Особенности использования вибрационных грануляторов стекломассы в линиях рециклинга обратного стеклобоя

В отличие от разнообразных моделей скребковых грануляторов стекломассы [1,2], широко применяемых в современных линиях рециклинга обратного стеклобоя, вибрационные технологические аппараты, предназначенные для термической грануляции отходов стекла, используются значительно реже, хотя первые опытно-промышленные образцы подобного оборудования появились еще в 80 – е годы прошлого столетия.

Среди таких механизмов, например, можно выделить вибрационный гранулятор стекломассы [3], который включает в себя наклонный качающийся лоток с разгрузочной камерой, а также систему подвода воды и разделитель потока стекломассы на струи, установленный над верхней частью механизма. Нижняя часть наклонного лотка данного гранулятора имеет перфорированный участок и снабжена приводом качения, обеспечивающим колебания в направлении перпендикулярном транспортирующей поверхности устройства. За счет этих колебаний интенсифицируется процесс охлаждения и разрушения расплава стекломассы, подаваемой к разделителю потока, и повышается эффективность отделения воды от гранулята на перфорированной поверхности лотка.

Следует, однако, отметить, что первые вибрационные грануляторы, оснащенные качающимися наклонными лотками, имели сравнительно низкую производительность и в основном предназначались для диспергирования стекломассы, сливаемой из небольших печей во время холодного ремонта. Их ограниченные функциональные возможности и невысокая производительность были обусловлены конструктивными особенностями, полностью исключающими возможность сброса в гранулятор бракованных изделий с горячего конца производства стеклянной тары, и малой мощностью выпускаемых в то время вибраторов. И лишь с появлением специализированных электрических вибраторов, дебалансные элементы которых имели значительно больший рабочий момент при пониженной частоте своего вращения, стало реальным создание высокоэффективных современных конструкций вибрационных грануляторов стекломассы.

Основу большинства таких конструкций составляют либо наполненные водой транспортирующие лотки вибрационных питателей, имеющие ширину 400 – 500 мм и длину 3 – 6 метров, либо вибрирующие трубы диаметром 350 – 400 мм, внутри которых гранулируемое стекло движется вместе с интенсивным потоком воды и направляется в следующие по ходу транспортные механизмы, например, скребковые грануляторы. При этом габаритные размеры и масса вибрационных грануляторов существенно меньше аналогичных параметров скребковых конвейеров, что главным образом связано с отсутствием у них громоздких тяговых цепей со скребковыми лопатками и мощных электроприводов, оснащенных шестеренчатыми редукторами. Подобная конструктивная особенность данных механизмов позволяет создавать из них не только компактное стационарное оборудование для гранулирования стекла, что особенно актуально для его размещения в стесненных условиях помещений, расположенных под стеклоформующими машинами, но и небольшие передвижные аппараты, использующие вибрацию для транспортирования и одновременного измельчения утилизируемого стекла.

Наиболее распространенная конструкция стационарного вибрационного гранулятора (Рис.1), используемая на многих стеклотарных заводах известной турецкой компании «Русджам», содержит следующие основные узлы: опорную раму 1; виброизолирующие пружинные амортизаторы 2, 3; транспортирующий лоток 4, выполненный из нержавеющей стали и оснащенный патрубками 5, 6 перелива излишков воды, а также съемные защитные кожухи 7, 8, предохраняющие два дебалансных электрических вибратора 9, 10 от попадания на них брызг воды. Каждый из этих вибраторов крепится к боковой поверхности соответствующего киля 11 (иногда этот конструктивный элемент называют гребнем или ребром жесткости), установленного в нижней части транспортирующего лотка и обеспечивающего общую прочность корпуса гранулятора. Вибраторы при этом устанавливаются таким образом, что угол направления их колебаний составляет примерно 20 - 30° по отношению к продольной оси гранулятора, а линия действия результирующей возмущающей силы проходит через центр инерции всей колебательной системы.

