Раздел 2. Технологические, технические решения и системы менеджмента, используемые в настоящее время при производстве стекла в Российской Федерации

Раздел 2 Технологические, технические решения и системы менеджмента, используемые в настоящее время при производстве стекла в Российской Федерации

2.1 Технологические процессы и способы производства изделий из стекла

Ассортимент изделий из стекла постоянно расширяется в соответствии с растущими потребностями различных отраслей хозяйства. Основные технологические стадии (этапы или технологические переделы) одинаковы при изготовлении большинства видов изделий из стекла и включают: обработку и хранение сырьевых материалов, приготовление из них шихты (смеси с определенным соотношением сырьевых материалов), высокотемпературную варку шихты и получение расплавленной стекломассы, формование изделий и отжиг изделий. В зависимости от вида продукции в стандартную технологическую схему могут быть внесены стадии горячей и холодной химической или механической обработки, упрочнения, окрашивания и т.п. [22]

В настоящем разделе представлена общая технология производства стекла и типовые технологические схемы производства основных видов изделий (см. разделы 2.2-2.6). Общая схема технологического процесса показана на рисунке 2.1, описания процессов приведены в таблице 2.1, перечень применяемого технологического оборудования - в таблице 2.2, перечень применяемого природоохранного оборудования - в таблице 2.3.

Рисунок 2.1 - Общая схема технологического процесса производства стекла

Таблица 2.1 - Описание технологического процесса производства стекла

Входной поток	Этап процесса	Выходной поток	Основное технологическое оборудование	Эмиссии
1	2	3	4	5
Компоненты шихты (в зависимости от вида стеклоизделий)	Приготовление шихты	Шихта	Измельчители, конвейеры, дозаторы, силосы	Взвешенные вещества
Шихта	Подогрев шихты и загрузка в печь	Предварительно нагретая шихта	Нагреватели, рекуператоры, конвейеры	Взвешенные вещества
Предварительно нагретая шихта	Варка стекломассы	Стекломасса (либо силикат натрия растворимый)	Стекловаренная печь	Взвешенные вещества, NO, CO, NO 2, CO 2, SO 2
Стекломасса	Формование стекла	Стеклоизделие	Флоат-ванны, стеклоформующие машины	Пары олова, HCl, эмульсий
Стеклоизделие	Горячее упрочнение (если требуется)	Стеклоизделие (упрочненное)	Установки по нанесению покрытия	SO 2, пары растворов, эмульсий
Стеклоизделие (возможно упрочненное)	Отжиг	Стеклоизделие (отожженное)	Печи отжига (леры)	NO, CO, NO 2, CO 2
Стеклоизделие (отожженное)	Холодное упрочнение (если требуется)	Стеклоизделие (с защитным покрытием)	Установки по нанесению покрытия	Отсутствуют
Стеклоизделие (возможно с защитным покрытием)	Обработка (если требуется)	Обработанное стеклоизделие	Установки обжига, полировки, огранки, резки	Взвешенные вещества, NO, CO, NO 2, CO 2, HF, SiF 4
Обработанное стеклоизделие	Дополнительные переделы (если требуются)	Составное стеклоизделие	Линии производства стеклопакетов, многослойных, закаленных, автомобильных, низкоэмиссионных стекол и др.	Отсутствуют
Стеклоизделие (все типы)	Упаковка	Упакованное стеклоизделие	Линии упаковки, конвейеры	Отсутствуют

Таблица 2.2 - Перечень технологического оборудования, применяемого в производстве стекла

Наименование оборудования	Назначение оборудования	Существенные характеристики технологического оборудования
1	2	3
Загрузочные бункеры (силосы)	Прием и хранение компонентов шихты	Объем
Сушилки	Удаление избыточной влажности	Производительность, энергопотребление
Сепараторы	Обогащение компонентов шихты	Производительность, энергопотребление
Измельчители (дробилки)	Измельчение компонентов шихты	Производительность, энергопотребление
Смесители	Гомогенизация	Производительность, энергопотребление
Конвейеры	Транспортировка	Скорость, размеры, энергопотребление
Котлы	Подогрев носителя	Производительность
Стекловаренные печи	Варка стекломассы	Производительность, энергопотребление
Стеклоформующие машины	Формование стекломассы	Производительность, энергопотребление
Печи отжига (леры)	Отжиг (студка) стеклоизделий	Производительность, размеры, энергопотребление
Установки нанесения покрытий	Нанесение упрочняющих и защитных покрытий	Производительность
Установки по обработке	Резка, огранка и т.п.	Производительность, энергопотребление
Упаковочная машина	Упаковка стеклоизделий	Производительность, энергопотребление

Таблица 2.3 - Перечень природоохранного оборудования, применяемого в производстве стекла

Наименование оборудования	Назначение оборудования	Существенные характеристики природоохранного оборудования
1	2	3
Скрубберы	Газоочистка от различных загрязняющих веществ	Производительность, степень очистки
Фильтры воздушные	Газоочистка от взвешенных веществ	Производительность, степень очистки
Электрофильтры	Газоочистка от взвешенных веществ	Производительность, степень очистки
Экономайзеры (утилизаторы тепла)	Утилизация тепла отходящих газов, газоочистка от взвешенных веществ	Эффективность теплопередачи
Установки оборотного водоснабжения	Экономия водных ресурсов	Производительность
Установки водоподготовки	Повышение качества используемой воды	Производительность
Локальные очистные сооружения	Очистка сточных вод	Производительность, степень очистки

2.1.1 Сырьевые материалы и подготовка шихты

Наиболее распространенным в массовом производстве тарного, листового и сортового стекла является базовый пятикомпонентный натрий-кальций-алюмосиликатный состав, представленный следующими оксидами, масс. %: SiO ₂ - 68-73, Al ₂O ₃ - 0-3, Na ₂O - 14-17, CaO - 0-11, MgO - 0-5 [23, 24].

Сырьевые материалы, которые используются для производства стекла, делятся на основные и вспомогательные. К основным относятся искусственные и природные материалы, которые содержат компоненты, обеспечивающие оксидный состав, температурно-временной режим варки, способ формования стекла, режим отжига и физико-химические свойства изделий. К вспомогательным относятся соединения, отвечающие за процессы осветления (осветлители), окрашивания и глушения (красители и глушители), а также регулирования кислотно-основных и цветовых характеристик (окислители и восстановители) стекломассы и изделий.

Критериями выбора того или иного сырьевого материала для производства стекла служат содержание в нем основного компонента, содержание вредных (красящих, тугоплавких и т.п.) примесей и гранулометрический состав. В производстве бесцветных стекол повышенного качества правильнее использовать синтетические и искусственные сырьевые материалы (сода, поташ, технический глинозем, борная кислота, оксид свинца и т.д.), тогда как при изготовлении изделий из полубелых и цветных стекол более рационально использовать природное сырье (полевые шпаты, нефелин, каолин, мел, мрамор, известняк и т.п.). Природное сырье дешевле синтетического и искусственного, но отклонения как в содержании основного компонента, так и в составе примесей может резко отличаться от партии к партии, что следует учитывать при выборе того или иного вида сырья.

2.1.1.1 Базовые компоненты шихты

Кварцевый песок - источник оксида кремния (SiO ₂), основного компонента в составе стекла [25]. Кварцевый песок - продукт разрушения горных пород; состоит из зерен кварца и примесей (глина, полевошпатовые породы, уголь, соединения железа и др.). В составе всех песков встречается наиболее вредная примесь оксид железа, окрашивающая стекло в зеленый или желтый цвет. В песках присутствуют также красящие оксиды хрома Cr ₂O ₃ и титана TiO ₂. Оксид хрома окрашивает стекло в зеленый цвет, а диоксид титана в присутствии железа окрашивает стекло в желтый цвет. Содержание в песке Cr ₂O ₃ не должно превышать 0,0001 %, а TiO ₂ - 0,05 % по массе.

Природные пески обычно содержат окрашивающих примесей больше, чем допускается стандартом, поэтому пески обогащают и тем самым повышают содержание основного вещества. Основные способы обогащения: промывка, флотооттирка, магнитная сепарация. Большое значение для стекловарения имеет зерновой состав песка. Наилучшими являются пески с зернами размером 0,15-0,3 мм, в которых не должно содержаться более 5 % зерен крупнее 0,5 мм и более 8 % зерен мельче 0,1 мм (пыли).

Оксиды щелочноземельных металлов. Основными щелочноземельными оксидами, входящими в состав стекла, являются оксид кальция CaO и оксид магния MgO. Оксид кальция повышает химическую устойчивость стекла, облегчает процесс варки и осветления стекломассы. Вводят оксид кальция в стекло с помощью природных карбонатов кальция, известняка, мела и мрамора.

Известняк CaCO ₃ - осадочная горная порода белого и светло-серого цвета. Природный известняк, используемый в стекловарении, должен содержать не менее 42-54 % по массе оксида кальция и не более 0,1-0,2 % оксидов железа.

Мел - мягкая осадочная порода белого цвета. Включения оксидов железа придают ему желтоватый оттенок, а глины - сероватый. Содержание CaO в меле должно быть не менее 54,3 %, а оксидов железа - не более 0,2 %. Известняки и мел, пригодные для стекольной промышленности, широко распространены в природе.

Мрамор - горная порода, содержит до 99-99,5 % CaCO ₃ и небольшое количество оксида железа - 0,015 %, характеризуется постоянством химического состава. Оксид магния MgO улучшает ряд важных физико-химических свойств стекла. При замене оксида кальция оксидом магния повышается механическая прочность стекла, понижается коэффициент расширения стекла, уменьшается склонность стекла к кристаллизации. Вводят оксид магния в стекло природным материалом - доломитом CaCO ₃  MgCO ₃. Иногда MgO вводят магнезитом или доломитизированным известняком.

Доломит - твердая светло-серая осадочная порода, окрашиваемая соединениями железа в желто-коричневый цвет. По качеству природный доломит для производства стекла должен содержать: для высшего сорта не менее 19,5 % MgO, а для остальных сортов - не менее 18 % по массе; содержание CaO соответственно не более 32 и 34 %; содержание Fe ₂O ₃ - 0,1-0,4 %. Обогащенный доломит используется в виде порошка. Перед введением его в шихту проводят контрольный просев.

Оксиды щелочных металлов. В состав стекла входят оксиды натрия Na ₂O и калия K ₂O. Присутствие оксидов щелочных металлов в многокомпонентных стеклах понижает термическую и химическую устойчивость стекол, ослабляет их механические и диэлектрические свойства. Наряду с этим, они способствуют снижению вязкости расплавов и температуры варки стекол. Оксид натрия вводят в стекло через кальцинированную соду и сульфат натрия, а оксид калия - через поташ, содово-поташную смесь и селитру.

Кальцинированная сода Na ₂CO ₃ - основной материал для ввода в стекло оксида натрия. Сода представляет собой белый пылевидный порошок, который хорошо растворяется в воде. Согласно требованиям стандарта, в прокаленной соде содержание Na ₂CO ₃ должно быть не менее 99 % по массе. В процессе стекловарения сода разлагается, при этом 58,5 % Na ₂O переходит в стекломассу и 41,5 % CO ₂ улетучивается в атмосферу печи. Искусственную легкую соду получают по аммиачному способу (метод Сольве). Сода отличается мелкодисперсностью (55 % частиц размером менее 0,1 мм), она малосыпучая, плохо перемешивается с другими компонентами шихты, слеживается и зависает в бункерах, сильно распыляется. Хранят соду в сухих закрытых складах или в силосах (банках). Гранулированная сода (размер гранул 0,1-1,2 мм) не имеет отмеченных выше недостатков.

Сульфат натрия Na ₂SO ₄ вводят в состав шихты от 5 до 15 % по массе Na 2O взамен части соды, но преимущественно не с целью ее замены, а как необходимый компонент для нормального течения стекловарения. При введении в стекло в малых количествах (0,5 0,7 % по массе Na ₂O) сульфат натрия, вероятно, ускоряет процесс осветления стекломассы. Сульфат натрия бывает искусственный, образующийся как побочный продукт на заводах по производству соляной и азотной кислот, и природный, большие запасы которого находятся в Прикаспийском районе в заливе Кара-Богаз-Гол. По техническим условиям природный сульфат натрия первого сорта должен содержать Na ₂SO ₄ не менее 96,5 % по массе.

Поташ K ₂CO ₃ - искусственный белый материал, легко растворим в воде, гигроскопичен, комкуется. Хранят его в сухих помещениях в плотно закрытых емкостях. Для стекловарения применяют, главным образом, кальцинированный поташ, который по стандарту должен содержать не менее 98 % по массе K ₂CO ₃. Введение в состав стекла оксида калия взамен оксида натрия придает стеклу блеск и прозрачность, улучшает оттенок стекла. В связи с этим его вводят в стекло в основном при производстве сортовой посуды, хрусталя, цветных и оптических стекол для увеличения "длины" (вязкостной характеристики при формовании) стекла.

Оксид алюминия Al  ₂O  ₃ и алюмосиликаты улучшают стойкость к химическому воздействию. Нефелиновый концентрат - продукт обогащения апатитонефелиновой руды в виде тонкозернистого порошка серого цвета со сравнительно постоянным зерновым и химическим составом содержит по массе не менее 29 % Al ₂O ₃. В связи с высоким содержанием оксидов железа (3 % по массе) его не применяют при производстве изделий из бесцветного стекла. В качестве природных источников оксида алюминия используют также пемзу, вулканический пепел, липарит, пегматиты, каолины, полевые шпаты. Поступают они на стекольные заводы измельченными и упакованными в мешки и вводятся в состав шихты предварительно хорошо смешанным с содой для снижения температуры плавления.

