Аналитический обзор технологии получения широкогорлой тары и выбор способа производства

СЗАО «Стеклозавод Елизово» относится к группе многофункциональных стекольных компаний. К этой группе относятся предприятия, освоившие технологию производства как широкогорлой тары для пищевой промышленности, так и узкогорлой тары для ликероводочной и пивоваренной продукции из цветного и бесцветного стекла. В последние годы производство стеклянной тары растет высокими темпами. Широкогорлая стеклянная тара используется в основном пищевой промышленность для расфасовки, хранения, транспортирования различных пищевых продуктов. Преимуществами стеклянной тары перед другими видами тары, обусловившими ее широкое применение в разных отраслях промышленности, являются гигиеничность, прозрачность, возможность производства разнообразных объемов и массы (от 1 г до нескольких килограммов) и герметичной укупорки, доступная цена. К недостаткам стеклянной тары следует отнести малую механическую прочность и относительно большую массу на единицу затариваемой продукции.

Секционная технология производства стеклотары, лежащая в основе производственного процесса завода, позволяет в короткие сроки менять характеристики выпускаемой продукции. Данная технология является конкурентным преимуществом предприятия, обеспечивающим гибкость товарной политики в случае изменения по отдельным видам выпускаемой продукции. Завод является одним из крупнейших производителей бесцветной и коричневой стеклянной тары на территории Республики Беларусь. На предприятии освоено в производстве 105 изделий (в 2004 году было освоено 4 изделия).

В последние годы производство стеклянной тары растет высокими темпами. Широкогорлая стеклянная тара используется в основном в пищевой промышленности для расфасовки, хранения, транспортирования различных жидких продуктов. Преимуществами стеклянной тары перед другими видами тары, обусловившими ее широкое применение в разных отраслях промышленности, являются гигиеничность, возможность производства разнообразных объемов и массы и герметичность укупорки, доступная цена. К недостаткам стеклянной тары следует отнести малую механическую прочность и относительно большую массу на единицу затариваемой продукции.

Составы тарных стекол Согласно ГОСТ 10117–2001 стекло для производства широкогорлой тары должно отвечать требованиями настоящего стандарта. Не допускается присутствия в стекле сквозных посечек, сколов, инородных включений, открытых, закрытых и непрозрачных пузырей, размером более 5 мм. Состав стекла должен соответствовать СТБ ГОСТ 52022–2003. Допускается изготавливать бутылки из натрий–кальций–силикатных стекол других составов, допущенных национальными органами здравоохранения для контакта с пищевыми продуктами.

Составы стекла для выработки стеклянной тары зависят от способов ее производства, особенностей технологического процесса производства и требований, предъявляемых к изделиям.

В соответствии с отечественными стандартами в состав тарных стекол должны входить до 3–3,5 %[1] MgO и до 3–4 % Al₂O₃, что благоприятно влияет на химическую стойкость стекла. Содержание Fe₂O₃ в обесцвеченных и полубелых стеклах колеблется в пределах 0,05–0,5 % и зависит в основном от чистоты используемого песка. Окрашенные стекла могут содержать Al₂O₃ – 1,5–7,5 % и Fe₂O₃, Cr₂O₃, MnO и NiO в пределах 0,1–2,0 %. Положительно влияет на физико–химические и выработочные свойства тарного стекла ввод в его состав B₂O₃ и BaO в количестве 0,5–1,0 % каждого. Использование этих оксидов дает возможность снизить на 2–3 % содержание щелочей в тарном стекле. Содержание SO₃ в стекле не должно превышать 0,5 %. Основные стеклообразующие оксиды в тарных стеклах содержатся в следующих количествах, %: (SiO₂+R₂O₃) 73–76, RO 7–12, R₂O 13–17.

Выбор химического состава определяется во многом способом формования изделий. При выработке широкогорлой тары на автоматических машинах с капельным питанием применяются составы стекол с содержанием, %: SiO₂+R₂O₃ 73–76; RO 8–11; R₂O 14–16. При выработке широкогорлой тары на машинах с вакуумным питанием применяется состав стекла, содержащий, % SiO₂ – 73,12; Al₂O₃ – 2,32; CaO – 11,03; Na₂O+K₂O – 13,16; Fe₂O₃ – 0,07; MgO – 0,9; SO₃ – 0,3.

В таблице 1.1 представлены наиболее распространенные составы тарных стекол используемые в стекольной промышленности.

Таблица 1.1 Составы тарных стекол

Страна–изготовитель	Содержание оксидов, %
SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	Na2O	K2O	SO3	MnO
США	71,36	0,79	0,12	8,89	0,32	15,38	0,62	0,51	−
Голландия	70,92	2,26	0,27	11,41	1,5	12,78	1,04	−	−
Шотландия	70,18	2,59	1,25	9,3	0,86	14,07	0,68	0,26	0,13
Франция	70,4	1,8	–	9,6	1,2		0,2	−	−
Япония	73,3	2,11	0,1	7,43	0,48	17,5	0,82	−	−
Чехия	73,8	0,27	0,03	4,41	3,1	18,06	−	0,4	0,77
Польша	72,75	1,38	0,06	8,75	0,24	14,35	1,72	0,55	−
Венгрия	72,23	2,17	0,3	5,58	2,13	16,15		0,45	−
Венгрия	73,41	1,79	0,52	7,23	2,31	14,07	0,38	−	0,03
Венгрия	71,47	1,39	0,06	7,5	4,36	14,07	0,3	−	−
Венгрия	69,8	2,72	0,68	6,77	3,37	14,07	−	0,35	0,2
Россия	67,15	6,28	2,89	7,62	0,63	13,95	1,03	−	−
Германия	69,9	1,15	1,29	10,47	1,04	15,01	0,37	0,53	−
Беларусь	72,07	2,05	0,42	6,6	4,0	14,86	−	−	−

