Технология производство листового стекла

Листовое стекло является базовым продуктом стекольной промышленности — это бесцветное, прозрачное натрий-кальций-силикатное стекло, изготавливаемое методами флоат или вертикального вытягивания без какой-либо дополнительной обработки поверхностей, имеющее вид плоских прямоугольных листов, толщина которых мала по отношению к длине и ширине. Обычно используют стекла с толщинами от 1.9 до 19 мм.

Листовое стекло может быть неполированным и полированным, цветным и бесцветным, однако, оно никогда не бывает абсолютно прозрачным: даже самые лучшие оптические стекла пропускают всего лишь 92–95% света. Современные технологии и оборудование позволяют получать из листового стекла множество видов стекла с различными свойствами, например:

• теплосберегающее (низкоэмисионное) стекло, применение которого в остеклении зданий, позволяет сократить потребление теплоэнергии на 30–50% ;
• закаленное стекло (сталинит), имеющее в 5 раз большую, чем обычное стекло, прочность в т.ч.термическую. При разрушении закаленного стекла образуются мелкие осколки с тупыми краями, что позволяет значительно сократить риск травмирования людей;
• многослойное стекло (в том числе строительный и автомобильный триплекс), при разбивании такого стекла, осколки не разлетаются, оставаясь скрепленными вместе полимерной композицией, т.е. безосколочное стекло;
• зеркальное полотно, стекло способное отражать окружающие предметы и визуально увеличивать пространство;
• тонированное стекло, ограничивающее пропускание с солнечного света и ультрафиолетового излучения, и многие другие виды стекла, и его производные.

Технология производства

Массовое производство стекла стало возможным только в конце прошлого столетия благодаря изобретению печи Сименса-Мартина и заводскому производству соды. В XIX в. появились первые машины-автоматы для изготовления изделий из полого стекла. И только в XX в. были разработаны различные способы вытягивания бесконечной ленты стекла. Такие, как методы машинной вытяжки стекла Либби-Оуэнса, Фурко (Рис. 1), Питтсбурга.

Рис. 1. Схема вытягивания стекла способами Либби-Оуэнса и Фурко

По способу Эмиля Фурко, разработанному в 1902 году, стекло вытягивалось по вертикали из стекловаренной печи через прокатные вальцы в виде непрерывной ленты наружу, поступая в шахту охлаждения, в верхней части которой оно резалось на отдельные листы. Толщина стекла при этом регулировалась путем изменения скорости вытягивания.

Этот метод находит применение вплоть до настоящего времени. Стекло, получаемое этим методом, называется тянутым стеклом . Для изготовления витринных и зеркальных стекол тянутое и прокатное листовое стекло подвергают шлифовке и полировке.

Самым последним этапом в производстве листового стекла был так называемый флоат-метод. Огромным преимуществом флоат-метода, по сравнению со всеми предыдущими, является, кроме всего прочего, более высокая производительность, стабильная толщина и качество поверхности. По качеству поверхности такое стекло не уступает полированному — флоат-процесс вытесняет технику шлифовки и полировки стекла.

В 60-х годах во многих странах началась разработка технологического процесса производства листового стекла на основе нового способа формования с применением ванны с расплавленным металлом для огневой полировки поверхности стекла. Использование этого способа предполагало резко улучшить качество стекла по оптическим показателям, повысить производительность установок при одновременном снижении затрат на выработку стекла. Основой этих разработок была новая принципиальная 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 (рис.2).В 1952 г. начала исследования по получению непрерывной ленты стекла на расплаве металла английская фирма "Пилкингтон", и после 7 лет экспериментальных, полупромышленных и промышленных работ с затратой больших средств была получена качественная продукция. В январе 1959 г. фирма объявила миру о своей разработке нового промышленного процесса и положила начало стремительному росту производства высококачественного стекла.

С 1959 г. получили развитие научно-исследовательские работы в СССР по разработке отечественных установок для выработки флоат-стекла. В том же году был организован Саратовский филиал Государственного института стекла, одной из задач которого было создание независимого флоат-процесса.

После выполнения комплекса научных исследований, экспериментальных и опытно-конструкторских работ на лабораторных стендах и непрерывных установках в 1969 г. был создан способ двухстадийного формования (а.с. СССР 230393, 556593; пат. США 4081260) и пущена в эксплуатацию экспериментальная линия выработки флоат-стекла (ЭПКС-4000), давшая первую товарную продукцию. Одновременно в этом же направлении проводились работы на Украине на заводе "Автостекло" (г. Константиновка), где были впоследствии введены в эксплуатацию три флоат-установки.

Первые две линии - ТПС-1500 и ТПС-3000 с шириной ленты соответственно 1500 и 3000 мм - позволяли выпускать полированное стекло толщиной 6-7 мм. Третья была специализированной линией для производства стекла толщиной от 6 до 20 мм, спроектированной ПКБ ГИСа с использованием авторских свидетельств завода "Автостекло".