Для варки специальных и оптических стекол применяют оксиды некоторых металлов.

Оксид свинца PbO - тяжелый легкоплавкий материал, который увеличивает показатель преломления стекла, придает блеск и повышает плотность, снижает теплоемкость и температуру плавления, способствует лучшему растворению и распределению красителей в стекле, применяют в производстве оптического стекла, изделий из хрусталя, искусственных драгоценных камней. Свинцовые стекла легче поддаются гранению, шлифованию и полированию. Вводят оксид свинца в стекло в составе свинцового сурика Pb ₃O ₄ или свинцового глета PbO. На стекольных заводах чаще всего используют свинцовый сурик, представляющий собой порошок ярко-оранжевого цвета. Оксиды свинца легко восстанавливаются до металлического свинца, поэтому вводить в шихту их следует вместе с веществами, выделяющими кислород (окислителями).

Оксид цинка ZnO применяют в производстве сортовой посуды, светотехнических изделий, а также механически прочных, термостойких и химически устойчивых технических стекол. Оксид цинка придает стеклу значительную термическую и химическую устойчивость, в связи с чем цинковые стекла весьма устойчивы к резким изменениям температуры и применяются для производства лабораторной посуды. Вводят оксид цинка в стекло через цинковые белила, содержащие не менее 96 % ZnO; в отдельных случаях - в виде углекислого цинка ZnCO ₃, встречающегося в природе в качестве минерала галмея (цинковый шпат) или азотнокислого цинка Zn(NO ₃) ₂.

Оксид бария BaO повышает блеск и показатель преломления стекла, улучшает диэлектрические свойства, поэтому его применяют в производстве оптических и специальных стекол, а также при производстве бариевого хрусталя. Частичная замена оксида кальция оксидом бария уменьшает вязкость и склонность расплава стекла к кристаллизации. Вводят оксид бария в стекло карбонатом бария BaCO ₃, сульфатом бария BaSO ₄ или нитратом бария Ba(O ₃) ₂. Карбонат бария - белый кристаллический, нерастворимый в воде порошок, вырабатывается химическим путем и содержит 77,7 % BaO. Природный карбонат (витерит) встречается очень редко. Сульфат бария бывает природный (минерал барит или тяжелый шпат) и искусственный. Если в состав шихты вводят более 5 % BaO, то в этом случае в шихту добавляют углерод (5-7 % по массе от массы BaSO ₄). Нитрат бария применяют главным образом при варке оптического стекла. Стекломасса с бариевыми соединениями сильно разъедает огнеупор.

Среди сырьевых материалов для специальных видов стекол, например, для выработки стекловолокна, необходимо использовать борную кислоту (H ₃BO ₃), поскольку оксид бора (B ₂O ₃) повышает химическую стойкость к агрессивным средам, а также оксиды титана TiO ₂ и циркония ZrO ₂.

2.1.1.2 Ускорители, осветлители, окислители и восстановители

Ускорители, осветлители, окислители и восстановители - это соединения, выделяющие газовую фазу при высоких температурах за счет реакций разложения или окисления-восстановления [26].

Для ускорения стекловарения применяют соединения фтора и хлора, а также нитраты натрия, калия, бария и аммонийные соли, способствующие появлению жидкой фазы при более низких температурах и тем самым увеличению скорости процесса силикатообразования. Шихта с добавкой 1 % фтора при 1450 °C гомогенизируется в два раза быстрее, чем шихта без фтора.

Кремнефтористый натрий Na ₂SiF + - отход химических производств, сильно летуч, токсичен. Вводят в состав шихты из расчета 0,3-0,5 % фтора сверх основного состава стекла. Наряду с положительными факторами, применение фторидов вызывает ряд отрицательных явлений. Фториды усиливают разрушение огнеупорных материалов стекловаренных печей и, вследствие большой летучести, вместе с дымовыми газами выделяются в окружающую среду.

Хлористый натрий NaCl (поваренную соль) вводят в состав шихты от 1,5 до 3 % ее массы. Как и фториды, NaCl сильно летуч. В процессе стекловарения теряется по массе до 35 % добавляемого хлорида натрия.

Осветлители - материалы, вводимые в состав шихты и способствующие освобождению стекломассы от газовых включений. В качестве осветлителей используют сульфат натрия, селитру, а также аммонийные соли. Сульфат натрия Na ₂SO ₄ вводят в состав шихты в количестве 0,5-1 % по массе. Натриевая селитра NaNO ₃ содержит до 99 % основного вещества и в процессе стекловарения разлагается при температуре 725 °C, в зависимости от окислительно-восстановительной среды, с выделением оксидов кислорода и азота. В качестве осветлителя используют также и калиевую селитру KNO ₃, которая разлагается при 925 °C. Из аммонийных солей вводят в состав шихты азотнокислый аммоний NH ₄NO ₃ в количестве 0,25 % от массы шихты, сернокислый аммоний (NH ₄) ₂SO ₄ в количестве от 0,5 до 3 %, а также хлористый аммоний NH ₄Cl - 0,25 %.

Обесцвечиватели вводят в состав шихты для устранения зеленого оттенка, придаваемого стеклу оксидами железа. Примеси железа, содержащиеся в сырьевых материалах, обусловливают присутствие в стекле соединений железа в виде оксида железа FeO, окрашивающего стекло в голубовато-зеленый цвет, и в виде оксида железа Fe ₂O ₃, окрашивающего стекло в желто-зеленый цвет. Интенсивность окраски зависит от общего содержания в стекле оксидов железа. При производстве многих видов изделий из стекла такая окраска не допускается, поэтому для ее устранения и применяют обесцвечивающие материалы. Различают обесцвечивание физическое и химическое.

Физический способ обесцвечивания эффективен при общем содержании оксидов железа в стекле не более 0,08 %, а химический - при 0,06 %. При физическом обесцвечивании в состав стекла вводят красители, которые окрашивают его в цвет, дополнительный к окраске соединениями железа, и нейтрализуют нежелательный оттенок, поглощая избыток зеленых лучей. В качестве физических обесцвечивателей применяют селен, закись никеля, оксид кобальта, перекись марганца и оксиды редкоземельных элементов (неодима и эрбия).

Селен Se вводят в шихту совместно с оксидом кобальта CoO, что обеспечивает наилучший результат, так как синяя окраска оксида кобальта компенсирует легкую желтовато-розовую окраску, получаемую при использовании одного селена. Кроме элементарного селена, его вводят в виде селенисто-натриевой соли Na ₂SeO ₃, содержащей до 45,6 % элементарного селена. Содержание селена в стекле составляет 0,005-0,01 %, оксида кобальта - 0,0001 %. Селен обладает высокой летучестью, поэтому его количество, остающееся в стекле, не превышает 25-30 % от вводимого.

Оксид никеля NiO чаще всего вводят совместно с селеном и оксидами кобальта.

Диоксид марганца MnO ₂ при стекловарении разлагается с выделением кислорода. Образующийся оксид марганца MnO окрашивает стекло в дополнительный желтый цвет и способствует физическому обесцвечиванию, а кислород играет роль химического обесцвечивателя. Следовательно, встречающийся в природе минерал пиролюзит, содержащий до 90 % MnO ₂, является обесцвечивателем смешанного типа. В том же качестве обесцвечивателей применяют вещества из группы редких земель.

Оксид неодима Nd ₂O ₃ вводят в состав стекла в количестве 0,005-0,007 %, который придает стеклу лилово-розовую окраску. Оксид эрбия Er ₂O ₃ в количестве 0-0,2 % окрашивает стекло в бледно-розовый цвет.

При химическом обесцвечивании имеющееся в стекле железо переводят в трехвалентную форму, так как удельное поглощение света двухвалентного железа Fe ²⁺ в области видимых лучей спектра в 10 раз больше трехвалентного Fe ³⁺. Химически обесцвеченное стекло обычно имеет слабый желтовато-зеленый оттенок, обладая при этом высоким светопропусканием.

С целью обеспечения в шихте избытка кислорода применяют окислители (вещества, которые при разложении выделяют кислород), являющиеся химическими обесцвечивателями. К ним относятся селитры, диоксид церия.

Диоксид церия CeO ₂ - сильнейший окислитель. Его вводят в состав стекла в количестве 0,07-0,1 %. На практике применяют цериевый концентрат, содержащий 87,4-91,5 % CeO ₂. Широкое распространение диоксид церия получил в производстве изделий из хрусталя.

Наиболее распространенные соединения, которые используют в качестве восстановителей, - углерод в виде угля или сажи, виннокислый калий KHC ₄H ₄O ₆.

2.1.1.3 Красители и глушители

К вспомогательным сырьевым материалам относят также красители, придающие стеклу свой оттенок. Процесс окрашивания стекла основывается на протекании окислительно-восстановительных реакций, переводе красящих ионов в необходимое валентно-координационное состояние, а также стабилизации размеров атомов и молекул в составе стекла. Окрашивают стекла в различные цвета соединениями металлов, которые растворяются в стекломассе (молекулярные красители) или равномерно распределяются в виде мельчайших коллоидных частичек (коллоидные красители). Окрашивание стекла зависит не только от свойств красителей, но и от химического состава стекла и условий варки.

Молекулярные красители - это соединения кобальта, марганца, никеля, меди, железа, урана, селена, хрома, кадмия.

Соединения кобальта окрашивают стекло в синий цвет. При содержании оксидов кобальта CoO и Co ₂O ₃ в количестве 0,05 % окраска стекла синеватая, а при 0,5 % - ярко-синяя. Калиевые стекла получают более интенсивное синее окрашивание, чем натриевые. Окраска соединениями кобальта не зависит от режима стекловарения и при использовании совместно с другими красителями (солями хрома и меди) можно получить окраску стекла от зеленовато-синей до зеленой.

Соединения марганца окрашивают стекло в фиолетовый цвет при содержании оксида марганца Mn ₂O ₃ до 3 % и черный - при содержании 12-20 %. С этой целью в состав шихты вводят природный минерал - пиролюзит MnO ₂ или препарат перманганат (марганцево-калиевую соль) KMnO ₄. Соединения никеля Ni ₂O ₃, NiO окрашивают стекло в красновато-фиолетовый (при содержании NiO 2-3 %) и дымчатый (0,08-0,25 %) цвета. Вводят в шихту триоксид никеля Ni ₂O ₃ (порошок черного цвета). Окрашивание соединениями никеля хорошо воспроизводимо и не зависит от условий стекловарения.

Соединения меди в зависимости от концентрации, состава стекла и условий окрашивания придают стеклу синий, голубой, зеленый и красный цвета. Оксид меди CuO окрашивает стекло в голубой, слегка зеленоватый цвет. Чисто голубой цвет стекла получают при введении CuO в количестве 1-2 %, с увеличением содержания оксида меди окраска стекла переходит в зеленую.

Соединение железа Fe ₂O ₃ окрашивает стекло в цвета от желтого до коричневого, FeO - в сине-зеленый. Обычно в стекломассе оксиды железа присутствуют не в отдельности, а в виде смеси, которая и окрашивает стекло в зеленый цвет. Для ввода оксидов железа в стекло на заводах применяют пиритные огарки - отходы сернокислого производства, а также крокус - порошок красно-бурого цвета.

Соединение урана UO ₂ окрашивает стекло в бурый и черный цвета, UO ₃ - в желтый. Натриевая соль урановой кислоты Na ₂UO ₄ окрашивает стекло в яркий желто-зеленый цвет. Для стекла, окрашенного ураном, характерна флуоресценция, вызванная ультрафиолетовым излучением. При выпуске изделий из интенсивно окрашенных стекол в желтый и оранжевый цвета соединения урана применяют совместно с сернистым кадмием. Несмотря на то что препараты урана достаточно чисты, их применение в стекольном производстве ограничивается из-за высокой стоимости.

Соединение селена селенистокислый натрий Na ₂SeO ₃ окрашивает стекло в розовый цвет (розалин). Оттенок селенового розалина зависит от состава стекла и вида входящих в него щелочных оксидов. При варке в идентичных условиях калиевые стекла имеют розовый оттенок, тогда как натриевые и литиевые - желтый или коричневый.

Соединения хрома окрашивают стекла в желто-зеленый цвет. Вводят хром в шихту в виде оксида хрома Cr ₂O ₃ или калиевого хромпика K ₂Cr ₂O ₇, который легче растворяется в стекломассе по сравнению с оксидом хрома. Содержание Cr ₂O ₃ составляет 0,25-1,2 % от массы шихты. В производстве стеклянной тары (зеленые бутылки) в состав шихты вводят феррохромовые шлаки. Применение комплексного мелкодисперсного красителя, содержащего Cr ₂O ₃, SiO ₂, Al ₂O ₃, CaO, MgO, позволяет исключить использование пиритных огарков и экономить сырьевые материалы (песок, доломит, нефелин). Травянисто-зеленый цвет стекла получают при одновременном использовании оксида хрома (0,5 %), оксида меди (2 %) и окислительных условиях варки стекломассы. Соотношение CuO:Cr ₂O ₃ = 3:4.

