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研究分析：美國2020年前玻璃工業技術發展指南“巨無霸
來源： 作者：佚名 2004/4/27 11:11:00
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研究分析：美國2020年前玻璃工業技術發展指南“巨無霸”
美國玻璃工業分為容器玻璃、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。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的,每條生產線的規模不大,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。在上世紀末,美國為確保其玻璃工業在二十一世紀仍然能不斷地繁榮,以持續的競爭力走向未來,于1997年4月召開了美國玻璃工業技術發展研討會,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多項美國玻璃工業需要研究的近期、中期和長期課題,形成了美國玻璃工業技術發展指南(TECHNOLOGYROADMAP),指導美國玻璃工業的研究開發工作,接著又于1998年成立美國玻璃制造業協會(THEGLASSMANUFACTURINGINDUSTRYCOUNCIL,簡稱GMIC),受美國能源部的協議委托,負責實施“指南”。美國玻璃制造業協會有兩類會員,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。美國玻璃制造業協會是玻璃工業、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,提高美國玻璃工業的效益和促進美國玻璃工業的發展。在以往工作的基礎上,美國玻璃制造業協會于2002年6月發表了兩篇文章,從生產效率、能源效率、環境保護和創新戰略四個方面列出了需要研究開發的課題。
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)研究開發生產過程的智能控制系統
此系統分三步進行開發。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,熔窯操作人員可以其咨詢意見進行人工調節。第三步建立模擬腦神經元網絡控制系統(NEURALNETWORKSYSTEMS)。此網絡控制系統能綜合和分析眾多的過程狀態,自動調節各個參數,使生產過程趨向較佳化。此系統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。關鍵的研究開發包括:
---熱態檢驗產品質量,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
---優化配料用的原料,除配合料粒化和防止分層外,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)研究開發高溫材料
研究開發能承受高溫和生產環境侵蝕,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。
研究開發與熱態玻璃接觸的材料,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用的耐高溫、耐腐蝕的材料,以提高系統的熱效率。
(5)提升設計,降低生產裝置的運行成本和投入資金費用
此部分的研究開發應包括:
---優化熔窯設計較佳化,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:
---打破性地開發新的玻璃成份,使熔化所需的能量更低
---優化原料,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
---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:
---非傳統的熔化技術,對現有生產技術提供巨大的發展
---非傳統的澄清技術,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
該裝置為半工業試驗規模,允許玻璃生產商和供應商在該裝置上研究玻璃工業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.環境保護
玻璃工業將面臨越來越嚴格的控制污染物排放的規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,開發能準確預測排放物的模擬工具
(2)研究開發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)研究開發生產中產生廢物較少的技術
(6)研究開發生產中循環利用廢物的技術
(7)改進工藝,開發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
---研究高價值地利用碎玻璃,開發新的玻璃制品技術
(10)長期來說,開發純凈物排放的熔化技術是非常有益的
4.創新戰略
美國玻璃制造業協會認為,為了美國玻璃工業長期的成功,美國玻璃工業無疑要:
---發展現有的制造技術,創造新的產品
---開發成本更低的制造技術,進行有效競爭
---支持商業和技術研究,創造全新的玻璃制品,在還沒有使用過玻璃的領域中開辟新的市場
為了玻璃工業的生存和保持精力,必須支持以開發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。
研究開發玻璃在太陽能、農業、環境、醫藥、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境、各種材料的相互作用。包括:
---開發成本較低、膜質較硬的、大面積快速鍍膜技術
---開發具有活性表面的玻璃組成
---開發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。美國玻璃制造業協會認為,應優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,為玻璃工業提供有價值的知識和技術進步。當前,應優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,需優先研究表面的相互作用。把常規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,減少對環境的消較影響。
美國玻璃工業分為容器玻璃、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。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的,每條生產線的規模不大,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。在上世紀末,美國為確保其玻璃工業在二十一世紀仍然能不斷地繁榮,以持續的競爭力走向未來,于1997年4月召開了美國玻璃工業技術發展研討會,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多項美國玻璃工業需要研究的近期、中期和長期課題,形成了美國玻璃工業技術發展指南(TECHNOLOGYROADMAP),指導美國玻璃工業的研究開發工作,接著又于1998年成立美國玻璃制造業協會(THEGLASSMANUFACTURINGINDUSTRYCOUNCIL,簡稱GMIC),受美國能源部的協議委托,負責實施“指南”。美國玻璃制造業協會有兩類會員,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。美國玻璃制造業協會是玻璃工業、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,提高美國玻璃工業的效益和促進美國玻璃工業的發展。在以往工作的基礎上,美國玻璃制造業協會于2002年6月發表了兩篇文章,從生產效率、能源效率、環境保護和創新戰略四個方面列出了需要研究開發的課題。
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)研究開發生產過程的智能控制系統
此系統分三步進行開發。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,熔窯操作人員可以其咨詢意見進行人工調節。第三步建立模擬腦神經元網絡控制系統(NEURALNETWORKSYSTEMS)。此網絡控制系統能綜合和分析眾多的過程狀態,自動調節各個參數,使生產過程趨向較佳化。此系統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。關鍵的研究開發包括:
---熱態檢驗產品質量,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
---優化配料用的原料,除配合料粒化和防止分層外,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)研究開發高溫材料
研究開發能承受高溫和生產環境侵蝕,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。
研究開發與熱態玻璃接觸的材料,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用的耐高溫、耐腐蝕的材料,以提高系統的熱效率。
(5)提升設計,降低生產裝置的運行成本和投入資金費用
此部分的研究開發應包括:
---優化熔窯設計較佳化,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:
---打破性地開發新的玻璃成份,使熔化所需的能量更低
---優化原料,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
---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:
---非傳統的熔化技術,對現有生產技術提供巨大的發展
---非傳統的澄清技術,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
該裝置為半工業試驗規模,允許玻璃生產商和供應商在該裝置上研究玻璃工業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.環境保護
玻璃工業將面臨越來越嚴格的控制污染物排放的規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,開發能準確預測排放物的模擬工具
(2)研究開發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)研究開發生產中產生廢物較少的技術
(6)研究開發生產中循環利用廢物的技術
(7)改進工藝,開發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
---研究高價值地利用碎玻璃,開發新的玻璃制品技術
(10)長期來說,開發純凈物排放的熔化技術是非常有益的
4.創新戰略
美國玻璃制造業協會認為,為了美國玻璃工業長期的成功,美國玻璃工業無疑要:
---發展現有的制造技術,創造新的產品
---開發成本更低的制造技術,進行有效競爭
---支持商業和技術研究,創造全新的玻璃制品,在還沒有使用過玻璃的領域中開辟新的市場
為了玻璃工業的生存和保持精力,必須支持以開發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。
研究開發玻璃在太陽能、農業、環境、醫藥、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境、各種材料的相互作用。包括:
---開發成本較低、膜質較硬的、大面積快速鍍膜技術
---開發具有活性表面的玻璃組成
---開發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。美國玻璃制造業協會認為,應優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,為玻璃工業提供有價值的知識和技術進步。當前,應優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,需優先研究表面的相互作用。把常規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,減少對環境的消較影響。
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