C V I Č E N Í 5 1. Představení firmy Avirunion, a.s. 2. Napětí ve skle 3. Výpočet chladícího postupu 4. Příklad výpočtu 1. Představení firmy Avirunion a.s., Dubí u Teplic [1,2] Firma Avirunion a.s., Dubí u Teplic je jedním ze dvou velkých producentů obalového skla v Čechách. Vedle této firmy je to Vetropack Moravia Glass a.s., Kyjov [6]. Společnost Avirunion a.s. vlastní dva výrobní závody na výrobu obalového skla. Závod Rudolfova huť v Dubí, kde je současně sídlo ředitelství společnosti a závod Nové Sedlo u Karlových Varů. a) Vyráběný sortiment Firma vyrábí obalové sklo těchto druhů: a. Láhve na pivo b. Láhve na lihoviny c. Láhve na víno a sekt d. Sklenice na potraviny e. Láhve na nealkoholické nápoje a minerální vody f. Obalové sklo na kosmetiku a pro farmacii Výroba se provádí na řadových strojích (individual section -IS). Pro výrobu úzkohrdlých obalů (láhve) se používá technologie dvakrát foukací a úzkohrdlý lisofouk. Pro širokohrdlé obaly (sklenice) technologie lisofoukací. b) Vlastnická struktura Jediným vlastníkem firmy Avirunion je společnost AVIR S.p.A. [7]. Tato společnost je vlastněna z 99,7 % firmou Owens-Illinos se sídlem v Toledu, stát Ohio (USA). Avirunion je tedy členem skupiny Owens-Illinos [8]. Firma Owens-Illinois je na předním místě ve světě v technologii a výrobě skleněných obalů. Ze všech skleněných obalů, prodaných na celém světě, je přes 50% vyrobeno jejími filiálkami či v licencích. Owens-Illinois je největším dodavatelem technologie a zařízení pro výrobu skleněných obalů. c) Historie společnosti Společnost Avirunion vlastní dva výrobní závody na výrobu obalového skla. Rudolfova huť v Dubí 1906 Zahájena výroba ve sklárně, která vznikla v budovách bývalé válcovny jemného ocelového plechu. Vedle užitkového skla tvarovaného foukáním upozornila na sebe hlavně produkcí páleného i nepáleného lisu (lisované sklo). 20. až 30. léta 20. století výrazná modernizace. Připravovaný rozmach hromadné výroby lisovaného skla na automatických strojích s dávkovačem však zastavila světová hospodářská krize. 2. světová válka přechod z ruční výroby na hromadnou výrobu obalového skla. po 1945 výroba se už nevrátila k ruční výrobě a naopak se rozvíjela hromadná výroba skleněných obalů, kterých bylo po válce nedostatek. V poválečných desetiletích výroba sklárny postupně rostla - zavedení automatických strojů na výrobu lahví (prototyp řady AL v roce 1961) a postavení první celoelektrické vany u nás (1965). Nedostatek investic a devizových prostředků zvláště však neumožňoval provádět soustavnou modernizaci výroby, a tak udržovat krok s vyspělejší zahraniční konkurencí. Proto se nepodařilo zabránit technickému zaostávání sklárny. Sklárna Nové Sedlo 1879 zhotovení první láhve v nové sklárně a to klasicky ručně (foukáním do dřevěné formy). 1888 se Siemensův podnik, jehož základ tvořily saské sklárny v Drážďanech a Döhlenu a česká sklárna v Novém Sedle, přeměnil na akciovou společnost. První světová válka však dosud kontinuitní rozvoj sklárny v Novém Sedle citelně přerušila. Koncem dvacátých let se stala Akciová společnost pro sklářský průmysl roční produkcí 140 milionů lahví, na níž měl rozhodující podíl její novosedelský závod, největším výrobcem lahví na světě. 1938 - po obsazení Rakouska a okupaci českých zemí Německou říší v roce se veškerý majetek společnosti přejmenované na Siemensovo sklo, akciová společnost (Siemensglas, Aktiengesellschaft). 1945 Znárodnění závodu Ve druhé polovině šedesátých let se podařilo sklárně udržet s výjimkou roku 1969 celkem stabilní objem výroby nad počtem 100 milionů kusů lahví ročně. 1978 Společnost se stala součástí podniku Obas koncernu Sklo Union v Teplicích, výroba v té době činila 130 milionů lahví ročně. Společná historie 1. leden 1991 změna státní podnik na akciovou společnost OBALUNION tvořící dceřinnou společnost Sklo Union. 1992 uzavření smlouvy mezi a. s. Sklo Union Teplice, AVIR Finanziaria S. p. A. a.obalunion, a. s. o vytvoření společného podniku 1
