Производство стекла - Glass production
Производство стекла включает два основных метода - стеклянный поплавок процесс производства листового стекла, и выдувание стекла который производит бутылки и другую тару. Это делалось разными способами во время история стекла.
Производство стеклотары
В общем, современные заводы по производству стеклотары состоят из трех частей: пакетный завод, то горячий конец, а холодный конец. В пакетный завод обрабатывает сырье; то горячий конец обрабатывает собственно производство - питатель, формовочные машины и отжиг духовки; и холодный конец занимается проверкой продукции и упаковочным оборудованием.
Система пакетной обработки (Batch House)
Серийная обработка - один из начальных этапов стекловарения. Пакетный цех просто хранит сырье в больших силосах (загружаемых грузовиком или железнодорожным вагоном) и вмещает от 1 до 5 дней материала. Некоторые периодические системы включают обработку материала, такую как просеивание / сито сырья, сушка или предварительный нагрев (т. Е. стеклобой ). Будь то автоматическое или ручное, установка для обработки порционных материалов измеряет, собирает, смешивает и доставляет рецептуру стеклянного сырья (партии) через множество лотков, конвейеров и весов в печь. Шихта поступает в печь на «собачьей будке» или «загрузчике шихты». Различные типы стекла, цвета, желаемое качество, чистота / доступность сырья и конструкция печи влияют на рецепт партии.
Горячий конец
В горячий конец стекольного завода - это место, где расплавленное стекло перерабатывается в изделия из стекла. Шихта поступает в печь, затем проходит процесс формования, внутренней обработки и отжига.
В следующей таблице перечислены общие вязкость точки крепления, применимые для крупномасштабного производства стекла и экспериментальных плавление стекла в лаборатории:[1]
| журнал10(η, Па · с) | журнал10(η, P) | Описание |
|---|---|---|
| 1 | 2 | Температура плавления (гомогенизация и очистка стекловолокна) |
| 3 | 4 | Рабочая точка (прессование, выдув, формирование капли) |
| 4 | 5 | Точка потока |
| 6.6 | 7.6 | Температура размягчения по Литтлтону (стекло заметно деформируется под собственным весом. Стандартные процедуры ASTM C338, ISO 7884-3) |
| 8–10 | 9–11 | Дилатометрическая температура размягчения, Тd, в зависимости от нагрузки[2] |
| 10.5 | 11.5 | Точка деформации (стекло деформируется под собственным весом в мкм в течение нескольких часов.) |
| 11–12.3 | 12–13.3 | Температура стеклования, Тг |
| 12 | 13 | Точка отжига (напряжение снимается в течение нескольких минут). |
| 13.5 | 14.5 | Точка деформации (стресс снимается в течение нескольких часов). |
Печь
Партия подается в печь с медленной, контролируемой системой пакетной обработки. Печи бывают натуральный газ - или горючее -обжигаются и работают при температуре до 1575 ° C (2867 ° F).[3] Температура ограничена только качеством материала надстройки печи и составом стекла. Типы печей, используемых при производстве тарного стекла, включают: конечный порт (концевой), боковой порт, и кислородно-топливный. Обычно размер печи классифицируется по производственной мощности в метрических тоннах в день (MTPD).
Процесс формирования
В настоящее время существует два основных метода изготовления стеклянной тары: удар и удар метод только для контейнеров с узким горлышком, а давить и дуть метод, используемый для банок и конических контейнеров с узким горлышком.
В обоих методах поток расплавленного стекла при его пластической температуре (1 050–1200 ° C [1 920–2 190 ° F]) режется ножом для образования твердого цилиндра из стекла, называемого капля. Капля имеет заданный вес, достаточный для изготовления бутылки. Оба процесса начинаются с того, что капля падает под действием силы тяжести и направляется через желоба и желоба в пустые формы, две половины которых зажимаются и затем запечатываются перегородка сверху.
