Закаленное стекло

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

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.

Промышленные закаленные стекла могут быть различных составов, цвета, формы и размеров - в зависимости от их назначения. Закаленное стекло широко используется в условиях, требующих сочетания повышенной механической прочности со сравнительно малой массой, повышенной термостойкостью и относительной безопасностью при разрушении: для остекления скоростного авиационного, автомобильного, железнодорожного и другого транспорта, для изготовления конструкционных и монтажных элементов в приборо и машиностроении, строительстве, для получения упрочненной сортовой посуды, защитных очков, светофильтров.

Наиболее распространено закаленное листовое стекло, для производства которого применяют стекла, получаемые методом плавающей ленты, в меньшей степени - методом ВВС или БВВС.

Промышленное закаленное стекло имеет степень закалки 2-4/V/cm при толщине листа 4,5 мм и больше. Наряду с этим используют (хотя и в значительно меньшей степени) полузакаленные стекла со степенью закалки 0,8-7-2 N/см. Такие стекла применяют для изготовления светофильтров, остекления детских учреждений, парников, для изготовления авиационного триплекса. Полузакалка, повышая механическую прочность и термостойкость стекла, в то же время не меняет характера его разрушения.

2. Ассортимент и классификация

Закаленное листовое стекло получают двух видов - плоское и гнутое. Последнее в свою очередь может иметь постоянную (одинарную) или переменную кривизну. Наиболее широко для закалки используют стекла толщиной 4,5 - 6,5 мм, применяемые на транспорте (в первую очередь-автомобильном).

Однако в ряде других областей техники (приборостроение, авиация, строительство) возникает потребность в стеклах как значительно меньшей (до 2,5 мм), так и большей (до 17 мм) толщины.

Размер стекол, используемых на транспорте, не превышает 560Х Х1500 мм. В строительстве применяют крупногабаритные панели размером 1200-2500 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.

3. Свойства закаленного стекла

Главным свойством закаленного стекла, отличающим его от отожженного, является повышенная механическая прочность. При степени закалки, достигаемой в промышленных условиях (до 4 N/см), предел прочности стекла при изгибе достигает 250 МПа, т.е. более чем в 5 раз выше, чем у отожженного стекла. При этом упругость закаленного стекла, характеризуемая стрелой прогиба, возрастает в 4-5 раз. Работа разрушения закаленного стекла при испытании на удар возрастает в 8 раз: при толщине 5 мм оно выдерживает удар стальным шаром массой 800 г. с высоты более 1200 мм, в то время как отожженное - только с высоты около 150 мм.

Отличительной особенностью закаленного стекла является «безопасный» характер его разрушения - с образованием мелких осколков с тупыми, нережущими краями. 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. Закаленное стекло характеризуется стабильностью свойств при длительной его эксплуатации в обычных условиях (от - 60 до 150°С). Механические свойства и термостойкость закаленного стекла зависят от степени закалки. В связи с этим важное значение при производстве закаленного стекла приобретает правильный выбор условий его термической обработки (нагрева и охлаждения), определяющих степень закалки стекла.

4. Режим закалки

Важнейшими технологическими параметрами закалки являются скорость нагрева стекла, максимальная температура нагрева (температура закалки), интенсивность и равномерность охлаждения.

Скорость и время нагрева стекла имеют важное значение для предотвращения боя и брака стекла в производстве. Недостаточный нагрев стекла вызывает разрушение его при закалке, слишком длительный нагрев - деформацию изделия. Стекла малой толщины, перепадом температур в которых можно пренебречь (как и в металлах с высокой теплопроводностью), условно называют «тонкими»; стекла большей толщины (более 6 мм), для которых перепад температур существен, «массивными».

Температура закалки определяет максимальную (предельную) степень закалки, достигаемую для данного изделия при прочих неизменных условиях. Важную роль при ее выборе играет температура стеклования Tg. В промышленных условиях обычно проводят регулярную закалку стекла, выбирая в качестве оптимальной температуры закалки Т3 температуру, на 80С° превышающую Tg, при которой степень закалки достигает предельных постоянных значений.

