Процесс производства стеклянных изделий
1.Введение
Стекло́ — вещество и материал, один
из самых древних и, благодаря разнообразию
своих свойств, — универсальный в практике
человека. Стекло известно человеку с
древнейших времён, были найдены археологами
предметы различные украшения, амулеты
из природного вулканического стекла
в различных местах земного шара. Стеклоделие
было развито в странах Б.Востока, в частности
в Сирии богатые уникальные изделия, украшенные
эмалью и золотом.
Производство стекла в Д. Египте началось
около 3000 лет до н. э. Примерно за 1200 лет
до н. э. уже была известна техника прессования
стекла в открытых формах. Этим способом
изготовлялись вазы, чаши, кубки, цветные
мозаичные украшения. Особенно распространённым
было голубое и бирюзовое стекло, окрашенное
медью. Зелёное стекло получали окрашиванием
медью и железом. Синее стекло, окрашенное
кобальтом, появилось в Египте в начале
нашей эры.
При некоторых достижениях древнего стеклоделия
техника его была примитивна. Высоких
температур получать не умели, стекло
получалось не непрозрачным и в очень
малых количествах.
Первыми овладели методом
выдувания стеклянных изделий
мастера Древнего Рима, искусство
стеклоделия находилось на
На Руси в Киеве,
в слоях 11--13 вв., раскопками вскрыты
большие стекольные мастерские
стеклянных браслетов. Такая
Стекло – это аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от химического состава и температурной области затвердения, и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым.
Стеклянные изделия относятся к так называемым силикатным товарам, т. е. товарам, в состав которых входят главным образом различные соли кремниевой кислоты. Из стекла вырабатывают самые разнообразные изделия: посуду, ламповое стекло, оконное стекло, чернильницы и чернильные приборы, елочные украшения, линзы для фотообъективов и т. п. К хозяйственным стеклянным изделиям принято относить стеклянную посуду, ламповое стекло и ламповые изделия, оконное стекло.
Процесс производства стеклянных изделий включает 4 этапа:
1.приготовление стекольной шихты;
2.варка стекла;
3.формование изделий;
4.термическая обработка: отжиг и закалка.
Стекло формуют следующими способами: прессованием и прессовыдуванием, выдуванием, вытягиванием, прокаткой, формованием на расплаве металла, центробежным формованием.
Центробежное формование
за последние годы получает все более
широкое распространение в
2.Характеристика сырья.
Сырьевые материалы , используемые для производства стекла, делятся на главные и вспомогательные. К главным относят материалы, которые создают требуемые соотношения между кислотными и основными оксидами. Вспомогательные вводят для усиления или ослабления свойств стекла. Стекло получают плавлением смеси различных материалов, называемой шихтой.
Состав шихты для стекла непостоянен; он зависит от того, какое стекло (бесцветное или цветное, прозрачное или заглушенное) и с какими свойствами хотят получить.
Основным материалом, составляющим 65—75% любой шихты для стекла, является кварцевый песок. Он должен быть как можно более чистым, так как примеси, в первую очередь окислы железа, окрашивают стекло в неприятный зеленый или желтый цвет. Размер зёрен песка примерно 0,2-0,5 мм. Кроме кварцевого песка, в состав шихты для простого стекла входит сода или сульфат и мел или известняк. При изготовлении стекла более высокого качества соду или сульфат заменяют поташом, а мел или известняк — соединениями свинца и бария.
Для устранения зеленоватого или желтоватого оттенок стекла и, чтобы сделать его совершенно бесцветным, в шихту вводят обесцвечивающие материалы — окись селена, окись кобальта, двуокись марганца и др. Эти материалы сами окрашивают стекло в розоватый , синий, фиолетовый и другие цвета и тем самым погашают его зеленоватый или желтоватый оттенок.
Для получения цветного стекла в шихту вводят окислы различных металлов, окрашивающих стекло в разные цвета. Oкись кобальта окрашивает стекло в синий цвет; закись меди — в красный; окись хрома — в зеленый; двуокись марганца — в фиолетовый и т. д.
Непрозрачное стекло образуется при добавлении в шихту глушителей. Так, стекло молочного цвета получается при добавлении двуокиси олова, минерала криолита и др.
