Оборудование для непрерывной выработки полированного листового стекла флоат-способом

Полированным называют стекло, поверхность которого обработана таким образом, что не допускает оптических искажений. Микронеровности на поверхности полированного стекла не превышают 0.01 мкм.

Флоат-способ - новый способ производства листового стекла. Он характеризуется высокой производительностью и высоким качеством вырабатываемой продукции. Сущность способа заключается в том, что лента стекла формуется горизонтально на поверхности расплава олова. Она образуется в результате растекания стекломассы под действием сил тяжести и поверхностного натяжения в ленту равновесной толщины.

Патенты на способ и устройство для получения листового стекла на расплаве металла в 1902 году (независимо друг от друга) получили американские изобретатели В.Хил и А.Хичкок. Согласно их патентам, подходящим металлом для формования ленты стекла могло быть олово или его сплавы с медью, однако из-за отсутствия технических возможностей и недостаточной изученности физико-химических процессов, протекающих при формовании ленты на расплаве металла, осуществить этот способ на практике в то время оказалось не возможно. В практику он был внедрен Английской фирмой «Пилкертон бразерс лимитед» в 1952-1959 годах в собственном патентном варианте. На разработку и практическое внедрение фирме из 500 человек (250 с учеными степенями) потребовалось более 7 лет. Затраты фирмы были настолько высоки, что практически привели ее к разорению. Новый способ, получивший название флоат-способ (плавающее стекло), оказался перспективным и рентабельным. За короткое время (10 - 15 лет) этот способ полностью заменил механические конвейеры по обработке стекла и стал доминирующим в мире. В настоящее время в мире более 110 действующих установок из них 10 установок на территории бывшего СССР. Производительность одной установки около 42 млн.м² стекла в год в условном 2 мм исчислении. Расход стекломассы на одну установку 450 – 750 т/сут.

Стекло термически полированное выпускают двух видов: зеркальное — для получения изделий, к которым предъявляются повышенные требования по оптическим показателям; техническое - для остекления всех видов транспорта, мебели и строительных сооружений. Ширина ленты стекла до 4 м, толщина от 3 до 25 мм (за рубежом до 50 мм). Скорость выработки от 600 до 1300 м/час.

Различия в химическом составе стекол для флоат-способа в разных странах незначительны, так как практически везде термически полированное стекло производится по единой технологии. Химически состав полированного стекла близок к составам обычных листовых стекол, в % по массе: SiO₂ - 73; А1₂0₃ -1; CaO - 8.6-9.0; MgO - 3.2-3.6; Na₂0 - 13.4-13.5.

Металл для флоат-поцесса должен иметь плотность, превышающую плотность стекла (2500 кг/м³); температуру плавления ниже 600°С (температура ленты стекла, передаваемой в печь отжига); температуру кипения выше 1050°С (температура стекломассы поступающей со сливного лотка). Металл не должен обладать высокой упругостью пара, что может привести к конденсации его на поверхности стекла и стенках флоат-ванны. Единственным металлом, наиболее полно отвечающим многочисленным требованиям флоат-процесса, является химически чистое олово. Содержание в олове незначительных примесей оксидных или сернистых соединений резко изменяет его свойства, особенно сильно увеличивается его испаряемость.

Принцип формования. Схема получения полированного стекла флоат-способом приведена на рис. 75.

 

Рисунок 75

 

Стекломасса 2 из выработочной части ванной печи 1 по узкому мелкому каналу, заканчивающемуся наклонным лотком, стекает на зеркальную поверхность расплава олова в ванну 5 (флоат-ванну). Во флоат-ванне стекломасса растекается, превращаясь в ленту равновесной толщины. Отформованная лента стекла продвигается по поверхности олова, постепенно охлаждается до 600°С и передается в печь отжига. Нижняя поверхность ленты получается ровной и гладкой за счет контакта с идеально ровной поверхностью расплава олова, а верхняя поверхность получается огненно-полированной за счет сил поверхностного натяжения. Высока теплопроводность олова, способствует достижению высокой термической однородности стекломассы, что обеспечивает высокое качество стекла и его поверхности.

