Технико-экономические показатели различных способов выработки листового стекла

Показатели	Флоат-способ	Прокат	Методы вытягивания
			БВВС		ВВС		«АСАХИ»
Скорость вытягивания стекла при толщине 2 мм, м/ч	1200–1300	180–225	114	96		102–110
Толщина вырабатываемого стекла, мм	1,7–25	5–15	2–8	0,5–7		0,5–6
Время непрерывной работы машины	5–6 лет	–	6 нед.	1–2 нед.		3–4 мес.
Количество машин на печь	1	1–2	8	9		9
Производительность машины, т/сут	600–1000	80–120	35	20–25		25
Производительность машины при выработке 2 мм стекла, тыс. м^2/сут	120	–	7	4		4–5
Количество обслуживающего персонала, человек	170	140–160	280–300	250–270		100–120

 

Таблица 4.4

Химический состав марблитов, мас. % (красители сверх 100%)

 

Стекло

SiO2

B2O3

Al2O3

F

CaO

MgO

ZnO

Na2O

K2O

CuO

Cr2O3

MnO2

NiO

S

CdS

Se

CoO

Sb2S5

Режим варки

Молочно-белое

64,93

–

3,97

7,55

7,1

–

–

16,45

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

Окислительный (1% Na2O вводится с селитрой)

Черное

68,82

–

2,88

2

6,9

–

–

19,4

–

–

–

0,8

–

–

–

–

–

–

То же

Красное

66,0

3

–

5

–

–

10

8,0

8

–

–

–

–

–

1,2

0,8

–

–

Восстановительный

Желтое

64,93

–

3,97

7,55

7,1

–

–

16,45

–

–

–

–

–

–

1,0

0,2

–

–

»

Кремовое

69,7

–

2,87

7,12

3,75

–

1,06

15,5

–

–

–

–

–

0,4

–

–

–

–

»

Салатовое

64,93

–

3,97

7,55

7,1

–

–

16,45

–

0,4

0,1

–

–

–

–

–

–

–

Окислительный (1% Na2O вводится с селитрой)

Синее

64,93

–

3,97

7,55

7,1

–

–

16,45

–

–

–

–

–

–

–

–

0,1

–

То же

Голубое

64,93

–

3,97

7,55

7,1

–

–

16,45

–

1,0

–

–

–

–

–

–

–

–

»

Фиолетовое

64,93

–

3,97

7,55

7,1

–

–

16,45

–

–

–

2

–

–

–

–

–

–

»

Серое

64,9

–

3,97

7,55

7,1

–

–

16,45

–

–

0,2

0,1

–

–

–

–

–

–

»

64,9

–

3,97

7,55

7,1

–

–

16,45

–

–

–

0,1

–

–

0,5

0,5

–

–

»

Коричневое

64,93

–

3,97

7,55

7,1

–

–

16,45

–

–

–

–

–

–

–

–

–

1

Восстановительный

СОСТАВЫ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЛИСТОВЫХ СТЕКОЛ

 

Составы листовых стекол

 

При выборе химического состава стекол для изделий массового производства следует обеспечить его экономичность с точки зрения затрат на сырьевые материалы, а также энергоемкости производства, возможность высокоскоростной выработки изделий, обладающих требуемым стандартом уровнем технико-эксплуатационных и качест-
венных характеристик.

Листовое стекло, безусловно, относится к массовым видам продукции. Ежегодно в мире производится более 3,5 млрд. м² листового стекла (в пересчете на толщину 4 мм). В связи с этим весьма важно, чтобы шихта, из которой оно изготавливается, содержала как можно
меньшее количество дефицитных, дорогостоящих, а также токсичных сырьевых материалов, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду.

Поскольку различные оксиды, входящие при варке шихты в состав стекла, индивидуально влияют как на технологические свойства стекломассы, так и на эксплуатационные свойства твердого стекла, то проектирование оптимальных составов листовых стекол представляет непростую задачу, которая еще более усложняется в связи с тем, что влияние некоторых оксидов на одно и то же свойство может быть различным в зависимости от содержания оксида и температуры стекломассы.