Окись алюминия, применяемая в производстве промышленных стекол, вводится с глиной, каолином, гидратом окиси алюминия.
Окись натрия вводится с одной кальцинированной содой.
Окись калия вводится в виде солей; применяется главным образом в производство посуды, цветных, оптических и некоторых технических стекол.
Окись лития используется при выработке опаловых и некоторых специальных стекол.
Окись кальция вводится преимущественно в виде мела.
Окись бария используется при производстве оптических стекол и хрусталя.
Окись цинка применяется в производство оптических, химико-лабораторных стекол.
В стекловарении используются материалы, содержащие одновременно горные породы, доменный шлак, стеклянный бой и др.
К вспомогательным материалам относят красители, глушители, обесцвечиватели, осветители, ускорители.
Глушители – это соединения, распределяющиеся в стекле в виде мельчающих частиц; рассеивают свет, образуя стекло молочно белого цвета (фтористые и фосфорнокислые соли).
Обесцвечиватели – это добавки, устраняющие окраску стекла , образующуюся от оксида железа ( оксид и закись никеля, селен, различные соединения марганца).
Осветители удаляют пузырьки из расплавов газов (триоксид мышьяка и селитра).
Ускорители способствуют ускорению варки стекла(соединения фтора,бора,хлора).
Общими требованиями ко всем видам стеклянного сырья является чистота и однородность, а так же ограниченное содержание оксида железа.
3.Составление технологической схемы.
Технология получения стекла состоит из двух производственных циклов:
1. Цикл технологии стекломассы включает операции:
• подготовки сырых материалов;
• смешивания их в определённых соотношениях, в соответствии с заданным химическим составом стекла в однородную шихту;
• варки шихты в стекловаренных печах для получения однородной жидкой стекломассы.
2. Цикл технологии получения стеклянных изделий складывается из операций:
• доведения стекломассы до температуры (и вязкости);
• формования изделий;
• постеленного охлаждения изделий с целью ликвидации возникающих в процессе формования напряжений;
• термической, механической или химической (в отдельности либо во взаимном сочетании) обработки отформованных изделий для придания им заданных свойств.
В последнее время
существенно усовершенствованы
установки центробежного
Схема центробежного формования изделий
а, б — набор стекломассы; в — подача стекломассы
в форму; г —вращение формы и заполнение
стекломассой ее профиля; д — готовое
изделие
Технологическая схема производства стеклянных изделий методом центробежного формования
4.Технологическое
Центробежное формование стеклоизделий получило распространение в последние годы. Изделия, отформованные способом центробежного формования, имеют хорошую поверхность. Этим способом можно вырабатывать полые стеклянные изделия, линзы Френеля, конусы для электроннолучевых трубок.
Рассмотрим
пример изготовления линзы Френеля
способом центробежного формования
. В разъемную металлическую форму
1, укрепленную при помощи кольца 2 на основании
3, подают порцию горячей стекломассы.
Форма в зависимости от размеров, формуемого
изделия вращается с частотой 800—1200 об/мин.
Под действием центробежных сил стекломасса
равномерно распределяется по стенкам
формы, поднимается до верхнего ее обреза
и принимает ее конфигурацию. При вращении
формы внутреннюю, поверхность изделия
омывает воздух, поэтому она получается
гладкой и блестящей. Форма вращается
до тех пор, пока стекломасса не затвердеет.
При извлечении изделия кольцо снимают
и форму открывают. Полученные таким путем
изделия имеют дно, которое затем удаляют.
Если основание формы сделать в виде конуса
4, а стекломассу направлять в пространство
5 между формой и конусом, получится тело
вращения, открытое сверху и снизу.
Устройство для центробежного формования: 1 — форма, 2 — кольцо, 3—основание, 4 — конус, 5 — пространство
Стекловаренная печь.
Стекловаренная печь —
основной агрегат стекольного
Варку стекла для стеклянных изделий, получаемых методом центробежного формования, осуществляют в ванных печах проточного типа с поперечным направлением пламени. Максимальная температура варки 1580-16000С, температура выработки 1180-12000С, температура стекломассы в районе каплеформующих деталей около 10000С. Колебание температуры стекломассы в фидере допускается в пределах ±50С.
