Виготовлення содо-вапняного скла із сировини

Натрій-кальцієве скло є трикомпонентною системою: діоксид кремнію (SiO₂, склоутворювач), сода (Na₂O з карбонату натрію, флюс) та вапно (CaO з вапняку, стабілізатор). Кожен компонент є необхідним. Лише діоксид кремнію плавиться за 1713 °C і утворює випадкову мережу зв'язків Si–O, що надає склу аморфну структуру. Сода руйнує деякі містки Si–O–Si і знижує температуру плавлення значно нижче, ніж у чистого діоксиду кремнію, — але натрій-силікатне скло без вапна розчинне у воді (силікат натрію, у торгівлі відомий як «рідке скло»). Вапно заповнює проміжки, залишені содою, без надмірного підвищення температури плавлення, утворюючи стабільне, водостійке скло.

Типовий склад натрій-кальцієвого скла за масою оксидів: 72–74% SiO₂, 12–14% Na₂O, 8–12% CaO, з невеликою кількістю MgO, Al₂O₃ та Fe₂O₃ з домішок у сировині. Залізо є найважливішою домішкою — навіть 0,1% Fe₂O₃ надає зеленуватого відтінку. Давнє скло майже завжди зелене або бурштинове, оскільки пісок містив залізо. Прозоре скло потребує або дуже чистого піску, або додавання знебарвлювача, такого як діоксид марганцю (MnO₂), який зміщує зелений залізний відтінок до безбарвного.

Виберіть найчистіший доступний кварцовий пісок. Ідеальний пісок для виробництва скла містить щонайменше 95% SiO₂ з мінімальним вмістом заліза — залізо є основною причиною небажаного забарвлення скла. Придатні річковий пісок, пляжний пісок і подрібнений кварц, але чим чистіше джерело, тим прозорішим буде кінцеве скло. Шукайте білий або блідий пісок; помаранчевий, червоний або темний пісок свідчить про високий вміст заліза і дасть зелене або бурштинове скло.

Для партії 500 грамів вам знадобиться приблизно 365 грамів піску. Якщо використовуєте природний пісок з русла річки або пляжу, його потрібно ретельно промити, щоб видалити глину, органічні домішки, фрагменти черепашок і залізовмісні мінерали. Комерційно доступний силікатний пісок («пісок для дитячих пісочниць» або «піщаний фільтр для басейнів») попередньо промитий і часто чистіший за природні джерела.

Помістіть пісок у відро та залийте чистою водою. Energicно перемішайте, щоб підняти у суспензію дрібні глинисті частинки та органічні речовини, потім дайте піску осісти протягом 30 секунд — важкі зерна кварцу одразу опускаються на дно, тоді як глина та легкі домішки залишаються у воді. Обережно злийте каламутну воду. Повторіть промивання 3–5 разів, доки вода після ополіскування не стане прозорою.

Після останнього промивання розкладіть мокрий пісок на рівній поверхні тонким шаром (менше 2 см). Дайте йому повністю висохнути на сонці або біля м'якого джерела тепла. Будь-яка залишкова вологість у піску спричинить бурхливе утворення пари, коли його завантажують у гарячий тигель, тому перед використанням пісок має бути абсолютно сухим.

Пропустіть висушений пісок через дрібне сито (60–80 меш, приблизно 0,18–0,25 мм отвори). Це видаляє надмірно великі зерна, гальку та будь-які залишки органічних фрагментів. Однаковий розмір зерен забезпечує рівномірне плавлення — великі зерна довше розчиняються в розплаві та залишають нерозчинені включення (у склоробстві їх називають «камінням»), які послаблюють кінцевий виріб.

Зберіть просіяний пісок і точно відважте 365 грамів. Відставте в чисту суху ємність.

Вапняк (CaCO₃) забезпечує оксид кальцію (CaO), який стабілізує скло. Подрібніть вапняк на тонкий порошок за допомогою ступки з товкачем або, загорнувши шматки в тканину, розбийте їх молотком. Чим дрібніший порошок, тим швидше він розчиняється в розплаві — прагніть до консистенції, схожої на борошно, без видимих зерен більше 1 мм.

