Technologie skla 2002/03
Hospodářská fakulta
CVIČENÍ 2 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Ekonomické ukazatele sklářského průmyslu [1, 2, 3] Vysvětlení pojmu skla [4] Charakteristika „pevnosti“struktury křemičitých skel (Stevelsovy parametry) [4, 5] Výpočet parametrů z molárního složení skla [4, 5] Význam parametru Y [4, 5] Výpočet parametru Y z hmotnostních a molárních % [4, 5]
1. Ekonomické ukazatele sklářského průmyslu k roku 2001 Přesto že převážná část sklářských výrobků směřuje na export, využívá sklářský průmysl z velké části surovinové základny v Čechách, tedy převážná část surovin (především písek, soda, vápenec) se těží v tuzemsku. Z toho pramení i náchylnost tohoto odvětví na posilování koruny neboť to není dostatečně vyrovnáváno příznivějším dovozem surovin či polotovarů. Vliv silné koruny se projevil výrazně v roce 2001, kde nastal s ohledem na silnou konkurenci doslova boj o přežití. V podobném trendu pokračoval vývoj i v první polovině roku 2002, kdy došlo k zavírání některých menších provozů, malých firem a omezování výroby. V druhé polovině došlo k mírnému zlepšení, především zvýšením efektivity výroby a v některých závodech se rozjely některé uzavřené linky. Negativní vliv na sklářský průmysl by také mělo případné zdražování elektrické energie a zemního plynu, neboť výroba skla je značně energeticky náročná (tavení a chlazení se provádí v pecích vytápěných zemním plynem, elektrickou energií nebo kombinací). Přes tyto obtíže, ale sklářský průmysl jako celek neustále roste. a. Vývoj českého sklářství za posledních 11 let V období přechodu na tržní hospodářství neprodělalo sklářství pokles, jako jiné odvětví. Sklářským podnikům se podařilo zřetelně zvýšit kapacity, vývoz a potvrdilo tak pozici významného exportéra. V době transformace významná část podniků přešla do rukou schopných zahraničních vlastníků (Glaverbel Czech SkloUniun, Avirunion – SkloUnion, Splintex Czech – Thorax, Vertex…), ale i nezanedbatelný podíl byl privatizován tzv. českou cestou (Preciosa, Crystalex, Sklo Bohemia, …) Obr. 1 a tab. 1 ukazuje vývoj produkce skla v tisíci tunách. Průměrný růst produkce o 5,5 % mezi proti roku 2000 odpovídá dobré konjunktuře i přes posilující korunu. Pravděpodobně jen mírný růst byl i v roce 2002, ale v dalších letech pravděpodobně bude stále docházet ke stagnaci či jen mírnému růstu z důvodu naplnění kapacit (ploché sklo), stagnaci evropských trhů a velké levné konkurenci přicházející z Asie (užitkové sklo). Významný propad v objemu produkce postihl v roce 2001 perspektivní výrobu skleněných vláken, která pravděpodobně doplatila na silný kurz české měny. 1995 295
1996 340
1997 422
1998 435
1999 445
Ploché a stavební sklo Ploché a stav. Sklo včetně zušlechtění Obalové sklo 403 372 393 385 379 Ostatní sklo 53 52 39 61 75 Skleněná vlákna 21 31 37 51 65 Užitkové a osvětlovací sklo 60 80 79 80 78 Sklo celkem 832 875 970 1012 1042 Tab. 1: Produkce skla v hmotnostních jednotkách (tis. tun)
2000 450 1066 416 85 75 85 1727
Index 2001 01/00(%) 0.0 1169 109.7 419 100.7 75 88.2 67 89.3 92 108.2 1822 105.5
2000 1800
P l o c h é a s t a ve b n í s k lo
1600
P l o c h é a s t a v. S k l o vč e t n ě z u š le c h t ě n í O b a l o vé s k l o
množství [tis. tun]
1400 1200 1000
O s t a t n í s k lo
800
s k l e n ě n á vl á k n a
