Разработка технологической схемы производства листового полированного стекла

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Листовое полированное стекло, ассортимент, сырьевые материалы, шихта, технологическая схема

Целью курсового проекта является разработка технологической схемы производства листового полированного стекла.

В проекте приведен аналитический обзор технологии получения листового стекла; указан выбор ассортимента выпускаемой продукции, применяемые сырьевые материалы, химический состав стекла, выбор и описание технологической схемы производства. Разработаны мероприятия по охране окружающей среды и технике безопасности.

Содержание

Введение

1. Аналитический обзор патентно-информационных источников литературы

1.1 Составы листовых стекол и способы их производства

1.2 Процессы стекловарения и способы их интенсификации

1.3 Анализ обзора литературы, выбор рационального состава стекла и технологической схемы производства листового полированного стекла

2. Технологический раздел

2.1 Ассортимент продукции и требования, предъявляемые к ней

2.2 Выбор и обоснование основных и вспомогательных сырьевых материалов

2.3 Расчет шихты для варки стекла. Расчет потребности сырьевых материалов на производство продукции

2.4 Технологическая схема и основные технологические процессы производства листового полированного стекла

2.5 Оценка вредного воздействия технологического процесса на окружающую среду

2.5.1 Очистка стеклянного боя

2.5.2 Очистка отходящих газов

2.5.3 Очистка сточных вод

Заключение

Список использованных источников

Введение

Стеклом называют аморфное тело, не обладающее упорядоченной структурой и имеющее температурный интервал плавления. Листовым полированным стеклом называют изделие из прозрачного натрий-кальций-силикатного стекла, практически не изменяющего спектральный состав проходящего сквозь него света, изготовленное методами флоат или вертикального вытягивания без дополнительной обработки поверхностей, имеющее вид плоских прямоугольных листов.

Изобретение около I века до н. э. стеклодувной трубки стало крупным шагом в истории стеклоделия, а с ней и способа выдувания изделий. В итоге резко расширились области использования стекла, а также улучшилось качество получаемых изделий. Стеклянная посуда стала намного доступнее, появилась возможность получать тонкое плоское стекло, что в итоге привело к практике остекления окон в жилищах.

Наконец в 50-х годах прошлого столетия фирмой «Пилкинтон Бразерс» предложена новая непрерывная технология получения полированного стекла на расплаве олова (флоат-процесс).

В настоящее время технология «плавающей ленты» практически вытеснила традиционные способы производства листового стекла. прозрачными листами стекла заполняют световые проемы зданий и сооружений, а также остекляют транспортные средства, в особенности часто здесь используется закаленное и многослойное стекло. промышленность плоского стекла в основном ориентируется сегодня на производства флоат-стекла, которое находит широкое применение в различных областях: строительство и архитектура, остекление транспортных средств, мебельной промышленности.

Особенное значение приобрела промышленная обработка базового прозрачного флоат-стекла с целью получения безопасных, терморегулирующих, зеркальных, стекол с покрытиями, поскольку, таким образом, качественно изменяются его основные физико-химические свойства.

Целью курсового проекта является разработка технологической схемы производства листового полированного стекла.

Задачи курсового проекта:

1. Аналитический обзор составов листовых стекол.

2. Выбор рационального состава стекла и технологической схемы производства.

3. Выбор ассортимента продукции, требования предъявляемые к ней.

4. Выбор основных и вспомогательных материалов.

5. Расчет шихты и потребности сырьевых материалов на производство.

6. Составление технологической схемы производства.

1. Аналитический обзор патентно-информационных источников литературы

1.1 Составы листовых стекол и способы их производства

Листовым полированным стеклом называют изделие из прозрачного натрий-кальций-силикатного стекла, практически не изменяющего спектральный состав проходящего сквозь него света, изготовленное методами флоат или вертикального вытягивания без дополнительной обработки поверхностей, имеющее вид плоских прямоугольных листов.

При выборе химического состава стекол для изделий массового производства следует обеспечить его экономичность с точки зрения затрат на сырьевые материалы, а также энергоемкости производства, возможность высокоскоростной выработки изделий, обладающих требуемым стандартом уровнем технико-эксплуатационных и качественных характеристик. Листовое стекло, безусловно, относится к массовым видам продукции. Ежегодно в мире производится более 3,5 млрд. м² листового стекла (в пересчете на толщину 4 мм).

В связи с этим весьма важно, чтобы шихта, из которой оно изготавливается, содержала как можно меньшее количество дефицитных, дорогостоящих, а также токсичных сырьевых материалов, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду. Поскольку различные оксиды, входящие при варке шихты в состав стекла, индивидуально влияют как на технологические свойства стекломассы, так и на эксплуатационные свойства твердого стекла, то проектирование оптимальных составов листовых стекол представляет непростую задачу, которая еще более усложняется в связи с тем, что влияние некоторых оксидов на одно и то же свойство может быть различным в зависимости от содержания оксида и температуры стекломассы. На заре стеклоделия составы оконного стекла базировались на трех основных оксидах: SiO₂, CaO, Na₂O. Однако недостаточная химическая устойчивость, а также склонность к кристаллизации подобных стекол вызвали необходимость их модифицирования. Совершенствование составов массовых промышленных стекол происходило в направлении частичной замены SiO₂ на Al₂O₃, а СаО на MgO, что сопровождалось существенным улучшением указанных свойств.

Таким образом, современные составы листовых стекол проектируются на основе системы Na₂O-СаО-MgO- Al₂O₃- SiO₂.

Для их выработки используется распространенное и относительно дешевое природное сырье - кварцевый песок, известняк, мел, доломит, полевой шпат и др. Широко применяется комплексное сырье, в состав которого входят несколько из упомянутых оксидов (полевошпатовые пески, полевошпатовый и пегматитовый концентраты, доломит, нефелиновая сода и др.), что позволяет снизить себестоимость шихты.

Роль основных оксидов в составе стекол для многотоннажных производств, а также и их влияние на свойства силикатных стекол сводится к следующему.

