Проектирование стекольных заводов
Стекло – одно из древнейших веществ и материалов. История стеклоделия берет начало в далеком прошлом, по разным данным около 4-6 тысяч лет назад. До сих пор ведутся споры о первооткрывателях стекла, но по неким предположениям ученых, первые изделия из стекла появились одновременно в различных цивилизациях – в Древнем Египте были найдены стекольные витражи, украшающие гробницы, в Месопотамии была обнаружена печать из стекла, в Финикии найдены сувениры из стекла.
В России подробным изучением свойств стекла занимался М.В. Ломоносов, который произвел систематизированную варку около 4000 стекол.
Стекло представляет собой аморфное вещество, т.е. оно имеет и жидкое и твердое состояние. Стекло – уникальный материал, являющийся продуктом деятельности человека. При повторной переработке может использоваться для производства новой продукции. Стекло состоит из соды, кварцевого песка, доломита, известняка и различных добавок.
Стекло – неорганический материал, имеющий одновременно прочную и хрупкую структуру, непроницаемость для внешних веществ, это прозрачный или полупрозрачный материал, который используется во многих областях нашей повседневной жизни.
Листовое стекло представляет важнейший вид продукции, вырабатываемой стекольной промышленностью. Наибольшую часть листового стекла используют в промышленности, гражданском, жилищном и сельскохозяйственном строительстве. Крупными потребителями являются автомобилестроение, вагоностроение, железнодорожный транспорт, производители бытовой техники, мебели.
В настоящее время в России насчитывается около 18 действующих стекольных заводов. Проектирование стекольных заводов – уникальный раздел проектирования, который не может быть поставлен на поток. При проектировании стекольных заводов имеет значение всё – вид выпускаемой продукции, его конечные параметры, технология его получения, количество выпускаемой продукции, сырье для получения продукции и т.п. Также не менее важным является не только технологическое проектирование стекольных заводов, но и проектирование административных частей проектируемого объекта, обеспечение проектируемого стекольного завода инженерными сетями, посадка на генплан.
Проектирование стекольных заводов – перспективное направление проектных работ, т.к. на рынке имеется потребность в стекле как в одном из главных материалов, принимающих участие в жизни человека, в промышленности, в строительстве.
Российская стекольная индустрия не уступает мировым заводам стекла: большинство заводов построены в последние 10 лет в соответствии с лучшими мировыми стандартами и выпускают качественную конкурентоспособную продукцию. Развитие экспорта продукции стекольных заводов наглядное тому подтверждение.
На сегодняшний день широким спросом пользуются следующие виды стекольной продукции:
1. Листовое стекло. Заводы листового стекла являются вторым по величине сектором в стекольной промышленности Российской Федерации, который составляет приблизительно 25 % от общего объёма производства стекольной продукции. Листовое стекло на заводах производится флоат-методом, о котором будет изложено ниже и используется для изготовления изделий строительной, технической и мебельной промышленности. В год сектор производит приблизительно 2,7 млн тонн стекла на 12 флоат-линиях компаний, работающих в Российской Федерации. Основными потребителями рынка листового стекла в Российской Федерации являются светопрозрачные конструкции и интерьерное стекло (75 % — 85 %), остальные 15 % — 25 % приходятся на автомобильную промышленность и транспортное машиностроение, а также производство мебели и бытовой техники.
2. Тарное стекло - одна из наиболее крупных подотраслей стекольной промышленности Российской Федерации, занимающая более 50 % рынка выпускаемой отраслью продукции. В среднем в год в стране производится около 7 млн тонн тарного стекла. Из-за транспортных расходов большая часть стеклянной тары продаётся в пределах 500 км от места производства.
3. Сортовое стекло – наименьший из секторов стекольной промышленности (приблизительно 4 % общего объёма производства). Этот сектор охватывает изготовление стеклянной столовой посуды, сосудов для вина и напитков, художественно-декоративных изделий. Получил широкое распространение в России, но в силу своей уникальности выпускает наименьшее количество продукции в год. Отличается большим разнообразием продукции и реализуемых технологических процессов. Методы изготовления сортовой стекольной продукции предусматривают использование как ручного труда (ручное стекловыдувание, огранка, гравировка), так и полностью автоматизированных устройств.
4. Стекловолокно. Стеклянные волокна служат конструкционными, электро-, звуко- и теплоизоляционными материалами. Их используют в производстве фильтровальных материалов, стеклопластиков, стеклянной бумаги и др. Применяются в различных сферах промышленности. Выпускаемый стекловолоконный кабель получил широкое распространение в наши дни ввиду своей легкости и одновременной прочности.