600 400
U ž i t k o vé a o s vě t l o va c í s k l o
200
S k lo c e lk e m
0 1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
rok
Obr. 1: Produkce skla v hmotnostních jednotkách (tis. tun) 1
Technologie skla 2002/03
Hospodářská fakulta
1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 Průmyslové sklo 5.83 6.60 6.61 7.43 8.68 9.37 11.57 13.98 a. Ploché a stavební sklo 6.47 8.02 10.74 b. Obalové sklo 2.90 3.55 3.24 Ostatní sklo a skleněná vlákna 3.14 3.18 2.66 2.96 3.89 4.61 5.58 8.58 Užitkové a osvětlovací sklo 5.81 5.67 4.95 5.30 6.67 6.29 7.06 7.34 Sklo celkem 14.78 15.45 14.22 15.69 19.24 20.27 24.21 29.90 Tab. 2: Tržby za prodej vlastních výrobků (mld. Kč)
1999 16.51 13.10 3.41 10.27 7.80 34.58
2000 19.31 15.63 3.68 14.71 8.21 42.23
Index 2001 01/00(%) 20.17 104.5 16.71 106.9 3.46 94.0 14.87 101.1 8.92 108.6 43.96 104.1
5 0 .0 0 4 5 .0 0
P r ů m y s l o vé s k l o
tržby [mld. Kč]
4 0 .0 0 3 5 .0 0
a . P lo c h é a s t a ve b n í s k l o
3 0 .0 0
b . O b a l o vé s k l o
2 5 .0 0
O s t a t n í s k lo a s k l e n ě n á vl á k n a
2 0 .0 0 1 5 .0 0
U ž i t k o vé a o s vě t l o va c í s k l o
1 0 .0 0
S k lo c e lk e m
5 .0 0 0 .0 0 1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
rok
Obr. 2: Tržby za prodej vlastních výrobků (mld. Kč) Tržby za 11 let jsou uvedeny v tab. 2 a na obr. 2. Je zřejmé snížení tempa růstu tržeb všech skupin (u skupiny obalové sklo dokonce pokles o 6%), které se projevilo v celkovém snížení meziročních růstů tržeb. (V agregaci ostatního skla a vláken je také obsažena pro české sklářství významná produkce, kterou je bižuterní výroba polotovarů, která se postupně stala v této skupině dominantní.) Přes snížení tempa růstu tržeb lze očekávat i nadále v následujících letech celkově vyšší růst tržeb než výroby. Růst tržeb se dá očekávat především u plochého a stavebního skla, kde tento růst bude způsoben vyšší přidanou hodnotou na výrobek a zaváděním nového zpracování plochých skel, neboť kapacity jsou již plně vytíženy. Předpokládat se dá i růst tržeb u ostatního skla a skleněných vláken, kde je zahrnuta i bižuterní výroba. Ta spolu s výrobou vláken může zvyšovat kapacity a přidanou hodnotu. Stagnace a možná i pokles je pravděpodobný ve výrobě obalového skla kde je vysoká světová konkurence. Stále nejasný je vývoj užitkového a osvětlovacího skla, ale vývoj za rok 2001 budí mírný optimizmus. Sklářství je z historického hlediska exportním odvětvím a trvalý růst vývozu skla za posledních 11 let to potvrzuje (obr.3 a tab. 3). Největší vzestup je za rok 2000 (28,7%), ale v roce 2001 je to již jen 10,7%. Porovnáním tržeb a vývozu je patrné, že s výjimkou plochého a obalového skla je podíl domácího odbytu nevýznamný. Index 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 01/00(%) Průmyslové sklo 2.64 3.01 4.25 4.56 5.18 5.36 6.14 7.28 8.96 10.84 12.04 111.1 a. Ploché a stavební sklo 4.31 4.87 5.72 7.34 8.77 10.17 116.0 b. Obalové sklo 1.06 1.27 1.58 1.63 2.07 1.87 90.5 Ostatní sklo a skleněná vlákna 0.71 0.89 1.21 1.54 2.52 2.96 3.92 6.22 9.67 14.06 15.99 113.7 Užitkové a osvětlovací sklo 3.16 4.95 5.40 6.27 6.16 6.99 7.89 8.81 8.27 9.73 10.29 105.8 Sklo celkem 6.51 8.86 10.86 12.38 13.85 15.32 17.95 22.30 26.90 34.63 38.33 110.7 Tab. 3: Vývoz (mld. Kč) Dovoz skla byl do roku 1991 zanedbatelný, ale s postupem času