Размещено на http://www.allbest.ru/

1

1

Владимирский государственный университет имени Александра

Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ)

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАКАЛЕННЫХ СТЕКОЛ

Кочуров Д.В.



Содержание

• закалка стекло производство моллирование
• Введение
• 1. Литературный обзор
• 1.1 Стадии производства закаленного стекла
• 1.2 Технология закалки стекла
• 1.3 Способы производства закаленного стекла
• 1.3.1 Вертикальный способ закалки листового стекла
• 1.3.2 Горизонтальный способ закалки стекла на твердых опорах
• 1.3.3 Горизонтальный способ закалки стекла на газовой подушке
• 1.3.4 Горизонтальный способ свободного моллирования с последующей закалкой
• Заключение
• Список использованной литературы


Введение

В стеклах, охлажденных по определенному режиму, возникают закономерно распределенные внутренние напряжения, способствующие повышению их механической термической стойкости. Процессы закалки стекла известны давно и достаточно хорошо исследованы. В то же время существует целый ряд технологических аспектов, которые определяют качество закаленного стекла и эффективность самого процесса закалки и остаются малоизученными. Конечно, эта проблема может быть решена путем закупки соответствующих технологий и оборудования, но в современных условиях актуальны разработка и использование импортозамещающих технологий. Очевидно, что такие решения предполагают предварительную проработку их технической составляющей: разработку макетов устройств технологической цепи, отработку отдельных этапов процесса закалки, формулировку технических требований к технологическому процессу и оборудованию и т.д. Данная работа посвящена исследованию процесса закалки стекла и выработке технических требований, обеспечивающих эффективное производство закаленного стекла [1].

Закаленное стекло (сталинит) - это листовое стекло, которое подвергли термической обработке - закалке (нагрев до температуры более 600°С с последующим резким охлаждением) В результате закалки в стекле образуются напряжения сжатия, что значительно увеличивает механическую прочность. Кроме того, оно становится полностью безопасно для человека даже в случае полного разрушения. Закаленное стекло при разрушении рассыпается мелкими кусочками с тупыми краями, не способными поранить человека [4].

Следует сказать, что закаленное стекло имеет невероятную термостойкость и способно выдерживать перепады температуры от -70°С до 250°С. При равномерном тепловом воздействии закалённое стекло сохраняет свои свойства при температуре до 1800°С. Благодаря этому, данный материал весьма часто используют в области противопожарного остекления. Закалённое стекло нашло широкое применение. Его используют при изготовлении стеклянных дверей, офисных перегородок, лестничных ограждений, витрин магазинов, душевых кабин, козырьков, фасадного остекления и т.д.

Нельзя не рассказать об одной особенности закалённого стекла. После проведения операции закалки с ним невозможно провести какие-либо операции механической обработки. Поэтому все отверстия, фрезеровки, оформления кромки должны быть выполнены до закалки [4].

На сегодняший день на рынке представлено множество видов закаленного стекла - матовое и тонированное, плоское и гнутое, энергосберегающее и даже рефлективное. Закаленное стекло изготавливается сразу же под необходимые заказчику размеры - ведь резка такого стекла невозможна. Поэтому сразу же перед калением производится полная обработка - резка, матирование, полировка, шлифовка и сверление. Но как же отличить закаленное стекло от обычного? Есть более «гуманный» способ - специализированный значок от производителя, напечатанный на стекле, либо использование профессиональных очков для проверки [5].

Известно, что при производстве закаленного стекла особое внимание уделяется обеспечению равномерного распределения температуры по поверхности и глубине стекла. Последнее, в свою очередь, требует обеспечения равномерного и интенсивного охлаждения всей поверхности стекла при его воздухоструйной закалке. С технической точки зрения выполнение этих условий является достаточно сложной задачей. Поэтому при проектировании технологического оборудования, оснастки и разработке технологического процесса изготовления таких стекол целесообразно провести исследования динамики тепловых полей и газодинамических процессов в печах закалки стекла, что позволит сократить материало- и энергоемкие экспериментальные исследования различных вариантов закалки стекла [1].

1. Литературный обзор

1.1 Стадии производства закаленного стекла

Закаленное стекло представляет собой стекло, подвергнутое специальной термической обработке - закалке, в результате которой в объеме стекла возникают равномерно распределенные внутренние напряжения, повышающие механическую прочность стекла и обеспечивающие особый (безопасный) характер его разрушения [14].

Производство закаленного стекла - процесс достаточно сложный и трудоемкий. Во многом он схож с изготовлением обычного листового стекла, разве что за исключением последней стадии. Главной операцией в таком деле, как производство закаленного стекла, является его термическая и химическая обработка.

В целом производство закаленного стекла включает несколько основных стадий. Это - подготовка сырья, термическая обработка на специальном оборудовании, а также контроль качества изделий. Установками для закалки стекла служит, прежде всего, печь, предназначенная для равномерного нагрева сырья, а также оборудование для интенсивного и равномерного охлаждения стекла [6].