В последние годы наметилась четкая тенденция исключения из химического состава шихты оксида MgO (он вводится как примесь с полевошпатовым материалом) и, как следствие увеличение содержания СаО. Повышенное содержание оксида кальция способствует увеличению скорости формования и скорости твердения при сохранении достаточно высокой кристаллизационной устойчивости. В работе [4] предложено вводить в составы тарного стекла с пониженным количеством MgO, добавки 0,3−0,6% Р₂О₅. Предполагается, что в этих стеклах с высоким содержанием модификаторов происходит снижение концентрации немостикового кислорода вследствие образования фосфорокислородных анионных мотивов и встраивания их в кремнеземистый стеклообразующий каркас. В данном случае Р₂О₅ выступает в роли связки, «цементирующей» дефектный кремнеземистый стеклообразующий каркас, в результате чего наблюдается понижение ТКЛР стекла в твердом состоянии и повышение микротвердости, что имеет практическое значение при разработке новых составов тарного стекла с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Сырьевые материалы и приготовление шихты. Для приготовления шихты при производстве стеклянной тары используют целый ряд природных и синтетических материалов. Основным стеклообразующим оксидом в составе стекла является двуокись кремния SiO₂, которая вводится в шихту кварцевым песком стабильно работающих месторождений, поставляющих этот материал без загрязнения. Кроме того, при составлении рецептур шихты используют следующие шихтовые материалы: полевой шпат, глинозем, соду кальцинированную, мел, сульфат натрия.

Качество сваренной стекломассы, а, следовательно, и качество готовых изделий во многом определяется качеством стекольной шихты. Нарушение ее однородности является причиной многих пороков стекломассы и стекла: полосности, плохого отжига, повышенной хрупкости, недостаточной термической и механической прочности. В результате этих пороков увеличиваются бой и брак изделий. В производстве стекла чрезвычайно важное значение имеет скорость стеклообразования, определяемая главным образом температурой варки стекла. Кроме того, на скорость варки стекла влияют химический состав шихты, ускорители варки, вид применяемых сырьевых материалов, гранулометрический состав компонентов шихты, а также ее однородность. Стекольная шихта должна соответствовать следующим требованиям: быть однородной по гранулометрическому и химическому составам.

Существуют различные способы подготовки шихты. Гранулирование стекольной шихты позволяет решать самые разнообразные задачи: снижение расслоения шихты, экономию сырьевых материалов, ускорение процесса варки. При использовании мелкодисперсной стекольной шихты может достигаться интенсификация стекловарения. Химическая активация шихты обеспечивается при введении растворов соединений, активно взаимодействующих с кварцем на стадии приготовления и хранения готовой шихты – NaOH Ca(OH)₂ (каустификация). Гидротермальный метод подготовки шихты представляет собой получение смеси силиката натрия и других компонентов в виде растворов или суспензий на основе горных пород, содержащих аморфный кремнезем (каназит). Суть технологии золь–гель метода сводится к приготовлению растворов на основе особо чистых растворимых сырьевых материалов (солей, гидроксидов металлов, металлоорганических соединений, золя SiО₂), переходу от раствора к золю и далее к гелю и его высушиванию с образованием аморфной порошковой шихты, в которой достигается идеальное (на молекулярном уровне) смешивание компонентов.

Многочисленные методы совершенствования подготовки и активации шихты имеют ограниченное распространение в связи с нерешенностью ряда технических проблем и нередко отсутствием экономической целесообразности в использовании этих методов. Поэтому по–прежнему остаются актуальными вопросы повышения качества приготовления традиционной сыпучей шихты порошковым способом.

Порошковый способ приготовления шихты включает следующие стадии: подготовка сухих порошков (подготовка исходного материала), дозирование, смешивание и увлажнение, транспортирование и хранение.

Сушка. Чаше всего сушат песок и материалы известковой группы (мел, известняк, доломит), так как влажный песок образует комки, которые затрудняют просеивание. Материалы известковой группы во влажном состоянии плохо размалываются и комкуются. Наиболее распространен способ сушки материалов в сушильных барабанах.

Измельчение. Часто многие материалы шихты (доломит, известняк, полевой и плавиковый шпаты и др.) поступают на заводы в виде более или менее крупных кусков. Чтобы получить из этих кусков зерна не более 0,75 мм в поперечнике, приходится их измельчать. Различают две стадии измельчения. При грубом измельчении – дроблении производится: крупное дробление при измельчении кусков от 1000 до 100 мм, среднее дробление от 150 до 30 мм и мелкое дробление – от 30 до 5мм. При тонком измельчении – помол до величины зерна менее 0,1 мм.

Материалы можно измельчать одним из четырех способов или их комбинаций, а именно: раздавливанием, ударом, истиранием и раскалыванием.

Способ измельчения зависит от твердости материала, требуемой степени измельчения и величины измельчаемых кусков. Для твердых материалов наиболее эффективно раздавливание или удар, для хрупких – раскалывание, для вязких влажных материалов – раздавливание в сочетании с истиранием. При тонком помоле измельчение производят ударом или раздавливанием в соединении с истиранием.