Транспортирующий лоток, в свою очередь, состоит из горизонтального корытообразного участка 12, в котором под действием воды и вибрации происходит диспергирование расплава стекломассы и перемещение образующегося стеклогранулята в сторону выгрузки, а также примыкающего к горизонтальному участку наклонного разгрузочного желоба 13. Приподнятый выход 14 этого желоба, являющийся выходом вибрационного гранулятора, расположен на 150 – 200 мм выше уровня воды, заполняющей внутреннее пространство лотка. Такое конструктивное решение позволяет отделять воду от выгружаемого измельченного стекла (этот процесс осуществляется на свободной от воды поверхности наклонного разгрузочного желоба) и обеспечивает возможность перегрузки стеклогранулята на последующие транспортно-технологические механизмы.

Поскольку длина одного вибрационного гранулятора обычно не превышает 5 - 6 метров, для сбора отходов стекла, образующихся на горячих концах производства стеклянной тары, содержащего несколько стеклоформующих машин, требуется 3 – 4 таких агрегата, установленных либо последовательно в линию, либо параллельно или под углом друг к другу. Все это в сочетании с малыми габаритами создает некоторые преимущества по размещению данных механизмов в случаях, когда необходимо минимизировать занимаемую площадь и оптимизировать направление транспортирования утилизируемого стеклобоя, учитывая при этом наличие в производственном помещении возможных преград в виде строительных колонн, вентиляторов, воздуховодов и пр. Особенно эти преимущества важны при реконструкции существующих производств, в ходе которых либо устанавливают дополнительные стеклоформующие автоматы и заменяют, например, одиночные машины на тандемы, либо изменяют место положения ранее установленных автоматов вследствие удлинения каналов питателей стекломассы.

Главным же и неоспоримым преимуществом вибрационных грануляторов по сравнению со скребковыми конвейерами, погруженными в воду, является то, что у них отсутствуют вращающиеся цепи, которые в процессе эксплуатации растягиваются, а иногда и рвутся, вследствие чего происходит изгибание и перекос скребковых лопаток, а также их заклинивание. Немаловажное значение имеет и более эффективное протекание процесса термического гранулирования стекломассы, которое в вибрационных аппаратах интенсифицируется за счет дополнительного воздействия на частицы стекла гармонических колебаний.

Но наряду с указанными преимуществами у вибрационных грануляторов существуют и определенные недостатки, не свойственные скребковым механизмам. Как и для любой техники, использующей дебалансные электрические приводы, для вибрационных грануляторов характерна ситуация, связанная с отрывом вибраторов. Характерным для них является и повышенное испарение воды, образующееся в процессе грануляции горячей стекломассы. Интенсивное парообразование при этом обусловлено как сравнительно малым количеством и перегревом воды, находящейся в грануляторе, так и отсутствием ее эффективного перемешивания. В скребковом же грануляторе, к примеру, отдельные слои воды с разной температурой непрерывно перемещаются и перемешиваются с помощью двигающихся в разных направлениях транспортирующих лопаток. По той же причине, связанной с перегревом охлаждающего агента, необходима более частая подача холодной воды в каждый вибрационный гранулятор и более частый сброс воды из них в систему оборотного водоснабжения, что при использовании нескольких грануляторов требует более разветвленной системы водоснабжения и канализации.

Очевидно также, что при использовании вибрационных грануляторов увеличивается общее количество контрольно-измерительной и пускорегулирующей аппаратуры, предназначенной для поддержания заданного уровня и температуры воды в транспортирующих лотках данных механизмов. Кроме того, суммарное количество электрических приводов, установленных на механизмах транспортно-технологической цепочки, состоящей из нескольких вибрационных грануляторов, существенно превышает количество приводов на одном скребковом грануляторе, имеющем сопоставимую длину и производительность.
К недостаткам вибрационных грануляторов можно отнести и повышенную влажность выгружаемого из них стеклобоя, что объясняется не только сравнительно малым углом наклона и малой длиной разгрузочных наклонных желобов, но и частичным подъемом капель влаги, осуществляемым за счет сил вибрации, воздействующих на гранулят.

