Производство листового стекла флоат-способом

Содержание.

Введение

1 Классификация, назначение  и области применения листового

  полированного стекла флоат-способом.

2 Состояние производства  в России и за рубежом,

    достижения перспективы развития и совершенствования.

3 Требования нормативно- технической документации и

    их технологическое обеспечение.

4 Обоснование выбора  химического состава стекла 

5 Расчет технологических  характеристик и определение 

темературно – временных параметров основных стадий процесса

    5.1 Кристаллизационная способность стекла 

    5.2 Расчёт f_Si и g для выбранного состава стекла и оценка

         типа его структуры.

    5.3 Расчет физико-химических свойств стекла

6. Характеристика этапов  технологического процесса

    6.1 Рациональный выбор сырьевых материалов

    6.2 Расчет шихты

    6.3 Выбор и  описание технологии приготовления  шихты.

    6.4 Особенности процесса стекловарения

    6.5 Выбор способа  формования

    6.6 Особенности  и расчет режима отжига

7 Обоснование и расчет  производительности технологической  линии

Заключение

Литература

Введение

Стекло - уникальный светопрозрачный строительный материал, границы и возможности использования которого постоянно расширяется в соответствии с новыми требованиями рынка стекла по цветной гамме, светотеплозащитным и прочным характеристикам, габаритам остекления

Производство зеркального  стекла развивалось с 1688 года до первой мировой войны, только развитие это шло очень медленно. Стекло расплавлялось в стекловаренных горшках, затем оно прокатывалось в лист между механическими валками. Одновременно велись поиски метода, позволяющего сделать процесс прессования непрерывным.

В результате сотрудничество компании Пилкингтон с Фордом это  открытие получило успешное развитие. Разработанный процесс успешно сочетал плавильную печь непрерывного действия с непрерывным прокатом ленты стекла[2].

В 1923 году был сделан шаг  в направлении непрерывности  производства, фирма Пилкингтон представила шлифовальную и полированную машину непрерывного действия. В 1935 году началась эксплуатация машины, на которой шлифование ленты стекла осуществлялось одновременно с обеих сторон по мере выхода из печи для отжига[2].

Процесс шлифования толстого стекла применения до 1960 годов. Он отвечал всем требованиям, предъявляемым к производству толстого и тонкого неискажающего оконного стекла. Большие отходы стекла, доходящие до 20%, высокие капитальные и эксплутационные расходы. Многие умы хотели получать стекло с полировкой и дешевизной листового стекла (процесса) и, обладающего неискажающими свойствами полированного стекла. Это было успешно достигнуто в 1959 году когда было заявлено о разработке флоат-процесса.

Флоат-процесс открыл дорогу для других радикальных разработок в производстве плоского стекла.

Одним из примеров является электро-флоат процесс, о котором было заявлено в 1967 году, и который сам представляет собой крупное изобретение. Первый продукт под названием "Спектрафлолат" был применен в зданиях и в прототипе автомобилей со стеклянной крышей.

В мире работают свыше 240 заводов по производству флоат-стекла, которые выпускают около 5 тыс. км² листового стекла в день, доля России в данном производстве примерно 3 %.

За последние 10 лет  в стекольной промышленности России произошли глубокие структурные изменения. Практически остановлено 40 - 42 завода, вырабатывающих листовое стекло по старой технологии. В настоящее время работают 20 заводов. Из них только три - Борский (Нижегородская обл.), Салаватский (Республика Башкортостан), Саратовский (Саратовская обл.) - ежегодно выпускают 900 - 1200 тыс. т флоат - стекла по современным технологиям.

Ежегодно в Россию импортируется 350 - 400 тыс. т стекла.

Для строительства флоат-линий  нужны большие капитальные затраты (от 60 до 160 млн. долларов США, в зависимости от места строительства, наличия производственных корпусов, инфраструктуры и других факторов). Однако сложившийся дефицит высококачественного листового стекла, стекла в России и разница в цене между отечественным и импортным стеклом делают оправданными такие вложения, поскольку обещают их быструю окупаемость.

1. Классификация, назначение и области применения

листового полированного стекла флоат-способом

Создание и внедрение  флоат-способа в стекольной промышленности можно без преувеличения назвать  технологической революцией. Она  оказала влияние не только на производство строительных материалов, но и на строительство и архитектуру. Возможность получения высококачественного листового стекла в больших объемах позволяет проектировщикам рассматривать стекло не только как материал для остекления оконных проемов, но и как облицовочный и конструкционный материал для стен и кровли. Сейчас стали нередки офисные здания со сплошным остеклением фасадов.