5. Жидкое стекло (специальное стекло) - применяют во многих отраслях промышленности: лакокрасочные материалы и покрытия; литейное производство; электродно-флюсовое производство; производство строительных материалов; производство моющих средств; нефтедобыча; горно-обогатительная индустрия; химическая промышленность. Термин «специальное стекло» включает также электровакуумное стекло, химиколабораторное стекло (стеклянные трубки, колбы, мензурки и воронки), стекло для осветительных приборов (трубки и колбы), боросиликатные стеклянные трубки, оптическое стекло, кварцевое стекло, стекло для электронной промышленности и др. Однако в этой группе практически нет крупных заводов, сравнимых по объёмам производства с заводами листового или тарного стекла, которые выпускали бы только продукцию этой группы.
Согласно видам выпускаемой стекольной продукции можно также классифицировать и стекольные заводы:
- Заводы по производству флоат-стекла
- Заводы по производству тарного стекла
- Заводы по производству прокатного стекла
- Заводы по производству растворимого (натрий-силикатного) стекла.
Производство сортового и тарного стекла в проекте осуществляется методом выдувания – автоматического или ручного. В настоящее время практически все виды стеклянной тары вырабатывают на заводах при помощи высокопроизводительных стеклоформующих автоматов методами выдувания и пресс-выдувания. Для производства стеклянной тары на стекольных заводах используются различные виды стеклоформующих машин, основные требования к которым: высокая производительность, экономичность работы, строгое соблюдение формы изделия. При проектировании тарных стекольных заводов, технологическую линию в проекте снабжают системами кондиционирования, включающими в себя распределитель и каналы питателей, которые являются самыми важными компонентами в производстве тарного стекла. Здесь происходит процесс охлаждения, гомогенизации и транспортировки расплавленного стекла к стеклоформующим машинам. Все изделия стеклянной тары после выработки подвергаются отжигу в тоннельных конвейерных печах завода, в которых несущим конвейером является металлическая сетка. При проектировании стекольных заводов, производящих данный вид стекольной продукции особое внимание нужно уделять расположению технологической линии, все ее элементы должны располагаться последовательно и с соблюдением необходимых технологических зазоров между проектируемым оборудованием.
Производство листового стекла может осуществляться двумя методами:
1. Метод Эмиля Фурко. Предполагает вертикальную вытяжку стекломатериала при помощи машин. Сырье для изготовления стекла (шихта) подвергается плавлению в стекловаренной печи, затем полученная жидкая стекломасса вытягивается с помощью прокатных валов, перемещается в шахту охлаждения и разрезается на куски. Затем вытянутый лист шлифуется и полируется. Толщина изделия зависит от скорости вытягивания. Этот способ получил название – «вытянутое стекло». В настоящее время способ не используется ввиду большой энергозатратности.
2. Флоат-метод. Метод заключается в том, что вязкая стеклянная масса после печи принимает горизонтальное положение. Она подается во флоат-ванную с расплавленным оловом и газовоздушной атмосферой. Материал плывет по поверхности, обретает форму и вбирает в себя микроскопические частицы олова. После чего стекломасса охлаждается и подвергается отжигу. Стеклянное полотно обретает гладкую поверхность. Его не нужно обрабатывать, полировать или шлифовать. Листовое стекло имеет определенную стабильную толщину, высокое качество готового изделия, хорошую светопропускную способность, отсутствие оптических дефектов. Флоат-метод имеет высокую производительность и в настоящее время широко применяется для изготовления листового стекла. Все вновь проектируемые стекольные заводы основаны на применении в производстве флоат-технологии.
Основные технологические процессы, происходящие на стекольном заводе, одинаковы при изготовлении большинства видов изделий из стекла и включают: обработку и хранение сырьевых материалов, приготовление из них шихты (смеси с определённым соотношением сырьевых материалов), высокотемпературную варку шихты и получение расплавленной стекломассы, формование изделий и отжиг изделий. Для облегчения процесса варки стекла часть шихты, необходимой для получения 100 массовых частей стекломассы заменяют стекольным боем. В зависимости от вида продукции в стандартную технологическую схему проектируемого завода могут быть внесены стадии горячей и холодной химической или механической обработки, упрочнения, окрашивания и т. п.
Стекловарение — это последовательность физико-химических процессов превращения смеси сырьевых материалов (шихты) в расплавленную стекломассу, готовую к формованию изделий. Принято выделять пять стадий процесса стекловарения: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизацию и студку. Стекловарение происходит в специальных печах. Проектирование печей завода – очень важный процесс, правильность выполнения которого влияет на будущую производительность проектируемого стекольного завода. Стекловаренные печи бывают различных модификаций от стандартных печей с подковообразным направлением пламени до печей, работающих полностью на электричестве. Выбор в проекте завода типа печи основывается на индивидуальных потребностях производства. Основным параметром, на который ориентируется при выборе стекловаренной печи также является ее производительность и требуемая производительность завода.
