Технология производства закаленного стекла

Закаленное стекло высокого качества может быть получено только при условии равномерного нагрева изделия, подвергаемого закалке. Для этой цели лучше всего использовать электрические печи сопротивления, в которых при разогревании стекла не образуется продуктов горения и которые легко поддаются автоматическому контролю температуры.

При изготовлении плоского листового закаленного или полузакаленного стекла наибольшее распространение получили закалочные установки вертикально-щелевого типа, состоящие из проходной электрической печи сопротивления мощностью до 90 кВт, питаемой от сети трехфазного тока, и обдувочного устройства.

Нагревательными элементами такой печи являются нихромовые спирали толщиной 3 – 4 мм. Нагреватели располагают в огнеупорной кладке печи по обе стороны.

Технологическая схема производства плоского и гнутого закаленного стекла выглядит следующим образом (рис. 1).

Рис.1.

Обе стороны листа подвергаются одинаковому равномерному тепловому воздействию. Печь имеет автоматическое двухпозиционное управление и может работать в двух режимах: нормальном (70 кВт) и форсированном (90 кВт). Возможность форсирования режима нагрева позволяет интенсифицировать разогрев печи. Размеры рабочего пространства печи (2000х800х300 мм) рассчитаны на нагрев листа с максимальным размером (1300х700 мм).

После предварительной механической обработки и мойки стекло, предназначенное для закалки, подвешивают вертикально за край при помощи зажимов в специальных тележках, которые по подвесным путям направляют в печь для нагревания. Тележки могут передвигаться ручным или механическим способом.

Плоское листовое стекло подвергают закалке при 650 °С, когда печь работает в форсированном режиме. Время пребывания стекла в печи зависит от толщины листа (например, для стекла толщиной 5,5 мм оно составляет 3 мин 20 с). Увеличение толщины стекла на 0,1 мм влечет за собой увеличение времени выдержки на 4 с. Следовательно, для листа толщиной 6,5 мм продолжительность выдержки достигает 4 мин.

Введение холодного стекла в печь приводит к резкому понижению ее температуры в начальный момент. За время выдержки стекла температура в печи успевает подняться до исходного значения (650°С). При этой температуре стекло выводят из печи и по подвесным путям передвигают к обдувочной решетке. Установлено, что из печи стекло можно выводить и при более низкой температуре, однако не ниже 620°С во избежание разрушения стекла в обдувочной решетке.

Охлаждение стекла – второй по важности процесс в производстве закаленного стекла, поскольку интенсивность охлаждения стекла в конечном счете определяет степень закалки. Режим охлаждения подбирают таким образом, что скорость охлаждения стекла, его толщина и химический состав определяют степень закалки изделий.

Охлаждение стекла можно производить при помощи различных охлаждающих сред, обеспечивающих быстрый отбор теплоты – воздуха, масел, кремнеорганических жидкостей, расплавов солей и металлов. Наибольшее распространение получил способ закалки стекол воздухом (воздухоструйный способ закалки). При этом способе на поверхность закаляемого изделия симметрично под давлением подается множество перпендикулярно направленных воздушных струй. Воздухоструйный способ закалки осуществляют при помощи обдувочных решеток, подающих сжатый воздух через большое количество отверстий – сопел малого диаметра, расположенных в шахматном порядке.

Обдувочная решетка состоит из двух рядов полых секций, в которые нагнетается сжатый воздух. Каждая секция имеет отверстия диаметром около 5 мм, расположенные в шахматном порядке с шагом 50 мм. Обдувочная решетка совершает в горизонтальном направлении возвратно – поступательные движения на расстояние до 40 мм, чем достигается равномерное охлаждение стекла.

Давление воздуха в обдувочной решетке зависит от требуемой степени закалки и толщины закаленного изделия. При производстве автомобильного стекла толщиной 5,5 – 6,5 мм в обдувочной решетке поддерживают давление около (53,2 – 59,85) 102 Па. Для подачи воздуха в обдувочную решетку используют турбовоздуходувки производительностью 150 м3/мин. Время перемещения стекла из электрической печи к обдувочной решетке должно быть минимальным и не превышать 3 мин.

В зарубежной практике производства плоского закаленного стекла применяют решетки, совершающие вращательное движение в вертикальной плоскости, при этом каждая струйка воздуха совершает полный круг.

При упаковке готовое закаленное стекло по всей поверхности прокладывают мягкой оберточной бумагой, не содержащей царапающих примесей. Затем пять – шесть изделий складывают в пачку, которую заворачивают в такую же бумагу и укладывают в прочный деревянный ящик. Пространство между изделиями и стенками ящика заполняют сухим упаковочным материалом (стружкой, сеном, соломой). Упакованные изделия хранят в закрытых помещениях.

