Производство стекла включает два основных метода: процесс флоат-стекла , при котором производят листовое стекло, и выдувание стекла , при котором производятся бутылки и другая тара. На протяжении всей истории стекла это делалось разными способами .
В целом, современные заводы по производству стеклянной тары состоят из трех частей: «партийного цеха», «горячего конца» и «холодного конца». Бэтч-центр обрабатывает сырье; горячий конец занимается собственно производством — горном, формовочными машинами и печами для отжига ; а холодный конец обслуживает оборудование для проверки продукции и упаковки.
Пакетная обработка является одним из начальных этапов процесса производства стекла. В пакетном цехе сырье просто размещается в больших силосах (подача осуществляется с грузовика или железнодорожной цистерны) и хранится от 1 до 5 дней материала. Некоторые периодические системы включают обработку материалов, такую как просеивание/сито сырья, сушку или предварительный нагрев (например, стеклобоя ). Автоматизированный или ручной, цех дозирования измеряет, собирает, смешивает и доставляет рецептурное сырье для стекла (партию) через множество желобов, конвейеров и весов в печь. Партия поступает в печь в «собачью будку» или «загрузчик шихты». На рецепт партии влияют различные типы стекла, цвета, желаемое качество, чистота/доступность сырья и конструкция печи.
Горячая часть стекольного завода — это место, где расплавленное стекло превращается в стеклянные изделия. Шихта поступает в печь, затем проходит процесс формовки, внутренней обработки и отжига.
В следующей таблице перечислены общие фиксированные точки вязкости , применимые к крупномасштабному производству стекла и экспериментальной плавке стекла в лаборатории : [1]
Партия подается в печь с медленной скоростью, контролируемой системой обработки партии. Печи работают на природном газе или мазуте и работают при температуре до 1575 ° C (2867 ° F). [3] Температура ограничивается только качеством материала надстройки печи и составом стекла. Типы печей, используемых при производстве тарного стекла, включают «концевые» печи (концевые), «боковые» и «кислородные». Обычно размер печи классифицируется по производственной мощности в метрических тоннах в день (MTPD).
В настоящее время существует два основных метода изготовления стеклянной тары: метод «выдувание и выдувание» только для контейнеров с узким горлышком и метод «надавливание и выдувание», используемый для банок и контейнеров с коническим узким горлышком.
В обоих методах поток расплавленного стекла при температуре его пластичности (1050–1200 ° C [1920–2190 ° F]) разрезается режущим лезвием, образуя твердый стеклянный цилиндр, называемый «каплей». Капля имеет заданный вес, которого достаточно, чтобы сделать бутылку. Оба процесса начинаются с того, что комок падает под действием силы тяжести и направляется через желоба и желоба в формы для заготовок, две половины которых зажимаются, а затем закрываются «перегородкой» сверху.
В процессе «выдувания и выдувания» [4] стекло сначала продувается через клапан в перегородке, продавливая его в трехчастную «кольцевую форму», которая удерживается в «шейном рычаге» под заготовками, чтобы сформировать «финиш». Термин «отделка» описывает детали (такие как уплотняющая поверхность крышки, резьба, удерживающее ребро для защиты от несанкционированного доступа и т. д.) на открытом конце контейнера. Затем через стекло продувают сжатый воздух, в результате чего получается полый и частично сформированный контейнер. Затем на втором этапе снова продувается сжатым воздухом для придания окончательной формы.
Контейнеры изготавливаются в два основных этапа. На первом этапе формуются все детали («отделка») вокруг отверстия, но корпус контейнера изначально делается значительно меньше его окончательного размера. Эти частично изготовленные контейнеры называются «заготовками», и им довольно быстро придается окончательная форма выдувным формованием.
«Кольца» уплотнены снизу коротким плунжером. После окончания «оседания» поршень слегка втягивается, чтобы образовавшаяся кожа смягчилась. Затем через поршень выходит воздух «встречного удара», образуя заготовку. Перегородка поднимается, и заглушки открываются. Заготовка переворачивается по дуге к «стороне формы» с помощью «шейного рычага», который удерживает заготовку за «конец».
Когда рычаг шейного кольца достигает конца своей дуги, две половины формы смыкаются вокруг заготовки. Рычаг с шейным кольцом слегка открывается, чтобы освободить «финиш», а затем возвращается на чистую сторону. «Последний удар», наносимый через «выдувную головку», выдувает стекло, расширяя его в форму, чтобы придать контейнеру окончательную форму.