Увеличения интенсивности теплоотдачи (охлаждения) стекла достигают выбором закалочных сред и способа охлаждения. Наиболее распространенной средой при производстве закаленных стекол является воздух: закалку стекла осуществляют в обдувочных решетках, подающих сжатый воздух перпендикулярно к поверхности листа через многочисленные отверстия (сопла) круглого или щелевого типа.

Выбор оптимальных технологических параметров закалки на воздухоструйной решетке (скорости истечения и давления воздуха) и конструкционных элементов решетки (диаметра сопел, расстояния между ними и др.) основан на оценке ат стекла при различных условиях закалки. С этой целью условия теплообмена между изотермической пластиной стекла и струями охлаждающей среды (воздуха) выражают с помощью критериев подобия - Нуссельта Nu, устанавливающего связь между интенсивностью теплоотдачи и температурным полем в пограничном слое потока, и Рейнольдса Re, характеризующего гидродинамический режим потока:

Nu=aT Hk\ Re = vllv,

где / - определяющий размер (ширина плоского насадка или диаметр сопла); k - коэффициент теплопроводности закалочной среды (воздуха); v - скорость течения среды; v - коэффициент кинематической вязкости среды. Зная конструктивные параметры воздухоструйных решеток и задаваясь скоростями истечения воздуха, на основании эмпирических соотношений критериев для различных условий охлаждения можно оценить коэффициент теплоотдачи стекла, а соответственно - интенсивность его охлаждения и закалки. Используя эти соотношения, возможно рассчитать оптимальные конструкции решеток и технологические параметры охлаждения стекол при закалке. Наряду со скоростью охлаждения важное значение при производстве закаленных стекол приобретает равномерность охлаждения стекла. Неравномерное охлаждение снижает качество стекла и выход годной продукции, вызывая деформацию и разрушение стекол, образование так называемых «закалочных пятен», оптические искажения, снижает стабильность механических свойств стекол и т.п.

5. Способы закалки

Все способы производства закаленного стекла в зависимости от положения листов при закалке могут быть разделены на вертикальные и горизонтальные. Первые широко используются для производства стекол широкого ассортимента, плоских и гнутых.

Основным их недостатком является отсутствие полной автоматизации. Более прогрессивные горизонтальные способы позволяют полностью автоматизировать технологический процесс, расширить ассортимент изделий, как по толщине, так и по габаритам, повысить их качество. X - расстояние между насадками; L - расстояние от насадки до пластины стекла; Я - ширина насадки.

При подготовке стекла, осуществляемой на технологической линии производства заготовок (рис. 26.5, а) проводится вырезка фигурных заготовок, обработка кромки листов, мойка и сушка стекла, контроль качества. Стекло не должно содержать видимых пороков (свилей, шлиров, крупных пузырей) или царапин, вызывающих разрушение стекла при закалке вследствие возникновения местных напряжений.

Вся механическая обработка стекла проводится до его закалки, после которой возможна лишь слабая обточка краев для устранения следов (деформации) от зажимов, так как при значительных повреждениях поверхности или краев закаленное стекло разрушается.

Контроль свойств и качества продукции осуществляется в соответствии с ГОСТ и ТУ на плоское и гнутое закаленные безопасные стекла различного назначения. При этом проверяют наличие внешних дефектов, габариты, толщину и форму (кривизну) стекол и определяют механические, оптические и теплофизические свойства.

Плоские листовые закаленные стекла изготовляют на закалочных установках вертикально-щелевого типа, состоящих из проходной электропечи сопротивления и обдувочного воздухоструйного устройства, над которыми проходит монорельс для передвижения листов стекла (рис. 26.5, б).

Заготовку стекла с помощью зажимов подвешивают в вертикальном-положении и автоматически продвигают в электропечь. Прогретое в течение определенного времени стекло затем автоматически перемещается в обдувочное устройство, где резко охлаждается и передается на контроль. Температура закалки плоского стекла в печах вертикального типа - 630-670°С, продолжительность нагревания (на 1 мм толщины стекла) 35-40 с.