Весь процесс от подготовки стекла до отгрузки закаленного стекла состоит из следующих стадий:

1. отбор качественного стекла для закалки и отбраковка непригодного стекла;

2. резка стекла по заранее составленным чертежам;

3. шлифовка края стекла;

4. сверление отверстий для фурнитуры и крепежа;

5. мойка и сушка заготовок;

6. контроль качества заготовок;

7. нанесение маркировки;

8. процесс закаливания стекла;

9. контроль качества полученных закаленных изделий; 10) упаковка, отгрузка и отправка готовых изделий заказчику.

Сам процесс закалки стекла состоит из трех этапов:

1. Нагревание стекла. Поверхность стекла разогревается до температуры, приближенной к температуре плавления стекла. Стекло начинает деформироваться, но не размягчается полностью.

2. Быстрое охлаждение стекла. На этом этапе поверхность стекла уже охлаждена, а внутри субстанция продолжает быть разогретой и слегка вязкой.

3. Полное охлаждение стекла. Закаленное стекло продолжает охлаждаться до полного остывания при комнатной температуре [9].

Подготовка стекла. Для изготовления плоских закаленных стекол различного профиля, применяемых в автомобильном транспорте, из отобранных листов стекла по определенным шаблонам вырезают форматы, соответствующие по размерам автомобильным рамам. Стекло, подвергаемое закалке, не должно содержать свили, шлиров, камней, крупных пузырей и царапин. Перечисленные пороки приводят к растрескиванию стекла в процессе закалки, так как в месте расположения дефекта образуются напряжения, резко отличающиеся от напряжений в других участках стекла.

Края вырезанных форматов подвергают механической обработке на фацетных станках или шайбах. Все операции механической обработки стекла (резка, сверление отверстий, обработка кромок) необходимо проводить до стадии термической обработки, так как самые незначительные повреждения поверхностей или краев закаленного стекла вызывают его разрушение. В порядке исключения небольшие поверхностные дефекты (деформация от зажимов) закаленных стекол могут быть выправлены с помощью слабой обточки краев изделия, однако при этом нельзя применять крупнозернистые абразивы и ударные нагрузки. Следует помнить, что после обработки величина остаточных напряжений в стекле уменьшается пропорционально квадрату отношения толщины листа после шлифования к исходной его толщине, т.е. прочность закаленного стекла понижается [10].

Нагревание. Это наиболее важная операция в производстве закаленного стекла, причем процесс нагревания до температуры закалки должен протекать в условиях, обеспечивающих равномерность нагрева его поверхностей. Температура закалки зависит от химического состава стекла и всегда несколько выше температуры стеклования. Следует помнить, что температура закалки стекол одного и того же химического состава находится также в зависимости от скорости охлаждения и может быть определена как температура, выше которой при выбранном режиме охлаждения не наблюдается увеличения степени закалки. Закалка стекол, нагретых до температуры, не достигающей оптимального значения, приводит к уменьшению степени закалки, а затем к самопроизвольному разрушению стекла в процессе охлаждения.

Установлено, что температура и продолжительность нагревания стекол взаимосвязаны между собой. Чем выше температура нагрева стекла, тем менее продолжительным он должен быть при прочих равных условиях. Так, например, листовое стекло вертикального вытягивания в заводской практике закаляют при температуре 610 - 650 °С. Продолжительность нагревания стекла толщиной 6 мм в данном случае составляет от 3 мин 40 с до 5 мин, или, как это практикуется, в расчете на 1 мм толщины листа находится в пределах 36 - 50 с. Таким образом, расчет времени нагрева в зависимости от толщины стекла основан на том, что для данного состава стекла в определенных пределах продолжительность нагревания в печи прямо пропорциональна его толщине.

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 [10].

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

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 [10].

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. Это 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 [10].

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 [10].

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. В охлаждающем устройстве листы стекла снова принимают плоскую форму благодаря более интенсивному охлаждению их сверху [10].

Производство гнутого закаленного стекла включает еще одну технологическую стадию, которая предшествует процессу охлаждения стекла. Эта операция называется моллированием или гнутьем, осуществляемым при помощи прессования. В результате этого стеклу придается необходимая форма. В зависимости от положения листов материала при его закалке производство закаленного стекла подразделяется на вертикальное и горизонтальное. Горизонтальные способы более совершенны. При таком производстве процесс может быть полностью автоматизирован. К тому же при горизонтальном способе ассортимент выпускаемой продукции гораздо шире, так как закаленное стекло может иметь различную толщину листа, а также общие габариты. Более того, в этом случае качество изделий будет намного выше, чем при горизонтальном производстве [6].

Производство закаленного стекла происходит путем обработки стандартного материала. То есть на этапе изготовления не применяются никакие методики, позволяющие стеклу получить определенные механические свойства или дополнительную стойкость. В состав могут быть введены дополнительные элементы, которые усилят закалку, но раскроют свой потенциал они только после термической обработки. Так что изготовление закаленного стекла невозможно без его обжига с последующим охлаждением [8].