Контроль качества. Сопротивление удару закаленного стекла определяют при помощи металлического шара. При толщине изделия более 5 мм закаленное стекло должно выдерживать без разрушения удар свободно падающего стального шара массой 800 г с высоты 1200 мм, а при толщине до 5 мм – с высоты 800 мм. Изделия при разрушении должны рассыпаться на куски размером не более 32 мм.

Сортность закаленного стекла устанавливают в зависимости от наличия в нем различных пороков. Внешние дефекты (мошка, пузыри, свиль и т. д.) выявляют осмотром невооруженным глазом в проходящем свете, помещая изделия на расстоянии 0,6 м от глаза наблюдателя в условиях нормального дневного освещения. Размеры дефектов определяют обычным измерительным инструментом.

Толщину изделий проверяют микрометром в четырех точках. Степень деформации стекла, т. е. их кривизну, проверяют следующим образом: кладут такое стекло на выверенную горизонтальную плоскость и замеряют стрелу прогиба щупом.

Изделие должно быть бесцветным. Допускаются слабо-зеленоватый или слабо-голубоватый оттенки. Светопропускание в пересчете на 1 см толщины изделия должно быть не менее 84%.

Прогрессивным способом производства плоского закаленного стекла, исключающим недостатки вертикального способа (наличие таких специфических дефектов, возникающих в местах крепления, как оттяжка и искривление стекла), является поточная закалка стекла на твердых опорах, или горизонтальный метод. При этом способе производства закаленного стекла листы, прошедшие предварительную обработку, двигаются горизонтально по роликовому конвейеру из асбестированных валов внутри электрической печи, где они подвергаются асимметричному нагреву – сверху более интенсивно, чем снизу. При таком нагреве стекло изгибается выпуклостью вверх, поэтому основная поверхность листов не касается валков конвейера.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Описание существующих  способов производства.

2.1. Закалочные среды  и способы закалки стекла

 

Физико–механические свойства закаленных стекол, и прежде всего их прочность и термостойкость, зависят от условий охлаждения стекол в процессе закаливания. Эти условия характеризуются интенсивностью охлаждения определяющей в конечном счете величину образующихся в стеклах закалочных напряжений, а также равномерностью закаливания стекол и стеклянных изделий. Равномерность охлаждения стекол влияет как на условия самого процесса закаливания (деформация и разрушение стекол при неравномерном охлаждении, образование так называемых «закалочных пятен» из-за различной скорости охлаждения соседних участков поверхности стекла), так и на некоторые свойства закаленных стекол (оптические искажении, возможность их саморазрушения и др).

Технологические параметры процесса закаливания и качество закаленных стекол предопределяются выбранными закалочными средами и способом охлаждения стекла.

В качестве охлаждающих сред для закаливания стекла используются воздух, жидкости, расплавленные соли и металлы.

Наибольшие развитие в практике закаливания стекла получил способ воздухоструйного охлаждения в разнообразных закалочных решетках подающих сжатый воздух через большое количество отверстий – сопел малого диаметра, расположенных в шахматном порядке. Для более равномерного охлаждения стекла решетка приводится либо в возвратно-поступательное, либо во вращательное движение. Воздух в обдувочные решетки подается через систему воздухопроводов вентиляторами высоко давления. Создание равномерно распределенных напряжений при закалке полых изделий (сортовая посуда, колпаки, изоляторы, консервная тара и др.) осложняется разнотолщинностью и сложностью их геометрической формы.

В зависимости от способа омывания воздушным потоком и его направления по отношению к закаляемым поверхностям различают следующие способы закалки стеклянных изделий воздухом:

- способ закалки в условиях воздушной конвекции. Закаляемое изделие подвергается естественному охлаждению за счет излучения в окружающую среду и конвекционных потоков окружающего изделие воздуха, образующихся благодаря местному нагреванию воздуха у горячих стенок изделия;

- воздухоструйный способ закалки. На поверхности закаляемого изделия симметрично под давлением подается множество перпендикулярно направленных воздушных струй;

- способ центрированной закалки. Предусматривает перпендикулярную подачу в центры охлаждаемых поверхностей по одной мощный воздушной струе под давлением;

- метод отсоса воздуха. Для данного метода характерно параллельное направление воздушных потоков по отношению к закаляемым поверхностям изделия.

Принудительное интенсивное охлаждение проводят воздухоструйным обдувом через большое количество отверстий – сопел малого диаметра с давлением воздуха 0,1420-0,1894 МПа, который подают со скоростью 30-340 м/с не более 10 секунд. После в условиях естественной конвекции воздушных масс в течение 20-180 секунд проводят повторное принудительное интенсивное охлаждение до температуры 20-60°С путем воздухоструйного обдува с давлением воздуха 0,1420-0,1894 МПа [4].

