美国2020年前玻璃工业技术发展分析报告

    美国玻璃工业分为容器玻璃、平板玻璃、玻璃纤维和特种玻璃等四大类,共有15万个业主,年总产量超过2000万吨,总产值约300亿美元。    容器玻璃,包括玻璃瓶、玻璃罐头和其他容器,年产量约1000万吨,占美国玻璃总产量的50%,现有3个制造商,占据了美国95%的容器玻璃市场。{TodayHot}    玻璃纤维,主要包括玻璃棉和连续玻璃纱,年产量约300万吨,有10个生产商,运营40个工厂。    特种玻璃产品多种多样。有传统产品,如照明、烹调用具、电视显示屏等;有较新的产品,如光导纤维、光电材料、平面显示屏和液晶显示屏等。特种玻璃的年产量约200万吨。生产商除少数几个跨国公司外,绝大部分是小型的专业化企业。此部分的许多产品,在十年前还不存在,通常是靠科学研究产生新的想法而开发的,每条生产线的规模不大,但技术含量高、利润大。    平板玻璃年产量约500万吨,占美国玻璃工业总产量的25%,其80%用于住宅、商用建筑和汽车玻璃,20%用于其他方面,如镜子、家具和仪表等。美国现有6个玻璃原片制造商,运营30个工厂。这部分已日益全球化,境外到美国的投资在增加,而美国到海外的投资也在增加。    美国不仅是世界玻璃工业大国,也是强国,但在日益全球化的市场中也面临着一系列的挑战。在上世纪末,美国为确保其玻璃工业在{HotTag}二十一世纪仍然能不断地繁荣,以持续的竞争力走向未来,于1997年4月召开了美国玻璃工业技术发展研讨会,有来自15家玻璃公司、国家实验室、大学和研究组织的42位代表参加,审议了130多项美国玻璃工业需要研究的近期、中期和长期课题,形成了美国玻璃工业技术发展指南(TECHNOLOGYROADMAP),指导美国玻璃工业的研究开发工作,接着又于1998年成立美国玻璃制造业协会   (THEGLASSMANUFACTURINGINDUSTRYCOUNCIL,简称GMIC),受美国能源部的协议委托,负责实施“指南”。美国玻璃制造业协会有两类会员,一类是拥有熔窑的玻璃生产商,另一类是玻璃工业不可缺少的供应商、顾客、加工厂和研究单位,基本的核心成员是美国最大的、最有威望的玻璃公司。美国玻璃制造业协会是玻璃工业、政府和研究单位之间在研究方面的纽带,其使命是在技术、生产率和环保领域,推动和组织相互之间的合作,安排有关的研究课题,提高美国玻璃工业的效益和促进美国玻璃工业的发展。在以往工作的基础上,美国玻璃制造业协会于2002年6月发表了两篇文章,从生产效率、能源效率、环境保护和创新战略四个方面列出了需要研究开发的课题。1.提高生产效率    生产效率是个广泛的概念,包括生产过程的方方面面,如能源的利用、玻璃质量、产量、原燃材料的消耗、生产中形成的废物量、投资和成本等。美国玻璃工业2020年要达到的生产效率目标是:---降低生产成本,与1995年相比,至少要降低20%,即每年降低0.7%左右---坚持6Σ标准,完成某些过程的6Σ控制,使每百万件产品的缺陷不超过3.5个---降低资本费用25%～50%---提高营运效率25%---单位资本投资的销售额提高一倍---保持产量不变的情况下,产品的光学质量提高50%---排除所有玻璃表面擦伤源---窑龄延长5年,或30---通过工艺和设备创新,降低资本投资或提高生产能力35%为达到上述目标,需从技术上解决下述问题:(1)研究开发生产过程的智能控制系统此系统分三步进行开发。