Производство стекла включает два основных метода – флоат- процесс, который производит листовое стекло, и стеклодувный процесс , который производит бутылки и другие емкости. Это делалось различными способами на протяжении истории стекла .
В целом, современные заводы по производству стеклянной тары представляют собой трехкомпонентные операции: «составной цех», «горячий конец» и «холодный конец». Составной цех обрабатывает сырье; горячий конец управляет самим производством — питателем, формовочными машинами и печами для отжига ; а холодный конец управляет оборудованием для проверки продукции и упаковки.
Обработка партии является одним из начальных этапов процесса производства стекла. Составной цех просто размещает сырье в больших силосах (подача осуществляется с грузовика или железнодорожного вагона) и вмещает материал на 1–5 дней. Некоторые системы обработки партии включают обработку материала, такую как просеивание/просеивание сырья, сушку или предварительный нагрев (например, стеклобоя ). Независимо от того, автоматизированный он или ручной, составной цех измеряет, собирает, смешивает и доставляет рецепт сырья для стекла (партию) через ряд желобов, конвейеров и весов в печь. Партия поступает в печь в «собачий дом» или «загрузчик партии». Различные типы стекла, цвета, желаемое качество, чистота/доступность сырья и конструкция печи будут влиять на рецепт партии.
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 лабораторных условиях : [1]
Партия подается в печь с медленной, контролируемой скоростью 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 «с торцевым портом» (с торцевым обогревом), «с боковым портом» и «кислородное топливо». Обычно размер печи классифицируется по производственной мощности в метрических тоннах в день (MTPD).
Современные печи используют методы электрического нагрева , которые повышают энергоэффективность по сравнению с традиционными системами на ископаемом топливе, способствуя снижению загрязнения и выбросов. [4] Электроды, изготовленные из молибдена , графита или сплавов, используются в стекловаренных печах для проведения электричества и выработки энергии. [5]
В настоящее время существует два основных метода изготовления стеклянной тары: метод «выдувания и прессования», используемый только для изготовления тары с узким горлышком, и метод «прессования и выдувания», используемый для банок и конических тары с узким горлышком.
В обоих методах поток расплавленного стекла при его пластической температуре (1050–1200 °C [1920–2190 °F]) разрезается ножом-ножом, чтобы сформировать сплошной стеклянный цилиндр, называемый «каплей». Капля имеет заданный вес, достаточный для изготовления бутылки. Оба процесса начинаются с падения капли под действием силы тяжести и направляются через желоба и лотки в пустые формы, две половины которых зажимаются и затем герметизируются «перегородкой» сверху.
В процессе «выдувания и выдувания» [6] стекло сначала выдувается через клапан в перегородке, продавливая его вниз в трехкомпонентную «кольцевую форму», которая удерживается в «рукоятке горловины» под заготовками, для формирования «отделки». Термин «отделка» описывает детали (такие как уплотнительная поверхность крышки, резьба, удерживающее ребро для защиты от несанкционированного доступа и т. д.) на открытом конце контейнера. Затем сжатый воздух продувается через стекло, в результате чего получается полый и частично сформированный контейнер. Затем сжатый воздух снова продувается на втором этапе для придания окончательной формы.
Контейнеры изготавливаются в два основных этапа. На первом этапе все детали («отделка») формуются вокруг отверстия, но корпус контейнера изначально делается намного меньше его окончательного размера. Эти частично изготовленные контейнеры называются «заготовками», и довольно быстро они выдуваются в окончательную форму.
«Кольца» запечатываются снизу коротким плунжером. После завершения «выдувания осадка» плунжер слегка отводится назад, чтобы образовавшаяся корка размягчилась. Затем воздух «противодувания» поднимается через плунжер, чтобы создать заготовку. Перегородка поднимается, и заготовки открываются. Заготовка переворачивается по дуге в «сторону формы» «рычагом горлового кольца», который удерживает заготовку за «отделку».
Когда рычаг горлового кольца достигает конца своей дуги, две половины формы смыкаются вокруг заготовки. Рычаг горлового кольца слегка открывается, чтобы ослабить захват «отделки», затем возвращается к стороне заготовки. «Окончательный удар», наносимый через «выдувную головку», выдувает стекло, расширяясь в форме, чтобы придать окончательную форму контейнеру.
