美國2020年前玻璃工業(yè)技術發(fā)展分析報告

美國玻璃工業(yè)分為容器玻璃、平板玻璃、玻璃纖維和特種玻璃等四大類,共有15萬個業(yè)主,年總產量超過2000萬噸,總產值約300億美元。
    容器玻璃,包括玻璃瓶、玻璃罐頭和其他容器,年產量約1000萬噸,占美國玻璃總產量的50%,現有3個制造商,占據了美國95%的容器玻璃市場。
    玻璃纖維,主要包括玻璃棉和連續(xù)玻璃紗,年產量約300萬噸,有10個生產商,運營40個工廠。
    特種玻璃產品多種多樣。有傳統(tǒng)產品,如照明、烹調用具、電視顯示屏等;有較新的產品,如光導纖維、光電材料、平面顯示屏和液晶顯示屏等。特種玻璃的年產量約200萬噸。生產商除少數幾個跨國公司外,絕大部分是小型的有經驗化企業(yè)。此部分的許多產品,在十年前還不存在,通常是靠科學研究產生新的想法而開發(fā)的,每條生產線的規(guī)模不大,但技術含量高、利潤大。
    平板玻璃年產量約500萬噸,占美國玻璃工業(yè)總產量的25%,其80%用于住宅、商用建筑和汽車玻璃,20%用于其他方面,如鏡子、家具和儀表等。美國現有6個玻璃原片制造商,運營30個工廠。這部分已日益大部分國家化,境外到美國的投入資金在增加,而美國到海外的投入資金也在增加。
    美國不僅是世界玻璃工業(yè)大國,也是強國,但在日益大部分國家化的市場中也面臨著一系列的挑戰(zhàn)。在上世紀末,美國為確保其玻璃工業(yè)在二十一世紀仍然能不斷地繁榮,以持續(xù)的競爭力走向未來,于1997年4月召開了美國玻璃工業(yè)技術發(fā)展研討會,有來自15家玻璃公司、國家實驗室、大學和研究籌備的42位代表參加,審議了130多項美國玻璃工業(yè)需要研究的近期、中期和長期課題,形成了美國玻璃工業(yè)技術發(fā)展指南(TECHNOLOGYROADMAP),指導美國玻璃工業(yè)的研究開發(fā)工作,接著又于1998年成立美國玻璃制造業(yè)協(xié)會   (THEGLASSMANUFACTURINGINDUSTRYCOUNCIL,簡稱GMIC),受美國能源部的協(xié)議委托,負責實施“指南”。美國玻璃制造業(yè)協(xié)會有兩類會員,一類是擁有熔窯的玻璃生產商,另一類是玻璃工業(yè)不可缺少的供應商、顧客、加工廠和研究單位,基本的核心成員是美國非常大的、較有威望的玻璃公司。美國玻璃制造業(yè)協(xié)會是玻璃工業(yè)、相關部門和研究單位之間在研究方面的紐帶,其使命是在技術、生產率和環(huán)保領域,推動和籌備相互之間的合作,安排有關的研究課題,提高美國玻璃工業(yè)的效益和促進美國玻璃工業(yè)的發(fā)展。在以往工作的基礎上,美國玻璃制造業(yè)協(xié)會于2002年6月發(fā)表了兩篇文章,從生產效率、能源效率、環(huán)境保護和創(chuàng)新戰(zhàn)略四個方面列出了需要研究開發(fā)的課題。
1.提高生產效率
    生產效率是個廣泛的概念,包括生產過程的方方面面,如能源的利用、玻璃質量、產量、原燃材料的消耗、生產中形成的廢物量、投入資金和成本等。美國玻璃工業(yè)2020年要達到的生產效率目標是:
---降低生產成本,與1995年相比,至少要降低20%,即每年降低0.7%左右
---堅持6Σ標準,完成某些過程的6Σ控制,使每百萬件產品的缺點不超過3.5個
---降低資本費用25%～50%
---提高營運效率25%
---單位資本投入資金的銷售額提高一倍
---保持產量不變的情況下,產品的光學質量提高50%
---排除所有玻璃表面擦傷源
---窯齡延長5年,或30
---通過工藝和設備創(chuàng)新,降低資本投入資金或提高生產能力35%
為達到上述目標,需從技術上解決下述問題:
(1)研究開發(fā)生產過程的智能控制系統(tǒng)
此系統(tǒng)分三步進行開發(fā)。靠前步建立能快速獲得結果的過程參數模型。第二步建立單獨的咨詢系統(tǒng),熔窯操作人員可以其咨詢意見進行人工調節(jié)。第三步建立模擬腦神經元網絡控制系統(tǒng)(NEURALNETWORKSYSTEMS)。此網絡控制系統(tǒng)能綜合和分析眾多的過程狀態(tài),自動調節(jié)各個參數,使生產過程趨向較佳化。此系統(tǒng)要能探測和診斷產品的質量,預報過程的需求和變化。
(2)研究開發(fā)先進的傳感器
    先進的傳感器是實現智能控制的物質基礎。智能控制需要可靠、耐久、敏感、準確、價格又便宜的傳感器。當出現飄移或故障時能夠顯示,并具有自校準能力,使檢驗和傳遞的過程信息準確可靠。此類傳感器應包括:溫度傳感器、能檢驗和分析熔窯氣氛中氣體的傳感器、能提供燃燒空間三維熱圖像剖面和檢驗熱流速率矢量的裝置、能現場就地測量玻璃液性質的傳感器等。
(3)改進工藝過程
改進工藝過程,貫穿于生產的全過程,包括配合料制備、熔化、成型、加工、退火和冷端。關鍵的研究開發(fā)包括:
---熱態(tài)檢驗產品質量,提高玻璃液均勻性和一致性的技術
---熔窯快速變料,生產不同玻璃成份和不同產品的技術
---優(yōu)化配料用的原料,除配合料�；头乐狗謱油�,確定原料較佳顆粒尺寸,并使原料具有較佳顆粒尺寸的制備方法
---為熔窯全氧燃燒,在現場生產低成本的純氧技術
---改進玻璃的冷卻過程,提高熱玻璃制品的淬冷效率
---改進加工和處理技術,提高產品品質和附加值,如鍍膜和表面處理技術
(4)研究開發(fā)高溫材料
研究開發(fā)能承受高溫和生產環(huán)境侵蝕,壽命在10年以上,不出故障的材料,包括攪拌器、窯內傳感器和攝像機罩。
    研究開發(fā)與熱態(tài)玻璃接觸的材料,如不使玻璃表面產生缺點的自潤滑的輥材。
創(chuàng)造一些新材料,替代昂貴的貨品,如噴槍、鼓泡器和攪拌機所用貨品的替代材料。
玻璃生產中回收余熱的材料,如換熱器和其他熱回收系統(tǒng)用的耐高溫、耐腐蝕的材料,以提高系統(tǒng)的熱效率。
(5)提升設計,降低生產裝置的運行成本和投入資金費用
此部分的研究開發(fā)應包括:
---優(yōu)化熔窯設計較佳化,包括較佳的熔窯尺寸和熔窯形狀,使熔窯熱傳遞和出料量非常大
---為玻璃熔化和澄清,開發(fā)和應用先進的計算機輔助工程設計
2.提高能源效率
    美國玻璃工業(yè)的能源中80%是天然氣,17%是電,3%是油和其他燃料。熔化每公斤玻璃液的能耗,整個玻璃工業(yè)為1008～3016大卡,其中平板玻璃為1134～2268大卡。1997年,美國各玻璃工廠購買能量的費用總計超過14億美元,約占直接生產成本的13%。面對境外玻璃生產廠商日益加劇的競爭,必須努力降低能耗,作為一體降低生產成本的一個組成部分。為此,要解決下述5個關鍵問題:
(1)研究開發(fā)綜合的熔窯計算機模型
    使用計算機模擬,可以促進設計出效率更高、壽命更長、質量更好的玻璃熔窯。目前的玻璃熔窯模擬只是局部的,還沒有整合成整個熔窯,模擬能力還不強,尚處幼年期。為確保模擬的正確性,需要研究開發(fā)燃燒空間和熔化部有效結合的模型。
為改進過程控制,需要開發(fā)實時動力學摸型。
(2)提高熱效率
為提高熱效率,降低熔化玻璃所需的能量,需:
---打破性地開發(fā)新的玻璃成份,使熔化所需的能量更低
---優(yōu)化原料,提高玻璃質量,降低能耗
---預熱配合料和碎玻璃
---改進燃燒技術,包括噴槍,使熔化處較佳狀態(tài)
---利用余熱,如使用原料預熱技術,或將余熱轉化為其他形式的能量
(3)研究開發(fā)新的玻璃制造工藝
新的玻璃制造工藝的標志應是大幅度地降低能耗,相當大地改變現有的玻璃生產技術。關鍵是研究開發(fā):
---非傳統(tǒng)的熔化技術,對現有生產技術提供巨大的發(fā)展
