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玻璃瓶制造技術的發展認識

從歷史的經驗中回顧和總結歷史,在總結歷史中可以展望未來。玻璃瓶工業即遇到了前所未有的發展機遇,同時也遭遇了前所未有的發展困境,資源的合理利用,節能環保與質量是未來研究與發展的主題。

一、玻璃制品制造歷史上的第一次飛躍

(一)二個混合器理論:玻璃制造過程中“二個混合器”理論是現玻璃瓶生產制造認識上的第一次飛躍。

“二個混合理論”的由來:在二十世紀五十年代初召開了一次玻璃行業的國際性會議,在那次會議上,一位工程師提出了:“兩個混合器”的著名論點。即在玻璃的制造過程中要經過兩次混合,一是配料過程中粉料的固體混合其重要性占70%;二是熔制過程中的液體混合其重要性占30%。因為,高溫狀態下的玻璃液,仍然十分粘稠,并不象人們想象的那樣容易均化;而在常溫狀態下的粉料,卻比較容易混合均勻。二個混合器的論點激發了玻璃制造商和工程師們不盡的回憶…。那時的機械和電子技術已經有了較高的水平,于是,在50年代后機電化的配合料生產線應運而生,并很快在各國推廣。這次國際會議,是促進世界玻璃工業突飛猛進發展的一次重要會議,也是人們對玻璃制造工藝認識上的一次大的飛躍。在國際玻璃制造發展史上都具有里程碑的意義。
四)先進的節能玻璃窯爐應具備的功能特點

1.合理的造價策劃,合理選擇和匹配耐火材料及保溫材料;

2.具有6~8年的窯期設計;

3.先進的結構設計及其成熟經驗的應用;

4.玻璃液單耗低、熱效率高、節能環保的效果達到領先水平;

應用“四新技術”充分并實現計算機自動化控制,“四新技術”即新工藝、新技術、新設備、新材料,諸如鼓泡、全氧燃燒、電助熔、內窺視監控、料道控制及著色、節能環保技術等;

7.玻璃質量優良、產品合格率高、接近國際水平;

8.應用清潔能源及復合型能源,如天然氣、煤制天然氣及輔助電助熔,經過各類處理的煙氣、粉塵及水處理能達到國家標準要求;

9.玻璃窯爐的先進性、可行性、合理性得到行業認可并能做為樣板窯可大面積推廣應用。

可以說,以上這些就是我們的行業夢。

(五)配合料加料的控制

1.加料層厚度:80~100mm;

2.加料層寬度:料帶邊緣與加料口二側邊緣80~100mm;

3.液面控制精度:±2mm范圍內,且連續式加料;

4.加料帶控制:料帶不允許超過窯爐鼓泡點、窯坎及熱點區域;

5.加料機選型:應選擇薄層往復式及裹入式或擺動式加料機;

示圖一玻璃窯爐熔化過程模擬圖

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    值得提倡的是配合料的?;蜓故蕩?,對玻璃熔制是極為有利的。


(二)玻璃制造始于認識和理念,終于質量和環保

1.人們在向目標出發以前,先有充分的認識和良好的理念是十分重要的,產品和技術的落后源于認識和理念的落后;

2.從目前來看,大多數玻璃企業對原料的成分、粒度、水分的控制還沒有得到足夠的重視,依然受原料供應商的制約,是制造優質玻璃產品的瓶頸之一;

3.同時也不注重過程環節與細節上的技術研究并采取措施

玻璃窯爐的設計制造仍然停留在個人英雄主義階段,各種“四新技術”沒有得到充分的應用,諸如窯爐結構優化設計、材料應用、保溫、鼓泡、電助熔、內窺視監視、排放處理、余熱利用、自動化控制等;

4.目前國內沒有一座完善的現代化的中大型玻璃窯爐樣板可供學習和借鑒,也是制造優質玻璃的瓶頸之一

5.標準化工作非常薄弱,國家標準、行業標準、企業標準和規范還落后于時代。技術進步標準要先行,標準落后就是阻礙發展的瓶頸。

企業及其產品最終要受到市場質量和社會環境的檢驗。

(三)配合料固體混合的10項經典要求

1.玻璃原料的粒度:60~80目的>85%,尤其是礦物原料;

2.玻璃原料的成分:穩定,尤其是長石、硅砂礦物的控制;

3.玻璃原料的水分:<8~10%,重點是硅砂、長石;