Что же касается подготовки стекла к термической обработке, то она включает вырезку фигурных заготовок, обработку их краев, а также мойку и сушку. В конце процесса изготовления закаленного стекла обязательно осуществляется тщательная проверка его качества. Главными критериями этого контроля являются следующие: наличие видимых пороков, например, свилей, шлиров, больших пузырей, а также присутствие царапин, которые могут привести к разрушению стекла при его термической обработке. Это может произойти из-за возникновения местных напряжений как снаружи, так и внутри материала.

Процесс закалки - наиважнейший этап производства такого стекла. Термическая обработка (закалка) представляет собой нагревание стекла до температуры в 650-700°С, при котором материал размягчается. В этом режиме стекло проводит определенный промежуток времени, который зависит от толщины материала и химического состава определенной марки. Затем стекло должно пройти стадию охлаждения. На данной стадии необходимо следить за тем, чтобы струйки воздуха равномерно распределялись по охлаждаемой поверхности. В результате этого наружные слои стекла переходят в состояние мощного сжатия. В то время внутренняя полость обрабатываемого материала принимает состояние растяжения. Совокупность этих явлений и образует систему напряжений в стекле, которая и отвечает за его высокую механическую прочность и термическую устойчивость.

Как же образуются эти напряжения? При интенсивном охлаждении в области температур выше температуры стеклования, когда материал переходит в упруго-хрупкую форму, внутри стекла возникают напряжения. Они распределены в материале неравномерно, а на механической прочности это сказывается отрицательно. Для того чтобы устранить напряжения, используется дополнительная тепловая обработка изделий. Такой процесс называется отжигом и является обязательным в технологическом процессе производства закаленного стекла [6].

Однако в результате проведения закалки стекла образуются и остаточные напряжения. Они являются управляемыми. Именно эти напряжения и придают закаленному стеклу особенные физические свойства: высокая механическая прочность и термическая устойчивость, а также безопасность при разрушении.

Напряжения бывают нескольких видов. Внутренние - это те напряжения, которые уравновешены в теле без механического и термического воздействия. В зависимости от степени локальности они подразделяются на макро- и микроскопические.

Макроскопические напряжения бывают временными и постоянными. Первые имеют место в процессе нагрева или охлаждения стекла, когда разные части изделия нагреты до разных температур. Временные напряжения устраняются при выравнивании температур во всем объеме материала. В результате их возникновения не происходит остаточная деформация изделия, поэтому эти напряжения еще называют термоупругими. Те же напряжения, которые остаются в изделии после температурного выравнивания, являются постоянными.

Внутренние упругие напряжения возникают вследствие образования из-за низкой теплопроводности стекла температурных разностей, когда происходит неравномерное расширение или сжатие (в зависимости от процесса: охлаждение или нагревание) изделий.

Так как скорость, с которой происходит охлаждение внутренних и внешних слоев, неодинакова, то и структура этих слоев будет различной. Так во внешних полостях, где охлаждение происходит быстрее, формируется неравновесная структура. Она характеризуется большей температурой и меньшей плотностью. В результате структурных различий и свойств по толщине материала, образуются микроскопические напряжения. Их значения на порядок ниже, чем у тех, что формируются в результате закалки.

Кроме того, в стекле могут образовываться и другие виды напряжений. Они возникают из-за различия коэффициентов теплового расширения, а также степени упругости отдельных частей стекла и сопутствующего ему материала, к примеру, керамики или металла. Эти напряжения постоянны, и называются коэффициентными [6].

При быстром охлаждении размягченного стекла сначала затвердевают наружные слои, в то время как во внутренних слоях сохраняется высокая температура. Поверхностные холодные слои препятствуют свободному сокращению внутренних участков и при дальнейшем охлаждении наружные слои сжимаются, а внутренние растягиваются. «Замораживание» вязкотекучих деформаций сопровождается возникновением структурного градиента; менее плотная структура фиксируется в наружных слоях. Этот метод известен также как термическое или физическое упрочнение [7].

Таким образом, производство закаленного стекла включает множество нюансов. Каждая стадия этого сложного процесса должна тщательно контролироваться, чтобы все основные правила были четко соблюдены.

Только в этом случае можно будет получить качественное закаленное стекло [6].

После термической обработки стекла возможна лишь незначительная обточка его краев, иначе закаленное стекло может просто разрушиться от механических повреждений.

Производство закаленного стекла позволяет выпускать материалы различных составов, цветовой гаммы, а также формы и габаритов. Все эти параметры зависят от назначения изготавливаемых стекол. Цвет закаленного стекла достигается определенными способами обработки изделия в зависимости от того, какой требуется оттенок. Так стекло может быть прозрачным, тонированным в массе, оклеенным декоративной пленкой, с вакуумным напылением, матовым и т.д. К тому же на закаленное стекло могут наноситься различные изображения. Это выполняется методом шелкографии или же лазерной гравировкой. Что касается формы стекла, то она может быть не только прямоугольной, но и какой-нибудь нестандартной [6].

