Аннотация: Это статья как попаданцу варить стекло. Пока выложил только первую часть, про материалы. Продолжение следует.
Стекло для попаданца.
Введение
Очень многие авторы книг про попаданцев, начиная от "Самый длинный век" Сергея Калашникова про конец каменного века и заканчивая попаданцами в 18 век пишут про стекло. Про него же пишут и некоторые авторы книг про попаданцев в фэнтези.
Если кто-то не хочет писать грамотно, это его выбор.
Но просьба не выставлять себя безнадёжным идиотом, пишущим "нашли песок на берегу речки, расплавили на костре, и теперь у нас есть стекло".
Если написано "перемешали песок, соду, известь, засыпали в печь и так сварили стекло", это тоже халтура, но уже небезнадёжно.
Если взяли за инструкцию вот эту страницу, то ещё лучше, но там мало полезной информации и ошибок мало, но лучше чем ничего
Самое главное правило попаданца: не умеешь и не знаешь - по возможности не берись и тем более не давай обещаний монарху, который покровительствует и помогает с ресурсами.
Если знаешь, как сделать и делал, но есть хоть малейшие сомнения, или тем более если же знаешь в теории, но на практике не делал, обещай примерно так "Мне рассказали, как сделать, и я запомнил. Но сам не делал. Потому клятвы, что всё получится, давать не буду". Иначе можно жизнью поплатиться.
А лучше всего без лишней огласки проработать вопрос по наличию всех ресурсов, и только потом планировать, выбивать добро и начинать дело.
Написано для эпох от начала Бронзового века и до 18 века, годится для магических миров похожим на наш, например, Средиземье Толкиена.
Подготовка
Топливо
Стекловарение требует высококалорийного топлива, то есть с большим выходом тепла на единицу массы.
Сейчас стекловаренные печи работают на газовом и электрическом отоплении, в советское время широко использовали мазут, можно и другие, а в стародавние времена и твёрдое топливо.
Но увы, попаданцу не получится использовать не только электрический нагрев, но и газовое отопление и жидкое топливо.
У Безбашенного использовали электрический нагрев, но нужны медные трубки и платиновые тигли. И, разумеется, миниГЭС. Печи индукционные. Объёмы маленькие, необходима платина, да и электрическое оборудование для такого дела смастерить очень тяжело. Но под крылом Петра Великого или позже можно.
Газовые или жидкотопливные печи ничем не проще. Для этого нужно иметь развитую металлообработку, и технологии изготовления ёмкостей, труб и разных вентилей, манометров надо обкатать на изготовлении металлических водопроводов. Техника безопасности подсказывает такую обкатку. Хорошавин написал, что под чутким руководством попаданца ремесленники времён Ивана Грозного смастерили систему газового отопления стекловаренной печи от генераторного газа, но бумага всё стерпит.
Поэтому только высокоэффективное твёрдое топливо. Это каменный уголь с низкой зольностью или кокс, можно за неимением древесный уголь. Твёрдая смола тоже годится, если не дать ей стекать куда не надо.
В древности очень многие умели делать древесный уголь, попаданцу не больно и надо уметь. Хотя лучше таки знать правильный пиролиз древесины с получением побочных полезных продуктов. Делали просто древесный уголь, хотя сразу может не получиться. Выкапывается яма, на дне разжигается костёр из веток, и постепенно добавляются дрова. Как заполнится доверху и будет полыхать, надо закрыть землёй. Вечером, а утром вскрыть. Но далеко не сразу сумеете подобрать оптимальный режим.
Но лучше таки хороший каменный уголь, у скифов с этим просто, и во многих других местах.
Огнеупоры
Есть разные виды огнеупоров, но нужно в первую очередь сделать шамот, это огнеупоры из специальной очень тугоплавкой, точнее, огнеупорной глины.
Вся огнеупорная глина белая или светло-серая, но далеко не каждая глина белого цвета является огнеупорной.