В процессе прессования и выдувания [4] заготовка формируется с помощью длинного металлического плунжера, который поднимается вверх и выдавливает стекло, чтобы заполнить кольцо и пустые формы. [5] Затем процесс продолжается, как и раньше: заготовка переносится в форму окончательной формы, а стекло выдувается в форму.
Затем контейнер извлекается из формы с помощью механизма «вынимания» и удерживается над «заглушкой», где воздушное охлаждение помогает охладить все еще мягкое стекло. Наконец, бутылки выбрасываются на конвейер с помощью «выталкивающих лопастей», которые имеют воздушные карманы, удерживающие бутылки в вертикальном положении после приземления на «заглушку»; теперь они готовы к отжигу.
Формовочные машины удерживают и перемещают детали, образующие контейнер. Машина состоит из 19 основных механизмов, работающих для формирования бутылки и обычно работающих на сжатом воздухе (высокое давление – 3,2 бар и низкое давление – 2,8 бар). Механизмы синхронизируются электроникой для координации всех движений механизмов. Наиболее широко используемой компоновкой формовочной машины является машина с отдельными секциями (или машина IS). Эта машина имеет банк из 5–20 одинаковых секций, каждая из которых содержит один полный набор механизмов для изготовления контейнеров. Секции расположены в ряд, и капли подаются в каждую секцию через движущийся желоб, называемый распределителем капель . Секции создают один, два, три или четыре контейнера одновременно (называемые «одинарной», «двойной», «тройной» и «четырехкапельной»). В случае нескольких капель «ножницы» разрезают капли одновременно, и они параллельно падают в формы для заготовок.
Формовочные машины в основном работают на сжатом воздухе , и типичный стекольный завод имеет несколько больших компрессоров (общей производительностью 30–60 тыс. куб. футов в минуту) для обеспечения необходимого сжатого воздуха. Однако в последнее время в машинах были внедрены сервоприводы, обеспечивающие лучшее цифровое управление процессом формовки. Это один шаг к инициализации Индустрии 2.0 в этой отрасли.
Печи, компрессоры и формовочные машины генерируют большое количество отходящего тепла , которое обычно охлаждается водой. Горячее стекло, которое не используется в формовочной машине, отводится, и это отведенное стекло (называемое «стеклобой») обычно охлаждается водой, а иногда даже обрабатывается и измельчается в водяной бане. Часто требования к охлаждению распределяются между группами градирен, расположенных так, чтобы обеспечить резервное копирование во время технического обслуживания.
После процесса формования некоторые контейнеры, особенно предназначенные для спиртных напитков, подвергаются обработке для улучшения химической стойкости внутренней части, называемой «внутренней обработкой» или деалкализацией . Обычно это достигается путем нагнетания серо- или фторсодержащей газовой смеси в баллоны при высоких температурах. Газ обычно доставляется в контейнер либо с воздухом, используемым в процессе формования (то есть во время окончательного выдувания контейнера), либо через сопло, направляющее струю газа в горлышко бутылки после формования. Обработка делает контейнер более устойчивым к экстракции щелочью, что может привести к повышению pH продукта и, в некоторых случаях, к деградации контейнера.
По мере остывания стекло сжимается и затвердевает. Неравномерное охлаждение может сделать стекло более склонным к разрушению из-за внутренних напряжений: сначала остывает поверхность, затем, когда внутренняя часть охлаждается и сжимается, создается напряжение. [6] Равномерное охлаждение достигается за счет отжига . Печь для отжига (известная в промышленности как лер ) нагревает контейнер примерно до 580 °C (1076 °F), а затем охлаждает его, в зависимости от толщины стекла, в течение 20–60 минут.
Роль холодного этапа производства стеклянной тары заключается в выполнении конечных задач производственного процесса: напылении полиэтиленового покрытия для обеспечения стойкости к истиранию и повышенной смазывающей способности, проверке тары на наличие дефектов, маркировке тары и упаковке тары для отправки.
Стеклянные контейнеры обычно получают два поверхностных покрытия: одно на горячем конце , непосредственно перед отжигом, и одно на холодном конце, сразу после отжига. На горячий конец наносится очень тонкий слой оксида олова (IV) либо с использованием безопасного органического соединения, либо неорганического хлорида олова . Системы на основе олова – не единственные используемые, хотя и наиболее популярные. Также можно использовать тетрахлорид титана или органо-титанаты. Во всех случаях покрытие делает поверхность стекла более прочной по отношению к покрытию холодного конца. На холодный конец обычно наносится слой полиэтиленового воска посредством эмульсии на водной основе . Это делает стекло скользким, защищая его от царапин и предотвращая слипание контейнеров при их перемещении по конвейеру . Получающееся в результате невидимое комбинированное покрытие придает стеклу практически нецарапающуюся поверхность. Из-за уменьшения повреждения поверхности в процессе эксплуатации покрытия часто называют упрочнителями, однако более правильным определением могло бы быть покрытие, сохраняющее прочность.
