Курсовая работа: Разработка технологической схемы производства листового полированного стекла

Таблица 1.1 - Составы листовых стекол отечественных производств

Анализ составов стекол зарубежного производства представлен в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Химические составы листовых стекол зарубежных производств

Что касается способов получения, стеклодувная трубка на длительный срок (более двух тысячелетий с момента изобретения) утвердилась в качестве основного формующего инструмента в производстве изделий из стекла, в том числе плоского. В Древнем Риме листовое стекло производилось путем выдувания больших пузырей, которым затем придавалась плоская форма.

Развитие стеклоделия, охватившие в XVII веке всю Европу и распространившееся в России, обеспечило дальнейшее совершенствование способов формования листового стекла. В этот период (1628 г.) был предложен способ механизированной периодической прокатки листового стекла на большеразмерных столах. На основе способа цилиндров в XIX веке в Англии (Люберс и Чемберс) был разработан первый механизированный способ получения листового стекла, имитировавший ручной способ.

При этом стеклодувная трубка, завершавшаяся металлическим диском с диаметром около 0,75 метра с помощью механического приспособления, опускалась в расплав стекла и затем медленно поднималась при одновременной тщательно регулируемой подаче сжатого воздуха в вытягиваемый стеклянный цилиндр. Получаемые заготовки большой высоты (до 12 м) в дальнейшем обрабатывались вручную с получением в итоге листового стекла. Освоение регенеративных ванных печей непрерывного действия потребовало революционных преобразований в области формования плоского стекла, и они свершились: в течение первой половины ХХ века, появились непрерывные механизированные способы вытягивания листового стекла непосредственно из расплава.

Почти одновременно были внедрены два новых способа: лодочный (Фурко) и безлодочный (Либбей-Оуэнс). Заслуга в разработке первого полностью механизированного способа выработки плоского стекла принадлежит бельгийскому инженеру Э. Фурко. (1902-1917 гг.). Сущность способа заключается в том, что в охлажденную до температуры выработки (920-9300С) стекломассу погружают шамотную лодочку в виде прямоугольного параллелепипеда со сквозным продольным вырезом, переходящим в верхней части в узкую щель. За счет сил гидростатического напора из щели лодочки выступает стекломасса, оттягиваемая валками машины вертикального вытягивания стекла кверху в виде непрерывной ленты.

При этом верхняя кромка щели лодочки, называемая губами, находится ниже верхней плоскости последней на 40-50 мм, что предотвращает затекание стекломассы сверху при заглублении лодочки. Вначале лента, находясь в пиропластическом состоянии, утоняется до заданной толщины под действием усилий, передаваемых асбестированными валками тянульной машины, затем затвердевает, подходя к первой паре валков («рубикон»), далее подвергаясь отжигу в шахте машины. Область «активного» формования ленты начинается сразу при выходе стекломассы из щели лодочки на границе раздела трех фаз: жидкой (стекломасса), твердой (шамот) и газообразной (воздух), когда внешние слои вытягиваемой ленты попадают в зону интенсивного охлаждения, создаваемую водяными холодильниками и воздухом, естественно циркулирующим в подмашинной камере.

При этом фиксируется резкое сужение толщины выходящего потока стекла, и уже на небольшой высоте над лодочкой формирование практически завершается. Этот участок стекломассы называют «луковицей», которую по форме напоминает профиль ленты. С повышением скорости вытягивания (скорость вращения транспортирующих валков) лента растягивается сильнее. Таким образом, меняя скорость вытягивания получают непрерывную ленту заданной толщины. В ходе вытягивания лента стремится сузиться не только по толщине, но и по ширине, что нежелательно, поскольку приводит к потере производительности установки. Для предотвращения ее сужения по толщине применяют бортодержатели. Кроме того, для получения ленты одинаковой толщины по ширине концы щели делают зауженными (иначе края, охлаждаясь быстрее, получаются толще середины ленты). Это также облегчает и удерживание борта ленты.