в удар и удар обработать,[4] стекло сначала продувается через клапан в перегородке, заставляя его превращаться в трехсекционный кольцо формы который проводится в рукава шеи под заготовками, чтобы сформировать финиш. Термин «покрытие» описывает деталь (например, крышки уплотнительной поверхности, витки винтовой резьбы, сохраняя ребро для защищенной от несанкционированного доступа крышки, и т.д.) на открытом конце контейнера. Затем через стекло пропускается сжатый воздух, в результате чего получается полый и частично сформированный контейнер. Затем на втором этапе сжатый воздух снова продувается для придания окончательной формы.
Производство контейнеров осуществляется в два основных этапа. На первом этапе формируются все детали («отделка») вокруг отверстия, но корпус контейнера изначально делается намного меньше его окончательного размера. Эти частично изготовленные контейнеры называются парики, и довольно быстро им придана окончательная форма.
«Кольца» уплотняются снизу коротким плунжером. По окончании «оседания» поршень слегка втягивается, позволяя образовавшейся коже смягчиться. Затем воздух «встречного удара» проходит через поршень, чтобы создать заготовку. Перегородка поднимается, и заглушки открываются. Заготовка переворачивается по дуге к «стороне формы» «плечом шейного кольца», которое удерживает заготовку за «отделку».
Когда плечо шейного кольца достигает конца своей дуги, две половинки формы закрываются вокруг заготовки. Рычаг шейного кольца слегка приоткрывается, чтобы ослабить хватку на «отделке», затем возвращается к пустой стороне. Завершающий удар, нанесенный через «выдувную головку», выдувает стекло, расширяясь в форму для придания окончательной формы емкости.
в давить и дуть обработать,[4] Заготовка образована длинным металлическим поршнем, который поднимается вверх и выдавливает стекло, чтобы заполнить кольцо и формы для заготовок.[5] Затем процесс продолжается, как и прежде: заготовка переносится в форму окончательной формы, а стекло выдувается в форму.
Затем контейнер извлекается из формы с помощью механизма «выгрузки» и удерживается над «неподвижной пластиной», где воздушное охлаждение помогает охладить еще мягкое стекло. Наконец, бутылки сметают на конвейер с помощью «выталкивающих лопастей», которые имеют воздушные карманы, чтобы удерживать бутылки в стоячем состоянии после приземления на «мертвую пластину»; теперь они готовы к отжигу.
Формовочные машины
Формовочные машины удерживают и перемещают детали, из которых состоит контейнер. Машина состоит из 19 основных механизмов, используемых для формирования бутылки и обычно приводимых в действие сжатый воздух (высокое давление - 3,2 бар и низкое давление - 2,8 бар), механизмы синхронизированы электронным способом для координации всех движений механизмов. Наиболее широко используемая конструкция формовочной машины - это отдельный раздел машина (или машина IS). Эта машина имеет набор из 5–20 одинаковых секций, каждая из которых содержит один комплект механизмов для изготовления контейнеров. Секции расположены в ряд, и капли поступают в каждую секцию через движущийся желоб, называемый раздатчик капель. Секции делают один, два, три или четыре контейнера одновременно (называемые не замужем, двойной, тройной и четырехъядерный капля). В случае нескольких капель ножницы отрежь слякоть одновременно, и они попадают в заготовки параллельно.
Формовочные машины в основном работают от сжатый воздух и типичный стекольный завод будет иметь несколько больших компрессоры (всего 30–60 тыс. куб. футов в минуту) для обеспечения необходимого сжатого воздуха. Печи, компрессоры и формовочные машины производят большое количество отходящее тепло которые обычно охлаждаются водой. Горячее стекло, которое не используется в формовочной машине, отводится, и это отведенное стекло (называемое стеклобой) обычно охлаждается водой, а иногда даже обрабатывается и измельчается на водяной бане. Часто требования к охлаждению распределяются между блоками градирен, которые обеспечивают резервирование во время обслуживания.
Внутреннее лечение
После процесса формования некоторые емкости, особенно предназначенные для спиртных напитков, проходят обработку для улучшения химической стойкости внутренней части, называемой внутреннее лечение или дещелачивание. Обычно это достигается путем нагнетания газовой смеси, содержащей серу или фтор, в бутылки при высоких температурах. Газ обычно доставляется в контейнер либо в воздухе, используемом в процессе формования (то есть во время окончательного продувки контейнера), либо через сопло, направляющее поток газа в горловину бутылки после формования. Обработка делает контейнер более устойчивым к экстракции щелочью, что может вызвать повышение pH продукта и, в некоторых случаях, разрушение контейнера.