Кремнезем SiO₂ - основной компонент большинства промышленных составов стекол, где его содержание обычно превышает 70 мас. %. Рост его содержания в стекле способствует повышению вязкости расплава и тем самым - повышению скорости выработки, однако повышает температуру варки, осложняя достижение стекломассой гомогенного состояния, улучшает химические свойства стекол, снижает плотность, показатель преломления и ТКЛР, повышает термическую устойчивость изделий. Склонность к кристаллизации стекол возрастает с увеличением содержания SiO₂ (как правило).

Оксиды щелочных металлов (Na₂O + K₂O) вводятся в состав стекол с целью снижения температуры варки (плавни). В составах промышленных стекол для массовых производств их суммарное содержание составляет 13,2-16%. Их влияние на основные свойства стекол сводятся к следующему: снижение вязкости стекол во всем диапазоне температуры, также склонности к кристаллизации, повышение плотности и ТКЛР (в наибольшей степени). При увеличении содержания (K₂O + Na₂O) увеличивается «длина» стекол, что приводит к снижению скоростей выработки, в связи с чем многощелочные стекла в большей степени пригодны для ручной выработки. Попутно снижается показатель преломления стекол, их химическая и термическая устойчивость, электрическое сопротивление, поверхностное натяжение и микротвердость.

В ряде случаев весьма полезным является одновременное присутствие двух или трех щелочных катионов в составе стекла, что положительно сказывается на ряде свойств стекол, связанных со скоростью диффузии ионов (эффект нейтрализации).

Оксид кальция СаО вводится в состав массовых стекол в количестве до 12% и более. Своеобразным является его влияние на вязкость стекол. СаО является сильным плавнем и заметно снижает высокотемпературную вязкость стекол (будучи введенным, например, вместо MgO в возрастающих количествах). Напротив, низкотемпературная вязкость при этом сильно возрастает, что в итоге приводит к сильному сокращению «длины» стекла и создает предпосылки для увеличения скоростей выработки изделий. Другие свойства стекол изменяются при этом следующим образом: улучшаются механические и химические характеристики, растут значения показателя преломления, плотности и теплового расширения, однако усиливается склонность к кристаллизации.

Введение в состав массовых стекол оксида MgO (вместо СаО) было призвано с целью улучшения их кристаллизационной способности и химической устойчивости, что и наблюдается при возрастании содержания MgO до 4%. При этом, однако, возрастает вязкость расплавов, особенно в области высоких температур, а также поверхностное натяжение стекломассы, снижается ТКЛР. Доля сырьевых материалов при производстве изделий массового потребления (листовое стекло, тара) составляет около 30% себестоимости.

При этом из всех используемых сырьевых материалов кальцинированная сода является наиболее дорогим компонентом. Ее стоимость составляет около 70% стоимости шихты. Это связано с тем обстоятельством, что сода Na₂CO₃ является синтетическим продуктом, производство которого требует значительных материальноэнергетических затрат.

Помимо стоимости сырья на технико-экономические показатели производства стекольной продукции влияет уровень организации технологического процесса, а именно: расходы на стекловарение, рациональность режимов формования, степень оснащенности последующих операций и т. д. Расходы на стекловарение зависят помимо других важных факторов (конструкция печи, типы применяемых огнеупоров и габариты) и от состава стекломассы.

Наиболее легкоплавкие эвтектические составы в системе СаО - Al₂O₃ - SiO₂ имеют температуры плавления 732-760С. Современные промышленные составы требуют значительно более высоких температур варки для получения качественной однородной, не содержащей газовых включений стекломассы.

Рост содержания Al₂O₃ и снижение содержания Na₂O в них (одна из современных тенденций) сопровождаются повышением температуры стеклообразования и осветления, а следовательно, и температуры варки. Влияние состава стекломассы на расход топлива примерно оценивается по разнице температур, соответствующей вязкости расплава 10 Пас. При этом разница Т = 10 в 10С адекватна изменению расхода топлива примерно на 1,4%.

Важнейшей тенденцией современного стекловарения является поддержание максимальных температур варки массовых составов стекол до 1560-1580С, что является наиболее мощным фактором повышения съемов стекломассы с конкретной ванной печи. При этом, конечно, возрастает абсолютная величина затрат на стекловарение, однако уровень удельных затрат (на 1 тонну изделий) существенно ниже вследствие опережающего роста производительности агрегата.

Помимо перечисленного выше, состав листового стекла должен обеспечивать:

- заданные свойства изделий в зависимости от их назначения и условий эксплуатации;

- достижение высокой скорости варки при разных температурах варки, с учетом качества огнеупоров, применяемых для кладки стекловаренных печей;

- минимальное взаимодействие расплавленной стекломассы с огнеупором печи в ходе варки;

- достаточно большой безопасный интервал формования (разность между температурой формования и температурой верхнего предела кристаллизации), что исключает возможность образования и роста кристаллов в стекломассе в период ее студки или в ходе вытягивания в ленту (формование);

- оптимальную скорость твердения стекломассы, обеспечивающая приобретение ею желаемой формы за достаточно короткий промежуток времени без возникновения в изделии разрушающих напряжений. Малая скорость твердения стекломассы приводит к низкой производительности установок, чрезмерно высокая - к трудностям, связанным с организацией процессов формования и охлаждения без деградации изделий.

Стекла системы Na₂O-СаО- SiO₂, модифицированные введением Al₂O₃ (вместо SiO₂) и MgO (вместо СаО) в полной мере отвечают приведенным требованиям. Введение в состав листовых стекол двух последних компонентов преследует следующие цели: оптимизация скорости твердения при снижении их кристаллизационной способности и одновременном повышении химической устойчивости.

Именно относительно невысокая скорость твердения первых составов листовых стекол, вырабатывавшихся методом вертикального вытягивания стекла (ВВС), а также малый интервал между температурами формования (Тф) и верхнего предела кристаллизации (Тв.п), а зачастую и его отсутствие препятствовали четко оформившейся в 90-х годах тенденции в производстве листового стекла: увеличению мощности линий и интенсификации процессов стекловарения и формования.