Вапняк розкладається в розплаві приблизно при 900 °C: CaCO₃ → CaO + CO₂↑. Виділюваний газ CO₂ сприяє утворенню бульбашок у розплаві, які згодом необхідно видалити під час освітлення. Дрібніший порошок вапняку розкладається швидше і рівномірніше, утворюючи менше великих бульбашок.

Відважте 60 грамів подрібненого порошку вапняку.

Карбонат натрію (Na₂CO₃), відомий як кальцинована сода, є флюсом. Відважте 75 грамів. У розплаві кальцинована сода розкладається приблизно за 850 °C: Na₂CO₃ → Na₂O + CO₂↑. Оксид натрію (Na₂O) руйнує кремнеземну сітку, тож ця шихта повністю плавиться в печі на 1400–1500 °C, яка використовується тут, замість того щоб потребувати 1713 °C для чистого кремнезему.

Вагове співвідношення шихти становить: 73% кварцового піску, 15% кальцинованої соди, 12% дробленого вапняку (365 г + 75 г + 60 г = 500 г загальної шихти). Це дає стандартний склад натрієво-кальцієвого скла після розкладання карбонатів. Багато давніх склороби використовували natron (природний мінерал карбонату натрію з випарних озерних відкладів) як флюс; він забезпечує той самий оксид натрію, що й сучасна кальцинована сода.

Змішайте 365 грамів просіяного кварцового піску, 75 грамів кальцинованої соди та 60 грамів подрібненого вапняку в чистій сухій ємності. Перемішуйте вручну або дерев'яною лопаткою протягом кількох хвилин, доки компоненти не розподілятся рівномірно по всьому об'єму. Суміш має мати однорідний колір без видимих грудочок чи шарів.

Ретельне перемішування має важливе значення. Якщо сода концентрується в одній ділянці тигля, ця зона плавиться першою і утворює рідку калюжу з низькою в'язкістю, яка не забезпечує ефективного розчинення навколишнього піску. Неперемішані ділянки піску залишаються як «шнур» (смуги іншого складу) або «камені» (нерозчинені зерна) у готовому склі — обидва є дефектами, що послаблюють виріб.

Складіть невелику деревовугільну піч із вогнетривкої цегли, укладеної так, щоб утворити ізольовану камеру приблизно 30 см у внутрішньому діаметрі та 40 см заввишки, з повітряним входом біля основи для міхів. Піч має витримувати 1400–1500 °C протягом кількох годин — для цього потрібна добра ізоляція (стіни з вогнетривкої цегли товщиною щонайменше 10 см) та потужна примусова подача повітря.

Розмістіть сопло міхів біля основи печі, трохи нахиливши його вгору. Заповніть піч твердим деревним вугіллям (шматками, а не брикетами) приблизно на дві третини. Запаліть вугілля та обережно почніть качати міхи, щоб створити базове полум'я. Працюйте на відкритому повітрі або під добре провітрюваним навісом — горіння деревного вугілля виділяє чадний газ (монооксид вуглецю).

Поставте вогнетривкий глиняний тигель на край отвору печі й дайте йому поступово прогрітися протягом 20–30 хвилин. Холодний тигель, поставлений безпосередньо в гарячу піч, потріскається від термічного удару — вогнетривка глина розширюється нерівномірно, якщо її нагрівати занадто швидко. Поступово пересувайте тигель ближче до джерела тепла, а потім опустіть його в камеру печі, коли він досягне тьмяно-червоного жару (приблизно 600–700 °C).

Тигель має бути достатньо глибоким, щоб вмістити партію 500 грамів із запасом для розширення розплаву та спінювання під час початкової фази виділення газу. Рекомендовано тигель внутрішнім об'ємом щонайменше 500 мл. Графітові тигелі витримують вищі температури, ніж глиняні, але коштують дорожче — для цього процесу підходить будь-який із них.