Равновесная толщина формуемого стекла (6.7 мм) достигается в результате уравновешивания сил тяжести и противодействующих сил поверхностного натяжения, которые удерживают стекломассу от растекания. Равновесную толщину Δ можно рассчитать по формуле:

 

Δ ²=(σ_c+ σ_c.о – σ_о)_*[d_o/(g-d_c(d_o - d_c))],

 

где σ_c, σ_c.о, σ_о - силы межфазного поверхностного натяжения соответственно между стеклом и атмосферой, между оловом и атмосферой и между стеклом и оловом;

g - ускорение силы тяжести;

d_c, d_o - плотность соответственно стекла и олова.

Конструкция флоат-ванны. Флоат-ванна имеет длину до 45 – 55 м, ширина ее для наиболее распространенной ширины ленты стекла 3 – 4 м (с бортами) в начале составляет 7 м, а в остальной части 4 - 4.5 м. Глубина ванны 2 м. Ванна футерована огнеупорным материалом (шамотом) стойким к расплаву олова и заключена в металлический кожух. Глубина слоя расплавленного олова изменяется от 100 мм в начале ванны до 40 мм в ее конце, где толщина ленты стекла меньше и лента более холодная. Масса олова в ванне 120 – 150 т. Невозвратные потери олова со стеклом достигают 4 — 5 т/год. Под сводом ванны и в расплаве олова по всей длине ванны расположены электрические нагреватели и регуляторы, поддерживающие заданный температурный режим. По длине газового пространства ванна разделена перегородками на три зоны. В каждой зоне поддерживается свой температурный режим и состав газовой среды. Дно ванны охлаждается воздухом. По бокам ванны имеются смотровые окна, которые используют для операций по перемещению ленты во время пуска установки. Под свод ванны по трубам 10 непрерывно подается смесь азота и водорода, для защиты олова от окисления и предотвращения образования пленки оксида олова на нижней поверхности ленты. Защитная атмосфера создает небольшое избыточное давление до 30 – 40 Па. Газы защитной атмосферы непрерывно удаляются в конце ванны через шиберы у сливного лотка, а так же через отверстия для термопар, окна и прочие негерметичности ванны. Расход защитной смеси 1000 –1250 м³/час. Газовая смесь, подаваемая в горячую часть ванны содержит до 8% Н₂ по объему, а поступающая в концевые части до 15%. В смеси должно содержаться не более 0.00035 об.% кислорода, не более 0.0001 об.% соединений серы или углерода, не более 0.001 г/м³ механических примесей или паров воды. Азот и водород готовят на отдельных установках, размещаемых на заводе. Смешивают их на специальной станции. Для контроля над температурным режимом во флоат-ванне установлено до 15 термопар.

После флоат-ванны установлено роликовое тянульное устройство, которое непрерывно оттягивает ленту из ванны и переводит ее в лер отжига.

Температуру стекломассы, в сливном канале перед отсекающими шиберами 2 (их два на случай выхода одного из них из строя), измеряют с помощью термопары, погруженной в стекломассу на 20 – 25 мм. Ее поддерживают равной 1080±1°С при помощи автоматической системы вдувания холодного воздуха в начало студочной части печи. На сливном лотке температура стекломассы 1050°С.

Под сливной лоток стекломасса стекает, образую «лужицу». Лоток на 150 мм выше поверхности олова. Лента стекла формируется из верхних слоев «лужицы», не контактировавших с поверхностью лотка. Нижние слои поступают на формирование бортов ленты.

Скорость растекания стекломассы уменьшается с понижением температуры и с уменьшением толщины ленты. Поэтому на расстоянии приблизительно около 4.5 м от сливного лотка при температуре около 1025°С лента стекломассы достигает равновесной толщины. Чтобы полотно ленты чрезмерно не сузилось при оттягивании, ленту растягивают в ширину роликами 20 - 25, установленными сверху под углом около 10° к оси ленты и оттягивающими борта ленты. В зоне роликов температура ленты стекла 950 -900°С.