По мере роста производительности стекловаренных печей, увеличения скоростей вытягивания стекла, повышения требований к его качеству протекало совершенствование химических составов листовых стекол в следующих направлениях:

- снижение содержания щелочных компонентов (более «короткие» стекла);

- увеличения содержания щелочных земель (СаО + MgO) за счет снижения содержания Al₂O₃; - оптимизация соотношения СаО / MgO.

Таким образом, состав листового стекла зависит от способа формования. В частности, чем выше скорость выработки, а она возрастает при переходе от лодочного способа к безлодочному и далее - к флоат-процессу, тем меньше содержание щелочных оксидов в составе стекла и выше содержание щелочных земель. Составы листовых стекол отечественных производителей представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Составы листовых стекол отечественных производств

Способ производства	Содержание оксидов, мас.%
	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	Na2O	SO3
Вертикальное вытягивание
лодочный способ	71,8-72,4	1,8-2,2	<0,2	6,4-6,7	3,8-4,2	14,5?=14,9	0,5
безлодочный	72,0- 72,8	1,5-1,8	<0,1	8,0-8,1	3,5-3,8	13,4- 13,7	0,5
Флоат-способ	72,0-73,4	0,6-1,3	<0,07	8,5-9,7	3,0-4,7	13,4- 14,6	0,5

Анализ составов стекол зарубежного производства представлен в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Химические составы листовых стекол зарубежных производств

Страна изготовитель	Содержание оксидов, мас. %
	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	Na2O	K2O
США	72,81	0,5	0,07	12,95	0,2	13,17	-
Бельгия	70,45	0,41	0,1	11,59	3,29	13,35	0,41
Франция	71,0	0,7	0,08	11,1	3,0	13,5	-
Великобритания	73,15	0,86	0,16	8,98	3,28	13,34	-

Что касается способов получения, стеклодувная трубка на длительный срок (более двух тысячелетий с момента изобретения) утвердилась в качестве основного формующего инструмента в производстве изделий из стекла, в том числе плоского. В Древнем Риме листовое стекло производилось путем выдувания больших пузырей, которым затем придавалась плоская форма.

Развитие стеклоделия, охватившие в XVII веке всю Европу и распространившееся в России, обеспечило дальнейшее совершенствование способов формования листового стекла. В этот период (1628 г.) был предложен способ механизированной периодической прокатки листового стекла на большеразмерных столах. На основе способа цилиндров в XIX веке в Англии (Люберс и Чемберс) был разработан первый механизированный способ получения листового стекла, имитировавший ручной способ.

При этом стеклодувная трубка, завершавшаяся металлическим диском с диаметром около 0,75 метра с помощью механического приспособления, опускалась в расплав стекла и затем медленно поднималась при одновременной тщательно регулируемой подаче сжатого воздуха в вытягиваемый стеклянный цилиндр. Получаемые заготовки большой высоты (до 12 м) в дальнейшем обрабатывались вручную с получением в итоге листового стекла. Освоение регенеративных ванных печей непрерывного действия потребовало революционных преобразований в области формования плоского стекла, и они свершились: в течение первой половины ХХ века, появились непрерывные механизированные способы вытягивания листового стекла непосредственно из расплава.

Почти одновременно были внедрены два новых способа: лодочный (Фурко) и безлодочный (Либбей-Оуэнс). Заслуга в разработке первого полностью механизированного способа выработки плоского стекла принадлежит бельгийскому инженеру Э. Фурко. (1902-1917 гг.). Сущность способа заключается в том, что в охлажденную до температуры выработки (920-9300С) стекломассу погружают шамотную лодочку в виде прямоугольного параллелепипеда со сквозным продольным вырезом, переходящим в верхней части в узкую щель. За счет сил гидростатического напора из щели лодочки выступает стекломасса, оттягиваемая валками машины вертикального вытягивания стекла кверху в виде непрерывной ленты.

При этом верхняя кромка щели лодочки, называемая губами, находится ниже верхней плоскости последней на 40-50 мм, что предотвращает затекание стекломассы сверху при заглублении лодочки. Вначале лента, находясь в пиропластическом состоянии, утоняется до заданной толщины под действием усилий, передаваемых асбестированными валками тянульной машины, затем затвердевает, подходя к первой паре валков («рубикон»), далее подвергаясь отжигу в шахте машины. Область «активного» формования ленты начинается сразу при выходе стекломассы из щели лодочки на границе раздела трех фаз: жидкой (стекломасса), твердой (шамот) и газообразной (воздух), когда внешние слои вытягиваемой ленты попадают в зону интенсивного охлаждения, создаваемую водяными холодильниками и воздухом, естественно циркулирующим в подмашинной камере.

При этом фиксируется резкое сужение толщины выходящего потока стекла, и уже на небольшой высоте над лодочкой формирование практически завершается. Этот участок стекломассы называют «луковицей», которую по форме напоминает профиль ленты. С повышением скорости вытягивания (скорость вращения транспортирующих валков) лента растягивается сильнее. Таким образом, меняя скорость вытягивания получают непрерывную ленту заданной толщины. В ходе вытягивания лента стремится сузиться не только по толщине, но и по ширине, что нежелательно, поскольку приводит к потере производительности установки. Для предотвращения ее сужения по толщине применяют бортодержатели. Кроме того, для получения ленты одинаковой толщины по ширине концы щели делают зауженными (иначе края, охлаждаясь быстрее, получаются толще середины ленты). Это также облегчает и удерживание борта ленты.