4.玻璃原料的稱量精度:1%~1/3000;

5.投料順序:硅砂+純堿+長石+輔助料及小料;

6.混合時間:3~5分鐘;

7.混合均勻性:≥96~98%;

8.配合料水分含量:5~7%;

9.碎玻璃:粒度≤50mm;

10.配合料混合后加入輸送落料距離:≤1米落差。

以上10項是經典的質量要求,企業應達到標準化的控制。根據“二個混合器”理論,制造均勻的玻璃,冷態的固體混合工作應占70%,且比較容易做到做好,關鍵在于認識。
 玻璃窯爐內窺視監視的作用:1.監控火焰燃燒與熔制情況;2.監視配合料走向及玻璃液表面狀態,如鼓泡等;3.監控耐火材料融蝕情況;4.手持式的內窺視鏡可以檢查格子體堵塞及通道等的堵塞情況;5.指導我們采取正確的作用制度。

一個經典的燃天然氣加鼓泡電助熔玻璃窯爐模型

   (六)玻璃熔化的控制

A.二個經典的化學反應方式:

1.鹽類的復分解反應:由鹽類到硅酸鹽再到氧化物玻璃形成反應

大部分玻璃原料都具有鹽類的復分解反應特點:

硝酸鈉:2NaNO3=2NaNO2+O2;4NaNO2=2Na2O+2N2+3O2

2.氧化還原反應:氧化物由低價態到高價態的可逆反應

三氧化二銻:2Sb2O34Sb+3O2

B.玻璃熔制的五個階段即硅酸鹽物理化學反應和玻璃形成過程:

1.硅酸鹽的形成:大約20分鐘以上,且配合料表面熔融;

2.玻璃的形成:大約5分鐘以上,成為含有大量氣泡的玻璃液;

3.玻璃的澄清:高于熔化溫度30℃以上,以熱點為中心;

4.玻璃的均化:高于溶化溫度30℃以上,以熱點為中心;

5.玻璃的冷卻:約降溫200~300℃,在分配料道進一步調整。

(七)玻璃液的澄清、均化與對流流動配合料熔化與玻璃液的流動方式模擬圖 

    圖示中可以看出,玻璃窯爐做為高溫液態混合器,要制造均勻的玻璃也只能占30%的均化作用并且有很大的難度。盡管我們采用了電助熔、鼓泡、流液洞下潛及上傾式、深澄清池結構等技術措施,但終究不如配合料的混合來的便捷、方便、直觀及容易采取更多更好的辦法和措施。因此,我們更應該關注配合料的制備質量,制造均勻的玻璃的這70%的均勻混合作用千萬不能忽視。

(八)成型工藝及其控制

1.從成型工藝來看,技術水平參差不齊,以8組雙滴料舉例:啤酒瓶機速在140~160滴/分鐘(500~600ML);輸液瓶機速在160~230滴/分鐘(100~250ML);白酒瓶由于異形瓶較多,機速大多在100~120滴/分鐘(450~500ML),工藝不規范的問題比較多。

2..從料道控制上說,除引進的標準料道外,沒有幾家料道控制是規范的標準料道,無論是電加熱的,還是天然氣加熱的,首先是設計不規范,不肯投入,也許是認識上的問題,這極大程度影響了高機速的發揮和制造均勻的玻璃瓶。

3.真空輔助成型工藝沒有得到普及認識和廣泛應用,成型工藝、機速、產品質量也只能停留在初中級階段。

4.在工藝設備與輔助設備的配套性方面還有很多的問題沒有認識到或解決的不好。

(九)產品質量檢驗

1.玻璃瓶檢驗機是市場倒逼出來的,就國產機而言可靠性、穩定性、適應性、多樣性方面還有諸多不足,尚需改進和提高;

2.進貨產品控制、過程產品控制、最終產品控制還停留在經驗控制、百分比統計控制階段,與數理統計控制還有很大的距離,具體表現在漏檢率還在百分比控制中,與國際上十萬分之一控制的距離還相當的大,已經不適應大件包裝、高速灌裝線的要求了。

二.大型爐、大機型、大規模生產是玻璃瓶罐制造技術的第二次飛躍

1.林取自動制瓶機1916年美國制造,1928年羅蘭特(比利時)和四組行列機(美國)同年誕生,1940年四組行列機改為四組雙滴機,1944年5雙,66年6雙,1971年8雙,1974年8組三滴電子定時,76年10組3滴并開始了小口壓-吹工藝。我國65年四單,85年6雙,在2000年前后飛躍發展,6雙、8雙、8三、10雙、12雙引進和制造較多。大機型、多滴料、大規模生產已經是玻璃瓶罐制造的主流。

    2.市場需求及大機型的出現必然要催生窯爐的大型化,耐火材料的進步、重油天然氣的應用、蓄熱室增大、保溫加強、池身增加、傾斜式流液洞、自動化控制等使得窯爐越來越向大型化發展,日產100~300噸玻璃以上的窯爐層出不窮。
3.關于輕量化:80年代中期至今將近30年間,有一定的進步,但不理想,最大減重30~40克左右。我們的制造理念、資源和市場條件、制造技術及法律法規的支持度、行業內外的認可度依然是發展的瓶頸,需要行業達成共識來解決。我們可以注意一下,目前,礦泉水塑料瓶也已經實現輕量化了,但輕量的有些過,有軟骨病之嫌。我國現階段玻璃輕量瓶發展還有幾個影響因素需要解決:

(1)制造均勻的玻璃技術方面;

(2)料道控制的精確性、穩定性、可靠性方面;

(3)真空輔助成型及模具設計、材質、加工、冷卻控制方面;

(4)大比重提升自動化控制和科學管理方面;

(5)標準、法律法規的支持度及行業認識和意識方面;

(6)市場的多輕量化玻璃瓶產品質量的認可度方面。

總之,輕量瓶技術在歐美日是成熟的技術,已經歷了幾十年的應用,在我國則是一次技術進步的飛躍。輕量瓶既是玻璃瓶罐的必經之路,也是必由之路。

三、節能環保、資源合理利用、自動化控制與科學管理模式將是玻璃瓶罐制造技術的第三次飛躍機遇

1.國務院治理大氣污染10條措施的實施;

相關10條:其中相關的一是減少污染物排放。全面整治燃煤小鍋爐,加快重點行業脫硫脫硝除塵改造。二是嚴控高耗能、高污染行業新增產能,提前一年完成鋼鐵、水泥、電解鋁、平板玻璃等重點行業“十二五”落后產能淘汰任務。三是大力推行清潔生產,重點行業主要大氣污染物排放強度到2017年底下降30%以上。五是強化節能環保指標約束,對未通過能評、環評的項目,不得批準開工建設,不得提供土地,不得提供貸款支持,不得供電供水。六是推行激勵與約束并舉的節能減排新機制,加大排污費征收力度。七是用法律、標準“倒逼”產業轉型升級。制定、修訂重點行業排放標準,建議修訂大氣污染防治法等法律。

2.玻璃成分中有害物質元素的控制,強制性標準終究要出臺;

3.煤制甲烷(煤制天然氣)應用所帶來的發展機遇;

4.以普通鈉鈣硅玻璃為主導的料道著色技術的應用

5.大規模(大機型)與小批量(小機型)搭配中大窯爐(60-100平方米以上)生產模式應用;

6.自動化控制與產品自動檢驗及統計技術應用;

7.整合新生產模式的建立及其示范作用與普及推廣;

8.標準和市場倒逼的促進作用將推進行業技術進步

四、玻璃制瓶行業的發展與展望

1.一個時期內中國依然是世界玻璃制造大國和產業發展中心,窯爐應該向應用潔凈能源的中大型化、節能環?;?、控制自動化的方向發展;

2.我們依然面臨著原燃料資源和節能環保的巨大壓力,用天然氣及煤制(甲烷)天然氣來取代煤氣爐制氣是大勢所趨,預計在未來5-10年會有大的變革性的發展;

3.瓶罐輕量化應該在理念、技術、制造上有質的突破和飛躍,不斷發揮專業協會的領導和引導作用,以技術指導為核心的服務來打造樣板企業及推廣樣板企業的成熟技術;

4.產品質量、制造技術、節能環保、企業管理等法律法規應該加速出臺,來引領和推動行業的健康發展;

5.自動化控制和現代企業管理模式要盡快普及應用;

6.國家會盡快淘汰一批產能、技術、管理落后的污染企業,建立規范的市場競爭秩序,價格機制,質量水平,強制性的法律法規、標準倒逼的管理會不斷強化,玻璃行業會不斷迎接行業內外的新的挑戰。(2013-07-15)


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