Как создают стекло для телескопов. Репортаж с завода оптического стекла

В XVII веке Галилей первым направил зрительную трубу в небо и превратил ее в телескоп. Сейчас мы получаем сигналы из далеких галактик, открываем новые звезды и изучаем темную материю. «Чердак» побывал на Лыткаринском заводе оптического стекла холдинга «Швабе» и выяснил, как создают оптическое стекло для телескопов и не только. На заводе производят стекло для лазерных комплексов, аэрокосмического мониторинга, медицинской техники и научных приборов. Чем отличается оптическое стекло от обычного, из чего состоит, как отливается и что происходит на следующей стадии обработки, смотрите в репортаже.

Михаил Гулюгин, начальник бюро варки оптического стекла:

— Оптическое стекло занимает определенную нишу в производстве всех стекол вообще, и очень важную, потому что без производства оптического стекла, без изделий, в которых оно применяется, у нас не обходится практически ни одно производство. В частности, вся телевизионная аппаратура, фотоаппаратура, компьютерная техника — везде используются элементы с применением оптического стекла.

В отличие от обычного стекла, которое широко применяется у нас в строительстве, в быту, оптическое стекло обладает рядом специфических требований для своих свойств. Оно имеет высокое пропускание, высокие требования по качеству стекла, то есть отсутствие каких-либо посторонних включений, которые могут повлиять на изображения, получаемые нами из изделий оптического стекла. Сам процесс производства всех стекол вообще (и оптического стекла в том числе) начинается не в данном цехе, а далеко отсюда. Он начинается еще на месторождениях, где добываются исходные материалы, из которых мы потом получаем стекло. В производстве оптического стекла используется наиболее чистый компонент, минерал, который содержит оксид кремния. Это жильный кварц. В дальнейшем он проходит переработку, и мы получаем либо кварцевую крупку, либо кварцевую муку. Мы можем получать уже готовый такой материал (в виде кварцевой крупки или кварцевой муки). Кроме кварцсодержащего сырья используются другие материалы. Например, это может быть сода (карбонат натрия). Это могут быть углекислые соли, такие как карбонат кальция, мел. Может быть карбонат магния и другие компоненты. Также материалы, содержащие оксид алюминия (Al2О3), глинозем и так далее. Но в производстве оптического стекла используются, как правило, особо чистые материалы — высокой чистоты. Исходная смесь этих сырьевых материалов называется «шихта». Вот из этой шихты впоследствии мы получаем стекло.

Варка совершается в горшковых газовых печах периодического действия. Само по себе название («горшковые» и «газовые») уже о многом говорит. «Горшковая» значит, что варка происходит в горшке. Ну, горшок на самом деле довольно большой, объемом в 500 или 700 литров, изготовленный из специального огнеупорного материала — шамота. Он помещается в стекловаренную печь, обогреваемую природным газом. Температура в печи достигает 1550 градусов. Помимо исходных материалов, о которых я говорил, при варке оптических стекол в довольно большом количестве добавляется так называемый бой. Это хорошее однородное стекло, оставшееся от переработки ранее полученных стекол. Эти бои необходимы для того, чтобы уменьшить расход, — скажем, перейти к безотходному производству. Первоначально засыпают бои для того, чтобы провести обмазку горшка, защитив его от действия шихты, которая в дальнейшем плавится в этом горшке. Потом засыпают шихту. Как правило, шихту засыпают до определенного уровня в горшок, потом добавляют сверху бои. Эта смесь должна расплавиться. Она расплавляется, занимает часть горшка, и после того, как она расплавилась, в горшок снова добавляют шихту и бои. Этот процесс продолжается до тех пор, пока горшок полностью не будет наполнен силикатным или стеклообразным расплавом. Это еще не стекло. Это просто расплав.

Дальше идет процесс осветления и гомогенизации. Он происходит при более высокой температуре. После того как мы выдержали все процессы (т.е. осветлили и гомогенизировали стекло), мы отбираем пробу и смотрим качество стекла. Что именно мы смотрим? Осветление, наличие пузырей, какие оптические константы наличествуют — в частности, показатели преломления. Соответствует оно или нет? Если это стекло соответствует всем требованиям, происходит так называемое «закрытие варки», и наш горшок в печи вместе со стекломассой медленно, в определенном режиме остывает до температуры, когда можно будет его извлечь из печи и отлить в форму. Если температура будет выше, стекло будет жидкое. Когда будем выливать, оно у нас будет литься, как вода, и в результате мы получим так называемый «брак» в виде свили, чего допускать нельзя. Если оно будет густое, то мы не сможем просто вылить. Технологически это все температуры, все время определены — и теоретически, и экспериментально. Для каждой марки стекла эти режимы индивидуальны. А марок, как я вам уже сказал, у нас порядка двухсот. Видите, какие сложные все эти процессы?