Асбестированные транспортирующие валки заключены в чугунную шахту до 7 м, где отформованная лента отжигается, охлаждаясь сначала медленно, затем быстрее. При выходе из машины лента надрезается (поперечная и продольная резка), листы отламываются с помощью рамного отломщика и им же переводятся в горизонтальное положение, после чего раскраиваются, сортируются и упаковываются. Подмашиные камеры в лодочном способе вертикального вытягивания с помощью системы выработочных каналов соединены с выработочной частью печи. Общая производительность установок вертикального вытягивания стекла (ВВС) определяется количеством установленных машин и шириной вытягиваемых лент стекла (до 3 м). Наибольшее распространение получили системы с 3, 6 и 9 машинами, у которых выработочные каналы расположены в виде креста по три машины на каждом.

Таким образом обеспечивается поступление стекломассы с равной температурой к каждой машине без дополнительных мер (нагрев, охлаждение).

Установки с девятью машинами имели производительность по сваренной стекломассе до 250 т/с, что соответствует около 40 тыс.м² /сутки листового стекла (в пересчете на толщину 2 мм). Основными дефектами листового стекла, получаемого по способу Фурко, являются повышенная волнистость, часто переходящая в полосность в направлении вытягивания.

Причиной ее являются химическая и термическая неоднородность стекломассы в зоне формования, что приводит к разной вязкости растягиваемых участков стекла, а также несовершенство поверхности щели лодочки.

Следует также указать на относительно невысокие скорости вытягивания ленты стекла. Тем не менее, преимущества лодочного способа:

- возможность получения листового стекла с толщиной от 0,6 до 12 мм, причем только наличие лодочки позволяет получать вытягиванием тонкие номиналы стекла (толщиной менее 1 мм);

- меньшая чувствительность процесса формования к колебаниям температурного режима печи в сравнении с безлодочным способом;

- простота обслуживания машин;

- относительно малые капитальные затраты в течение длительного периода обеспечивали его успешную конкуренцию с другими методами получения листового стекла.

Были предприняты попытки модернизировать способ Фурко. Так, японская фирма Asahi Glass в 1971 г. предложила способ вертикального вытягивания, в котором шамотная лодочка заменялась парой огнеупорных валков, частично погруженных в стекломассу и устанавливаемых параллельно друг другу в подмашинной камере.

Полученное валковым способом стекло характеризовалось меньшими оптическими искажениями (менее выраженной полосностью и пузырностью, которая часто образуется от лодочки, особенно сразу после пуска машины). Большая масса ленты, вытягиваемой вертикально, приводит к необходимости приложения к ней больших усилий, что отрицательно сказывается на качестве поверхности стекла и, кроме того, существуют проблемы с качеством отжига. В связи с этим французский изобретатель Кольбурн предложил способ вертикально-горизонтального вытягивания стекла, который впервые был внедрен американской фирмой «Либбей-Оуэнс» в 1917 г. В соответствии с ним лента стекла вытягивается без лодочки вначале вертикально вверх, а затем переводится в горизонтальное положение.

Сваренная в печи стекломасса непрерывно поступает в обогреваемую выработочную камеру с малой глубиной, первоначально проходя через камеру предварительного охлаждения. Характерно, что лента вытягивается со свободной поверхности стекломассы, причем борта ее удерживаются вращающимися бортоформующими роликами, расположенными в зоне луковицы. На высоте около 90 см над зеркалом стекломассы лента стекла с помощью тщательно отполированного перегибного вала переводится в горизонтальное положение и подается в длинную печь отжига.

Способ Либбей-Оуэнса обеспечивал существенно большие скорости вытягивания ленты, возможность получения листов больших форматов при толщине ленты от 0,6 до 20 мм, характеризовался высоким качеством отжига.

Качество стекла по оптическим искажениям, в целом, было выше, чем у лодочного. Тем не менее в дальнейшем способ Кольбурна не получил широкого распространения из-за частого появления дефектов на поверхности ленты (кованости, следов вследствие контакта с поверхностью вала). Кроме того, на одной ванной печи возможно разместить не более двух машин, что ограничивало общую производительность установок. Идея безлодочного вытягивания стекла, однако, получила дальнейшее развитие в изобретении Грегориуса, предложившего способ вертикального безлодочного вытягивания листового стекла БВВС.

Этот способ впервые был внедрен в 1928 году американской фирмой «Pittsburch Plate Glass». Отличительной особенностью данного способа в сравнении с методом Фурко является отсутствие лодочки. Отбор стекла осуществляется со свободной поверхности зеркала стекломассы, затем лента тянется вертикально вверх как у Фурко. Вторая особенность - под местом отбора стекломассы по оси ленты ориентируется керамическое тело (поплавок), задачей которого является защита вырабатываемой стекломассы от теплового излучения ее глубинных слоев. Ориентируя поплавок вдоль оси машины, регулируют движение потоков стекломассы так, что луковица формируется благодаря стабильному притоку стекломассы с равнозначной температурой с разных сторон поплавка. Поплавок обычно погружен на 65-80 мм ниже зеркала стекломассы. Экранируя поверхностный слой стекломассы, протекающий по нему к месту отбора, от теплового воздействия ее нижних слоев, поплавок создает условия для его охлаждения до температуры формования.

Чем тоньше слой стекломассы (меньше заглубление поплавка), тем быстрее она охлаждается при движении к луковице по поплавку и тем выше возможная скорость вытягивания. Необходимое для вытягивания ленты поле температур (и вязкости стекломассы) получают за счет окунтуривания участка зеркала стекломассы подвесными шамотными элементами (L-образные блоки). По краям лента удерживается и охлаждается бортоформующими роликами. В итоге борта затвердевают раньше основного полотна и удерживают его в натянутом положении.

Лента стекла тянется при помощи валков машины безлодочного вертикального вытягивания стекла (БВВС), так же, как и при лодочном способе производства. Отличием является большая высота шахты (до 11,8 м). Последующие технологические процессы получения листового стекла у обоих методов совпадают. При выработке стекла методом БВВС получили распространение установки с 4, 6, 8 и 10 машинами вертикального вытягивания.

