Технологический процесс производства листового стекла

       Введение

       Область применения строительного стекла и  изделий на его основе за два последних  десятилетия значительно расширилась. Наряду с традиционными видами строительных листовых материалов (стекло оконное, витринное) в практику прочно вошли  объемные конструктивные изделия из стекла (стеклоблоки, стеклопрофилит, стеклопакеты), трубы, облицовочные материалы (плитка стеклянная), изделия из закаленного стекла (дверные полотна, стемалит), теплоизоляционные материалы (стекловолокно, пеностекло), ситаллы и шлакоситаллы. Основными свойствами, определяющими применение стекла в строительстве, являются: прозрачность, высокая прочность при сжатии, небольшая теплопроводность, твердость, химическая стойкость, изотропность.

       Применение  новых материалов и изделий на основе стекла обеспечивают индустриализацию строительства, снижают расход древесины, улучшают теплотехнические свойства и снижают массу конструкций.

       Одним из широко распространенных искусственных строительных материалов является стекло. Листовое стекло - основной материал, вырабатываемый отечественной стекольной промышленностью. Это изделие из стекла в виде плоских листов, отношение толщины которых к длине сравнительно невелико и составляет приблизительно 0,15... 1,5%.

       Стекло  может быть использовано не только для остекления оконных проемов, витражей, световых фонарей, но и как эффективный конструктивно-строительный, отделочный и теплоизоляционный материал.

       Основными направлениями стеклянной промышленности являются разработка и освоение промышленного  производства новых видов стеклянных труб, в том числе из боросиликатных стекол с защитными покрытиями, а также труб, обладающих повышенной термостойкостью (12 0 ° С), что позволит расширить область их использования и заменить трубы из легированных и углеродистых сталей, цветных металлов. Планируется повысить производительность труда в 2,5... 3 раза с использованием реконструированных систем; снизить себестоимость оконного стекла; достичь экономии топливно-энергетических ресурсов; сократить удельные расходы сырьевых материалов за счет использования отходов различных производств; автоматизировать все процессы производства стекла и изделий из него; обеспечить полное удовлетворение потребностей строительства в высококачественном листовом стекле.

       По  сравнению с другими строительными материалами листовое стекло наиболее полно удовлетворяет требованиям современных архитектурно-конструктивных решений. Прозрачность стекла, его высокая механическая прочность, химическая стойкость, плотность, водо- и газонепроницаемость, способность к механической обработке позволяют использовать изделия из него в самых разнообразных конструкциях зданий и сооружений. 

       3 

       1. Технологический  процесс производства  листового стекла  и  его

       характеристика.

       Производство  строительного стекла включает следующие  основные операции: подготовку сырьевых материалов, приготовление стекольной шихты, варку стекла, формование изделий, отжиг отформованных изделий.

       Материалы и изделия из стекла, применяемые  в строительстве, в зависимости  от назначения разделяются на следующие группы:

       Материалы для заполнения проемов зданий и  сооружений, наиболее обширная группа строительных материалов из стекла, включающая листовые стекла различных видов  и стеклопакеты; в свою очередь  листовое стекло подразделяется на листовое оконное, витринное — (полированное и неполированное), армированное, узорчатое, у виолевое, закаленное и др.;

       материалы для строительных конструкций —  профильное стекло, стеклоблоки;

       облицовочные  и отделочные материалы — марблит, стемалит; плитки стеклянные облицовочные, коврово-мозаичные и ковры из них; смальта;

       теплоизоляционные  материалы — пеностекло,   стеклянная  вата изделия из нее, стекловолокно.

       Структура технологического процесса строится по принципу "матрешка", т.е. низшие по иерархии элементы структуры являются составной частью более высоких.

       В структуре технологического процесса различают два вида связей между  элементами: предметные (по предмету труда) и временные (по времени осуществления).

       Вид технологического процесса производства листового стекла по характеру технологического цикла - непрерывный технологический цикл, так как рабочие и вспомогательные действия осуществляются одновременно, т. е. совмещены во времени, но разнесены в пространстве. Именно по этой причине такие процессы обладают наибольшей производительностью. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       4

       1.1. Характеристика получаемой  продукции - листового  стекла

       Стеклом называются все аморфно-кристаллические  материалы, получаемые путем переохлаждения расплава, независимо от их химического  состава и температурной области  затвердевания. Эти материалы в результате постепенного увеличения вязкости обладают механическими свойствами твердых материалов.