Коли тигель світиться помаранчево-червоним усередині печі, додавайте змішану шихту невеликими порціями — приблизно по одній чверті за раз, чекаючи 5–10 хвилин між додаваннями. Додавання всієї шихти одразу різко знижує температуру тигля і може призвести до того, що розплав застигне навколо неперемішаного матеріалу. Кожне додавання буде сильно пінитися, оскільки карбонати розкладаються й виділяють CO₂.

Після кожного додавання збільшуйте роботу міхів, щоб підтримувати температуру. Шихта спершу спікається (зерна зливаються в точках контакту приблизно при 800–900 °C), а потім поступово плавиться в в'язку рідину в міру підвищення температури. Біла піна на поверхні є нормальною — це CO₂, що виходить із розкладеної соди та вапняку.

Після завантаження всієї шихти збільште роботу міхів до максимальної стійкої швидкості. Мета — 1400–1500 °C; за такої температури внутрішня частина печі світиться яскраво жовто-білим, а скловидна маса перетворюється на рідку, розпечену помаранчеву рідину. Постійна інтенсивна робота міхів є обов'язковою: без примусового дуття деревовугільна піч зазвичай досягає лише 1100–1200 °C, чого недостатньо для повного плавлення.

За 1400 °C останні піщинки розчиняються в масі. Скловидна маса є надзвичайно в'язкою порівняно з водою — більше схожою на густий мед, але достатньо текучою, щоб її можна було переливати та виливати. Витримуйте цю температуру щонайменше 30 хвилин, щоб переконатися, що вся сировина повністю розчинилася. Нерозчинені піщинки виглядають як білі крапки в помаранчевій масі.

Освітлення — це процес видалення газових бульбашок (у скловарінні їх називають «насіння») зі скломаси. CO₂, що виділяється під час розкладання карбонатів, захоплене повітря та водяна пара утворюють бульбашки, які мають піднятися на поверхню і вийти назовні. За температури 1400–1500 °C в'язкість скла достатньо низька, щоб дрібні бульбашки могли спливти, але це потребує часу. Витримуйте скломасу за максимальної температури protягом 1–2 годин.

Під час освітлення підтримуйте стабільну роботу міхів і регулярно поповнюйте шар деревного вугілля. Поверхня скломаси має бути гладкою, світитися помаранчевим кольором і не містити видимої піни. Якщо піна не зникає, температура ще занадто низька або карбонати не повністю розклалися. Терплячість на цьому етапі визначає прозорість скла: поспіх призводить до скла, наповненого дрібними бульбашками.

Занурте попередньо нагріту сталеву або залізну штабу (довжиною щонайменше 1 метр, щоб тримати руки подалі від отвору печі) у розплав і повільно перемішуйте круговим рухом. Перемішування має дві мети: воно гомогенізує склад (усуваючи «корд» — смуги з різним показником заломлення, спричинені градієнтами складу) і сприяє злиттю дрібних бульбашок у більші, які піднімаються швидше.

Перемішуйте протягом 2–3 хвилин, потім витягніть штабу. Розплавлене скло прилипатиме до штаби — це нормально. Не струшуйте штабу, щоб видалити скло біля печі. Відкладіть штабу на термостійку поверхню (шамотну цеглу або пісок) і дайте прилиплому склу охолонути та стиснутися; після охолодження воно відколеться само.

Занурте кінчик попередньо нагрітого залізного стрижня в розплав і повільно витягніть його. Від поверхні має тягнутися нитка розплавленого скла. Огляньте нитку: якщо вона прозора і гладенька, скло добре проплавлене і освітлене. Якщо вона зерниста, непрозора або містить видимі бульбашки, продовжуйте освітлення за максимальної температури ще 30 хвилин і перевірте знову.

Колір охолодженої нитки вказує на вміст заліза. Блідо-зелений або синьо-зелений колір означає помірний вміст заліза — це типово для природних піщаних джерел і цілком прийнятно. Майже безбарвна нитка означає, що використано піск з низьким вмістом заліза або розплав добре окиснений. Бурштиновий або коричневий колір вказує на високий вміст заліза, що також є нормою для природного піску.