Основной особенностью выработочных каналов БВВС в сравнении с лодочным способом является их больший объем, что снижает градиент температур в потоке стекломассы, поступающей на формование. Метод Питтсбурга позволяет вытягивать ленту стекла при существенно больших температурах в выработочной части печи и в подмашинной камере (на 140-160С выше, чем у метода Фурко), поскольку отсутствует необходимость охлаждения всей массы стекла, достаточно охладить до температуры формования тонкий слой стекломассы над поплавком.

Это обстоятельство, а также отсутствие лодочки существенно улучшает качество поверхности ленты, резко. Составы стекол, используемых для метода Питтсбурга (БВВС), характеризуются меньшим содержанием Na₂O и большим - СаО, что с одной стороны обеспечивает повышенную скорость твердения стекломассы, а с другой - снижает себестоимость шихты. Недостатками способа БВВС в сравнении с лодочным являются повышенные капитальные затраты, трудности при вытягивании тонких стекол (менее 2 мм), высокая чувствительность к колебаниям режимов варки, пониженный коэффициент использования стекломассы.

Тем не менее, достоинства безлодочного способа обусловили достаточно быстрое вытеснение им лодочного способа Фурко за рубежом. Этого, однако, не произошло в индустрии листового стекла на территории бывшего СССР, где и в настоящее время продолжают работать около полутора десятков предприятий по технологии ВВС.

Основой для разработки технологического процесса производства листового стекла на основе флоат-процесса послужила идея, изложенная в патентах американских изобретателей X. Хила (1902 г.) и X. Хичкока (1905 г.). Согласно новому принципу, производство плоского стекла любой толщины в виде непрерывной горизонтальной ленты осуществляется посредством подачи стекловаренной печи в смежную с ней ванну, содержащую расплавленное вещество (металл) с большим удельным весом, чем стекло. В итоге стекломасса растекается и плывет по поверхности расплава металла, выходит из ванны расплава в виде непрерывной ленты и направляется в печь отжига.

Только в 1952 г. английская фирма «Pilkington Brоhsers Limited», специализирующаяся на производстве полированного стекла, начала исследования по получению непрерывной ленты стекла на расплаве металла и после 7 лет экспериментальных, полупромышленных и промышленных работ, после затраты огромных средств получила качественную продукцию. Достаточно сказать, что за период освоения нового способа было выпущено около 100 тыс. т брака прежде, чем удалось получить первый квадратный метр годного стекла. В январе 1959 г. было объявлено о разработке нового промышленного процесса и положено начало стремительному росту производства высококачественного термически полированного стекла. С 1959 г. в СССР было положено начало разработке установок по выработке флоат-стекла.

Был организован Саратовский филиал Государственного института стекла, главной задачей которого стало создание независимого отечественного флоат-стекла. В итоге в 1969 г. был создан способ, получивший название способа двухстадийного формования и запущена в эксплуатацию линия выработки флоат-стекла ЭПКС-4000, давшая товарную продукцию. В 1974 г. американская фирма «Пи-Пи-Джи Индастриз» запатентовала свой способ производства флоат-стекла, отличный от способов Пилкингтона и Саратовского института. Он был реализован в промышленности и также признан независимым.

Сущность флоат-процесса состоит в использовании двух несмешивающихся жидкостей, одна из которых менее плотная (стекломасса) - растекается по более плотной с образованием слоя одинаковой толщины. Последняя должна отвечать следующим требованиям:

- ее плотность должна быть существенно больше плотности стекломассы;

- точка плавления должна быть ниже 600°С;

- давление паров при температуре около 1050-1100°С должно быть минимальным;

- при высокой температуре она не должна химически взаимодействовать со стекломассой.

Предъявленным требованиям отвечают только расплавы металлов. Для осуществления процесса подходят Ga, In и Sn. Из этих металлов наиболее приемлемым является олово, так как наряду с обеспечением вышеперечисленных требований, его соединения являются широко распространенными в природе.

Сравнительно простая технология получения чистого олова делает его наиболее дешевым и, следовательно, наиболее эффективным с экономической точки зрения. Свободное растекание жидкой стекломассы по расплавленному металлу подчиняется общим закономерностям взаимодействия несмачивающихся жидкостей и зависит от плотности жидкостей и величин поверхностного натяжения на границах раздела фаз стекло - металл - газовая среда в ванне расплава. При этом стекломасса растекается под действием собственной массы стекла, а противодействует ей сила поверхностного натяжения.

Флоат-способ получения листового стекла является непрерывным процессом, при котором в ванну с расплавом олова непрерывно осуществляется дозированная подача стекломассы. Непрерывное поступление стекломассы на металлическую подложку приводит к образованию и распространению волн на поверхности ленты, подчиняющимся общим закономерностям распространения волн в жидкой среде (рисунок 1.1)

Рисунок 1.1 - Распространение волны в жидкой среде

Первоначально пытались изменять толщину ленты, пропуская ее на входе в ванну расплава через пару валков с заданной величиной зазора между ними, как это осуществляется при классическом способе проката. Практика показала ошибочность данного пути, поскольку для сохранения высокого качества верхней поверхности ленты необходимо повысить температуру прокатанной ленты до температуры, превышающей 1000°С («огневая полировка»), что приводило к стягиванию ленты до равновесной толщины.

Кроме того, испаряющееся олово конденсировалось на водоохлаждаемых валках, что приводило к дефектности поверхности ленты. Поэтому ленту стали вытягивать в продольном направлении, варьируя скорость вращения валков печи отжига. Вытягивающая сила ле- ра теоретически должна вызывать уменьшение как толщины, так и ширины вытягиваемой ленты пропорционально Vл , где Vл - изменение скорости вращения валков лера.

Однако в реальном процессе изменение скорости лера в большей степени вызывает уменьшение ширины, чем толщины ленты. Этот факт иллюстрируется рис. 8.3, на котором представлена зависимость толщины и ширины ленты стекла в зависимости от скорости вытягивания, увеличение которой указано стрелкой. Исходной для обеих кривых является точка Р, соответствующая равновесной толщине ленты и ее исходной ширине около 6 м.

Как следует из рисунка 1.2, вытягивание ленты при температуре 1050С приводит к резкому сужению ленты при уменьшении ее толщины. Так, при снижении толщины до 6 мм, ширина ленты уменьшается с 6 до 2,5 м, а при толщине 4 мм - и вовсе до 0,75 м, что приводит к резкому снижению производительности флоат-установок.

В то же время при температуре 850С зависимость ширины и толщины ленты от скорости вытягивания близка к теоретической (прямая пропорциональность), что связано с достаточно высокой вязкостью стекломассы. Таким образом, в ходе вытягивания ленты с Рис. 1.2. Зависимость геометрических параметров ленты от скорости вытягивания при различных температурах расплава целью получения листового стекла с толщиной менее равновесной необходимо предусмотреть охлаждение стекломассы сразу после ее растекания.

Для получение ленты стекла с толщиной менее равновесной, ее необходимо подвергать растягивающим усилиям. В настоящее время имеется несколько способов получения листового стекла тонких номиналов, два из которых рассмотрены ниже.

Сущность способа прямого вытягивания

Метод наиболее прост в реализации по сравнению с другими и, как правило, применяется для выработки стекла толщиной 5-6 мм. При этом, исходя из заданной конечной ширины ленты определяют и устанавливают ширину растекания стекломассы в «луже» (зона ванны с наибольшей шириной растекания), примерно в 1,4-1,6 раза больше конечной ширины ленты.

Для стабильности и безаварийности процесса с помощью графитовых ограничителей («пушеры») устанавливают ленту симметрично продольной оси ванны либо привязывают ее к одной из сторон. Дело в том, что конвекционные силы всегда тянут ленту к более холодной стороне. Рано или поздно она прилипнет к стенке ванны, потеряет скорость и разольется. Ограничители, слегка касаясь стекломассы, фиксируют положение ленты. Места установки пушеров определяются экспериментально. Оборудование, используемое для формования термически полированного стекла Для снятия избыточного тепла с ленты над ней сразу после места максимального растекания (лужа) устанавливают водяной холодильник. Поскольку края ленты остывают быстрее, чем ее середина, для выравнивания температуры ленты в поперечном сечении часто используют ромбовидный холодильник («банджо»).

При больших съемах устанавливаются дополнительные холодильники. Зона ванны расплава, где лента деформируется под действием сил вытягивания, называется зоной «активного формования». При способе прямого вытягивания приобретение затвердевающей лентой окончательных размеров осуществляется в интервале температур 1000-900°С, что соответствует вязкости = 103,5-104,6. При более низких температурах геометрия ленты практически не изменяется. В хвостовой части ванны осуществляется фиксация геометрических параметров сформированной ленты стекла путем ее дальнейшего охлаждения. Теплосъем осуществляется водяными холодильниками (прямоугольными и ромбовидными), устанавливаемыми под лентой стекла.

Величину теплосъема регулируют изменением числа холодильников. Температура ленты на выходе из ванны расплава строжайшим образом контролируется и должна составлять около 600-610С. Регулируется она хвостовыми холодильниками с точностью 5С. Данная температура является результатом компромисса между качеством стекла и безопасностью проведения процесса с точки зрения возможности обрыва ленты. Дело в том, что при выходе из ванны расплава лента перегибается, преодолевая выходной порог.

В итоге чем ниже ее температура, тем выше риск обрыва ленты стекла вследствие перехода его в хрупкое состояние. Температура же ленты, превышающая 610С может приводить к прогибу ленты под собственной массой, и касанию порога, а также к появлению отпечатков, оставляемых валами шлаковой камеры на нижней стороне ленты.

Большое значение для качества получаемого стекла имеет поддержание изотермических условий, то есть минимальной разности температуры олова по ширине ванны в любом ее сечении. Неравномерность распределения температуры в поперечном сечении ванны особенно нежелательно в зоне активного формования. При этом соседние участки ленты могут приобретать разную вязкость, вследствие чего деформируются под действием растягивающих усилий различным образом. В частности, стекломасса с меньшей вязкостью утоняется в большей степени.

Это приводит к разнотолщинности ленты и ухудшению оптических характеристик полированного стекла. Выравнивание температуры по сечению ванны осуществляется за счет изменения мощности электронагрева по участкам ванны. С этой целью в газовом пространстве и олове в расплаве в головной части ванны устанавливают группы нагревателей, снабженных регуляторами температуры. В итоге стремятся, чтобы перепад температуры по ширине ванны в зоне формования не превышал 10C. Изменением мощности нагрева по зонам ванны расплава возможно также в ограниченных пределах регулировать толщину ленты (±0,2-0,3 мм), однако основным средством утонения ленты все же является изменение скорости вращения валков печи отжига.

Заметное сужение ленты стекла, отмечаемое при реализации способа прямого вытягивания, делает неэффективным его использование для получения тонких номиналов листового стекла (d < 5 мм). Для получения утоненной ленты с большой шириной используется способ продольно-поперечного вытягивания.

Способ продольно-поперечного вытягивания

Предусматривает использование утоняющих машин (УМ), основным рабочим элементом которых является вращающийся зубчатый ролик, заглубляемый сверху в прибортовой участок ленты и удерживающий борт ленты на определенном расстоянии от стенки. При этом направление вращения вала УМ совпадает с направлением движения ленты, однако окружная скорость вращения ролика меньше скорости движения ленты, что создает тормозящий эффект в случае, если вал машины составляет некоторый «положительный» (+) угол с продольной осью ленты.

Используя несколько пар машин, устанавливаемых последовательно по длине ванны, можно получить широкую ленту тонкого стекла. Скорость вращения роликов утоняющих машин определяется, исходя из заданных конечных ширины и толщины ленты стекла. Количество подаваемого в ванну расплава стекломассы Р (съем печи), скорость лера и окружная скорость вращения бортоформующих роликов в совокупности определяют геометрические характеристики вырабатываемой ленты стекла.

Так, снижение удельного съма с печи при прочих стабильных факторах вызывает снижение растекания и конечной ширины ленты, увеличение толщины ленты. Уменьшение скорости лера приводит к усилению растекания, утолщению и расширению ленты. Снижение скорости вращения бортоформующих роликов усиливает растекание ленты, обеспечивает возрастание ее ширины при уменьшении толщины. Регулируя величины всех трех упомянутых выше факторов, добиваются заданных геометрических характеристик ленты на выходе из печи. Особое значение имеет тот факт, что при реализации способа продольно-поперечного вытягивания указанной цели можно добиться

Утонение ленты стекла способом продольно-поперечного растягивания без изменения съема стекломассы с печи, что создает предпосылки для стабильной ее работы и получения лучшего качества стекломассы. В связи с этим у производителей существует четкая тенденция сохранения равномерности подаваемого на формование потока стекла, что в итоге обеспечивает повышенные оптические характеристики стекла.

Требуемых геометрических параметров ленты добиваются, оперируя только скоростью роликов УМ и скоростью лера. Использование метода продольно-поперечного вытягивания позволяет получать флоат стекло весьма малой толщины (менее 2 мм). Температура олова в районе установки УМ поддерживается на уровне 880-820С с помощью сводовых нагревателей. Таким образом, основные преимущества способа продольнопоперечного вытягивания, помимо достижения большей конечной ширины ленты, состоят в следующем:

- гибкость при изменении толщины и ширины ленты стекла;

- быстрота их изменения.

Каждая утоняющая машина имеет следующие механизмы:

- подъема и опускания роликов относительно ленты;

- установки горизонтальности роликов; - их разворота на определенный угол к продольной оси ванны;

- перемещения машин перпендикулярно продольной оси ванны;

- изменения скорости вращения роликов. Обычно УМ оснащается комплектом телеаппаратуры: телекамера и видеоблок с телеэкраном для наблюдения за положением поведением ленты стекла. Описанные выше способы позволяют получать полированное стекло с толщиной от 6,5 до 1,8 мм. Следует заметить, что листовое стекло толщиной 6,0-6,5 мм при прочих равных условиях имеет более высокое качество поверхности и лучшую плоскопараллельность сторон, чем тонкое стекло. Другими словами, чем тоньше стекло, тем и хуже его качество по оптике. Это связано с увеличением скорости движения ленты и влиянием возвратных потоков олова, о чем будет сказано ниже. Для получения качественного полированного стекла необходимо поддерживать определенный температурный режим в ванне расплава при заданной скорости вытягивания ленты представляет температурные кривые выработки стекол разных номиналов.

Приведенные режимы обеспечивают продолжительность растекания около 70 с, что достаточно для достижения плоскопараллельности ленты в интервале температуры 1050-1080°С. Продольнопоперечное растягивание ленты завершается при вязкости около 104,5 Пас, что соответствует температуре 820-840°С. В остальной части ванны температура падает до 600°С.

Производство флоат-стекла с толщиной более равновесной

Общим подходом к получению утолщенного стекла (с толщиной, превышающей равновесную) является ограничение бокового растекания стекломассы в высокотемпературной части ванны расплава. Существует несколько способов воздействия на процесс растекания расплава стеклообразующего во флоат-ванне:

1) установка в месте наибольшего растекания стекломассы («лужа») бортоформующих машин (1-3 пары), представляющих собой ту же утоняющую машину, что использовалась при получении тонких номиналов стекла, но развернутую под отрицательным углом.

При этом окружная скорость вращения рабочего органа (зубчатое колесо) БФМ в месте установки превышает скорость движения ленты стекла, а угол разворота вала машины относительно продольной оси ленты отрицателен. В результате машина ускоряет движение стекломассы вперед, одновременно не давая ей растекаться. Толщина получаемой ленты определяется количеством подаваемой в ванну стекломассы, скоростью движения ленты и скоростью вращения рабочих элементов БФМ. Данный способ весьма технологичен, позволяя варьировать толщину ленты в пределах 6,5-12 мм при стабильном съеме стекломассы с печи и высоком качестве стекла по оптическим показателям и разнотолщинности.

2) установка ограничителей, в качестве которых служат бруски из несмачиваемого стекломассой графита, устанавливаемые вдоль боковых стенок ванны расплава на некотором расстоянии от них. Расстояние между ограничителями определяет толщину ленты стекла.

Дозируемая шибером 2 стекломасса по сливному лотку поступает на поверхность олова. Начальная стадия растекания расплава в линзу стекла регулируется рестрикторами. Далее по ходу ванны с некоторым разрывом установлены ограничительные бруски, проходя между которыми лента приобретает заданную ширину. Ограничители имеют водяные холодильники, фиксирующие их на определенном расстоянии от стен ванны. Охлаждение графитовых брусков необходимо во избежание прилипания к ним стекломассы. Для обеспечения хорошего теплового контакта холодильника с бруском, полость последнего заполняется оловом. При движении между ограничителями стекломасса охлаждается от 1050-1030°С до 840-860°С. Для фиксации толщины отформованной ленты за ограничителями над ней устанавливаются навесные холодильники. Их число и место установки подбираются экспериментально.

Заданная толщина ленты может быть достигнута путем регулирования съема с печи и скорости выхода ленты из флоат-ванны. В случае изменения толщины ленты при сохранении стабильного съема стекла с печи изменяют скорость вытягивания ленты и длину зоны формования (участка с ограниченными брусками). Метод ограничителей позволяет получать ленту стекла толщиной 12-20 мм.

1.2 Процессы стекловарения и способы их интенсификации

Основной особенностью процесса стекловарения в производстве листового стекла является необходимость плавления больших объемов шихты за относительно короткий период времени.

В ванных печах провар шихты происходит под влиянием следующих теплообменных процессов:

? передачи лучистой энергии от горячих газов и кладки верхнего строения;

? конвективного переноса тепла от факела к шихте;

- теплопередачи в слое загружаемой шихты;

- передачи тепла к шихте снизу от стекломассы.