Соединения кадмия придают стеклу ярко-желтый цвет. Обычно при варке калиево-кальциевых стекол применяют сернистый кадмий CdS - порошок желтого или оранжевого цвета. При варке свинцовых стекол нельзя применять в качестве красителя CdS в связи с тем, что возможно образование PbS, окрашивающего стекло в черный цвет. Вводят CdS в стекло в конце варки стекломассы, так как при высокой температуре и продолжительном времени сернистый кадмий переходит в оксид кадмия, который не вызывает окраски стекла. Оксиды редкоземельных элементов за последние годы также начали применять в качестве красителей при производстве изделий из стекла.

Диоксид церия CeO ₂ окрашивает стекло в светло-желтый цвет. Совместное применение диоксида церия с диоксидом титана придает стеклу чистую золотисто-желтую окраску. Вводят оксид церия в стекло через концентраты редкоземельных элементов, которые снижают себестоимость изделий.

Оксид празеодима Pr ₂O ₃ сообщает стеклу светло-зеленый цвет, оксид неодима Nd ₂O ₃ - розовато-сиреневую окраску, оксид эрбия Er ₂O ₃ - красивый розовый цвет. Оксиды редкоземельных элементов являются слабыми красителями, однако стекла, окрашенные ими, характеризуются высокой прозрачностью, чистотой цвета, оригинальными оттенками, что способствовало их широкому применению в производстве сортовой посуды.

Коллоидные красители вызывают образование в массе стекла взвешенных коллоидально-дисперсных частиц металлов или их соединений. Цвет стекла зависит от природы и концентрации коллоидных красителей, состава стекла и размеров взвешенных частиц. Получение окраски стекла возможно лишь путем вторичного нагревания изделий, при котором частицы увеличиваются до нужных размеров. Термообработку изделий проводят при определенном температурном и временном режимах и называют "наводкой". Коллоидными красителями являются соединения золота, серебра, сурьмы, закисная медь, селен и др.

Соединения золота окрашивают стекло в красные цвета - от розового до пурпурного (золотой рубин). Особенно чистые цвета получаются после наводки стекол с содержанием PbO от 25 до 50 %. В качестве красителя используют 10-процентный (по массе) водный раствор хлорного золота AuCl ₃. Для получения розовых стекол вводят 0,01 %, рубиновых - 0,02 % металлического золота. Стекло, окрашенное золотом, относится к наиболее красивым и благородным и применяется при производстве высокохудожественных изделий.

Соединения серебра окрашивают стекла в желтый цвет. Для их ввода в состав стекла применяют 10-процентный (по массе) раствор нитрата серебра AgNO ₃. Растворимость серебра в стекле низкая, и поэтому требуется длительное выдерживание при высоких температурах. Улучшение окраски стекла достигается при добавлении диоксида олова SnO ₂. В отдельных случаях изделия из стекла окрашивают только с поверхности (так называемые серебряные протравы) с помощью специальной пасты из смеси глины, охры и хлорида серебра AgCl.

Соединение меди Cu ₂O обладает большой красящей способностью и образует в стекле коллоидный раствор частиц металлической меди, которые в интервале температур 580-700 °C после наводки придают стеклу темно-красный цвет (медный рубин). Медь является одним из древних красителей стекла, и ее растворимость значительно выше золота и серебра. Вводят Cu ₂O в количестве 1-3 % от массы шихты в виде порошка. Кроме того, при варке медного рубина следует вводить в качестве восстановителей в состав шихты виннокаменную соль калия KHC ₄H ₄O ₆ и оксид олова SnO. Обычно для варки медного рубина используют натриевые стекла. При содержании меди в стекле 0,8-1,8 % по массе получают интенсивное окрашивание хрустальных стекол, которые используют для выработки накладных стекол с толщиной окрашенного слоя в несколько десятых долей миллиметра.

Элементарный селен Se при использовании вместе с солями кадмия и серой окрашивает стекло в ярко-красный цвет (селеновый рубин). Для этого вводят (по массе) 0,3-0,8 % Se, 1-1,45 % CdCO ₃ и 0,5-1 % S (по массе сверх основного состава стекла). При варке селено-рубиновых стекол выбирают составы, содержащие 4-18 % оксида цинка, который способствует получению более интенсивной окраски стекла. Потеря селена вследствие летучести соединений достигает 70-80 % вводимого количества.

Глушители стекла придают стеклам свойства рассеивать свет и казаться непрозрачными (глушеными). При введении в стекломассу они образуют соединения, которые выделяются при охлаждении расплава в виде капель и частиц величиной около 1 мкм. Глушение стекла происходит при выработке изделий или при их термической обработке (наводке). Наиболее широко используют в качестве глушителей соединения фтора и фосфора. Глушение стекла начинается при содержании 2-3 % и достигает насыщенного действия при 4-5 %.

Фторсодержащими глушителями являются кремнефтористый натрий Na ₂SiF ₆ и криолит 3NaF  AlF ₃. Последний является отходом на заводах по производству суперфосфата и состоит из 12,8 % оксида алюминия Al ₂O ₃, 32,8 % оксида натрия Na ₂O и 54,4 % фтора. Для глушения некоторых стекол используют фториды кальция (природный минерал - плавиковый шпат CaF ₂), магния. Вводят в состав стекла из расчета 5-8 % по массе фтора сверх основного состава. Фтор при стекловарении улетучивается, что вызывает загрязнение окружающей среды. Наименьшие потери фтора - при введении в состав шихты криолита. В связи с этим для глушения стекла чаще применяют соединения фосфора.

Действие фосфатов кальция и натрия при глушении стекол связано с явлением несмешиваемости расплава и частичек фосфатов, которые и сообщают стеклу при охлаждении молочно-белую окраску. Вводят соединения фосфора в виде костной муки, фосфорнокислого кальция Ca ₃(PO ₄) ₂, кислой фосфорно-натриевой соли Na ₂HPO ₄  12H ₂O и апатита Ca ₄(CaF)  (PO ₄) ₃. Соединения фосфора требуют более высоких температур варки и выработки, что вызывает некоторые технологические затруднения при производстве изделий.

В качестве глушителей используют также соединения олова и оксид алюминия, механически замешиваемый в подготовленную стекломассу. На степень глушения стекла оказывают влияние размер и количество частиц в единице объема стекла, разница показателя преломления стекла и заглушающих частиц, вид применяемых глушителей и химический состав стекла. Нередко на практике применяют комбинированное глушение фтористыми и фосфатными соединениями, что усиливает и утончает глушение опаловых стекол.

2.1.1.4 Стеклобой

В настоящем стандарте используется понятие "стеклобой" как вторичное сырье, получаемое как побочный продукт технологического процесса (собственный стеклобой), так и в результате обработки отходов боя стекла (внешний или привозной стеклобой).

Для облегчения процесса стекловарения часть шихты, необходимой для получения стекломассы, заменяют стеклобоем. Собственный стеклобой образуется при различных технологических операциях изготовления изделий из стекла (формования, отжига, отрезки колпачка, декорирования, сортировки и др.) в виде отбракованных изделий и стекольного боя, которые снова используют в производстве. Его собирают и при необходимости измельчают, получая сырьевой материал. Перед холодным ремонтом стекломассу из стекловаренной печи выпускают, направляя ее в гранулятор, в котором горячая стекломасса под действием холодной воды превращается в гранулы стеклобоя. Его также используют в производстве изделий из стекла. Стеклобой оказывает благоприятное влияние на процесс стекловарения, уменьшая при этом распыление и расслоение стекольной шихты, снижая расходы топлива и дефицитных сырьевых материалов, в частности соды.

Соотношение шихты к стеклобою устанавливается предприятием и зависит от конструкционных особенностей и продолжительности кампании печи, требований к качеству стекломассы, экономических показателей производства и варьируется в широких пределах. На стекольных заводах России оно, как правило, составляет 5:1. Предприятие может применять как собственный, так и привозной (внешний) стеклобой.

Введение в стекловаренную печь повышенного содержания стеклобоя (свыше 50 %) приводит, как правило, к ухудшению однородности стекломассы. При таких условиях принимают дополнительные меры по усреднению стекломассы, чтобы механическая прочность и термическая однородность изделий не понижались. Если стеклобоя собственного производства не хватает, стекольные заводы используют близкий по химическому составу и цвету стеклобой из других источников.

Стеклобой разделяют при этом по трем группам: бесцветный, полубелый и цветной. Кроме того, в привозном (покупном) стеклобое не должно содержаться металлических и керамических включений, камня, песка, глины, шлака и других вредных примесей, а содержание органических примесей не должно превышать 2 % [27]. Многие современные стекольные предприятия отказываются от практики дополнительной обработки, предпочитая закупать уже готовый к использованию стеклобой. Использование стеклобоя позволяет снизить себестоимость продукции, продлить кампанию печи, уменьшить количество вредных выбросов [28].

2.1.1.5 Подготовка шихты. Контроль качества

Сырьевые материалы подвергаются входному контролю химического и гранулометрического состава в соответствии с требованиями, заложенными в технологическом регламенте. Материалы обогащают на месте добычи, на обогатительных фабриках или, что в настоящее время гораздо реже, непосредственно на стекольных заводах.

Песок, обогащенный на месте добычи, поступает на завод в мешках или в специально подготовленных вагонах. Перед подачей в производство песок подвергают контрольному просеву и при необходимости сушке. Необогащенный песок проходит на заводе следующие виды обработки: обогащение или усреднение, сушку, просеивание. Основная задача обогащения - удаление из песка посторонних примесей и пылевидных фракций, так как мелкие фракции содержат гораздо больше оксидов железа, чем крупные. Наиболее распространенные методы обогащения - флотооттирка и магнитная сепарация.

Флотооттирка - это комбинация двух методов: флотации и оттирки, которая позволяет удалить из песков до 90 % оксидов железа. При флотации используется разная способность зерен кварца и инородных минералов смачиваться водой: кварц хорошо смачивается, минералы - носители железа - практически не смачиваются, особенно в присутствии реагентов-собирателей, адсорбирующихся на их поверхности. Песок перемешивают с водой в соотношении 1:2,3 до получения жидкой массы, вводят в нее поверхностно-активный реагент и продувают воздухом.

В качестве флотационного реагента применяют сульфатное мыло (отходы производства целлюлозы) и кальцинированную соду (на 1 т песка - 1 кг мыла и 3 кг соды). При продувке воздухом пульпа активно перемешивается, частицы песка трутся одна о другую, в результате чего с их поверхности снимаются пленки гидроксидов железа, которые являются более мягкими по сравнению с кварцем. Этот процесс и носит название оттирки. В процессе продувки воздухом в пульпе образуется пена из воздушных пузырьков, которые прилипают к зернам минералов с железом. Пену сливают с поверхности пульпы вместе с загрязнениями, а чистый песок оседает на дно.

Технологический процесс флотооттирки включает следующие операции: разрушение комьев песка и приготовление пульпы, оттирку пленки с удалением загрязнений, разделение песка и тяжелых минералов флотацией, удаление шлама, промывку пульпы и ее обезвоживание. Для приготовления пульпы используют контактные чаны с мешалками и агрегаты мокрого грохочения, зимой воду подогревают до 35-45 °C. После этого песок сушат во вращающихся сушильных прямоточных барабанах, для этого возможно использовать отходящие газы печи. После сушки и охлаждения для производства листового стекла песок просеивают через сито с размером ячеек не более 0,8 мм.

Магнитная сепарация проводится с целью удаления железистых примесей, содержащихся в минералах, способных намагничиваться (магнетит, титаномагнетит, пиролюзит, гематит). Магнитной сепарацией очищают сухие пески после просеивания.

В тех случаях, когда на стекольном заводе используют песок, не однородный по химическому составу и не прошедший обогащение, его целесообразно перемешивать крупными партиями - усреднять. Наилучший способ усреднения - послойный; в этом случае каждую вновь поступившую на завод партию песка равномерно рассыпают поверх ранее прибывшей, образуя таким образом многослойный штабель.

Доломит, известняк, поступившие на завод в виде глыб, дробят, сушат, размалывают, просеивают и очищают с помощью магнитной сепарации. После предварительного дробления на куски размером 40-50 мм материал сушат в таких же сушильных барабанах, что и песок, но при температуре не выше 400 °C во избежание термического разложения. После сушки до конечной влажности, не превышающей 7 %, доломит и известняк подвергают тонкому помолу (до частиц размером 0,08 мм) либо среднему, чтобы исключить сильное пыление, расслоение шихты и забивание насадок регенератора (размер частиц 0,5-2 мм). Мел не подвергают дроблению; его сушат, размалывают, а затем просеивают.

Кальцинированная сода поступает в виде гранул, упакованной в мешки, или россыпью в специальных автомобилях или вагонах. Просеивают соду на грохотах или виброситах. Ввиду гигроскопичности сода при длительном хранении слеживается, образуя комки.

Сульфат натрия поступает на заводы главным образом искусственный, в мешках. Природный сульфат дробят, после чего сушат при температуре 650-750 °C, а затем вновь измельчают и просеивают.

Пегматит и полевой шпат поступают в хопперах или в мешках. Поташ, а также азотнокислые соли натрия, калия, бария и аммония (селитры) поставляют на заводы в мешках или бочках. В связи с тем, что материалы комкуются, при просеивании их иногда протирают через сита. После просева материалы хранят в плотно закрываемых емкостях.

Современные стекольные предприятия отказываются от практики дополнительной обработки, предпочитая закупать уже готовые к использованию сырьевые материалы.