Рис.2. 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

В 1974 г. американская фирма "Пи-Пи-Джи Индастриз" запатентовала свой способ производства флоат-стекла (пат. США 3843346), отличный от способов Пилкингтона и Саратовского института. Он был реализован на ряде флоат-линий и также признан независимым. Таким образом, известны три принципиально различающихся флоат-способа производства стекла.

В способе 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 (рис.3).

По способу двухстадийного формования, разработанному Саратовским институтом, лента стекла выходит из ванны расплава без перегиба на газовоздушную опору (подушку) при температуре более 6500С (рис. 4). При этом уровень олова в ванне выше уровня порога на 2-3 мм, что достигается за счет применения электромагнитных индукторов, также разработанных институтом (а.с. СССР 248917, 392674). На газовоздушной подушке происходит вторая стадия формования ленты, где она охлаждается. При этом обеспечивается окончательная фиксация ее геометрической формы, после чего лента передается на приемные валы печи отжига. 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.

Способ производства флоат-стекла, разработанный фирмой "Пи-Пи-Джи Индастриз", отличается от способов фирмы "Пилкингтон" и Саратовского института стекла узлом слива стекломассы из стекловаренной печи в ванну расплава. 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 (рис. 5). 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.

В процессе создания своего независимого способа в Саратовском институте стекла в 1964-1966 гг. был выполнен большой объем научных исследований по флоат-процессу. Одновременно в институте проектировались, строились лабораторные стенды и непрерывные установки, на которых выпускалась лента шириной от 150 до 600 мм. До конца 1966 г. было построено четыре пилотные установки, на которых изучались процессы формования стекла, взаимодействие стекла с оловом и защитной атмосферой. Стекломасса в этих и последующих установках подавалась по лотку, отстоящему от поверхности олова на некотором расстоянии.

В 1965-1966 гг. было предложено использовать газовоздушную подушку (рис. 7) как вторую стадию формования (охлаждения) перед выводом ленты на валы печи отжига.

Рис.3. Способ получения флоат-стекла, разработанный фирмой "Пилкингтон". 1 - жидкая стекломасса; 2 - дозирующий шибер; 3 - сливной лоток; 4 - рестрикторы; 5 - ванна расплава; 6 - расплав олова; 7 - лента стекла; 8 - приемные валы шлаковой камеры	Рис.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	Рис.5. Способ получения флоат-стекла разработанный фирмой "Пи-Пи-Джи Индастриз". 1 - жидкая стекломасса; 2 - дозирующий шибер; 3 - сливной порог; 4 - ванна расплава; 5 -расплав олова; 6 - лента стекла; 7 - приемные валы шлаковой камеры

Первоначально уровень олова в ванне расплава поддерживался за счет перелива олова через порог с последующим перекачиванием его в ванну расплава.

Отработанные технологические параметры и конструктивные решения легли в основу технического задания на проектирование экспериментальной линии ЭПКС-4000, рассчитанной на производство ленты шириной до 1,2 м (в чистом виде). Эта линия многократно реконструировалась, и на ней проводилось полупромышленное освоение технологии и оборудования двухстадийного способа формования, в том числе были отработаны система индукторов для поддержания повышенного уровня олова, конструкция газовоздушной подушки в двух вариантах (прямоточной и циркуляционного типов).

Рис.6. Газовоздушная подушка.

Рис.7. Линия двухстадийного формования

Первая ванна расплава была длиной 15 м, в настоящее время она увеличена до 30 м. На линии вырабатывается стекло различных толщин при ширине до 1600-1800 мм (в чистом виде). В 1978-1981 гг. линия ЭПКС-4000 была реконструирована: головная часть ванны расширена с 2400 до 4300 мм, узкая часть - с 1800 до 3400 мм, установлена циркуляционная газовоздушная подушка, в ванне расплава размещены преграды по олову для регулирования его потоков. Производительность линии возросла до 100-110 т/сут с годовым объемом выпуска продукции 2-3 млн. м.

Флоат-стекло характеризуется исключительной ровностью и отсутствием оптических дефектов. Наибольший размер получаемого стекла, как правило, составляет 5100-6000 мм і 3210 мм, при этом толщина листа может быть даже меньше двух и достигать 25 мм. Получаемое стекло может быть прозрачным, окрашенным или иметь специально нанесенное покрытие. Стекло, получаемое при помощи флоат-метода, называется флоат-стеклом и в настоящее время является наиболее распространенным типом стекла. Схема производства флоат-стекла показана на Рис. 8.

Рис. 8. Схема производства стекла флоат-методом

Жидкое стекло выливается в ванну с расплавленным оловом, причем стеклянная масса из-за меньшей плотности образует верхний слой. Поверхность на границе раздела двух жидких сред получается практически ровной, что позволяет почти полностью исключить оптические искажения в будущем листе стекла. Отсюда название, полированное стекло.

После того, как жидкое стекло равномерно распределится по поверхности олова, его постепенно охлаждают до полного отвердевания. Затем полученная стеклянная лента нарезается на листы нужного размера и упаковывается в тару.