       Стекло, применяемое в строительстве,—  это силикатное стекло, основными  компонентами которого являются SiO2, А1₂Оз, CaO, MgO и Na₂O. В состав стекла

       вводят  и другие соединения, придающие ему  те или иные свойства. Химический состав стекла обычно характеризуется содержанием  оксидов (в процентах), входящих в  него.

       По  сравнению с другими строительными  материалами оно наиболее полно  удовлетворяет требованиям современных архитектурно-конструктивных решении. Прозрачность стекла, его высокая механическая прочность, химическая стойкость, плотность, водо- и газонепроницаемость, способность к механической обработке позволяют использовать изделия него в самых разнообразных конструкциях зданий и сооружений.

       Стекольной  промьшленностью вырабатывается широкий  ассортимент листового стекла: обычно оконное, витринное., (полированное и  неполированное), армированное, узорчатое, увиолевое, трехслойное и др. Вместо обычного двойного остекления окон, витражей, световых фонарей в зданиях различного назначения в настоящее время широко используются стеклопакеты, изготовляемые на основе различных видов листового стекла. Большая часть листового стекла (около 80%) используется в           промышленном, гражданском,           жилищном и  сельскохозяйственном  строительстве. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       5

       1.2, Характеристика используемого  сырья

       Сырьевые  материалы, применяемые в производстве изделий из стекла, делятся на две  группы: главные и вспомогательные. Главные сырьевые материалы составляют основные компоненты стекла (оксиды кремния, алюминия, бора, натрия, калия, кальция и магния), они вводятся в стекломассу, как правило, в виде природных соединений. Вспомогательные сырьевые материалы вводятся в стекломассу для ускорения варки стекла и придания ему требуемых свойств.

       Кремнезем (SiO2) — главный стеклообразующий оксид, с увеличением его содержания повышается тугоплавкость и химическая стойкость стекла Кремнезем вводится в стекломассу в виде кварцевого песка или молотых кварцитов и песчаников. Основное требование к пескам для стекловарения — высокое содержание SiO₂ и минимальное содержание примесей (особенно оксидов железа, хрома и титана), снижающих прозрачность стекла Для обеспечения постоянства состава шихты и удаления вредных примесей пески обогащают.

       Глинозем (А12Оз) вводится в стекломассу в виде пегматита, полевошпатовых концентратов, а для высокосортных стекол — в виде чистого оксида алюминия. Влияние А1₂Оз на свойства стекла аналогично действию кремнезема.

       Оксид бора (В2Оз) придает стеклу ряд ценных свойств: способствует снижению коэффициента его температурного расширения, повышению термостойкости и химической устойчивости, механической прочности, уменьшению склонности стекла к кристаллизации, а также ускорению процесса его варки. Для введения ВгО₃ в стекломассу служат борная кислота, бура, борсодержащие минералы.

       Оксид натрия (Na₂O) способствует ускорению процесса стеклообразования (понижается температура плавления) и облегчению осветления стекломассы, но обусловливает повышение коэффициента температурного расширения стекла и снижение его химической устойчивости. Оксид натрия вводится в стекломассу в виде соды и сульфата натрия. В производстве стекла преимущественно используют синтетическую кальцинированную соду.

       Оксид калия (К2О) снижает склонность стекла к кристаллизации, придает ему блеск и прозрачность. Сырьем для введения в стекломассу К2О являются поташ, калиевая селитра, горные породы и отходы различных производств.

       Оксид кальция (СаО), ускоряя реакции силикатообразования, способствует облегчению варки и осветления стекла, повышению его выработочных свойств, химической устойчивости. Оксид кальция вводится в стекломассу обычно в составе углекислых солей СаСОз в виде мела, известняка, мрамора и известкового шпата.

       Оксид магния (МgО) способствует улучшению кристаллизационных свойств стекла, снижению коэффициента его температурного расширения,

       6

       и повышению механической прочности. При одновременном введении в стекломассу Аl2Оз и MgO улучшаются выработочные свойства стекла, повышается его химическая устойчивость. В качестве сырья для введения в стекломассу MgO используют доломит, магнезит, доломитизированный известняк и др.

       Вспомогательные сырьевые материалы но своему назначению подразделяются на следующие группы: ускорители варки, осветлители, обесцвечиватели, красители и глушители.