Просеивание. Все некондиционные сырьевые материалы стекольного производства просеиваются. Для просеивания применяют сита–трясучки, сита–бураты, вибраторы.

Дозирование компонентов шихты. Повышению точности дозирования способствует оптимизация параметров весовых дозаторов и совершенствование конструкции питателей. Недостаточная точность дозирования компонентов может вызывать недопустимые отклонения в составах отдельных порций шихты. Ошибка дозирования на автоматических весах не должна превышать 0,3 %.

Питатели дозаторов имеют различную конструкцию. Применяются вибрационные, барабанные, винтовые и гравитационные питатели.

Смешивание и увлажнение компонентов шихты.Существует много типов смесителей, из которых на стеклозаводах чаще всего применяют тарельчатый смеситель типа Эйриха и барабанный смеситель конусного типа Дрей–Смис. Наибольшее распространение в стекольной промышленности получили тарельчатые смесители. Основным их недостатком является наличие застойных зон. В которых шихта перемешивается менее интенсивно. Неплотности узла закрывания и открывания смесителя приводит к просыпанию материалов, что нарушает состав шихты. Вращающиеся барабаны имеют недостаток, состоящий в агрегации мелкодисперсных фракций при пересыпании материала, и налипании материала на стенки смесителя. Сложная система разгрузки увеличивает цикл смешения. Увлажнение шихты производится на стадии ее смешивания. Его производят чаще всего путем объемного дозирования воды и подачи ее в смеситель с помощью разбрызгивающих устройств. Наиболее целесообразно устанавливать в смесителе форсунки. Более прогрессивным является дозирование воды для увлажнения шихты с помощью центробежных насосов, включение и отключение которых производится автоматически. Точность дозирования – 0,5 %.

Стекловарение. Привыборе стекловаренной печи необходимо рассмотреть критерии оценки энергозатрат в процессе стекловарения, эффективность работы печей разных типов и современные технологии интенсификации стекловарения, применения высокоинтенсивных способов обогрева и ускоренного осветления. За последние годы основные технико–экономические показатели печей значительно улучшились, о чем свидетельствуют следующие данные: удельный съем стекломассы с отапливаемой площади увеличился до 1500 кг/м² в сутки, удельный расход теплоты снизился с 2000–2100 гг. до 1450–1500 ккал/кг, длительность кампании печей возросла с 4–5 до 10–12 лет, значительно улучшилось качество стекла (число таких пороков, как камни, пузыри, свили, сокращено с 8 – 10 до 1–2 шт/т вырабатываемого стекла).

Варка стекломассы для широкогорлой тары, в основном, осуществляется в регенеративных ванных печах непрерывного действия с протоком и с поперечным направлением пламени. Для кладки печи применяют шамот, динас, бакор. Глубина бассейна печи зависит от цвета стекла: при варке обесцвеченных и полубелых стекол она составляет 900 – 1200 мм; при варке окрашенных стекол глубина варочного бассейна 600 – 900мм, а выработочного – 300 – 600мм.

Усовершенствование стекловарочных печей традиционных конструкций и печей нового типа ставит в первую очередь цель повышения производительности за счет увеличения удельных объемов с одновременным снижением удельного расхода тепла, повышения химической однородности стекломассы и качества готовых изделий. Главным средством, обеспечивающим высокие удельные объемы на высокопроизводительных печах, является применение новых типов горелок с высокой степенью покрытия зеркала стекломассы факелом, что обеспечивается за счет расширения их влетов до 2,2 – 2, м и плоскофакельного принципа сжигания топлива путем подачи его в виде нескольких струй под влет горелки. Это позволяет повысить покрытия зеркала стекломассы с 45 до 55 %. Температура факела вблизи стекломассы повышается на 300 °С. Максимальная экономия тепла на стекловаренной печи может быть получена при создании так называемого «теплого» дна печи, т.е. многослойной его изоляции. Кроме того могут использоваться различные способы интенсификации стекловарения такие как бурления стекломассы, дополнительный электронагрев, кислородное дутье для эффективного сжигания топлива. Применение бурления стекломассы позволяет добиться повышения производительности стекловаренных печей на 20 – 25 %, применение дополнительного электроподогрева позволяет увеличить тепловой КПД печи на 30 – 40 %.

Питатели. В настоящее время практически все виды стеклянной тары вырабатывают на высокопроизводительных стеклоформующих автоматах методами выдувания и прессовыдувания. Получили распространение машины как с капельным, так и с вакуумным питанием стекломассы. При вакуумном питании в стекломассу, находящуюся в выработочном бассейне печи, во вращающихся чашах, ботах и других устройствах, погружается черновая форма. Благодаря разрежению в полость черновой формы засасывается стекломасса. Наибольшее распространение получили капельные питатели. Питатель изготавливают с газовым, жидкостным, электрическим и комбинированным отоплением. По числу подаваемых за один цикл работы капель различают одно–, двух–, трех– и четырех–капельные питатели. Длина питателей зависит от съема стекломассы (2,5–8 м). Канал питателя состоит из зон охлаждения и кондиционирования (выравнивания) с чашей.

Капельный питатель (иногда называют его фидером) представляет собой отапливаемый канал, выложенный из огнеупорного материала. Одним концом он примыкает к ванной печи (является ее продолжением), другой его конец заканчивается чашей с отверстием и очком в дне [8].

Сваренная в ванной печи стекломасса через студочную часть печи поступает в канал питателя. Над очком питателя расположен огнеупорный цилиндр–плунжер, который, перемещаясь вверх и вниз синхронно с работой стеклоформующей машины, готовит порцию стекломассы, которая отрезается ножницами и по специальному лотку подается для формования. Вокруг плунжера вращается огнеупорная труба–бушинг, которая перемешивает стекломассу.