Подготовленные сырьевые материалы поступают в расходные бункера весовой линии и взвешиваются в соответствии с заданной рецептурой шихты. После взвешивания они направляются в смеситель для равномерного распределения всех компонентов по всему объему порции. При необходимости введения в состав вспомогательного материала его предварительно смешивают с одним из основных компонентов шихты и затем загружают в смеситель. Контроль однородности перемешивания осуществляется заводской лабораторией в соответствии с регламентом выпуска продукции.

Качество сырьевых материалов контролируют приемочным, периодическим и текущим контролем. Приемочный контроль может проводиться, чтобы выявить, насколько качество поступающих на стекольный завод сырьевых материалов соответствует требованиям контракта. При поступлении сырьевых материалов работники завода (контролеры) осматривают их и по результатам визуального контроля определяют соответствие стандартам, а затем отбирают пробы на сокращенный химический анализ для определения содержания основного вещества и влаги, а также проверки зернового состава. В тех случаях, когда материалы не отвечают требованиям стандартов, их бракуют.

Периодический контроль сырья может проводиться, чтобы удостовериться в пригодности данных материалов для требуемой шихты. Для этого не менее одного раза в 10 суток отбирают среднюю суточную пробу каждого компонента, включающую 24 ежечасных пробы, и проводят полный химический анализ. Текущий контроль может проводиться ежесменно на средней пробе, состоящей из восьми ежечасных проб. Определяют также зерновой состав подготовленного материала и содержание в нем основного вещества и влаги. В тех случаях, когда из-за состава сырья изменяется сверх нормы содержание компонентов в шихте, рецепт шихты корректируют.

Подготовленные сырьевые материалы поступают в расходные бункера весовой линии и взвешиваются в соответствии с заданной рецептурой шихты. После взвешивания они направляются в смеситель для равномерного распределения всех компонентов по всему объему порции. При необходимости введения в состав вспомогательного материала его предварительно смешивают с одним из основных компонентов шихты и затем загружают в смеситель. Контроль однородности перемешивания осуществляется заводской лабораторией в соответствии с регламентом выпуска продукции.

2.1.1.6 Методы работы с материалами шихты

В крупных непрерывных процессах сырье перемещается в промежуточные бункеры меньшего размера, где они взвешиваются, часто автоматически, чтобы получить точно сформированную партию. Затем шихта перемешивается и транспортируется в зону печи через один или несколько бункеров. В промышленности встречаются различные механизмы подачи, начиная от полностью открытых систем до полностью закрытых систем с винтовой подачей.

Там, где материалы транспортируются наземными конвейерами, необходимо обеспечить защиту от ветра для предотвращения значительных материальных потерь. Эти системы должны укрывать конвейер со всех сторон. При использовании пневмотранспорта важно предусмотреть герметичную систему с фильтром для очистки транспортируемого воздуха перед выпуском. Для уменьшения пыли при транспортировке и выносе мелких частиц из печи содержание воды в партии может поддерживаться до 4 %. Вода вводится при смешивании компонентов шихты, в зимнее время при необходимости подогрева шихты в виде пара. Некоторые процессы (например, производство боросиликатного стекла) используют сухие сыпучие материалы, что требует большей осторожности.

Из-за своей абразивной природы и более крупного размера частиц стеклобой обычно вводится отдельно от первичных шихтовых материалов и может подаваться в печь отдельной системой.

В прерывистых процессах системы подачи намного меньше и часто управляются вручную. После смешивания партию можно хранить в небольших мобильных бункерах, каждый из которых рассчитан на одну загрузку. Как и при крупномасштабном плавлении, смешанная партия не может храниться слишком долго перед использованием, потому что различные компоненты могут осаждаться, что затрудняет получение гомогенного расплава.

Пыль из систем очистки очень мелкая и содержит значительное количество непрореагировавшего щелочного реагента, который может вызвать коррозию и/или раздражение. Следовательно, обращение с этим материалом и его хранение могут потребовать особого внимания.

Зона загрузки печи является одним из источников выбросов пыли. Основные меры/методы контроля выбросов в этой области перечислены ниже:

- увлажнение партии;

- обеспечение слегка положительного давления, около 5-10 Па, обычно применяется ко всем стекловаренным печам;

- использование сырья, не вызывающего явления вскипания (преимущественно касается доломита и известняка - это минералы, которые при воздействии тепла вскипают с последующим увеличением выбросов пыли);

- направление вытяжки в систему фильтрации (обычно в печах с холодным верхом);

- использование закрытых шнековых питателей;

- закрытие загрузочных карманов (может потребоваться местное охлаждение).

Выбросы пыли могут происходить непосредственно в воздух или внутри производственных зданий, отчего пыль может скапливаться, что приводит к неорганизованным выбросам в атмосферу. Требуется контролировать движение воздушных потоков внутрь и наружу здания. В потенциально очень запыленных местах здания могут быть спроектированы с минимальным количеством проемов и дверей или пылезащитными завесами. В помещениях, где установлена печь, часто необходимо обеспечить степень естественного охлаждения, предусмотреть вентиляционные отверстия и т.д.

Этапы технологического процесса, где может образовываться пыль (например, открытие мешков, смешивание, тканевый фильтр для удаления пыли и т.д.), должны быть снабжены вытяжкой с подходящей очистной установкой. Это также важное условие для рабочих мест, где происходит механическая и химическая обработка стеклоизделий.

2.1.2 Процесс стекловарения

Стекловарение - это последовательность физико-химических процессов превращения смеси сырьевых материалов (шихты) в расплавленную стекломассу, готовую к формованию изделий.

Плавление, сочетание отдельных сырьевых материалов при высокой температуре с образованием расплава, является центральным этапом в производстве стекла. Существует множество способов плавления в зависимости от желаемого продукта, его конечного использования, производственной мощности и коммерческой выгоды. От этих факторов зависят рецептура стекла, сырье, технология плавки, выбор топлива и размер печи.

Время пребывания расплава стекла в печи существенно зависит от типа производимого стекла. Минимальное время пребывания является решающим параметром для обеспечения качества стекла. Как правило, чем выше качество производимого стекла, тем дольше время пребывания, которое обеспечивает лучшую гомогенизацию и устранение возможных дефектов в виде камней, пузырьков и т.д. Время пребывания расплава стекла в печи пропорционально удельному потреблению энергии при производстве стекломассы.

Принято выделять пять стадий процесса стекловарения: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизацию и студку. В печах периодического действия эта последовательность протекает во времени, и с учетом зависимости температуры печи от продолжительности варки можно выделить следующие интервалы: нагревание до температуры реакции (силикатообразование и стеклообразование), выдержка при максимальной температуре (осветление и гомогенизация), охлаждение до температуры формования (студка). В печах непрерывного действия та же последовательность распределена по длине печи и зависит от температуры на каждом ее участке [29].

Нагревание до температуры реакции. Стандартным, наиболее распространенным и экономичным способом подачи тепла для стекловарения является сжигание газового топлива над слоем шихты и расплавленной стекломассой. Температура, необходимая для стекловарения, зависит от химического состава стекла и составляет от 1100 °C до 1650 °C. При таких температурах теплопередача осуществляется путем излучения от свода печи, который нагревается пламенем до 1650 °C, и от самого пламени.

В каждой конструкции печи устроен подвод тепла и в расплаве создается температурный градиент, чтобы вызвать рециркуляцию свободных конвекционных потоков внутри расплавленного стекла для обеспечения постоянной однородности готового стекла, подаваемого на формовку. Масса расплавленного стекла, содержащаяся в печи, поддерживается постоянной, а среднее время пребывания составляет порядка 24 часов для производства тарного стекла и 60-72 часа для производства листового флоат-стекла.

Использование электрического нагрева стекломассы весьма выгодно с точки зрения снижения вредных выбросов, образующихся при горении топлива, удобства регулирования всех стадий процесса стекловарения, высокого коэффициента полезного действия печи, однако проигрывает в стоимости энергетических затрат на варку. Кроме этого, печи с электрическим нагревом стекломассы имеют в несколько раз меньший ресурс, что заставляет производителей более часто останавливать производство для ремонтов таких печей. Это дополнительно влияет на себестоимость продукции, произведенной при помощи электрической варки.

Конструктивные особенности стекловаренных печей разных типов и производительности предусматривают организацию и контроль над тепловыми потоками как над зеркалом стекломассы, так и в расплаве, чтобы обеспечить однородность стекла, подаваемого на формование [30].

Силикатообразование. Сырьевые материалы, используемые в стекловарении, представляют собой соли и оксиды. На стадии силикатообразования из них формируются силикаты, которые затем образуют первичный расплав. Из-за низкой теплопроводности шихтовых материалов процесс плавки поначалу довольно медленный, что позволяет протекать многочисленным химическим и физическим процессам. Низкотемпературная стадия процесса стекловарения (до 500 °C) состоит из таких процессов, как нагревание, удаление свободной и связанной воды, разложение простых и образование двойных карбонатов и т.п. При повышении температуры от 500 до 900 °C песок начинает растворяться под влиянием флюсующих агентов. Кремнезем из песка соединяется с оксидом натрия из кальцинированной соды и с другими сырьевыми материалами для образования силикатов. Протекают химические реакции образования легкоплавких силикатов щелочных металлов, а в интервале температур от 900 до 1200 °C в целом завершается формирование и высокотемпературных силикатов, таких как силикаты кальция. Одновременно начинаются плавление щелочных силикатов, образование и плавление эвтектических составов и растворение тугоплавких оксидов в первичном расплаве.

На этой стадии варки образуется самое большое количество газообразной фазы, состав которой определяется химическим составом сырьевых компонентов, оказывающих существенное влияние на состав вредных выбросов и окислительно-восстановительную атмосферу печи. Кроме того, существует опасность улетучивания щелочесодержащих компонентов, что пагубно сказывается на состоянии огнеупоров в зоне загрузки.

Стеклообразование. Материалы шихты начинают плавиться при температуре от 750 до 1200 °C. Стадия стеклообразования заключается в постепенном растворении зерен кварца в первичном расплаве. Длительность этой стадии определяет продолжительность всего процесса стекловарения и составляет не менее 70 % от общей длительности, что обусловлено высокой вязкостью кварцевого расплава и низкой скоростью диффузии зерен кварца в первичный расплав и катионов щелочных металлов в кварцевый расплав. Результатом является образование неоднородной полупрозрачной аморфной среды с большим количеством газовых включений.

Постепенно расплавленное стекло становится прозрачным, и фаза плавления завершается. Объем расплава составляет около 35-50 % объема сырья исходной шихты за счет эмиссии газов и устранения межклеточных пространств. Количество расплавленного вещества составляет приблизительно 82-85 % от количества исходных сырьевых материалов из-за выхода газообразных составляющих.

Осветление и гомогенизация. Готовая к формованию стекломасса должна быть однородной и практически свободной от газовых пузырьков. Полное растворение, равномерное распределение всех компонентов и удаление пузырьков из расплавленного стекла имеют важное значение для большинства изделий из стекла.

Готовые изделия нормируются по содержанию в них дефектов стекловарения (кристаллических включений, аморфных включений или свилей, газовых включений - пузырей). В большинстве изделий массового спроса размеры и количество допустимых дефектов прописываются в стандартах и технических условиях.

Первичные дефекты кристаллических включений состоят главным образом из кварца и его модификаций или различных силикатов, образуются при неполном проваре зерен кварца из шихты, попадании в стекломассу частиц огнеупоров или металлических фрагментов оборудования. Вторичные дефекты образуются при кристаллизации стекломассы в процессе выработки.

Аморфные включения являются стекломассой, химический состав которой отличается от заданного состава стекла. Основные причины их образования - расслоение шихты при транспортировке и загрузке в печь, нарушения температурно-временного режима варки, изменения направления и скорости конвективных потоков в печи.

Пузыри в стекломассе образуются в результате разложения сырьевых материалов, поглощаются из газового пространства печи, содержащего все составные части воздуха и продукты горения топлива и при взаимодействии стекольного расплава с огнеупорами печи. Наиболее часто при нормальной работе печи в готовой стекломассе присутствуют газовые пузыри - в основном карбонатные, сульфатные и нитратные.

Процессы освобождения стекломассы от аморфных и кристаллических дефектов (осветление и гомогенизация соответственно) происходят одновременно. Оба процесса интенсифицируются при увеличении температуры в печи и перемешивании стекломассы. В печах периодического действия перемешивание осуществляют с помощью мешалок, в печах непрерывного действия - с помощью конвективных потоков в объеме ванны, бурления воздухом или дополнительного электроподогрева в зоне максимальных температур (квельпункта).

Пузыри в расплаве бывают крупные (более 5 мм), средние (от 1 до 5 мм) и мелкие - мошка (менее 1 мм). Для их удаления в состав шихты вводят осветители, которые в области высоких температур образуют большое количество крупных газовых пузырей за счет реакций разложения или процесса испарения. Такие пузыри обладают большой подъемной силой и, поднимаясь наверх, захватывают окружающие более мелкие пузыри. Тот же эффект достигается при бурлении стекломассы воздухом. Увеличение температуры в области квельпункта всегда благоприятно сказывается на однородности и осветлении стекломассы, однако существует определенный температурный предел, превышение которого негативно влияет на состояние огнеупоров [31].

В результате осветления и гомогенизации в зону студки попадает стекломасса однородного состава, свободная от кристаллических аморфных и газообразных включений.

При варке цветных стекол следует очень внимательно относиться к выбору осветляющей добавки, поскольку большинство из них влияют на окислительно-восстановительные свойства расплава. Обычно окислительно-восстановительные условия варки тесно связаны со свойствами расплава, поэтому их характеризуют по содержанию кислорода и углекислого газа в атмосфере печи. Смещение окислительно-восстановительных условий в ту или иную сторону может привести к увеличению твердых и газообразных выбросов, в частности соединений серы.