Поки розплав освітлюється, підготуйте плоску, термостійку поверхню для лиття. Підійде товста кам'яна плита, сталева пластина або шар чистого сухого піску. Якщо використовуєте кам'яну плиту чи сталеву пластину, попередньо прогрійте їх, поставивши поруч із піччю — заливання розплавленого скла на холодну поверхню миттєво спричиняє розтріскування поверхні від термошоку.

Для простого плоского диска або плити зі скла найкраще підходить попередньо прогріта сталева пластина або плоский камінь. Для фігурного виробу втисніть форму у вологий пісок, щоб створити просту порожнину форми. Давні склороби відливали скло у відкриті кам'яні форми або на плоскі поверхні, а потім формували ще м'яке гаряче скло інструментами.

Довгими тримачами для тиглів обережно витягніть тигель із печі. Рухайтеся виважено — не поспішайте. Тигель і його вміст мають температуру 1400+ °C. Плавно нахиліть тигель, щоб вилити розплавлене скло на попередньо нагрітую поверхню для лиття одним безперервним потоком. Не зупиняйтеся і не починайте знову — переривчасте виливання створює дефекти шарування (звані «нахлести»).

Скло розтікається товстою калюжею або диском залежно від поверхні. На плоскій плиті воно утворить округлий диск приблизно 8–12 см у діаметрі та 1–2 см завтовшки з партії 500 грамів. Під час виливання скло яскраво світиться помаранчевим, а під час початку охолодження переходить через жовтий до темно-червоного. Працюйте швидко — скло швидко твердіє після вилучення з печі.

Відпалювання — це контрольоване повільне охолодження скла для зняття внутрішніх напружень. Без відпалювання скло охолоджується нерівномірно: поверхня стискається, тоді як внутрішня частина ще гаряча, що призводить до накопичення величезної напруги. Невідпалене скло може тріснути, розлетітися або вибухнути через години чи навіть дні після відливання. Точка відпалювання натрієво-вапнякового скла становить приблизно 510–520 °C; точка деформації — приблизно 470 °C.

Перенесіть гарячу скляну заготовку (ще розжарену до червоного) в ізольовану камеру для повільного охолодження. Найпростіша піч для відпалювання — це коробка з вогнетривкої цегли, заповнена вермикулітом, сухим попелом або сухим піском. Закопайте скляну заготовку в ізоляційний матеріал і закрийте коробку. Це значно уповільнює швидкість охолодження — скло має щонайменше 8–12 годин охолоджуватися до кімнатної температури.

Не відкривайте камеру відпалу та не чіпайте скло щонайменше 8 годин — бажано протягом ночі. Критичний діапазон охолодження становить від 520 °C до 470 °C (від точки відпалу до точки деформації). Якщо скло охолоджується занадто швидко в цьому діапазоні, у ньому залишаються постійні напруження. Нижче 470 °C швидше охолодження безпечне, але немає сенсу поспішати.

Утримайтеся від спокуси перевіряти скло раніше. Навіть короткочасне відкриття ізольованої камери дозволяє холодному повітрю потрапити на поверхню скла, створюючи саме той градієнт напружень, якого відпал покликаний уникати. Залиште його без змін, доки ізоляційний матеріал не охолоне на дотик.

Вийміть охолоджене скло з камери відпалу. Змахніть будь-який попіл або пісок, що прилип. Готовий виріб має бути суцільним диском або плитою з гладким низом (контактна поверхня) і злегка фактурним верхом (вільна поверхня). Підніміть його до світла, щоб оцінити прозорість, колір і вміст бульбашок.

Якісне натроно-вапняне скло з чистого піску має блідо-зелений до майже безбарвного відтінок і частково прозоре. Деякі бульбашки є нормою для скла, виплавленого в печі, — повне видалення бульбашок потребує температур і витримки, яких мала вугільна піч не може забезпечити. Поверхневі недоліки можна зашліфувати та відполірувати послідовно дрібнішими абразивами, якщо потрібна гладка поверхня.

Ви виготовили натроно-вапняне скло, склоподібну тверду речовину з трьох поширених мінералів. Від цієї основи стають можливими всі види склороботи: видування, лиття, розпис вітражів, лампворк і оптичне шліфування, — усі вони починаються з цього базового розплаву.