1. Tổng quan - Khoa học về nguyên liệu sản xuất thuỷ tinh bắt đầu từ thế kỷ 19 và phát triển không ngừng. Hãng Corning hiện nay đã dùng tới 275 loại nguyên liệu chứa đến 60 nguyên tố hoá học để sản xuất ra hàng ngàn chủng loại thuỷ tinh với các tính chất vô cùng phong phú đa dạng. Thông thường sản xuất dùng từ 50 - 100 nguyên liệu. Những nguyên liệu quan trọng và phổ biến nhất như cát, sôđa, đá vôi, đôlômi, tràng thạch, chiếm đến 90% phối liệu. Nguyên liệu khác chứa bor, nhôm, chì, bary, kẽm, potas, sunfat, hydrat chiếm vị trí thứ 2. Nguyên liệu còn lại 1 - 2% lại có vai trò đặc biệt trong công nghệ.
- Mỗi nguyên liệu đóng một vai trò quan trọng riêng như tạo khung, tạo độ chảy và ổn định cấu trúc cũng như gây mẫu, gây đục, khử bọt, tăng cường quá trình nấu, giảm tiêu hao năng lượng và đem lại những biến tính đặc biệt tạo cho thuỷ tinh các tính chất sử dụng và tạo hình phong phú nhất trong các loại vật liệu.
Ngày nay khi sản lượng thuỷ tinh trên thế giới đã tới hàng trăm triệu tấn, hàng ngàn chủng loại. Vấn đề kinh tế, sinh thái môi trường nổi lên cấp bách. Vai trò công nghệ nguyên liệu và tổ hợp phối liệu hợp lý càng có vai trò quyết định.
2. Những yêu cầu chính về nguyên liệu trong thời kỳ kinh tế thị trường
Sản phẩm vật liệu có tính cạnh tranh trên thương trường khi đáp ứng kịp thời yêu cầu chất lượng và số lượng của người sử dụng với giá thành hạ nhất.
Khi sử dụng nguyên liệu cần nắm chắc các yếu tố kỹ thuật công nghệ của nguyên liệu.
2.1. Thành phần nguyên liệu
Theo tính năng sử dụng phân thành 3 nhóm: gồm thành phần hữu dụng quyết định chỉ tiêu kinh tế của nguyên liệu, thành phần thừa phần này không đi vào thành phẩm thuỷ tinh không có vai trò gì trong trong thuỷ tinh, thành phần có hại có ảnh hưởng xấu tới tính chất và công nghệ sản xuất.
- Thành phần hữu dụng: Một cách lôgic là yêu cầu hàm lượng này càng cao càng tốt nhưng đây không phải yếu tố quan trọng duy nhất. Nguyên liệu đa phần đã đạt ISO. Chọn lựa nguyên liệu phải cân nhắc kỹ giá thành. Chọn lựa nguyên liệu tối ưu cho sản phẩm đã được ISO là rất cần thiết. Quyết định là giá cả hàm lượng hữu dụng trong nguyên liệu đáp ứng mục đích và ổn định thành phần theo thoả thuận.
- Độ ổn định thành phần cho từng loại nguyên liệu có những yêu cầu khác nhau cho các chủng loại thuỷ tinh khác nhau.
Thí dụ: Thuỷ tinh trong, không màu phải chú ý hàm lượng chất gây màu cho phép. Giới hạn cho phép của chất gây màu cho thuỷ tinh không màu trong điều kiện nấu oxy hoá tính bằng % khối lượng như sau:
CoO từ 0,00005 đến 0,0005%
NiO từ 0,0001 đến 0,0005%
Cr2O3 từ 0,0001 đến 0,001%
Fe2O3 từ 0,005 đến 0,01%
CuO khoảng 0,01%
MnO khoảng 0,01%
TiO2 khoảng 0,5%
Tạp chất phổ biến Fe2O3, ngoài nguyên liệu còn có thể đi vào thuỷ tinh do mảnh bẩn, do quá trình thao tác với phối liệu bị lẫn vào ngẫu nhiên và độ mòn của thiết bị nghiền trộn.
Hàm lượng % của Fe2O3 cho các loại thuỷ tinh như sau:
Pha lê chì dưới 0,015% càng ngày càng giảm
Pha lê thường dưới 0,025%
Pha lê áp dưới 0,030%
Mỹ phẩm dưới 0,040%
Bao bì trắng dưới 0,080%
Kính trắng dưới 0,10%
Những chất lạ lẫn trong nguyên liệu:
- Những phần tử nhỏ khác lạ lẫn vào nguyên liệu từ mỏ như các kim loại nặng trong cát. Rất nhiều trường hợp do quá trình gia công vận chuyển, bảo quản.
- Những khoáng khó chảy gây xá, sạn và khuyết tật dạng rắn trong sản phẩm thuỷ tinh.
- Chất gây màu tạo thành các vân màu, gây biến màu, giảm độ thấu quang.
- Những chất oxy hoá khử tạo bọt như các karbid, kim loại, nhôm, và hợp chất hữu cơ.
Hàm lượng các chất lạ rất khó định lượng phải đề phòng và loại trừ cẩn thận. Khi gia công có thể do lưới bị rách, khi đập kim loại bị mòn lẫn vào, khi nung làm mất nước rỉ từ vỏ lò chui vào, hay do quá trình vận chuyển bảo quản không tốt bị lẫn tạp chất..., như Cromit, Korund zirkon, disken hay các mẩu vật liệu chịu lửa gây xá, sạn và khuyết tật dạng rắn trong sản phẩm.
Kích thước hạt nguyên liệu:
Thông thường kích thước hạt được phân cấp từ 0,1 đến 1mm theo tiêu chuẩn. Kích thước hạt cần quan tâm đến 4 điểm chủ yếu:
+ Kích thước hạt lớn nhất vượt tiêu chuẩn, cỡ hạt này chỉ được phép dưới 0,01% nhất là với nguyên liệu khó chảy.
+ Kích thước hạt trung bình xp là đường kính của hạt xác định từ đường cong phân bố cỡ hạt lấy ở giữa đường công phân bố kích thước ứng với 50% lượng hạt.
+ Độ dốc của đường cong phân bố kích thước hạt δ được xác định theo công thức:
| ' border=0 src='/image/images?img_id=com.vportal.portlet.vcms.model.VcmsArticle.16808.1700' /> |
| |
xi: Đường kính hạt nhóm i
pi: Số phần trăm hạt nhóm i
Nếu chỉ có 1 cỡ hạt thì δ = 1, càng nhiều cỡ hạt thì càng lớn.
- Hàm lượng hạt dưới 0,1mm xác định từ đồ thị phân bố cỡ hạt. Phụ thuộc cỡ hạt trung bình và độ dốc của đường cong phân bố kích thước hạt.
- Nhờ biết kích thước hạt trung bình và độ dốc đường cong phân bố cỡ hạt xác định được diện tích bề mặt riêng phân theo công thức:
| ' border=0 src='/image/images?img_id=com.vportal.portlet.vcms.model.VcmsArticle.16808.1701' /> |
| |
t: Hệ số hình dáng, hình cầu = 1
h: Mật độ kg/m3
Độ mịn của nguyên liệu phụ thuộc vào tính chất của nó. Nguyên liệu yêu cầu mịn khi:
+ Nguyên liệu càng khó chảy, càng khó đồng nhất như cát, ôxit nhôm, zirkon
+ Thành phần của chúng càng khác thành phần thuỷ tinh. Thí dụ ôxit nhôm phải mịn hơn tràng thạch.
+ Lượng nguyên liệu sử dụng càng ít trong phối liệu thí dụ hàm lượng chất màu.
Hạt quá mịn dưới 0,1mm cũng không cần thiết phụ thuộc vào đặc tính thao tác của chúng. Hạt thô hơn cho phép sử dụng ở những nguyên liệu có phân huỷ hoá học trong quá trình nấu. Kích thước hạt cũng không nên quá phân tán vì dễ gây ra hiện tượng phân lớp.
Bảo quản nguyên liệu phải xuất phát từ tính chất nguyên liệu đảm bảo luôn khô ráo ở dạng tơi, không vón cục.
- Tận dụng nguyên liệu thứ cấp phế thải, công nghiệp nhằm tiết kiệm năng lượng, hạ giá thành sản phẩm. Phải hết sức lưu ý phải luôn giám sát kỹ thuật, cẩn trọng đảm bảo tính ổn định sản xuất. Một số nguyên liệu khó phân huỷ có thể sử dụng làm nguyên liệu thuỷ tinh thích hợp khi ở nhiệt độ cao và phù hợp với điều kiện sản xuất.
Nhiều năm gần đây còn tận dụng bụi bay trong quá trình sản xuất thuỷ tinh thu hồi được ở buồng thu hồi nhiệt hay bộ phận thu hồi bụi ở phin lọc.
Kiểm tra và giao nhận nguyên liệu: Hợp đồng ký kết về đảm bảo yêu cầu tính năng nguyên liệu phải đảm bảo chuẩn xác, được theo dõi và kiểm tra kịp thời. Khi có nghi vấn cần phải xác định cần thận bằng các phương pháp hữu hiệu, hiện đại chính xác.
2.2. Sinh thái vệ sinh và an toàn sử dụng nguyên liệu thuỷ tinh
Lượng thuỷ tinh trên thế giới ngày một lớn hàng năm sản lượng hàng trăm triệu tấn. Nên lượng nguyên liệu tiêu thụ rất lớn. Năm 2000 đã tiêu thụ:
Cát: 82 triệu tấn
Đá vôi, đôlômi: 12 triệu tấn
Sôđa: 25 triệu tấn
Tràng thạch: 5 triệu tấn
Bor tính theo nguyên tố 500.000 tấn
Chì tính theo nguyên tố 200.000 tấn
Cùng với lượng phân huỷ của các nguyên liệu này. Lượng nhiên liệu đốt, nấu và gia công thuỷ tinh cũng vài chục triệu tấn. Thải ra lượng khí thải khổng lồ.
Để đảm bảo sinh thái, vệ sinh và an toàn cần lưu ý thông số LD. LD là số lượng nguyên liệu tác động gây chết đến 50% động vật thí nghiệm tính theo g/1kg cơ thể sống được ghi thành chỉ tiêu của nguyên liệu.
Những chất độc hại đặc biệt nguy hiểm như Arsen và các hợp chất của chúng, các Kyanid kim loại; Selen hoá trị 4. Những chất độc hại khác như hợp chất Antimoan, hợp chất Bary, các muối chưa Flour trừ CaF2, hợp chất chì, nitrat bạc, sunfat đồng, hợp chất chứa Cd gây ung thư. Tác nhân độc hại là các ion của chúng đi vào cơ thể sống và hoà tan vào nó. Khi sử dụng các chất này phải được phép của cơ quan vệ sinh an toàn, phải được kiểm định nghiêm ngặt. Người sử dụng phải được đào tạo và sát hạch. Một số nguyên liệu khác sử dụng lâu ngày có tác dụng không tốt tới da và mắt. Vì vậy, phải tuân thủ nội quy an toàn, thao tác, cấm hút thuốc lá và ăn uống trong môi trường này. Cần trang bị các biện pháp cấp cứu và phương tiện phòng ngừa, dung dịch trung hoà, mũ bảo vệ, đảm bảo không bay bụi trông nhà phối liệu hay kho nguyên liệu chứa các chất độc hại người lao động phải mặc quần áo sạch, đeo khẩu trang, găng tay. Đối với một số loại phải thao tác trong buồng hút bụi hơi độc phải đeo kính bảo hộ.
Phát xạ từ lò phần lớn từ nguyên liệu, một phần từ nhiên liệu. Chủ yếu là bốc hơi, phần nhỏ là bay bụi. Chất phát xạ một phần còn nằm trong thuỷ tinh, phần lắng lại có kênh rãnh, buồng hồi nhiệt còn lại qua ống khói. Đánh giá bằng đo trực tiếp ở chân ống khói, thể hiện bằng mg/m3 khí thải.