Еще четыре отрицательных момента, связанных с эксплуатацией подобного оборудования заключаются в следующем.

Во-первых, из-за ограничений, накладываемых на общую массу заполненного водой и загруженного стеклогранулятом лотка, футеровка его дна подобно тому, как это делается базальтовыми плитами в скребковом конвейере, не производится, что приводит к быстрому износу транспортирующей поверхности.

Во-вторых, в вибрационном грануляторе нельзя установить второе дно, которое позволяет при наличии цепи перемещать стекло в противоположном направлении, обеспечивая тем самым увеличение времени контакта стекла с водой. Данное обстоятельство при этом особенно важно для аппарата, находящегося в головной части общей цепочки, состоящей из последовательно соединенных между собой вибрационных грануляторов.

В-третьих, плавающие целые бутылки не выгружаются из вибрационного гранулятора (они скатываются с наклонной поверхности разгрузочного желоба), поэтому время от времени их надо либо разбивать, либо вылавливать. Разрушать же эти бутылки с помощью специальной дробилки, обычно устанавливаемой в хвостовой части скребкового гранулятора, тоже невозможно из-за отсутствия тяговой цепи, обратная ветвь которой с помощью лопаток перемещает неразбитую стеклотару в зону ее принудительного измельчения.

И, в-четвертых, при определенных частотах вибрации отдельные укрупненные фрагменты стекла, находящиеся на наклонном разгрузочном желобе, двигаются в противоположную сторону и концентрируются в хвостовой части транспортирующего лотка вибрационного гранулятора.
Многие из указанных недостатков, однако, не относятся к вибрационным грануляторам стекла, выполненным на основе трубных вибрационных питателей. Но это, что необходимо отметить, связано не с особенностями и совершенством конструкции подобного оборудования, а с его несколько иным функциональным назначением.

Трубные вибрационные грануляторы, имеющие максимальную длину около шести метров, целесообразно использовать в тех случаях, когда дополнительно устанавливаемое стеклоформующее оборудование в машинованном цеху размещается на удалении в 5 – 10 метров от основного скребкового гранулятора стекла [4]. Обеспечить при таком удалении оптимальный угол наклона направляющих труб, по которым вместе с водой сбрасываются капли утилизируемой стекломассы и горячие бутылки, невозможно, особенно, если подмашинное помещение имеет небольшую высоту. Малые же габариты трубных грануляторов, в большей степени выполняющих функции горизонтальных вибрационных конвейеров, не только дают возможность решения этой проблемы, но и позволяют устанавливать эти механизмы как под углом друг к другу, так и под углом к общему скребковому гранулятору, что существенно упрощает процесс размещения данного оборудования в стесненных условиях.

Две основные модификации таких грануляторов, у которых в качестве базового элемента конструкции используются трубные вибрационные питатели, отличаются друг от друга только исполнением опорных рам, формой загрузочных патрубков и местами крепления дебалансных электрических вибраторов на транспортирующих трубах. Если дебалансные вибраторы устанавливаются в нижней части транспортирующей трубы (Рис. 2а), то опорная рама такого гранулятора чаще всего бывает выше опорной рамы гранулятора с верхним расположением вибрационных приводов (Рис.2б).

Высота рамных конструкций и связанная с ней высота входных и выходных фланцев загрузочных и разгрузочных патрубков при этом выбирается из расчета возможного последовательного соединения двух вибрационных грануляторов между собой и со скребковым конвейером. А форма загрузочных патрубков, имеющих прямоугольное или круглое сечение, зависит от количества каналов сброса стекла в трубный вибрационный гранулятор.

Необходимое верхнее или нижнее расположение дебалансных вибраторов, устанавливаемых на специальные унифицированные кронштейны, а также места крепления этих кронштейнов на трубных питателях регулируются с помощью хомутов, выполненных из круглых металлических прутков или полос, снабженных резьбовыми соединениями. Ослабление крепления этих хомутов при монтаже и сборке дает простую возможность поворота и перемещения кронштейнов вдоль транспортирующей трубы гранулятора и позволяет выбирать необходимые координаты их установки.

Несмотря, однако, на простоту такой конструкции (обе модификации подобных вибрационных грануляторов стекломассы разработаны в ООО «Стромизмеритель»), она применяется достаточно редко, так как в качестве самостоятельного отдельно работающего технологического агрегата трубный вибрационный гранулятор функционировать не может. Причиной такого ограничения является то, что в горизонтально расположенной трубе капли расплавленной стекломассы не успевают за короткое (2 – 3 секунды) время транспортирования разрушиться на мелкие фрагменты. Не происходит там и разделение стеклобоя от интенсивного потока воды, поэтому разгрузочный выход каждого трубного виброгранулятора должен быть обязательно соединен с входом ванны скребкового конвейера, подключенного к общей системе оборотного водоснабжения.

Технологическая линия с подобным соединением грануляторов, имеющих аналогичное исполнение, несколько лет успешно эксплуатируются в ООО «Экспо Гласс» в г. Курлово Владимирской области и применяется еще на нескольких заводах по производству стеклянной тары.

Не так часто используются и передвижные вибрационные грануляторы, которые с точки зрения конструктивных решений во многом идентичны стационарным грануляторам с лотковыми транспортирующими питателями. Максимальная длина одного из таких механизмов, представленных на  Рис. 3, не превышает 3,5 метра, а его вибролоток имеет наклонное днище, позволяющее формировать внутренний объем в питателе, предназначенный для частичного заполнения его водой.

Перемещение подобного мобильного аппарата в производственном помещении обеспечивается с помощью роликовых колес, установленных на стойках опорной рамы и снабженных винтовыми фиксаторами, стабилизирующими положение аппарата во время работы.

Производительность передвижных вибрационных грануляторов стекломассы значительно меньше, чем у стационарных устройств, выполняющих аналогичные функции, поэтому их целесообразно применять в малотоннажных производствах, оснащенных, например, стекловаренными тепловыми агрегатами периодического действия. Также аналогичные механизмы можно использовать при регулируемом сливе загрязненной стекломассы из придонных слоев выработочного канала в производстве стеклянной тары и для удаления остатков расплава из горшковых печей при смене состава стекла. Есть и другие варианты применения подобного оборудования при изготовлении посуды, фритты, стеклогранулята и других изделий из боросиликатных, свинцовосодержащих, цветных и бесцветных натрий – кальций – силикатных стекол.

Один из таких вариантов представляет особый интерес для производства стеклянной тары и связан с использованием реверсивных вибрационных грануляторов, применение которых существенно оптимизирует компоновку технологических линий рециклинга цветного и бесцветного стеклобоя. Как уже отмечалось, на горячих концах этих линий может находиться несколько соединенных в одну транспортную цепочку механизмов, осуществляющих диспергирование отходов горячего стекла. Так как в подобных цепочках стеклогранулят последовательно перегружается с одного вибрационного гранулятора на другой и в процессе транспортирования смешивается со стеклобоем, поступающим от разных стеклоформующих машин, утилизируемое стекло, должно быть однородным по цвету и химическому составу.

Как правило, такое требование выполняется, если на все стеклоформующие машины, расположенные на отдельно взятом технологическом участке, подается стекломасса одного и того же цвета и от общей стекловаренной печи. Общей на таком участке должна быть и линия утилизации отходов горячего стекла.
Существуют, однако, случаи, когда при периодическом окрашивании бесцветной стекломассы в одном из каналов питателей на выходе соответствующей стеклоформующей машины также периодически образуется цветной стеклобой, который нельзя сбрасывать вместе с бесцветным стеклобоем в общую линию рециклинга. Утилизация такого стеклобоя обычно производится с помощью дополнительных грануляторов стекла, устанавливаемых рядом с основной системой диспергирования бесцветных стеклянных отходов. Но даже при использовании в качестве дополнительных грануляторов вибрационных механизмов, имеющих по сравнению со скребковыми конвейерами меньшие габариты, их бывает сложно разместить в стесненных помещениях, находящихся под стеклоформующими машинами.