Поэтому собираем в окрестностях образцы на всех залежах белой глины, делаем одинаковые кирпичики размером со спичечный коробок, помечая, и укладываем в печку, сложенную из первой попавшейся глины, лучше одной из подозреваемых на огнеупорность. С немалыми промежутками, а между ними засыпаем уголь, сверху дрова и неплохо бы полить спиртом, скипидаром или чем-то ещё горючим. Ещё и кузнечными мехами неплохо сделать поддув. Разогреваем, осторожно щедро подсыпая уголь, печь до максимума. Она может поплыть или совсем развалиться, но некритично. Достаём и осматриваем. Те, что оплавились и деформировались от температуры, выбрасываем. Оставшиеся образцы осматриваем. Походят те, в которых совсем нет прожилок стекла, которые хуже всего спеклись. Дальше хорошо бы проверить в печи с горячим дутьём, если можно.
О строительстве печи потом.
Есть и другие виды огнеупоров, динас, магнезиальные, глинозёмистые огнеупоры, бакор. Но все они требуют обжига кирпичей и блоков в шамотной печи с горячим дутьём. Потому что простая не выдержит.
Динас это спечённая кварцевая крошка с добавлением известкового молока. Спекание при 1400-1450 градусов. Это необходимо для перехода кварца в тридимит, это разные полиморфные модификации, и у тридимита кристаллы хорошо переплетены.
Бакор это сплав оксидов алюминия и циркония. Попаданцу не сделать.
Магнезиальные огнеупоры получаются при спекании оксида магния, получаемого из природного магнезита, с примесью кварцевой пыли и негашеной извести. Спекание нужно проводить в шамотных печах с горячим дутьём.
Глинозёмистые огнеупоры состоят из оксида алюминия с примесью диоксида кремния и оксида кальция. Можно измельчённый силлиманит запечь в блоки, это природный алюмосиликат. Или прокалить и спечь в кирпичи и блоки природный гидрооксид алюминия, это гидраргиллит, бёмит, диаспор. В основном бокситы брать нельзя, потому что там смесь гидрооксидов алюминия и железа. Но можно выбрать из толщи белые и светло-серые вкрапления чистого гидрооксида алюминия, см выше названия.
Стекловаренную печь можно построить и целиком из шамота, но если есть возможность, горшки и футеровку, то есть облицовку изнутри, стоит сделать из других огнеупоров. Без них сойдёт если есть чистый каолин, его полно в Греции и Китае и некоторых других местах.
Сырьё
Если вы решили проблему с топливом и огнеупорами, но не нашли сырьё, то не расстраивайтесь. Потому что вы себе сильно облегчили и выплавку стали в будущем, и использование других печей.
Самый простой состав это три части кварцевого песка, одна часть соды, одна часть мела. Песка можно меньше для того, чтобы легче было сварить стекло, но не меньше, чем соотношение две части песка, одна часть соды и одна часть мела.
SiO2
Кварц, точнее, диоксид кремния SiO2, основной стеклообразующий оксид. Плавится при температуре 1710 градусов, и вязкость расплава огромная, в десятки тысяч раз больше чем у растительного или моторного масла.
Главное сырьё это песок. Он должен быть мелким без крупных частиц, но не совсем уж пыль. Частицы 0,1-0,5 мм диаметром. На глаз и на ощупь понять можно. Слишком крупные плохо растворяются, слишком мелкие дают очень маленькие пузырьки. Песок должен быть обязательно белым или светло-серым. Ни в коем случае не жёлтый, светло-жёлтый очень нежелательно. Потому что жёлтый цвет из-за примеси болотной железной руды, а оксид железа красит стекло в зелёный цвет. Для бутылок нормально, но и только. Искать в поймах рек белый песок, он там много раз перемытый.
Если нужно очень хорошее стекло любой ценой, то надо насобирать горного хрусталя или белой кварцевой гальки, раздробить большими кусками гранита или того же кварца и просеять на слабом постоянном ветру. Лучше через сито если есть. Железом дробить не советую, потом надо будет тонкой струйкой нужную фракцию пропустить по наклонному магниту, чтобы убрать железные пылинки, часто их убирая с магнита. Это очень важно для оптического стекла или элитной стеклянной посуды.
Na2CO3
Сода кальцинированная, она же карбонат натрия. Можно заменить карбонатом калия, он же поташ. Можно пищевой содой. Можно щелочами. Даже соединениями цезия и рубидия можно, но глупо.
В природе можно найти месторождения в содовых озёрах, или так месторождения. При сжигании некоторых водорослей получается сода. Но надо растворить, если грязная, отфильтровать или дать отстояться. Потом чистую жидкость выпарить.
Чтобы получить поташ, надо древесную золу прокипятить, слить жидкость и выпарить.