Формование стекла толщиной 2-4мм (рис. 75а). При необходимости формовать ленту толщиной, менее равновесной, ленту стекла, получаемую по принятой технологии из стекломассы при температуре 1050°С и вязкостью 1 кПас, охлаждают до температуры 700°С, при которой ее вязкость становится равной 10 мПас. Лента удерживается от сужения бортоформующими роликами (рис. б9а). После прохождения этого участка ленту подвергают разогреву до 850°С, при которой ее вязкость снижается до 0.1 мПас, за счет дополнительных электронагревателей 14 и 8. При этом скорость оттягивания несколько повышают, что приводит к утонению ленты и уменьшению на 25 - 30% ее ширины. Для получения стекла заданных размеров по толщине и ширине, ленту стекла на выходе из зоны дополнительно растягивают роликами 24 - 25 и охлаждают до температуры 650°С, при которой ее размеры перестают изменяться.

При формовании ленты стекла толщиной 8-30 мм (рис. 75б), то есть когда ее толщина превышает равновесную, на некотором расстоянии от стен бассейна на поверхности олова устанавливают графитовые планки-ограничители, которые удерживаются водяными холодильниками. Стекломасса заполняет пространство между ограничителями, образуя ленту заданной толщины. Перед поступлением в зону ограничителей стекломассу слегка охлаждают установленными над ней водяными холодильниками. На выходе из зоны ограничителей температура ленты стекла 800°С.

 

Рисунок 75(а, б)

а – тонкой ленты стекла; б – толстой ленты стекла

 

Схема устройства флоат-ванны представлена на рис. 76:

 

Рисунок 76

 

Отжиг ленты стекла. После прохождения флоат-ванны лента стекла поднимается над оловом и при помощи валков транспортируется в печь отжига. Ленту стекла отжигают в электрических печах отжига длиной 100 – 150 м. Число транспортирующих валков от 272. Температурный режим по длине печи отжига поддерживается автоматически, для чего печь делится перегородками по газовой среде на секции с разной мощностью нагревателей. По ширине ленты допускаются перепады температуры не более 10°С. По выходе из печи температура ленты стекла не более 200°С. На открытой концевой части конвейерной печи отжига ленту обдувают воздухом. После отжига стекло по конвейеру проходит моечную и сушильную камеры. Мойка стекла осуществляется подогретой (50 - 80°С) водой, а для сушки используют фильтрованный подогретый воздух.

Из-за большой ширины и скорости движения ленты стекла при флоат-процессе очень сложны операции ее раскроя и резки на заданные размеры, съема с конвейера, складирования и упаковки листов. На современных флоат-линиях этими «концевыми» операциями управляют автоматически с помощью ЭВМ. При раскрое с учетом пороков стекла над движущейся лентой стекла размещают оптические датчики, которые фиксируют расположение пороков и вводят их в память ЭВМ, куда заложены и заказанные размеры листов. При резке ленты стекла на листы больших размеров (большие форматы), листы отламываются способом прогиба на валике. Если же стекло нужно резать на «малые форматы», на ленту стекла в заданных местах наносят продольные и поперечные нарезы, но отламывают листы только при выходе ленты с конвейера. Крупные листы с помощью кранов устанавливают в возвратные контейнеры, а мелкие помещают в ящики-кассеты. Раскрой стекла по заданным размерам можно осуществлять и не в автоматическом цикле. Для этого применяют механизированные резные столы, на которые листы передаются автоматически.

Качество и пороки термически полированного стекла. Качество полированного флоат-стекла значительно лучше, чем стекла БВВС, и приближается к качеству механически полированного стекла. Полированное стекло не должно давать оптических искажений. Его светопрозрачность составляет 87%. Оптические искажения определяют по методу «зебра», сущность которого состоит в просматривании через стекло специального ярко освещенного экрана, представляющего собой систему равноотстоящих параллельных полос, наклоненных под углом 45° к горизонту, и в определении угла падения, при котором искажения черно-белой решетки становятся незаметными. Угол падения, при котором наблюдается искажение для флоат-стекла лежит в пределах 25 - 70°. Стекло считается очень хорошим при угле падения больше 50°. Метод достаточно прост, но дает ясную информацию о качестве стекла.