В этой связи замена обычного вибрационного гранулятора лоткового типа с однонаправленным транспортированием гранулируемого стекла на реверсивный вибрационный гранулятор с двумя разгрузочными выходами (конструкция данного механизма предложена автором статьи и в настоящее время патентуется) позволяет избежать установки дополнительного аппарата под стеклоформующими машинами, производящими изделия из бесцветного и цветного стекла.

Принцип действия такого гранулятора стекломассы, первый разгрузочный выход которого можно соединить с входом линии рециклинга бесцветного стеклобоя, а второй выход может быть подключен к входу аналогичной линии утилизации отходов цветного стекла, заключается в следующем. Отдельные капли 1 (Рис. 4а) расплавленной бесцветной стекломассы (рассматривается ситуация, когда окрашивание стекломассы в канале питателя не производится), а также горячие бутылки с дефектами формования сбрасываются от соответствующей стеклоформующей машины вниз и по направляющему лотку 2 попадают в холодную воду, заполняющую внутренний объем транспортирующего вибрационного лотка 3. В воде от термического удара стекло покрывается сеткой из многочисленных микротрещин, и рассыпается на мелкие фрагменты 4 (гранулы).

Измельчению стекла также способствуют и направленные колебания вибрационного лотка, генерируемые дебалансными электрическими вибраторами 5, 6 (Рис. 4б). Эти колебания придают стеклянным гранулам направленное движение вперед и частично вверх, что позволяет им сначала перемещаться вперед по горизонтальной поверхности 7 корытообразного желоба, а потом и по наклонной транспортирующей поверхности 8 к выходу 9 первого наклонного желоба 10. С выхода этого желоба стеклогранулят может сбрасываться на последующий транспортный механизм линии рециклинга бесцветного стеклобоя.
Угол наклона транспортирующей поверхности 8, равный 12 - 15°, при этом меньше угла естественного откоса стеклобоя, поэтому отдельные гранулы при своем движении вперед и вверх не скатываются назад, так как их частично удерживают силы трения. Движение стеклогранулята вверх к выходу 9 обусловлено еще и тем, что вектор 11 результирующей возмущающей силы, вызванной колебаниями вибраторов 5, 6, направлен под углом 20 - 30° к горизонту, а этот угол больше угла наклона 12 - 15° транспортирующей поверхности 8.

Тогда же, когда требуется изменить направление движения стеклогранулята (такой режим необходим при использовании инновационной технологии окрашивания стекломассы в соответствующем канале питателя), электрические дебалансные вибраторы 5, 6 реверсивного вибрационного гранулятора выключаются, а симметрично расположенные им вибраторы 12, 13 начинают функционировать. Вектор 14 результирующей возмущающей силы от их действия (Рис. 4в) в данном случае также проходит через центр инерции 15 колебательной системы гранулятора, но направлен в противоположную сторону под углом 150 - 160° к горизонту (зеркально и симметрично по отношению к углу 20 - 30°).

Противоположное направление результирующей возмущающей силы приводит в свою очередь к тому, что цветной стеклобой, образующийся при изготовлении стеклянной тары из окрашенной в канале питателя стекломассы, начинает транспортироваться в другую сторону, перемещаясь по наклонной поверхности 16 (угол наклона этой поверхности равен 165 - 168°) к разгрузочному выходу 17 второго наклонного желоба 18. После чего цветной стеклогранулят 19 аналогично бесцветному стеклобою может перегружаться на транспортно-технологическое оборудование соответствующей линии рециклинга или сбрасываться в промежуточный накопительный контейнер.

