Фізико-хімічні процеси, які відбуваються при варінні скломаси

 

Процес варіння скла являє собою складний комплекс фізико-хімічних перетворень, явищ тепло- та масообміну, в результаті яких сировинні матеріали – шихта перетворюється у розплав-скломасу із визначеними фізико-хімічними властивостями. Шихта під дією високих температур розплавляється, гомогенізується, охолоджується та поступає на виробляння.

В печах з чисто електричним нагріванням всі стадії варіння скла здійснюються за рахунок тепла, що виділяється у скляній масі при проходженні в ній електричного струму. Між електродами розвивається температура 1550 – 1600 ⁰С. Розподіл температур у скляній масі (в об’ємі ванни) і рух конвекційних потоків в цих печах залежить від розміщення, форми і навантаження електродів.

Температура скляної маси при проходженні струму між електродами – максимальна і знижується верх і вниз у басейні печі. Тепло, що передається від електродів до верху компенсує витрати тепла на нагрівання скляної маси, а також витрати, що пов’язані з виділенням тепла в навколишнє середовище. Тепло, що передається від електродів до низу компенсує витрати тепла в навколишнє середовище через будову печі (дно, стіни басейну). Температура скляної маси на дні басейну в електричних печах вища, а на поверхні скляної маси значно нижча порівняно з полум’яними печами.

Задана температура у виробній частині підтримується електричним нагріванням зверху електродами, що розміщені над скляною масою або нагріванням за рахунок згорання газоподібного палива.

Теплообмін в ванних печах з чисто електричним нагріванням суттєво відрізняється від теплообміну в полум’яних печах. В електричних печах відсутнє високотемпературне газове середовище і вогнетриви печі, що випромінюють тепло. Джерело тепла знаходиться всередині скляної маси. Шихта, що завантажується в піч, одержує потрібну кількість тепла через поверхню контакту з розтопленою скляною масою. Кількість тепла, що передається шихті від нижніх шарів розтопленої скляної маси, залежить від температури і складу скла.

 

Конструкційний розрахунок електричної печі

 

Площа дзеркала варочного басейна F_в визначається за формулою:

 

F_в = G / у,

 

де G – продуктивність печі, кг/доб.; у – питоме знімання скломаси з 1 м² басейна. Залежить від температури варіння.

F_в = 712 / 80 = 8,9 м²

Ширина варильного басейна N = 1,8 м, тоді довжина варильного басейна печі буде:

 

l = F / N = 8,9 / 1,8 = 4,94 м

 

Глибину басейна приймаємо рівною 1,5 м.

Висота від дзеркала скломаси до п’ят зводу 0,3 м. 30

Всі стадії скловаріння проходять в басейні у вертикальному напрямку. Скломаса з печі прямо поступає з протока в живильник. Для підтримки теплового режиму, під час розігріву печі у виробіточній частині, передбачена установка електродів.

Звід басейну повинен бути ретельно заізольованим.

Кількість печей при заданій річній продуктивності на заводі, що проектується:

 

N = Р^г / (m P),

 

де Р^г – річна продуктивність, т/рік; m – число робочих днів з урахуванням ремонту; P – продуктивність однієї печі, т/доб.

N = 250 / (351 · 1,0) = 0,71 ≈ 1

Для використання даної річної продуктивності знадобиться одна піч.

 

Теплотехнічний розрахунок

 

Тепловий баланс печі

Витрата тепла на дегазацію:

 

V_п.д. = G_п.д. / с_п.д.,

 

де G_п.д. – кількість продуктів дегазації в кг/кг шихти (G_п.д = 0,25 кг/кг); с_п.д. – густина продуктів дегазації (с_п.д.= 2 кг/м³).

V_п.д. = 0,25 / 2 = 0,125 м³

q_г = 0,125 · 0,95 · 0,25 · 1580 = 46,9 кДж/кг

Теплота плавлення скла, q_пл:

 

q_пл = 347 G_m (1 – G_п.д.) = 347 · 0,95 · (1 – 0,25) = 247,2 кДж/кг

 

Витрати тепла на випаровування, q_вип.:

 

q_вип. = 2510 · V_Н2О · G_m,

 

де V_Н2О – об’єм вологи, що знаходиться в шихті.