Механические свойства и термостойкость стекла зависит от степени закалки, которая определяется режимом закалки. Основными технологическими параметрами закалки являются: скорость нагрева стекла, максимальная температура нагрева, равномерность и скорость охлаждения.

Скорость нагрева имеет важнейшее значение для предотвращения появления брака и боя в процессе нагревания стекла. Быстрый нагрев вызывает разрушение стекла, а медленный нагрев приводит к сильной пластической деформации изделий.

Температура закалки определяет степень закалки, достигаемую при прочих равных условиях и, в тоже время, величину пластических деформаций заготовки, которая увеличивается с увеличением времени выдержки заготовки при температурах закалки. Для получения воспроизводимых степеней закалки необходимо, чтобы температура закалки на 80°С превышала T_ст.

При производстве гнутого стекла после выдержки стекла при температуре закалки осуществляют его изгибание методом прессования или моллирования.

Интенсивность охлаждения зависит от толщины заготовки, коэффициента теплоотдачи (критерия Bio) и желаемой степени закалки.

Увеличение интенсивности охлаждения зависит от выбора закалочных сред и способа охлаждения. Наиболее распространенной средой для закалки является воздух. Закалку осуществляют в обдувочных решетках, подающих сжатый воздух перпендикулярно к поверхности закаливаемого листа через многочисленные сопла круглого или щелевого типа, при этом сопла совершают круговые движения в плоскости параллельной поверхности закаливаемого листа.

Равномерность охлаждения имеет важнейшее значение.

Неравномерность охлаждения снижает качество закаленного стекла и выход годной продукции, вызывая деформацию и разрушение стекол, образование «закалочных пятен» и других оптических искажений [14].

Чем выше интенсивность охлаждения стекла, тем больше достигаемые степени закалки и упрочнения стекла. В связи с этим при использовании закалочных сред высокой охлаждающей способности (жидкостная закалка) удается повысить прочность тонких пластин стекла с 60-80 МПа до 300-500 МПа, т.е. в 2-3 раза по сравнению с обычной воздухоструйной закалкой. Важную роль при этом играет и изменение эпюры напряжений - резкое увеличение именно напряжений сжатия в поверхностном слое.

Влияние напряжений при жидкостной закалке столь велико, что оно проявляется, несмотря на значительное повышение дефектности поверхности, происходящее при интенсивном охлаждении.

Образование на всей поверхности стекла густой сетки микротрещин снижает роль масштабного фактора при испытании прочности интенсивно закаленных стекол: в таких стеклах степень опасности поверхностных дефектов оказывается близкой на всей площади нагружения стекла.

Однако и для этих стекол характерно некоторое снижение средней прочности с увеличением площади пластины.

Характер влияния толщины стекла на его прочность зависит от степени закалки. Прочность стекол, закаленных на воздухе, определяется главным образом остаточными напряжениями и поэтому растет с увеличением толщины стекла (как и напряжения). Прочность интенсивно закаленных стекол, как правило, падает с увеличением толщины, несмотря на рост напряжений сжатия. Это, с одной стороны, связано с более сильным снижением прочности незакаленных толстых стекол, а с другой -- с ростом глубины образующихся трещин (опасности дефектов) при увеличении толщины и интенсивности охлаждения стекла. Наличие трещиноватого слоя в толстых стеклах приводит к тому, что основное влияние на их прочность оказывают напряжения сжатия на некотором расстоянии от поверхности стекла, равном глубине дефектного слоя. В этом случае напряжения сжатия, действительно влияющие на прочность стекла, в связи с особенностями эпюры напряжений интенсивно закаленных стекол оказываются значительно ниже. Следует отметить, что некоторый вклад в увеличение прочности тонких стекол могут вносить и структурные особенности их поверхностного слоя, связанные с более высокотемпературным состоянием структуры стекла вследствие более резкого охлаждения от температур выше T_ст [14].

По сравнению с обычным стеклом у закаленного стекла:

• в 5-10 раз, в зависимости от толщины, возрастает прочность стекла на удар;

• в 2-3 раза увеличивается прочность стекла на изгиб;

• в 3-4 раза (с 40 до 180 °С) выше стойкость стекла к перепадам температур [3].

Увеличение механической прочности обусловливает повышение термостойкости стекла (с 60-70 до 175°С), а структурные особенности, вызванные спецификой термической обработки, - увеличение (в 2-3 раза) электропроводности, незначительный рост ТКЛР и небольшое снижение плотности.

Оптические свойства стекла (светопропускание, светостойкость), а также такие теплофизические эксплуатационные свойства, как теплостойкость и морозостойкость, после закаливания практически не изменяются [14].

Согласно стандартам качества закаленное стекло размером 50х50 мм при воздействии на него острым металлическим предметом массой до 75 г должно рассыпаться на 40-50 осколков [9].