第一步建立能快速获得结果的过程参数模型。第二步建立独立的咨询系统,熔窑操作人员可以其咨询意见进行人工调节。第三步建立模拟脑神经元网络控制系统(NEURALNETWORKSYSTEMS)。此网络控制系统能综合和分析众多的过程状态,自动调节各个参数,使生产过程趋向最佳化。此系统要能探测和诊断产品的质量,预报过程的需求和变化。(2)研究开发先进的传感器    先进的传感器是实现智能控制的物质基础。智能控制需要可靠、耐久、敏感、精确、价格又便宜的传感器。当出现飘移或故障时能够显示,并具有自校准能力,使检测和传递的过程信息准确可靠。此类传感器应包括:温度传感器、能检测和分析熔窑气氛中气体的传感器、能提供燃烧空间三维热图像剖面和检测热流速率矢量的装置、能现场就地测量玻璃液性质的传感器等。(3)改进工艺过程改进工艺过程,贯穿于生产的全过程,包括配合料制备、熔化、成型、加工、退火和冷端。关键的研究开发包括:---热态检测产品质量,提高玻璃液均匀性和一致性的技术---熔窑快速变料,生产不同玻璃成份和不同产品的技术---优化配料用的原料,除配合料粒化和防止分层外,确定原料最佳颗粒尺寸,并使原料具有最佳颗粒尺寸的制备方法---为熔窑全氧燃烧,在现场生产低成本的纯氧技术---改进玻璃的冷却过程,提高热玻璃制品的淬冷效率---改进加工和处理技术,提高产品品质和附加值,如镀膜和表面处理技术(4)研究开发高温材料研究开发能承受高温和生产环境侵蚀,寿命在10年以上,不出故障的材料,包括搅拌器、窑内传感器和摄像机罩。    研究开发与热态玻璃接触的材料,如不使玻璃表面产生缺陷的自润滑的辊材。创造一些新材料,替代昂贵的贵金属,如喷枪、鼓泡器和搅拌机所用贵金属的替代材料。玻璃生产中回收余热的材料,如换热器和其他热回收系统用的耐高温、耐腐蚀的材料,以提高系统的热效率。(5)提升设计,降低生产装置的运行成本和投资费用此部分的研究开发应包括:---优化熔窑设计最佳化,包括最佳的熔窑尺寸和熔窑形状,使熔窑热传递和出料量最大---为玻璃熔化和澄清,开发和应用先进的计算机辅助工程设计2.提高能源效率    美国玻璃工业的能源中80%是天然气,17%是电,3%是油和其他燃料。熔化每公斤玻璃液的能耗,整个玻璃工业为1008～3016大卡,其中平板玻璃为1134～2268大卡。1997年,美国各玻璃工厂购买能量的费用总计超过14亿美元,约占直接生产成本的13%。面对境外玻璃生产厂商日益加剧的竞争,必须努力降低能耗,作为全面降低生产成本的一个组成部分。为此,要解决下述5个关键问题:(1)研究开发综合的熔窑计算机模型    使用计算机模拟,可以促进设计出效率更高、寿命更长、质量更好的玻璃熔窑。目前的玻璃熔窑模拟只是局部的,还没有整合成整个熔窑,模拟能力还不强,尚处幼年期。为确保模拟的正确性,需要研究开发燃烧空间和熔化部有效结合的模型。为改进过程控制,需要开发实时动力学摸型。(2)提高热效率为提高热效率,降低熔化玻璃所需的能量,需:---突破性地开发新的玻璃成份,使熔化所需的能量更低---优化原料,提高玻璃质量,降低能耗---预热配合料和碎玻璃---改进燃烧技术,包括喷枪,使熔化处最佳状态---利用余热,如使用原料预热技术,或将余热转化为其他形式的能量(3)研究开发新的玻璃制造工艺新的玻璃制造工艺的标志应是大幅度地降低能耗,相当大地改变现有的玻璃生产技术。