V_Н2О = G_Н2О / с_Н2О = (0,035 · 0,95) / 1 = 0,033 м³

 

q_вип. = 2510 · 0,033 · 0,95 = 78,7 кДж/кг

 

Загальні витрати тепла:

 

q_х = q_с + q_м + q_г + q_пл. + q_вип. = 11084,6 + 1833,8 + 46,9 + 247,2 + 78,7 = 13291,2 кДж/кг

 

Q₁ = 13291,2 кДж

Витрати тепла на склоутворення:

Q₂ = G_сm q_с = 0,16 · 11084,6 = 1773,5 кДж

 

Втрати тепла з випромінюванням крізь засипний отвір:

 

Q₃ = 0,0057 [(Т_г / 100)⁴ – (Т_в / 100)⁴] ц F,

 

де Т_г, Т_в – температура пічного простору і навколишнього повітря, ⁰К; ц – коефіцієнт діафрагмування (ц = 0,59); F – площа перетину засипного отвору, м².

 

Т_г = t_g + 273,

 

де t_g – дійсна температура, ⁰С;

Т_г = 1620 + 273 = 1893 ⁰К;

Т_в = 20 + 273 = 293 ⁰К;

Висота засипного отвору 0,2 м, довжина – 3 м. F = 0,2 · 3 0,6 м²

Q₃ = 0,0057 · [(1893 / 100)⁴ – (293 / 100)⁴] · 0,59 · 0,6 = 259 кДж

Витрати тепла з випромінюванням у влети:

 

Q₄ = 0,0057 [(Т_г / 100)⁴ – (Т_вл / 100)⁴] ц F_вл

 

Розміри влета – (2 х 0,45) м; кількість влетів – z = 5.

Отже, F_вл = (2 · 0,45) z =(2 · 0,45) · 5 = 4,5 м²

Т_вл = 1300 + 273 = 1573 ⁰К

Q₄ = 0,0057 · [(1893 / 100)⁴ – (1573 / 100)⁴] · 0,59 · 4,5 = 1017 кДж

Втрати тепла у навколишнє середовище в пічній зоні:

 

q = 0,001 (t_г – t_в) F / [(1 / л) + У (у / л_і)]

q_с = q₁ G₁ G_m + q₂ G₂ G_m +... + q_n G_n G_m,

 

де q₁, q₂ ...q_n – теплові ефекти утворення оксидів, які переходять у скло, кДж/кг; G₁, G₂...G_n – вагові кількості оксидів, кг/кг (із розрахунків шихти).

Сухих матеріалів на 1 кг скла:

 

G_m = 100 / (100 + G_б – G_п.д.),

 

де G_б – кількість склобою, що вводиться в шихту (30 %); G_п.д. – кількість легких продуктів дегазації (25 %).

G_m = 100 / (100 + 30 – 25) = 0,95.

q_с = 1537 · 1 · 0,95 + 952 · 7 · 0,95 + 3467 · 1 · 0,95 = 11084,6 кДж/кг

Витрати тепла на нагрів 1 кг скломаси до t_с = 1580 ⁰С при початковій температурі шихти t_п = 20 ⁰С:

 

q_м = С_с t_с – (G_m С_m t_п + G_б С_б t_к),

 

де С_с – середня теплоємкість скломаси, кДж/кг·град; С_m – середня теплоємкість шихти (0,963 кДж/кг·град); С_б – середня теплоємкість склобою (0,756 кДж/кг·град).

С_с = 0,672 · 0,00046 t_с = 0,672 · 0,00046 · 1580 = 1,399 кДж/кг·град

q_м = 1,399 · 1580 – (0,95 · 0,963 · 20 + 0,3 · 0,756 · 1580) = 1833,8 кДж/кг

Витрати тепла на нагрів продуктів дегазації до t = 1580 ⁰С:

 

q_г = V_п.д. G_m G_п.д. t_п.д.,

 

де V_п.д. – об’єм продуктів дегазації, м³/кг. V_п.д. = G_п.д. / с_п.д.

– дном – q₁ = 822,5 кДж/кг;

– стінками басейну – q₂ = 893,8 кДж/кг;

– стінками пічного простору – q₃ = 40 кДж/кг;

– зводом – q₄ = 1157,6 кДж/кг.

Q₅ = 822,5 + 893,8 + 40 + 1157,6 = 2914 кДж

Витрати тепла на охолодження електродів:

 

Q_е = m s,

 

де m – питомі тепловитрати з 1 см² електродів (35 кДж/см²); s – площа поверхні електрода, см².

