Produzione di vetro - Glass production

Bottiglie di vetro (per fette di cetriolo) su pallet di spedizione
Un barattolo di maionese sovietica
Un moderno barattolo "French Kilner"

La produzione del vetro prevede due metodi principali: il processo del vetro float che produce lastre di vetro e la soffiatura del vetro che produce bottiglie e altri contenitori. È stato fatto in vari modi durante la storia del vetro .

Produzione di contenitori in vetro

In linea di massima, le moderne fabbriche di contenitori in vetro sono operazioni in tre parti: il batch house , l' estremità calda e l' estremità fredda . Il batch house gestisce le materie prime; l' estremità calda gestisce la produzione propriamente detta: l'avancrogiolo, le macchine di formatura e i forni di ricottura ; e l' estremità fredda gestisce l'ispezione del prodotto e l'attrezzatura per l'imballaggio.

Sistema di elaborazione batch (batch house)

La lavorazione in batch è una delle fasi iniziali del processo di produzione del vetro. Il magazzino ospita semplicemente le materie prime in grandi silos (alimentati da camion o vagoni ferroviari) e può contenere da 1 a 5 giorni di materiale. Alcuni sistemi batch includono la lavorazione del materiale come vagliatura/setaccio delle materie prime, essiccazione o preriscaldamento (ad es. rottame di vetro ). Che sia automatizzato o manuale, il batch house misura, assembla, miscela e fornisce la ricetta della materia prima di vetro (batch) tramite una serie di scivoli, nastri trasportatori e bilance al forno. Il batch entra nel forno alla "casa del cane" o "caricatore batch". Diversi tipi di vetro, colori, qualità desiderata, purezza/disponibilità delle materie prime e design del forno influenzeranno la ricetta del lotto.

Fine calda

L' estremità calda di una vetreria è dove il vetro fuso viene trasformato in prodotti di vetro. Il batch entra nel forno, quindi passa al processo di formatura, trattamento interno e ricottura.

La tabella seguente elenca i punti fissi di viscosità comuni , applicabili alla produzione di vetro su larga scala e alla fusione sperimentale del vetro in laboratorio :

log 10 (η, Pa·s) registro 10 (η, P) Descrizione
1 2 Punto di fusione (omogeneizzazione e chiarifica del fuso di vetro)
3 4 Punto di lavoro (pressatura, soffiaggio, formazione goccia)
4 5 Punto di flusso
6.6 7.6 Punto di rammollimento Littleton (il vetro si deforma visibilmente sotto il proprio peso. Procedure standard ASTM C338, ISO 7884-3)
8-10 9-11 Punto di rammollimento dilatometrico, T d , a seconda del carico
10.5 11.5 Punto di deformazione (il vetro si deforma sotto il proprio peso sulla scala μm in poche ore.)
11–12.3 12–13.3 Temperatura di transizione vetrosa, T g
12 13 Punto di ricottura (lo stress viene alleviato in pochi minuti.)
13,5 14.5 Punto di deformazione (Lo stress viene alleviato entro alcune ore.)

Forno

Lotto alimentazione cuccia di un forno da vetro

Il batch viene immesso nel forno a una velocità lenta e controllata dal sistema di elaborazione batch. I forni sono alimentati a gas naturale o ad olio combustibile e funzionano a temperature fino a 1.575 °C (2.867 °F). La temperatura è limitata solo dalla qualità del materiale della sovrastruttura del forno e dalla composizione del vetro. I tipi di forni utilizzati nella produzione di vetro per contenitori includono porte terminali (a fuoco finale), porte laterali e ossi-combustibile . In genere, la dimensione del forno è classificata in base alla capacità di produzione di tonnellate al giorno (MTPD).

Processo di formatura

Attualmente esistono due metodi principali per realizzare contenitori in vetro: il metodo soffiaggio e soffiaggio solo per i contenitori a collo stretto e il metodo pressa e soffiaggio utilizzato per vasetti e contenitori conici a collo stretto.

In entrambi i metodi, un flusso di vetro fuso alla sua temperatura plastica (1.050-1.200 °C [1.920-2.190 °F]) viene tagliato con una lama di taglio per formare un solido cilindro di vetro, chiamato gob . La goccia è di peso predeterminato appena sufficiente per fare una bottiglia. Entrambi i processi iniziano con la caduta della goccia, per gravità, e guidata, attraverso canali e scivoli, negli stampi vuoti, due metà dei quali vengono serrati e poi sigillati dal setto dall'alto.