В процессе прессования и выдувания [6] заготовка формируется длинным металлическим плунжером, который поднимается и выдавливает стекло, чтобы заполнить кольцевые и пустые формы. [7] Затем процесс продолжается, как и прежде, при этом заготовка переносится в форму окончательной формы, а стекло выдувается в форму.
Затем контейнер вынимается из формы механизмом «выноса» и удерживается над «приемной плитой», где воздушное охлаждение помогает охладить все еще мягкое стекло. Наконец, бутылки выносятся на конвейер «выталкивающими лопатками», имеющими воздушные карманы, чтобы удерживать бутылки в вертикальном положении после приземления на «приемную плиту»; теперь они готовы к отжигу.
Формовочные машины удерживают и перемещают детали, которые формируют контейнер. Машина состоит из 19 основных механизмов, работающих для формирования бутылки, и, как правило, питается сжатым воздухом (высокое давление – 3,2 бар и низкое давление – 2,8 бар), механизмы синхронизируются электроникой для координации всех движений механизмов. Наиболее широко используемая компоновка формовочной машины – это машина с отдельными секциями (или машина IS). Эта машина имеет группу из 5–20 идентичных 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 производят один, два, три или четыре контейнера одновременно (называемые «одинарными», «двойными», «тройными» и «четверными» каплями). В случае нескольких капель «ножницы» одновременно режут капли, и они параллельно попадают в заготовки.
Формовочные машины в основном работают на сжатом воздухе , и типичный стекольный завод будет иметь несколько больших компрессоров (в общей сложности 30–60 тыс. куб. футов в минуту) для обеспечения необходимого сжатого воздуха. Однако в последнее время в машины внедряются сервоприводы, которые обеспечивают лучшее цифровое управление процессом формования. Это один шаг к инициализации промышленности 2.0 в этой отрасли.
Печи, компрессоры и формовочные машины генерируют большое количество отработанного 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 ванне. Часто требования к охлаждению распределяются по группам градирен, организованных так, чтобы обеспечить резервное копирование во время обслуживания.
После процесса формования некоторые контейнеры, особенно предназначенные для алкогольных напитков, подвергаются обработке для улучшения химической стойкости внутренней части, называемой «внутренней обработкой» или дещелированием . Обычно это достигается путем впрыскивания в бутылки газовой смеси, содержащей серу или фтор, при высоких температурах. Газ обычно подается в контейнер либо в воздухе, используемом в процессе формования (то есть во время окончательного выдувания контейнера), либо через сопло, направляющее поток газа в горлышко бутылки после формования. Обработка делает контейнер более устойчивым к извлечению щелочи, что может привести к повышению pH продукта, а в некоторых случаях и к деградации контейнера.
По мере охлаждения стекло сжимается и затвердевает. Неравномерное охлаждение может сделать стекло более подверженным трещинам из-за внутренних напряжений: сначала охлаждается поверхность, затем, когда внутренняя часть охлаждается и сжимается, создается напряжение. [8] Равномерное охлаждение достигается путем отжига . Печь для отжига (известная в отрасли как лер ) нагревает контейнер примерно до 580 °C (1076 °F), затем охлаждает его, в зависимости от толщины стекла, в течение 20–60 минут.
Роль холодного участка производства стеклянной тары заключается в выполнении заключительных задач в процессе производства: напыление полиэтиленового покрытия для обеспечения стойкости к истиранию и повышения смазывающей способности, проверка тары на наличие дефектов, маркировка тары и упаковка 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 горячем конце наносится очень тонкий слой оксида олова (IV) либо с использованием безопасного органического соединения, либо неорганического хлорида олова . Системы на основе олова не являются единственными используемыми, хотя и наиболее популярными. Также могут использоваться тетрахлорид титана или органотитанаты. Во всех случаях покрытие делает поверхность стекла более адгезионной к покрытию холодного конца. На холодном конце слой, как правило, полиэтиленового воска , наносится с помощью эмульсии на водной основе . Это делает стекло скользким, защищая его от царапин и предотвращая слипание контейнеров при перемещении их на конвейере . Полученное невидимое комбинированное покрытие придает стеклу практически нецарапающуюся поверхность. Из-за снижения повреждения поверхности в процессе эксплуатации покрытия часто описываются как упрочнители, однако более правильным определением может быть покрытие, сохраняющее прочность.
Стеклянные контейнеры проходят 100%-ную проверку; автоматические машины, а иногда и люди, проверяют каждый контейнер на наличие различных дефектов. Типичные дефекты включают небольшие трещины в стекле, называемые «щелями», и инородные включения, называемые «камнями», которые представляют собой части огнеупорной кирпичной футеровки плавильной печи, которые отламываются и падают в ванну расплавленного стекла, или, что более распространено, крупные гранулы кремнезема (песок), которые не расплавились и которые впоследствии включаются в конечный продукт. Их особенно важно отбирать, поскольку они могут привнести разрушительный элемент в конечный стеклянный продукт. Например, поскольку эти материалы могут выдерживать большое количество тепловой энергии, они могут привести к тому, что стеклянный продукт выдержит тепловой удар, что приведет к взрывному разрушению при нагревании. Другие дефекты включают пузырьки в стекле, называемые «волдырями», и чрезмерно тонкие стенки. Другой дефект, распространенный в производстве стекла, называется «разрыв». При формовании «прессованием и выдуванием», если плунжер и форма не выровнены или нагреты до неправильной температуры, стекло прилипнет к любому из них и разорвется. Помимо отбраковки неисправных контейнеров, инспекционное оборудование собирает статистическую информацию и передает ее операторам формовочной машины в горячем конце. Компьютерные системы собирают информацию о неисправностях и отслеживают ее до формы, изготовившей контейнер. Это делается путем считывания номера формы на контейнере, который закодирован (как цифра или двоичный код точек) на контейнере формой, изготовившей его. Операторы выполняют ряд проверок вручную на образцах контейнеров, обычно визуальные и размерные проверки.
Иногда фабрики по производству контейнеров предлагают такие услуги, как «маркировка». Доступно несколько технологий маркировки. Уникальным для стекла является процесс прикладной керамической маркировки (ACL). Это трафаретная печать декора на контейнере с помощью стекловидной эмалевой краски, которая затем запекается. Примером этого является оригинальная бутылка Coca-Cola .
Стеклянная тара упаковывается различными способами. В Европе популярны поддоны для сыпучих грузов , вмещающие от 1000 до 4000 контейнеров. Это осуществляется автоматическими машинами (паллетайзерами), которые расставляют и укладывают контейнеры, разделенные слоями листов. Другие возможности включают коробки и даже сшитые вручную мешки. После упаковки новые «единицы запаса» маркируются, складируются и в конечном итоге отправляются.
Производство стеклянной тары в развитых странах является зрелым рыночным бизнесом. Мировой спрос на листовое стекло составил приблизительно 52 миллиона тонн в 2009 году. [9] На Соединенные Штаты, Европу и Китай приходится 75% спроса, при этом потребление Китая выросло с 20% в начале 1990-х годов до 50%. [9] Производство стеклянной тары также является географическим бизнесом; продукт тяжелый и большой по объему, а основные виды сырья (песок, кальцинированная сода и известняк) обычно легкодоступны. Поэтому производственные мощности должны быть расположены близко к их рынкам. Типичная стекловаренная печь вмещает сотни тонн расплавленного стекла, и поэтому просто нецелесообразно закрывать ее каждую ночь или вообще в любой период, кроме месяца. Поэтому заводы работают 24 часа в сутки 7 дней в неделю. Это означает, что мало возможностей увеличить или уменьшить производительность 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 обычно продукции больше, чем линий машин, продукция продается со склада. Поэтому задача маркетинга/производства заключается в прогнозировании спроса как в краткосрочной перспективе (4–12 недель), так и в долгосрочной перспективе (24–48 месяцев). Заводы, как правило, рассчитаны на обслуживание потребностей города; в развитых странах обычно на 1–2 миллиона человек приходится один завод. Типичный завод будет производить 1–3 миллиона контейнеров в день. Несмотря на позиционирование как зрелого рыночного продукта, стекло пользуется высоким уровнем признания потребителями и воспринимается как формат упаковки «премиум» качества.