Сульфат натрия Na ₂SO ₄ является наиболее часто используемым осветлителем, особенно для обычного листового стекла, большинства тарного стекла, натриево-кальциево-кремнеземного стекла для посуды, непрерывного стекловолокна (E-стекло) и известково-натриевого осветительного стекла. Сульфат натрия распадается на оксид натрия, который затем входит в состав стекла и газообразные компоненты (O ₂, SO ₂), диффундирующие в существующие пузырьки. Некоторые стекла не должны содержать сульфатов (например, стекла дисплеев и витрин). В таких случаях используется хлорид натрия NaCl. При температурах выше температуры плавления шихты этот осветлитель уносится из расплава.

При изменении условий сгорания топлива в печи, например, после перехода с воздушного на кислородное окисление, требуется корректировка состава шихты.

Студка стекломассы. Завершающей стадией стекловарения является студка, т.е. медленный процесс снижения температуры до величины, обеспечивающей однородное распределение стекломассы, что необходимо для формования того или иного вида изделий.

Главное условие успешной студки - непрерывное медленное снижение температуры стекломассы без изменения состава и давления газовой среды в печном пространстве для подготовки стекломассы к процессу формования. Нарушение этого условия может вызвать сдвиг установившегося равновесия газов, растворенных в расплаве, и провоцирование "закипания" стекломассы, т.е. образование вторичного пузыря, избавиться от которого практически невозможно. Для производства некоторых видов оптических специальных стекол процесс студки может продолжаться несколько месяцев.

Для регулирования скорости процесса охлаждения используют такие устройства, как заградительные экраны, углубления в дне ванны (deep refiner), разделение на отапливаемую и неотапливаемую части ванны печи, мешалки с холодильниками и т.д.

2.1.3 Стекловаренные печи

Выбор печи в технологии любого изделия является определяющим, поскольку от него в первую очередь зависит экономическая эффективность производства. Критериями выбора являются вид потребляемого энергоносителя, производительность, химический состав стекла и экологическая эффективность [32].

Расплавленная стекломасса содержится, как правило, в резервуаре прямоугольной формы, построенном из блоков соответствующих огнеупорных материалов, закрытом сводчатым потолком. Электрические печи, как правило, имеют более квадратную форму с плоским потолком и загрузочным бункером с одной стороны. Огнеупорные блоки удерживаются на месте внешним стальным каркасом.

В настоящее время используется много конструкций печей, и они обычно различаются с точки зрения производительности, способа нагрева, использования системы предварительного подогрева воздуха для горения и расположения горелок. Для классификации в целях настоящего справочника НДТ за основу взята производительность стекловаренных печей.

Первая группа - печи производительностью более 500 т/сут - ванные регенеративные газовые печи непрерывного действия с поперечным направлением пламени. Как правило, их используют для производства листового флоат-стекла. В современных стекловаренных печах энергетический коэффициент полезного действия (КПД) достигает 40-45 %.

Вторая группа - печи средней производительности (100-500 т/сут) - ванные регенеративные газовые печи непрерывного действия. В зависимости от вида выпускаемой продукции они бывают двух типов: для производства флоат-стекла - с поперечным направлением пламени, а для производства стеклянной тары - с подковообразным. Печи с подковообразным направлением пламени экономичнее и экологичнее, поскольку в них работают всего две группы горелок (в зависимости от производительности в каждой группе в печах такого типа может быть от двух до четырех горелок), однако они требуют дополнительных устройств для регулирования окислительно-восстановительных условий, осветления и гомогенизации стекломассы. Энергетический КПД печей средней производительности с подковообразным направлением пламени может превышать 40 %.

Третья группа - печи малой производительности (2,5-100 т/сут) - малые регенеративные или рекуперативные газовые ванные печи, электрические печи горизонтального и вертикального вида и стекловаренные печи смешанного типа - газоэлектрические непрерывного действия, которые используются для варки хрустального, оптического и других специальных видов стекол. Для газовых печей энергетический КПД не превышает 25 %, для газоэлектрических достигает 35-40 %, для электрических печей составляет около 65-70 %.

Три основных источника энергии для производства стекла - природный газ, мазут и электричество. В первой половине XX века многие стеклодувы использовали генераторный газ, полученный в результате реакции воздуха и воды с раскаленным углем, теплотворная способность которого превышала аналогичный показатель угля.

Природный газ - основное топливо, используемое в российской стекольной промышленности, главным образом из-за его экономичности и экологичности по сравнению с жидким топливом, а также технологичного контроля процесса горения. Большинство видов жидкого топлива, используемых для стекловарения, нуждаются в предварительном нагреве до 110-120 °C, с тем чтобы снизить вязкость для заливки в емкости при транспортировке и распылении через наконечники горелок.

Электричество можно использовать как эксклюзивный источник энергии или в сочетании с ископаемым топливом. Электричество может быть использовано для получения энергии тремя основными способами: резистивным нагревом, когда через расплавленное стекло пропускают ток с помощью погруженного в расплав электрода; индукционным нагревом, при котором тепло индуцируется изменением окружающего магнитного поля; и использованием нагревательных элементов. Резистивный нагрев - единственный метод, нашедший коммерческое применение в стекольной промышленности.

2.1.3.1 Регенеративные и рекуперативные газовые печи

Стекловаренные печи, использующие в качестве основного энергоносителя природный газ, снабжены системами его подачи и отвода продуктов горения. Для подачи газа и воздуха на горение применяют два типа теплообменников: регенераторы и рекуператоры.

Регенератор - это камера, внутри которой находится насадка из огнеупорного кирпича с системой отверстий. При прохождении через насадку отработанных дымовых газов сверху вниз кирпичи нагреваются и затем отдают тепло пропускаемому снизу-вверх воздуху, нагревая его до 1200-1350 °C. Система управления переключает газовые потоки в парах горелок таким образом, чтобы одна работала на подачу воздуха для горения топлива, а вторая - на отвод продуктов горения, которые нагревают насадки. Через фиксированный промежуток времени (обычно 20 минут) происходит переключение газовых потоков, и тогда через вторую насадку идет воздух для горения, а первая насадка регенератора нагревается отходящими газами. Регенеративная печь имеет две регенерационные камеры; в то время как одна камера нагревается отходящим газом от сгоревшего топлива, другая подогревает поступающий для горения воздух.

В регенеративной печи с поперечным направлением пламени отверстия для сжигания и горелки установлены вдоль печи, регенераторные камеры расположены по обеим сторонам печи и соединяются с ней через входные горловины. Пламя проходит над расплавленным материалом в сторону расположенных на противоположной стороне отверстий. Количество используемых отверстий (до восьми) зависит от размера печи и особенностей ее конструкции. Некоторые большие печи могут иметь отдельные для каждого порта горелки камеры регенератора.

Этот тип конструкции, эффективно использующий несколько горелок, особенно подходит для больших установок типа флоат, обеспечивающих изменение температуры по длине печи, что необходимо для стимуляции необходимых конвекционных потоков в расплаве стекла.

В регенеративной печи с подковообразным пламенем принцип работы такой же; в то же время две регенеративные камеры расположены на одном конце печи, каждая с одним отверстием. Пламя образует U-образную форму, возвращаясь в соседнюю камеру регенератора через второе отверстие. Такая компоновка обеспечивает большую экономичность регенератора, чем конструкция с поперечным пламенем, но имеет меньшую гибкость для регулировки температурного профиля печи и, следовательно, более применима для производства тарного стекла.

В целом печи с подковообразным пламенем более энергетически эффективны, чем печи с поперечным пламенем, по двум основным причинам: во-первых, снижаются потери энергии через меньшее количество отверстий горелки; во-вторых, время пребывания продуктов сгорания в печи с подковообразным пламенем выше, чем в печи с поперечным пламенем, что дает больше времени для излучения энергии на стекломассу.

Рекуператор - это теплообменник, в котором отходящие газы непрерывно подогревают систему подачи воздуха на горение и через нее сам воздух до температуры 800 °C. Конструктивно рекуператоры более массивны и занимают больше места. Рекуперативные печи выгодно использовать там, где масштаб производства слишком мал, чтобы сделать использование регенераторов экономически целесообразным, и где необходимо минимизировать первоначальные затраты.

Регенеративная стекловаренная печь с поперечным направлением пламени состоит из собственно ванны со сводом, нескольких пар горелок, расположенных по обеим сторонам печи, системы загрузки сырьевых материалов и выработочного канала (см. рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Регенеративная стекловаренная печь с поперечным направлением пламени

Факел пламени горелок имеет конусообразную форму, настильно располагается над расплавом и перекрывает все пространство между двумя соседними парами. Отвод отработанных дымовых газов из регенераторов происходит по системе дымоходов, расположенной под стекловаренной печью, соединенной с общей дымовой трубой.

Преимущество печей с поперечным направлением пламени состоит в том, что для каждой пары горелок можно задавать свое соотношение газ/воздух, поддерживать необходимую температуру на каждом участке печи и, следовательно, регулировать скорость и направление конвективных потоков стекольного расплава, что весьма важно для больших печей.

В стекловаренной регенеративной печи с подковообразным направлением пламени две пары горелок с регенераторами расположены в одном конце печи. Факел пламени каждой горелки имеет U-образную (подковообразную) форму. Таким образом, каждая работающая горелка обогревает все пламенное пространство печи (рисунок 2.3). Стекломасса, полученная в таких печах, характеризуется меньшей степенью гомогенизации, чем в печах с поперечным направлением пламени. Такие конструкции идеальны для стекловаренных печей средних размеров, используемых, например, для производства тарного стекла, поскольку стеклянная тара, в отличие от листового стекла, не нормируется по светопропусканию.

Рисунок 2.3 - Регенеративная стекловаренная печь с подковообразным направлением пламени

Для повышения качества стекломассы в печах с подковообразным направлением пламени рекомендуют использовать дополнительный электроподогрев - локальный подвод дополнительного тепла к расплавленному стеклу в стекловаренной печи путем установки электродов в боковых стенках (горизонтальные электроды) или в дне (вертикальные электроды) зоны максимальной температуры. Технология может быть применена в разные сроки эксплуатации печи, например, для поддержания уровня удельного съема стекломассы по мере приближения окончания кампании.

Дополнительный электроподогрев может также использоваться при производстве цветного стекла из-за пониженной теплопроводности зеленых и коричневых стекол.

Печи с использованием кислорода для горения основного газового топлива предусматривают полную или частичную замену воздуха, подаваемого на горение газа кислородом. Такая замена преследует две цели. Первая - экономическая (избавиться от громоздких регенераторов), вторая - экологическая (уменьшить содержание оксидов азота в отходящих газах). Кроме того, при использовании очищенного кислорода удается достичь высоких температур при меньшем количестве газа, подаваемого на горение топлива, и увеличить полноту его сгорания.

Как правило, такие печи имеют стандартную базовую конструкцию, однако в них вместо регенераторов и рекуператоров стоят скромные по размерам системы питания газовых горелок кислородом. Печи с газокислородным пламенем используют в малотоннажных производствах специальных стекол, например, для выпуска стекловолокна. Широкому распространению подобных технологий для производства других видов продукции препятствует повышенная опасность при работе с кислородом, хотя экологический выигрыш при их использовании не подвергается сомнению [33].

2.1.3.2 Электрические печи прямого нагрева

Электрические печи для стекловарения - самые эффективные и экологически безопасные в настоящее время. Существуют два основных типа электрических печей прямого нагрева: вертикальные и горизонтальные, которые различаются по направлению движения стекломассы от загрузки к выработке. Наибольшее распространение в практике стекловарения получили печи вертикального типа (см. рисунок 2.4).

Загрузка шихты в таких печах производится на зеркало наваренной стекломассы, т.е. запуск электрической печи осуществляется с помощью газовых горелок, расположенных на уровне загрузочного кармана, назначение которых - расплавить определенное количество шихты и обеспечить необходимый объем расплава для погружения электродов.

Нагрев стекломассы производится за счет погруженных в нее электродов, расположенных парами с двух сторон в средней части варочной зоны печи. Соответственно, температурный максимум находится вблизи электродов и составляет не менее 1500 °C, а температура в загрузочной и придонной частях несколько ниже. Для более равномерного провара порций шихты, поступающих на поверхность сваренной стекломассы, используют загрузчики с разравнивающими устройствами.

Рисунок 2.4 - Электрическая стекловаренная печь прямого нагрева вертикального типа

Шихта постепенно плавится, однако поверхностный слой остается слабо нагретым, улетучивание из такого слоя минимально, следовательно, практически отсутствует коррозия огнеупоров. Кроме того, свод печи в зоне загрузки остается холодным (поэтому печи прямого нагрева часто называют печами с холодным сводом).

Горячая стекломасса в зоне варки движется сверху вниз и попадает в пережим между варочной и выработочной камерами. Для более точного поддержания температуры в зоне выработки в пережиме ставится дополнительный электрод. Иногда, чаще всего при ручной выработке изделий, дополнительные газовые горелки ставят в выработочной зоне. В зависимости от состава стекла и окислительно-восстановительных свойств расплавов используют оксидно-оловянные (для варки хрусталя), графитовые или молибденовые (для варки листового, тарного, сортового стекла) электроды.