 В табл. 1 представлена классификация листовых стекол по ГОСТ[3].

Таблица 1

Классификация листовых стекол

Стекло с успехом применяют при проектировании малых архитектурных форм: торговых павильонов, павильонов ожидания транспорта и т.п. Все это приводит к существенному расширению ассортимента листового стекла. В результате сам флоат-процесс должен развиваться, чтобы отвечать этим растущим требованиям. Необходимо разрабатывать новые технологические процессы и приемы, дающие возможность производить стекло новых видов.

4 Обоснование  выбора химического состава стекла

К составам листовых стекол предъявляются ряд следующих требовании:

- высокая скорость  варки при температурах, установленных  производственной практикой, позволяющая достигать максимальных удельных съемов;

- более низкая температура  кристаллизации расплава по сравнению  с температурой формования стекла;

- оптимальная скорость  твердения, обеспечивающая достаточно  высокую скорость формования листового стекла;

- обеспечение в стекле  необходимых физико-механических  свойств и химической устойчивости, соответствующей II-III гидролитическому классу [5].

Химический состав флоат-стекла близок к составам обычных листовых стекол.

Наиболее распространенные составы листового стекла приведены  в табл.4.

Таблица 4

Составы листовых стекол [16].

 После анализа и  сравнения составов выбираем состав стекла для использования в дальнейших расчетах курсовой работы.

Исходный химический состав стекла, масс.%:

Этот состав малощелочной, а входящий в него оксид натрия уменьшает температуру варки, снижает поверхностное натяжение, в результате чего быстрее протекают диффузионные процессы и массообмен.

Отношение MgO/CaO=0,42. При таком соотношении наблюдается большая скорость варки. Количество MgO не превышает 4%, так как при более высоком содержании уменьшается химическая стойкость и возрастает вязкость.

В состав стекла входят оксиды Mg и Al, которые снижают склонность к кристаллизации, что важно в процессе варки и формования. Как известно, минимальной кристаллизационной способностью обладает стекла, удовлетворяющие следующему требованию: ∑( Al₂O₃+RO+R₂O)=27-28%. Выбранный состав удовлетворяет этому требованию (∑=27,7%) [5].

Отношение Al₂O₃/ MgO составляет 0,42, что также ведет к уменьшению кристаллизационной способности стекла.

В состав стекла входят оксиды алюминия, кремния и кальция, увеличивающие химическую стойкость, а также способствующие повышению механической прочности и твердости стекла.

Из всего вышеперечисленного можно сделать вывод о том, что выбранный состав стекла является пригодным для производства листового стекла флоат-методом.

6. Характеристика этапов технологического процесса

6.1 Рациональный выбор сырьевых материалов

К основным критериям  пригодности сырья для приготовления  стекольной шихты относят[5]:

- постоянство химического  состава;

- максимальное содержание  основного вещества;

- возможность обеспечения  заданного состава;

- минимальное содержание  оксидов железа и других красящих  примесей;

- однородность химического  состава;

- постоянный и определенный  гранулометрический состав.

Подбираем сырьевые материалы  для использования по производству листового флоат-стекла.

Кремнезем является главной составной частью промышленных стекол. Основным сырьевым материалом, который вводит оксид кремния, является песок. Качество песков для стекловарения оценивают по их химическому и зерновому составом. Главное требование к пескам – максимальное содержание оксида кремния и минимальное содержание окрашивающих примесей. Будет использоваться кварцевый песок Раменского месторождения марки С-070-1, со следующим химическим составом по ГОСТ 2251, масс.%:

Мел – мягкая осадочная  порода белого цвета, иногда слегка окрашенная примесями. Мел Белгородского месторождения, со следующим химическим составом по ОСТ 21-10, масс.%:

Доломит – природный двойной карбонат кальция и магния, горная порода, в которой кроме основного вещества содержится примеси (SiO_2, Al₂O₃, Fe₂O₃). Доломит Мелехово - Федотовское месторождения, город Ковров Владимирской обл., со следующим химическим составом по ГОСТ 23673-79, масс.%:

Оксид алюминия вводится техническим  глиноземом, поступающим с Волконского  алюминиевого завода, г. Санкт - Петербург, марка «ГО», имеющим химический состав по ГОСТ 13451-77 , мас. %: 

Сода представляет собой белый  пылевидный порошок низкой насыпной плотности. Она хорошо растворяется в воде  и при этом выделяет теплоту. Легко расслаивается в шихте, а также при транспортировке и загрузке в печь сильно распыляется. В связи с этим соду уплотняют. Применяют на заводах в основном два способа уплотнения: механическое уплотнение и перекристаллизацию. Поступает с Волконского алюминиевого завода, г. Санкт – Петербург, имеющая химический состав, по ГОСТ 5100 - 85, мас. %: Na₂CO₃ – 93,5%.