nabírá na významu. Za rok 2001 bylo dovezeno za 12 mld. Kč skla. Vzestup dovozu má stále vyšší dynamiku, než vzestup vývozu a v roce 2001 dynamika dovozu (39,7%) překonala dynamiku vývozu (10,7%). Přesto české sklářství dosáhlo v roce 2001 kladného salda ve výši 27,73 mld. Kč, to je ale o 1,4 mld. nižší saldo než v roce 2000. Vývoj počtu zaměstnanců se do roku 1999 celkově snižoval, ale v roce 2000 mírně vzrostl a v roce 2001 se prakticky nezměnila. V průměru v roce 2001 pracovalo ve sklářském průmyslu 32 565 zaměstnanců. Produktivita práce (tržby na jednoho zaměstnance) od roku 1991 trvale rostla do roku 2000. V roce 2001 produktivita jen mírně rostla a dosáhla celkově ve sklářství 1 354 tis. Kč/prac. Nejvyšší pak byla ve výrobě 2
Technologie skla 2002/03
Hospodářská fakulta
plochého a stavebního skla 3838 tis. Kč/prac. Nejnižší v užitkovém a osvětlovacím skle 611 tis. Kč/prac., kde je vcelku stále velký podíl ruční práce. 4 5 .0 0
P rů m y s lo vé s k lo
4 0 .0 0
tržby [mld. Kč]
3 5 .0 0
a . P lo c h é a s t a ve b n í s k lo
3 0 .0 0
b . O b a lo vé s k lo
2 5 .0 0
O s t a t n í s k lo a s k le n ě n á vlá k n a
2 0 .0 0 1 5 .0 0
U ž it k o vé a o s vě t lo va c í s k lo
1 0 .0 0
S k lo c e lk e m
5 .0 0
1 20 0
0 20 0
19 9
9
8 19 9
7 19 9
5
6 19 9
19 9
4 19 9
3 19 9
2 19 9
19 9
1
0 .0 0
rok
Obr. 3: Vývoz (v mld. Kč) Celkově bylo mezi lety 1994 až 2001 proinvestováno 27,7 mld. Kč, tedy průměrně 3,5 mdl. Kč za rok. Za těchto 8 let bylo nejvíce proinvestováno ve výrobě plochého a stavebního skla (9,4 mld. Kč) relativně nejméně (4,1 mld. Kč) bylo proinvestováno do obalového skla. Relativní podíl jednotlivých sklářských oborů v roce 2001 je v tab. 4 a průměrná měsíční mzda v Kč v jednotlivých oborech je uvedena tab. 5. Průměrná hrubá nominální mzda činila v roce 2001 14 635 Kč. Utavená Počet Ivestice sklovina zaměstnanců Tržby Export Saldo 1994-2001 Agregace a. Ploché a stavební sklo 64.2 13.4 38.0 26.5 19.8 33.9 b. Obalové sklo 23.0 5.4 7.9 4.9 4.3 14.8 Ostatní sklo a skleněná vlákna 7.8 36.2 33.8 41.7 42.7 29.3 Užitkové a osvětlovací sklo 5.0 45.0 20.3 26.9 33.2 22.0 Sklo celkem 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 Tab. 4: Relativní podíl jednotlivých sklářských oborů v roce 2001, údaje v % 2001 Agregace Ploché a stavební sklo 19 275 Obalové sklo 16 259 Ostatní sklo a skleněná vlákna 14 256 Užitkové a osvětlovací sklo 12 254 Sklo celkem 15 511 Tab. 5: Průměrná měsíční mzda v Kč Vše tedy svědčí o tom, že sklářský průmysl od roku 1994 má konjunkturu, je významným exportérem a dynamicky se rozvíjejícím průmyslovým odvětvím. b. Porovnání sklářského průmyslu s jinými odvětvími průmyslu v roce 2000 Oproti jiným odvětvím české sklářství za posledních 10 let vykazovalo jako celek růst. Je jedním z nejdynamičtěji se rozvíjejících průmyslových odvětví. Porovnáme-li však podíl skla a keramiky (segment udávaný ve statistikách) na tržbách v roce 2000 (Obr.4), pak patří tento segment nadále k nejmenším. Podobná situace jako v tržbách je i ve vývozu, kde v roce 2000 dominovaly 4 segmenty a to průmysl automobilový, elektrotechnický, hutní a strojírenský s podílem 61,6 %. Průmysl skla a keramiky zachoval svůj podíl 4,2% (obr. 5). Agregace skla a keramiky udržuje přední postavení po automobilovém průmyslu ve struktuře kladné obchodní bilance (obr.6).
3
Technologie skla 2002/03
Hospodářská fakulta d řevoz p ra c u jíc í os ta tn í jin de p rům y s l n e z ah rn u tý 2 .6% 4.1 %
p otra vin ářs k ý 14 .3 % k ož e d ěln ý 0.5 % p a píre n s k ý 5 .6 %
a u tom o b ilo vý p rům y s l 1 4.0 %
z pra c o vá ní ro p y 3 .8 % c h e m ic k ý a fa rm a c e u tic k ý 6 .7 %
h utn ic tví 1 5 .2%
z p ra c ován í p la s tů a gu m y 4 .7%
s ta ve b n íc h h m o t 2.8 % s k la a k e ra m ik y 3.1 %
te x tiln í 4 .5 %
ele k trote c hn ic k ý 1 0.4 %
s tro jíren s k ý 7 .8 %
Obr. 4: Struktura tržeb zpracovatelského průmyslu ČR z průmyslové činnosti v roce 2000 os tatní jinde nez ahrnutý dřevoz prac ujíc í 4.3% prům y s l 2.1%
potravinářs k ý 3.3%
k ož edělný papírens k ý 0.8% 3.5% z prac ování ropy 1.4% c hem ic k ý a farm ac eutic k ý 6.9% z prac ování plas tů a gum y 4.8%
autom obilový prům y s l 18.2%
hutnic tví 13.7% s tavebníc h hm ot 1.3% s k la a k eram ik y 4.2%
s trojírens k ý 11.9% elek trotec hnic k ý 17.3%
tex tilní 6.5%
Obr. 5: Struktura vývozu zpracovatelského průmyslu v roce 2000 textilní 7.4%
ostatní jinde nezahrnutý 13.2%
skla a keramiky 18.7%
dřevozpracující průmysl 7.6%
stavebních hmot 3.3% hutnictví 4.7% automobilový průmysl 1% Obr. 6:45Struktura kladné obchodní bilance ve zpracovatelském průmyslu v roce 2000
4
Technologie skla 2002/03
Hospodářská fakulta
c. České sklářství ve vztahu k Evropské Unii Na evropské produkci skla (EU a turecko) se ČR v roce 2000 podílela takto: Ploché sklo 6,0% Obalové sklo 2,4% Užitkové sklo 7,9% Vlákna izolační i textilní 5,0% Ostatní sklo 6,4% Celkem 3,8 Česká republika je také významným obchodním partnerem EU v obchodu se sklářskými produkty. Na vývozu do EU se ze zemí střední a východní Evropy podílela nejvíce a to 34,8%. Na dovozu z EU jsme se podíleli 20,8% (druzí za Polskem s podílem 32,7%). Vstup České republiky do Evropské Unie by v oboru skla měl proběhnout bez větších problémů, protože tuzemský trh se sledovaným i výrobky je již dnes zcela otevřen. Problém by neměl být ani s harmonizací legislativy, kde již změny byly provedeny s předstihem. Problémy lze očekávat v oblasti cen práce. 2. Vysvětlení pojmu skla Pevné látky mohou být krystalické, ale třeba i ve skelném stavu – běžně označujeme jako skla. Tyto látky jsou mechanicky pevné a proto jsou často srovnávány s látkami krystalickými. Vnitřní struktura skel není (oproti krystalické struktuře) pravidelná. Pravidelnost je možné vypozorovat na nižších úrovních struktury ve formě 4jednoduchých koordinačních útvarů – strukturních elementů (v případě skla křemičitého tetraedů [SiO4] ), které se mohou vyskytovat izolovaně nebo ve shlucích s větší nebo menší pravidelností. Mluvíme o uspořádání na malou vzdálenost. U krystalických látek o uspořádání na velkou vzdálenost. Sklo není přechlazenou kapalinou. Vyznačuje se tzv. transformačním intervalem nebo také interval zeskelnění. Látka nad tímto intervalem je nazývána sklovina pod ním je nazývána sklem. Z chemického hlediska se vyskytují skla jak anorganická tak i organická. Organická skla jsou buď přechlazené kapaliny některých sloučenin (alkoholy, fenoly) nebo průhledné organické látky, které vznikají kondenzací či polymerací - nepřesné označení. Nicméně se budeme dále zabývat pouze skly anorganickými a to především skly na bázi oxidů. Proto je zde uveden jen výčet anorganických látek, které mohou sklo tvořit: Prvky (síra, selen a fosfor, arzen za určitých podmínek). Chalkogenidy (soustavy As-S, As-Se, P-Se, Ge-Se). Halogenidy (význam ve výrobě speciálních optických sklech – fluorid berylnatý BeF2 a chlorid zinečnatý ZnCl2). Oxidová (SiO2, B2O3, P2O5) Oxidová skla jsou nejběžnější. Hlavní sklotvorný oxid určuje třídu skla (skla křemičitá, boritá a fosforečná). 3. Charakteristika pevnosti struktury křemičitých skel