На заре стеклоделия составы оконного стекла базировались на трех основных оксидах: кремния, кальция и натрия. Однако недоста-
точная химическая устойчивость, а также склонность к кристаллизации подобных стекол вызвали необходимость их модифицирования.

Совершенствование составов массовых промышленных стекол происходило в направлении частичной замены SiO ₂ на Al ₂ O ₃, а СаО на MgO, что сопровождалось существенным улучшением указанных свойств. Таким образом, современные составы листовых стекол проектируются на основе системы Na₂O – СаО – MgO – Al₂O₃ – SiO₂.

Для их выработки используется распространенное и относительно дешевое природное сырье – кварцевый песок, известняк, мел, доломит, полевой шпат и др. Широко применяется комплексное сырье, в состав которого входит несколько из упомянутых оксидов (полевошпатовые пески, полевошпатовый и пегматитовый концентраты, доломит, нефелиновая сода и др.), что позволяет снизить себестоимость шихты за счет исключения относительно дорогостоящих мела, известняка, технического глинозема).

Роль основных оксидов в составе стекол для многотоннажных производств, а также и их влияние на свойства силикатных стекол сводится к следующему.

Кремнезем ( SiO₂) – основной компонент большинства промышленных составов стекол, в которых его содержание обычно превышает 70 мас. %. Рост его содержания в стекле способствует повышению вязкости расплава, и тем самым, повышению скорости выработки, однако повышает температуру варки, осложняя достижение стекломассой гомогенного состояния, улучшает химические свойства стекол, снижает плотность, показатель преломления и ТКЛР, повышает термическую устойчивость изделий. Склонность к кристаллизации стекол возрастает с увеличением содержания SiO₂ (как правило).

Оксиды щелочных металлов (Na₂O + K₂O) вводятся в состав стекол с целью снижения температуры варки (плавни). В составах промышленных стекол для массовых производств их суммарное содержание составляет 13,2–16%. Их влияние на основные свойства стекол сводятся к следующему: снижение вязкости стекол во всем диапазоне температуры, также склонности к кристаллизации, повышение плотности и ТКЛР (в наибольшей степени). При увеличении содержания (K₂O + Na₂O) увеличивается «длина» стекол, что приводит к снижению скоростей выработки, в связи с чем многощелочные стекла в большей степени пригодны для ручной выработки. Попутно снижается показатель преломления стекол, их химическая и термическая устойчивость, электрическое сопротивление, поверхностное натяжение и микротвердость. В ряде случаев весьма полезным является одновременное присутствие двух или трех щелочных катионов в составе стекла, что положительно сказывается на ряде свойств стекол, связанных со скоростью диффузии ионов (эффект нейтрализации).

Оксид кальция (СаО) вводится в состав массовых стекол в количестве до 12% и более. Своеобразным является его влияние на вязкость стекол. СаО является сильным плавнем и заметно снижает высокотемпературную вязкость стекол (будучи введенным, например, вместо MgO в возрастающих количествах). Напротив, низкотемпературная вязкость при этом сильно возрастает, что в итоге приводит к сильному сокращению «длины» стекла и создает предпосылки для увеличения скоростей выработки изделий. Другие свойства стекол изменяются при этом следующим образом: улучшаются механические и химические характеристики, растут значения показателя преломления, плотности и теплового расширения, однако усиливается склонность к кристаллизации.

Введение в состав массовых стекол оксида MgO (вместо СаО) было призвано с целью улучшения их кристаллизационной способности и химической устойчивости, что и наблюдается при возрастании содержания MgO до 4%. При этом, однако, возрастает вязкость расплавов, особенно в области высоких температур, а также поверхностное натяжение стекломассы, снижается ТКЛР.