1993 přejmenování podniku na Avirunion, a. s. prosinec 1996 firma Owens - Illinois, Inc. se sídlem v Toledu (USA) rozhodující majoritu ve firmě AVIR S. p. A. Avirunion se tak stal členem skupiny Owens-Illinois, Inc. d) Základní finanční ukazatele Fyzický stav pracovníků, produktivita práce a tržby jsou uvedeny v tab. 1 a jejich vývoj je pak v grafech. Tržby od roku 1996 kolísají, což je patrně dáno nasyceností trhu a silnou konkurencí. Cena tuny takto vyrobeného skla je podle [3] 8 850 Kč/t a oproti všem ostatním výrobám je tato cena zdaleka nejnižší (ploché a stavební sklo = 34 730 Kč/t; užitkové a ostatní sklo = 96 588 Kč/t a ostatní sklo a vlákna = 91 378 Kč/t). Ke zvyšování tržeb vede cesta především přes zavádění nových výrobků a expanzi na zahraniční trhy. V roce 2001 tržby poklesly především v důsledku poruchy na jedné z van a její urychlené následné rekonstrukci včetně tvarovacích strojů (v hodnotě 360 mil. Kč). V roce 2001 došlo také ke zvýšení podílu domácího trhu. rok Fyzický stav pracovníkůproduktivita prác k 31.12. z neto tun Tržby (mil. Kč) 1992 1610 100% 978.9 1993 1370 143% 1279.1 1994 1218 178% 1408.1 1995 1158 197% 1626.7 1996 879 256% 1569.3 1997 607 368% 1761.1 1998 588 394% 1697.4 1999 573 315% 1505.3 2000 581 409% 1846.5 2001 566 401% 1804.9 Tab. 1 Počet pracovníků 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 Obr. 1 Fyzický stav pracovníků k 31.12. Produktivita práce z netto tun 450% 400% 350% 300% 250% 200% 150% 100% 50% 0% 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 Obr. 2 Produktivita práce z netto tun 2
Tržby v mil. Kč 2 0 0 0. 0 0 1 800.00 1 600.00 1 400.00 1 200.00 1 000.00 800.00 600.00 400.00 200.00 0.00 1 992 1 9 9 3 1 9 9 4 1 995 1 9 9 6 1 9 9 7 1 9 9 8 1 9 9 9 2 0 0 0 2 0 0 1 Obr. 3 Tržby (mil. Kč) e) Význam společnosti z národohospodářského hlediska Společnost se nachází v regionu severních Čech (Teplicko), kde je relativně velká nezaměstnanost. Pozitivně tak působí v regionu jako stabilní firma zaměstnávající zajímavý počet zaměstnanců. Její tržby za rok 2001 dosáhli bez mála 2 miliard a to není nijak špatný výsledek. 2. Napětí ve skle [4,5,9] V technologii skla se lze u výrobků setkat s napětím přechodným a trvalým. Obě napětí jsou výsledkem zahřívání, ochlazování a mechanického namáhání. Samotný název napětí vypovídá o jejich základní charakteristice. Přechodné napětí vymizí po odeznění tepelného rozdílu, kdežto trvalé zůstává za normálních teplot ve výrobku neustále. a) Přechodné napětí Napětí ve skle vzniká vlivem teplotního gradientu ve skleněném výrobku. Sklo je špatný tepelný vodič a proto je snadné dosáhnou velkých teplotních rozdílů v různých částech výrobku. Předpokládejme výrobek ve formě skleněné desky ohřáté na teplotu 400 o C. Desku budeme z jedné strany ochlazovat na teplotu 20 o C viz obr. 4. V desce se objeví vrstvy s rozdílnými teplotami. Protože i sklo má teplotní roztažnost (chladnější výrobek je nepatrně menší než výrobek zahřátý) budou i tyto vrstvy mít jinou objemovou velikost. Ochlazované vrstvy mají snahu se zmenšovat, ale protože při těchto teplotách je viskozita skla vysoká, je viskózní tok prakticky vyloučen a neumožňuje vzájemný pohyb vrstev po sobě. V desce proto vznikne napětí, a to tahové na ochlazovaném povrchu a tlakové na stále teplém povrchu. Jakmile se při pokračujícím ochlazování desky teploty mezi jejími vnitřními a vnějšími vrstvami vyrovnají, zanikne v celé desce vnitřní pnutí, které se nazývá přechodné. Toto napětí může být vyvoláno i mechanickým namáháním. Teplotní gradient 400 o C 390 o C 380 o C 370 o C 360 o C 350 o C Ochlazování Obr. 4 Řez ochlazovanou deskou a teplotní gradient Velikost tohoto přechodného napětí závisí zejména na teplotním gradientu, tj. na rychlosti ochlazování (nebo zahřívání) desky. V případě zahřívání spodní části desky skla bude mít vzniklé napětí opačný charakter. Pokud je rychlost teplotní změny příliš vysoká, může vlivem přechodného napětí dojít k překročení mechanické pevnosti a k porušení výrobku. Navíc rychlé ochlazování je pro sklo nebezpečnější proto, že v povrchové vrstvě vzniká tahové napětí, které může způsobit rozvoj povrchových trhlinek snáze než napětí tlakové. b) Trvalé napětí Předpokládejme nyní teplotu skleněné desky 700 O C, kterou stejně jako v předchozím případě budeme zespoda ochlazovat na teplotu 20 O C (viz obr. 5). Při této teplotě má sklo již takovou viskozitu, že je umožněn viskózní tok. To umožní různě teplým a tedy různě objemově velkým vrstvám vzájemný posun. 3
Jestliže se v důsledku ochlazování skleněné desky vytvoří teplotní gradient, napětí ve skleněné desce nevzniká, neboť toto napětí je okamžitě kompenzováno viskózním tokem vrstev skloviny. Jestliže rychlost ochlazování bude rovnoměrná, tj. vytvořený teplotní gradient bude konstantní, pak uvnitř desky nevznikne žádné napětí až do okamžiku, kdy spodek desky dosáhne teploty 20 0 C. Jakmile se začne vyrovnávat teplota desky (v tomto případě se bude horní vrstva postupně ochlazovat na teplotu spodní), začne se v desce vytvářet vnitřní napětí (naspodu tlakové, nahoře tahové), které se však nyní v důsledku vysoké viskozity skla nemůže vyrovnat deformací a zůstává ve výrobku jako pnutí trvalé. Teplotní gradient 700 o C 690 o C 680 o C 670 o C 660 o C 650 o C Ochlazování Obr. 5 Řez ochlazovanou deskou z 700 o C a teplotní gradient Ve vychladlé desce zůstane tedy trvalé vnitřní pnutí, které se rovná svojí velikostí tomu napětí, které se v průběhu ochlazování vykompenzovalo vnitřním viskózním tokem, ale má opačné znaménko (opačný charakter). Trvalé napětí může ve skle vzniknout pouze tehdy, jestliže se vytvořil teplotní gradient při takových teplotách, při kterých je možný vnitřní viskózní tok skloviny. Tento teplotní interval se nazývá chladicím intervalem. Chladicí interval je rozmezí teplot, ve kterém dochází k vyrovnání napětí viskózním tokem skloviny v technologicky přijatelné době, ale kdy ještě nedojde v průběhu této doby k samovolné deformaci výrobku. Všechna pnutí, která ve skle vznikají při teplotách ležících pod dolní hranicí chladicího intervalu jsou přechodného charakteru, tedy pnutí přechodná a trvají jen tak dlouho, dokud nedojde k vymizení teplotního gradientu. Mohou být ovšem vyvolána nejen změnou teploty, ale i mechanicky. 3. Výpočet chladícího postupu Chladicí postup (obr. 36 [1]) v je technologie tepelného zpracování výrobků, jehož účelem je dosáhnout toho, aby trvalé napětí ve výrobcích nepřesáhlo určitou předepsanou výši a výrobky tedy měly požadovanou pevnost. Princip chlazení výrobku je založen na vyhřátí výrobku na teplotu v chladícím intervalu (mezi dolní a horní chladící teplotou), výdrž na této teplotě, aby se teplota uvnitř výrobku vyrovnala. Po té řízené, relativně pomalé ochlazování na teplotu okolí až pod dolní chladící teplotu, kdy už není umožněn viskózní tok. Pak je možné výrobek ochlazovat rychleji, avšak s ohledem na únosnou míru přechodného napětí (více v [1]). Chladicí postup jakéhokoliv skleněného výrobku lze ve většině případů rozdělit do čtyř úseků. A. Vyhřívání na chladicí teplotu. B. Výdrž na chladicí teplotě. C. Ochlazování v chladicí oblasti. D. Dochlazování na teplotu 20 až 50 o C. A. Vyhřívání na chladicí teplotu V průběhu tvarování a přesunu do chladicí pece výrobek zpravidla zchladne a to v různých místech odlišně. Rozdílnou teplotu mohou mít i jednotlivé výrobky (např. láhve tvarované na vícesekčních řadových strojích). Proto je nutné výrobek vyhřát. Rychlost vyhřívání na chladicí teplotu se označuje h 2. Má být co nejvyšší; zpravidla se určuje z rychlosti ochlazování v