Volné vazby Křemík
Kyslík
4-
Obr.1: tedraedr [SiO4] X… Y… Z… R…
střední počet nemůstkových kyslíků na čtyřstěn (obecně polyedr) střední počet můstkových kyslíků na polyedr střední počet všech kyslíků na polyedr (tj. koordinační číslo síťotvořiče) poměr celkového počtu kyslíků k celkovému počtu síťotvořičů (křemíků)
Mezi těmito čtyřmi strukturními parametry platí následující vztahy: 5
Technologie skla 2002/03 X X
Hospodářská fakulta
+
Y
=Z
+
1 Y 2
=R
X = 2.R - Z Y = 2.Z 4Jsou-li základními polyedry čtyřstěny (např. SiO4 ) je hodnota Z = 4. Parametr R lze snadno vypočítat z molárního složení skla. Jsou-li známy hodnoty parametrů Z a R, je možné pomocí výše uvedených vztahů vypočítat parametry zbývající, tedy X a Y. 4. Výpočet parametrů z molárního složení skla Viz. skripta [4] s. 11. 5. Význam parametru Y Střední počet můstkových kyslíků na polyedr (tedy hodnota parametru Y) má značný vliv na řadu vlastností skla. Ze strukturního pohledu je zřejmé, že rostoucí hodnota parametru Y představuje pevnější a kompaktnější propojení polyedrů ve struktuře skla, což může znamenat například to, že sklo podobného složení, ale s vyšší hodnotou parametru Y má vyšší tavicí teplotu, tepelnou roztažnost. Složení skla Y Tavicí teplota 0 [ C] SiO2 4 2000 Na2O.2SiO2 3 1250 Na2O.SiO2 2 1050 α… střední lineární součinitel teplotní roztažnosti [Hodnoty parametru Y nemusí vycházet jako celá čísla!]
7
α.10 0 -1 [C ] 7 146 220
6. Výpočet parametru Y z hmotnostních a molárních % Z výpočtu hmotnostních procent jednotlivých oxidů z minulého cvičení pro sklo typu: 2Na2O.CaO.6SiO2 máme: a) Hmotnost jednotlivých oxidů: 2.23 + 16 = 62 2Na2O … 124 Na2O … CaO … 40 + 16 = 56 SiO2 … 28 + 2.16 = 60 6SiO2 … 360 Při vyjádření v kg je dané sklo tvořeno 124 kg Na2O, 56 kg CaO a 360 kg SiO2 b) Hmotnostní procenta: Množství jednotlivých oxudů se sečtou a podíly jednotlivých oxidů se vyjádří hmotnostními procenty. 124 + 56 + 360 = 540 (100 %) Na2O … 23,0 % hmotn. CaO … 10,4 % hmotn. SiO2 … 66,6 % hmotn. c) Provede se přepočet % hmotn. na molární podíly (vydělením mol. hmotností): 0,37 Na2O 23,0 : 62 = CaO 10,4 : 56 = 0,19 SiO2 66,6 : 60 = 1,11 1,67 d) Přepočtením na 100 se vypočítají molární %: SiO2 66,47 % mol. CaO 11,38 % mol.. Na2O 22,15 % mol. e) Výpočet parametru R z molárních %: složka kyslík křemíky (síťotvořiče) 132,94 66,47 66,47 SiO2 11,38 CaO 11,38 22,15 Na2O 22,15 166,47 66,47 f) výpočet parametrů X a Y Z= 4 R = 166,47 : 66,47 = 2,5044 (Jde nám o poměr mezi množstvím kyslíku a síťotvořičů.) parametr X = 2R – Z = 5,0088 – 4 = 1,0088 parametr Y = Z – X = 4 – 1,0088 = 2,9911 ≅ 3 6
Technologie skla 2002/03
Hospodářská fakulta
Porovnejme výsledek s příkladem 1 (probráno na cvičení), kde jsme vypočítali parametr z molárního složení. Výsledek je prakticky stejný, tedy Y=3. [1] Asociace sklářského a keramického průmyslu. Výroční zpráva 2000. Praha, 2001 [2] SMRČEK A. Z našich závodů, České sklářství a keramika v roce 200 – výroční zpráva asociace. Sklář a keramik, 2001, roč. 51, č.10, s. 295-298. ISSN 0037-637X [3] Trendy, evropské sklářství v roce 2000. Sklář a keramik, 2001, roč. 51, č.10, s. 290-295. 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. Připravil: Ing. Vlastimil Hotař, Katedra sklářských a keramických strojů, Technická univerzita v Liberci
7