Формование полированного стекла на расплаве металла требует достаточно точного соблюдения теплотехнических и технологических параметров процесса, так как даже небольшие отклонения этих параметров и состава защитной атмосферы отрицательно сказываются на формовании стекла и, прежде всего, на качестве его поверхности. Это связано со сложными физико-химическими процессами, протекающими между стеклом и расплавом олова.

Поэтому, наряду с обычными пороками, связанными с подготовкой стекломассы, флоат-процессу присущи специфические пороки, связанные сособенностями метода выработки, особенно подсос воздуха через щели в местах установки термопар и роликов. Основные виды пороков:

1. Матовость - микропузыри на нижней поверхности стекла. Источником микропузырей является выделяющиеся из расплава олова растворенные газы - пары воды и водород, а также взаимодействие с оловом ионов серы и кислорода из контактирующей стекломассе, что приводит к образованию сульфида олова, который затем с водородом защитной атмосферы дает сероводород;

2. Дросс - приставшие к нижней поверхности, частички диоксида олова;

3. Блюм - налет на нижней поверхности, проявляющийся после отжига и вызванный путем диффузионного проникновения в стекло SnO, возникающего при окислении металлического олова. Наличие кислорода в защитной атмосфере может так же приводить к частичной диффузии двухвалентного олова в стекло, что приводит к образованию на его поверхности пятен в виде голубого налета.

4. Механическое повреждение поверхности ленты частицами SnO₂, которые могут образовываться на поверхности расплава металла из-за его окисления. Диоксид олова имеет высокую температуру плавления около 2100°С и не растворяется в стекла.

Лучшее стекло в России - это стекло Борского завода. Производство стекла осуществляется по собственному патентному способу, отличительной особенностью которого является укороченная флоат-ванна. Стеклянная лента снимается с расплава олова при температурах около 700°С. Это уменьшает окисления олова, так как еще не нарушается равновесие между N₂ и Н₂. С расплава олова лента подается на воздушную подушку, что предотвращает травмирование ее поверхности транспортирующими валками, и затем в печь отжига на роликовый транспортер. Весь способ очень удобен для компьютерного управления процессом.

Сейчас, на базе этого патента, создан проект «Типового автоматизированного технологического комплекса по производству листового стекла способом термического формования (1ЛДФ-5000), схема которого представлена на рис. 77. Основные позиции комплекса 1ЛДФ-5000:

1. Ванная регенеративная печь непрерывного действия с поперечным направлением пламени, производительностью 450 – 750 т/сут. Стекло варят при температуре 1580 - 1600°С. Для интенсификации процессов стекловарения широко применяется дополнительный электроподогрев, искусственное перемешивание стекломассы бурлением, что позволяет получать удельные съемы стекломассы до 1600 – 2300 кг/м^3.сут;

2. Ванна расплава имеет длину 51 м;

3. Транспортер с газо-воздушной подушкой;

4. Печь отжига;

5. Устройство поперечной резки;

6. Камера контроля качества;

7. Поворотный конвейер листов стекла;

8. Устройство отрезки бортов;

9. Механизм программного раскроя листов;

10. Боильная машина, для измельчения отходов стекла;

11. Установка перекладки листов стекла;

12. Установка разрезки листов на мелкие форматы;

13. Установка для очистки листов от стеклянной крошки;

14. Установка для подачи прокладочного материала;

15. Робот укладчик форматов;

16. Поворотная установка смены контейнерных пирамид.