Поскольку газы в полости печи перемещаются с относительно небольшими скоростями (1-4 м/с), то конвективная составляющая передачи тепла в пламенном пространстве не превышает 5-15% . Теплопередачей в самой шихте вследствие ее большого термического сопротивления (теплопроводность шихты равна 0,2-0,3 Вт/(м•град) можно пренебречь.

Таким образом, плавление шихты происходит, главным образом, за счет излучения факелов и пламенного пространства сверху, а также от стекломассы снизу. Соотношение между ними находится в пределах (1,5-2,5) : 1. Это определяет ведущую роль процессов варки на поверхности шихты. В результате лимитирующим звеном всего процесса варки стекла в промышленной печи становится скорость прогрева массы шихты до температуры ее плавления.

Все стадии стекловарения протекают в слоях шихты, загружаемой в печь и имеющих температуру от 100 до 1200° С. Жидкий расплав образуется на поверхности шихты в виде пленки толщиной около 10 мм с градиентом температур по этой толщине 80-120° С. При этом слой расплава толщиной 4-5 мм стекает с кучи со скоростью 3-5 м/ч, обнажая лежащий под ним слой плавящейся шихты, который, приобретая достаточную текучесть при повышении его температуры, также начинает стекать, обнажая следующие слои. В нижней части кучи тот же процесс протекает с меньшей интенсивностью вследствие более низких температур стекломассы по сравнению с температурой пламенного пространства над кучами шихты.

Газы, образующиеся в процессе разложения компонентов шихты, разрывают пленку расплава, раздвигают ее, меняют ее толщину, вызывая непрерывное изменение температуры на ее поверхности. Когда первичный расплав достигнет 1200?С, в нем завершатся полностью все процессы силикатообразования и начинаются процессы стеклообразования и осветления.

Стекломасса, стекающая с кучи шихты к ее основанию, содержит 15-25% остатков не расплавившихся зерен кварца и большое количество газовых пузырей и мошки. Внешне она в этот период представляет вспененную массу, поэтому она получила название «варочной пены».

В процессе стеклообразования каждое зерно песка оказывается окруженным слоем расплава, обогащенным растворенной в нем кремнекислотой, концентрация которой снижается по мере удаления от центра зерна. Другими словами, в процессе стеклообразования кремнезем от поверхности остаточных зерен песка, где его концентрация максимальна, диффундирует в расплав, а навстречу ему диффундируют ионы натрия и кальция. Процессу растворения зерен песка предшествует их превращение из кварца в кристобалит, которое начинается с поверхности, а затем распространяется внутрь зерна.

Наибольшую роль в ускорении этой стадии варки стекла играют процессы, которые разрушают слои вязких силикатов вокруг зерен песка, т. е. перемешивание, бурление или вращение расплава (создание в диффузионном процессе поля с градиентом скоростей).

В процессе стеклообразования происходит расслоение многокомпонентной системы «расплав - не растворившиеся зерна песка - газовые пузыри» по плотности. В результате кремнезем, будучи легче стекломассы, скапливается в ее поверхностных слоях (до 4-8% SiO₂), создавая предпосылки для химической неоднородности стекломассы.

Процесс растворения зерен песка (кристобалита) протекает до их размеров 1-20 мкм. Причем блоки остатков кристаллов равномерно распределяются в массе расплава. Скорость растворения во многом зависит от гранулометрического состава кварцевых песков.

Максимальная скорость варки наблюдается для узкого интервала размеров зерен кварца. В песках с широким интервалом размеров зерен медленнее провариваются не только крупные, но и очень мелкие зерна. Это происходит в результате быстрого насыщения первичного расплава кремнеземом вследствие быстрого растворения мелкой фракции песка.

Таким образом, скорость растворения зерен SiO₂ данного интервала размеров тем больше, чем меньше доля мелкой фракции в составе песка. С другой стороны, содержание в песке даже небольшого количества крупной фракции оказывается недопустимым.

Одним из важных факторов интенсификации процесса стеклообразования (растворения SiO₂) является наличие в расплаве усилий сдвига. В этом случае находящаяся в расплаве твердая частица приобретает вращательное движение вокруг собственной оси, что приводит к возрастанию конвективной составляющей массопереноса. Это означает, что любое перемешивание плавящейся шихты (бурление, перемешивание, интенсивное принудительное движение) будет существенно ускорять процесс варки стекла.

Таким образом, особенностями варки стекла в ванных печах являются:

– одновременное совмещение всех стадий варки стекла в пленке расплава на поверхности куч шихты;

– продолжение незавершившихся процессов в варочной пене без четкого выделения зон печи с какой-либо одной конкретной стадией процесса варки стекла;

– сосредоточение всех процессов варки стекла в поверхностных слоях расплава;

– течение процесса стекловарения в условиях непрерывно повышающейся температуры вследствие перемещения куч шихты и варочной пены вглубь печи к зоне максимальных температур;

– значительное влияние размеров куч шихты на скорость их плавления;

– влияние условий прогрева куч шихты, то есть ее теплопроводности, на скорость их плавления.

После завершения процессов варки вновь образовавшаяся стекломасса растекается по площади зоны варки, частично смешиваясь с конвекционным потоком. При нормальных условиях конвекция не затягивает непроверенную и неосветленную стекломассу вглубь бассейна. Она впитывает в себя только сваренный осветленный гомогенный расплав, когда его удельная масса сравнивается с удельной массой стекломассы, заполняющей бассейн стекловаренной печи.

В литературе по технологии варки стекла отмечаются специфические особенности варки содово-сульфатной шихты в связи с тем, что при различных нарушениях технологического процесса в этом случае в отдельных участках зоны варки на поверхности стекломассы появляется слой расплавленного сульфата натрия («щелока»), не вступающий во взаимодействие с остальными компонентами шихты. Это явление обусловлено тем, что сульфат натрия обладает ограниченной растворимостью в стекломассе и при определенных условиях выделяется на ее поверхности в самостоятельную фазу.