Стеклянная тара проходит 100% проверку; Автоматы, а иногда и люди, проверяют каждый контейнер на наличие разнообразных неисправностей. Типичные дефекты включают небольшие трещины в стекле, называемые «чеками», и инородные включения, называемые «камнями», которые представляют собой куски огнеупорной футеровки плавильной печи, которые откалываются и падают в ванну расплавленного стекла, или, что чаще всего, негабаритные гранулы кремнезема ( песок), которые не расплавились и которые впоследствии включаются в конечный продукт. Их особенно важно выбирать, поскольку они могут придать разрушительный элемент конечному стекольному изделию. Например, поскольку эти материалы могут выдерживать большое количество тепловой энергии, они могут вызвать тепловой удар стеклянного изделия, приводящий к взрывному разрушению при нагревании. Другие дефекты включают пузырьки в стекле, называемые «волдырями», и слишком тонкие стенки. Еще один дефект, распространенный в производстве стекла, называется «надрывом». Если при формовке методом «прессовать и выдувать», если плунжер и форма не выровнены или нагреты до неправильной температуры, стекло прилипнет к любому изделию и порвется. Помимо отбраковки неисправных контейнеров, инспекционное оборудование собирает статистическую информацию и передает ее операторам формовочных машин в горячем конце. Компьютерные системы собирают информацию о неисправностях и отслеживают ее до формы, из которой был изготовлен контейнер. Это делается путем считывания номера формы на контейнере, который закодирован (в виде цифры или двоичного кода точек) на контейнере формой, которая его изготовила. Операторы вручную проводят ряд проверок образцов контейнеров, обычно визуальную проверку и проверку размеров.
Иногда контейнерные фабрики предлагают такие услуги, как «маркировка». Доступно несколько технологий маркировки. Уникальным для стекла является процесс прикладной керамической маркировки (ACL). Это трафаретная печать декора на емкость стекловидной эмалевой краской с последующим запеканием. Примером тому является оригинальная бутылка Coca-Cola .
Стеклянную тару упаковывают различными способами. В Европе популярны поддоны для массовых грузов вместимостью от 1000 до 4000 контейнеров каждый. Это осуществляется автоматическими машинами (паллетайзерами), которые укладывают и укладывают контейнеры, разделенные слоями листов. Другие возможности включают коробки и даже мешки, сшитые вручную. После упаковки новые «товарные единицы» маркируются, складируются и в конечном итоге отправляются.
Производство стеклянной тары в развитых странах – это зрелый рыночный бизнес. Мировой спрос на листовое стекло в 2009 году составил около 52 миллионов тонн. [7] На США, Европу и Китай приходится 75% спроса, при этом потребление Китая увеличилось с 20% в начале 1990-х годов до 50%. [7] Производство стеклянной тары также является географическим бизнесом; продукт тяжелый и имеет большой объем, а основное сырье (песок, кальцинированная сода и известняк), как правило, легкодоступно. Поэтому производственные мощности должны быть расположены близко к их рынкам. Типичная стекловаренная печь вмещает сотни тонн расплавленного стекла, поэтому просто непрактично выключать ее каждую ночь или, по сути, в любой период меньше месяца. Таким образом, заводы работают 24 часа в сутки 7 дней в неделю. Это означает, что существует мало возможностей увеличить или уменьшить темпы добычи более чем на несколько процентов. Новые печи и формовочные машины стоят десятки миллионов долларов и требуют не менее 18 месяцев планирования. Учитывая этот факт, а также тот факт, что продукции обычно больше, чем машинных линий, продукция продается со склада. Таким образом, задача маркетинга/производства состоит в том, чтобы спрогнозировать спрос как в краткосрочной перспективе от 4 до 12 недель, так и в долгосрочной перспективе от 24 до 48 месяцев. Размер заводов обычно рассчитан на удовлетворение потребностей города; в развитых странах обычно приходится одна фабрика на 1–2 миллиона человек. Типичный завод будет производить 1–3 миллиона контейнеров в день. Несмотря на свое позиционирование как зрелый рыночный продукт, стекло пользуется высоким уровнем признания потребителей и воспринимается как формат упаковки «премиального» качества.