       Ускорители  варки — это вещества, способствующие появлению жидкой фазы стекломассы  при более низких температурах и  увеличению скорости процесса силикатообразования. Обычно используется кремнефтористый натрий Ма251Рб. При содержании фтористых соединений в стекломассе 0,5... 1,5 % продолжительность процесса варки снижается на 10…15%. Ускорению процесса варки стекла способствует также введение В2Оз.

       Осветлители — вещества, способствующие при высоких температурах освобождению стекломассы от газовых пузырей. В качестве осветлителей стекломассы применяют сульфаты натрия и аммония, хлористый натрий и аммоний, селитру.

       Обесцвечиватели могут оказывать как физическое действие на стекольную массу — создавать дополнительную окраску стекла примесью, так и химическое — переводить окрашивающую примесь в бесцветную форму. Обесцвечивателями физического действия являются элементарный селен и его соединения, оксиды никеля, марганца, кобальта. В качестве химических обесцвечивателей применяют сильные окислители: мышьяковистый ангидрид, двуоксид церия, селитру, сульфат натрия.

       Глушители — вещества, способствующие получению  непрозрачного стекла. Наиболее распространенными  и эффективными глушителями являются соединения фтора и фосфора, в частности 'криолит (3NaF AIF₃), кремнефтористый натрий, фтористый кальций, фосфорнокислый натрий.

       Красители — вещества, окрашивающие стекла в  различные цвета. Красители могут  быть молекулярными, полностью растворяющимися в стекломассе, и коллоидными, равномерно распределяющимися в ней в виде коллоидных (тонкодисперсных) частичек. К первым относятся соединения кобальта (синий цвет), хрома (зеленый), марганца (фиолетовый), урана (желтый), железа (коричневые и сине- зеленые тона), а ко вторым — золото (рубиновый), серебро (золотисто- желтый), селен (розовый) и др.

       Основные  требования к качеству всех сырьевых материалов, применяемых в производстве стекла,— их химическая однородность, постоянство химического и гранулометрического состава, содержание красящих примесей. От химической однородности и химического состава сырьевых материалов непосредственно зависит степень химической однородности стекломассы— один из решающих факторов получения стеклоизделий высокого качества.

       7

       Сырьевые  материалы не должны иметь очень  крупных или очень мелких фракций. Крупные фракции (особенно это относится  к кварцевому песку) с недостаточно развитой реакционной поверхностью труднее провариваются. Очень мелкие фракции с более развитой реакционной поверхностью труднее перемешиваются как между собой, так и с зернами средних (оптимальных) размеров и обладают склонностью к комкованию. Кроме того, стекломасса, сваренная с использованием очень мелких фракций, труднее осветляется. Поэтому применительно к каждому виду сырья устанавливают оптимальные размеры зерен. Сырьевые материалы просеивают через сито с числом отверстий 64... 100 на 1 см² . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       8 

       1.3.    Характеристика технологии производства листового стекла

       Производство  строительного стекла включает следующие  основные операции: подготовку сырьевых материалов, приготовление стекольной шихты, варку стекла, формование изделий, отжиг отформованных изделий.

       Сырьевые  материалы, поступающие на завод  в виде кусков (мел, известняк и др.), предварительно дробят, затем подвергают сушке, тонкому измельчению. Кварцевый песок обогащают, высушивают. Подготовленные материалы просеивают через сито (сетка № 07—№ 09). Составные компоненты, взятые для получения стекла заданного химического состава в строго определенном соотношении, взвешивают на автоматических весах, а затем перемешивают в смесителях тарельчатого типа, получая таким образом однородную шихту.

       Основное  требование к шихте — высокая  степень однородности. Однородная шихта  облегчает процесс стеклообразования  и исключает ряд пороков в  готовом стекле. С целью сохранения однородности шихты при транспортировке  и загрузке в печь проводят ее брикетирование и гранулирование. В результате этих операций устраняется пыление шихты, а главное — расслаивание, ускоряется провар, улучшается качество стекломассы.

       Стекловарение — главнейшая и самая сложная  операция стекольного производства. Процесс варки стекломассы условно принято делить на четыре стадии: силикатообразование, стеклообразование, гомогенизация и студка. Между этими стадиями нет четко определенных границ, они накладываются друг на друга и последовательно переходят одна в другую, однако каждую из них можно охарактеризовать по главнейшим признакам протекающих процессов.

       На  первой стадии процесса — силикатообразовании  — уже при температуре 400 °С начинаются реакции в твердой фазе. Затем  при нагревании появляется жидкая фаза и образовавшиеся силикаты превращаются в плотный монолитный спек. При дальнейшем нагревании силикаты расплавляются, начинается стадия стеклообразования.

       В образовавшемся расплаве растворяются наиболее тугоплавкие компоненты —  SiO и А1₂Оз- Этот расплав насыщен газовыми пузырьками и неоднороден по составу. Газообразные включения удаляются из расплава путем диффузии к поверхности стекломассы. Подъем газовых пузырьков к поверхности стекломассы может быть ускорен введением добавок, а также перемешиванием стекломассы, обработкой ультразвуком.

       На стадии гомогенизации должна обеспечиваться химическая однородность стекломассы, так как после процессов силикато- и стеклообразования стекломасса представляет собой сотообразные или пучкообразные сплетения отдельных слоев (свили), различающиеся по химическому составу. Решающим фактором обеспечения химической однородности стекломассы является повышение температуры варки. На рассматриваемой стадии температура повышается до 1400... 1600  °С.

       9

       Химическая  однородность стекломассы зависит  от степени однородности и постоянства состава сырьевых материалов, шихты и условий варки, в частности уровня температур на стадиях стеклообразования и гомогенизации.

       Студка  — охлаждение стекломассы до такой  температуры, при которой она  приобретает оптимальную для  принятого метода выработки стекла вязкость. На этой стадии стекломасса должна быть не только охлаждена до установленной выработочной температуры, но и подведена к местам формования стекла.

       Для варки стекла применяют периодические  и непрерывно действующие ванные печи. В производстве строительного стекла в настоящее время используются мощные автоматизированные стекловаренные ванные печи непрерывного действия производительностью по сваренной стекломассе до 350 т/сут, а в последнее' время и печи более высокой производительности — до 600 т/сут.

       Стекловаренная  печь — главный агрегат в технологическом  процессе производства строительного  стекла. От работы стекловаренной печи, в которой протекают основные процессы варки и термической  подготовки стекломассы для выработки  изделия, в решающей степени зависит как выход, так и качество вырабатываемой продукции. Конструкции варочных частей крупных печей независимо от способа и режима варки стекломассы принципиальных различий не имеют. Изготовляют стекловаренные печи из огнеупорных материалов. Направление пламени в ванных печах поперечное. Печь имеет от шести до восьми пар горелок, что позволяет сравнительно легко устанавливать и поддерживать необходимые температурный и газовый режимы по длине печи. В качестве топлива используют природный газ. Максимальная ширина бассейна варочной части достигает 10 м, общая длина — 65...70 м, глубина бассейна— 1,2...1,5 м.

       Шихту и стеклобой загружают через  загрузочный карман, соединенный  с бассейном печи. Перемещаясь  вдоль печи, шихта под воздействием высоких температур превращается в стекломассу, пройдя последовательно все стадии процесса Охлажденная до необходимой выработочной температуры стекломасса поступает в выработочные каналы на формирование изделий.

       Формирование  стеклянных изделий из расплавленной стекломассы называют выработкой. Оно может производиться вытягиванием, прокатом, прессованием, выдуванием, литьем и комбинированными способами. Выбор метода выработки строительных изделий зависит от их конфигурации. Сложные изделия из двух и более деталей изготовляют свариванием или склейкой. Листовое стекло вырабатывают из вязкой стекломассы путем вытягивания (лодочный и безлодочный способы) или проката. При лодочном и безлодочном способах выработки стекла применяются машины вертикального вытягивания.

       Принцип формования изделий при лодочном способе заключается в

       10

         следующем. В выработочный канал,  где стекломасса охлаждена до 1000 °С, погружается шамотовый параллелепипед (лодочка) со сквозным продольным вырезом в виде щели. Стекломасса выдавливается через щель лодочки, прихватывается к металлической затравочной раме и оттягивается вверх с помощью асбестовых валиков машины вертикального вытягивания (ВВС) в виде плоской стеклянной ленты.

