Процесс и технология производства стеклянных изделий

Производство стеклянных бутылок — сложный и трудоемкий промышленный процесс, включающий в себя такие этапы, как подготовка сырья, плавка, формовка, отжиг, проверка и упаковка. Ниже приводится подробное объяснение процесса производства типичных стеклянных бутылок (натриево-кальциево-силикатное стекло):

Основное сырье

1、 Кварцевый песок: Основной компонент (около 70%), обеспечивающий образование диоксида кремния из стекловолокна для формирования сетчатого каркаса стекла.

2、 Кальцинированная сода: Снижает температуру плавления.

3、 Известняк/Доломит: Содержит оксид кальция и оксид магния, повышающие химическую стабильность и твердость.

4、 Разбитое стекло: Переработанные и повторно используемые осколки стекла, называемые «стеклобоем», позволяют значительно снизить потребление энергии и сырья (доля может достигать 60–90%).

5、 Вспомогательное сырье:

● Осветлитель: (например, сульфат) помогает удалить пузырьки в расплавленном стекле.

● Краситель: (например, оксид железа, оксид хрома, оксид кобальта) придает цвет бутылке.

● Обесцвечиватель: Устраняет зеленый оттенок, вызванный примесями железа в сырье.

● Флюс: Еще больше снижает температуру плавления.

Основной производственный процесс

1. Взвешивание и смешивание сырья:

Различные виды сырья (кварцевый песок, кальцинированная сода, известняк, битое стекло и т.д.) автоматически взвешиваются в соответствии с точным соотношением, заданным в рецептуре.

Взвешенное сырье загружается в большой смеситель (например, барабанный смеситель) для тщательного перемешивания. Равномерность смешивания имеет решающее значение для качества стекла и эффективности плавки.

2. Плавление:

Смешанное сырье (шихта) непрерывно подается в стекловаренную печь с помощью питателя.

Плавильная печь представляет собой большую высокотемпературную печь с плавильной ванной, футерованной огнеупорным кирпичом, которая обычно нагревается таким топливом, как природный газ или мазут.

Температура достигает примерно 1500–1600 °C, в результате чего твердое сырье плавится, превращаясь в вязкую, однородную, не содержащую пузырьков стекловидную жидкость.

Процесс плавки состоит из этапов:

● Зона таяния: Сырье быстро плавится в первичное расплавленное стекло при высоких температурах.

● Зона очистки/рафинирования: Температуру слегка повышают или поддерживают на постоянном уровне для снижения вязкости стекломассы. Пузырьки поднимаются и выталкиваются, а стеклянная жидкость под действием осветлителя становится прозрачной и однородной.

● Зона гомогенизации: Температуру слегка снижают, чтобы обеспечить однородность состава и температуры стекломассы.

● Зона охлаждения/регулировки: Температура стекломассы равномерно снижается до оптимального для формования диапазона вязкости (примерно 1000-1200°С).

3. Формовка:

Это ключевой этап придания расплавленной стеклянной жидкости формы бутылки. Два наиболее распространенных процесса формования::

● Метод выдувания: В основном используется для бутылок с узким горлышком (например, пивных бутылок, бутылок для напитков).

● Кормление: Регулируемая стеклянная жидкость поступает из плавильной печи в загрузочный канал. Питатель (обычно представляющий собой вращающуюся чашу и ножничный механизм) разрезает стеклянную жидкость на капли определенного веса и формы.

● Изготовление прототипов: Капли попадают в форму-прототип. Снизу подается сжатый воздух («встречное выдувание»), чтобы раздуть стекло и сформировать прототип горлышка и корпуса бутылки (называемый «заготовкой»).

● Переворачивание: Форма-прототип открывается, и заготовка переносится в выдувную форму с помощью переворачивающего механизма.

● Окончательное формование: Сверху в выдувную форму подается сжатый воздух, который раздувает заготовку, прижимая ее к внутренней стенке формы и придавая бутылке окончательную форму.

Метод прессования-выдувания: В основном используется для бутылок с широким горлышком (например, банок, бутылок для соусов).

● Кормление: То же, что и выше.

● Изготовление прототипов: Стеклянная капля падает в собирающую форму. Сверху надавливает пуансон, гидравлически вдавливая стекло в полость формы, формируя горлышко бутылки и цельный стеклянный блок с прототипом корпуса бутылки (называемым «заготовкой»).

● Передача: Сборочная форма открывается, и заготовка переносится в выдувную форму.

● Окончательное формование: Сверху подается сжатый воздух, который раздувает заготовку до конечной формы бутылки.