Стандартным, наиболее распространённым и экономичным способом подачи тепла для варки стекла является сжигание газового топлива над слоем шихты и расплавленной стекломассой. Природный газ — основное топливо, используемое в российской стекольной промышленности, главным образом из-за его экономичности и экологичности по сравнению с жидким топливом. Температура, необходимая для стекловарения, зависит от химического состава стекла, и составляет от 1100 °C до 1650 °C.
Завершающей стадией стекловарения является студка, т. е. процесс снижения температуры на 300 °C — 400 °C до температуры, обеспечивающей однородное распределение температуры и вязкости стекломассы, необходимых для формования того или иного вида изделий. Главное условие успешной студки — непрерывное медленное снижение температуры стекломассы без изменения состава и давления газовой среды в печном пространстве. Для регулирования скорости процесса охлаждения стекла в проекте предусматривают такие устройства, как заградительные экраны, углубления в дне бассейна, разделение на отапливаемую и неотапливаемую части бассейна печи, мешалки с холодильниками и т. д.
Проектирование стекольных заводов помимо разработки технологии производства стекла должно включать в себя и проектирование процессов, отвечающих за осуществление всех операций на заводе, проектирование вспомогательных производств, например:
- Проектирование станций по производству азота (N2 )
- Проектирование станций по производству водорода (H2 )
- Проектирование газосмесительных (N2/H2 ) станций завода
- Проектирование станций снабжения сернистым ангидридом (SO2 )
- Проектирование установок охлаждающей воды
- Проектирование компрессорных станций завода
- Проектирование инженерных сетей завода (наружных и внутренних).
Проектирование заводов по производству листового стекла основывается на обеспечении реализации производства технологической линии и осуществляется по следующей технологической схеме. Шихта, подготовленная в составном цехе, вместе со стеклобоем механизированным загрузчиком засыпается в стекловаренную регенеративную печь непрерывного действия, где производится варка стекла. Ванная печь завода проектируется с новейшей техникой автоматизации подачи газа, воздуха, регулирования давления газовой среды, подачи шихты в зависимости от уровня стекломассы и т. д. Стекломасса, поступающая в ванну из плавильной печи завода, растекается по поверхности олова до толщины в ленту, которая тянется валками печи отжига с определенной скоростью, достигая требуемой толщины. При выходе из ванны расплава стеклянная лента приподнимается, отрываясь от поверхности металла, и принимается первыми валами печи отжига. Температура выходящей ленты составляет 600±5°С. Работа флоат-линии завода контролируется автоматически измерительно-управляющей системой на базе компьютерной техники, что также должно быть заложено в проекте. Визуальное наблюдение за процессом получения листового стекла осуществляется видеосистемой завода. В печи отжига бесконечная стеклянная лента охлаждается по определенному режиму во избежание возникновения в ней остаточных напряжений, что весьма важно для последующей резки стекла и является необходимым условием для получения прочного и безопасного в эксплуатации продукта. В проекте завода предусматривается транспортировка ленты стекла с помощью рольганга. Листы стекла снимаются с основного конвейера откатчиками, устанавливаются на пирамиды и далее либо поступают на переработку, либо на реализацию. Дополнительно к основной линии порезки ленты проектируется участок порезки больших листов.
Расстановка оборудования в проекте завода должна соответствовать очередности технологических процессов завода, поточности и непрерывности технологических операций.
При проектировании завода по производству стеклотары необходимо графически составить схему расположения оборудования, т. к. она служит основой для проектирования всего здания. При планировке следует иметь в виду, что механические питатели стекломассы на время кратковременной остановки стеклоформующей машины завода не останавливаются. Для отвода капель стекломассы от машины в проекте необходимо предусматривать желоб, по которому они через люк в полу спускаются на этаж ниже и орошаются водой для грануляции.
Также в проекте производятся расчеты: суточной производительности завода, годовой производительности завода и др. На основе этих расчетов осуществляется подбор оборудования проектируемого завода.
Размещение оборудования в проекте определяется СП 56.13330.2011 «Производственные здания»: Ширина проходов в производственных помещениях завода принимается, не менее: − главный (магистральный) − 1,5 м; − рабочий между оборудованием − 1,2 м; − рабочий между оборудованием и стеной − 1,0 м; − для обслуживания и ремонта оборудования − 0,7 м; − для обслуживания трубопроводов и других коммуникаций − 0,7 м. Ширина проездов завода принимается, не менее: – для транспорта в цехах − 2,5 м; – для электропогрузчиков на складе готовой продукции − 3,0 м.