Отжиг
По мере охлаждения стекло сжимается и затвердевает. Неравномерное охлаждение вызывает слабое стекло из-за напряжения. Равномерное охлаждение достигается за счет отжиг. Печь для отжига (известная в промышленности как лер ) нагревает емкость примерно до 580 ° C (1076 ° F), а затем охлаждает ее, в зависимости от толщины стекла, в течение 20-60 минут.
Холодный конец
Роль холодный конец производства стеклянной тары заключается в выполнении заключительных задач в производственном процессе: распылением полиэтиленового покрытия для обеспечения устойчивости к истиранию и повышенной смазывающей способности, осмотра тары на наличие дефектов, маркировки тары и упаковки тары для отправки.
Покрытия
Стеклянные емкости обычно имеют два поверхностных покрытия, одно на горячий конец, непосредственно перед отжигом и один на холодный конец сразу после отжига. На горячий конец очень тонкий слой оксид олова (IV) наносится с использованием безопасного органического соединения или неорганического хлорид олова. Системы на основе олова - не единственные, хотя и самые популярные. Тетрахлорид титана или органо-титанаты. Во всех случаях покрытие делает поверхность стекла более липкой к поверхности. холодный конец покрытие. На холодный конец слой обычно, полиэтилен воск, наносится на водной основе эмульсия. Это делает стекло скользким, защищает его от царапин и препятствует слипанию контейнеров, когда их перемещают по конвейер. Получающееся в результате невидимое комбинированное покрытие дает стеклу практически не царапающуюся поверхность. Из-за уменьшения повреждения поверхности в процессе эксплуатации покрытия часто называют упрочняющими, однако более правильным определением могут быть покрытия, сохраняющие прочность.
Инспекционное оборудование
Стеклотара проинспектирована на 100%; автоматы, а иногда и люди, проверяют каждый контейнер на наличие множества неисправностей. Типичные неисправности включают небольшие трещины в стекле, называемые чеки и инородные включения под названием камни которые являются частями огнеупорный кирпичная футеровка плавильной печи, которая отламывается и падает в ванну с расплавленным стеклом, или, как правило, крупногабаритные гранулы кремнезема (песок), которые не расплавляются и которые впоследствии включаются в конечный продукт. Их особенно важно выбирать из-за того, что они могут придавать разрушающий элемент конечному стеклянному изделию. Например, поскольку эти материалы могут выдерживать большое количество тепловой энергии, они могут вызывать тепловой удар, приводящий к взрывному разрушению при нагревании стеклянного изделия. Другие дефекты включают пузырьки в стекле, называемые волдыри и чрезмерно тонкие стены. Другой дефект, часто встречающийся при производстве стекла, называется слеза. в давить и дуть При формовании, если поршень и форма не совмещены или нагреваются до неправильной температуры, стекло прилипнет к любому предмету и разорвется. Помимо отбраковки неисправных контейнеров, контрольное оборудование собирает статистическую информацию и передает ее операторам формовочной машины на горячем конце. Компьютерные системы собирают информацию о неисправностях и отслеживают ее до формы, из которой был изготовлен контейнер. Это делается путем считывания номера пресс-формы на контейнере, который закодирован (как число или двоичный код точек) на контейнере пресс-формой, из которой он изготовлен. Операторы вручную проводят ряд проверок образцов контейнеров, обычно визуальных и размерных.
Вторичная обработка
Иногда контейнерные заводы предлагают такие услуги, как маркировка. Доступно несколько технологий маркировки. Уникальным для стекла является Накладная керамическая маркировка процесс (ACL). Это снимок экрана украшения на емкость с стекловидная эмаль краска, которая затем запекается. Примером этого является оригинал Кока-Кола бутылка.
