СОВРЕМЕННОЕ СТЕКЛОТАРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Подготовка стекломассы к формованию

Подготовка стекломассы к формованию – один из важных и сложных процессов стекольного производства. Основная цель этой стадии технологического процесса – подача на формование термически однородной стекломассы с определенной вязкостью. Особенно актуальна эта задача для высокопроизводительного формования стеклянной тары.

Процессы охлаждения и температурного усреднения стекломассы, протекающие после того, как стекломасса покидает варочный бассейн печи определяют термином кондиционирование.

Для большинства типов стекол и способов выработки температура стекломассы в варочном бассейне существенно выше, чем температура выработки, и стекло необходимо охлаждать до нужной температуры, прежде чем оно попадает на формование. Охлаждение может быть естественным или принудительным. Термическая неоднородность стекломассы, поступающей на формование, как правило, является следствием нарушения нормального процесса кондиционирования в зоне выработки и в каналах.

В мире работают тысячи различных устройств кондиционирования стекла различной конструкции. Но все эти устройства созданы на общих технологических принципах:

• выработочные каналы и каналы питателей следует рассматривать как единую систему кондиционирования стекломассы; входные условия канала питателя зависят от работы выработочного канала, но степень этой зависимости определяется конструкцией обоих устройств, поэтому этот принцип кондиционирования следует применять на стадии подготовки проекта реконструкции или строительства печи;

• кондиционирование стекломассы следует начинать в зоне выработки печи.

Многие стекольные производства, особенно тарные, работают в напряженных, в техническом отношении, условиях. Необходимость интенсификации производства привела к созданию очень мощных машин и печей со съемом 350- 400 тн/сутки. Есть определенная связь между производительностью печи и температурой стекломассы на выходе из неё, и в крупных печах стекло в начале зоны выработки может иметь температуру до 1400◦С. Температура формования в зависимости от вида продукции может состовлять 1050- 1350◦С. Следовательно стекломассу в наиболее трудном случае необходимо охладит на 350◦С. Ситуация усугубляется при выработки массивных изделий, для которых необходимо более холодное стекло при общем увеличении объема. Для теплопередачи требуется время, поэтому необходимо начать кондиционирование стекломассы (особенно охлаждение) как можно раньше, т. е. устройства для охлаждения распологать уже в выработочной зоне вблизи протока. Это имеет смысл даже при менее напряженных условиях выработки, чтобы улучшить условия для гомогенизации стекломассы в канале питателя.

• процессы охлаждения и гомогенизации стекломассы следует отделять друг от друга.

Следует разделять процессы теплопередачи от системы в целом и теплопередачи внутри системы ( в объеме стекломассы). Первый из них заключается в том, чтобы отвести тепло от стекла путем прямой или косвенной теплопередачи во внешнюю среду. Большая часть внешней теплопередачи осуществляется излучением, остальное - конвекцией. Теплопередача в ванной печи также происходит главным образом путем излучения. Интенсивность теплопередачи зависит от температурного градиента. Теплопередача в объеме стекломассы происходит гораздо медленнее, тем теплоотдача от поверхности стекла и, как правило, является лимитирующей стадией теплообмена. Следовательно, для ускорения охлаждения стекломассы важно интенсифицировать теплообмен в объеме стекла. Здесь и возникает противоречие между оптимальными условиями охлаждения и гомогенизации, так как первое требует повышения температурного градиента, а второе – его снижения. Чтобы обеспечить оптимальные условия, рекомендуется физически разделить эти два процесса.

• На стадии охлаждения стекломассы следует применять мощные системы охлаждения.

Охлаждение стекломассы протекает при различных условиях. Оно начинается в устье протока, где температура ещё высокая и стекломасса сохраняет высокую текучесть. Возникновение по какой-либо причине температурной неоднородности в стекломассе в этой зоне неопасно, так как предстоит проделать длинный путь до питателя. Даже наоборот, обеспечение значительного температурного градиента ускоряет охлаждение глубинных слоев стекломассы, а значит является конструктивным преимуществом. По мере продвижения стекла к выработке снижается его температура и растет вязкость, соответственно, появляется опасность застоя в углах канала. Здесь наличие высокой неоднородности по температуре уже опасно, т. к. до поступления на выработку гомогенизация стекла может не завершиться. Для охлаждения стекломассы реально применяются три способа.

Радиационное охлаждение. Тепловое излучение от стекломассы свободно уходит через открытые «окна» в перекрытии канала. Этот процесс дает наибольшую скорость отвода тепла. Высокая скорость теплоотдачи – главное преимущество этого способа. А основные недостатки – это сложность выполнения больших отверстий в огнеупорном перекрытии канала и вероятность перегрева деталей, оказавшихся в зоне действия теплового излучения из такого отверстия.