Tính toán gần đúng xuất phát từ yêu cầu năng lượng do nhiên liệu cung cấp.
Giá trị này thường biết được. Lượng phát xạ về lý thuyết xác định theo:
| ' border=0 src='/image/images?img_id=com.vportal.portlet.vcms.model.VcmsArticle.16808.1702' /> |
| |
P: Hoàn lượng lý thuyết chất độc hại trong thuỷ tinh %. Những lò chỉ dùng mảnh để quay lại chính mình có thể bỏ qua lượng này. Nếu dùng mảnh ngoại lai phải tính thành phần thuỷ tinh toàn bộ.
k: Lượng chất độc hại đi vào khí thải giao động từ 0 - 1. Xác định qua phân tích khí thải, phụ thuộc vào cấu trúc lò, nhiệt độ nấu. Thông thường chỉ biết lượng từ thuỷ tinh khi chưa xác định được lượng xạ lắng khuôn và buồng thu hồi nhiệt.
q: Lượng nhiên liệu tiêu thụ riêng không tính phần điện đốt bổ sung. Thể hiện bằng GJ/t. thuỷ tinh toàn bộ
k: Lượng khí thải tính theo nhiệt trị nhiên liệu m3/GJ chính xác phải xác định riêng cụ thể. Thông thường lấy cho khí tự nhiên, dầu, khí dẫn đi xa với độ chính xác 3% không đổi. Trường hợp 13% O2 trong khí thải là 0,74.103m3/GJ. Trường hợp 8% O2 trong khí thải là 0,46.103m3/GJ ở điều kiện tiêu chuẩn.
Tuỳ thuộc trình độ và điều kiện các nước có quy định khác nhau về giới hạn cho phép lượng phát xạ các chất gây độc hại.
Tính theo lượng nhiệt quy ước để nấu 1 tấn thuỷ tinh là 7 GJ/t và k = 1. Thực tế đối với As và Se k có thể giao động từ 0,5 đến 0,7; F và Cl khoảng 0,5. Ở Tiệp Khắc quy định 5 - 10g As để khử bọt và 10g - 20g Na2SeO3 để khử màu cho 100kg Cl và F là 0,05% và Cl là 0,1% về lý thuyết trong thuỷ tinh. Những nước phương Tây tiên tiến trên thế giới giới hạn này quy định thấp hơn từ 3 đến 10 lần và quy định rất khắt khe hàm lượng F và Cl trong các nguyên liệu thuỷ tinh. Phát xạ NOx và SO2 không những do nguyên liệu mà cả nhiên liệu nữa gây nên. giá trị k phụ thuộc vào nhiệt độ nấu, thời gian thuỷ tinh lưu trong lò, khí quyển lò, và độ nặng trong kính và buồng hồi nhiệt.
Vấn đề sinh thái và môi trường cần phải quan tâm cả ở lượng phế thải nguyên liệu, phế phẩm, bụi bay, lượng hoà tan của chúng trong nước. Tuỳ theo tính chất từng loại nguyên liệu mà phải có cách bảo quản hợp lý. Biện pháp tốt nhất là tập trung các loại phế thải lại đồng nhất hoá, phân tích và tính toán đưa dẫn vào phối liệu. Như vậy kinh tế vừa đảm bảo an toàn. Bao bì đựng các hoá chất độc hại nên quay vòng dùng lại. Khi xử lý và bảo quản phải có giải pháp kỹ thuật thích ứng.
Quy mô sản xuất thuỷ tinh ngày càng lớn, tăng trưởng hàng năm. Sử dụng hợp lý kinh tế nguyên liệu, đảm bảo sinh thái môi trường ngày càng có ý nghĩa to lớn đòi hỏi phải hết sức quan tâm và sử dụng các phương pháp công nghệ tương thích cho các hoàn cảnh cụ thể.
Nguồn: Hội thảo quốc tế "Sử dụng kính an toàn, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường", tháng 10-2008