Ещё можно использовать мирабилит, она же глауберова соль, природный сульфат натрия, точнее, кристаллогидрат. В безводном виде тенардит. Перед добавлением в шихту к нему надо добавить примерно одну двадцатую часть угля по весу для восстановления при разложении. Диоксид серы образует крупные пузырьки, которые легче уходят из расплава, потому специально добавляют сульфат с углём при выплавке стекла.
Желательно частично заменит соду поташем, чтобы стекло было менее склонно к кристаллизации. Но и так сойдёт.
CaCO3
Вводится природным или искусственным мелом (отход некоторых химических производств). Тоже очень важно, чтобы не было примесей железа, выдаёт жёлтый цвет. Можно молотый известняк. Самое чистое сырьё это белый мрамор.
Если есть возможность, надо половину оксида кальция заменить оксидом магния, чтобы стеклу было тяжелее закристаллизоваться. Потому мел заменять доломитом не только можно, но даже надо, если есть. Или наполовину магнезитом заменить, это природный карбонат магния.
Глинозём
На заводах добавляют оксида алюминия пару процентов полевым шпатом, но сойдёт и немного белой глины вместо песка.
Оксиды свинца
В оптические стёкла и хрусталь для увеличения коэффициента преломления добавляют свинцовый сурик, вещество ярко оранжевого цвета. Можно свинцовые белила. Он же снижает температуру варки стекла. В современном виде хрусталь придумали в Англии в 1676 году, но есть информация, что ещё в древнем Египте и Месопотамии использовали. Подозреваю, что это был тщательно охраняемый секрет династий ремесленников Бронзового века, которые делали продукцию для элиты. Но я не то, что для обычного стекла оксиды свинца использовать, даже хрусталь варить не советую. Потому что свинец это сильный яд, пыль соединений свинца по опасности на уровне боевых газов. На современных производствах выдувальщики хрусталя идут на пенсию на 10 лет раньше нормы, на производстве обычного стекла на 5 лет, и это при качественной вентиляции. Поэтому только для оптики оксиды свинца использовать.
Как делать свинцовые белила, знали ещё в Античности. Способы разные. Самый простой это пропускание воздуха через расплавленный свинец, например, с помощью керамической трубки и кузнечных мехов. Ещё выдерживали тонкие пластины свинца с уксусной кислотой на дне сосуда и в атмосфере углекислого газа от того же гниющего навоза.
B2O3
В 1887 году немецкий стеклодел Отто Шотт сделал важное открытие: впервые в истории сварил боросиликатное стекло.
Это очень важное открытие. Потому что по значимости оксид бора второй после оксида кремния стеклообразующий оксид. Был бы первым, но к сожалению дорогой и дефицитный.
Температура плавления 480 градусов, а у оксида кремния 1710. И поэтому очень хорош для снижения температуры варки стекла, а это очень болезненная тема для стекловаров древности аж до 19 века. Частично сняли оксидами свинца, но это отрава.
Ещё в отличие от оксидов натрия и калия снижает тепловое расширение стекла. Очень важно для лабораторной посуды и оптики.
Добавлять можно много, есть стёкла вообще боратные.
Сырьё редкое. Надо искать в гидротермальных источниках и месторождениях солей на месте озёр. На вулканах часто попадается. Римляне природной борной кислотой с острова-вулкана Стромболли вообще посыпали арену Колизея.
Это очень важная информация, должна быть тщательно засекречена.
Есть и другие добавки, но не очень нужны, например, цинковые белила.
Красители
Социально малозначимая информация, но пусть будет.
Железо и хром в зелёный. Марганец и никель фиолетовый. Кобальт синий. Медь в окислительной среде голубой. Кадмий в жёлтый.
В восстановительной среде сера коричневый, бутылок коричневых много. Также в восстановительной среде медь в красный, железо в голубой. Соли золота и пыль золота тоже дают красный цвет.
Хорошие красители из лантаноидов, но будем считать, что попаданец не может их добыть и разделить. Ещё соли урана дают красивое зелёное стекло, которое в темноте светится. Эту идею можно врагам подарить при нужде.
Стекловаренные печи
Есть три основных типа печей: индукционные электрические, ванные и горшковые. По типу отопления тоже различаются. Но будет говорить только про печи на твёрдом топливе.