Сульфат натрия в стеклоделии используется для осветления стекломассы, а также для частичной замены соды при введении оксида натрия. Сульфат натрия, поступающий с Балаковского завода искусственного волокна, г. Балаково Саратовской обл., имеющий химический состав по ГОСТ 6318, мас. %:

6.2 Расчет шихты

Шихтой называют однородную смесь предварительно подготовленных и отвешенных по заданному рецепту сырьевых материалов.

Необходимо рассчитать шихту для варки листового стекла следующего химического состава (мас.%):

Шихту рассчитываем по заданному  составу стекла с учетом химического состава сырьевых материалов. При расчете принимаем, что сырьевые материалы входящие в шихту, при варке стекла разлагаются, причем в стекло переходят только малолетучие оксиды, а влага и газы удаляются.[10]

Оксид натрия вводится в  шихты двумя сырьевыми материалами: содой и сульфатом. С содой вводится 80%, а с сульфатом 20% Na₂O от общего его содержания в шихте.

Химический состав сырьевых материалов представлен в табл. 7.

Таблица 7

Химический состав сырьевых материалов

Для заданного состава  стекла система уравнений будит  иметь следующий вид:

99,6х₁+0х₂+0,1х₃+2х₄+2,54х₅+0,5х₆=72,0

0,12х₁+0х₂+0х₃+0,9х₄+0,22х₅+0,8х₆=2,0

0,066х₁+0х₂+0х₃+31х₄+54,05х₅+0х₆=9,0

0х₁+0х₂+0,017₃+19,5х₄+0,28х₅+0х₆=3,8

0,02х₁+54,69х₂+0х₃+0х₄+0х₅+0,6х₆=13,2

0х₁+0х₂+43,47₃+0х₄+0х₅+0х₆=2,68

Рассмотрим систему  линейных уравнений методом Гаусса на ЭВМ по программе Shihta.

Решив систему уравнений, в состав шихты на 100 г стекломассы необходимо ввести:

х₁=71,762; х₄=18,38;

х₂=19,562; х₅=5,277;

х₃= 6,179; х₆=1,159;            Sх_i=122,322

С учетом потерь соды на улетучивание (3,2 масс.%) её содержание в шихте составит:

19,562∙1,032=20,188 мас.ч.

Определяем содержание сульфата с учётом его улетучивания 5%:

6,179∙0,05=6,458 мас.ч.

Определяем содержание оксидов, вводимых в стекло с сырьевыми  материалами (мас.%):

С песком: SiO₂=71,762∙0,996=71,471;

Al₂O₃=71,762∙0,0012=0,087;

CaO=71,762∙0,00066=0,048;

MgO=0;

Na₂O=71,762∙0,002=0,015;

Fe₂O₃=71,762∙0,0006=0,044;

С содой: Na₂O=19,562∙0,5469=10,698;

Fe₂O₃=0;

С сульфатом:SiO₂=18,38∙0,02=0,368;

Al₂O₃=18,38∙0,009=0,165;

CaO=18,38∙0,31=5,698;

MgO=18,38∙0,195=3,584;

Na₂O=0;

Fe₂O₃=18,38∙0,0008=0,015;

С мелом: SiO₂=5,277∙0,0284=0,1498;

Al₂O₃=5,277∙0,0022=0,012;

CaO=5,277∙0,5408=2,854;

MgO=5,277∙0,0028=0,015;

Na₂O=0;

Fe₂O₃=5,277∙0,0008=4,222∙10^-3;

С глинозёмом:        SiO₂=1,159∙0,005=5,795∙10^-3;

Al₂O₃=1,159∙0,98=1,136;

CaO=0;

MgO=0;

Na₂O=1,159∙0,006=6,954∙10^-3;         Fe₂O₃=1,159∙0,001=1,159∙10^-3;

Результаты расчета  шихты для данного состава  стекла сводим в табл.8.

Для восстановления сульфата натрия потребуется 6% угля от всего  количества сульфата:

Таблица 8

Результаты расчёта  шихты для стекла

«Выход стекла» из шихты – это то количество стекла, которое получается из 100 кг шихты и определяется по уравнению:

124,674 кг – 100 кг

       100 кг  – х

       х=80,21 кг.

Угар шихты – это  количество газообразных летучих компонентов шихты, удаляющиеся при варки, которое составляют: 100 – 80,21 = 19,79 кг.