关键是研究开发:---非传统的熔化技术,对现有生产技术提供巨大的发展---非传统的澄清技术,在保证玻璃液均匀一致的前提下,缩短澄清所需的时间---系统总结全氧燃烧技术,并加以改进(4)降低耐火材料侵蚀,延长窑龄为此,需进行计算机模拟,研究耐火材料侵蚀机理;并借以研究确定减少耐火材料侵蚀的方案。研究开发更抗侵蚀的耐火材料,延长窑龄,从而降低资本费用。(5)建立玻璃熔化的试验装置    该装置为半工业试验规模,允许玻璃生产商和供应商在该装置上研究玻璃工业普遍遇到的技术问题,并用其预估玻璃新技术的竞争能力。3.环境保护    玻璃工业将面临越来越严格的控制污染物排放的规定和更高的废物处理费用,为了减少或防止排放污染物,需要:(1)研究污染物形成的可靠机理,开发能精确预测排放物的模拟工具(2)研究开发在生产过程中和过程后能精确检测污染物的低成本传感器(3)研究生产过程中控制参数的变化与污染物排放量的定量关系(4)研究开发综合的,能把工艺参数与污染物排放结合起来的过程控制模型,既使过程最佳化又使污染物排放量最少(5)研究开发生产中产生废物最少的技术(6)研究开发生产中循环利用废物的技术(7)改进工艺,开发低污染物排放的镀膜玻璃生产工艺(8)选择能替代有害原料的材料和工艺(9)研究玻璃制品使用以后的再生利用技术---碎玻璃的分类分拣技术,建立碎玻璃的反向配送系统---研究高价值地利用碎玻璃,开发新的玻璃制品技术(10)长期来说,开发无污染物排放的熔化技术是非常有益的4.创新战略美国玻璃制造业协会认为,为了美国玻璃工业长期的成功,美国玻璃工业无疑要:---发展现有的制造技术,创造新的产品---开发成本更低的制造技术,进行有效竞争---支持商业和技术研究,创造全新的玻璃制品,在还没有使用过玻璃的领域中开辟新的市场为了玻璃工业的生存和保持活力,必须支持以开发新的玻璃成份和新产品为目的的研究工作,增加对玻璃性质、玻璃结构、玻璃成份及它们之间相互关系的研究,以及表面相互作用的研究。研究开发玻璃在太阳能、农业、环境、医药、生物等方面的应用,如太阳能光电转换玻璃。研究玻璃表面及其同各种环境、各种材料的相互作用。包括:---开发成本较低、膜质较硬的、大面积快速镀膜技术---开发具有活性表面的玻璃组成---开发具有惰性表面的玻璃组成,保持玻璃强度和耐久性,以及用作光谱转换---开发玻璃表面改性的技术在玻璃加工方面需要研究:---改进高强玻璃的处理工艺和成份---完善平面显示器的加工技术---改进玻璃热钢化工艺,降低热处理时间和成本---改进溶胶---凝胶处理方法,提高这种新型玻璃产品性能---以新的概念,开发新的处理方法,使玻璃获得更高的强度研究项目分近期、中期和长期,3年以下为近期,3年到10年的为中期,10年以上为长期。美国玻璃制造业协会认为,应优先研究近期和中期项目,如传感器,熔窑和污染物排放的计算机模拟,配合料和碎玻璃的预热,为玻璃工业提供有价值的知识和技术进步。当前,应优先考虑改进熔化和澄清技术。新增生产能力和熔窑冷修应采用最新的技术成果。长期来说,玻璃工业已意识到熔化和澄清必须作更彻底地改变,才能巩固美国玻璃工业的竞争地位。然而,近20年内新建的熔窑还不太可能包括全新的熔化概念和装置。在拓展现有市场和开辟新市场方面,需优先研究表面的相互作用。把常规的和特殊的技术进步结合起来,将会缩短玻璃熔化和澄清时间,降低生产成本、能源消耗和资金投资,减少对环境的消极影响。

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