Технология изготовления листового стекла

К физико-химическим явлениям относят: растворение веществ в твердом и жидком состояниях, взаимодействие газов печи со стекломассой, взаимодействие между газами, растворенными в стекломассе, и газами, заключенными в пузырях, и т. п.

На первом этапе варки  стекла в результате нагревания шихты образуются силикаты, а затем уже стекломасса. По окончании силикатообразования происходит процесс растворения избыточных зерен кварца и силикатов в высокощелочном силикатном расплаве, представляющим собой собственно стеклообразование. Протекает он гораздо дольше, чем силикатообразование. Время, необходимое для стеклообразования, зависит от величины зерен кварцевого песка, а также от скорости диффузии внутри расплава. К концу первого этапа шихта полностью проваривается в однородную стекломассу, содержащую большое количество видимых газовых включений.  Вторым этапом варки стекла является осветление и гомогенизация стекломассы. Жидкая стекломасса освобождается от газовых включений и устанавливается максимальная однородность. Осуществляется он при наивысшей температуре в печи, равной обычно 1450 – 1500 ⁰ . Третий этап варки стекла – студка (охлаждение) стекломассы. Проварившаяся осветленная, однородная стекломасса охлождается до температуры, соответствующей определенной вязкости, требуемой по условиям выработки из нее стеклоизделий заданного ассортмента.

Электрические печи

Электроэнергия, применяемая  в электрических печах, является наиболее чистым источником тепла, позволяющим концентрировать выделение тепла в определенном месте или равномерно распределять его по всему объему тела.

К преимуществам варки стекла в  электрических печах необходимо отнести простоту управления технологическим процессом и в связи с этим больший срок их службы по сравнению с газовыми.

Кроме того, при электроварке уменьшается  содержание в стекле нежелательных примесей, которые образуются при разъедании огнеупорного припаса.

Температура в электрической печи легко поддается автоматическому контролю. Практически в этих печах отсутствуют потери тепла с отходящими газами и от неполноты горения. Потери же в окружающую среду могут быть сведены до минимума.

Температура стенок бассейна электрических печей значительно  ниже температуры стекломассы; кроме  того, стенки ее хорошо изолированы  и поэтому разъедаются незначительно.

Таким образом, коэффициент полезного действия электрических печей более высок, чем обычных. В электрических печах легко могут быть достигнуты очень высокие температуры (до 3000°).

Большим преимуществом  электропечей является также простота их обслуживания; они более компактны и занимают значительно меньше места. Условия работы на электропечи менее вредны, чем на пламенной печи, так как здесь нет ни дыма, ни вредных для глаз раскаленных газов. Стоимость электроэнергии для варки стекла значительно меньше, чем стоимость других видов топлива.

Для электроварки стекла наиболее пригодны печи с непосредственным сопротивлением. Для включения стекломассы в цепь тока в нее погружают электроды и ток, проходя через стекломассу, нагревает ее.

Печи подобного типа состоят из перекрытого сводом бассейна для стекломассы, электродов, приспособления для выработки стекла, электрической подводки тока и подводки для охлаждения электродов.

На рис. 1.2 показана электрическая  ванная печь непрерывного действия прямого  сопротивления для варки стеклотарного стекла. В таких печах бассейн разделяется перегородками на варочную и выработочную части. Электроды делаются из чистой стали специальных сплавов и графита.

Электрические стекловаренные печи разогреваются газовым или жидким топливом до температуры, при которой стекломасса становится достаточно электропроводной после чего для дальнейшего нагрева используется уже только электрический ток. Необходимость в разогреве печи отпадает, если имеется возможность залить бассейн печи расплавленной стекломассой, взятой из другой печи.

 

Формование листового стекла на расплаве олова

Основой термического формования стекла была принципиально новая  идея, изложенная в 1902 и 1905 гг. в патентах американских изобретателей X. Хила и X. Хичкока.

Согласно этой идее, производство листового и плоского стекла любой  желаемой толщины в форме непрерывной  ленты осуществляется посредством выливания расплавленной стекломассы из стекловаренной печи в смежную с ней емкость, содержащую расплавленный материал с большим удельным весом, чем стекло. В результате этого стекломасса растекается и в виде непрерывной ленты плывет по поверхности расплавленного металла, затем снимается с него и направляется в печь отжига.

Рисунок 1.3 Способ формирования стекла на расплавке металла американский изобретатель Х. Хила и Х. Хичкока. 
1 – жидкая стекломасса; 2 – сливной порог; 3 – нагревательная камера (ванна); 4 – расплав металла; 5 – лента стекла; 6 – вытягивающие ролики; 7 – печь отжига

Известны три принципиально  различающихся флоат-способа производства стекла. Основная разница между которыми заключается в подаче стекломассы из стекловаренной печи в ванну расплава. 

1. Способ фирмы «Пилкинггон». 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 600-6150С и поднимается над выходным порогом (с перегибом ленты), уровень олова в ванне ниже уровня порога на 8-10 мм .
2. Способу двухстадийного формования, разработанному Саратовским институтом.
3. Способ, разработанный фирмой «Пи-Пи-Джи Индастриз». 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.

Подробнее остановимся  на способе двухстадийного термического формования стекла, разработанного Саратовским институтом.

 По способу двухстадийного  формования, разработанному Саратовским  институтом, лента стекла выходит  из ванны расплава без перегиба  на газовоздушную опору (подушку) при температуре более 6500С. При этом уровень олова в ванне выше уровня порога на 2-3 мм, что достигается за счет применения электромагнитных индукторов, также разработанных институтом. В ванне расплава также размещены преграды по олову для регулирования его потоков.

Рисунок 1.4 Способ формирования флоат-стекла, разработанный Саратовским институтом стекла. 
1 – жидкая стекломасса; 2 – дозирующий шибер; 3 – сливной лоток; 4 – рестрикторы; 5 – ванна расплава; 6 – расплав олова; 7 – лента стекла; 8 – индуктор; 9 – газовоздушная подушка; 10 – приемные валы печи отжига.

 На газовоздушной подушке происходит вторая стадия формования ленты, где она охлаждается. При этом обеспечивается окончательная фиксация ее геометрической формы перед выводом ленты на приемные валы печи отжига.

Рисунок 1.5 Газовоздушная  подушка. 

Преимуществом двухстадийного способа формования является возможность передачи ленты стекла на приемные валы печи отжига с более низкой температурой (570-5800С), что ниже на 20-350С, чем в процессе фирмы «Пилкингтон», и более надежно обеспечивает сохранность нижней поверхности. Что касается процессов восстановления оксидов олова, то поскольку температура олова в выходной части ванны расплава выше примерно на 500С и составляет около 6500С, процессы восстановления оксидов олова идут интенсивнее, и тем самым повышается качество нижней поверхности ленты стекла.

Отжигательные печи

Отжиг стеклоизделий  проводится в специальных отжигательных печах, которые делятся на печи периодического и непрерывного действия и могут отапливаться твердым, жидким, газообразным топливом, а также с помощью электричества.

Ниже рассматриваются  основные типы стеклоотжигательных  печей, применяемых в стекольной промышленности.

Печи непрерывного действия

Отжигательные печи непрерывного действия характеризуются, во-первых, тем, что их печное пространство имеет  обычно форму туннеля, во-вторых, постоянством температурного режима во времени.

Эти печи отличаются от опечков  непрерывностью процесса отжига, большой  производительностью, меньшим расходом топлива и сравнительной простотой обслуживания. К этому типу стеклоотжигательных печей относят тягуны и конвейерные печи, часто называемые «лерами». Тягуны представляют собой простейшие, непрерывно действующие стеклоотжигательные печи, широко применяемые для отжига сортовой посуды и стеклянной тары при ручной их выработке.

 

                                 

  

Рисунок 1.6 Тягун  для отжига стеклоизделий

а — план;       б — поперечный разрез; в —  продольный разрез

Стеклоизделия загружаются  в вагонетки или металлические  короба, которые медленно передвигаются по рельсам вдоль туннеля при помощи лебедки (ворота) с ручным или механическим приводом. Загружаются и выгружаются изделия в вагонетку (короб) вне печи, для чего рельсы удлиняют на 2—3 м перед началом и концом печи. Имеются также тягуны, в которых изделия загружаются через загрузочное окно, устроенное в боковой стене.

Тягуны имеют длину 20—35 м, ширину от 1 до 1,5 м и высоту 0,6—1 м. Наибольшая температура в  печи развивается против топки по середине длины печи, несколько ближе к ее началу. Продвижение вагонетки вдоль печи завершается в разное время в зависимости от толщины стеклоизделий. Взамен вышедших из туннеля вагонеток с отожженными изделиями в него поступают другие вагонетки с изделиями, предназначенными для отжига. Топка или канал, подводящий газ, располагается сбоку, ближе к началу печи. Каналы, по которым дымовые газы направляются по туннелю печи, устроены так, что наибольший нагрев производится против топки, а к концу печи температура постепенно снижается.

При машинном производстве таких изделий, как бутылки, консервные банки, парфюмерные флаконы, стаканы и т. п., для отжига применяют главным образом непрерывно действующие конвейерные отжигательные печи. Эти печи отличаются друг от друга в основном способом отопления отжигательного канала: в одних — пламя направляют непосредственно в этот канал, в других — пропускают в окружающие его газоходы, которые отделены от канала промежуточными стенками. Печи, отапливаемые по первому способу, называются туннельными с открытым пламенем; в них движущиеся по отжигательному каналу газы обогревают изделия путем непосредственного соприкосновения с ними. Печи второго рода называются туннельно-муфельными или просто муфельными; в этих печах газы проходят по системе каналов, расположенных в стенках печи, не соприкасаясь с изделиями, а отжигательный канал печи обогревается за счет теплопередачи через стены.