Применение закаленного стекла в технике ограничено ухудшением его оптических и поляризационно-оптических свойств. Это обстоятельство практически полностью исключает возможность использования закалки для упрочнения изделий прецизионной оптики.

Особо следует отметить существование некоторой вероятности саморазрушения закаленного стекла (даже при хранении на полке), которое делает непредсказуемой надежность его эксплуатации. Интенсивно закаленное стекло разрушается взрывоподобно, если поверхностный дефект проникает в зону растягивающих напряжений. По этой же причине его нельзя резать, сверлить, подвергать дополнительной механической обработке [7].

На сегодняшний день техника шагнула настолько далеко, что позволяет изготавливать и закалять стекло самых сложных форм и размеров. Одним из таких современных оборудований является система горизонтальной закалки стекла. С ее помощью можно получить закаленное стекло, размеры которого будут максимум 2100х3000 мм и от 4 до 12 мм толщиной [9].

Обычно закалке подвергают полированное и неполированное стекло толщиной 4 - 6 мм. Освоен также выпуск высококачественных полированных закаленных стекол больших размеров толщиной 10 - 20 мм для изготовления наружных дверей, перегородок, ограждений и т.д. Закаленное стекло получают плоское и гнутое. Размер стекол, используемых на транспорте, не превышает 560x 1500 мм. В строительстве применяют крупногабаритные панели размером 1200x2500 мм: двери, перегородки, ограждения, полы, потолки. При этом такие панели могут быть прозрачными или непрозрачными (матовыми, узорчатыми, глушеными, эмалированными).

Закаленные крупногабаритные окрашенные стеклопанели получили название стемалита [14].

1.2 Технология закалки стекла

Технология воздухоструйной закалки в настоящее время является наиболее освоенной и широко применяется. Эффективность воздухоструйной закалки снижается с уменьшением толщины и ТКЛР стекла. В ряде случаев этот способ не удается реализовать при упрочнении изделий сложной формы и переменной толщины из-за трудностей, связанных с равномерностью охлаждения; неблагоприятное расположение напряжений может вызвать понижение прочности. Для некоторых изделий существенными могут стать такие пороки закаленного стекла, как коробление, нарушение плоскостности, отпечатки от зажимов приспособления для подвешивания. С ростом интенсивности воздухоструйного охлаждения наблюдается ухудшение оптических свойств (появление «закалочных пятен») и снижение стабильности механических параметров по полю стеклоизделия.

Преимущества закаливания в жидких средах перед воздушной заключаются в возможности более широкого регулирования интенсивности охлаждения, что важно при упрочнении стекол тонких номиналов и с низким ТКЛР. Но оно связано и с большими технологическими трудностями, обусловленными временными термоупругими напряжениями. Эти напряжения способствуют образованию посечек на торцах стеклоизделия и его разрушению, снижая выход годной продукции. Определенные сложности возникают при закалке крупногабаритных изделий и изделий с острыми углами вследствие неодновременного погружения различных по высоте участков в закалочную жидкость. Возникающие при этом перепады температур могут привести к разрушению изделия и изменению степени его закалки по высоте. Достаточно сложным остается вопрос стабилизации процесса охлаждения - переход от пленочного режима кипения к пузырьковому сопровождается значительными колебаниями интенсивности охлаждения [7].

Технология производства закаленного стекла предусматривает быстрое его охлаждение от температуры выше температуры стеклоплавления. Чтобы повысить интенсивность такого охлаждения, применяют закалочные среды со значительными охлаждающими способностями, а также смену характера теплообмена. Чаще всего в качестве закалочной среды выступает воздух, при этом используется воздухоструйная обдувочная решетка, позволяющая менять охлаждение от естественной конвекции к принудительной.

Закалка стекла еще более эффективна, когда в качестве закалочной среды применяются жидкости, позволяющие достичь ускоренной теплоотдачи. Такими жидкостями могут выступать различные минеральные масла, кремнийорганические жидкости, в том числе полиэтилсилоксаны ПЭС-3, ПЭС-4, ПЭС-5, расплавленные соли и металлы. Применение жидкостей дает возможность увеличить коэффициент теплоотдачи, благодаря чему возможна закалка стекла небольшой толщины и с низким ТКЛР, а также достижение более высокой степени закалки, превышающей 4 пор/см.

В случаях, когда закалка стекла проводится с использованием в качестве закалочной среды жидкости, коэффициент теплоотдачи меняется в течение процесса охлаждения в зависимости от температурных условий. Минусом применения жидкостей является недостаточно регулируемый процесс охлаждения, когда при попадании в них горячего стекла происходит кипение, сопровождаемое резким изменением коэффициента теплоотдачи [11].

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. Недостаток - кипение при погружении горячего стекла и трудность в управлении процессом [13].

Использование расплавов металлов для охлаждения стекла имеет определенные особенности. Для них характерен более высокий коэффициент теплоотдачи, чем для большинства органических жидкостей, особенно это касается высоких температур, превышающих 600 градусов. При этом возможна закалка стекла с низким ТКЛР и высокими температурами стеклования. Минус расплавов металлов в качестве закалочной среды заключается в их значительной плотности, при которой усложняется процесс погружения стекла [11].

