позволяет существенно сэкономить время и средства, необходимые для реализации проекта.
Эта технология дает возможность повысить качество проектирования и на раннем этапе представить полную картину того, как будет выглядеть и функционировать объект. При необходимости заказчик может своевременно внести корректировки в проект на той стадии, когда изменения не влекут за собой больших затрат. Это отличная возможность для всех участников проекта получить практически идеальный продукт, обладающий внешней привлекательностью, комфортом и безопасностью среды и, что самое главное, инвестиционной привлекательностью.
Сейчас все проекты нашей компании разрабатываются с применением этой технологии. Например, Центр художественной гимнастики имени Ирины Винер-Усмановой еще в 2016 году получил первое место на конкурсе BIM-технологий, организованном Минстроем РФ.
Другая многообещающая разработка – достаточно молодая в строительной сфере технология математического моделирования (CFD-моделирование). До ее появления то или иное техническое решение можно было обосновать либо опираясь на накопленный опыт (чаще всего используя решения, принятые ранее для подобных объектов), либо при помощи натурных испытаний (создание макета, испытательного стенда и т.п.). Первый вариант – рискованный (аналогичный объект может достаточно сильно отличаться по своим характеристикам от проектируемого, что может дать свою погрешность и привести к неработоспособности решения). Второй – затратный как по деньгам, так и по времени, не говоря о том, что далеко не все макеты можно физически реализовать. Технология CFD дает возможность за пару дней, а иногда и за несколько часов решить нестандартный узел, внести в него требуемые корректировки и добиться эффективности и работоспособности решения.
Мы применяли CFD-моделирование при проектировании таких объектов, как Центр художественной гимнастики в Москве, многофункциональный плавательный центр «Лужники», крытый каток Москомспорта, а также при проектировании жилых зданий.
До того, как мы освоили эту технологию, нам казалось, что ее применение будет востребовано только на уникальных объектах, однако практика показала, что использование CFD-моделей полезно для объектов любого уровня сложности. С его помощью можно решать такие задачи, как распределение температур в сложных трехмерных многослойных конструкциях, расчет параметров микроклимата помещений, воздухораспределение, расчет потерь давления в нестандартных сетевых элементах и т. д.
Данная технология дает специалисту возможность на раннем этапе проектирования отследить вероятные недочеты потенциальных инженерных решений, а иногда и понять, что предлагаемое решение слишком затратно (как энергетически, так и финансово) или вовсе нежизнеспособно. Например, для проверки условий, создаваемых для зрителей и спортсменов, наша компания выполняла оценку проектных решений систем вентиляции и кондиционирования главной арены Центра художественной гимнастики в Москве при помощи CFD-моделирования. Для достижения оптимального результата нам пришлось провести 8 итераций расчетов, в результате чего системы вентиляции и кондиционирования были значительно переработаны. Это еще раз подтверждает: CFD-моделирование и проектирование при помощи BIM-технологий позволяет на раннем этапе выявить проблемы и оптимизировать проектные решения. А заказчик, в свою очередь, получает наглядное, интуитивно понятное обоснование принимаемых решений. Вот несколько примеров выполненных расчетов:
В гармонии со стройкой
Посмотрим, как применение этих технологий реально отражается на строительном процессе. В качестве примера возьмем Центр художественной гимнастики. Для проектируемого объекта выполнялись следующие стадии проекта:
- концептуальные решения (стадия «К»);
- стадия «Проектная документация» (стадия «П»);
- стадия «Рабочая документация» (стадия «Р»);
- авторский надзор.
Проект стадии «К» стартовал в конце мая 2016 года и длился примерно 2 месяца. Последующая стадия «П» длилась примерно 3,5 месяца. Стадия «Р» длилась примерно 2 года, при этом строительные работы на объекте велись с запаздыванием от проекта всего на 2–3 месяца, иногда этот разрыв становился еще меньше, так что можно сказать, что проект стадии «Р», строительство и авторский надзор шли практически параллельно.
Основные сложности при проектировании как раз и связаны с малым разрывом в сроках между разработкой проектного решения и выдачей его для реализации на стройплощадку. У инженеров и архитекторов остается очень немного времени на принятие и согласование решений, и ошибки при таких малых сроках недопустимы. Именно использование BIM-технологий и, в частности, CFD-моделирования позволяет проектировщикам достаточно комфортно чувствовать себя в процессе взаимодействия со всеми заинтересованными сторонами. При этом есть, конечно, одно обязательно условие, с чем нам повезло: в арсенале всех участников проекта были современные технологии и подходы к проектированию, что позволило выполнить поставленную задачу в требуемый срок.