Электрические печи обычно применяют для варки специальных стекол, главным образом из-за высокой стоимости электроэнергии, хотя тепловые потери в них гораздо меньше; также меньше вредных выбросов, как твердых, так и газообразных [34].

2.1.3.3 Печи периодического действия

Печи периодического действия традиционно используют там, где отсутствует экономическая целесообразность поддержания непрерывного цикла работы, а также при необходимости изготовления небольших партий стекол разного цвета, состава и т.д. Существуют горшковые и малые ванные печи периодического действия, чаще всего использующие природный газ в качестве основного теплоносителя. Многие подобные технологические агрегаты не входят в сферу действия данного справочника по причине малой (менее 20 т/день) производительности.

В горшковых печах может устанавливаться от 6 до 12 стекловаренных горшков, а подвод пламени осуществляться как снизу, так и сверху. Емкость каждого стекловаренного горшка составляет 50-500 кг со сроком эксплуатации 2-3 мес. при условии непрерывной работы. В такой печи можно одновременно варить стекла разных составов, при условии совпадения температурно-временных режимов и окислительно-восстановительных условий варки.

Используются два типа горшков: открытые и закрытые. Открытые горшки не имеют крышек, а стекло открыто для атмосферы печи. Закрытые горшки имеют единственное отверстие для сбора стекла. При открытых горшках температура регулируется растопкой печи, в закрытых горшках обжиг происходит с постоянной скоростью, а температура регулируется открытием сборного отверстия.

Печь нагревается 24 часа в сутки, но температура меняется в соответствии с фазой производственного цикла. Как правило, партия загружается в горшки ближе к вечеру, затем тает, в ночь температуру повышают, чтобы очистить расплав, и с утра стекло готово к обработке. Во время плавления температура поднимается до 1300-1600 °C, в зависимости от типа стекла, а в начале цикла опускается до 900-1200 °C.

Ванные печи периодического действия позволяют изготавливать до 10 т стекломассы в сутки. Конструктивно они очень похожи на печи непрерывного действия. Их работа рассчитана на суточный цикл, плавка обычно проводится ночью, и стекло поступает в производство на следующий день. Ванные печи позволяют плавить менять тип стекла за короткое время, они используются прежде всего для варки различных цветных, хрустальных и оптических стекол, специальных составов и фритт (керамическая и эмалевая фритта) [35].

2.1.3.4 Использование кислорода в качестве окислителя при работе печи

Метод использует для процесса горения кислород вместо воздуха (содержание кислорода в газовой смеси более 90 %). Удаление большей части азота из атмосферы горения уменьшает объем дымовых газов, которые почти полностью состоят из углекислого газа и водяного пара, на 65 %. Это обеспечивает экономию энергии, поскольку нет необходимости нагревать значительную долю инертного компонента атмосферы до температуры пламени. Образование оксидов азота в дымовых газах значительно уменьшается, потому что оставшимися источниками в атмосфере горения являются небольшая доля азота в кислородной смеси, следы азота в топливе, азот от разложения нитратов и несанкционированное поступление воздуха со стороны.

Как правило, кислородно-топливные технологические агрегаты обладают той же конструкцией, что и обычные стекловаренные печи, имеют несколько боковых горелок и одно выпускное отверстие для отработанных газов. Однако печи, рассчитанные на сжигание в кислороде, не используют системы рекуперации тепла для его предварительного нагрева.

Хотя кислородно-топливная технология горения хорошо зарекомендовала себя в некоторых секторах стекольной промышленности (непрерывное стекловолокно, некоторые специальные типы стекла), в других секторах она по-прежнему считается всего лишь перспективной из-за потенциально высоких финансовых рисков. Проводятся различные опытно-конструкторские разработки, в результате которых эта технология получает все более широкое распространение [36].

При кислородно-топливном сжигании наблюдаются значительные изменения в характеристиках плавления. Требуются некоторая модификация конструкций существующих печей, применение более коррозионностойких огнеупорных материалов пламенного пространства печи.

Сегодня большая часть высококачественных специальных изделий из стекла, таких как стекло для ЖК-дисплеев и стекловолокно, выплавляется в кислородно-топливных печах. Однако переход больших печей для производства флоат-стекла на кислородно-топливное горение пока что ограничен примерно десятью установками по всему миру из-за увеличения себестоимости при использовании кислорода.

Ключевым фактором улучшения экономических показателей кислородно-топливного сжигания является улучшение эффективности технологий разделения воздуха и утилизации отработанного тепла. Использование водорода и возобновляемых видов топлива для горения с кислородом дает существенный потенциал для сокращения выбросов CO ₂.

2.2 Технологические процессы производства листового стекла

В настоящее время наиболее распространенным процессом производства листового стекла является флоат-процесс.

Флоат-процесс представляет собой непрерывное круглосуточное производство. Основной принцип флоат-процесса заключается в формовании расплавленной стекломассы на поверхности расплавленного олова под действием сил поверхностного натяжения.

Для выпуска большей части листового стекла используется состав стекла, приведенный в таблице 2.4 [29]. Флоат-стекло получают в стекловаренных регенеративных печах с поперечным направлением пламени. Схема технологического процесса представлена на рисунке 2.5.

Таблица 2.4 - Типовой химический состав листового стекла

Компонент	Массовая доля, %
Диоксид кремния (SiO 2)	71-74
Оксиды натрия и калия (Na 2O, K 2O)	12,5-15
Оксид кальция (CaO)	6-9
Оксид магния (MgO)	< 5
Оксид алюминия (Al 2O 3)	< 1,1
Оксид серы (VI), SO 3	< 0,35

Флоат-ванна (ванна расплава) представляет собой тепловой агрегат, состоящий из верхнего и нижнего металлических корпусов. Нижний корпус футерован огнеупорными блоками и заполнен расплавленным оловом. Внутри верхнего корпуса на специальной конструкции подвешиваются огнеупорные блоки, а также элементы системы нагрева свода ванны расплава. Для герметизации внутреннего пространства между верхним и нижним корпусом установлены уплотнительные вставки ванны расплава. Для предотвращения окисления олова внутрь ванны расплава подается защитная атмосфера, состоящая из инертного газа азота (90-99 %) и водорода (1-10 %).

Расплавленная стекломасса вытекает из печи вдоль канала с огнеупорной футеровкой, который может дополнительно подогреваться для обеспечения необходимой температуры. В конце канала стекломасса выливается в ванну расплава через специальный огнеупорный переливной брус, который обеспечивает правильное растекание стекломассы. Поток стекломассы управляется посредством регулируемого подвесного огнеупорного шибера в канале (передний шибер). В месте, где стекломасса первоначально соприкасается с оловом, температура олова составляет приблизительно 1000 °C; на выходе из ванны расплава температура снижается примерно до 600 °C. По мере того, как стекломасса проходит по поверхности расплавленного олова, она приобретает практически идеальную ровную поверхность.

Рисунок 2.5. - Схема технологического процесса производства листового стекла

Внутри флоат-ванны находятся несколько пар верхних роликов с водяным охлаждением; изменяя их количество и параметры работы, такие как скорость вращения, угол разворота, заглубление, получают ленту стекла необходимой толщины и ширины. Эти ролики захватывают лист стекла с обоих краев зубчатыми колесами и вытягивают по длине и ширине. Скорость потока стекла и скорость вращения роликов помогают регулировать толщину стекла, как правило, от 1,5 до 19 мм. Расплавленная стекломасса на поверхности олова имеет определенную равновесную толщину, зависящую от химического состава и температуры, которая составляет около 7 мм. Для получения стекла толщиной более 12 мм устанавливают специальные графитовые барьеры.

На выходе из флоат-ванны стеклянная лента отрывается от поверхности олова подъемными роликами и проходит в печь отжига (лер). В начале лера обе стороны ленты подвергаются обработке диоксидом серы SO ₂, в результате чего обеспечивается защита поверхности стекла от контакта с направляющими роликами. Лер разделен на секции, в которых с различной скоростью проходит охлаждение ленты стекла. Таким образом, стекло постепенно охлаждается от 600 до 60 °C, чтобы снизить остаточные напряжения, возникающие в процессе формования, до приемлемого уровня. Эта операция требует времени и места, и, обычно линия "флоат-ванна и лер" имеет протяженность около 200 метров до линии резки стекла.

Охлажденная лента стекла разрезается перемещающимся роликами на заданные форматы. Края ленты, на которых находятся отпечатки зубцов роликов, отрезаются и повторно используются в производстве в качестве стеклобоя. Затем стеклянные листы проверяются, упаковываются и хранятся либо для продажи, либо для последующих переделов.

Для улучшения потребительских характеристик на стекло в постоянном режиме могут наноситься покрытия, например, низкоэмиссионные (энергосберегающие) [37], многофункциональные, солнцезащитные. Учитывая высокую теплопроводность стекла, применение этих технологий дает возможность сократить затраты на поддержание комфортной температуры в помещении, что обеспечивает значительную экономическую и экологическую эффективность на протяжении всего жизненного цикла продукции.

Стекло с твердым покрытием (CVD) - это высококачественное стекло с покрытием, нанесенным на его поверхность. Многоступенчатое металлизированное покрытие методом пиролиза наносится на поверхность стекла в момент, когда стекло все еще имеет очень высокую температуру (более 600 °C). Так как стекло представляет собой аморфное вещество, молекулы кристаллической решетки которого при такой температуре сильно удалены друг от друга, то происходит проникновение молекул металлизированного покрытия в глубь кристаллической решетки стекла. Покрытие как бы ламинируется слоем металла, что делает его очень устойчивым, чрезвычайно механически прочным и постоянным. Такое покрытие принято называть "твердым". Твердые покрытия, изготовленные по технологии CVD, сохраняют свойства в течение длительного времени.

Стекло с мягким покрытием (PVD) - это высококачественное стекло с покрытием, нанесенным на одну поверхность стекла в условиях вакуума методом магнетронного распыления материала катода с последующей конденсацией его на поверхности стекла в виде наноструктурной пленки заданного химического и стехиометрического состава. На стекло наносятся слои материала с определенной последовательностью, которые в свою очередь придают стеклу необходимые характеристики.

Стекло с низкоэмиссионным и многофункциональным мягким покрытием используется только в составе стеклопакета покрытием внутрь. Это объясняется тем, что основной слой, придающий этим стеклам нужные характеристики, в данном случае серебро, подвержен воздействию атмосферной влаги и воздуха, которые окисляют серебро, и покрытие теряет свои свойства. Отсюда и особые требования к низкоэмиссионным и многофункциональным стеклам: хранение в герметичной упаковке и ограниченный срок монтажных работ в открытой среде. Вместе с тем в среде инертного газа низкоэмиссионные и многофункциональные покрытия защищены от окислительного воздействия кислорода воздуха и способны сохранять работоспособность вплоть до разгерметизации стеклопакета.

Процесс нанесения покрытия обычно состоит из двух отдельных стадий: грунтовки и собственно нанесения покрытия. Технология пока еще не получила широкого распространения в силу экономических причин.

2.3 Технологические процессы производства стеклянной тары

Процесс производства стеклянной тары представляет собой непрерывное круглосуточное производство.

Процесс стекловарения - это комплекс физико-химических реакций, явлений массообмена и теплообмена, в результате которых шихта превращается в расплавленную стекломассу под воздействием высоких температур, создаваемых в стекловаренной печи за счет сжигания природного газа или других источников энергии.

Процесс подготовки стекломассы осуществляется в выработочном канале стекловаренной печи, питателях стекломассы (фидерах) и включает в себя охлаждение стекломассы до температуры формования, гомогенизацию по температуре и подачу в стеклоформующий автомат порции стекломассы определенной массы и формы в строго определенный момент.

Для выпуска большей части стеклотары используется состав стекла, приведенный в таблице 2.5 [31]. Схема технологического процесса представлена на рисунке 2.6.

Таблица 2.5 - Типовой химический состав стеклянной тары

Компонент	Массовая доля, %
Оксид кремния (SiO 2)	71-73
Оксид натрия (Na 2O)	12-14
Оксид кальция (CaO)	9-12
Оксид магния (MgO)	0,2-3,5
Оксид алюминия (Al 2O 3)	1-3
Окись калия (K 2O)	0,3-1,5
Оксид серы (SO 3)	0,05-0,3
Красители, осветлители и обесцвечиватели	0,2-3

Стекловарение производится в ванной печи (регенеративной печи непрерывного действия с поперечным или подковообразным направлением пламени, рекуперативной печи и т.д.). Окраску стекломассы можно производить непосредственно, добавляя краситель в шихту, выработочный канал или питатель стекломассы. Необходимо учитывать, что для равномерной окраски стекломассы необходимо выдержать три обязательных параметра: температура стекломассы, время (продолжительность) окрашивания (дозирования) и интенсивность (качество) перемешивания. Для некоторых цветовых решений важным показателем окрашивания является поддержание определенной окислительной среды в атмосфере питателя.

Рисунок 2.6 - Схема технологического процесса производства стеклянной тары

В канале питателя могут быть установлены дренажная система для удаления загрязненной стекломассы (которая может быть использована повторно) и дополнительное перемешивающее устройство - система мешалок, осуществляющая перемешивание стекломассы, обеспечивая ее однородность. Конструкция питателя может обеспечить формирование от одной до четырех капель единовременно, в зависимости от конструкции стеклоформующей машины.

Основными способами формования стеклянной тары являются выдувание (BB) и прессовыдувание (PB, NNPB) стекла [29].