В настоящее время целью
усиления конвекционных потоков
стекломассы и достижения ее высокой
однородности в стекловаренной печи
предусматривают
Схема стекловаренной печи
1-загрузчик шихты
2-загрузочный карман шихты
3-варочная часть печи
4-сопла барботажа
5-проток печи
6-выработочная часть печи
7-фидерный канал
8-питатель
9-пресс АПР-11
10-бушинг
11-нагреватели
12-стекломассса
13-кольцо
14-капля стекла
15-ножницы
16-чаша
17- плунжер
18-форма пресса
Схема машины центробежного формования
1-фидер
2-капля стекломассы
3-форма
4-шпиндель
5-вращающийся стол
5.Расчет затрат на электроэнергию
Для производства стекла используют такие виды энергии: электроэнергия, газ.
Завод мощностью 10000000 единиц продукции потребляет 920 м3 газа в час/).
Расход газа в смену : 9208= 7360 м3
Расход газа в день: 73603=22080 м3
Расход газа в год: 22080365=8059200 м3
Количество электроэнергии, затраченное всем оборудованием на заводе в час:
å = 3,8+ 60 + 30 + 12,4 + 240 + 32 + 14 = 392,2 кВт/ч
Количество электроэнергии в смену: 392,2 8 = 3137,6 кВт
Количество электроэнергии в сутки: 3137,6 3=9412,8 кВт
Количество электроэнергии в год: 9412,8 365=3438957 кВт
6.Технологичесский расчет .
Расчет производим для производительности 1000000 шт.
Содержание сырья, состава шихты
Стекло не зависимо от назначения характеризуется высокими физико-механическими показателями:
Прочность при изгибе – 30-100МПа
Прочность при сжатии – 240-350МПа
Плотность – 2,2-2,6г/см3
Коэффициент водопроводности – 0,88-0,92Вт/м*0С
Твердость по шкале Мосса 6-8.
Сырьевые материалы , используемые для производства стекла, делятся на главные и вспомогательные.
Состав шихты для стекла непостоянен; он зависит от того, какое стекло (бесцветное или цветное, прозрачное или заглушенное) и с какими свойствами хотят получить.
Основным материалом, составляющим 65—75% любой шихты для стекла, является кварцевый песок. Он должен быть как можно более чистым, так как примеси, в первую очередь окислы железа, окрашивают стекло в неприятный зеленый или желтый цвет. Размер зёрен песка примерно 0,2-0,5 мм. Кроме кварцевого песка, в состав шихты для простого стекла входит сода или сульфат и мел или известняк. При изготовлении стекла более высокого качества соду или сульфат заменяют поташом, а мел или известняк — соединениями свинца и бария.
Основные стеклообразующие оксиды:
- SiO2-кварцевый песок, кварцит, пылевидный кремнезем, песчаник
- CaO-мел, известняк
- CaO и MgO - доломит
- Al2O3-полевой шпат, пегматит
- Na2O-сода.
Расчет материального баланса
Расчеты выполняются для единицы изделий-1000 шт.
Для производства 1 тонны стекломассы нам необходимо 2,685 тон сырья.
Так как вес одного изделия равен 450 г, то норма расхода сырья для 1000 изделий составит;
450/1000*2.685=1,201 т
Химический состав стекла:
SiO2 71 %
Al2O3 1,5 %
CaO 8,51 %
MgO 3,5 %
Na2O 15,5 %
Fe2O3 0,21 %
Процентный состав сырья:
Кварцевый песок 58,22 %
Доломит
Известняк
Сода
Сульфат натрия 2,1 %
Уголь
К вспомогательным материалам относят красители, глушители, обесцвечиватели, осветители, ускорители.
Глушители – это соединения, распределяющиеся в стекле в виде мельчающих частиц; рассеивают свет, образуя стекло молочно белого цвета (фтористые и фосфорнокислые соли).
Обесцвечиватели – это добавки, устраняющие окраску стекла , образующуюся от оксида железа ( оксид и закись никеля, селен, различные соединения марганца).
Осветители удаляют пузырьки из расплавов газов (триоксид мышьяка и селитра).
Ускорители способствуют ускорению варки стекла(соединения фтора, бора, хлора).
Общими требованиями ко всем видам стеклянного сырья является чистота и однородность, а так же ограниченное содержание оксида железа.