 

s = 2 р r (r + h),

 

де r – діаметр електрода (5 см); h – довжина електрода (70 см).

s = 2 · 3,14 · 2,5 (2,5 + 70) = 1138,3 см²

Q₆ = 35 · 1138,3 = 39840,5 кДж

Разом витрати:

Q = 13291,2 + 1773,5 + 259 + 1017 + 2914 + 39840,5 = 59095,2 кДж

Необхідна потужність:

 

Р = Q К / 860,

 

де К – коефіцієнт запасу (приймаємо рівним 1,1).

Р = 59095,2 · 1,1 / 860 = 75,6 кВт

ККД печі:

 

N = (G_cт Q_с / У Q) 100%,

 

де G_cт – продуктивність печі, т/доб.; Q_с – витрати тепла на склоутворення; У Q – сума всіх витрат тепла.

N = (0,712 · 13291,2) / 59095,2 · 100% = 46,02%.

 

Автоматична виробка виробів

Автоматична виробка виробіввиконується на полуавтоматах FA36S лініях LA-502. Склодрот вручну подається в полуавтомат формовки, автоматично завантажується в патрони машини та проходить стадіі формування

- формування розтяжки;

- формування стебелю ампули

- формування пульки;

- формування дна;

- Формування пульпі ті її розрив

 Потім ампули автоматично пересуваються на лінію обробки LA-502, де воні проходять етапи калібровки стебелю та пульки, термоудар для видалення техотходу, оплавку країв та автоматичну упаковку в металеві решітки.

 

Випал виробів

 

Під час формування виробів та їх охолодження, між поверхневими та внутрішніми шарами, виникає різниця температур, яка пов’язана з низькою теплопровідністю скла. В результаті нерівномірного охолодження внутрішніх та зовнішніх шарів скла, в склі виникають напруження стискування та розтягнення. Швидкість зникнення напруження прямопропорційна текучості та зворотньопропорційна в’язкості середовища.

Після повного охолодження скла, тобто, коли температура по всьому об’єму стане однаковою, напруження, які виникають під час охолодження, або зникають, або залишаються. Перше спостерігається коли процес швидкого охолодження протікає при температурах, що виключають в’язкі деформації. Другий випадок пов’язаний з в’язкими змінами форми скла і дуже розповсюджений під час отримання загартованого або відпаленого скла.

Залишкові внутрішні напруження в склі тим більші, чим більше швидкість охолодження, чим товща стінка виробу і чим вища температура, від якої починається охолодження.

Якщо швидко охолоджувати позбавлене напружень скло, починаючи від температур, при яких воно набуває крихкості, тобто, якщо його в’язкість дорівнює 10¹³ – 10¹⁴ Па · с, то незалежно від того, яку швидкість охолодження використано, залишкові напруження в склі вже не виникатимуть.

Відпал скловиробів проводиться в чотири стадії:

– попередній нагрів або охолодження виробів до вищої температури відпалу;

– витримування виробів при цій температурі;

– повільне охолодження в інтервалі відпалу;

– швидке охолодження виробів до нормальної температури, починаючи від нижчої температури відпалу.

Відпал проводять в печах відпалу по попередньо розрахованому режиму. Від склоформувальної машини до печі відпалу вироби подаються у закритих зверху та з боків конвеєрах. Для запобігання виникнення заторів на поворотах до транспорту та входу в піч підпалу встановлюється розподільник для формування щілин між виробами. Переставник формує паралельні ряди виробів з щілинами між ними в ряду 5 – 30 мм. Такі самі щілини підтримує конвеєр печі відпалу. Вхід та вихід печі теплоізольовані „П-подібною” шторкою. Найбільш зручні, прості та ефективні електричні печі відпалу. Вони мають нагрівальні опори, які розміщуються всередині печі та концентруються на них або інших ділянках печі у відповідності до кривої відпалу.

У виробництві медичної тари найкращими себе виявили циркуляційні печі. Вони характерні тим, що для вирівнювання температури в них створюють перемінний рух повітря по висоті тунелю.