6.3 Выбор и описание  технологии приготовления шихты.

На качество стекольной шихты большое влияние оказывает  подготовка сырьевых материалов, включающая основные технологические операции: измельчение, растаривание, разрыхление, сушку, классификацию и обогащение. Качество сырьевых материалов для выпуска листового полированного стекла и их состав чрезвычайно велики[10].

По характеру обработки, проводимой в составном цехе стекольных заводов, материалы можно разделить на природные - песок, доломит, мел, известняк, сульфат натрия и др. и на продукты химической промышленности - сода, сурик, цинковые белила и др.

Природные материалы  поступают на завод, как правило, в необработанном виде (без предварительного измельчения и обогащения), где их подвергают специальной обработке.

Для песка применяют промывку в гидромеханических классификаторах; химическое обезжелезивание реагентами; оттирка пленки гидроокислов железа в мешалках; флотооттирка — сочетание флотации, промывки и оттирки; магнитная сепарация в магнитных сепараторах; сушка в сушильных барабанах, классификация на барабанных многогранных (сита-бурат) или вибрационных грохотах.

Доломит и мел подвергают дроблению в щековых дробилках, а затем сушке (в том числе и мел перед дроблением) в сушильных барабанах при температуре Т ≤ 4000 °С. Доломит и мел после сушки измельчают в молотковых дробилках или шаровых мельницах. Одновременная сушка и помол материалов с размером кусков до 20 • 10^-3 м осуществляться в аэромобильных мельницах с последующим контрольным просевом готового продукта[10].

Первичное дробление  сульфата натрия производится на валковых дробилках, сушка — в сушильных барабанах при Т ≤ 7000 °С,измельчение - в молотковой дробилке с последующим контрольным просевом.

Сода и обработанный сульфат после растаривания на специальных  растаривающих машинах просеиваются и поступают в бункер для хранения.

Стекольный бой после  предварительной сортировки подвергается мойке в специальных боемойках или грохотах в струе воды, после дробления в молотковой дробилке готовый бой отправляют в бункер хранения.

Для транспортировки  сырьевых материалов используют различные  транспортные средства: ленточные и  вибрационные транспортеры, ковшовые элеваторы, шнеки, питатели различных конструкций и др. Для транспортировки порошкообразных материалов используют пневмотранспорт.

Продукты химической промышленности обычно доставляют на заводы полностью подготовленными для ввода в шихту. Огромное значение имеет их точное дозирование по массе, а так же обеспечение гомогенности шихты при смешивании компонентов.

На стекольных заводах  для отвешивания сырьевых материалом и добавок используют стационарные или подвижные автоматические (или полуавтоматические) весы. Весы, транспортные средства и смесители связаны системой автоматики, обеспечивающей их синхронную работу. Допустимые отклонения по заданному составу шихты не должны превышать 0,5-1%[10].

Для смешивания шихты  используют тарельчатые смесители, в которых материал через приемную воронку загружается на вращающуюся чашу-тарель. Смешивание материалов осуществляется за счет одновременного вращения чаши-тарели и установленных эксцентрично оси смесителя лопастей или катков, имеющих индивидуальный привод. Процесс автоматизирован.

К числу технологических  способов повышения качества стекольной шихты, а следовательно, направлений по созданию и совершенствованию специального оборудования следует отнести: тонкий помол шихты и ее компонентов; увлажнение шихты водой, щелочными растворами или ПАВ; уплотнение шихты различными способами: гранулированием, компактированием или предварительным спеканием (фриттование) [10].

Выбор указанных способов повышения качества шихты обусловлен предъявляемыми требованиями:

• отсутствие расслоения (сегрегации) в процессе хранения и транспортировки;

• минимальное агрегирование и слеживание;
• наличие минимального количества пылящих фракций;
• отсутствие фракций более 2 • 10^-3 м;
• влагосодержание не более 3-5% [11].

Установлено, что измельчение частиц песка до размера 100 • 10^-6 м ускоряет процессы стеклообразования, повышает однородность шихты и уменьшает ее склонность к сегрегации. Более тонкое измельчение зерен песка приводит к ее агрегированию и ухудшению стеклообразования.

Проведенные исследования [10] показывают, что тонкое измельчение всей шихты является эффективным средством повышения производительности варки стекла, а скорость этого процесса возрастает с увеличением дисперсности шихты.

Перспективным направлением активации реакционных свойств кварцевого песка является обеспечение зернам микродефектной структуры, которые в процессе нагрева в печи раскрываются и увеличивают количество контактирующих поверхностей между реагирующими компонентами шихты.