Стеклянная тара подлежит полной вторичной переработке , и стекольная промышленность во многих странах придерживается политики, иногда требуемой государственными постановлениями, по поддержанию высоких цен на стеклобой для обеспечения высокого уровня возврата. Уровень возврата 95% не является редкостью в странах Северной Европы (Швеция, Норвегия, Дания и Финляндия). В других странах обычен процент возврата менее 50%. [ нужна цитата ]
Конечно, стеклянные контейнеры также можно использовать повторно , и в развивающихся странах это распространено, однако воздействие мытья контейнеров на окружающую среду по сравнению с их переплавкой неясно. Здесь следует учитывать такие факторы, как химические вещества и пресная вода, используемые при стирке, а также тот факт, что одноразовый контейнер можно сделать намного легче, используя менее половины стакана (и, следовательно, энергопотребления) многоразового контейнера. Кроме того, важным фактором при рассмотрении вопроса повторного использования в развитых странах является обеспокоенность производителей по поводу риска и последующей ответственности за качество продукции , связанной с использованием компонента (повторно используемого контейнера) неизвестной и неквалифицированной безопасности.
Трудно сказать, насколько стеклянная тара отличается от других видов упаковки ( пластик , картон , алюминий ); окончательные исследования жизненного цикла еще не проведены.
Флоат-стекло — это лист стекла , изготовленный путем плавления расплавленного стекла на слое расплавленного металла, обычно олова , хотя в прошлом использовались свинец и различные сплавы с низкой температурой плавления . Этот метод обеспечивает листу равномерную толщину и очень плоскую поверхность. Современные окна изготавливаются из флоат-стекла. Большая часть флоат-стекла представляет собой натриево-известковое стекло , но относительно небольшие количества специального боросиликатного стекла [8] и стекла для плоских дисплеев также производятся с использованием процесса флоат-стекла. [9] Процесс флоат-стекла также известен как процесс Пилкингтона , [10] названный в честь британского производителя стекла Пилкингтона , который впервые применил эту технику (изобретенную сэром Аластером Пилкингтоном ) в 1950-х годах.
Как и все отрасли с высокой концентрацией, стекольные заводы страдают от умеренно высокого местного воздействия на окружающую среду. Ситуация усугубляется тем, что, поскольку они являются зрелыми рыночными предприятиями, они часто находятся на одном и том же месте в течение длительного времени, что приводит к вторжению в жилые помещения. Основными воздействиями на жилые дома и города являются шум, использование пресной воды, загрязнение воды, загрязнение воздуха NOx и SOx, а также пыль.
Шум создается формовочными машинами. Работая на сжатом воздухе, они могут производить уровень шума до 106 дБА . То, как этот шум распространяется по окрестностям, во многом зависит от планировки завода. Еще одним фактором производства шума является движение грузовиков. Типичный завод перерабатывает 600 тонн материала в день. Это означает, что около 600 тонн сырья должно поступить на площадку и столько же покинуть ее в виде готовой продукции.
Вода используется для охлаждения печи, компрессора и неиспользованного расплавленного стекла. Использование воды на заводах сильно различается; на тонну расплавленного стекла может быть использовано всего лишь одна тонна воды. Из одной тонны примерно половина испаряется для охлаждения, остальная часть образует поток сточных вод.
Большинство заводов используют воду, содержащую эмульгированное масло, для охлаждения и смазки ножей , режущих капли . Эта нефтесодержащая вода смешивается с выходящим потоком воды, загрязняя его. На заводах обычно имеется какое-то оборудование для обработки воды , которое удаляет эмульгированную нефть с различной степенью эффективности.
Оксиды азота являются естественным продуктом сгорания газа в воздухе и в больших количествах производятся в газовых печах. Некоторые заводы в городах с особыми проблемами загрязнения воздуха будут смягчать это, используя жидкий кислород , однако логика этого, учитывая стоимость углерода (1) без использования регенераторов и (2) необходимости сжижать и транспортировать кислород, весьма сомнительна. Оксиды серы образуются в результате плавления стекла. Манипулирование формулой партии может частично смягчить эту проблему; в качестве альтернативы можно использовать очистку выхлопных газов. [6]
Сырьем для производства стекла является пыльный материал, который поставляется либо в виде порошка, либо в виде мелкозернистого материала. Системы контроля пылящих материалов, как правило, сложны в обслуживании, и, учитывая большие объемы материала, перемещаемые каждый день, достаточно лишь небольшого количества материала, чтобы возникла проблема с пылью. Стеклобой (битое стекло или отходы стекла) также перемещается на стекольном заводе и имеет тенденцию образовывать мелкие частицы стекла, когда его сгребают лопатой или разбивают.