Стекломасса вытекает через очко естественной струей. Плунжер опускается и выдавливает стекломассу через очко. Затем он поднимается и оттягивает стекломассу кверху. В результате в струе образуется пережим – «шейка», по которому она разрезается ножницами и отделяется в виде капли стекла. Температура формования капель в зависимости от массы стекла, его состава может составлять 1000–1200 °C.

При движении по каналу и в чаше питателя температура стекломассы должна быть однородной. Это достигается путем комбинации отопления и теплоизоляции канала и чаши.

Когда капля имеет неравномерную температуру, из нее нельзя получить изделия с хорошим распределением стекла. Обычный брак изделий в этом случае – продутость и залив. Значительное количество брака получается при отклонении температуры капли от оптимальной. Горячая капля вытянута, при падении в черновую форму образует складки, что неблагоприятно отражается на формовании. Формы, принимая слишком горячие капли, перегреваются, в результате приходится уменьшать скорость работы автоматов. Кроме того, стеклоформующие автоматы дают много брака из–за прилипания стекла к форме, деформации изделий. Влияет на работу стеклоформующих автоматов и порождает специфический брак также и холодная капля. Появляется кованость на поверхность изделий, увеличивается количество посечек и возрастает возможность появления других видов брака.

Стеклоформующее оборудование в производстве широкогорлой стеклянной тары. Для производства стеклянной тары в настоящее время используются различные типы стеклоформующих машин. Основными требованиями, предъявляемыми к ним, являются: высокая производительность, экономичность работы, строгое соблюдение формы вырабатываемого изделия. По направлению технологического процесса выработки стеклоформующие машины подразделяют на следующие типы: карусельные, секционные, конвейерные.

Карусельные автоматы имеют два поворотных стола, на которых монтируют формовой инструмент с устройствами, приводящими его в действие. Автоматы могут быть цикличными – с прерывистым вращением столов и роторными – с непрерывным вращением столов. Особенность карусельных автоматов – подача порции стекломассы непосредственно под очком питателя. Благодаря вращению столов под очко питателя подходят последовательно все формы автоматов. Это обстоятельство делает конструкцию автоматов сравнительно компактной и дает возможность применять ее в низких зданиях машинованных цехов. Карусельные автоматы могут иметь 6, 7, 8, 10 и 12 форм. Формовые комплекты выполняются одно или двухместными. Существенным недостатком карусельных автоматов является необходимость полного останова при неисправность одного из узлов. К машинам цикличного действия относятся автоматы типа 2 ЛАМ, АБ–6, «Линч–10», ПВМ. К машинам роторного типа R–7, S–10, ВВ–7, ВВ–12.

Секционные автоматы состоят из отдельных секций, которые работают независимо друг от друга и представляют собой самостоятельные стеклоформующие автоматы с 6, 8, 10 и 12 секциями, причем каждая секция может иметь одно–, двух–, трех– или четырехместные формы. Каждая из секций машин, работающих самостоятельно, снабжена расположенными в два ряда черновой (находящейся ближе к фидеру) и чистовой (у переднего фронта машины) формами. При поступлении капли черновая форма опрокинута верхней частью книзу. В этом положении выдуваются (прессуются) горло изделия и заготовка. После этого черновая форма раскрывается, заготовка удерживаемая клещами, поворачивается на 180° и передается в чистовую форму. В ней окончательно выдувают изделие.

К секционным машинам относят автоматы АВ6–2 и AL, выпускаемые фирмой «Склострой», машины IS, фирмы «Хайе–Гласс» и машины NIS фирмы «Emhart Glass». Секционные машины типа АЛ и IS предназначены для средне–крупносерийной выработки стеклянной тары. Машины NIS представляют новый уровень автоматизации процесса формования стеклянной тары, обеспечивающий меньшие отклонения параметров технологического процесса и меньшее количество отдельных операций, отнимающих сейчас много времени на большинстве стекольных заводов. Авторами предложены секционные машины с более эффективное удаление отформованных бутылок. Для этого извлекающий механизм захватывает формованную бутылку на дутьевом рабочем месте секционной стеклоформовочной машины, высвобождает бутылку на конвейере и возвращается для захвата второй бутылки, отформованной на дутьевом рабочем месте, с последующим извлечением бутылки, извлекающим механизмом.

Преимущества секционных автоматов перед карусельными:

1) более высокий коэффициент использования: каждая секция может включаться и выключаться независимо от работы других секций;

2) универсальность: при небольшой переналадке на них можно вырабатывать узко– и широкогорлую стеклянную тару, а также мелкие прессованные изделия;

3) возможность одновременной выработки в каждой секции различных видов изделий одинаковой массы и с одинаковой продолжительностью формования;

4) отсутствие вращающихся столов с формами и, следовательно, исключение необходимость применения больших усилий на их вращение и торможение;

5) минимальное число быстроизнашивающихся деталей;

6) легкость и относительная безопасность обслуживания;

7) возможность параллельной установки под одним питателем двух автоматов, что резко повышает производительность линий.

Недостатком, затрудняющим применение секционных стеклоформующих автоматов, является их большая высота. Для установки шестисекционного автомата необходимо, чтобы расстояние от пола машинного участка до уровня зеркала стекломассы в питателе составляло 3810–4110 мм. Движением отдельных механизмов секционных автоматов и регулированием продолжительности отдельных операций управляют с помощью пневматических или электронных синхронизирующих устройств.