Прямое конвективное охлаждение. В такой конструкции воздух подается в пламенное пространство канала и охлаждает огнеупоры перекрытия. К недостаткам этой системы относится, во-первых, то что воздух, нагреваясь, быстро теряет охлаждающую способность по мере продвижения вдоль секции канала. Простое увеличение подачи воздуха не решает проблемы, т. к. в канале может возникнуть вертикальная конвекция, сопряженная с опасностью локального переохлаждения стекломассы. Во-вторых, конвективное охлаждение не так эффективно, как радиационное (примерно 38%). Важным преимуществом системы является возможность отвода горячего воздуха во внецеховое пространство, чтобы избежать перегрева близколежащих конструкций.

Косвенное конвективное охлаждение. Система подобна прямому конвективному охлаждению, но охлаждающий воздух направляется не прямо под перекрытие канала, а в специальный туннель, образованный перекрывными блоками, причем обращенная к зеркалу стенка этого «туннеля» выполнена тонкой для ускорения теплопередачи.

Эта система ещё менее эффективна (18% от варианта 1). С другой стороны косвенный характер охлаждения делает систему очень стабильной – в том числе при нарушении режима эксплуатации.

Поскольку охлаждение стекломассы следует завершить как можно быстрее, то лучше выбрать радиационную систему охлаждения. Однако эту систему нельзя применять в центральной части выработочного канала, где сверху проходят стальные конструкции, поэтому сюда рекомендуется подавать охлаждающий воздух. Высокая температура стекла, выходящего из протока, делает переохлаждение его маловероятным даже при неправильном использовании системы.

Радиационное охлаждение, наиболее распространенное в первой секции охлаждения канала питателя, не очень подходит для второй секции. Если температура стекломассы в этой зоне ещё слишком высока, лучше выбрать косвенное воздушное охлаждение. Эта секция расположена вблизи от чаши питателя, поэтому относительно слабое, но хорошо контролируемое температурное воздействие наиболее соответствует концепции подготовки стекломассы к выработке.

Канал питателя следует использовать для гомогенизации, а не для охлаждения стекломассы.

Тепловая неоднородность стекломассы устраняется в процессе гомогенизации, скорость которой также определяется скоростью теплопередачи в расплаве. Теплопередача зависит от градиента температур в стекломассе и происходит достаточно медленно. При гомогенизации нельзя увеличивать градиент температуры в расплаве, поэтому единственным рычагом управления остается время – продолжительность стадии гомогенизации. Однородность температуры достижима только в том случае, если на заключительной стадии кондиционирования стекломассы (т, е в конце канала питателя) расплав не будет охлаждаться принудительно. Поэтому типичные конструкции питателя не имеют отверстий в зоне гомогенизаций, длина которой обычно составляет 1,2 -1,8 м. При высоком съеме время прибывания расплава в этой зоне составляет всего несколько минут, что явно не достаточно для полной гомогенизации. Решением этой проблемы может быть увеличение длины секции гомогенизации, но при этом секция становится меньше «управляемой» с точки зрения контроля температуры. Поэтому лучше иметь не одну длинную, а две коротких секции гомогенизации. Важно также как можно раньше завершить охлаждение стекломассы до нужной температуры, чтобы оставить больше времени для гомогенизации.

Пять принципов кондиционирования применимы к любым устройствам кондиционирования независимо от размера и производительности.

Для обеспечения термической однородности стекломассы применяется электроподогрев в секции выравнивания температуры питателя. Система обеспечивает локальный подогрев застойных участков канала и – в силу низкой инерционности – способна быстро перестраиваться при смене режима. Систему электроподогрева можно предусмотреть при проектировании канала питателя или установить на уже работающем канале при обнаружении проблемы термической неоднородности стекломассы.

Для обеспечения термической однородности стекломассы используется также система дифферинциального регулирования для двух сторон питателя и система регулировки подачи газа.

В случае дифферинциальной регулировки подачи газа сохраняется «классический» вариант единого газоснабжения горелок, но в тракт подачи газовоздушной смеси встраивается заслонка, позволяющая при необходимости уменьшать или увеличивать подачу смеси на одну из сторон канала с соответствующим изменением подачи на вторую сторону. Общая схема автоматического регулирования канала при этом остается неизменной, что оправдывает себя в тех случаях, когда перепад температур между сторонами канала невелик и постоянен.

В пртивном случае приходится полностью разделять систему регулирования по сторонам питателя, т. е. две независимые параллельные зоны регулирования. Такая система может «справиться» и со значительной ассиметрией температуры по сечению канала.

1.8. Автоматизированная выработка

стеклянной тары

Стеклянная тара может изготовляться на высокопроизводительных стеклоформующих автоматах, которые в зависимости от вида стеклоизделий могут иметь различные принципы действия, конструкцию и производительность. Стеклоформующие автоматы работают совместно с питателями.