После рассортировки годная стеклянная тара поступает на линию упаковки, где собирается в паллеты с применением термоусадочной полиэтиленовой плёнки. Проектом необходимо предусмотреть наличие склада готовой продукции для хранения и последующей реализации продукции проектируемого завода.
Проектирование завода сортовой посуды происходит по следующей технологической схеме. Шихта механизированным способом доставляется к стекловаренной печи завода и загружается в нее механическим загрузчиком, действующим автоматически по сигналу от уровнемера стекломассы. Варка стекла производится в печи, оснащенной современной техникой подачи и сжигания топлива, с автоматическим регулированием теплового режима, с применением в проекте барботирования стекломассы. Проектом предусматривается кладка всех ответственных узлов печи из высококачественных огнеупоров, позволяющих вести высокотемпературную варку стекла с использованием передовых методов стекловарения. После выработки изделия поступают на отжиг, а затем на обработку, сортировку и упаковку. Операции по производству сортовой посуды на заводе проектируются максимально механизированными.
Проектирование бункеров для хранения сырья, проектирование участка приготовления шихты, проектирование линии доставки сырья к смесительному узлу, особенно важно в этом моменте учесть проектирование пространства для производства весового и лабораторного контроля сырья. Сырьевые материалы из расходных бункеров (силосов) завода при помощи шнековых дозаторов подаются в весовые бункера. Высыпание из весового бункера на ленточный конвейер отвешенных сырьевых материалов осуществляется при помощи заслонок. По спроектированному ленточному конвейеру отвешенные сырьевые материалы попадают в смеситель блендерного типа, где идёт смешивание всех компонентов шихты. После смешивания готовая шихта подаётся в накопительные бункеры участка завода стеклянных искусственных волокон.
Варка стекла в проекте осуществляется в рекуперативной печи прямого и электрического нагрева, состоящей из варочного бассейна и главного канала, разделённых проточной системой. Проектируемая печь завода должна отапливаться природным газом и системой электроподогрева. Подача газа на горение производится через комбинированные горелки диффузионного типа. Обязательно в проекте стекольного завода должна быть предусмотрена система рекуперации и система отвода дымовых газов.
Производство стекла является энергоёмким процессом, поэтому повышение энергоэффективности производства должно быть определено проектом. Энергопотребление стекольного завода зависит от характеристик печи. При производстве стекла энергия также потребляется выработочными частями печей, в процессе формовки, отжига и системами отопления завода.
Производство стекла осуществляется при высокой температуре и требует значительного количества энергии, что приводит к образованию продуктов сжигания топлива, поступающих в атмосферный воздух. В качестве мер по предотвращению и ограничению выбросов пыли в атмосферу и минимизации возможных последствий транспортировки, обработки, хранения и смешивания сырьевых материалов относятся в проекте может быть предусмотрено:
- разграничение зон хранения и приготовления шихты и других производственных зон завода;
- использование на проектируемом заводе закрытых бункеров для хранения шихты;
- сокращение количества мелких частиц в шихте путём увлажнения водой или щелочными растворами либо путём предварительного спекания, брикетирования или укладки на поддоны;
- соблюдение надлежащих процедур погрузки и разгрузки;
- транспортировка партий сырья к печам на закрытых транспортёрах;
- осуществление контроля в зонах подачи материалов в печи завода (например, увлажнение шихты);
-обеспечение сбалансированной работы печи завода для поддержания в ней слегка избыточного давления;
- улавливание пыли с помощью фильтров (в рабочих зонах разгрузки и транспортировки сырьевых материалов и шихты, засыпки шихты в стекловаренную печь);
- использование на проектируемом стекольном заводе закрытых транспортёров;
- ограждение загрузочных камер завода.
Для выпуска сортового стекла (прежде всего, хрусталя) характерно образование сточных вод в процессе обработки изделий (шлифования, огранки, матирования). Для минимизации потерь воды на заводах нередко используют системы оборотного водоснабжения. Решения по обращению со сточными водами завода в проекте принимаются в зависимости от особенностей местной ситуации и могут включать как их очистку на локальных очистных сооружениях завода по производству стеклянной тары с последующим сбросом в водные объекты, так и сброс в централизованные системы канализации.
В проекте обязательно должны быть предусмотрены меры по избавлению от твердых бытовых отходов – повторное использование, вывоз на полигоны.