Конвейерные машины являются наиболее производительными машинами для производства стеклотары. В основу их создания положены: прессовыдувной принцип формования; подача порции стекломассы непосредственно в черновую форму (без направляющих воронок и лотков); широкая возможность использования повторного прогревания чернового изделия (регулируемая длиной конвейера); конвейерный принцип организации технологического процесса и передачи заготовок от стола черновых форм к столу чистовых форм; новое конструктивное решение чистовых форм, состоящих из цельной донной и разъемной верхней частей; струйно–порционное питание черновых форм.

В связи с необходимостью снижения энергозатрат и загрязняющих выбросов в окружающую среду в работе рассмотрена проблема одностадийного формования для изготовления легкой тары. Для одностадийного формования необходимо более короткое стекло. Изменения химического состава можно достичь путем увеличения количества CaO. В состав стекла вводится примерно 10% CaO. Повышение количества CaO до 12% приведет к получению более короткого стекла и снизит температуру осветления более чем на 30°C. При этом возникнет проблема, связанная с более сильной склонностью к кристаллизации, локализованной в области очка питателя стекломассы. Минимизировать данную проблему позволит использование термического кондиционирования, равно как и использование различных относительно дешевых керамических материалов. Кроме того, замена части сырьевых материалов на гидроксиды повысит варочную способность шихты и качество стекла, а также улучшит теплопередачу при формовании за счет изменения спектральных свойств при повышении содержания OH–групп в стекле. Важное значение имеет процесс кондиционирования самой капли в результате ее специального нагрева с использованием горелок. Асимметричный нагрев и охлаждение во время формирования и резки капли может помочь компенсировать асимметричность теплоотдачи от капли. Оптимизированное, стабильное и дифференцированное распределение температуры является базовым условием возможности осуществления одностадийного процесса формования тонкостенных стеклянных изделий.

Отжиг стеклоизделий. Отжиг необходим для снятия внутренних остаточных напряжений, появляющихся в изделиях во время их формования и транспортирования. При большой концентрации эти напряжения могут привести к образованию трещин и разрушению изделия, что особенно недопустимо при использовании стеклотары для пищевых продуктов.

Печи для отжига стеклотары классифицируются по режиму работы (периодического действия (камерные) и непрерывного (конвейерные)), источнику тепла (жидкое, газообразное топливо, электрическая энергия), способу передачи тепла, направлению движения отжигаемых изделий и конструкции транспортных средств.

Наиболее удобны, просты и эффективны в эксплуатации печи отжига с электрическим обогревом. При этом обычно применяют нагревательные элементы сопротивления, которые устанавливают внутри печи, концентрируя их на тех или иных участках в соответствии с кривой отжига. Муфельная печь отжига снабжена двумя камерами сжигания и муфелями. Таким путем достигается уменьшение перепада температур в туннеле отжига. Зона быстрого охлаждения часто не имеет изоляционной засыпки. За туннелем отжига располагается открытый конвейер для окончательного охлаждения и сортировки изделий. В работе [15] на основе изучении радиационно–кондуктивного переноса энергии в силикатных стеклах и расплавах разработаны печи отжига нового поколения. Новая технология основана на организации процесса преимущественно в условиях радиационного переноса энергии в ИК–спектре в системе теплообмена: источник излучения – стеклостенка печи. ИК–печь обладает следующими основными преимуществами: ускорен отжиг (560–420 ˚С) в 3–4 раза; сокращена площадь по габаритам в 3–5 раз; масса металлоконструкций сокращена в 4–5 раз; затраты энергии снижены в 2 раза; толщина теплоизоляции уменьшена в 6–8 раз, сведена к 10–50 мм; лер экологически чист, не выдувает пылевидных частиц, вредных веществ, бесшумен; КПД водоохлажденного устройства печи отжига увеличен до 80 % применением селективно отражающих покрытий

Упрочнение стеклянной тары. Для улучшения эксплуатационных характеристик стеклянной тары необходимо провести мероприятия по упрочнению. В работе предлагается способ защиты изделий от появления царапин, возникающих во время хранения стеклянной тары и ее транспортировки (при взаимном контакте отдельных единиц этой продукции) путем покрывания поверхности изделия защитным слоем, уменьшающим коэффициент трения. В [18] рассмотрены следующие способы улучшения водостойкости бутылок для ликероводочной продукции:

1) обработка газообразными реагентами, приводящими к обесщелачиванию поверхностного слоя стекла (напр. SО₃, SО₂),

2) обработка HF или фторсодержащими газами, обработка дистиллированной или умягченной водой, обработка 1%–ными растворами уксусной и соляной кислот,

3) обработка водноспиртовыми растворами (мало эффективна).

Отмечена целесообразность обработки дистиллированной или умягченной водой при 80−100°C в течение 10−20 мин.

Авторами приведены общие сведения о современных покрытиях для стеклянной тары, обеспечивающих низкое сопротивление трению, устойчивость к образованию царапин, хорошую адгезию этикеток к поверхности стекла и декоративный эффект кислотного травления. В частности полимерные покрытия компании Wiegand Glas увеличивают сопротивление внутреннему давлению на 50% и позволяют уменьшить вес бутылки на 30%. В работе рассмотрено назначение покрытий, наносимых на стеклотару на горячем и холодном участке линии, и способы оценки качества покрытий и устойчивости стеклотары к царапинам.

Контроль качества стеклянной тары.