Поясним более подробно работу одного и того же реверсивного вибрационного гранулятора стекломассы на примере поочередного его использования в составе объединенной линии рециклинга цветного и бесцветного стеклобоя. В рассматриваемом примере участок объединенной линии, предназначенный для утилизации обратного бесцветного стеклобоя (Рис. 5а), содержит четыре последовательно соединенных вибрационных аппарата, у которых гранулятор 1 имеет два разгрузочных выхода, направленных в противоположные стороны, а грануляторы 2, 3 и 4 являются механизмами с однонаправленным движением транспортируемого стеклобоя.

В процессе работы такой линии отходы горячего бесцветного стекла со стеклоформующих маши 5, 6, 7, 8 сбрасываются в подмашинное помещение и по специальным поворотным лоткам направляются в соответствующие вибрационные грануляторы. Образующийся при этом стеклогранулят последовательно перегружается с первого выхода реверсивного гранулятора 1 на последующие механизмы 2, 3, 4. Далее измельченное стекло с помощью ленточного конвейера 9 и ленточного ковшового элеватора 10 транспортируется в промежуточный накопительный бункер 11 бесцветного стеклобоя.

При смене ассортимента выпускаемой продукции и окрашивании стекломассы в канале питателя стеклоформующей машины 5 в реверсивный гранулятор 1 стекломассы начинают поступать отходы цветного стекла (Рис. 5б). Эти отходы, однако, нельзя перегружать в последовательно соединенную цепочку грануляторов 2, 3, 4, так как в данные технологические аппараты продолжают подавать капли бесцветной стекломассы и бракованные бесцветные бутылки, сбрасываемые от стеклоформующих машин 6, 7, 8.

Чтобы избежать нежелательного смешивания бесцветного и цветного стеклобоя в общей транспортной цепочке вибрационных механизмов 1, 2, 3, 4, гранулятор 1 переключается в режим реверса. Цветной стеклогранулят в этом случае начинает двигаться в противоположную сторону и со второго выхода реверсивного вибрационного гранулятора направляется в линию рециклинга цветного стеклобоя, состоящую из ленточного конвейера 12, ленточного ковшового элеватора 13 и накопительного бункера 14.

По окончании программы выпуска стеклянной тары из окрашенного в канале питателя стекла и переходе стеклоформующей машины 5 на производство бесцветных изделий реверсивный вибрационный гранулятор 1 переключается в исходный режим работы, при котором движение стеклогранулята в данном аппарате меняется на противоположное. Бесцветный стеклобой начинает опять выгружаться с первого выхода гранулятора 1 и подается в соответствующую линию рециклинга.

Таким образом, использование механизмов вибрации для транспортирования и диспергирования отходов горячего стекла позволяет создавать сравнительно простые малогабаритные грануляторы с различными техническими характеристиками и различным функциональным назначением.

В.В. Ефременков - кандидат технических наук, заместитель генерального директора ООО «Стромизмеритель» 

Литература

1. Баррето Р. Оборудование для переработки горячего стекла // Стеклянная тара. 2009. №4. С. 24 – 25.
2. Пат. РФ на полезную модель 122589, МПК B01J2/06. Гранулятор / В.М. Высоцкий ; опубл. 10. 12. 2012 // Бюлл. №34.
3. Авторское свидетельство СССР 1381080, МПК С03В1/00. Гранулятор стекломассы / В. А. Гороховский, Г.Ф. Повитков; опубл. 15. 03. 1988 // Бюлл. №10.
4. Ефременков В.В. Особенности проектирования линий обратного стеклобоя в производстве стеклянной тары // Стекло и керамика. 2016. №8. С. 21 – 27.
5. Efremenkov V.V. Design particularities of recycle lable cullet lines in the production of glass containers // Glass and Ceram – 2016– V 73- № 7– 8– P. 293 - 297.