Формы должны быть изготовлены с высокой точностью (обычно из чугуна) и оснащены эффективной системой охлаждения. Форма внутренней стенки формы напрямую определяет окончательную форму и текстуру поверхности бутылки.

4. Покрытие горячего конца (необязательно, но обычно):

Сформированная бутылка очень горячая (примерно 400-500°С). Перед подачей в отжиговую печь на горячий конец часто напыляется очень тонкий слой паров соединения олова или титана.

Функция: Образует защитную пленку на поверхности бутылки, значительно повышая ее прочность (повышая устойчивость к царапинам и смазывающую способность, уменьшая повреждения от трения при последующей транспортировке) и химическую стабильность.

5. Отжиг:

В процессе охлаждения вновь сформированной бутылки могут возникнуть остаточные напряжения из-за разной толщины и неравномерной скорости охлаждения. Это напряжение делает бутылку хрупкой и склонной к разрушению.

Печь для отжига представляет собой длинную, медленно движущуюся туннельную печь с точно контролируемой температурой.

Бутылку равномерно нагревают до температуры, близкой к точке отжига стекла (примерно 540–570 °C), и выдерживают в течение определенного времени для снятия внутреннего напряжения. Затем его медленно охлаждают со строго контролируемой скоростью (особенно в точке деформации), пока он не достигнет температуры, близкой к комнатной. Эффективный отжиг устраняет вредные напряжения, обеспечивая механическую прочность и термическую стабильность бутылки.

6. Покрытие холодного конца:

После того как бутылка остынет почти до комнатной температуры (обычно на выходе из печи отжига), производится напыление холодного конца.

На внешнюю поверхность бутылки наносится очень тонкий слой жидкой смазки (например, стеараты на масляной или водной основе, полиэтиленовый воск, силикон и т. д.).

Функция:

● Увеличить смазывающую способность: Уменьшает царапины, возникающие из-за трения между бутылками на конвейерных линиях и линиях розлива, сохраняя внешний вид.

● Улучшение силы: Мелкие царапины являются точками концентрации напряжений, а покрытие снижает их возникновение.

● Предотвратить поверхностную адсорбцию: Уменьшает прилипание пыли.

7. Контроль качества:

Автоматизированная производственная линия оснащена различными устройствами онлайн-инспекции.:

● Осмотр полости рта: Обеспечивает соответствие размеров горлышка бутылки, округлости и плоскостности уплотнительной поверхности требованиям.

● Проверка толщины стенок: (например, лазерное сканирование) Обеспечивает равномерную толщину бутылки и соответствие стандартам.

● Проверка размеров: (например, оптический осмотр) Проверяет высоту, диаметр и вертикальность бутылки.

● Осмотр внешнего вида: (высокоскоростная камера + обработка изображений) Обнаруживает такие дефекты, как трещины, камни, пузыри, пятна и деформации.

● Испытание под давлением: (выборочная проверка) Проверка устойчивости бутылки к внутреннему давлению (особенно это касается бутылок для газированных напитков).

Несоответствующая продукция автоматически отбраковывается.

8. Упаковка:

Бутылки, прошедшие проверку, упаковываются в соответствии с требованиями заказчика.

Обычные методы включают укладку на поддоны и фиксацию стретч-пленкой или упаковку в пластиковые коробки/ящики.

Упакованная готовая продукция хранится или напрямую отправляется потребителям (на фасовочные предприятия).

Ключевые характеристики

Непрерывность: Современные заводы по производству стеклянных бутылок характеризуются высокой степенью автоматизации непрерывных производственных процессов, работающих круглосуточно, от подачи сырья до выпуска готовой продукции. После розжига плавильная печь обычно работает непрерывно в течение нескольких лет, а затем останавливается на техническое обслуживание.

Высокая температура: На стадиях плавления и формования происходят чрезвычайно высокие температуры.

Точный контроль: Соотношения исходных материалов, температуры плавления и атмосферы, вес и форма капель, параметры формования (давление, время, температура формы), кривые отжига и т. д. — все это требует чрезвычайно точного контроля для обеспечения стабильного качества продукции.

Высокое потребление энергии: Процесс плавки потребляет значительное количество энергии, что является одной из основных статей расходов и экологической проблемой в современной стекольной промышленности.

Пригодность к переработке: Битое стекло является важным сырьем, а стеклянные бутылки можно перерабатывать на 100% бесконечно.

Этот процесс описывает производство стандартных бутылок из натриево-кальциевого стекла. Хотя формула сырья, температура плавления и детали процесса изготовления специальных стекол (например, термостойких бутылок из высокоборосиликатного стекла) могут различаться, основные этапы (смешивание, плавление, формование, отжиг, проверка) схожи.