Formatura di contenitori in vetro

Nel processo di soffiaggio e soffiaggio , il vetro viene prima soffiato attraverso una valvola nel deflettore, spingendolo verso il basso nello stampo ad anello in tre pezzi che è tenuto nel braccio del collarino sotto gli spazi vuoti, per formare la finitura . Il termine "finitura" descrive i dettagli (come superficie di tenuta del tappo, filettature delle viti, nervatura di ritegno per un tappo a prova di manomissione, ecc.) all'estremità aperta del contenitore. Quindi aria compressa viene soffiata attraverso il vetro, il che si traduce in un contenitore cavo e parzialmente formato. L'aria compressa viene quindi soffiata nuovamente nella seconda fase per dare la forma finale.

I contenitori sono realizzati in due fasi principali. La prima fase modella tutti i dettagli ("finitura") attorno all'apertura, ma il corpo del contenitore è inizialmente reso molto più piccolo della sua dimensione finale. Questi contenitori parzialmente fabbricati sono chiamati parison e abbastanza rapidamente vengono soffiati nella forma finale.

Gli "anelli" sono sigillati dal basso da un breve stantuffo. Al termine del "colpo di assestamento", lo stantuffo si ritrae leggermente, per consentire alla pelle che si è formata di ammorbidirsi. L'aria di "controcolpo" sale quindi attraverso lo stantuffo, per creare il parison. Il deflettore si alza e gli spazi vuoti si aprono. Il parison è invertito in un arco verso il "lato stampo" dal "braccio neckring", che tiene il parison dalla "finitura".

Quando il braccio del neckring raggiunge la fine del suo arco, due metà dello stampo si chiudono attorno al parison. Il braccio del neckring si apre leggermente per rilasciare la presa sul "finish", quindi torna al lato vuoto. Soffio finale , applicato attraverso la "testa soffiata", soffia il vetro, espandendosi nello stampo, per dare la forma finale del contenitore.

Fasi durante il processo di formatura del contenitore per soffiaggio e soffiaggio

Nel processo di pressa e soffiaggio , il parison è formato da un lungo pistone metallico che si alza e spinge fuori il vetro, per riempire gli stampi ad anello e vuoti. Il processo continua quindi come prima, con il trasferimento della preforma nello stampo della forma finale e il soffiaggio del vetro nello stampo.

Il contenitore viene quindi prelevato dallo stampo dal meccanismo "take-out" e tenuto sopra la "piastra morta", dove il raffreddamento ad aria aiuta a raffreddare il vetro ancora morbido. Infine, le bottiglie vengono trascinate su un nastro trasportatore dalle "pale push out" che hanno sacche d'aria per mantenere le bottiglie in piedi dopo l'atterraggio sul "piatto morto"; ora sono pronti per la ricottura.

Macchine formatrici

Macchina IS durante la produzione di bottiglie.

Le macchine formatrici trattengono e movimentano le parti che formano il contenitore. La macchina è composta da 19 meccanismi base in funzione per formare una bottiglia e generalmente alimentati ad aria compressa (alta pressione – 3,2 bar e bassa pressione – 2,8 bar), i meccanismi sono temporizzati elettronicamente per coordinare tutti i movimenti dei meccanismi. La disposizione della macchina formatrice più utilizzata è la macchina a sezione singola (o macchina IS). Questa macchina ha un banco di 5-20 sezioni identiche, ognuna delle quali contiene un set completo di meccanismi per creare contenitori. Le sezioni sono in fila e le gocce si alimentano in ciascuna sezione tramite uno scivolo mobile, chiamato distributore di gocce . Le sezioni producono uno, due, tre o quattro contenitori contemporaneamente (denominati single , double , triple e quad gob). Nel caso di più gocce, le cesoie tagliano le gocce contemporaneamente e queste cadono parallelamente negli stampi semilavorati.

Le macchine formatrici sono in gran parte alimentate da aria compressa e una tipica vetreria avrà diversi grandi compressori (per un totale di 30k-60k cfm) per fornire l'aria compressa necessaria. Forni, compressori e macchine formatrici generano grandi quantità di calore di scarto che generalmente viene raffreddato ad acqua. Il vetro caldo che non viene utilizzato nella macchina formatrice viene deviato e questo vetro deviato (chiamato rottame di vetro ) viene generalmente raffreddato dall'acqua e talvolta anche lavorato e frantumato in una disposizione a bagnomaria. Spesso i requisiti di raffreddamento sono condivisi su banchi di torri di raffreddamento predisposte per consentire il backup durante la manutenzione.