В настоящее время для контроля качества стеклянной тары используются следующие стандарты: ГОСТ 35596−2006 «Тара стеклянная. Методы контроля сопротивления вертикальной нагрузок»; ГОСТ 31292−2006 «Тара стеклянная. Методы контроля остаточных напряжений после отжиг». ГОСТ 32596−2006 «Тара стеклянная. Сопротивление вертикальной нагрузке. Методы испытаний».

На качество стеклянной тары наибольшее влияние оказывают: степень однородности стекломассы, режим формования изделий; работа транспортирующих устройств, переставителей и печей отжига, характер упаковки, транспортировки и эксплуатации стеклянной тары. Большое влияние на степень однородности стекломассы оказывают качество применяемых сырьевых материалов, характер загрузки шихты и боя в печь, температурный режим стекловаренной печи, применение средств интенсификации стекловарения. Следует отметить следующие возможные грубые нарушения однородности стекломассы: твердые (камни), стеклообразные (свили) и газообразные (пузыри) включения. Особенно опасны твердые включения, которые создают опасную концентрацию напряжений, не устраняемую отжигом, что приводит к разрушению изделий. При отсутствии инородных включений важную роль играет однородность химического состава в объеме сваренной стекломассы, степень которой определяется уровнем технологии стекловарения.

Характер производства полых штучных стеклоизделий не требует повышенной степени однородности, такой, например, как для листового стекла, но, тем не менее, многие виды стеклянной тары должны иметь повышенную механическую прочность и термическую устойчивость, что непосредственно связано с однородностью стекломассы. В связи с этим следует отметить такую характеристику стекловаренной печи, как ее варочная способность. Хорошая варочная способность определяется удачным сочетанием размеров бассейна, отдельных конструктивных элементов и правильной организацией сжигания топлива. К сожалению, на практике встречаются случаи, когда печи строятся без учета особенностей процесса стекловарения. В результате этого печь работает неэффективно, часто появляются виды брака, связанные с неоднородностью стекломассы, такие, как недостаточные механическая прочность и термическая стойкость.

Отрицательное влияние на однородность стекломассы оказывают непостоянство состава сырьевых материалов (особенно кварцевого песка), связанное с колебаниями содержания оксидов железа, а также нестабильный температурный режим стекловарения. В этих случаях изменяется теплопрозрачность стекломассы, характер ее потоков в печи, появляется возможность вовлечения в производственный поток менее нагретых и неоднородных порций стекломассы из придонных слоев. Все это снижает общую термическую и химическую однородность стекла.

Такие явления характерны при производстве окрашенных бутылок, особенно, когда стекольные заводы используют местные пески, неоднородные по составу и, в частности, с большими колебаниями содержания оксидов железа.

Процесс формования стеклянной тары имеет решающее значение для ее прочности. Это наиболее сложный и в то же время наименее контролируемый процесс всего технологического цикла. Операции формования стеклоизделий являются ограниченными во времени. Возникновение пороков формования и снижение показателей прочности изделий связаны, главным образом, с неправильным сочетанием технологических факторов и времени формования. В качестве примера можно привести несоответствие вязкости подаваемой на формование капли стекла временному интервалу для данного изделия на стеклоформующей машине. Снижение показателей прочности стеклянной тары при нарушении режимов формования связано с повышением уровня дефектности изделий при следующих операциях:

подготовка стекломассы к формованию (работа питателя);

формование изделий (режимы работы формовых комплектов, работа механизмов стеклоформующих машин).

При подготовке стекломассы к формованию необходимо получить каплю стекла, пригодную для формования. Однако это получается не всегда и капли могут содержать термические и механические дефекты.

Термические дефекты связаны с выраженной термической неоднородностью капли. Такая капля обычно несимметрична и из нее нельзя получить изделие с хорошим распределением стекла. В этом случае создаются также условия для возникновения посечек. Сюда же нужно отнести каплю, откло­няющуюся в ту или другую сторону от оптимального рабочего интервала температур («холодная» и «горячая» капли), В этом случае создаются условия для неравномерного распределения стекла и появления посечек, особенно при «холодной» капле.

Механические дефекты связаны с нарушениями формы, массы, качества поверхности капель и ритма их подачи в формы стеклоформующих машин. Что касается формы и массы капель, то операторы имеют в своем распоряжении достаточно возможностей для регулирования этих параметров. Сюда относятся регулировка температуры, настройка хода плунжера, его расположение над очком, диаметр плунжера и форма его рабочего конца, диаметр очка, расположение бушинга по высоте, расположение ножниц и т.п.

Значительное влияние на качество изделий оказывают режимы работы формовых комплектов. При отклонении от оптимального температурного режима формокомплектов («горячий» или «холодный» ход машины) возрастает вероятность возникновения посечек и неравномерного распределения стекла, Оптимальный температурный режим формокомплектов зависит от ряда факторов: химического состава стекла («короткое», «длинное»), его теплопрозрачности (бесцветное, окрашенное), конфигурации изделий, их массы, скорости работы автомата, мощности и совершенства средств для охлаждения форм и от характеристик самих форм (их материала, массы, характера теплоотдающей поверхности и др.).

Весьма важными факторами, влияющими на качество изделий, являются оптимальная конфигурация изделия, соответствие конфигураций капли черновой и чистовой формам, качество рабочей поверхности форм.