Гранулят и отходы формования относятся к возвратному стеклобою. Отформованная стеклянная тара подается в печь отжига. Отжиг - процесс охлаждения отформованной тары до температуры окружающей среды, при котором уменьшаются остаточные напряжения и предотвращается возникновение временных разрушающих напряжений. Основной нагрев рабочего пространства печи отжига обеспечивается поступающими на отжиг изделиями для достижения кривой отжига за счет подогрева природным газом или электричеством.

Схематично способы формования показаны на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 - Способы формования стеклянной тары NNPB, PB

Для повышения эксплуатационной надежности на поверхность стеклянной тары до загрузки в печь отжига и после печи отжига наносятся упрочняющее и защитное покрытия. Процесс упрочнения поверхности стеклотары "горячим" методом состоит в нанесении защитного оксидно-металлического покрытия на наружную поверхность стеклотары. В результате взаимодействия продуктов испарения рабочего реагента с поверхностью тары образуется защитная пленка, которая выравнивает поверхность, чем увеличивает на 15-20 % устойчивость стеклотары к механическому воздействию. Процесс нанесения покрытия на "холодном конце" состоит в нанесении на поверхность стеклотары защитного покрытия путем распыления форсунками полимерных композиций на водной основе. Такая обработка поверхности стеклотары снижает коэффициент трения, исключает потертости на наружной поверхности стеклотары.

В последнее время получили развитие технологии обработки внутренней поверхности стеклянной тары при горячем упрочнении (например, диоксидом серы SO ₂), которые позволяют добиться снижения выщелачивания, а также повышенных прочностных характеристик при меньшей толщине стенок бутылки, тем самым сокращая расход стекломассы, улучшая показатели ресурсной и энергетической эффективности в пересчете на единицу изделия [38].

Нанесение оксидно-металлических покрытий на горячем участке и полимерных композиций на холодном участке производственных линий может повлечь за собой выбросы дыма и паров, прежде всего соляной кислоты HCl и соединений олова (титана).

После рассортировки годная стеклянная тара поступает на линию упаковки, где собирается в паллеты с применением термоусадочной полиэтиленовой пленки. Упакованная стеклотара отправляется на склад готовой продукции для хранения и последующей реализации.

2.4 Технологические процессы производства сортового стекла

Производство сортового стекла является одним из наиболее диверсифицированных секторов в стекольной промышленности и охватывает широкий диапазон продукции, а также технологических процессов, начиная от сложных ручных операций по выпуску отдельных изделий из декоративного хрусталя и заканчивая большими объемами продукции с использованием высокомеханизированных методов для производства недорогих потребительских товаров массового спроса. Большая часть стеклянной посуды производится из натрий-кальций-силикатного стекла, имеющего состав, подобный составу тарного стекла (см. таблицу 2.5), но более сложный, что обусловлено особыми требованиями к внешнему виду и качеству продукции и более разнообразными процессами формования. Схема технологического процесса производства сортового стекла представлена на рисунке 2.8.

Процесс формования может быть ручным, полуавтоматическим и реализованным с применением стеклоформующих машин. В последнем случае стекло из печи подается через один или более выработочных каналов в стеклоформующую машину (СФМ), где изделия формуются с использованием форм. Техника точности формования зависит от размера изделия, подлежащего изготовлению. Существуют четыре основных метода формования: прессовыдувание, выдувание, прессование и вытягивание (вытягивание по-другому называется центробежным формованием, когда капля стекломассы, вращаясь в форме, растекается до состояния готового изделия под действием центробежных сил). Первые два метода применяются также при производстве стеклотары (см. раздел 2.3) [29].

Процесс прессования сравнительно прост, он применяется для совсем мелких изделий, у которых горлышко шире основания или равно его ширине. Такой процесс прессования показан на рисунке 2.9. Входная температура расплавленного стекла изменяется в зависимости от состава, но для натрий-кальциевого стекла она обычно составляет 1150 °C.

Рисунок 2.8 - Схема технологического процесса производства сортового стекла

Рисунок 2.9 - Процесс прессования для формования изделий из стекла

Процесс вытягивания показан на рисунке 2.10. Он применяется для получения изделий круглого сечения, таких как тарелки и мелкие чаши (миски). Каплю стекла опускают в форму, которая затем вращается, и изделие формируется в результате действия центробежной силы.

Отформованные изделия обычно подвергают огненной полировке для достижения требуемого качества поверхности, оплавке края (кромки) изделия и отжигают. Кромка изделия обрабатывается высокотемпературным пламенем за счет сжигания газокислородной или кислородоводородной смеси. После огненной полировки изделия пропускают через печь отжига, и на их поверхности могут наноситься покрытия. В ряде случаев изделия пропускают не через печь отжига, а через линию закалки, чтобы повысить их механическую устойчивость и термостойкость.

Рисунок 2.10 - Процесс вытягивания для формования изделий из стекла

Для изделий ручной работы с помощью трубки получают небольшую заготовку, пульку, которая для получения нужной формы формуется с использованием деревянных или металлических форм. Изделия переносят в печь отжига, чтобы исключить любые внутренние напряжения. При полуавтоматическом производстве некоторые этапы процесса (комплектование, формовка и обработка) выполняются с помощью машин или роботов.

Отделка полученных изделий может включать целый ряд операций. Огранка предусматривает нанесение заранее выбранного резного орнамента на изделия из простого стекла с помощью шлифовального круга, шаржированного алмазом. После огранки стекло приобретает сероватый оттенок, и его поверхность имеет необработанный вид. Поверхность стекла восстанавливается в ее первоначальном виде в результате погружения стекла в полировальную ванну с фтористоводородной и серной кислотами.

Для создания художественной выразительности может использоваться большое разнообразие технических приемов. Они включают декорирование с использованием эмалей, обработку с помощью пескоструйных аппаратов либо травления кислотой, а также гравирование. Объемы выбросов в результате этих операций небольшие в сравнении с основными производственными стадиями [39].

Следует отметить еще одну особенность: практически весь объем собственного стеклобоя (до 60 % от объема сваренной стекломассы) используется вторично, а ограничения по качеству обычно не позволяют использовать внешний стеклобой.

2.5 Технологические процессы производства стекловолокна

Стеклянные волокна существенно отличаются друг от друга по своим физико-химическим характеристикам. Для композиционных материалов для ответственных применений используют только стеклянные волокна, имеющие соответствующие физико-химические свойства. Химический состав стекловолокон приведен в таблице 2.6.

Таблица 2.6 - Химический состав стеклянных волокон

Оксиды	Оксиды, масс. %
	E-стекло	R-стекло	ECR-стекло	Advantex	S-стекло
SiO 2	55,0	60,0	58,4	61,0	64,7
Al 2O 3	14,0	24,4	11,1	13,0	25,0
TiO 2	0,2	-	2,4	-	-
B 2O 3	7,0	-	-	-	-
CaO	22,0	9,0	21,4	22,5	-
MgO	1,0	6,0	2,7	3,0	10,0
ZnO	-	-	2,7	-	-
Na 2O	0,5	0,5	0,8	-	0,3
K 2O	0,3	0,1	0,1	0,5	-

E-стекло (E - Electric (электротехническое)) представляет собой алюмоборосиликатное стекло с низкой долей оксидов щелочных металлов (< 2 масс. %) и хорошими электроизолирующими свойствами. Волокна из E-стекла являются особенно приемлемыми для изготовления печатных плат и армирования пластмасс. Термостойкость E-стекла (определяемая температурой стеклообразования) является неудовлетворительной и составляет меньше 680 °C. Большим недостатком E-стекол является их низкая кислотостойкость (кислотостойкость класса 4).

R-стекло (R - Resistant (стойкое)) представляет собой щелочноземельноалюмосиликатное стекло. Температуры стеклообразования и размягчения данного стекла составляют приблизительно 730 °C и 950 °C соответственно. Подобные стекла, такие как, например, стекло Supremax , вследствие их низкого коэффициента температурного расширения применяют в качестве стекла для термометров. Волокна из R-стекла применяют в областях, предъявляющих высокие механические и термические требования. Волокна из R-стекла обладают также достаточно высокой прочностью при растяжении при повышенной температуре.

ECR-стекло (ECR - E-Glass Corrosion Resistant (коррозионностойкое E-стекло)) представляет собой не содержащее бора алюмокальций-силикатное стекло с низкой долей оксидов щелочных металлов. Волокна из ECR-стекла обладают высокой кислотостойкостью и хорошими механическими и электрическими свойствами. Их применяют для ответственного армирования пластмасс.

Стекло Advantex  - модификация ECR-стекла с очень низкой долей оксидов щелочных металлов и улучшенными физико-химическими свойствами. Долговременная термостойкость данного вида стеклянных волокон составляет приблизительно 740 °C.

S-стекло (S - Strength (прочность, прочное)) представляет собой магнезиальноалюмосиликатное стекло. Данное стекло было разработано в качестве специального стекла, удовлетворяющего высоким механическим требованиям, в частности, при повышенной температуре и содержит более 10 мол. % Al ₂O ₃.

Свойства различных типов стекловолокна в сравнении с E-стеклом представлены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 - Свойства высококачественных стекловолокон

Параметры	Виды стекловолокна
	E-стекло	R-стекло	ECR-стекло	Advantex	S-стекло
Плотность, кг/м 3	2620	2550	2670	2620	2480
Коэффициент температурного расширения, K -1
Температура размягчения, °C	850	950	880	915	1050
Предел прочности при растяжении, МПа	3450	3400	3450	3500	4890
Модуль упругости, ГПа	72,0	85,0	72,0	81,0	87,0
Относительное удлинение, %	4,8	4,6	4,8	4,6	5,7
Диэлектрическая проницаемость при 1 МГц	6,6	6,0	6,9	6,8	5,3

Как следует из таблицы 2.7, волокна из S-стекла обладают сравнительно лучшими механическими свойствами. Химическая стойкость и термостойкость данных волокон также являются очень хорошими.

Традиционное S-стекло представляет собой магнезиально-алюмосиликатное стекло, которое было разработано в качестве специального стекла, удовлетворяющего высоким механическим требованиям, в частности при повышенной температуре.

Хотя стекла, представляющие собой тройные системы MgO-Al ₂O ₃-SiO ₂, легко затвердевают до стекловидного состояния, но при последующей термической обработке они проявляют склонность к кристаллизации и разделению фаз.

Если S-стекла подвергаются термическому воздействию, то происходят выделение каплеобразной фазы силикатного стекла с высоким содержанием MgO и Al ₂O ₃ и кристаллизация. Данное обстоятельство представляет собой большой недостаток традиционного S-стекла и произведенных из него изделий.

В тройных системах MgO-Al ₂O ₃-SiO ₂ могут кристаллизоваться, в частности, муллит 3Al ₂O ₃  2SiO ₂, форстерит 2MgO  SiO ₂, шпинель MgO  Al ₂O ₃, кордиерит 2MgO  2Al ₂O ₃  5SiO ₂ и периклаз MgO.

Разделение фаз и процессы кристаллизации ведут к сильному уменьшению прочности волокна, хрупкости и разрушению волокна (к поперечной фрагментации). Стойкость к температурным перепадам волокон из S-стекла является также неудовлетворительной. Другим большим недостатком волокон из S-стекла является относительно высокая цена. Вследствие этого по соображениям целесообразности такой сорт волокон находит применение только в немногих областях.

Другой вид волокон, применяемых для ответственного армирования пластмасс, представляет собой стекловолокно из стекла Advantex , не содержащего бор. Хотя волокна из стекла Advantex  обладают по сравнению с S-стеклом более низкой прочностью и более низкой термостойкостью, но их склонность к кристаллизации является сравнительно низкой.

Некоторые технологические процессы и оборудование для производства стекловолокна (представлены на рисунке 2.11) имеют достаточно существенные отличия от других способов производства стеклоизделий, поэтому подробно описаны ниже в настоящем разделе.

Приготовление шихты. Технологический процесс приготовления шихты включает в себя транспортировку обработанных (если это необходимо) сырьевых материалов, дозировку, взвешивание и смешивание их до получения однородной смеси. Сырьевые материалы, входящие в состав шихты, пневмотранспортом, элеваторами или шнековыми транспортерами подаются в расходные бункеры весовой линии участка приготовления шихты.

Расходные бункеры весовой линии рассчитаны на хранение запаса сырья и оснащены сигнализаторами минимального и максимального уровней. Они также оснащены бункерными фильтрами для сброса воздуха от пневмотранспорта. Контроль всех сырьевых материалов производится из бункеров на весовой линии.

Сырьевые материалы из расходных бункеров (силосов) при помощи шнековых дозаторов подаются в весовые бункера. Бункеры установлены на тензометрических датчиках, осуществляющих контроль веса (массы). Сигнал с них поступает на цифровой преобразователь, находящийся на пульте управления весовой линией. Таким образом, при помощи данного контура осуществляется контроль дозирования сырьевых материалов.

Высыпание из весового бункера на ленточный конвейер отвешенных сырьевых материалов осуществляется при помощи заслонок. Высыпание на ленту происходит одновременно из всех бункеров.

По ленточному конвейеру отвешенные сырьевые материалы попадают в смеситель блендерного типа, где идет смешивание всех компонентов шихты.

Рисунок 2.11 - Схема технологического процесса производства стекловолокна

После смешивания готовая шихта подается в накопительные бункеры участка производства стеклянных искусственных волокон [40].

