Hutnictwo szkła - jak powstaje szkło?

Hutnictwo szkła i metali - procesy produkcyjne, pomiary i automatyzacja

Szkło, metale i ich stopy produkowane są w hutach - pierwsze przez stapianie piasku z dodatkami, a drugie w procesie wytapiania z rud. Tam także poddawane są różnorodnej obróbce. Produkcja, a potem kształtowanie tych materiałów to zadania złożone, na które wpływa wiele czynników. Ponadto odbywają się w warunkach nieprzyjaznych ludziom. Z tych powodów w hutach tak ważną rolę odgrywają systemy pomiarowe i automatyki. Ich przykłady zostaną przedstawione w artykule, obok technik produkcji i obróbki szkła i metali oraz specjalistycznych maszyn używanych w tych celach.

CZĘŚĆ 1 - PRODUKCJA SZKŁA

Szkło to materiał bezpostaciowy. Pod względem właściwości, z powodu braku uporządkowania struktury przestrzennej, przypomina ono ciecz, z kolei sztywność oraz kruchość upodabniają je do ciał stałych. Szkło powstaje w wyniku przechłodzenia stopionych surowców, bez ich krystalizacji.

GDZIE I JAK WYTAPIA SIĘ SZKŁO?

Pierwszy etap produkcji wyrobów ze szkła to stopienie zestawu szklarskiego w piecu, w produkcji ciągłej w wannowo-zmianowym (wannie szklarskiej, wannie topliwej), zaś w produkcji okresowej - w donicowym. Centralne miejsce pieców pierwszego rodzaju to wanna. Na jednym z jej końców znajduje się kieszeń zasypowa, przez którą podawany jest zestaw szklarski. W miarę jego przerabiania ubytki uzupełnia się nowymi porcjami surowców.

Po ogrzaniu płomieniami z palników te ostatnie ulegają stopieniu. Powstała w ten sposób masa szklana stopniowo wypełnia całą wannę. Przepływając w przeciwległy koniec wanny, szkło jest klarowane.

Pod wpływem wysokiej temperatury oraz ruchów konwekcyjnych masa zostaje wymieszana. Usuwane są z niej również pęcherzyki gazów, efekt reakcji chemicznych zachodzących podczas topienia się składników zestawu szklarskiego. Potem szkło jest schładzane.

Temperatura w wannie jest zmieniana stosownie do potrzeb, od najwyższej w sekcji klarowania, do coraz niższej, tuż przed formowaniem gotowych wyrobów. Piece wannowe opala się gazem ziemnym, olejem opałowym albo gazem generatorowym.

Powietrze mieszane z paliwem zastępuje się coraz częściej czystym tlenem. Poprawia to efektywność energetyczną pieca i zmniejsza ilość szkodliwych związków emitowanych do atmosfery. Tę pierwszą polepsza również system odzysku ciepła ze spalin.

Z czego produkuje się szkło?

Podstawowy materiał do produkcji szkła to piasek, a jego główny składnik to krzemionka (SiO₂). Ponieważ temperatura topnienia piasku jest bardzo wysoka, żeby proces ten był opłacalny, dodaje się do niego topniki, na przykład sodę (węglan sodu), węglan wapnia lub węglan potasu.

Połączenie tych związków jest rozpuszczalne w wodzie. Żeby to zmienić, dodaje się stabilizator - tę funkcję spełnia z kolei węglan wapnia. Do mieszanki, tzw. zestawu szklarskiego, dodaje się również substancje, które usuwają z masy szklanej pęcherzyki powietrza (środki klarujące). Przykładami substancji o takich właściwościach są: siarczan sodu, arszenik i saletra.

Kolejny składnik zestawu szklarskiego to stłuczka szklana pozyskiwana z wyrobów szklanych poddanych recyklingowi. Dzięki niej zmniejsza się ilość emitowanych zanieczyszczeń i koszty produkcji. Na to ostatnie wpływa ograniczenie ilości zużywanej energii (do stopienia stłuczki potrzeba mniej ciepła) i pozostałych surowców.

Do zestawu szklarskiego dodaje się poza tym substancje nadające szkłu specjalne właściwości. Na przykład tlenek glinu poprawia jego odporność chemiczną, tlenki ołowiu zwiększają współczynnik załamania światła, zaś tlenek boru zmniejsza współczynnik rozszerzalności.

Aby wyprodukować szkło matowe (mleczne), używa się związków fluoru. Z kolei dodatek miedzi zabarwi je na kolor jasnoniebieski, chromu - zielony albo żółty, manganu - fioletowy, kobaltu - niebieski lub zielony, a selenu na różowy.

JAK POWSTAJĄ SZYBY?

Końcowa część wanny szklarskiej stanowi wyprowadzenie masy szkła do kolejnego etapu jej przetwarzania - formowania. Sposób realizacji tego zadania zależy od rodzaju produktu końcowego - inaczej przebiega w przypadku szkła płaskiego, a inaczej produkuje się butelki.

Jedną z technik wytwarzania szkła płaskiego jest metoda float. Korzysta się w niej z dwóch, połączonych ze sobą wanien. W pierwszym zbiorniku topi się surowce, z kolei drugi, który jest płytszy, wypełnia się roztopioną cyną. Stanowi ona podłoże, po którym rozlewa się masa szklana, która wypływa z pierwszej wanny.

W ten sposób powstaje tafla. Jej grubość reguluje się przez zmianę szybkości, z jaką masa szklana wpływa do drugiego zbiornika. Szkło utrzymuje się na powierzchni cyny, ponieważ gęstość tego materiału jest kilka razy mniejsza niż gęstość metalu. W związku z tym, że cyna się utlenia, w otoczeniu drugiej wanny trzeba wytworzyć, a potem utrzymać atmosferę o składzie chemicznym, który zapobiegnie postępowi tego procesu. W tym celu używa się mieszanki azotu z wodorem. Gotowe tafle szklane rozcina się na mniejsze, korzystając z różnych narządzi i maszyn, m.in. laserów (patrz ramka).

W przypadku butelek masa szklana z wanny topliwej wypływa przez specjalne kanały (tzw. zasilacze). Stamtąd wprowadza się ją do automatów do formowania opakowań, wcześniej rozdzielając ją na porcje (krople). Są to maszyny specjalistyczne, których działanie jest wzorowane na pracy hutników wydmuchujących szklane przedmioty.