Для стеклоформующих машин, работающих по принципу двойного выдувания, характерен двухступенчатый режим формования «пульки». Граница этих режимов отражается на готовом изделии (бутылке) в виде так называемой «фидерной волны», т.е. сочетания участков стекла различной толщины. Как показывают результаты проверки прочности бутылок на стекольных заводах и у потребителей, разрушение весьма часто наблюдается в области «фидерной волны», особенно, если последняя является ярко выраженной. Соблюдение известных принципов конструирования, изготовления и эксплуатации форм при подаче хорошей капли позволяет получать изделия с минимальным проявлением «фидер­ной волны» и, следовательно, с повышенной прочностью.

После формования изделий необходимо сохранить их качество и обеспечить хорошие эксплуатационные характеристики, в первую очередь, прочность. Важным условием является обеспечение оптимального времени транспортировки изделий к печи отжига. При этом изделия должны быть защищены от переохлаждения защитными кожухами или экранами. Излишне длинные конвейеры без защитных экранов создают возможность локального переохлаждения изделий, появления временных термоупругих напряжений и дефектов. В этом случае снижается эффективность отжига, остаточные напряжения в отдельных частях изделий могут превышать допустимые величины, что, в свою очередь, вызывает ослабление или саморазрушение изделий.

При загрузке изделий в печь отжига следует, избегать тесного соприкосновения и, особенно, взаимного трения изделий. В противном случае происходит повреждение поверхности стекла, что снижает прочностные характеристики изделий. В связи с этим, nepeставители стеклоизделий должны быть хорошо отрегулированы. Не следует применять загрузку изделий в печь отжига по наклонному лотку. В этом случае изделия соприкасаются друг с другом, подвергаются воздействию нагрузок и сил трения, в результате чего поверхность изделий повреждается до появления видимых потертостей, что снижает показатели прочности, особенно при наличии других неявных дефектов, например, неравномерного распределения стекла. Особенно важно учитывать вышеуказанные факторы при выработке облегченной стеклянной тары. В этом случае нарушение условий транспортировки и загрузки в печь отжига может привести к тому, что полученные поверхностные дефекты существенно снизят прочность изделий.

В процессе отжига внутренние остаточные напряжения, образующиеся при формовании, удаляются или уменьшаются до допустимых пределов. Это важный этап сохранения прочности изделий, поэтому соблюдение технологического режима отжига играет первостепенную роль. Кроме того, для улучшения условий теплопередачи, изделия не должны находиться в тесном соприкосновении друг с другом, должно быть исключено их падение.

Качество стеклянной тары, поступающей к потребителю, в большой степени зависит от способа ее упаковки. Упаковка обеспечивает защиту тары от механических воздействий при транспортировке, которые могут вызвать ее повреждение во время погрузочно–разгрузочных работ и перевозки. Упаковка также должна предохранять тару от загрязнений. Вместе с тем, упаковка, транспортировка и погрузочно–разгрузочные работы должны быть экономически оправданы. Зарубежная практика и опыт отечественных заводов показывают, что лучшим способом упаковки стеклянной тары является бестарное пакетирование с применением полиэтиленовой термоусадочной пленки. При этом крупные пакеты формируются на поддонах, а малые – без них, При упаковке следует использовать достаточно плотную пленку с хорошей усадкой, с тем, чтобы пакет был достаточно монолитным и не разбалтывался при погрузочно–разгрузочных работах и транспортировке, В случае нарушения монолитности пакета, упакованная стеклянная тара начинает испытывать удары и взаимное трение, в результате чего появляется бой, поверхность получает повреждения и прочность стеклянной тары значительно снижается.

Методы контроля качества стеклянной тары. Фирмой XPAR Vision предложена ИК–система контроля на горячем конце линии, основанная на обнаружении и отбраковывании в горячем состоянии изделия с такими критическими дефектами, как недопрессовка заплечиков, дна или горла, а также упавшие с ленты и слипшиеся изделия.

Многофункциональная скоростная установка Multi–Star для проверки стеклянной тары на наличие случайных или технологических дефектов, отбраковки дефектных изделий и выявления стабильности технологического процесса. Контрольными параметрами являются посечка венчика, стенок или дна, герметичности и размеров венчика. Установка может быть объединена с модулем контроля толщины стенок, AGR, что позволяет отбраковывать бутылки по таким распространенным дефектам как «продув плечиков» или «толстое дно».

В соответствии с можно осуществлять контроль качества стеклянной тары на «горячее» участке линии. Получаемое при помощи одной или нескольких камер (с соответствующими источниками света и объективами) изображение изделия направляется в анализирующее устройство (например, ПК) и обрабатывается с помощью специальных компьютерных программ. При анализе наружного контура изделия система может получить информацию о следующих параметрах: диаметре, высоте, неперпендикулярности, искривлении стенок, нарушениях формы (например, раздутости), овальности, наклоне горла и т. п. При анализе «поля» изображения изделия система получает информацию о таких дефектах, как свиль, выключения, морщины, посечки, загрязнения, пузырь и т. п. Скорость измерения системы оптического контроля качества составляет до 900 изделий в минуту. Точность измерения − 0,05 мм (для горловой части изделий − 0,02 мм) − обеспечивает необходимую точность сортировки изделий и мониторинга процесса.

