Automatyka w produkcji szkła, ceramiki, materiałów budowlanych

Szkło jest materiałem o szerokim zastosowaniu – wykonuje się z niego szyby, opakowania, szklane dekoracje. Produkuje się je z piasku kwarcowego, do którego ze względu na jego bardzo wysoką temperaturę topnienia dodaje się topniki (węglan sodu, węglan wapnia, węglan potasu). Zmniejsza to energochłonność procesu topienia. Mieszankę piasku i topników uzupełnia się też o stabilizatory oraz środki klarujące, które usuwają z masy szklanej pęcherzyki powietrza (siarczan sodu, arszenik, saletrę). Kolejny składnik zestawu szklarskiego to stłuczka szklana, którą pozyskuje się z wyrobów ze szkła, które poddano recyklingowi. Jej dodatek zmniejsza koszty produkcji, dzięki ograniczeniu zużycia surowców oraz energii, ponieważ stopienie stłuczki wymaga mniejszej ilości ciepła.

Substancje nadające szkłu specjalne właściwości to z kolei m.in.: tlenek glinu, który poprawia jego odporność chemiczną, tlenki ołowiu, które zwiększają współczynnik załamania światła oraz tlenek boru, zmniejszający współczynnik rozszerzalności. Specjalne dodatki mogą także zmieniać barwę szkła: miedź na niebieską, chrom – zieloną albo żółtą, mangan – fioletową, kobalt – niebieską lub zieloną, selen – różową, fluor – mleczną.

Proces wytapiania szkła

Mieszankę piasku z dodatkami stapia się w piecu. W produkcji ciągłej odbywa się to w wannie szklarskiej. Na jednym z jej końców znajduje się kieszeń zasypowa, którą automatycznie 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. Przepływające w przeciwległy koniec wanny szkło jest klarowane.

Pod wpływem wysokiej temperatury i ruchów konwekcyjnych masa zostaje wymieszana. Usuwane są z niej również pęcherzyki gazów, będące efektem reakcji chemicznych, które zachodzą podczas topienia się składników zestawu szklarskiego. Następnie szkło zostaje schłodzone. Temperatura w wannie jest regulowana stosownie do potrzeb, od największej w sekcji klarowania, do coraz niższej, tuż przed uformowaniem gotowych wyrobów.

Piece wannowe opala się gazem ziemnym, olejem opałowym lub gazem generatorowym. Powietrze w mieszance z paliwem coraz częściej zastępuje się czystym tlenem, który poprawia efektywność energetyczną pieca i zmniejsza ilość szkodliwych związków emitowanych do atmosfery. Pierwszą polepsza także system odzysku ciepła ze spalin.

Wyjście wanny szklarskiej stanowi wyprowadzenie masy szkła do kolejnego etapu jej obróbki – formowania. Sposób jego realizacji zależy od rodzaju produktu końcowego – inaczej przebiega w przypadku szkła płaskiego (patrz: ramka), a inaczej produkuje się butelki.

Jak się produkuje i tnie szyby? Szkło płaskie wytwarza się m.in. metodą float. Wykorzystuje się w niej dwie połączone wanny. W pierwszej topi się surowce, z kolei drugą, która jest płytsza, 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. W metodzie mechanicznej szkło zarysowuje się twardym, ostrym narzędziem, na przykład ostrzem diamentowym, a następnie przykłada siłę, powodującą rozejście się tego pęknięcia wzdłuż grubości szkła. Metoda ta ma kilka wad, zwłaszcza w przypadku cięcia cienkich płyt szklanych: wokół rysy powstają mikropęknięcia, na krawędziach występują naprężenia, brzegi nie zawsze są prostopadłe do powierzchni szkła, a żeby zapobiec jego pękaniu w przyszłości, krawędzie należy zeszlifować. Oprócz tego szkło trzeba oczyścić z okruchów, które powstają przy rozcinaniu. Alternatywą jest cięcie laserem. Wyróżnić można generalnie dwie techniki cięcia cienkiego szkła laserem. Pierwszą stosuje się dla płytek o grubości 0,3–0,7 mm. Polega ona na ogrzaniu szkła na linii cięcia laserem i szybkim schłodzeniu go cieczą albo powietrzem z dyszy. Na skutek szoku termicznego, który te czynności wywołują, szkło pęka, zwykle do głębokości 100 μm. Potem po tafli przesuwa się wałek. Pod jego naciskiem pęknięcie rozchodzi się wzdłuż grubości szkła. Bardzo cienkie płytki, o grubości poniżej 0,2 mm, są z kolei wiele razy wolno ogrzewane na linii cięcia laserem aż do momentu przecięcia. Cięcie laserem nie powoduje mikropęknięć, odprysków na krawędziach ani naprężeń w strukturze. Jest również szybsze niż cięcie mechaniczne, ponieważ można pominąć etapy szlifowania krawędzi oraz czyszczenia szkła. Pomimo dużych kosztów zakupu wycinarki laserowej oszczędza się na maszynach do dodatkowej obróbki. Laserem łatwiej jest też wycinać różne kształty, m.in. zaokrąglenia.