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 большой  высоте к выдающимся образцам  мирового искусства Портландская ваза находящаяся в Британском музее.

 На Руси в Киеве,  в слоях 11--13 вв., раскопками вскрыты  большие стекольные мастерские  стеклянных браслетов. Такая мастерская  была обнаружена и при раскопках  в Костроме. На Руси новый этап  развития стеклоделия начинается  с 17 в., когда близ Можайска был построен (1635) шведом Елисеем Коэтом первый в России стекольный завод. В 1668 был построен Измайловский завод под Москвой. Петр I построил под Москвой на Воробьевых горах государственный стекольный завод. В 1748 Ломоносов В. организовал при Петербургской академии лабораторию, в которой проводил опыты с окрашиванием стекла, варил смальту, разработав палитру цветной стеклянной мозаики. В 1753 им была построена для производства цветного стекла Усть-Рудицкая фабрика в близ Петербурга. В СССР развернулось строительство крупных механизированных новых стекольных заводов и реконструкция старых заводов. Накануне Великой Отечественной войны стекольная промышленность выдвинулась по объёму производства на 1-е место в Европе.

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 производстве изделий крупных размеров, большого веса или значительной высоты, имеющих  форму тел вращения (свето- и радиотехнические изделия, цилиндры, трубы и т. д.). Сущность способа состоит в том, что сильно разогретую порцию стекла помещают на дно формы и вращают  с большой скоростью (800—1200 об/мин). Развиваемые центробежные усилия заставляют стекло распространяться по дну формы и подниматься по стенкам формы до верхнего края. При этом стекло плотно к ним прижимается и точно принимает требуемую конфигурацию. Формы центробежных машин -  раскрывные. В процессе выработки части форм скрепляют при помощи колец. Центробежный способ формования — периодический. Он обеспечивает равномерную толщину стенок изделий, если формуемая порция стекла хорошо прогрета. Для изготовления изделий, открытых сверху и снизу, например труб, дно формы должно иметь конусообразный выступ. Порцию стекла заливают в промежуток между выступом и стенками формы.

 

 

                                       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 формования изделий, с помощью которых получают изделия из бесцветных и окрашенных стекол с различной фактурой поверхности, фигурным краем и т. п. Схема получения  одного из таких изделий представлена на рисунке. Набор стекломассы подается в форму установки и отрезается ножницами. Форма приводится во вращение, стекломасса заполняет профиль  формы и после затвердевания  готовое изделие выталкивается  из формы.

 
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 оборудование  и его характеристика

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 производства. В ней протекают процессы тепловой обработки сырьевых материалов, получения  стекломассы и выработки из нее  изделий.

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 барботирование. В этих случаях в дно печи подводят жароупорные сопла, через которые подают воздух под давлением 50 кПа.

 

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