Упаковка, транспортировка, хранение готовой продукции. Одной из важнейших экономических проблем стекольной промышленности, в том числе и стеклотарного производства, являются упаковка, транспортировка и хранение готовой продукции. В связи с этим разрабатываются новые способы и устройства для автоматической и полуавтоматической упаковки, механизированной транспортировки и рационального хранения упакованной продукции. Целью данных разработок является максимально возможное предохранение стеклянной тары от загрязнения и повреждения. На ряде заводов используют усовершенствованный способ пакетирования изделий на поддонах: после установки верхней крышки на пакет надевают рукав из термоусадочной полиэтиленовой пленки. Нижнюю часть рукава по всему периметру жестко крепят к деревянному поддону, а верхнюю часть обрезают с небольшим прикусом, чтобы полностью закрыть изделия сверху. Образованный таким образом пакет помещают на 3 мин в печь при температуре 200 єC. Полиэтилен при этом усаживается, образуя жесткий пакет, его можно наклонять на 45є без разрушения. Упакованные таким образом стеклоизделия можно хранить на открытых площадках. При этом изделия не подвергаются действию атмосферных осадков и пыли.

Большое внимание следует уделять хранению готовой продукции. Атмосферные осадки и резкие изменения температуры и погодных условий усугубляют процессы разрушения поверхности изделий, ухудшая внешний вид продукции. Поэтому для хранения стеклоизделий обычно стоят стационарные крытые склады, где предусмотрена возможность широкого применения погрузочно–разгрузочных машин, механизмов и устройств различных видов.

Транспортировать все виды стеклянной тары автомобильным транспортом можно только в контейнерах, пакетах–поддонах или ящиках. В вагонах, контейнерах по согласованию с потребителем разрешается укладывать тару штабелями с перестилкой каждого ряда мягким упаковочным материалом.

Каждая партия стеклянной тары должна сопровождаться документом, удостоверяющим качество и соответствие изделий требованиям государственных стандартов и содержащим наименование предприятия–поставщика, его адрес, наименование изделий, дату выпуска партий, номер действующего стандарта, число мест.

Выбор способа производства.

В аналитическом обзоре рассмотрены особенности способов производства широкогорлой стеклянной тары на различных стадиях технологического процесса. В соответствии с отечественными стандартами выбран следующий химический состав стекла, %: SiO₂ – 73,12; Al₂O₃ – 2,32; CaO – 11,03; Na₂O+K₂O – 13,16; Fe₂O₃ – 0,07; MgO – 0,9; SO₃ – 0,3. В качестве обесцвечивателей стекломассы используются физические обесцвечиватели, мас.% Se 0,002 и CoO 0,0003. Повышенное содержание оксида кальция способствует увеличению скорости формования и скорости твердения при сохранении достаточно высокой кристаллизационной устойчивости.

Так как производство стеклянной тары является массовым производством, то при выборе сырьевых материалов сделан упор на использование недефицитного природного сырья. Для снижения количество вводимой дорогостоящей соды дополнительно используется полевошпатовый материал, который, так же вносит в шихту Al₂O₃ и MgO. SiO₂ вводится недефицитным песком кварцевым, CaO – мелом техническим. Для производства шихты применяем традиционный порошковый способ подготовки шихты. При проектировании дозировочно–смесительной линии для варки тарного стекла целесообразно использование весовой линии с однокомпонентными тензометрическими весовыми дозаторами, расположенными под одним рядом расходных бункеров. Дозирование шихты и стеклобоя осуществляются автоматически с помощью весоприемного устройства снабженного тензорезисторным датчиком.

Варка стекломассы будет осуществляться в ванной регенеративной печи непрерывного действия. Печь отапливается природным газом. Производительность печи 160 т/сутки. Максимальная температура варки 1500–1550 °С. Для экономии топливно–энергетических ресурсов используются современные методы интенсификации процесса варки, тепловая изоляция печи, использование тепла отходящих газов для подогрева стеклобоя или воды в котлах–утилизаторах.

Важнейшее значение для качества продукции имеет выбор стеклоформующего оборудования. Нами были рассмотрены достоинства и недостатки различных формующих автоматов, используемых в производстве стеклянной тары: АВ, AL, IS и NIS. Ряд предложенных машин имеют ряд существенных недостатков, главным из которых является низкая производительность. Кроме того, в производстве стеклянной тары наметилась четкая тенденция к уменьшению ее массы с одновременным сохранением и даже увеличением прочности, а ряд описанных стеклоформующих машин не отвечают заданным требованиям. Наиболее целесообразно использовать прессовыдувной способ производства широкогорлой стеклянной тары на секционных машинах IS. Автоматы IS характеризуются высокой производительностью и обеспечивают выпуск облегченной тары с высокими прочностными показателями.

В дипломном проекте предусмотрен отжиг изделий в печи отжига тип L 08 W 330, производительностью до 80 т/сут. С целью уменьшения потертостей на изделиях при перемещении по конвейерам на поверхности банки создается защитный слой в виде покрытия композицией КХП+вода. Такое покрытие наносится при использовании траверсного напылителя АР–5. По мере движения готовых изделий на упаковку установлены автоматы контроля геометрических размеров изделия. Конечной стадией производства является стадия упаковки годных изделий на упаковочной машине.

Подп.

Изм.

Кол уч.

№док.  

Дата

Лист

ДП 19.04.02 ПЗ

Разраб.

Гончарова О.В.

Пров.  

Трусова Е.Е.

Консультант  

Н.контр.

Кравчук А.П  

Утв.

Левицкий И.А.    

Технологический раздел

Стадия

Листов

БГТУ 71906004, 2014  

Лист

У

2 Технологический раздел

Реконструкция цеха предусматривает замену устаревших стеклоформующих автоматов ВВ–7 на новую шестисекционную стеклоформующую машину (итальянская компания «BDF») с одновременной реконструкцией стекловаренной печи №1.

Дата добавления: 2015-08-21