Продолжительность непрерывной работы установки определяется кампанией печи и составляет 5 лет. Затраты на производство термически полированного стекла на 50% ниже, чем при производстве механическими способами. Удельная производительность флоат-установок (на 1 м ширины ленты) в 6.5 - 7 раз выше, чем при БВВС. Основное направление в развитии флоат-метода - увеличение единичной мощности линии. Это выдвигает задачи по дальнейшему увеличению производительности стекловаренных печей, повышение скоростей формования, совершенствованию и оптимизации режимов отжига, использование ЭВМ на всех этапах производства.

Выработка цветных стекол. Флоат-способ позволяет вырабатывать цветные стекла, как окрашенные в массе, так и с модифицированной поверхностью, и измененными характеристиками поглощения световых и тепловых лучей.

Листовое стекло, окрашенное в массе за счет содержания 0.42% Fе₂Оз, поглощает до 60% тепловых лучей.

Сущность метода модификации поверхности заключается в том, что если контактирующим расплавам стекла и металла приложить разность потенциалов от постороннего источника, то ионы металла будут достаточно быстро диффундировать в поверхность стекла и окрашивать ее. Таким способом вырабатывают серовато-бронзовые и медно-бронзовые стекла светлых и темных тонов, которые используют как тепло- и солнцезащитные стекла. На установку дополнительного оборудования во флоат-ванну для окрашивания стекол требуется немногим более 2 часов. Высокая температура стекломассы в ванне позволяет использовать низкое входное напряжение, безопасное для работы и не вызывающее повреждение поверхности стекла. Схема устройства для спектро-флоат электрохимической обработки поверхности стекла приведена на рис. 78.

 

Рисунок 78

 

Расплав металлического сплава 1, состоящего из 99% Pb и 1% Сu, помещают между нижней поверхностью горизонтально подвешенной медной плиты 2 и поверхностью ленты стекла 3 с температурой 900 - 600°С. Плита 2 соединена со вторичной обмоткой трансформатора 6, а электрод 4, погруженный в расплав металлического олова, заполняющего ванну, присоединяют к источнику постоянного тока 5. Такая обработка дает бронзовый цвет. Для получения розового оттенка используют сплав меди с оловом, для серовато-желтого - сплав серебра со свинцом. Сущность метода состоит в анодном растворении двойного сплава в стекле. Сплав Pb+Cu - анод (+). Расплав олова - катод (-), токопроводящая подложка. Лента стекла электролит. Реакции, протекающие на границе стекло - расплав двойного сплава:

Pb⁰ - 2e^- → Pb²⁺

Сu⁰ - e^-→ Cu⁺

Рb²⁺ и Cu⁺ - диффундируют в стекло, a Na⁺ и Н⁺ движутся к катоду и восстанавливаются на нем:

Na⁺ + e^- → Na⁰

2H⁺ + 2e^- → H₂

После выхода ленты стекла из зоны электрохимической обработки, ионы диффундировавшие в поверхностный слой стекла, восстанавливаются водородом защитной атмосферы:

РЬ²⁺ + Н₂ → РЬ⁰ + 2H⁺

2Сu⁺ + H₂ → Cu⁰ + 2H⁺

Таким образом, на поверхности стекла образуется металлическая пленка Pb+Cu, которая поглощает УФ-лучи.

Два способа получения флоат-стекол с модифицированной поверхностью, разработанные нашими учеными, нашли мировое признание:

1. Стекло «метелица». Во флоат-ванну при температурах 1000°С подают пропан-бутанновую смесь, при термическом разложении которой выделяется Н₂ и сажистый углерод, которые неравномерно распределяются и взаимодействуют с поверхностью стекла. В результате этого на поверхности образуется узор, имитирующий морозные узоры на стекле. Иногда в район размещения холодильников подают силан (SiH₄), в результате разложения которого выделяется Si и Н₂. Выделившийся кремний осаждается на поверхности стекла, образуя на ней серебристую пленку.

2. Стекло «ритм». На верхнюю поверхность ленты стекла наносится рельеф с помощью вала с гравировкой. Его устанавливают во флоат-ванне в месте, где лента стекла еще пластичная. Рельеф напоминает волны мелкого шифера.