Режим работы
Режим работы предприятия состоит из следующего:
- число рабочих дней в году – 350
- подготовка сырьевых материалов делается в течение – 350 рабочих дней в году
- обжиг сырьевых материалов делается в течение – 350 рабочих дней
- загрузка и выгрузка сырьевых материалов делается в течение – 350 рабочих дней
На производстве
листового полированного
Годовой фонд эксплуатации оборудования в час ГФэкс рассчитывается следующим образом:
ГФэкс = Чрд ∙ Чрс ∙ Чрч =350∙3∙8=8400 ч.
Где: Чрд- число рабочих дней в году
Чрс- число рабочих смен в течение 24 часов
Чрч- число рабочих часов в одной смене.
Число основных рабочих
Номинальный годовой фонд рабочего времени производственных отделений, работающих на непрерывном режиме, принимается 350 суток или 5600 часов.
Списочная численность производственного персонала завода определяется на оснований принятой структуры управления предприятием, явочной численности трудящихся и коэффициента подсмены при переходе от явочного к списочному составу с учетом действующих нормативов .
Явочная численность основных производственных рабочих устанавливается, исходя из принятого режима работы подразделений, количества рабочих мест по обслуживанию оборудования, максимального использования рабочего времени, совмещения профессий рабочих, уровня автоматизации технологических процессов.
Численность рабочих, занятых на выполнение ремонтов оборудования, определяется, исходя из программы и трудоемкости ремонтных работ и годового эффективного фонда времени одного рабочего.
Количество рабочих, необходимых для выполнения погрузочно-разгрузочных работ, определяется, исходя из объемов работ, принятых средств механизации, с учетом действующих норм на погрузочно-разгрузочные работы.
Расчет состава рабочих определяется из соотношения, что для цеха производительностью в 1млн.м2 требуется 47 человек из которых 14,89% или 7 человек – это инженерно – технический отдел, а остальная часть, т.е. 40 человек – рабочий персонал.
Можно рассчитать исходя из 49 человек, так как это не несет убыток производству.
Для расчета инженерно – технического персонала используем соотношение:
49=100%
х=14,89%, тогда
х=(49*14,89%)/100%=7 человек.
Следовательно, остальные 42 человека рабочий персонал.
7.Описание технологии производства
Технология производства
стеклянных изделий,
- Подготовка сырья
- Смешивание
- Варка
- Формование
- Обработка готового изделия.
Подготовка сырых
Стекловарение ведётся при температурах 1400°-1600°. В нём различают три стадии.
Первая стадия - варка, когда происходит химическое взаимодействие и образование вязкой массы. Варка стекла производится в стекловаренных печах. Выбор того или иного типа печи обусловливается видом применяемого топлива, ассортиментом вырабатываемых изделий, размерами производства и прочее. Управление современной стекловаренной печью строго контролируется и в значительной мере автоматизировано. Контроль доведён до высокой степени точности. Автоматически регулируются: давление, соотношение газообразного или жидкого топлива и воздуха; количество подаваемого в печь топлива; уровень стекломассы в ванне и другие параметры.
Вторая стадия - осветление, происходит удаление пузырьков, а также растворение еще оставшихся нерастворёнными зёрен песка; в этой стадии стекло выдерживается в печи в течение нескольких часов при наиболее высокой температуре.
Третья стадия – охлаждение стекломассы, когда она охлаждается до такой температуры, при которой становится возможным и наиболее удобным изготовлять из неё те или иные изделия.
Для усиления конвекционных
потоков стекломассы и достижения
ее высокой однородности в стекловаренной
печи предусматривают
Формование изделия
Формование изделия производят вращением формы в течение 10-15сек,частота вращения 930-1200об/мин. Температура подаваемого текла – 11800С. При вращении стекло, находящееся в состоянии расплава, под действием центробежных сил поднимается по стенкам формы, заполняет полость между упорным кольцом и формой, образуя конус. По окончанию формования конуса и съема его с машины с помощью передаточного устройства, он отправляется на отжиг в отжигательную печь.
Отжиг производится в отжигательных
печах непрерывного или периодичного
действия. Длительность отжига определяется
толщиной (массивностью) изделий до
нескольких месяцев .Не требуют отжига
только некоторые тонкостенные изделия,
например дроты, колбы (оболочки) для электрических
ламп и т. п.