Закалка стекла способом погружения в расплавленные металлы представляет наиболее сложный технологический процесс, и для крупногабаритных стекол оказывается практически неприменимой [13].

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 [13].

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.

Увеличение скорости отбора тепла от поверхности стекла может быть достигнуто и изменением способа контакта со стеклом охлаждающих агентов. При охлаждении на воздухе степень закалки повышается путем увеличения скорости воздушного потока, при охлаждении в жидкостях - циркуляцией жидкости, введением в нее поверхностно-активных веществ, а также использованием распыленных жидкостей. В последнем случае увеличение скорости подачи жидкости предотвращает ее кипение и повышает турбулентность течения ее на поверхность что приводит к росту интенсивности теплоотдачи [13].

1.3 Способы производства закаленного стекла

Все способы производства закаленного стекла делятся на вертикальные и горизонтальные в зависимости от положения листа стекла при закалке. Основными недостатками вертикальных методов закалки являются: сильная деформация листа в местах его крепления, появление отпечатков от держателей на поверхности, отсутствие полной автоматизации. Горизонтальные способы являются более прогрессивными, так как полностью автоматизированы, что позволяет получать более высококачественные изделия и расширить ассортимент, как по толщине, так и по габаритам. Горизонтальные способы позволяют организовать механизированное поточное производство закаленных стекол [14].

Горизонтальные способы, в свою очередь, в зависимости от типа транспортирующего устройства разделяются на следующие:

- с применением твердых опор;

- с использованием газо-воздушной подушки [13].

1.3.1 Вертикальный способ закалки листового стекла

Плоские листовые заготовки закаливают в закалочных установках вертикально-щелевого типа (см. рисунок 1, б). Они состоят из проходной щелевой электропечи сопротивления 7, и обдувочного воздухоструйного устройства 9, над которыми проходит монорельс для передвижения листов стекла. Печь камерная, торцевые ее стороны закрыты дверцами. Металлический каркас печи состоит из двух половинок - подвижной и неподвижной. Неподвижная устанавливается на фундаменте, а подвижная на колесиках и может перемещаться на 500 - 550 мм от оси печи для проведения ремонтных и наладочных работ. Боковые стороны печи выполнены из фасонных огнеупорных плит с пазами, в которые заложены металлические спиральные нагревательные элементы из нихрома. Размеры рабочего пространства печи: 2000х800х300 мм, что позволяет подвергать закалке листы стекла размером 1300х700 мм. Равномерность температуры по поверхности стекла достигается изменением плотности навивки спиралей нагревателей. Перепад температур по заготовке не должен превышать 10°С. После предварительной подготовки стекла 5 подвешивают вертикально за край при помощи зажимов 6 в специальных тележках. Стекло транспортируется тележкой по монорельсу, расположенному над печью. При закалке крупногабаритных заготовок используют специальные рамки с зажимами по периметру листа. Температура закалки в печах вертикального типа (для термически полированного стекла) 630-670°С, продолжительность нагрева на 1 мм толщины стекла - 35 - 40 с, т.е. время пребывания в печи стекла толщиной 5,5 мм составляет 3 мин 20 с. Из печи стекло можно выводить при температурах не ниже 620°С во избежание разрушения стекла в обдувочной решетке.

Гнутое листовое закаленное стекло, как и плоское, изготовляют также двумя методами: вертикальным и горизонтальным. При производстве гнутого стекла сразу за печью устанавливают рычажный пресс 8 (см. рисунок 1, в) с вертикальными формующими поверхностями, выполненными из гипса [12].

При необходимости гибки, стекло нагревают в печи до более высокой температуры 700-720°С в течение 38 - 42 с. После прогрева стекло быстро помещают между гипсовыми формующими поверхностями и изгибают, сближая их. Продолжительность прессования не должна превышать 2-3 с, после чего стекло быстро перемещают в обдувочное устройство. Увеличение времени прессования до 5 с приводит к переохлаждению стекла и к неминуемому растрескиванию в обдувочном устройстве.

Охлаждение стекла происходит с помощью обдувочных устройств, основным элементом которого является обдувочная решетка. Она подает сжатый воздух по нормали к поверхности стекла через сопла малого диаметра (3-5 мм), они расположены рядами в шахматном порядке. Расстояние между рядами 25-50 мм. Для более равномерного охлаждения стекла решетка приводится в возвратно-поступательное или вращательное движение.

Расстояние между решетками при закалке плоского стекла составляет 60-100 мм. При охлаждении гнутого стекла обдувочные решетки имеют соответствующий профиль. В обдувочном устройстве может происходить полное охлаждение или охлаждение до ~ 400°С за 30 - 35 с с последующим остыванием листов в пирамидах.