Транспортировка и загрузка шихты в ванну печи. Накопительные бункеры отделения стекловарения оснащены бункерными фильтрами для сброса воздуха от пневмотранспорта, сигнализаторами минимального и максимального уровней, а также шнекового дозатора у основания накопительного бункера. Подача шихты в накопительные бункеры осуществляется попеременно. Это достигается за счет дроссельного переключателя.

При помощи системы шнеков шихта попадает в расходные бункеры загрузчиков. Помимо расходного бункера, загрузчики оснащены шнеком, по которому шихта подается в стекловаренную печь, и швеллерной системой откатки загрузчиков на случай аварийных или плановых ремонтов. Так как загрузка шихты в стекловаренную печь ведется постоянно, все двигатели загрузочного узла оснащены инверторами, позволяющими регулировать загрузку шихты в зависимости от съема стекломассы.

Стекловарение. Осуществляется в рекуперативной печи прямого и электрического нагрева, состоящей из варочного бассейна и главного канала, разделенных проточной системой. Стены бассейна ванной печи и протока выполнены из хромоксидного огнеупора. Для снижения потерь тепла весь бассейн изолируется шамотным легковесом. Свод изолируется корундовым легковесом, волокнистой изоляцией и оцинкованными листами. Все элементы огнеупорной кладки ванной печи крепятся металлоконструкциями.

Печь отапливается природным газом и системой электроподогрева. Подача газа на горение производится через комбинированные горелки диффузионного типа. Печь условно разделена на две зоны: зону варки и зону осветления. Регулирование температуры осуществляется одновременно во всей печи. Разность температур в зонах достигается балансировкой между отдельными парами горелок.

С задней торцевой стороны печи расположен металлический рекуператор типа "труба в трубе". Для поддержания давления в стекловаренной печи в горловину рекуператора подается запорный воздух по трубам из жаростойкой нержавейки. Дымовые газы (продукты сгорания топлива) удаляются через влет задней торцевой стены в дымовой канал и далее через рекуператор в металлическую дымовую трубу, выполненную у основания в виде зонта.

Контроль температурного режима стекловарения осуществляется с помощью сводовых и донных термопар. Также предусмотрены следующие системы автоматического регулирования параметров:

- автоматическое поддержание заданного расхода газа;

- автоматическое поддержание заданного соотношения "газ/воздух";

- автоматическое поддержание заданной температуры;

- автоматическое поддержание уровня стекломассы в печи;

- автоматическое поддержание давления в печи.

Предусмотрена система автоматического сброса горячего воздуха на свечу, которая применяется для поддержания температуры и предотвращения перегрева рекуператора. В случае отключения какой-либо системы автоматического регулирования управление технологическим процессом осуществляется дистанционно. Для безопасного ведения технологического процесса стекловарения предусмотрены следующие системы аварийной и предупредительной сигнализации и блокировки:

- световая и звуковая сигнализация "Топливо-воздух" на случай отключения подачи газа или воздуха в ванную печь;

- блокировка подачи газа или воздуха в ванную печь при отсутствии одного из этих компонентов;

- световая и звуковая сигнализация при выходе из строя уровнемера;

- световая и звуковая сигнализация при увеличении или уменьшении уровня больше, чем на 1 мм;

- световая и звуковая сигнализация при перегреве рекуператора;

- световая и звуковая сигнализация при отклонении температуры от задания по своду и по дну;

- световая и звуковая сигнализация при аварии системы загрузки шихты.

С целью предотвращения разрушения огнеупорной кладки бассейна ванной печи предусмотрено естественное, а в дальнейшем и принудительное воздушное охлаждение, а при необходимости - и использование водяных холодильников.

Для выпуска стекломассы из ванной печи в конце кампании или при аварийных ситуациях под ванной печью предусмотрена специальная аварийная ванна, выложенная из огнеупорного кирпича.

Сваренная стекломасса из зоны осветления самотеком поступает через проток в главный канал и далее в фидерную систему. Каждая зона отопления имеет свою систему регулирования температуры, которая работает в автоматическом режиме.

Система включает в себя:

- контур регулирования температуры стекломассы;

- контур регулирования расхода топлива;

- контур регулирования соотношения "газ/воздух".

С целью стабильного и безопасного ведения технологического процесса предусмотрена световая и звуковая сигнализация при отклонении температуры с/массы от заданной на  5 градусов, "газ/воздух" на случай отключения одного из компонентов смеси и разрыва предохранительной мембраны на трубопроводе газовоздушной смеси.

Приготовление замасливателя, перекачка и система подачи замасливателя. Поверхность стеклянных волокон в процессе вытягивания покрывается замасливателем - сложной многокомпонентной стабильной водной дисперсией (эмульсией), содержащей до 90 % воды.

Основное назначение замасливателя - обеспечить смазку и защиту филаментных волокон и комплексных нитей от истирания, происходящего как во влажных условиях во время вытягивания нитей, так и в сухих условиях при трении волокон о детали оборудования в процессе текстильной переработки и в процессе производства стеклопластиковых изделий. Замасливающее покрытие должно образовывать на волокне гибкую, эластичную пленку, стойкую к истиранию и механическим воздействиям, склеивать элементарные волокна в нить, придавая ей компактность и целостность [40].

Толщина и свойства образующейся пленки зависят от количества нанесенного замасливателя и его состава. Компоненты, входящие в состав замасливателя, должны совмещаться друг с другом с образованием устойчивой эмульсии, иметь сродство к поверхности стеклянного волокна и обеспечивать химическую связь с полимерной матрицей в процессе производства стеклопластиковых изделий.

Приготовление замасливателя с использованием деминерализованной воды. Деминерализованная вода готовится на участке водоподготовки на установке системы обратного осмоса. Качество воды должно соответствовать требованиям инструкции на приготовление замасливателей и контролироваться один раз в квартал.

Перекачка замасливателя осуществляется по двум независимым системам (линиям A и B) в реакторную при помощи пневмонасоса. Каждый вид замасливателя перекачивается и хранится в отдельном реакторе при постоянном перемешивании и поддержании заданного диапазона температур. После каждой перекачки замасливателя происходит автоматическая промывка системы трубопровода.

В российских условиях в зимний период система трубопровода между участками приготовления и хранения замасливателя должна иметь электроподогрев. После каждой перекачки замасливателя трубопровод необходимо продуть сжатым воздухом.

Из расходных реакторов замасливатель подается в систему рециркуляции пневмонасосом под давлением. Для эффективного использования замасливателя установленные фильтры (сеточки) в ванночках замасливающего устройства необходимо регулярно промывать или менять на чистые.

Оборудование прядильной ячейки. Для выработки однопроцессных ровингов применяется оборудование, установленное на прядильных ячейках, размещенных под рабочими каналами фидерной системы в два яруса.

В комплект прядильных ячеек входит следующее оборудование:

- фильерные питатели;

- замасливающее устройство;

- наматывающие аппараты;

- вспомогательное оборудование (печные трансформаторы, подфильерные холодильники, монтажные рамы, форсунки для орошения подфильерной зоны, ванночка замасливающего устройства).

Для обеспечения устойчивого процесса выработки однопроцессных ровингов предусмотрены установка форсунок для орошения подфильерной зоны обессоленной водой и установка кондиционирования воздуха в производственном помещении.

Выработки однопроцессного стеклоровинга. Наматывающая машина используется для намотки стекловолокна из фильерных питателей. Она состоит из двух мотальных веретен (валов), которые закрепляются на роторном диске (ротационном), то есть поворотном столе машины. Волокно переходит с одного веретена на другое полностью автоматически.

Подготовленная в фидере стекломасса поступает через специальные щелевые огнеупорные камни в платинородиевые фильерные питатели, смонтированные в нижней части рабочих каналов фидеров. Температура питателей автоматически поддерживается постоянной с помощью регулятора температуры.

Стекломасса под действием гидростатического напора вытекает через фильеры, находящиеся в дне питателя, в виде струек, которые затем принудительно растягиваются в элементарные стеклонити заданного диаметра. Затем элементарные волокна обрабатываются замасливателем и, проходя через нитесборник, собираются и склеиваются в одну комплексную нить.

Сформированная стеклонить наматывается на бумажную манжету, одетую на вращающийся шпуледержатель наматывающего аппарата. После окончания намотки автоматически происходит перезаправка комплексной нити на пустую манжету, одетую на второй шпуледержатель наматывающего аппарата. Паковка с намотанной нитью при помощи манипулятора помещается на транспортную телегу и направляется на следующий технологический переход.

Выработка рубленых стеклонитей. Для выработки рубленых стеклонитей путем непрерывной прямой рубки применяется оборудование, аналогичное оборудованию для выработки стеклоровинга, за исключением наматывающего аппарата и дополнительных полиуретановых направляющих и оттягивающих роликов.

Для выработки рубленых стеклонитей путем непрерывной прямой рубки используется чоппер. Сформированная стеклонить через графитовый нитесборник, полиуретановый направляющий ролик на прядильной ячейке, графитовый направляющий ролик на чоппере заправляется в полиуретановые оттягивающие ролики чоппера. Затем система автозаправки чоппера с помощью графитового направляющего ролика забрасывает прядь стеклонити между режущей головкой и полиуретановым кольцом. Сформированные стеклонити с питателей, работающих на чоппер, равномерно распределяются через пальцы гребенки, проходят по поверхности полиуретанового кольца, направляются между режущей головкой и полиуретановым кольцом.

Ножи режущей головки, вдавливаясь в упругую поверхность полиуретанового кольца, рубят находящуюся между валиками стеклонить на отрезки, равные расстоянию между ножами. Рубленая стеклонить по рабочему желобу под действием силы тяжести падает в мягкий контейнер из полипропиленовой ткани (биг-бег), установленный на весовой платформе на поддоне. Биг-бег подвешивают на кронштейны, вставленные в раму, во избежание его падения. На весовой платформе установлен вибратор для уплотнения рубленых стеклонитей в биг-беге по мере его заполнения.

Процессы ткачества и производства изолирующих матов и плит обычно реализуются отдельно от заводов по производству стекловолокна и не имеют логической связи с данным справочником, так как используют собственные технологические процессы, не связанные с производством стекла.

2.6 Технологические процессы производства силиката натрия растворимого

Технологические процессы производства растворимых силикатов щелочных металлов описаны на примере силиката натрия растворимого, наиболее массового вида продукции данного типа. Силикат натрия является продуктом, отвечающим общей химической формуле Na ₂O*M SiO ₂, где M - силикатный модуль (см. таблицу 2.8). Наибольшим спросом пользуется продукт с M = 2,6  3,6, но в промышленном масштабе можно производить и силикат натрия с модулями в диапазоне M = 2  4 [23].

Таблица 2.8 - Типовой химический состав силиката натрия растворимого

Компонент	Массовая доля, %
Диоксид кремния SiO 2	65-80
Оксид натрия Na 2O	20-35

Рисунок 2.12 - Схема технологического процесса производства силиката натрия растворимого

Силикат натрия растворимый используется для изготовления жидкого стекла, замазок, литья, флотации, для производства катализаторов и адсорбентов, для производства сварочных электродов, для синтетических моющих средств и химических производств, белой сажи, для строительства, бумажного производства, для клеев, пропиток, покрытий и других целей.

Производство силиката натрия растворимого представляет собой процесс получения расплава стекломассы из шихты, содержащей песок и соду в заданных пропорциях, в ванной стекловаренной печи непрерывного действия с последующим резким охлаждением стекломассы (см. рисунок 2.12).

В основном для стекловарения используются печи регенеративного типа с подковообразным и поперечным направлением пламени.

Для формования применяются:

- современный сухой способ охлаждения готовой продукции с формированием гранул силиката натрия на пресс-формах конвейера;

- способ прямого охлаждения стекломассы водой.

Продукт, охлажденный последним способом, представляет из себя неоднородные куски и отличается высоким содержанием мелкой фракции. Имеются потери продукта за счет растворения и вымывания технической водой мелкой фракции. Техническая вода после охлаждения продукта имеет высокий показатель pH (9-11) и много взвешенных веществ. При перевозке продукции до потребителя насыщение продукта влагой и наличие мелкой фракции часто приводят к образованию монолита, что вызывает трудности при разгрузке и переработке [24, 29]. Существует несколько модификаций товарного продукта, которые имеют различную структуру (глыба, гранулят, порошок), а также различную влажность (сухой остаток в доле 37, 48, 58, 80, 100 %) [41].

2.7 Используемые системы менеджмента

Практически все предприятия отрасли, особенно те, в структуре продаж которых присутствует экспорт, сертифицированы в соответствии с требованиями систем менеджмента качества промышленных предприятий [42]. Предприятия, принадлежащие международным компаниям, согласно корпоративной политике, сертифицируются также по нормам систем экологического [43] и, в ряде случаев, энергетического менеджмента [44] и осуществляют деятельность, используя интегрированные системы управления, сочетающие выполнение требований вышеуказанных систем менеджмента, норм охраны труда и промышленной безопасности [45], местного законодательства. Предприятия, принадлежащие российским владельцам, также стараются учитывать регуляторные требования и рекомендации систем менеджмента в своей деятельности.

Использование интегрированных систем управления промышленными предприятиями дает возможность не только декларировать на рынках сбыта свою приверженность наилучшим практикам и получать преимущества при реализации своей продукции, но и получать экономическую, экологическую и социальную выгоду от их применения. Кроме этого, обеспечивается системный подход, дающий возможность преемственности достигнутых результатов и их постоянного улучшения [46].

Использование системы экологического менеджмента признается наилучшей доступной технологией (НДТ), а использование системы энергетического менеджмента считается перспективной технологией при производстве стекла.