Trattamento interno

Dopo il processo di formatura, alcuni contenitori, in particolare quelli destinati agli alcolici, subiscono un trattamento per migliorare la resistenza chimica dell'interno, chiamato trattamento interno o dealcalizzazione . Ciò si ottiene solitamente attraverso l'iniezione di una miscela di gas contenente zolfo o fluoro in bottiglie ad alte temperature. Il gas viene tipicamente erogato al contenitore o nell'aria utilizzata nel processo di formatura (cioè durante il soffio finale del contenitore), o attraverso un ugello che dirige un flusso di gas nell'imboccatura della bottiglia dopo la formatura. Il trattamento rende il contenitore più resistente all'estrazione degli alcali, che può causare aumenti del pH del prodotto e, in alcuni casi, il degrado del contenitore.

Ricottura

Quando il vetro si raffredda, si restringe e si solidifica. Il raffreddamento non uniforme causa un vetro debole a causa dello stress. Anche il raffreddamento si ottiene mediante ricottura . Un forno di ricottura (noto nell'industria come lehr ) riscalda il contenitore a circa 580 °C (1.076 °F), quindi lo raffredda, a seconda dello spessore del vetro, per un periodo di 20-60 minuti.

Fine fredda

Il ruolo dell'estremità fredda della produzione di contenitori in vetro è completare le attività finali nel processo di produzione: spruzzare un rivestimento in polietilene per resistenza all'abrasione e maggiore potere lubrificante, ispezionare i contenitori per rilevare eventuali difetti, etichettare i contenitori e imballare i contenitori per la spedizione.

Rivestimenti

I contenitori di vetro in genere ricevono due rivestimenti superficiali, uno all'estremità calda , subito prima della ricottura e uno all'estremità fredda subito dopo la ricottura. All'estremità calda viene applicato uno strato molto sottile di ossido di stagno (IV) utilizzando un composto organico sicuro o cloruro stannico inorganico . I sistemi a base di stagno non sono gli unici utilizzati, anche se i più diffusi. Possono essere utilizzati anche tetracloruro di titanio o titanati organici. In tutti i casi il rivestimento rende la superficie del vetro più adesiva al rivestimento dell'estremità fredda . All'estremità fredda viene applicato uno strato di cera tipicamente polietilenica , tramite un'emulsione a base acquosa . Questo rende il vetro scivoloso, proteggendolo dai graffi e impedendo ai contenitori di attaccarsi tra loro quando vengono spostati su un nastro trasportatore . Il risultante rivestimento combinato invisibile conferisce al vetro una superficie praticamente antigraffio. A causa della riduzione del danno superficiale in servizio, i rivestimenti sono spesso descritti come rinforzanti, tuttavia una definizione più corretta potrebbe essere rivestimenti che mantengono la resistenza.

Attrezzatura di ispezione

I contenitori in vetro sono controllati al 100%; macchine automatiche, o talvolta persone, ispezionano ogni contenitore per una serie di guasti. Difetti tipici sono piccole crepe nel vetro chiamate assegni e inclusioni estranee chiamate pietre che sono pezzi del rivestimento in mattoni refrattari del forno fusorio che si staccano e cadono nella pozza di vetro fuso, o più comunemente granuli di silice (sabbia) sovradimensionati che hanno non si sono sciolti e che successivamente sono inclusi nel prodotto finale. Questi sono particolarmente importanti da selezionare perché possono conferire un elemento distruttivo al prodotto finale in vetro. Ad esempio, poiché questi materiali possono resistere a grandi quantità di energia termica, possono far sì che il prodotto in vetro subisca uno shock termico con conseguente distruzione esplosiva quando riscaldato. Altri difetti includono bolle nel vetro chiamate vesciche e pareti eccessivamente sottili. Un altro difetto comune nella produzione del vetro è chiamato strappo . Nella pressa e nella soffiatura , se uno stantuffo e uno stampo non sono allineati o vengono riscaldati a una temperatura non corretta, il vetro si attaccherà a entrambi gli elementi e si strapperà. Oltre a rifiutare i contenitori difettosi, le apparecchiature di ispezione raccolgono informazioni statistiche e le inoltrano agli operatori della macchina formatrice nell'estremità calda. I sistemi informatici raccolgono le informazioni sui guasti e le riconducono allo stampo che ha prodotto il contenitore. Questo viene fatto leggendo il numero dello stampo sul contenitore, che è codificato (come un numero o un codice binario di punti) sul contenitore dallo stampo che lo ha realizzato. Gli operatori eseguono manualmente una serie di controlli su campioni di contenitori, solitamente controlli visivi e dimensionali.