Далее, когда стекло у нас готово, для того чтобы его извлечь из печи, мы поднимаем устройство мешалки. Мешалка извлекается из горшка. Подходит шаржирный кран. После того как мы поднимаем заслонку, заходит шаржирный кран и захватывает клещами горшок со стеклом — и выходит из печи. Снимают стяжку. Стяжка — это верхний слой стекла, который при остывании будет холодным. Как у всего, что остывает и имеет большую емкость, снаружи — холодные слои, а внутри — горячие. Чтобы были слои однородные по температуре, снимают эту верхнюю холодную стяжку. Плюс к тому в этом слое могут быть какие-нибудь включения. Может быть, чуть-чуть пузырь на поверхности плавает; как бы очищают стекломассу. И дальше направляется на отлив.

Он производится в форму. Формы бывают различные: она может быть квадратной, прямоугольной. Высота формы тоже различная, в зависимости от заказчика. Например, обычно это 140—150 мм (до 200 мм). Для окон радиационно-биологической защиты необходима большая толщина. То есть форма поменьше, но более толстая.

Итак, шаржирный кран с горшком подходит к форме, устанавливается на определенном уровне, переворачивается — и стекло выливается в форму. Форма предварительно подогретая. После этого горшок снова ставится в печь. И такой процесс варки и отлива в горшке — в зависимости опять же от состава, от агрессивности того стекла, которое мы варим, — может достигать 12 раз. Может быть и меньше.

Михаил Гулюгин, начальник бюро варки оптического стекла:

— После того как мы отлили стекло в форму, оно у нас остывает. Но если мы оставим это стекло просто остывать на воздухе до температуры окружающей среды, то, к сожалению, мы не получим готовое изделие. В процессе остывания в слоях стекла возникнут напряжения, которые приведут к его самопроизвольному разрушению. Стекло может просто растрескаться, разбиться на небольшие куски, с которыми мы уже ничего не можем получить. Этот эффект присущ не только для оптического стекла. Возникновение внутренних напряжений при остывании характерно для всех стекол.

Для того чтобы стекло у нас не разрушалось, мы проводим специальную термическую обработку. Это, скажем, охлаждение по определенному режиму. Оно позволяет нам снять напряжение, которое может возникнуть в стекле и в результате получить на выходе блок, из которого мы можем что-то сделать, в дальнейшем отправить на переработку и получить изделие. Это процесс специального направленного охлаждения, который называется «отжигом», и может для блоков занимать длительность две-три недели.

Есть еще процесс так называемого тонкого отжига. Дело в том, что каждое из тех стекол, которое мы варим, должно обладать определенными оптическими показателями. Как я уже упоминал, среди этих показателей — преломление, дисперсия и другие. Нам необходимо еще получить такой результат (так отжечь стекло, так его охладить), чтобы эти константы остались постоянными во времени. Структура должна достичь равновесного состояния — наиболее компактного для того, чтобы получить наиболее стабильные значения оптических констант. Таким образом, у нас происходит предварительный отжиг и оптический отжиг. Как я уже упоминал, предварительный отжиг может занимать и две, и три недели. А оптический отжиг может занимать месяц и дольше.

После того как мы отожгли, охладили наш блок до температуры окружающей среды, печь, в которой находился этот блок, поднимается. Мы извлекаем блок. Дальше происходит приемка этого блока ОТК (отделом технического контроля), отбираются образцы, проверяются все необходимые показатели. И после того, как выясняется, что наша заготовка соответствует требованиям, мы отправляем ее в дальнейшем в другие цеха, на другие участки для разделки и подготовки к обработке, чтобы получить из нее готовое изделие. Это может быть резка, шлифовка, полировка и так далее. Это делается в других цехах.

Видите, уголок у этого блока отбит? На первый взгляд, можно подумать, что это брак. На самом деле это операция, которая стандартизирована и необходима для того, чтобы определить свойства данного блока. Мы можем посмотреть на него, визуально оценить. Эта оценка делается в обязательном порядке. Проверяется наличие каких-либо включений — газовых, кристаллических и так далее. Но помимо того нам надо оценить такие оптические характеристики, как показатель преломления, дисперсию, пропускание, радиационную устойчивость и другие. Мы должны этот блок как-то охарактеризовать.

Как это можно сделать? Конечно, можно его взять, весь разрезать и распилить. А вдруг он у нас не подходит? Мы проведем какие-то дополнительные операции, которые пойдут нам в убыток. Все стекла, которые у нас выпускаются, соответствуют ГОСТу. Есть ГОСТ на оптическое стекло. Есть ОСТ на оптическое стекло. Все марки стекол выпускаются в соответствии с этими нормативными документами. Наше предприятие является единственным в Российской Федерации, выпускающим оптическое стекло, и входит в состав инновационного холдинга «Швабе».

Источник: https://tass.ru/