Асбестированные транспортирующие валки заключены в чугунную шахту до 7 м, где отформованная лента отжигается, охлаждаясь сначала медленно, затем быстрее. При выходе из машины лента надрезается (поперечная и продольная резка), листы отламываются с помощью рамного отломщика и им же переводятся в горизонтальное положение, после чего раскраиваются, сортируются и упаковываются. Подмашиные камеры в лодочном способе вертикального вытягивания с помощью системы выработочных каналов соединены с выработочной частью печи. Общая производительность установок вертикального вытягивания стекла (ВВС) определяется количеством установленных машин и шириной вытягиваемых лент стекла (до 3 м). Наибольшее распространение получили системы с 3, 6 и 9 машинами, у которых выработочные каналы расположены в виде креста по три машины на каждом.

Таким образом обеспечивается поступление стекломассы с равной температурой к каждой машине без дополнительных мер (нагрев, охлаждение).

Установки с девятью машинами имели производительность по сваренной стекломассе до 250 т/с, что соответствует около 40 тыс.м² /сутки листового стекла (в пересчете на толщину 2 мм). Основными дефектами листового стекла, получаемого по способу Фурко, являются повышенная волнистость, часто переходящая в полосность в направлении вытягивания.

Причиной ее являются химическая и термическая неоднородность стекломассы в зоне формования, что приводит к разной вязкости растягиваемых участков стекла, а также несовершенство поверхности щели лодочки.

Следует также указать на относительно невысокие скорости вытягивания ленты стекла. Тем не менее, преимущества лодочного способа:

- возможность получения листового стекла с толщиной от 0,6 до 12 мм, причем только наличие лодочки позволяет получать вытягиванием тонкие номиналы стекла (толщиной менее 1 мм);

- меньшая чувствительность процесса формования к колебаниям температурного режима печи в сравнении с безлодочным способом;

- простота обслуживания машин;

- относительно малые капитальные затраты в течение длительного периода обеспечивали его успешную конкуренцию с другими методами получения листового стекла.

Были предприняты попытки модернизировать способ Фурко. Так, японская фирма Asahi Glass в 1971 г. предложила способ вертикального вытягивания, в котором шамотная лодочка заменялась парой огнеупорных валков, частично погруженных в стекломассу и устанавливаемых параллельно друг другу в подмашинной камере.

Полученное валковым способом стекло характеризовалось меньшими оптическими искажениями (менее выраженной полосностью и пузырностью, которая часто образуется от лодочки, особенно сразу после пуска машины). Большая масса ленты, вытягиваемой вертикально, приводит к необходимости приложения к ней больших усилий, что отрицательно сказывается на качестве поверхности стекла и, кроме того, существуют проблемы с качеством отжига. В связи с этим французский изобретатель Кольбурн предложил способ вертикально-горизонтального вытягивания стекла, который впервые был внедрен американской фирмой «Либбей-Оуэнс» в 1917 г. В соответствии с ним лента стекла вытягивается без лодочки вначале вертикально вверх, а затем переводится в горизонтальное положение.

Сваренная в печи стекломасса непрерывно поступает в обогреваемую выработочную камеру с малой глубиной, первоначально проходя через камеру предварительного охлаждения. Характерно, что лента вытягивается со свободной поверхности стекломассы, причем борта ее удерживаются вращающимися бортоформующими роликами, расположенными в зоне луковицы. На высоте около 90 см над зеркалом стекломассы лента стекла с помощью тщательно отполированного перегибного вала переводится в горизонтальное положение и подается в длинную печь отжига.

Способ Либбей-Оуэнса обеспечивал существенно большие скорости вытягивания ленты, возможность получения листов больших форматов при толщине ленты от 0,6 до 20 мм, характеризовался высоким качеством отжига.

Качество стекла по оптическим искажениям, в целом, было выше, чем у лодочного. Тем не менее в дальнейшем способ Кольбурна не получил широкого распространения из-за частого появления дефектов на поверхности ленты (кованости, следов вследствие контакта с поверхностью вала). Кроме того, на одной ванной печи возможно разместить не более двух машин, что ограничивало общую производительность установок. Идея безлодочного вытягивания стекла, однако, получила дальнейшее развитие в изобретении Грегориуса, предложившего способ вертикального безлодочного вытягивания листового стекла БВВС.