Несмотря на широкое распространение воздухоструйной закалки стекла, ее применение в ряде случаев оказывается малоэффективным вследствие недостаточной прочности закаленных таким путем стекол (в особенности, термостойких стекол с малой толщиной). Иногда способ воздухоструйного охлаждения не удается использовать для упрочнения стекол сложной формы из-за ряда технологических и конструктивных трудностей, связанных с необходимостью обеспечения равномерности закаливания. Кроме того, наряду с требованиями повышенной прочности и термостойкости в ряде случаев предъявляются высокие требования к оптическим и поляризационно-оптическим свойствам стеклянных изделий, ограничивающие возможности применения способа упрочнения стекол воздушной закалкой.

Более интенсивное охлаждение дает использование в качестве закалочной среды жидкостей: минеральных масел, кремнийорганических жидкостей (полиэтилсилоксанов ПЭС-3, ПЭС-4, ПЭС-5), расплавленных солей и металлов.

Особенность закалки в жидких средах состоит в том, что коэффициент теплоотдачи не является постоянным в процессе охлаждения стекла (как это характерно для конвективного теплообмена при естественной конвекции воздуха), а изменяется в зависимости от температуры, проходя через максимум. Охлаждающая способность расплавов металлов в целом выше, чем многих органических жидкостей, причем она особенно возрастает в области высоких температур (выше 600°С). Это позволяет использовать такие расплавы для закалки стекол с низким ТКЛР, имеющих высокую температуру стеклования.

Большинство жидкостей, используемых для закаливания стекла, имеют температуру кипения при атмосферном давлении значительно ниже температуры разогреваемого перед закаливанием стекла. Поэтому при погружении в жидкость на поверхности нагретого стекла образуется пленка пара, толщина которой зависит от температуры жидкости, а также от размеров и температуры стекла. При дальнейшем охлаждении стекла в жидкости толщина паровой пленки уменьшается за счет протекающего процесса конденсации пара на границе раздела фаз жидкость-пар и стадия пленочного кипения жидкости переходит в стадию пузырькового кипения, а затем в процессе дальнейшего охлаждения стекла - в стадию конвективного охлаждения.

В стадии пленочного режима кипения коэффициент теплоотдачи мал, так как он определяется в основном низкой теплопроводностью пара, а влияние радиационного теплообмена быстро уменьшается по мере охлаждения поверхности стекла.

Переход пленочного режима кипения в пузырьковый связан с движением границы раздела жидкость пар к поверхности пластины. При этом поверхность пленки не является плоской, она колеблется с постоянно возрастающей амплитудой по мере уменьшения разности температур. Это связано с изменением поверхностного натяжения жидкости с изменением температуры, вызванным неравномерной конденсацией пара. При дальнейшем увеличении амплитуды колебаний жидкость прорывает пленку и наступает пузырьковое кипение.

Достаточно сложным технологическим вопросом оказывается отработка оптимальных условий закаливания из-за плохой управляемости процессом охлаждения, связанной с большими колебаниями интенсивности охлаждения при переходе от пленочного режима кипения на поверхности закаливаемых стекол к пузырьковому режиму

Такой процесс охлаждения зависит от многих факторов, иногда носящих случайный характер, и поэтому стабилизация этого процесса в производственных условиях оказывается затруднительной.

При погружении разогретой пластины в некипящую жидкость поток свободной конвекции возникает в результате изменения плотности жидкости с повышением температуры около поверхности пластины. Нагретые слои жидкости в силу меньшей плотности начинают двигаться вдоль пластины вверх. На поверхности пластины образуется пограничный слой, толщина которого возрастает в направлении движения потока жидкости.

В результате охлаждения в таких жидких средах удается получить закаленные стекла наиболее высокой прочности, что особенно перспективно для стекол термостойких составов с низкими коэффициентами расширения. Такие стекла можно подвергнуть наиболее интенсивному охлаждению не опасаясь их разрушения в процессе закаливания. Однако этот способ закалки имеет свои недостатки главным, из которых является ухудшение оптических свойств закаленных стекол. Это связанно с тем, что в жидкость погружают стекло, нагретое до температуры его размягчения, т. е. в вязко-текучем состоянии. Поэтому конвективные потоки жидкости при ее непосредственном контакте с поверхностью закаливаемого стекла вызывают неравномерное охлаждение различных участков поверхности и тем самым местные вязко-текучие деформации поверхностного слоя, с которыми связано появление оптических искажений.