Elaborazione secondaria

A volte le fabbriche di container offrono servizi come l' etichettatura . Sono disponibili diverse tecnologie di etichettatura. Unico per il vetro è il processo di etichettatura in ceramica applicata (ACL). Si tratta di una serigrafia del decoro sul contenitore con una vernice a smalto vetroso , che viene poi cotta. Un esempio di questo è la bottiglia originale di Coca-Cola .

Confezione

I contenitori di vetro sono confezionati in vari modi. Popolari in Europa sono i pallet sfusi con tra 1000 e 4000 contenitori ciascuno. Questo viene effettuato da macchine automatiche (pallettizzatori) che predispongono e impilano i contenitori separati da strati di fogli. Altre possibilità includono scatole e persino sacchi cuciti a mano. Una volta imballate, le nuove "unità di scorta" vengono etichettate, immagazzinate e infine spedite.

Marketing

La produzione di contenitori in vetro nel mondo sviluppato è un'attività di mercato maturo. La domanda mondiale di vetro piano è stata di circa 52 milioni di tonnellate nel 2009. Stati Uniti, Europa e Cina rappresentano il 75% della domanda, con il consumo cinese passato dal 20% all'inizio degli anni '90 al 50%. Anche la produzione di contenitori in vetro è un'attività geografica; il prodotto è pesante e di grande volume e le principali materie prime (sabbia, carbonato di sodio e calcare) sono generalmente facilmente reperibili. Pertanto, gli impianti di produzione devono essere situati vicino ai loro mercati. Un tipico forno per il vetro contiene centinaia di tonnellate di vetro fuso, quindi semplicemente non è pratico spegnerlo ogni notte, o di fatto in un periodo inferiore a un mese. Le fabbriche quindi funzionano 24 ore al giorno 7 giorni alla settimana. Ciò significa che ci sono poche opportunità di aumentare o diminuire i tassi di produzione di più di qualche punto percentuale. I nuovi forni e le macchine formatrici costano decine di milioni di dollari e richiedono almeno 18 mesi di progettazione. Dato questo fatto, e il fatto che di solito ci sono più prodotti che linee di macchine, i prodotti vengono venduti a magazzino. La sfida di marketing/produzione consiste quindi nel prevedere la domanda sia nel breve periodo di 4-12 settimane che nel lungo periodo di 24-48 mesi. Le fabbriche sono generalmente dimensionate per soddisfare le esigenze di una città; nei paesi sviluppati di solito c'è una fabbrica ogni 1-2 milioni di persone. Una tipica fabbrica produrrà da 1 a 3 milioni di container al giorno. Nonostante il suo posizionamento come prodotto di mercato maturo, il vetro gode di un alto livello di accettazione da parte dei consumatori ed è percepito come un formato di imballaggio di qualità "premium".

Impatto del ciclo di vita

I contenitori in vetro sono completamente riciclabili e le industrie del vetro in molti paesi hanno una politica, a volte richiesta dalle normative governative, di mantenere un prezzo elevato sul rottame di rottame per garantire alti tassi di ritorno. Tassi di ritorno del 95% non sono rari nei paesi nordici (Svezia, Norvegia, Danimarca e Finlandia). Tassi di ritorno inferiori al 50% sono normali in altri paesi. Naturalmente anche i contenitori di vetro possono essere riutilizzati , e nei paesi in via di sviluppo questo è comune, tuttavia l'impatto ambientale del lavaggio dei contenitori rispetto alla rifusione è incerto. I fattori da considerare qui sono i prodotti chimici e l'acqua dolce utilizzati nel lavaggio e il fatto che un contenitore monouso può essere reso molto più leggero, utilizzando meno della metà del vetro (e quindi del contenuto energetico) di un contenitore multiuso. Inoltre, un fattore significativo nella considerazione del riutilizzo da parte del mondo sviluppato sono le preoccupazioni dei produttori sul rischio e la conseguente responsabilità da prodotto derivante dall'utilizzo di un componente (il contenitore riutilizzato) di sicurezza sconosciuta e non qualificata. È difficile dire come i contenitori di vetro si confrontino con altri tipi di imballaggio ( plastica , cartone , alluminio ); studi conclusivi sul ciclo di vita devono ancora essere prodotti.