---非傳統(tǒng)的澄清技術,在保證玻璃液均勻一致的前提下,縮短澄清所需的時間
---系統(tǒng)總結全氧燃燒技術,并加以改進
(4)降低耐火材料侵蝕,延長窯齡
為此,需進行計算機模擬,研究耐火材料侵蝕機理;并借以研究確定減少耐火材料侵蝕的方案。
研究開發(fā)更抗侵蝕的耐火材料,延長窯齡,從而降低資本費用。
(5)建立玻璃熔化的試驗裝置
    該裝置為半工業(yè)試驗規(guī)模,允許玻璃生產商和供應商在該裝置上研究玻璃工業(yè)普遍遇到的技術問題,并用其預估玻璃新技術的競爭能力。
3.環(huán)境保護
    玻璃工業(yè)將面臨越來越嚴格的控制污染物排放的規(guī)定和更高的廢物處理費用,為了減少或防止排放污染物,需要:
(1)研究污染物形成的可靠機理,開發(fā)能準確預測排放物的模擬工具
(2)研究開發(fā)在生產過程中和過程后能準確檢驗污染物的低成本傳感器
(3)研究生產過程中控制參數的變化與污染物排放量的定量關系
(4)研究開發(fā)綜合的,能把工藝參數與污染物排放結合起來的過程控制模型,既使過程較佳化又使污染物排放量較少
(5)研究開發(fā)生產中產生廢物較少的技術
(6)研究開發(fā)生產中循環(huán)利用廢物的技術
(7)改進工藝,開發(fā)低污染物排放的鍍膜玻璃生產工藝
(8)選擇能替代有害原料的材料和工藝
(9)研究玻璃制品使用以后的更新利用技術
---碎玻璃的分類分揀技術,建立碎玻璃的反向配送系統(tǒng)
---研究高價值地利用碎玻璃,開發(fā)新的玻璃制品技術
(10)長期來說,開發(fā)純凈物排放的熔化技術是非常有益的
4.創(chuàng)新戰(zhàn)略
美國玻璃制造業(yè)協(xié)會認為,為了美國玻璃工業(yè)長期的成功,美國玻璃工業(yè)無疑要:
---發(fā)展現有的制造技術,創(chuàng)造新的產品
---開發(fā)成本更低的制造技術,進行有效競爭
---支持商業(yè)和技術研究,創(chuàng)造全新的玻璃制品,在還沒有使用過玻璃的領域中開辟新的市場
為了玻璃工業(yè)的生存和保持精力,必須支持以開發(fā)新的玻璃成份和新產品為目的的研究工作,增加對玻璃性質、玻璃結構、玻璃成份及它們之間相互關系的研究,以及表面相互作用的研究。
研究開發(fā)玻璃在太陽能、農業(yè)、環(huán)境、醫(yī)藥、生物等方面的應用,如太陽能光電轉換玻璃。
研究玻璃表面及其同各種環(huán)境、各種材料的相互作用。包括:
---開發(fā)成本較低、膜質較硬的、大面積快速鍍膜技術
---開發(fā)具有活性表面的玻璃組成
---開發(fā)具有惰性表面的玻璃組成,保持玻璃強度和耐久性,以及用作光譜轉換
---開發(fā)玻璃表面改性的技術在玻璃加工方面需要研究:
---改進高度玻璃的處理工藝和成份
---完善平面顯示器的加工技術
---改進玻璃熱鋼化工藝,降低熱處理時間和成本
---改進溶膠---凝膠處理方法,提高這種新型玻璃產品性能
---以新的概念,開發(fā)新的處理方法,使玻璃獲得更高的強度
研究項目分近期、中期和長期,3年以下為近期,3年到10年的為中期,10年以上為長期。美國玻璃制造業(yè)協(xié)會認為,應優(yōu)先研究近期和中期項目,如傳感器,熔窯和污染物排放的計算機模擬,配合料和碎玻璃的預熱,為玻璃工業(yè)提供有價值的知識和技術進步。當前,應優(yōu)先考慮改進熔化和澄清技術。新增生產能力和熔窯冷修應采用較新的技術成果。長期來說,玻璃工業(yè)已意識到熔化和澄清必須作更完全地改變,才能鞏固美國玻璃工業(yè)的競爭地位。然而,近20年內新建的熔窯還不太可能包括全新的熔化概念和裝置。在拓展現有市場和開辟新市場方面,需優(yōu)先研究表面的相互作用。把常規(guī)的和特殊的技術進步結合起來,將會縮短玻璃熔化和澄清時間,降低生產成本、能源消耗和資金投入資金,減少對環(huán)境的消較影響。