       При безлодочном способе лента стекла формируется со свободной поверхности расплавленной стекломассы. Для этого в стекломассу погружается поплавок на определенную глубину, благодаря чему создается направленный поток стекломассы. При этом способе вытягивание ленты производится сначала вверх, а затем она перегибается через вал, расположенный на некоторой высоте над зеркалом стекломассы, и далее вытягивается в горизонтальном направлении. За счет изменения глубины погружения поплавка регулируется толщина ленты: чем глубже погружен поплавок, тем она тоньше.

       Лодочный  способ является основным в производстве листового стекла. Преимущество этого способа заключается в возможности получения стекла любой толщины (0,6...12 мм), недостаток — резко выраженная полосность и волнистость вырабатываемого стекла, а также невысокая скорость вытягивания стеклянной ленты (45...50 м/ч).

       Основные  достоинства безлодочного способа  формования изделий — высокая  производительность (120...140 м/ч) и лучшее качество поверхности стекла (меньше полосность), недостатки — громоздкость, сложность установки, а также  сложность выдерживания температурного режима по ширине камеры.

       В нашей стране освоен новый способ непрерывного производства листового  стекла (флоат-процесс) — формование ленты стекла на поверхности расплавленного металла. В настоящее время флоат-процесс  — основной способ производства полированного листового стекла. По этому методу изготовляют стекла, окрашенные в массе, а также стекла с поверхностью, модифицированной металлами. Разрабатывают и осваивают способы производства армированного, узорчатого и профилированного стекла, пеностекла и других видов изделий.

       Сущность  флоат-процесса состоит в том, что  определенная доза стекломассы, имеющей  температуру 1050 °С, поступает из стекловаренной печи / (рис. 11.2) в прокатную машину 2, а затем по наклонной плите в специальную ванну 3 на зеркальную поверхность расплавленного металла (олова) 4 и, растекаясь, превращается в ленту.. Перемещаясь по расплаву, лента проходит последовательно зоны нагрева I, огневой полировки 11 и охлаждения Ш. Нагрев ленты снизу осуществляется расплавленным металлом и сверху—газом. Температура в зоне нагрева составляет 1000... 1050 °С, благодаря чему все неровности на ленте исчезают и толщина ее становится одинаковой. На выходе из зоны охлаждения лента имеет температуру 600 °С и направляется в отжигательную печь (лер) 5. Для

       11

       предупреждения  окисления олова во флоат-ванне  поддерживают азотно-водородную защитную атмосферу, иначе на поверхности  стекла будут образовываться дефекты.

       Выработанное  тем или иным способом стекло или  изделие подвергается специальной термической обработке — отжигу. При выработке стекло охлаждается неравномерно: наружные слои остывают быстрее, внутренние — медленнее из-за низкой теплопроводности стекла. В результате в отформованных изделиях появляются внутренние температурные напряжения, которые могут вызвать разрушение изделий. Для уменьшения этих напряжений изделия подвергают отжигу, нагревая до температуры 20°С ниже температуры размягчения стекла (400...600 °С), и медленно охлаждают. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

12 

3 Динамика трудозатрат  при развитии технологического  процесса

TЖ (t)=1000/(87t+l 160)     Tп(t)=0,03HO,4

Из графика  видно ,что вариант развития - ограниченный.

Необходимо рассмотреть  отношение Тж /Тп

Для   t = 1         Тж/ Тп=0,8 /0,43=1,9

Для  t= 4        Тж/Тп=0,б6 /0,52=1,3

Оно уменьшается  во времени, следовательно, преобладает экономия живого

труда, т.е. процесс  развития трудосберегающий. 

Экономический предел накопления прошлого труда:

Тс = Тж+Тп = 1000/87t +1160+0,03t +0,4

(Тс)' = -87000 (87t +1160) + 0,03

87000 (87t +1160) = 2900000

871+1160=1702,94

87t = 542,94

t* = 6,24 - экономический предел накопления прошлого труда

Тж=1000/(871+1160)

Тж =1000/87(( Тп-0,4)/0,03)+1160 =1000/(2900Тп-1160+1160)=10/29Тп

Тп =0,031+0,4

t =Тп-0,4/0,03

(Тж)'=(10/29Тп)'=-(10/29Тп²)

так как значение Тж =  -(10/29Тп²)   уменьшается во времени, следовательно

реализуется убывающий  тип отдачи дополнительных затрат труда. 

17 

18 

2.1. Пооперационная  структура технологического процесса. 
 
 
 
 

    - временные связи;                                                    - предметные связи. 

13 

2.2. Структура  основной операции- стекловарения.