Закалка стекла- операция, обратная отжигу.
Её назначение - создать в изделиях сильные
равномерно распределённые напряжения.
Закалённые изделия термически и механически
гораздо более прочны, чем отожжённые.
При закалке стекло разогревают до 600°-650°,
затем быстро охлаждают в обдувочной решётке
путём равномерного обдувания воздухом.
Обработка (отделка) отформованных стеклянных
изделий может быть разделена на горячую
(огневую), холодную (механическую) и химическую,
которые применяются в отдельности либо
во взаимном сочетании.
Горячая обработка стекла включает отколку,
отопку, огневую полировку и другие операции,
требующие нагревания изделий.
К холодной обработке стекла относятся
его резку, (сверление, шлифовка и полировка).
8.Характеристика готовой продукции.
Центробежным формованием можно вырабатывать полые стеклянные изделия, линзы Френеля, конусы для электроннолучевых трубок, электровакуумное стекло, цилиндры, трубы, свето- и радиотехнические приборы, контактные линзы.
Линза Френе́ля — сложная составная линза. Состоит не из цельного шлифованного куска стекла со сферической или иными поверхностями (как обычные линзы), а из отдельных примыкающих друг к другу концентрических колец небольшой толщины, которые в сечении имеют форму призм специального профиля. Предложена Огюстеном Френелем.
Эта конструкция обеспечивает малую толщину (а следовательно, и вес) линзе Френеля даже при большой угловой апертуре. Сечения колец у линзы строятся таким образом, что сферическая аберрация линзы Френеля невелика, лучи от точечного источника, помещённого в фокусе линзы, после преломления в кольцах выходят практически параллельным пучком (в кольцевых линзах Френеля).
Линзы Френеля бывают кольцевыми и поясными. Кольцевые направляют световой поток в каком-либо одном направлении. Поясные линзы посылают свет от источника по всем направлениям в определённой плоскости.
Диаметр линзы Френеля может составлять от единиц сантиметров до нескольких метров.
линза Френеля в маяке.
Электронно-лучевая трубка представляет собой электронно-лучевой прибор для осциллографии, приёма телевизионных изображений, электронно-лучевых коммуникаторов и ряда других областей техники. Во всех этих приборах создается тонкий пучок электронов (электронный луч), управляемый с помощью электрических или магнитных полей. Существует большое разнообразие электронно-лучевых трубок. Они могут быть с фокусировкой электронного луча электрическим или магнитным полем и с электрическим или магнитным отклонением луча; электронно-лучевые трубки бывают с различными цветами изображения на люминесцирующем экране; с различной длительностью свечения экрана (так называемое послесвечение). Они различаются также по размерам экрана, материалом баллона и другим признакам.
Устройство электронно-лучевой
Электровакуумное
стекло
Использование: для изготовления оболочек
газоразрядных ламп высокого давления,
электровакуумных приборов и других источников
света с высокими рабочими температурами
на поверхности оболочки в процессе службы,
а также жаропрочной кухонной посуды и
поддонов для печей СВ-4. Изобретение относится
к электровакуумной технике, производству
источников света, приборостроению, в
частности к составам электровакуумных
стекол, используемых для изготовления
оболочек газоразрядных ламп высокого
давления, электровакуумных приборов
и других источников света с высокими
рабочими температурами на поверхности
оболочки в процессе службы, а также жаропрочной
кухонной посуды и поддонов для печей
СВЧ.
Физические свойства:
Температурный коэффициент линейного
расширения (20 - 300oC), oC-1 - 38,5 - 41,9 10-7
Термостойкость,
oC - 310 - 312oC
Температура размягчения при вязкости
10-10 Па, oC - 630
Температура, при которой удельное электрическое
сопротивление равно 100 МОМ см (Тк- 100),
oC - 300
Химическая устойчивость к воде, гидролитический
класс - 3
Кристаллизационная способность:
Верхний предел кристаллизации- 1090
oC
Нижний предел кристаллизации - 790
oC
Интервал кристаллизации,- 300
oC
Температура максимальной кристаллизации
- 877
Скорость роста кристаллов - 0,45 мкм/мин