Электрические печи сопротивления представляют собой камеру с дверцами на торцовых стенках, в которых расположены вертикальные сквозные щели для перемещения несущей рамы каретки со стеклом. Спиральные нагревательные элементы располагаются на внутренней кладке стенок, выложенных шамотными кирпичами или плитами с пазами для спиралей. Пространство между внутренней кладкой и наружным железным кожухом печи заполнено термоизоляционным материалом.

Обдувочное устройство в качестве основного элемента содержит обдувочную решетку, подающую сжатый воздух под углом 90° к поверхности листа через круглые отверстия (сопла) малого диаметра (3- 5 мм), расположенные в шахматном порядке на расстоянии 25-50 мм. Для более равномерного охлаждения стекла решетка приводится в возвратно-поступательное или вращательное движение. Сжатый воздух подается в решетку воздуходувками или вентиляторами. В обдувочных устройствах применяют воздухоструйные решетки различного типа - коробчатые, трубчатые, ротационные, секционные (последние наиболее распространены).

Расстояние между решетками при закалке плоского стекла составляет 60-100 мм, давление воздуха - 6-10 кПа. Давление воздуха резко уменьшается с увеличением толщины листа: при <f=10 мм оно снижается до 2, при 6 мм - до 1,5 кПа. Продолжительность обдува стекла толщиной 6 мм-30-35 с, толщиной 12 мм - 1 мин. На практике применяют два способа охлаждения: полное охлаждение в обдувочном устройстве и охлаждение в нем до ~400°С в течение 30 - 35 с с последующим остыванием в пирамидах.

Вертикальный способ закалки наиболее широко распространен в производстве плоского листового закаленного стекла широкого ассортимента. Однако недостаточно совершенный способ крепления листов стекла (наличие подвески с зажимами) приводит к появлению таких дефектов, как оттяжка и искривление листов в местах крепления.

Этот недостаток исключен в новом прогрессивном горизонтальном способе закалки стекла на твердых опорах, позволяющем осуществить полностью автоматизированный, поточный процесс (см. рис. 26.5, д). По данному способу, разработанному Саратовским институтом технического стекла, листы стекла подаются на горизонтальный роликовый конвейер из асбестированных валов и направляются в печь, где они нагреваются асимметрично: сверху более интенсивно, чем снизу. Вследствие образующейся по толщине листа разницы температур возникает его температурная деформация - стекло изгибается выпуклостью вверх, не касаясь своей поверхностью валков роликового конвейера. Охлаждение листов в обдувочном устройстве также асимметрично: оно более интенсивно сверху. В результате этого листы вновь приобретают плоскую форму.

Гнутое листовое закаленное стекло, как и плоское, изготовляют также двумя методами: вертикальным и горизонтальным. Стекло широкого ассортимента закаливают на установках вертикально-щелевого типа (см. рис. 26.5, в). Стекло нагревают в печи до более высокой температуры (более низкой вязкости) - 700-720°С в течение 38-42 с (в расчете на каждый мм толщины), после чего изгибают в пресс-форме и охлаждают в обдувочном устройстве с воздухоструйными решетками соответствующего профиля.

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 (см. рис. 26.5, г). 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. рис. 26.5, б), в которой нагревается и, размягчаясь, прогибается под действием собственной массы, принимая форму рамки (процесс моллирования). При одностороннем изгибе изделия, температура распределяется не симметрично по отношению к оси печи, при двустороннем - симметрично. В местах изгиба температура стекла обычно на 30-40°С выше, чем в основной массе. Режим моллирования стекла при закалке состоит из трех стадий: подогрева, собственно моллирования (при температуре Tg + 150°С) и выравнивания температуры (при T - Tg + 80°C). Эти операции могут осуществляться последовательно в одной камере печи или в различных камерах. При закалке автомобильного стекла температура моллирования 700-730С°, продолжительность нагревания стекла 1-1,5 мин, моллирования 3-4 мин. После завершения процесса моллирования рамка со стеклом попадает в обдувочное устройство с профильными воздухоструйными решетками. