Технология производства листового стекла флоат-методом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время листовое стекло и изделия на его основе применяются во всех областях народного хозяйства.

Объем мирового спроса на листовое стекло составляет около 45 миллионов тонн ежегодно, при этом 50 % спроса приходится на Азию, 27 % - на Европу и 15 % - на Северную Америку. В структуре спроса по отраслям промышленности 70 % приходится на строительный сектор, 20 % - на мебельный сектор и сектор обустройства интерьера, и 10 % на автомобилестроительный и транспортный секторы.

Стекло - это уникальный материал, позволяющий даже в замкнутом пространстве не терять связь с внешним миром. Красиво обработанное стекло, подобно бриллианту, сияет и переливает свет, преобразуя любой интерьер.

Листовое стекло стало неотъемлемой и все возрастающей частью мировой экономики и повседневной жизни. В мире действует более 240 флоат-линий, почти полностью вытеснившие методы Фурко, Питсбурга и, в значительной степени, прокат.

Современное строительство требует разработки, и производства широкого ассортимента листового стекла и стеклоконструкций, строительных панелей на основе композиций из стекла, металла, дерева и пластмасс.

В стекольном бизнесе все большую долю начинают занимать новые виды изделий из стекла светозащитного, тонированного, закаленного, пулестойкого, архитектурно-строительного, стеклопакетов, стекол с защитными функциями.

Все большие площади остекления в зданиях, транспортных средствах, мебели, возрастающая потребность в зеркалах, мерном и обработанном стекле архитектурно-строительного назначения делают стекло одним из наиболее перспективных и динамично развивающихся материалов универсального применения, четко просматриваются перспективы листового стекла, как основного экологически чистого стратегического строительного материала XXI века.

За последние десять лет в производстве и потреблении листового стекла для строительства произошли существенные изменения. Изменилось само отношение к этому продукту: если десять лет назад основным его назначением было остекление деревянных рам в жилищном строительстве и розничная продажа, то сейчас основная часть стекла поступает на вторичную переработку, такую как нанесение покрытий, закалка, изготовление многослойных стекол и стеклопакетов. Как говорят в странах Западной Европы, листовое стекло стало базовым продуктом для производства конечной продукций.

Целью курсового проекта рассмотреть технологию производства листового стекла флоат методом.

1. Аналитический обзор литературы

1.1 Общая характеристика данного вида продукции

Листовое стекло ? бесцветное прозрачное натрий-кальций-силикатное стекло, изготавливаемое методами флоат или вертикального вытягивания без какой-либо дополнительной обработки поверхностей, имеющее вид плоских прямоугольных листов, толщина которых мала по отношению к длине и ширине.

Листовое стекло является одним из важнейших видов строительных материалов, с помощью которого создается различная освещенность помещений, регулируется поступление и потери тепла. Помимо функционального назначения стекло является прекрасным декоративным материалом, обеспечивающим возможность разнообразного оформления зданий и украшения их интерьера.

Возможности этого материала значительно расширяются путем придания ему различной тепло- и светопрозрачности, применения многих методов его окраски и декорирования. Для оформления интерьера широко используются декоративные зеркала.

Расширился ассортимент вырабатываемых листовых стекол. Наряду с обычным бесцветным стеклом организовано производство цветного стекла и стекол со специальными спектральными характеристиками (теплопоглощающих, солнцезащитных и др.), окрашенного в массе накладного и покрытого цветными окисно-металлическими пленками.

Листовое стекло применяют для заполнения световых проемов в зданиях и сооружениях промышленного, гражданского, жилищного и сельскохозяйственного назначения как материал, обеспечивающий естественную освещенность внутри помещений. Витринное стекло применяют для остекления витрин и больших световых проемов в торговых и общественных зданиях. Техническое стекло используется для остекления автомобилей, самолетов, судов, а также для других технических целей. Мебельное стекло используется для изготовления мебели. Фотостекло предназначено для изготовления фотопластинок.

Ассортимент изделий из полированного стекла многообразен и постоянно пополняется новыми видами, что обусловлено требованиями различных отраслей промышленности и строительства. При этом большое значение имеет снижение материалоемкости стекла за счет повышения его прочности.

Анализ научно-исследовательских разработок и предварительная проработка наиболее перспективных предложений показали необходимость решения задач по изготовлению менее материалоемких и более эффективных видов остекления на транспорте и авиации из стекол толщиной 3?4 мм (и менее) с поверхностью, модифицированной теплоотражающими и электропроводящими покрытиями.

Перспективным представляется направление по созданию производства авто и авиаостекления в виде электрообогреваемых панелей, защищающих от СВЧ-излучения экранов, остекления с радиоантеннами и других изделий для строительства, промышленности и бытовых нужд [1].

За последние годы разработан целый ряд интегрируемых технологий для производства: окрашенного в массе поглощающего стекла 21 цвета, бесцветного стекла 8 видов по толщине, архитектурно - строительного стекла с декорированного "Метелица" 24-х видов, а с учетом цвета - 504 вида, 35 видов стекла "Ритм", бесцветного и стекла с электрохимически окрашенной поверхностью 7 видов, 12 видов стекол со стекловидными покрытиями. На одной и той же линии можно выпускать бесцветное и окрашенное в массе стекло с кремниевыми, зеркальными, пылеотталкивающими, фотохромными и термо-хромными покрытиями [2].

К свойствам листового стекла относятся: механические свойства, термические свойства, оптические свойства и химическая устойчивость.

Механические свойства. Плотность стекла ? важная физическая величина, от которой зависят тепловые, оптические и ряд других его свойств. Наименьшую плотность имеет кварцевое стекло (2203 кг/м³), наибольшую ? стекло с высоким содержанием РbО (до 7000 кг/м³). Плотность обычного листового стекла при комнатной температуре в среднем равна 2500 кг/м³. С повышением температуры она уменьшается.

Наиболее характерные особенности механических свойств стёкол ? хрупкость, связанная с тем, что стекло разрушается сразу же после достижения предела упругой деформации, а также весьма большая разница между прочностью на растяжение (или изгиб) и на сжатие. Прочность листовых стёкол зависит от их размеров, формы, состояния поверхности, температуры, степени отжига или закалки, химического состава, наличия инородных включений, условий испытания. Прочность на сжатие листового стекла сравнительно высока и составляет 0,9?1,05ГПа. Прочность на растяжение и изгиб приблизительно в 10 ?15 раз меньше, чем на сжатие, и составляет всего 50?100 МПа, в то время как теоретическая прочность стекла, т. е. прочность связей в его структурном каркасе оценивается не менее 10 ГПа [3].

Исследования в области упрочнения стекла ведутся в следующих направлениях:

а) устранение дефектов поверхностного слоя путём травления его плавиковой и серной кислотами с последующей «консервацией» поверхности кремнийорганическими покрытиями;

б) химическое упрочнение поверхностного слоя путём ионного обмена, заключающегося в замене ионов Na⁺ на ионы Li⁺ или К⁺;

в) закалка в воздушном потоке для достижения максимальных и равномерных напряжений сжатия в поверхностных слоях стекла;

г) термическая обработка стекла в кремний органических жидкостях путём закалки его после предварительного нагрева.

Модуль упругости листового стекла находится в пределах 68 ? 69 ГПа. Коэффициент Пуассона примерно равен 0,22, а модуль сдвига колеблется от 22 до 28 ГПа. Твёрдость имеет большое значение при работе стекла на истирание и при получении полированного стекла методами механической обработки. Твёрдость силикатного стекла по шкале Мооса находиься в пределах 5?7.

Микротвёрдость листового стекла, измеренная путём вдавливания под нагрузкой алмазной пирамиды, составляет 5,4?5,7 ГПа.

Термические свойства. Теплоёмкость листового стекла в интервале температур 0?100°С находится в пределах 0,838? 0,86 кДж/ (кг· °С).

Теплопроводность ? одно из важнейших теплофизических свойств стекла, оказывающих влияние на технологический процесс его производства. В связи с тем, что стекло представляет собой полупрозрачную для тепловых лучей среду, процесс теплопередачи в нём отличается большой сложностью. К истинной молекулярной теплопроводности здесь прибавляется передача тепла излучением, причём доля лучистого тепла увеличивается с ростом температуры и уменьшается при наличии в составе стекла теплопоглащающих красителей.

Теплопроводность листового стекла в диапазоне температур 0 ? 100°С находится в пределах 0,87?0,93 Вт/ (м-°С).

Температурный коэффициент расширения имеет важное значение при спаивании стекла с другим стеклом, эмалями или металлами.

От значения коэффициента расширения зависит одно из важнейших свойств стекла ? его термостойкость; с понижением коэффициента она увеличивается. Обычные листовые стёкла имеют коэффициент расширения (85?90)10^-7 К^-1.

Оптические свойства. Из оптических свойств применительно к листовым стёклам представляют наибольший практический интерес коэффициент свето-пропускания и двойное лучепреломление.

Коэффициент светопропускания, характеризуемый отношением интенсивности светового потока, прошедшего через образец стекла, к интенсивности светового потока, вошедшего в него, всегда меньше единицы, поскольку часть светового потока отражается от поверхностей и часть его поглощается самим стеклом.

Максимальное значение коэффициента светопропускания обычного листового стекла даже при отсутствии поглощения света самим стеклом примерно равно 0,92 (92%). Двойное лучепреломление в стекле возникает под воздействием внешних нагрузок или при наличии в нём остаточных напряжений в результате закалки или недостаточно удовлетворительного отжига. Химическая устойчивость листового стекла к воздействию агрессивных сред имеет значение главным образом с точки зрения сохранения качества его поверхности в условиях транспортирования и хранения.

В принятой классификации химической устойчивости стекло делят на пять гидролитических классов. К первому классу относят стёкла, которые, будучи измельчёнными до частиц размером 0,3?0,49 мм и отвешенными в количестве 2 г, после кипячения в течение 1 ч в 50 мл дистиллированной воды на водяной бане требуют на титрование раствора 0?0,32 мл 0,01 н. раствора НС1, к пятому классу ? соответственно 6,5 мл и более. Листовое стекло относят к третьему гидролитическому классу (расход 0,01 н. НС1 0,65?2,8 мл).

1.2 Способы производства листового стекла

Листовое стекло может быть получено тремя основными способами: вытягивание, прокат, флоат-способ.

Получать стекло больших размеров начали еще в 14 веке. Первый способ производства был так называемый «лунный» способ. С помощью стеклодувной трубки набиралась стекломасса массой 8?9 кг. Из нее выдувался стеклянный шар больших размеров. С противоположной стороны к шару прикреплялась понтия, затем трубка выламывалась, а шар с понтией оставался. Затем шар с понтией начинали вращать и в результате образовывался диск. Понтия выламывалась и получалась заготовка. Эта заготовка разрезалась на 2 части и из каждой части вырезались форматы нужных размеров. На смену «лунному» способу в средние века стал развиваться способ цилиндров. Отличие этого способа производства в том, что стеклодув выдувал из стекломассы цилиндр, затем трубка выламывалась и отрезалась нижняя часть цилиндра. Цилиндр разрезался и помещался в печь, под действием температур он раскрывался. Таким образом, получалась первичная заготовка, из которой вырезались форматы определенных размеров. Первый механизированный способ был основан на способе цилиндра.

Особенностью всех этих способов является то, что лист стекла получался не из стекломассы. В 1902 году Эмиль Фурко предложил способ вытягивания листа стекла непосредственно из стекломассы через лодочку.

Принцип формования ленты стекла при лодочном способе производства заключается в следующем. В охлажденную до температуры выработки (около 1000°С) стекломассу погружают шамотное тело в виде длинного прямоугольного бруса со сквозным вырезом, переходящим в верхней части в узкую щель. Верхняя кромка щели, называемая губами лодочки, находится ниже верхней плоскости последней на 40?50 мм, что предотвращает затекание стекломассы сверху при погружении лодочки. В нерабочем положении лодочка свободно плавает на поверхности стекломассы, причем губы ее несколько возвышаются над этой поверхностью.

При погружении лодочки и одновременном оттягивании вверх при помощи асбестированниых валиков машины вертикального вытягивания (ВВС) выступающей из щели стекломассы последняя формуется в виде непрерывной ленты, затвердевающей под охлаждающим воздействием водяных холодильников и воздуха, естественно циркулирующего в камере вытягивания. Щель лодочки, таким образом, направляет поток стекломассы, придает ей нужный контур перед растягиванием в ленту. Формующаяся лента за время движения от щели лодочки до транспортирующих валиков машины должна охладиться настолько, чтобы прикосновение к ней валиков не вызывало заметной деформации стекла.

Гидростатический напор стекломассы устанавливается в процессе вытягивания ленты автоматически, а границу его действия относительно уровня губ лодочки легко регулируют большим или меньшим погружением последней. Лодочку всегда погружают в стекломассу с таким расчетом, чтобы основание луковицы не могло опуститься ниже уровня верхней плоскости щели.

Лента стекла, двигаясь в процессе формования кверху, подвергается растяжению под влиянием сил тяжести расположенных ниже участков и поверхностных сил на границе стекломасса ? поверхность щели лодочки. На определенной высоте окончательно фиксируется толщина ленты и обеспечивается непрерывность ее движения кверху, а, следовательно, и непрерывность процесса формования.

Асбестированные валики заключены в чугунную шахту. В этой шахте отформованная лента по мере подъема кверху отжигается, охлаждаясь сначала медленно, затем быстрее. По выходе из машины ее разрезают на листы, которые поступают затем на раскрой, сортировку и упаковку.

К преимуществам вертикального вытягивания стекла лодочным способом относятся: простота выработочных устройств, относительно малые удельные капитальные затраты на строительство установок, простота обслуживания машин, меньшая, чем при безлодочных способах, чувствительность процесса формования к колебаниям температурного режима ванной печи. Основные недостатки способа: повышенная полосность стекла, необходимость сравнительно частых обрывов лент стекла на обновление, относительно невысокие скорости формования ленты стекла.

Способ безлодочного вертикального вытягивания, предложенный Грего-риусом, был впервые внедрен в производство американской фирмой "Питтсбург" в 1928 году, а в Европе его стали применять начиная с 1930 года. Этот способ, обладающий при соблюдении постоянства технологических и теплотехнических параметров режимов варки и выработки более высокой производительностью по сравнению с лодочным и обеспечивающий получение стекла более высокого качества по оптическим свойствам, считают наиболее прогрессивным из ранее существовавших способов вытягивания.

В отличие от лодочного способа лента стекла формуется со свободной поверхности стекломассы. Необходимое для формования ленты поле вязкости получают путем оконтуривания определенного участка зеркала стекломассы подвесными шамотными элементами - L - блоками и интенсивного его охлаждения. Этим создают резкий перепад вязкостей под внутренними контурами L - блоков, а изменяя конфигурацию этих блоков и степень натяжения бортов, обеспечивают необходимое распределение стекломассы по длине луковицы. В стекломассу на глубину 70?120 мм погружают огнеупорное тело, ориентированное вдоль оси машины.

Оттягивают ленту кверху, как и при лодочном способе, при помощи асбе-стированных валиков машины БВВС (безлодочного вертикального вытягивания стекла). Поверхности стекломассы и ленты стекла в подмашинной камере при безлодочном способе вытягивания подвергают более интенсивному охлаждению, чем при лодочном. Благодаря высокоразвитой поверхности охлаждения при этом способе представляется возможным формовать ленту при более высоких температурах стекломассы, чем при лодочном. Борта ленты удерживают при помощи бортоформующих приспособлений с механическим приводом.

Все сказанное выше относительно отжига и охлаждения ленты при лодочном способе формования одинаково справедливо и для безлодочного способа. Продолжительность отжига при лодочном и безлодочном способе мало отличается, поскольку прирост скоростей вытягивания во втором случае компенсируется увеличением высоты машины.

К преимуществам безлодочного способа вертикально вытягивания по сравнению с лодочным следует отнести: более высокие скорости вытягивания, особенно при выработке утолщенного стекла (выше 3 мм); повышенное качество стекла по полосности и волнистости; увеличенный срок непрерывной работы машин без обновления; экономию щелочесодержащего сырья.

Недостатки способа по сравнению с лодочным: повышенные удельные капитальные затраты; трудность вытягивания тонкого стекла (менее 2 мм); высокая чувствительность к колебаниям режимов варки и термической подготовки стекломассы; пониженный коэффициент использования стекломассы.

Способ вертикально ? горизонтального вытягивания листового стекла был предложен Кольберном и впервые внедрен в производство в 1916-1917 годах американской фирмой «Либбей - Оуэне». Лента стекла при данном способе формуется со свободной поверхности стекломассы, однако одной из главной особенностей его является применение весьма мелкой выработочной камеры глубиной 160?200 мм, что практически исключает влияние конвекционных потоков стекломассы на процесс формования. Вторая принципиальная особенность способа состоит в том, что лента стекла, формующаяся вначале в вертикальном направлении, на высоте 600?650 мм, находясь еще в пластичном состоянии, меняет свое направление на горизонтальное, огибая полый стальной вал, и направляется затем при помощи тянульного устройства или роликов в туннельную отжигательную печь (лер). Все это позволяет вытягивать стекло с повышенными скоростями и толщиной в широком диапазоне ? от 0,4 до 20 мм, а также облегчает удерживание бортов. Ширина вытягиваемой ленты достигает 3650 мм. Для удерживания бортов ленты применяют водоохлаждаемые бортоформующие ролики с принудительным вращением.

К преимуществам способа следует отнести возможность вытягивания стекла различной толщины (в широком диапазоне), высокие скорости вытягивания, горизонтальную направленность процесса, высокое качество стекла, большую (свыше 1 года) длительность непрерывной работы машины. Недостатки способа ? относительная громоздкость конструкции выработочной камеры, недостаточная общая производительность установки.

Способ непрерывного проката является одним из наиболее простых и высокопроизводительных поточных способов производства листового стекла. Ленту стекла формуют путем проката вязкой стекломассы между двумя валками прокатной машины, охлаждаемыми водой, затем по рольгангу она поступает в лер для отжига. Вследствие соприкосновения поверхности формующейся ленты с холодными валками, она, не успев вновь оплавиться за счет притока тепла из внутренних слоев, остается слегка «кованой», поэтому стекло, полученное способом непрерывного проката, не может быть применено без дополнительной обработки там, где требуется обеспечить хорошую видимость просматриваемых через него предметов. Это обстоятельство предопределило применение способа непрерывного проката для выработки "сырого" стекла, идущего затем на конвейерное шлифование и полирование, а также узорчатого и армированного стекла. Также к основным недостаткам данного способа относятся: большие отходы стекла, доходящие до 20%; высокие капитальные и эксплуатационные расходы.

В 60-х годах во многих странах началась разработка технологического процесса производства листового стекла на основе нового способа формования с применением ванны с расплавленным металлом для огневой полировки поверхности стекла. Использование этого способа предполагало резко улучшить качество стекла по оптическим показателем, повысить производительность установок при одновременном снижении затрат на выработку стекла.

Лента стекла образуется в результате растекания стекломассы под действием силы тяжести при организованном оконтуривании ее, передвижении в нужном направлении, охлаждении и передаче в лер для отжига. Таким образом, нижняя поверхность ленты получается ровной и гладкой за счёт контакта с идеально ровной поверхностью расплавленного металла, а верхняя - за счёт сил поверхностного натяжения самой стекломассы (огневая полировка).

Стекломасса из выработочной части ванной печи по узкому мелкому каналу, заканчивающемуся наклонным сливным лотком, поступает в ванну с расплавленным оловом, называемую флоат-ванной, где и происходит процесс формования и охлаждения ленты до температуры, с которой она покидает ванну и поступает в лер для отжига. Учитывая, что флоат-способ является новым и продолжает быстро совершенствоваться, можно ожидать, что в недалёком будущем его будут применять и для выработки строительного стекла высокого качества. Однако при этом следует учитывать дальнейшее развитие способов вытягивания стекла как в количественном, так и в качественном отношении, поэтому вопрос о замене их флоат-способом, особенно для выработки тонких стёкол, является пока не вполне определённым.

Составы листовых стёкол и используемые сырьевые материалы.

К составам листового стекла предъявляют следующие основные требования:

обеспечение заданных свойств изделиям в зависимости от их назначения и условий эксплуатации;

достаточно высокая скорость варки при температурах, установленных производственной практикой, с учетом качества топлива и применяемых для кладки стекловаренной печи огнеупоров;

минимальное агрессивное воздействие в процессе варки на огнеупоры стекловаренной печи;

более низкая температура кристаллизации в расплавленном состоянии по сравнению с температурой формования стекла. Соблюдение этого требования необходимо для того, чтобы исключить возможность образования и роста кристаллов в стекломассе перед её формованием или в процессе формования в ленту;

достаточная скорость твердения стекломассы, обеспечивающая получение в оптимально короткие промежутки времени изделий желаемой формы без образования в них разрушающих напряжений.

Важно также, чтобы шихта, идущая на изготовление стекла, не содержала по возможности дефицитных и дорогостоящих сырьевых материалов, а также токсичных материалов, вредно влияющих на окружающую среду.

Основным сырьём для производства листового стекла служат: кварцевый песок, мел, доломит, сода кальцинированная, сульфат натрия, уголь, полевошпатовый материал. Высокое качество сырьевых материалов -- одно из главнейших условий успешной и устойчивой работы ванных печей.

Основными требованиями, предъявляемыми к качеству всех сырьевых материалов, являются их химическая однородность, постоянство химического состава, минимальное содержание оксидов железа, минимальное содержание тугоплавких и прочих красящих примесей, относительная однородность и постоянство гранулометрического состава.

От химической однородности и постоянства химического состава сырьевых материалов непосредственно зависит степень химической однородности (гомогенности) стекломассы ? одного из решающих факторов получения стекла с минимальными полосностью и волнистостью. Химически неоднородная стекломасса обладает повышенной кристаллизационной способностью в связи с наличием в ней отдельных участков, обладающих большей склонностью к кристаллизации, чем основная масса. Химическая неоднородность стекломассы отрицательно сказывается и на процессе отжига ленты стекла, способствуя созданию в ней неравномерных напряжений и повышению отходов при охлаждении, отрезке, отломке и раскрое листов.

Наличие оксидов железа в сырьевых материалах нежелательно прежде всего по той причине, что они, как уже говорилось, окрашивают стекло и понижают его светопропуекание.

Сырьевые материалы не должны иметь очень крупных или очень мелких фракций. Крупные фракции с недостаточно развитой реакционной поверхностью труднее провариваются. Очень мелкие фракции с более развитой реакционной поверхностью в лабораторных условиях имеют повышенную скорость провара, однако в производственных условиях труднее перемешиваются как между собой, так и с зёрнами средних размеров и обладают склонностью к комкованию.

Подготовка шихты

Шихтой называют однородную смесь отвешенных в соответствии с заданным составом стекла и хорошо перемешанных между собой сырьевых материалов. Под воздействием высоких температур, поддерживаемых в стекловаренных печах, в результате ряда сложных физико-химических процессов из неё образуется однородный расплав ? стекломасса. Расход сырьевых материалов для получения определённого количества стекломассы заданного состава рассчитывают исходя из состава стекла и химического состава применяемых сырьевых материалов. При этом учитывают также и количество боя стекла, загружаемого вместе с шихтой в стекловаренную печь.

Основными требованиями, предъявляемыми к шихте, являются точное соответствие заданному составу стекла и химическая однородность.

Точное соответствие шихты заданному составу стекла определяется постоянством состава сырьевых материалов, в свою очередь связанного со степенью химической однородности отдельных партий, а также с точностью дозирования. Погрешность при отвешивании сырьевых материалов должна быть не более 0,3%.

Степень химической однородности шихты зависит главным образом от того, насколько хорошо перемешаны сырьевые материалы, т. е. в конечном счёте от эффективности работы смесителей, их конструкции и продолжительности процесса смешивания применительно к свойствам и гранулометрическому составу используемых сырьевых материалов.

При изменениях состава сырья в отдельных партиях, поступающих на завод, а также его влажности при транспортировании и хранении рецепт шихты корректируют. Получение однородной стекломассы при недостаточной однородности шихты приходится компенсировать весьма дорогой ценой ? повышением температуры варки и снижением удельных съёмов стекломассы.

В связи с наличием в шихте компонентов различной плотности и гранулометрического состава она имеет склонность к расслаиванию. Для предупреждения расслаивания при транспортировании готовой шихты от смесителя до бункеров загрузчиков ванной печи и при хранении нельзя допускать резких сотрясений и падения её с большой высоты. Для лучшего перемешивания, уменьшения склонности к расслаиванию и повышения реакционной способности шихту увлажняют до содержания в ней влаги в среднем 4?6%.

Стекловарение

Главными требованиями, предъявляемыми к качеству стекломассы для производства листового стекла, являются полное отсутствие непроварившихся частиц шихты; отсутствие видимых газовых и твёрдых включений; химическая и термическая однородность. Процесс варки стекломассы условно принято делить на пять стадий: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизацию и студку. Между каждой из этих стадий нет чётко определённых границ, все они накладываются друг на друга и последовательно переходят одна в другую, однако каждую из них можно характеризовать по главнейшим признакам протекающих процессов.

На стадии силикатообразования протекают процессы испарения влаги из шихты, термической диссоциации карбонатов и сульфатов как непосредственно, так и через образование двойных солей, взаимодействия карбонатов, сульфатов и двойных солей с кремнезёмом с образованием силикатов в твёрдой и, частично, в жидкой фазе. С появлением жидкой фазы, чему способствуют плавление легкоплавких солей и эвтектик, процессы силикатообразования значительно ускоряются. К концу стадии силикатообразования, завершающейся при температурах 800°С и выше, в зависимости от скорости нагрева основные химические реакции в твёрдом состоянии заканчиваются, большинство газообразных из шихты улетучивается и образуется спёк силикатов.

Следующая стадия ? стеклообразование ? характеризуется растворением оставшихся зёрен кварца в образовавшихся силикатах и выравниванием концентраций различных силикатов в отдельных участках расплава. Скорость указанных процессов определяется скоростью диффузии ионов и молекул внутри расплава.

К концу стадии стеклообразования, завершающейся при температурах выше 1150°С, стекломасса становится прозрачной, в ней отсутствуют непроваренные частицы, однако содержится большое количество пузырей и свилей.

Скорость процесса стеклообразования зависит от состава стекла и температуры. В производстве листового стекла главным фактором, определяющим скорость варки, является температура.

Третья стадия стекловарения ? осветление ? характеризуется выделением из расплава газов, пересыщающих стекломассу после завершения процессов стеклообразования, и протекает при максимальной температуре варки (в современных условиях 1560?1600°С). К концу этой стадии стекломасса освобождается от видимых газовых включений. В начале процесса осветления стекломасса содержит большое количество газов как в виде пузырьков различных размеров, так и в растворённом состоянии. Введение осветляющих добавок ускоряет рост и подъём пузырьков к поверхности стекломассы и снижает парциальное давление содержащихся в ней газов.

Для рационального ведения процесса осветления необходимо стремиться к достижению минимальной степени пересыщения расплава стекломассы газами при максимальных температурах процесса, обеспечению максимального роста и подъёма содержащихся в начале процесса осветления пузырей и путём соответствующего снижения температуры созданию условий, способствующих растворению мелких пузырьков и предотвращению образования новых.

Четвёртая стадия процесса варки ? гомогенизация ? должна обеспечивать химическую однородность стекломассы, что наряду с термической однородностью играет большую роль в производстве листового стекла. Если в зону формования протекает химически и термически однородная стекломасса с одинаковой вязкостью по всей ширине формующейся ленты, исключаются причины образования разнотолщинности, полосности или волнистости на ней. При этом исключается также возможность возникновения в плоскости ленты дополнительных напряжений.

Процесс гомогенизации стекломассы при варке подавляющего большинства видов листового стекла протекает одновременно с процессами стеклообразования и осветления при высоких температурах. Чем полнее протекают диффузионные процессы в силикатном расплаве на стадиях стеклообразования и осветления, тем однороднее получается стекломасса, а поскольку для заданного состава стекла скорость диффузии определяется уровнем температур и вязкости, решающим фактором обеспечения химической однородности стекломассы является повышение температур варки. Положительную роль в процессе гомогенизации стекломассы играет и перемешивание отдельных её участков поднимающимися в процессе осветления газовыми пузырями.

Таким образом, химическая однородность стекломассы, поступающей на формование ленты стекла, обеспечивается как степенью однородности и постоянством состава сырьевых материалов и шихты, так и условиями варки и в частности уровнем температур в зонах стеклообразования и осветления.

Пятая и последняя стадия процесса варки ? охлаждение стекломассы до температур, соответствующих рабочей вязкости, необходимой для формования ленты. По существу эта стадия является подготовкой сваренной стекломассы к выработке. На этой стадии стекломасса должна быть не только охлаждена до установленной выработочной температуры, но и подведена к местам формования лент, будучи максимально термически однородной.

Для интенсификации процесса охлаждения стекломассы с целью сокращения размеров студочно-выработочных частей стекловаренных печей применяют различного рода преграды, которые ослабляют конвекционные потоки и ограничивают передачу лучистого тепла из варочной части в студочную часть печи. При этом стремятся к тому, чтобы характер движения потоков стекломассы с установкой преград не изменялся в сторону ухудшения её термической однородности.

Для повышения термической и химической однородности стекломассы, идущей на формование листового стекла, в последнее время начали применять бурление её сжатым воздухом, а также механическое перемешивание вращающимися мешалками, используя опыт, накопленный в этом отношении в других отраслях стекольной промышленности.

Метод формования

При разработке флоат-процесса проблема подачи стекла во флоат-ванну оказалась весьма сложной, и разработчики экспериментировали несколько способов. Первые патенты предусматривали подачу во флоат-ванну предварительно прокатанной ленты стекла. Стекломасса из ванной стекловаренной печи по выработочному каналу поступала на прокатную машину, установленную в форкамере флоат-ванны. Прокатанная лента стекла продвигалась по поверхности расплавленного олова, нагревалась до полного размягчения и под действием сил поверхностного натяжения и силы тяжести превращалась в ленту стекла равновесной толщины.

В первые дни работы получилась лента удовлетворительного качества без дефектов поверхности с параллельными огненно-полированными поверхностями. Постепенно качество стекла ухудшалось. Оказалось, что на относительно холодных валах прокатной машины конденсируются пары олова и его соединений. Продукты конденсации, накапливавшиеся на прокатных валах, оставляли глубокие отпечатки на ленте стекла, а часть их прилипала к поверхности стекла.

Был разработан новый способ подачи стекла во флоат-ванну ? в виде непрерывной струи стекломассы. Стекломасса из выработочного канала по сливному лотку поступает в виде струи на поверхность олова, растекается по ней, превращаясь в ленту стекла равновесной толщины. Лоток изготовляют из огнеупорного материала с высокой стойкостью против эрозии и коррозии, вызываемых горячей стекломассой. В первоначальных экспериментах конец лотка опускался в олово.

Как показала практика, расплавленная стекломасса растворяет материал сливного лотка, причём установлено, что износ лотка значительно ускоряется на границе контакта олово?стекло?огнеупор в месте погружения лотка в олово. Изменение состава стекла нижней поверхности ленты было настолько существенным, что вызывало оптические искажения предметов, рассматриваемых через полированное стекло. Дефект на нижней поверхности ленты стекла выглядел как нитевидная свиль. Для предупреждения образования этого дефекта лоток был установлен выше уровня олова, и струя стекломассы свободно падала на поверхность олова. Такое усовершенствование позволило устранить интенсивное разрушение конца лотка и предупредить засорение стекломассы продуктами разъедания огнеупора. Количество нитевидной свили хотя и уменьшилось, но не позволяло получать стекло удовлетворительного качества.

Было также обнаружено, что при определённом положении и конфигурации лотка обмен стекломассы под лотком не происходил и стекло в этом месте кристаллизовалось, в нём образовывались также пузыри. Путём моделирования специалисты фирмы «Пилкингтон бразерс Лимитед» нашли такую конфигурацию лотка и его положение в ванне, которые обеспечивают вывод нитей свилей с нижней поверхности на края ленты стекла и предупреждают застойные явления стекломассы под лотком, приводившие к кристаллизации стекла.

Известны три принципиально различающихся флоат-способа производства стекла. В способе фирмы «Пилкингтон» подача стекломассы из стекловаренной печи в ванну расплава осуществляется методом свободного слива по узкому лотку, отстоящему от поверхности олова на некотором расстоянии. Отформованная лента стекла выводится из ванны расплава на первый вал печи отжига (шлаковой камеры) с температурой 600?615°С и поднимается над выходным порогом (с перегибом ленты), уровень олова в ванне ниже уровня порога на 8 ?10 мм.

По способу двухстадийного формования, разработанному Саратовским институтом, лента стекла выходит из ванны расплава без перегиба на газовоздушную опору (подушку) при температуре более 650°С. При этом уровень олова в ванне выше уровня порога на 2?3 мм, что достигается за счёт применения электромагнитных индукторов, также разработанных институтом. На газовоздушной подушке происходит вторая стадия формования ленты, где она охлаждается. При этом обеспечивается окончательная фиксация её геометрической формы, после чего лента передаётся на приёмные валы печи отжига.

Преимуществом двухстадийного способа формования является возможность передачи ленты стекла на приёмные валы печи отжига с более низкой температурой (570?580°С), что ниже на 20?35°С, чем в процессе фирмы «Пилкинг-тон», и более надёжно обеспечивает сохранность нижней поверхности. Что касается процессов восстановления оксидов олова, то поскольку температура олова в выходной части ванны расплава выше примерно на 50°С и составляет около 650°С, процессы восстановления оксидов олова идут интенсивнее, и тем самым повышается качество нижней поверхности ленты стекла.

Способ производства флоат-стекла, разработанный фирмой «Пи-Пи-Джи Индастриз», отличается от способов фирмы «Пилкингтон» и Саратовского института стекла узлом слива стекломассы из стекловаренной печи в ванну расплава. Этот способ предусматривает подачу стекломассы из печи в ванну расплава в виде горизонтального слоя на поверхность расплава металла на том же уровне, что и передаваемый слой. Использование данного способа позволяет вырабатывать ленту стекла без растекания в «лужу», т. е. без нарушения ламинарности слоев подаваемой стекломассы, что обеспечивает получение стекла (как толстых, так и тонких номиналов) с высокими оптическими показателями.

Концевые операции

Для отжига флоат-стекла применяют печи отжига с принудительной циркуляцией воздуха внутри туннеля и интенсивным охлаждением ленты стекла ниже температуры 200°С на открытом роликовом конвейере при помощи воздушного душирования. Предусматривается также подача сернистого газа под ленту стекла в начале печи отжига для защиты поверхности ленты стекла от возможных повреждений ее валами конвейером.

Ширина печи отжига в свету должна быть примерно на 750 мм больше ширины ленты стекла.

Печь отжига состоит из девяти зон, которые имеют следующее назначение. Зоны А₁ и А₂ предназначены для регулируемого выравнивания температуры и релаксации напряжений в ленте стекла. Зоны Б₁ и Б₂ обеспечивают автоматическое контролируемое охлаждение стекла в период ответственного отжига ленты стекла. В зоне В продолжается контролируемое охлаждение ленты стекла, но вторая половина этой зоны имеет только теплообменники. Зона Г предназначено для охлаждения ленты стекла воздушными потоками, непосредственно соприкасающимися с лентой стекла. На открытой части роликового конвейера печи расположены установки Д, Е и Ж для принудительного воздушного душирования движущейся ленты стекла как снизу, так и сверху.

Обнаружение дефектов на ленте стекла, раскрой и резка ее на заданные размеры с учетом обнаруженных дефектов, разделение ленты на отдельные листы, съем их, стопирование и упаковка представляют собой весьма сложные и трудоемкие процессы в условиях производства флоат-стекла, когда лента имеет ширину до 4 м, а скорость ее движения может достигать 1000?1500 м /ч.

На части работающих флоат-установок применяют автоматические линии с механизированным раскроем без обнаружения и учета дефектов в ленте стекла, на которых программа раскроя задается оператором с пульта управления. При этом предполагается, что качество флоат-стекла при выдерживании заданного технологического процесса должно быть стабильным, не требующим применения дорогостоящего и сложного в эксплуатации оборудования для обнаружения дефектов. Однако применение устройств для автоматизированного обнаружения дефектов в ленте стекла и раскроя ее с учетом выявленных пороков позволяет увеличить выход годного стекла на 5?10% по сравнению с механизированной или ручной резкой.

Лишь на отдельных флоат-установках раскрой и резку стекла производят на полумеханизированных резных столах с большей затратой рабочей силы и излишними потерями стекла.

Стекло после автоматической резки поступает по двум направлениям: для изготовления автомобильного или других видов стекла и на склад как товарное полированное стекло. Стекло, идущее на переработку, должны снимать с конвейера соответствующие механизмы и ставить в ящики-кассеты, в которых листы стекла не соприкасаются один с другим. Ящики-кассеты хранят на складах запаса стекла.

Листы товарного стекла снимают с конвейера для резки кранами с пневматическими присосами или съемщиками-укладчиками и упаковывают в возвратные контейнеры ПКС-2,85, возвратные ящики-контейнеры для витринного стекла и другие виды возвратной тары. Хранение неупакованного товарного полированного стекла на складе крайне нежелательно.

1.3 Анализ обзора литературы и выбор рациональной технологической схемы производства листового стекла

Листовое стекло является одним из важнейших видов строительных материалов, с помощью которого создается различная освещенность помещений, регулируется поступление и потери тепла. Производство листового стекла является массовым, поэтому его выпуск должен осуществляться на высокопроизводительных линиях, в частности на флоат-линиях, на которых получают полированной листовое стекло высокого качества.

Для варки стекла используется ванная регенеративная стекловаренная печь непрерывного действия. Стекломасса подается по сливному лотку для формования в ванну расплава. Отформованная лента стекла поступает в печь отжига и далее на концевые операции.

листовое стекло флоат шихта

2. Технологический раздел

2.1 Ассортимент продукции и требования к ней

Для расчета в курсовой работе принимаем листовое стекло с толщиной 4 мм;

Стекло вырабатываемое на линии, должно соответствовать ГОСТу 111?2001, для марок Ml ? М6, М7.

Согласно ГОСТу 111?2001 стекло должно изготавливаться в соответствии с требованиями настоящего стандарта по технологической документации, утвержденной в установленном порядке.

Стекло в соответствии с его оптическими искажениями и допустимыми пороками подразделяют на марки: МО, Ml, М2, МЗ, М4, М5, М6, М7.

Номинальная толщина, предельные отклонения по толщине и разнотолщинность листа стекла должны соответствовать, указанным в таблице 2.1.

Таблица 2.1 ? Номинальная толщина, предельные отклонения по толщине и разнотолщинность листа стекла

Номинальная толщина, мм	Предельные отклонения по толщине, мм	Разнотолщинность, мм
1,0	±0,1	0,05
1,5
2,0	±0,2	0,10
2,5
3,0
3,5
4,0
5,0	±0,3	0,20
6,0
7,0
8,0	±0,4	0,30
Примечание ? Допускается по согласованию с потребителем изготавливать стекло другой толщины, при этом предедьные отклонения и разнотолщинность не должны превышать значений, приведенных в таблице для ближайшей меньшей толщины. Стекло толщиной 2,0?7,0 мм марок М4, М5, М6, М7 допускается изготавливать с предельными отклонениями ±(0,2?0,4) мм и разнотолщинностью 0,3 мм

Предельные отклонения размеров по длине и ширине листа стекла не должны превышать значений, указанных в таблице 2.2.

Таблица 2.2 ? Предельные отклонения размеров по длине и ширине листа стекла

Длина и ширина, мм	Предельные отклонения размеров, мм эов по длине и ширине, мм
	ТР	СВР
До 1000 включ.	±1,0	±5,0
Св. 1000 до 3500 влюч.	±2,0
Св. 3500	±4,0
Примечание ? Стекло ТР марок М5, Мб, М7 размером св. 1000 до 3500 включительно допускается изготавливать с предельными отклонениями (±3,0) мм, а размером до 1000 мм ? с предельными отклонениями (±2,0) мм

Разность длин диагоналей листа стекла не должна превышать значений указанных в таблице 2.3.

Таблица 2.3 ? Разность длин диагоналей листа стекла

Длина диагоналей, мм	Разность длин диагоналей, мм
	ТР	СВР
До 1000 включ.	2	7
Св. 1000 до 3500 включ.	3
Св.3500	5

Отклонения от плоскостности листа стекла не должно быть более 0,1% длины наименьшей стороны.

Для стекла марок М5, М6 отклонение от плоскостности устанавливают в технической документации изготовителя, для марки М7 - не нормируют.

Требования к отклонению от прямолинейности и прямоугольности углов листа стекла при необходимости устанавливают в договорах на поставку или других документах, согласованных изготовителем и потребителем.

Условное обозначение стекла должно состоять из обозначения марки, категории размеров, длины, ширины, толщины стекла в миллиметрах и обозначения настоящего стандарта.

Величина остаточных внутренних напряжений стекла, характеризуемая разностью хода лучей при двулучепреломлении, не должна быть более 70 нм/см.

Водостойкость стекла не должна быть ниже класса 4/98 по ГОСТ 10134.1.

Количество готовой продукции составляет 18 млн м²/год. Принимаем производство листового стекла толщиной 4 мм.

Составляем таблицу ассортимента готовой продукции.

Таблица 2.5 ? Ассортимент готовой продукции

№ пп	Наименование продукции	Количество стекла, млн. м2	Годовой выпуск продукции, т
1	Стекло толщиной 4 мм	9,0	112500

2.2 Общая технологическая схема производства

Подготовка сырьевых материалов

v

Дозирование

v

Смешивание (приготовление шихты)

v

Транспортировка шихты к стекловаренной печи

v

Загрузка шихты из стеклобоя в ванную стекловаренную печь

v

Стекловарение

v

Формование (ванна расплава)

v

Отжиг

v

Резка

Транспортировка и сортировка

v

Упаковка

v

Сдача готовой продукции на склад

2.3 Обоснование и описание применяемого сырья

При производстве шихты для листового стекла применяются следующие сырьевые материалы: кварцевый песок (SiO₂ кремнезем); мел Волковысский (СаСО₃); доломит (СаСО₃ MgCO₃); сода кальцинированная (Nа₂СОз); сульфат натрия NaSO₄); уголь (С-углерод); полевошпатовый материал (К₂О·А1₂О₃·6SiO₂).

Поступающий кварцевый песок разгружается грейферным краном в емкости для хранения песка. Массовая доля диоксида кремния (SiO₂) должна быть не менее 98,5%. При заполнении емкости песком, разгрузку производят на специальную площадку, расположенную около склада составного цеха. Нормативный запас кварцевого песка на складе должен быть 30 суток. Транспортируют песок навалом в открытых железнодорожных вагонах.

Мел складируют на складе составного цеха. Нормативный запас мела на складе должен быть 30 суток. Транспортируют мел в железнодорожных вагонах в затаренном виде. Массовая доля углекислого кальция и углекислого магния (СаСО₃+MgCO₃) в пересчете на СаСО₃ должна быть в меле не менее 92,0%, массовая доля влаги не более 1,0%.

Доломит прибывает в железнодорожных вагонах в затаренном виде. Массовая доля влаги в доломите должна быть не более 1,5%, суммарная массовая доля карбонатов кальция и магния ? не менее 80,0%. Нормативный запас доломита ? 20 суток.

Сода кальцинированная так же как и доломит поступает в железнодорожных вагонах в затаренном виде Массовая доля Na₂CO₃ в пересчете на непрокаленный продукт должна быть не менее 97,0%. Нормативный запас соды кальцинированной ? 30 суток.

Сульфат натрия поступает в затаренном виде. Na₂SO4 разгружается в отсек, расположенный напротив приемного бункера для сульфата. Массовая доля сернокислого натрия должна быть не менее 98,0%, массовая доля воды - не более 1,0%. Нормативный запас №2804 должен быть 15 суток.

Уголь транспортируют навалом в открытых железнодорожных вагонах в соответствии с ГОСТ 22235, автомашинах или других транспортных средствах. Разгрузка угля из транспортных средств и складирование должны производится механизмами, которые при этом не должны его переизмельчать. Массовая доля общей влаги не более 7,0 %, а зольность ? 16,0%.

Полевошпатовый материал разгружается в приямки, расположенные по обе стороны железнодорожной колеи. При заполнении приямков, материал грейферным краном перегружается в емкость для хранения. Массовая доля влаги не должна превышать 1,0%, массовая доля А1₂О₃ ? не менее 20%, K₂O+Na₂O ? 12%, SiO₂ ? не более 65,0%. Нормативный запас полевошпатового материала ? 20 суток.

Характеристики сырьевых материалов приведены в таблице 2.6.

Таблица 2.6 ? Характеристика применяемых сырьевых материалов

№ пп	Наименование материала	ГОСТ, ТУ	Марка, сорт	поставщик
1	2	3	4	5
1	Песок кварцевый SiO2 ? 98,5% Fe2O3 не более 0,03% А12О3 ? 0,6%	Гост 22551	ВС-ОЗО-В	Добрушский ГОК Гомельской области
2	Сода кальцинированная техническая Na2CO3 не менее 97% Вода ?1,0%	ГОСТ 5100	Марка А, Б Высший сорт Первый сорт Второй сорт	ОАО Крымский содовый завод г. Красноперекопск
3	Натрий сернокислый технический Na2SO4 не менее 98%	ГОСТ 6318	Марка А Высший сорт	Могилевский, Светлогорский заводы химволокна
4	Материалы полевошпатовые А12О3 не менее 20% K2O+Na2O не менее 12% SiO2 не более 65 %	ГОСТ 13451	Марка ПШС-030-20	ОАО Вишневогорский ГОК
5	Мука известняковая (доломитовая) СаСО3+ MgCO3 не менее 80% SiO2 не более 2%	ГОСТ 14050	Марка А	ПО «Доломит» Витебской области
6.	Мел мелкогранулированный СаСОз не менее 92% Fe2O3+ A12O3 не более 2,0%	ТУ 21 БССР 296 ? 89	Сорт высший	ПО «Волковыскцемент-шифер»
7.	Угли каменные и антрацит	ГОСТ 8 188	Марка А	Донецкий антрацит

Из обработанных сырьевых материалов производится шихта для процесса стекловарения.

Шихтой называют однородную смесь подготовленных сырьевых материалов, дозированных по заданному рецепту и тщательно перемешанных. Рецепт шихты должен обеспечивать заданный химический состав стекла.

Заданный химический состав стекла, мас.%: SiO₂ 72,8; А1₂О₃ 1,2; Na₂O 13,5; CaO 8,73; MgO 3,7; Fe₂O₃ 0,07.