Этот способ впервые был внедрен в 1928 году американской фирмой «Pittsburch Plate Glass». Отличительной особенностью данного способа в сравнении с методом Фурко является отсутствие лодочки. Отбор стекла осуществляется со свободной поверхности зеркала стекломассы, затем лента тянется вертикально вверх как у Фурко. Вторая особенность - под местом отбора стекломассы по оси ленты ориентируется керамическое тело (поплавок), задачей которого является защита вырабатываемой стекломассы от теплового излучения ее глубинных слоев. Ориентируя поплавок вдоль оси машины, регулируют движение потоков стекломассы так, что луковица формируется благодаря стабильному притоку стекломассы с равнозначной температурой с разных сторон поплавка. Поплавок обычно погружен на 65-80 мм ниже зеркала стекломассы. Экранируя поверхностный слой стекломассы, протекающий по нему к месту отбора, от теплового воздействия ее нижних слоев, поплавок создает условия для его охлаждения до температуры формования.

Чем тоньше слой стекломассы (меньше заглубление поплавка), тем быстрее она охлаждается при движении к луковице по поплавку и тем выше возможная скорость вытягивания. Необходимое для вытягивания ленты поле температур (и вязкости стекломассы) получают за счет окунтуривания участка зеркала стекломассы подвесными шамотными элементами (L-образные блоки). По краям лента удерживается и охлаждается бортоформующими роликами. В итоге борта затвердевают раньше основного полотна и удерживают его в натянутом положении.

Лента стекла тянется при помощи валков машины безлодочного вертикального вытягивания стекла (БВВС), так же, как и при лодочном способе производства. Отличием является большая высота шахты (до 11,8 м). Последующие технологические процессы получения листового стекла у обоих методов совпадают. При выработке стекла методом БВВС получили распространение установки с 4, 6, 8 и 10 машинами вертикального вытягивания.

Основной особенностью выработочных каналов БВВС в сравнении с лодочным способом является их больший объем, что снижает градиент температур в потоке стекломассы, поступающей на формование. Метод Питтсбурга позволяет вытягивать ленту стекла при существенно больших температурах в выработочной части печи и в подмашинной камере (на 140-160С выше, чем у метода Фурко), поскольку отсутствует необходимость охлаждения всей массы стекла, достаточно охладить до температуры формования тонкий слой стекломассы над поплавком.

Это обстоятельство, а также отсутствие лодочки существенно улучшает качество поверхности ленты, резко. Составы стекол, используемых для метода Питтсбурга (БВВС), характеризуются меньшим содержанием Na₂O и большим - СаО, что с одной стороны обеспечивает повышенную скорость твердения стекломассы, а с другой - снижает себестоимость шихты. Недостатками способа БВВС в сравнении с лодочным являются повышенные капитальные затраты, трудности при вытягивании тонких стекол (менее 2 мм), высокая чувствительность к колебаниям режимов варки, пониженный коэффициент использования стекломассы.

Тем не менее, достоинства безлодочного способа обусловили достаточно быстрое вытеснение им лодочного способа Фурко за рубежом. Этого, однако, не произошло в индустрии листового стекла на территории бывшего СССР, где и в настоящее время продолжают работать около полутора десятков предприятий по технологии ВВС.

Основой для разработки технологического процесса производства листового стекла на основе флоат-процесса послужила идея, изложенная в патентах американских изобретателей X. Хила (1902 г.) и X. Хичкока (1905 г.). Согласно новому принципу, производство плоского стекла любой толщины в виде непрерывной горизонтальной ленты осуществляется посредством подачи стекловаренной печи в смежную с ней ванну, содержащую расплавленное вещество (металл) с большим удельным весом, чем стекло. В итоге стекломасса растекается и плывет по поверхности расплава металла, выходит из ванны расплава в виде непрерывной ленты и направляется в печь отжига.