Упаковка
Стеклянная тара упаковывается по-разному. Популярные в Европе массовые поддоны от 1000 до 4000 контейнеров каждый. Это осуществляется автоматическими машинами (паллетизаторами), которые расставляют и штабелируют контейнеры, разделенные слоями. Другие возможности включают коробки и даже сшитые вручную мешки. После упаковки новые «складские единицы» маркируются, складируются и в конечном итоге отправляются.
Маркетинг
Производство стеклотары в развитом мире - это зрелый рыночный бизнес. Мировой спрос на листовое стекло в 2009 году составлял примерно 52 миллиона тонн.[6] На США, Европу и Китай приходится 75% спроса, при этом потребление в Китае увеличилось с 20% в начале 1990-х годов до 50%.[6] Производство стеклянной тары также является географическим бизнесом; продукт тяжелый и имеет большой объем, а основное сырье (песок, кальцинированная сода и известняк) обычно легко доступно. Поэтому производственные мощности необходимо располагать близко к своим рынкам. Типичная стекловаренная печь вмещает сотни тонн расплавленного стекла, поэтому просто нецелесообразно выключать ее каждую ночь или, по сути, в течение периода, не превышающего месяца. Таким образом, фабрики работают 24 часа в сутки 7 дней в неделю. Это означает, что у нас мало возможностей для увеличения или уменьшения производительности более чем на несколько процентов. Новые печи и формовочные машины стоят десятки миллионов долларов и требуют не менее 18 месяцев планирования. Учитывая этот факт, а также тот факт, что продукции обычно больше, чем машинных линий, продукция продается со склада. Таким образом, задача маркетинга / производства состоит в том, чтобы спрогнозировать спрос как на краткосрочный период от 4 до 12 недель, так и на долгосрочный период от 24 до 48 месяцев. Заводы обычно имеют размер, чтобы обслуживать потребности города; в развитых странах фабрика обычно приходится на 1–2 миллиона человек. Типичный завод будет производить 1–3 миллиона контейнеров в день. Несмотря на то, что стекло позиционируется как продукт зрелого рынка, оно пользуется большим спросом у потребителей и воспринимается как формат упаковки «премиум».
Влияние на жизненный цикл
Стеклянная тара полностью перерабатываемый и стекольная промышленность во многих странах придерживается политики, иногда требующейся государственными постановлениями, по поддержанию высокой цены на стеклобой для обеспечения высокой доходности. Уровень возврата 95% не является редкостью в странах Северной Европы (Швеция, Норвегия, Дания и Финляндия). В других странах обычно процент возврата менее 50%.[нужна цитата ]Конечно же, стеклянную тару можно повторно использованный, и в развивающихся странах это обычное дело, однако влияние мытья контейнеров на окружающую среду по сравнению с их переплавкой остается неопределенным. Факторы, которые следует учитывать, - это химические вещества и свежая вода, используемые при стирке, а также тот факт, что одноразовый контейнер можно сделать намного легче, используя менее половины стекла (и, следовательно, энергосодержание) универсального контейнера. Кроме того, важным фактором при рассмотрении вопроса о повторном использовании в развитых странах являются опасения производителей по поводу риска и вытекающих из этого соображений. ответственность производителя использования компонента (повторно используемой тары) неизвестной и неквалифицированной безопасности. как стеклянная тара по сравнению с другими типами упаковки (пластик, картон, алюминий ) сложно сказать; Окончательные исследования жизненного цикла еще предстоит провести.
Процесс флоат-стекла
Стеклянный поплавок это лист стекло производится плаванием расплавленного стекла на слое расплавленного металла, обычно банка, несмотря на то что вести и различные низкие температура плавления сплавы использовались в прошлом. Этот метод обеспечивает равномерную толщину листа и очень плоские поверхности. Современный окна изготовлены из флоат-стекла. Большинство флоат-стекла натриево-известковое стекло, но относительно небольшие количества специальных боросиликатный[7] и плоский дисплей стекло также производится с использованием процесса флоат-стекла.[8] Процесс производства флоат-стекла также известен как Пилкингтонский процесс,[9] назван в честь британского производителя стекла Pilkington, который был пионером техники (изобретен сэром Аластер Пилкингтон ) в 1950-х гг.