Циркуляційним вентилятором гаряче повітря забирається у верхній частині тунелю і поступає по боковим каналам під конвеєрну стрічку, при цьому воно омиває знизу до гори встановлені на ній вироби. Підігрів циркулюючого повітря здійснюється в бокових каналах за допомогою нагрівачів. Циркуляційні вентилятори забезпечують вирівнювання температури виробів по довжині та ширині відповідних секцій печі.

Для забезпечення заданої температури по довжині тунелю, одночасно з нагрівачами, встановлені охолоджувачі. Для охолодження передбачені вентилятори, які подають зовнішнє повітря у канали, які примикають до нижньої та бокових сторін тієї частини тунелю, що опалюється. Ці вентилятори вмикаються тоді, коли температура у тій чи іншій секції перевищує задану.

Контроль за температурою виконується за допомогою термопар. Також можливим є автоматичне регулювання заданого режиму відпалу.

Для такого типу виробів розраховується окремий режим.

 

Контроль якості виробів

 

Контроль за якістю починається з вхідного контролю сировинних матеріалів. Завезення кожної партії сировини супроводжується відбором проби та передачею її до центральної заводської лабораторії, де видається паспорт на сировину, її відповідність нормам та стандартам. Наступний контроль відбувається після змішування шихти. Вона повинна відповідати всім вимогам – однорідності, відповідності паспорту. На однорідність перевіряється кожен кюбель. Склад шихти перевіряється раз у зміну. Контроль за якістю скломаси здійснюється скловаром шляхом відбору проб перед протоком, а при необхідності, з робочої зони. Контроль проводиться візуально, на провар.

Якість відпалу, яка оцінюється по кількості залишкових внутрішніх напружень та їх розподіленню у виробі, визначає експлуатаційну надійність скляної тари. Поганий відпал приводить до зниження термостійкості та механічної міцності тари, а часто до її довільного руйнування без зовнішнього впливу. Останній етап – перевірка виробів на відсутність або наявність подвійних швів, посічок, плям від змащення форм, зморшок, покованості, потертості, задирок, ріжучих швів, слідів від ножиців, недоформованості шийки виробів. Цей контроль проводиться постійно.

Важливе значення має жорстке дотримання стандартних геометричних розмірів і повної сумісності скляної тари. Дефекти геометричних розмірів, а саме: непаралельність торця відносно площини дна, овальність шийки та корпусу, відхилення вісі шийки від вісі корпусу, відхилення маси від стандарту, зменшення або збільшення ємності виробів, – контролюється раз на зміну. Дефекти вироблення медичної тари визначають її механічну витривалість і термостійкість, величину втрат склотари. Окремі дефекти вироблення можуть бути шкідливими для здоров’я споживача (ріжучі шви, задирки тощо).

Якість виробів може значно погіршитися при транспортуванні, зберіганні і завантажувально-розвантажувальних роботах. Незадовільна упаковка і умови зберігання приводять до появи щербин, відколів, тріщин, потертості. Кількість бракованих виробів прямо залежить від з’ємну скломаси. Зі збільшенням з’єму скломаси підвищується процент браку.

Дефекти скла

На поверхні і у товщі скла не допускаються: звилина, яка відчувається на дотик, прохідні насічки, приливи скла, ріжучі шви і задирки, щербини і відколи, частки закристалізованого скла, стороні включення, які мають навколо себе насічки тріщини або навколо яких можуть виникати при легкому постукуванні по включенням металевим стержнем, відкриті бульбашки та бульбашки, які можна продавити, всіх розмірів, лужні бульбашки, які вкриті зсередини білуватим нальотом, плями змащення форм, що не змиваються, „мошка” у вигляді скупчень.

Дефекти виробки

Не допускаються на зовнішній поверхні виробів різко виражені зморшки, покованість поверхні, потертості, сліди відрізу ножицями і подвійні шви. Поверхня повинна бути гладкою.

Дефекти відпалу

Якість відпалу, яка оцінюється по кількості залишкових внутрішніх напружень та по їх розподілення у виробі, визначає експлуатаційну надійність медичної тари. Поганий відпал приводить до зниження термостійкості і механічної міцності виробів, а часто до їх самовільного руйнування без зовнішнього впливу.

Термостійкість

Флакони повинні витримувати перепади температури, які виникають під час використання. Склотара повинна витримувати перепади температур до 45 – 60 ⁰С.

Хімічна стійкість

Склад медичного скла відноситься по хімічній стійкості до 1-ого гідролітичного класу.