Стекло – не только древнейший, но и один из самых универсальных материалов. На его основе делают сотни изделий для самых разных сфер применения. Наблюдательная оптика, фототехника, медицинские приборы, телескопы, аппаратура для исследования дальнего космоса – лишь небольшая часть того, где применяется этот одновременно хрупкий и прочный материал. В преддверии Дня работника стекольной промышленности мы расскажем об истории стекла и технологиях его производства.
Активное развитие стекловарения в России началось в XVII веке, и наши исследователи сыграли важную роль в развитии технологий производства стекла. Колоссальный вклад в становление отечественной стекольной промышленности внес Михаил Васильевич Ломоносов. Именно его считают создателем химического производства глазури, стекла и фарфора в России. Одна из заслуг Ломоносова – указание на связь свойств стекла с его химическим составом: изменяя состав компонентов для варки стекла, можно радикально изменить его свойства.
Позже в России к дате рождения этого ученого приурочили профессиональный праздник – День работника стекольной промышленности. А самого Михаила Васильевича Ломоносова по праву считают создателем оптического стекловарения в стране.
Оптическое стекловарение и «Швабе»
«Оптическое стекло – это основа для развития оптического приборостроения. Мы в «Швабе» ценим существующие наработки и поддерживаем ученых в их стремлении совершенствовать процессы, создавать новые материалы, реализовывать инновационные проекты, развивая отечественную стекольную промышленность. Сегодня ключевую роль в этой отрасли играют два предприятия холдинга – Лыткаринский завод оптического стекла и НПО ГОИ им. С. И. Вавилова».
Генеральный директор «Швабе»,
член Бюро Союза машиностроителей России
Вадим Калюгин
НПО ГОИ им. С. И. Вавилова
Один из самых известных оптических институтов, у истоков которого стоял Дмитрий Сергеевич Рождественский
Ученые института разработали и внедрили физико-химические основы сложного процесса оптического стекловарения в стране
НПО ГОИ им. С. И. Вавилова начинает свою историю с создания Петроградского завода оптического стекла в 1923 году. Впоследствии предприятие переименовали в Ленинградский завод оптического стекла и спустя годы оно стало опытным производством Государственного оптического института (ГОИ). За несколько десятилетий силами ученых-стекольщиков ГОИ разработаны отечественные каталоги, в которые внесены более 70 марок оптических и свыше 60 марок радиационно-стойких стекол. Благодаря этим стеклам создаются оптические системы сложных объективов. Они способны формировать и передавать изображения без искажения цвета и других аберраций.
Сегодня в НПО ГОИ проводятся разработки и исследования оптических стекол по следующим направлениям: лазерные стекла, цветные оптические стекла, стеклокерамика, а также бескислородные халькогенидные стекла.
Халькогенидные стекла интересны тем, что практически не прозрачные в видимом диапазоне, но при этом имеют высокое пропускание в инфракрасном диапазоне до 18 мкм. Их используют для изготовления призм, линз и различных устройств, работающих в ИК-диапазоне 0,7-17,0 мкм.
Синтез таких стекол происходит в запаянных под высоким вакуумом ампулах в специальных печах – «качалках». Исходные компоненты стекла, а это могут быть сера, мышьяк, селен, теллур и другие, помещаются в ампулу из кварцевого или молибденового стекла. Из этой емкости вакуумным насосом выкачивается весь воздух, после чего ампула герметично запаивается. Следующий этап – расплавление в печи-«качалке» исходных компонентов и синтез однородного по своему составу стекла. Затем в этой же печи происходит отжиг. После остывания, полученное стекло извлекается из ампулы и отправляется на механическую обработку.
Еще одно важное направление в НПО ГОИ – цветное оптическое стекло. Более десяти различных марок за последние несколько лет работы запущено в серийное производство специалистами научно-производственного объединения.
Изготовление стекла проходит по стандартной технологии с варкой шихты при температуре от 1000°С до 1600°С, отжигом и другими этапами. Для получения необходимых спектральных характеристик цветного оптического стекла в состав шихты вводятся молекулярные и коллоидные красители.
Например, при использовании молекулярного красителя на основе марганца стекло окрашивается в фиолетовый цвет и его оттенки. Кобальт придает заготовке синий цвет, а хром позволяет добиться зеленых и желтых оттенков. Молекулярный краситель с разным составом железа может давать сине-зеленый, коричневый, оранжевый, красно-бурый и другие цвета, а никель придает красно-фиолетовые оттенки. Цветные стекла с красителем на основе урана имеют желто-зеленый цвет, а если в составе использована медь, то оттенок может варьироваться от зеленого до голубого.
Использование коллоидного красителя на основе селена позволяет придать стеклу красный или розовый цвет. Серебро окрасит заготовку в золотисто-желтый, а золото дает от нежно-розового до темно-красного оттенка.
Этот масштабный проект НПО ГОИ обеспечил независимость холдинга «Швабе» от импортных оптических материалов.