chladicí oblasti h 1 pomocí vztahu: h 2 = 3h 1 až 5h 1 [K.min -1 ]. B. Výdrž na chladicí teplotě Tato prodleva je nutná k vyrovnání teplotních gradientů ve stěně výrobku a k odstranění vnitřního pnutí viskózním tokem. Výše chladicí teploty se volí obvykle v rozmezí 0 až 10 o C pod horní chladicí teplotou (odpovídá viskozitě η = 10 13 dpa.s). V případě, že není známa, zvolí se chladicí teplota v rozmezí 0 až 10 o C pod dilatometrickou transformační teplotou (viskozita η = 10 13,1 dpa.s). U běžných typů skleněných výrobků se volí doba výdrže na chladicí teplotě v rozmezí 5 až 20 minut. C. Ochlazování v chladicí oblasti Při ochlazování v chladicí oblasti vzniká ve skle teplotní gradient, který po vyrovnání teplot v chladném výrobku vyvolá trvalé napětí. Během ochlazování v chladicí oblasti nesmí proto dojít k vytvoření většího teplotního gradientu, než odpovídá maximálně přípustné hodnotě trvalého (zbytkového) napětí. Dolní hranice chladicí oblasti se volí podle typu pece 30 až 75 o C (moderní pece s vířivou atmosférou) nebo 100 až 150 o C (pece se stacionární atmosférou) pod teplotou výdrže. 4
Rychlost ochlazování v chladicí oblasti h 1 se vypočte ze vztahu 1 [. ] X h1 = 2 C. a. ξ ( x) K min, kde X je přípustný měrný dráhový rozdíl [nm.cm -1 ]; a je směrodatný rozměr výrobku [cm]; ξ (x) je bezrozměrná funkce, vyjadřující vliv tvaru a velikosti výrobku; C je chladicí modul skloviny [nm.s.cm -3.K -1 ]. U většiny výrobků se volí maximálně přípustný měrný dráhový rozdíl 100 nm.cm -1. Výpočet se provádí obvykle s rezervou pro X=50 nm.cm -1. Chladicí modul C se určuje experimentálně. Pokud není znám používá se střední hodnota C=3100 nm.s.cm - 3.K -1. Směrodatný rozměr charakterizuje tvar výrobku. Např. u oboustranně ochlazované desky tloušťky s je a=1/2s, u desky ochlazované z jedné strany a=s, kde s je síla desky. Hodnoty tvarové funkce jsou pro základní geometrické tvary tabelovány. ξ je tabelována a příklady jsou uvedeny v tab. 2. Tělesa plná Uvažované místo v tělese Hodnota funkce ξ(x) Oboustranně ochlazované deska povrch 0,0056 střed 0,0028 Jednostranně ochlazovaná deska chladnější povrch 0,0056 teplejší povrch 0,0028 Válec povrch - axiální napětí 0,0021 povrch tangenciální napětí 0,0021 povrch radiální napětí 0 střed axiální napětí 0,0021 střed tangenciální napětí 0,0010 střed radiální napětí 0,0010 Koule povrch tangenciální napětí 0,0011 povrch radiální napětí 0 střed tangenciální napětí 0,0011 střed radiální napětí 0,0011 Tab. 2 Hodnoty tvarové funkce ξ(x) pro plná tělesa D. Dochlazování na teplotu 20 až 50 o C Rychlost dochlazování se volí stejná jako při vyhřívání na chladicí teplotu (h 2 ). 4. Příklad výpočtu Navrhněte chladící postup pro oboustranně ochlazovanou desku síly 26 mm v peci se stacionární teplotou, při chlazení na T o =20 o C. Dále je dáno: Vstupní teplota výrobku T S =280 o C Horní chladící teplota T H =570 o C Přípustný měrný dráhový rozdíl X=50 nm.cm -1. Chladicí modul skloviny C=3100 nm.s.cm -3.K -1. Literatura [1] Avirunion, a.s.výroční zpráva 2001. Teplice, 2002. [2] Webová presentace firmy Avirunion, a.s.. http://www.avirunion.cz [3] SMRČEK A. Z našich závodů, České sklářství a keramika v roce 2000 výroční zpráva asociace. Sklář a keramik, 2001, roč. 51, č.10, s. 295-298. ISSN 0037-637X [4] KLEBSA V. Základy technologie skla pro hospodářskou fakultu. Liberec: Technická univerzita v Liberci, 2002. ISBN 80-7083-556-7 [5] KLEBSA V. Technologie skla a keramiky I. - Sklo. Liberec: VŠST, 1981. [6] Webová presentace firmy Vetropack Moravia Glass a.s., Kyjov http://www.vetropack.com [7] Webová presentace firmy AVIR S.p.A. http://www.avir.it/ [8] Webová presentace firmy Owens-Illinos. http://www.o-i.com/ [9] NOVOTNÝ, V. Vypracování chladícího postupu skleněných výrobků a kontrola jejich chlazení. Sklář a keramik, 1985, roč. 35, č.5, s. 106-110. ISSN 0037-637X 5