Рисунок 1.7 Продольный разрез.  Конвейерная   муфельная печь непрерывного   действия для отжига стеклоизделий

На рис. 1.7  показана наиболее распространенная конвейерная  муфельная печь непрерывного действия типа ЛН1000Х18, применяемая для отжига бутылок, консервной, парфюмерной тары и ряда других стандартных штучных стеклоизделий.

Туннель печи выполнен из плотно прилегающих друг к другу  чугунных секций специальной формы, установленных на ролики и могущих свободно передвигаться по горизонтальным рельсам. Топливо (жидкое или газообразное) сжигается в камере горения, расположенной под загрузочным концом печи. Газы по выходе из камеры горения 1 движутся к отсасывающему вентилятору 2 по пяти горизонтальным подовым каналам 3, составляющим нижнюю часть чугунных секций и проходящим вдоль туннеля печи по всей его длине. С разгрузочного конца печи по этим каналам поступает засасываемый холодный воздух. Кроме нижних каналов в холодном конце туннеля, имеется верхний охладительный канал 4. Движущийся по этому каналу охлаждающий воздух может отсасываться вентилятором 2 через клапаны 5 или б в зависимости от условий отжига. Нижняя стенка верхнего охладительного канала 4, являясь одновременно «сводом» отжигательного туннеля, имеет развитую ребристую поверхность, что способствует хорошему теплообмену между отжигательным пространством печи и охлаждающим воздухом. Температура по длине туннеля легко регулируется путем прибавления к продуктам горения и нагревшемуся в каналах 3 воздуху новых порций холодного воздуха через краны 7, расположенные внизу печи на определенном расстоянии друг от друга. Отапливаемая часть рассматриваемой отжигательной печи хорошо изолирована, благодаря чему лучеиспускание в окружающую среду сводится к минимуму.

Для предохранения отжигательного канала от проникновения в него потоков холодного воздуха печь имеет небольшой наклон от основной части к загрузочному концу, и входное отверстие ее прикрывается металлической заслонкой. Изделия на ленту конвейера печи можно загружать как ручным, так и механическим способами. В последнем случае у загрузочного конца печи устанавливается специальный механизм, называемый отставителем, который забирает изделия, поступающие от машин, и устанавливает их на ленту конвейера печи.

Режим отжига в этой печи весьма равномерен и контролируется рядом термопар, установленных по всей длине отжигательного канала на определенном расстоянии друг от друга. Температура в головной части печи регулируется автоматически.

Конвейерная лента печи представляет собой стальную проволочную сетку. Отдельные секции ее в различных направлениях соединены тонкими стальными прутьями. Лента натянута на два барабана, находящиеся у концов печи. Привод ленты расположен на значительном расстоянии от выходной части туннеля, вследствие чего лента, а вместе с ней и стеклоизделия после выхода из печи проходят большое расстояние (около 5 м) открытыми, чем облегчается работа по приемке и контролю изделий. На открытом конце конвейера изделия окончательно охлаждаются. На нагрев ленты требуется очень небольшое количество тепла. Дно изделий на сеточной ленте такого типа охлаждается в лучших условиях, чем в таких же печах с пластинчатым конвейером.

Особенностью описываемой  отжигательной печи является то, что в ней основным источником тепла для обогрева и поддержания определенного теплового режима являются горячие стеклоизделия, а тепло, поступающее из топки в нижние каналы печи, является вспомогательным источником. При производительности выше 20 т в сутки и при установившемся тепловом режиме печь этой конструкции может работать почти без дополнительного подвода тепла. Так, при ширине 1,2 м эта печь- пропускает до 25 т стеклоизделий в сутки и расходует 0,075 т нефти.

Концевые операции, которые включают раскрой на заданные форматы, нанесение прокладочных материалов, упаковку и отгрузку

Поперечная подрезка ленты стекла осуществляется при выходе ленты стекла из последней пары валиков машины. Как только лента стекла достигает специального упора, установленного на высоте, зависящей от размера листа стекла, замыкается электроконтакт концевого выключателя, и каретка с роликом подрезает ленту. Сделав полный ход, каретка встречает на своем пути другой контакт, который переключает электродвигатель на обратный ход, и каретка возвращается в первоначальное положение.

Отломка листа стекла производится по поперечному подрезу ленты. Эта операция осуществляется при помощи автоматического отломщика системы В. С. Колесникова.