Лыткаринский завод оптического стекла (ЛЗОС)
Ведущий российский производитель оптических материалов и крупногабаритных астрономических зеркал
За свою историю освоил выпуск более 300 марок стекла
Строительство Лыткаринского завода оптического стекла началось в 1935 году. Место для завода выбрали не случайно – в Лыткаринском карьере добывали редкий по своей чистоте кварцевый песок. Он отлично подходил для производства качественного оптического стекла. Так в СССР создали предприятие полного цикла – от добычи стекла до выпуска готовой продукции.
Первые изделия сошли с конвейера завода в 1939 году. Во время войны на предприятии изготавливались прожекторные зеркала для зенитных установок противовоздушной обороны, бронестекла для самолетов, смотровые призмы для танков и прочая продукция для фронта. Позже ЛЗОС начал выпуск оптики для приборостроения, медицинской техники, объективов фотоаппаратов и других изделий.
Добычу песка прекратили в середине 70-х годов прошлого века. Сегодня для создания оптики на ЛЗОС используют кварц из определенных месторождений, находящихся на территории России.
С чего же начинается производство?
А начинается оно с цеха, где варят стекло: огромные печи, керамические горшки, участки по подготовке шихты, рельсы, краны, тележки и многое другое. Но самую важную роль в производстве играют сотрудники. Благодаря их ответственному отношению к своему сложному делу, получается изготавливать материалы высокого качества.
Итак, к самому процессу…
Варка шихты осуществляется в газовых стекловаренных печах в специальных горшках объемом 500-700 литров. Чтобы стекло было однородным и не имело дефектов, во время варки, которая протекает при температурах 1500 °С и выше, массу перемешивают при помощи специальных машин с керамическими мешалками. Когда характеристики стекла соответствуют заданным параметрам, процесс прекращают и огромный горшок достают из печи при помощи шаржирного крана с клещами.
Чем дальше, тем интереснее – верхний слой стекла обязательно снимается, так как в нем могут быть пузыри и примеси. Остальная часть сплава выливается в подготовленную форму нужного размера и отправляется остывать в другую печь, чтобы процесс проходил равномерно и стекло не треснуло. Этот этап называется отжигом и может длиться больше месяца.
После охлаждения стеклянную отливку вынимают из печи и отправляют на проверку в отдел технического контроля. Если отливка соответствует всем требованиям, она отправляется на участки разделки, где стекло режется, шлифуется и проходит другие этапы обработки, которые будут отличаться в зависимости от назначения стекла. Например, при изготовлении зеркала для телескопа, стеклу нужно будет пройти множество этапов дополнительной обработки до конечного изделия.
Сегодня ЛЗОС – единственный завод в стране, который производит крупногабаритные зеркала наземного и космического базирования. Например, в сентябре 2023 года предприятие передало уникальное зеркало диаметром 3,2 метра для телескопа Алтайского оптико-лазерного центра им. Г.С. Титова.
И это еще не предел. В разные годы на мощностях ЛЗОС, входящего в холдинг «Швабе», изготавливались зеркала диаметром до 6 метров. Сегодня продукция ЛЗОС успешно эксплуатируется на мощнейших телескопах по всему миру: Южной Европейской обсерватории в Чили, на наблюдательной станции Синлун в Китае, в обсерватории Девастала исследовательского института на севере Индии, в обсерватории Восточной Анатолии в Турции и в других крупных исследовательских центрах.
Предприятие планирует и дальше развивать это направление – создавать новые оптические элементы и выходить на новый уровень производства.
А начиналась история стекла с маленькой бусины…
Это древнейшее стеклянное изделие, известное ученым, хранится в Берлинском музее в отделении, посвященном египетской культуре. И экспонат этот – маленькая зеленая бусина. Предполагают, что она была изготовлена около 5500 лет назад.
В Древнем Египте стекло выплавляли на открытом огне в глиняных мисках при довольно низкой температуре. Раскаленные куски стеклянной массы бросали в воду, отчего они растрескивались на пластины – фритты. Эти обломки растирали в пыль жерновами и снова отправляли в печь. В результате получался материал, который подходил для изготовления небольших предметов: бусин, статуэток, амулетов. Они не отличались прозрачностью и большими размерами, но все было впереди.
55 веков назад стекло только начинало свой путь, а люди продолжали создавать новые способы стекловарения, улучшая характеристики этого полезного материала. Постепенно производство стекла расширялось и приблизительно в 250 в. до н.э. появился первый стекольный завод. Его открыли в Александрии.
На рубеже новой эры – между 27 г. и 14 г. до н.э. – в Римской империи первыми построили печи, в которых выплавляли стеклянную массу при высоких температурах. Это позволило получать привычное нам прозрачное, бесцветное стекло. В этот же период в древней Финикии была изобретена техника выдувания стекла с помощью трубки. Такой метод помог создавать прозрачные тонкостенные сосуды разных форм.
И сегодня, спустя тысячелетия, мы видим этот огромный результат, которого добился человек, – от изготовления маленькой бусины до создания крупнейших зеркал.