Стеклянная тара полностью пригодна для вторичной переработки , и стекольная промышленность во многих странах придерживается политики, иногда требуемой государственными постановлениями, поддержания высокой цены на стеклобой, чтобы обеспечить высокий уровень возврата. Уровень возврата в 95% не является редкостью в странах Северной Европы (Швеция, Норвегия, Дания и Финляндия). Уровень возврата менее 50% является обычным в других странах. [ необходима цитата ]
Конечно, стеклянную тару можно использовать повторно , и в развивающихся странах это распространено, однако воздействие на окружающую среду мытья тары по сравнению с ее переплавкой неопределенно. Факторами, которые следует учитывать, являются химикаты и пресная вода, используемые при мытье, а также тот факт, что одноразовую тару можно сделать намного легче, используя менее половины стекла (и, следовательно, энергоемкости) многоразовой тары. Кроме того, существенным фактором при рассмотрении повторного использования в развитых странах является обеспокоенность производителей риском и последующей ответственностью за продукт при использовании компонента (повторно используемой тары) неизвестной и неквалифицированной безопасности.
Трудно сказать , как стеклянная тара соотносится с другими типами 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, как правило, олова , хотя в прошлом использовались свинец и различные сплавы с низкой температурой плавления . Этот метод дает листу равномерную толщину и очень плоские поверхности. Современные окна изготавливаются из флоат-стекла. Большая часть флоат-стекла — это натриево-кальциевое стекло , но относительно небольшие количества специального боросиликатного [10] и плоскопанельного дисплейного стекла также производятся с использованием флоат-процесса. [11] Флоат-процесс также известен как процесс Пилкингтона [12], названный в честь британского производителя стекла Пилкингтона , который был пионером этой технологии (изобретенной сэром Аластером Пилкингтоном ) в 1950-х годах.
Как и все высококонцентрированные отрасли, стекольные заводы страдают от умеренно высокого локального воздействия на окружающую среду. Усугубляет ситуацию то, что поскольку они являются зрелыми рыночными предприятиями, они часто располагаются на одном и том же месте в течение длительного времени, что приводит к вторжению в жилые районы. Основными воздействиями на жилые дома и города являются шум, потребление пресной воды, загрязнение воды, загрязнение воздуха NOx и SOx, а также пыль.
Шум создают формовочные машины. Работающие на сжатом воздухе, они могут производить уровень шума до 106 дБА . То, как этот шум переносится в близлежащие окрестности, во многом зависит от планировки завода. Другим 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 уйти с площадки в качестве готовой продукции.
Вода используется для охлаждения печи, компрессора и неиспользованного расплавленного стекла. Потребление воды на заводах сильно различается; оно может составлять всего одну тонну воды на тонну расплавленного стекла. Из одной тонны примерно половина испаряется для охлаждения, остальное образует поток сточных вод.
Большинство заводов используют воду, содержащую эмульгированное масло, для охлаждения и смазки лезвий ножниц для резки капли . Эта вода, содержащая масло, смешивается с потоком выходящей воды, загрязняя его. На заводах обычно имеется какое-то оборудование для обработки воды , которое удаляет это эмульгированное масло с различной степенью эффективности.
Оксиды азота являются естественным продуктом сжигания газа в воздухе и производятся в больших количествах газовыми печами. Некоторые заводы в городах с особыми проблемами загрязнения воздуха смягчают это, используя жидкий кислород , однако логика этого, учитывая стоимость углерода (1) без использования регенераторов и (2) необходимость сжижать и транспортировать кислород, весьма сомнительна. Оксиды серы производятся в результате процесса плавления стекла. Манипулирование формулой шихты может повлиять на некоторое ограниченное смягчение этого; в качестве альтернативы можно использовать очистку выхлопных газов. [8]
Все сырье для производства стекла представляет собой пылевидный материал и поставляется либо в виде порошка, либо в виде мелкозернистого материала. Системы контроля пылевидных материалов, как правило, трудно обслуживать, и, учитывая большие объемы материала, перемещаемого каждый день, достаточно небольшого количества, чтобы возникла проблема с пылью. Стеклобой (битое или отработанное стекло) также перемещается на стекольном заводе и имеет тенденцию производить мелкие стеклянные частицы при сгребании или разбивании.