Доля сырьевых материалов при производстве изделий массового потребления (листовое стекло, тара) составляет около 30% себестоимости. При этом из всех используемых сырьевых материалов кальцинированная сода является наиболее дорогим компонентом. Ее стоимость составляет около 70% стоимости шихты. Это связано с тем обстоятельством, что сода (Na₂СO₃) является синтетическим продуктом, производство которого требует значительных материально-энергетических затрат.

Помимо стоимости сырья, на технико-экономические показатели производства стекольной продукции влияет уровень организации технологического процесса, а именно: расходы на стекловарение, рациональность режимов формования, степень оснащенности последующих операций и т. д.

Расходы на стекловарение зависят, помимо других важных факторов (конструкция печи, типы применяемых огнеупоров и габариты), и от состава стекломассы. Наиболее легкоплавкие эвтектические составы в системе СаО – Al₂O₃ – SiO₂ имеют температуры плавления 732–760 °С. Современные промышленные составы требуют значительно более высоких температур варки для получения качественной однородной, не содержащей газовых включений стекломассы. Рост содержания Al₂O₃ и снижение содержания Na₂O в них (одна из современных тенденций) сопровождаются повышением температуры стеклообразования и осветления, а следовательно, и температуры варки.

Влияние состава стекломассы на расход топлива примерно оценивается по разнице температур, соответствующей вязкости расплава 10 Па×с. При этом разница D Т _{h = 10} в 10°С адекватна изменению расхода топлива примерно на 1,4%.

Важнейшей тенденцией современного стекловарения является поддержание максимальных температур варки массовых составов стекол до 1560–1580 ° С, что является наиболее мощным фактором повышения съемов стекломассы с конкретной ванной печи. При этом, конечно, возрастает абсолютная величина затрат на стекловарение, однако уровень удельных затрат (на 1 т изделий) существенно ниже вследствие опережающего роста производительности агрегата.

Помимо перечисленного выше, состав листового стекла должен обеспечивать:

– заданные свойства изделий в зависимости от их назначения и условий эксплуатации;

– достижение высокой скорости варки при разных температурах варки, с учетом качества огнеупоров, применяемых для кладки стекловаренных печей;

– минимальное взаимодействие расплавленной стекломассы с огнеупором печи в ходе варки;

– достаточно большой безопасный интервал формования (раз-
ность между температурой формования и температурой верхнего предела кристаллизации), что исключает возможность образования и роста кристаллов в стекломассе в период ее студки или в ходе вытягивания в ленту (формование);

– оптимальную скорость твердения при которой стекломасса при-
обретает желаемую форму за достаточно короткий промежуток времени без возникновения в изделии разрушающих напряжений. Малая скорость твердения стекломассы приводит к низкой производительности установок, чрезмерно высокая – к трудностям, связанным с организацией процессов формования и охлаждения без деградации изделий.

Стекла системы Na ₂ O – СаО – SiO ₂, модифицированные введением Al ₂ O ₃ (вместо SiO ₂) и MgO (вместо СаО), в полной мере отвечают приведенным требованиям. Введение в состав листовых стекол двух последних компонентов преследует цель – оптимизация скорости твердения при снижении их кристаллизационной способности и одновременном повышении химической устойчивости. Именно относительно невысокая скорость твердения первых составов листовых стекол, вырабатываемых методом вертикального вытягивания стекла (ВВС), а также малый интервал между температурами формования (Т _ф) и верхнего предела кристаллизации (Т _в.п), а зачастую и его отсутствие препятствовали четко оформившейся в 90-х годах тенденции в производстве листового стекла: увеличению мощности линий и интенсификации процессов стекловарения и формования.

По мере роста производительности стекловаренных печей, увеличения скоростей вытягивания стекла, повышения требований к его качеству протекало совершенствование химических составов листовых стекол в следующих направлениях:

– снижение содержания щелочных компонентов (более «короткие» стекла);

– увеличение содержания щелочных земель (СаО + MgO) за счет снижения содержания Al₂O₃;

– оптимизация соотношения СаО / MgO.

Тенденции изменения составов листовых стекол в зависимости от способа формования иллюстрируются данными табл. 5.1.

 

Таблица 5.1