Основным недостатком вертикального способа закалки, нашедшего широкое применение при закалке плоского листового стекла, является несовершенный способ крепления листов стекла, что приводит к оттяжке, искривлению листов и появлению отпечатков от зажимов в месте крепления. Этот дефект особенно усиливается при изготовлении крупногабаритных стекол и гнутых стекол сложного профиля, так как их приходится перегревать для изгибания [12].



Размещено на http://www.allbest.ru/

1

1

Рисунок 1 Технологические схемы производства закаленного стекла [14]

а -- технологическая линия производства заготовок стекла;

б -- установка для закаливания плоских стекол; в, г -- установки для закаливания гнутых стекол (в -- изгибание способом горизонтального прессования, г -- изгибание способом горизонтального моллирования); д -- установка для закаливания плоских стекол на твердых опорах; е -- установка для закаливания плоских стекол на газовой подушке;

1 -- загрузочный стол; 2-- станок вырезки фигурных заготовок; 3 -- станок обработки кромки стекла; 4 -- моечно-сушильная машина; 5 -- лист стекла; 6 -- зажимы; 7 -- нагревательная электрическая печь; 8 -- пресс для изгибания стекла; 9 -- охлаждающее (обдувочное) устройство; 10 -- устройство для контроля стекла; 11 -- транспортирующая тележка; 12 -- роликовый конвейер транспортирующий; 13 -- электрическая печь предварительного нагрева; 14 -- печь газоэлектрическая; 15 -- решетка для создания газовой подушки

Недостатки данного способа закалки:

1. При температуре закалки 625-650°С происходит пластическая деформация стекла (10⁹ Па • с) под действием собственной массы (оттяжка, искривление листа);

2. Операции съема и подвески стекла практически не поддаются механизации, что ограничивает производительность закалочных установок;

3. Ограниченный ассортимент закаливаемых изделий;

4. Большие температурные градиенты по высоте печи из-за интенсивных конвективных потоков;

5. Неравномерный нагрев стекла приводит к снижению его прочности либо к разрушению в ходе охлаждения [13].

1.3.2 Горизонтальный способ закалки стекла на твердых опорах

Этот недостаток полностью исключен в новом прогрессивном способе горизонтальной закалки стекла на твердых опорах, который разработан Саратовским институтом технического стекла (см. рисунок 1, а). Установка состоит из: входного роликового конвейера 1; нагревательной туннельной печи с роликовым транспортером 2; закалочного устройства 3 и выходного роликового транспортера (см. рисунок 1, д).

Входной роликовый транспортер имеет ролики с резиновым покрытием, три последних ролика перед печью имеют асбестовое покрытие.

Двигаясь по роликам с асбестовым покрытием внутри электрической печи, стекло подвергается несимметричному нагреву - сверху более интенсивному, чем снизу. При таком нагреве стекло изгибается выпуклостью вверх, поэтому основная часть поверхности листов не касается роликов конвейера и не травмируется ими при высоких температурах. В охлаждающем устройстве листы снова принимают плоскую форму благодаря более интенсивному охлаждению сверху [12].

Установки этого способа получили наибольшее распространение из-за их простоты. Устройство закалки листового стекла содержит печь с нагревательными элементами и закалочную камеру, включающую дутьевой узел с соплами, регуляторами охлаждения и горизонтальными транспортировочными валками. Транспортирующие валки выполняют из различных материалов, в зависимости от температурных условий службы: на входе и на выходе линии - металлические; в высокотемпературной части - с чулками из кремнеземистой нити или керсиловые. Кремнеземистые чулки предохраняют поверхность стекла от дефектов (царапин, вмятин, потертостей и т. п.). В зоне закалки валы снабжены устройством для быстрого съема. Для устранения отпечатков и других дефектов на нижней поверхности стекла может быть использован асимметричный нагрев в зоне высоких температур, причем нагрев листа сверху больше чем снизу. В результате стекло незначительно выгибается и упирается на валы лишь кромками. Для получения плоского листа применяют асимметричную обдувку; причем верхнюю поверхность охлаждают более интенсивно, чем нижнюю, в результате чего обе поверхности затвердевают одновременно и лист выравнивается.

Этот метод требует высокой точности регулирования режимов нагрева и закалки изделий [13].

Одной из основных проблем данного способа производства закаленного стекла является деформация (поперечная волнистость изделий вследствие прогиба размягченных листов при движении по валкам).

Предотвратить деформацию размягченного стекла и ухудшение качества поверхности при движении по валкам возможно путем повышения скорости перемещения листов (до 18-30 м/мин), что, однако, ведет к удорожанию линий из-за их большой длины.

Второй метод состоит в снижении температуры поверхности стекла на заключительной стадии нагрева (выдержка) за счет конвективной подстудки его поверхностей. В итоге удается снизить опасность волнообразного искривления листов при закалке на твердых опорах без уменьшения степени закалки.

Склонность к поперечной деформации особенно возрастает с уменьшением толщины стекол, поэтому при закалке тонких стекол уменьшают шаг валков (расстояние между осями валков) в пределе до значений, близких к величине их диаметра.