Воздействие на окружающую среду
Местные воздействия
Как и все отрасли с высокой концентрацией, стекольные заводы страдают от умеренно высокого воздействия на окружающую среду. Ситуация усугубляется тем, что, поскольку они являются предприятиями на зрелом рынке, они часто долгое время находились на одном и том же месте, что приводило к вторжению в жилые дома. Основное воздействие на жилые дома и города - это шум, использование пресной воды, загрязнение воды, NOx загрязнение воздуха SOx и пыль.
Шум создается формовочными машинами. Работая на сжатом воздухе, они могут производить до 106 уровней шума.дБА. То, как этот шум будет распространяться по окрестностям, во многом зависит от планировки завода. Еще одним фактором образования шума являются движения грузовиков. Типичный завод будет перерабатывать 600 т материала в день. Это означает, что около 600 т сырья должно поступить на площадку и столько же - за пределы площадки в виде готовой продукции.
Вода используется для охлаждения печи, компрессора и неиспользованного расплавленного стекла. Использование воды на заводах широко варьируется; это может быть всего одна тонна воды, используемая на тонну расплавленного стекла. Из одной тонны примерно половина испаряется для охлаждения, остальная часть образует поток сточных вод.
Большинство заводов используют воду, содержащую эмульгированный масло для охлаждения и смазки капля резка лезвия ножниц. Эта насыщенная маслом вода смешивается с выходящим потоком воды, загрязняя ее. На фабриках обычно есть какие-то обработка воды оборудование, которое удаляет это эмульгированное масло с различной степенью эффективности.
Оксиды азота являются естественным продуктом сжигания газа в воздухе и производятся в больших количествах в газовых печах. Некоторые фабрики в городах с особыми проблемами загрязнения воздуха могут смягчить это, используя жидкий кислород однако логика этого с учетом стоимости углерода (1) без использования регенераторов и (2) необходимости сжижать и транспортировать кислород очень сомнительна. Оксиды серы производятся в результате плавления стекла. Манипуляции с формулой партии могут в некоторой степени смягчить этот эффект; в качестве альтернативы можно использовать очистку выхлопных газов.
Все сырье для производства стекла представляет собой пыльный материал и поставляется в виде порошка или мелкозернистого материала. Системы контроля пылящих материалов, как правило, трудны в обслуживании, и, учитывая большое количество материала, перемещаемого каждый день, только небольшое количество должно уйти, чтобы возникла проблема с пылью. Каллет Стекло (битое или использованное стекло) также перемещается на стекольном заводе и при перелопании или разбивании имеет тенденцию к образованию мелких частиц стекла.
Смотрите также
использованная литература
- ^ Вернер Фогель: «Химия стекла»; Springer-Verlag Berlin и Heidelberg GmbH & Co. K; 2-е исправленное издание (ноябрь 1994 г.), ISBN 3-540-57572-3
- ^ Дилатометрическая точка размягчения не совпадает с точкой деформации, как иногда предполагают. Для справки см. Экспериментальные данные для Td и вязкость в: База данных свойств высокотемпературного расплава стекла для моделирования процессов; Ред .: Томас П. Сьюард III и Тереза Васкотт; Американское керамическое общество, Вестервиль, Огайо, 2005 г. ISBN 1-57498-225-7
- ^ Б. Х. В. С. де Йонг, «Стекло»; в «Энциклопедии промышленной химии Ульмана»; Издание 5-е, т. A12, VCH Publishers, Вайнхайм, Германия, 1989 г., ISBN 3-527-20112-2С. 365–432.
- ^ а б "Удар и удар". Eurotherm. Получено 2013-05-20.
- ^ «Стеклоформовочная машина». Фарлекс. Получено 2013-05-20.
- ^ а б zbindendesign
- ^ Schott Borofloat
- ^ Не все стекла для плоских дисплеев производятся методом флоат-стекла. Компания Corning использует техника перелива вниз, в то время как Schott использует технику флоат-стекла (см. Сайт Schott ).
- ^ Бенвенуто, Марк Энтони (24 февраля 2015 г.). Промышленная химия: для продвинутых студентов. Walter de Gruyter GmbH & Co KG. ISBN 9783110351705.