Processo di vetro float

Uso del vetro float alla stazione ferroviaria di Crystal Palace , Londra

Il vetro float è una lastra di vetro ottenuta facendo galleggiare il vetro fuso su un letto di metallo fuso, tipicamente stagno , sebbene in passato venissero utilizzati piombo e varie leghe a basso punto di fusione . Questo metodo conferisce alla lamiera uno spessore uniforme e superfici molto piatte. Le finestre moderne sono realizzate in vetro float. La maggior parte del vetro float è vetro soda-calcico , ma vengono prodotte anche quantità relativamente minori di borosilicato speciale e vetro per display a schermo piatto utilizzando il processo del vetro float. Il processo del vetro float è anche conosciuto come il processo Pilkington , dal nome del produttore di vetro britannico Pilkington , che ha aperto la strada alla tecnica (inventata da Sir Alastair Pilkington ) negli anni '50.

Impatto ambientale

Impatti locali

Come tutte le industrie altamente concentrate, le vetrerie soffrono di impatti ambientali locali moderatamente elevati. Ad aggravare ciò è che, poiché si tratta di attività di mercato mature, spesso sono state situate nello stesso sito per molto tempo e ciò ha comportato l'invasione residenziale. I principali impatti sugli alloggi residenziali e sulle città sono il rumore, l'uso di acqua dolce, l'inquinamento dell'acqua, l'inquinamento atmosferico da NOx e SOx e la polvere.

Il rumore è creato dalle macchine formatrici. Azionati ad aria compressa, possono produrre livelli di rumorosità fino a 106 dBA . Il modo in cui questo rumore viene trasportato nel vicinato dipende in larga misura dal layout della fabbrica. Un altro fattore nella produzione di rumore sono i movimenti dei camion. Una tipica fabbrica lavorerà 600 T di materiale al giorno. Ciò significa che circa 600 t di materia prima devono entrare nel sito e le stesse nuovamente fuori dal sito come prodotto finito.

L'acqua viene utilizzata per raffreddare il forno, il compressore e il vetro fuso non utilizzato. L'uso dell'acqua nelle fabbriche varia ampiamente; può essere anche una tonnellata di acqua utilizzata per tonnellata di vetro fuso. Di una tonnellata, circa la metà viene evaporata per fornire il raffreddamento, il resto forma un flusso di acque reflue.

La maggior parte stabilimenti utilizzano acqua contenente un emulsionata dell'olio per raffreddare e lubrificare la goccia taglio lame di taglio . Quest'acqua carica di olio si mescola con la corrente di deflusso dell'acqua, inquinandola. Le fabbriche di solito hanno un qualche tipo di attrezzatura per il trattamento dell'acqua che rimuove questo olio emulsionato con vari gradi di efficacia.

Gli ossidi di azoto sono un prodotto naturale della combustione del gas nell'aria e sono prodotti in grandi quantità da forni alimentati a gas. Alcune fabbriche in città con particolari problemi di inquinamento atmosferico mitigheranno questo problema utilizzando ossigeno liquido , tuttavia la logica di ciò dato il costo in carbonio di (1) non utilizzare rigeneratori e (2) dover liquefare e trasportare ossigeno è altamente discutibile. Gli ossidi di zolfo sono prodotti come risultato del processo di fusione del vetro. La manipolazione della formula batch può comportare una mitigazione limitata di ciò; in alternativa è possibile utilizzare lo scrubbing del pennacchio di scarico.

Le materie prime per la produzione del vetro sono tutte materiale polveroso e vengono fornite sia come polvere che come materiale a grana fine. I sistemi per il controllo dei materiali polverosi tendono ad essere difficili da mantenere e, date le grandi quantità di materiale spostato ogni giorno, solo una piccola quantità deve fuoriuscire perché si verifichi un problema di polvere. Anche il rottame (vetro rotto o di scarto) viene spostato in una vetreria e tende a produrre particelle di vetro fini quando viene spalato o rotto.

Guarda anche

Riferimenti

link esterno