Разновидностью горизонтальных закалочных установок на твердых опорах являются: осциллирующие печи, поточные печи [13].

1.3.3 Горизонтальный способ закалки стекла на газовой подушке

Более перспективным для производства плоских закаленных стекол, является способ закалки стекла на газовой подушке (см. рисунок 1, е), который реализуется в нашей стране на конвейерных установках ЛЗАС - 500. Туннельная печь, для реализации этого способа, состоит из двух зон: электрической зоны, в которой производится разогрев заготовки до 500°С и газоэлектрической - для разогрева стекла до температур закалки. В электрической зоне печи стекло движущееся по асбестовым роликам нагревается за счет электрических нагревателей, расположенных над и под роликовым транспортером.

В газоэлектрической зоне печи стекло находится на газовоздушной подушке. Для создания газовоздушной подушки, производится сжигание горючего газа в горелках. Продукты горения разбавляют холодным воздухом до температуры печи и подают в камеру давления. Из камеры давления газовоздушную смесь с заданными параметрами подают под стекло через сопла, создающаяся при этом зона повышенного давления, удерживает стекло во взвешенном состоянии. Таким образом, стекло в этой зоне снизу нагревается за счет газов подушки, а сверху - электронагревателями.

После нагрева до температур закалки стекло передается в закалочное устройство, где производится его закалка на воздушной подушке из холодного воздуха. Газовая подушка предотвращает контакт размягченного стекла с твердыми поверхностями, что позволяет сохранить высокое качество его поверхности [12].

В этом принципиально новом технологическом процессе стекло во время нагрева и последующего охлаждения поддерживается в горизонтальном положении газовыми струями, причем поверхность размягченного стекла не соприкасается с элементами конструкции установки и сохраняет исходные оптические свойства. Малая высота воздушной подушки (до 1,5 мм) обеспечивает высокую интенсивность охлаждения, что позволяет достигать высокой степени закалки тонких стекол.

Использование способа закалки на газовой подушке предусматривает выполнение следующих условий:

- равномерность нагрева стекла по его площади;

- равномерное регулирование давления газовых струй на нижнюю поверхность стекла, исключающее его деформацию в размягченном состоянии при непрерывном перемещении в печи и закалочном устройстве; - высокую интенсивность и равномерность охлаждения при закалке [13].

Для создания газовой подушки используются обдувочные решетки с соплами. Линия горизонтальной закалки стекла на газо-воздушной подушке включает приемный стол, печь на газовой подушке, закалочное устройство на воздушной подушке, закалочно-охлаждающее устройство на рольганге и выходной рольганг. Для фиксации листов относительно сопел газовоздушной подушки и их транспортировки с увеличенной скоростью использовано цепное устройство с захватами. Приемный стол, печь и закалочное устройство на воздушной подушке расположены под углом к горизонту, что облегчает транспортировку листов. Горячая газовая опора (подушка) создается множеством газовых струй, которые поддерживают стекло во взвешенном состоянии и одновременно нагревают его. При этом стекло нагревается снизу горячими струями газовой подушки, а сверху - инфракрасными горелками. Для закалки на воздушной подушке используют гребенчатые решетки, а на рольганге - трубчатые сопла. Указанный способ закалки требует точного соблюдения температурно-временного режима нагрева стекла. Характерным видом брака изделий является эффект «картинной рамки» - свисание кромок листа вследствие неодинаковых условий эвакуации отработанного газа в центральной части листа и на периферии.

Для гнутья задних и боковых автомобильных стекол разработаны методы роликового и вакуумного гнутья, гнутья на газовой подушке, а также моллирования, суть которого состоит в захвате нагретого листа вакуумным подъемником с последующим сбросом на форму из жароупорной стали [13].

1.3.4 Горизонтальный способ свободного моллирования споследующей закалкой

При производстве гнутых полупанорамных автомобильных стекол большого размера и сложного профиля, используют горизонтальный способ свободного моллирования с последующей закалкой (см. рисунок 1, г).

Этот способ производства позволяет обеспечить постоянство формы стекла, однако при контакте разогретого стекла с пресс-формами возникает такой серьезный брак, как нарушение поверхности стекла. Наличие подвесок вызывает указанный дефект в местах крепления. Эти недостатки становятся особенно ощутимыми при изготовлении стекол больших габаритов и сложного профиля. Поэтому для закалки таких стекол используют горизонтальный способ, при котором стекло изгибают путем его моллирования. Установка состоит из одно-, двух- или многокамерных электрических печей и обдувочного устройства, соединенных рельсовым путем. Стекло на тележке с профилированной рамкой по рельсам поступает в печь (см. рисунок 1, б), в которой нагревается и, размягчаясь, прогибается под действием собственной массы, принимая форму рамки (процесс моллирования). При одностороннем изгибе изделия температура распределяется несимметрично по отношению к оси печи, при двустороннем -- симметрично. В местах изгиба температура стекла обычно на 30-40 °С выше, чем в основной массе [14].

...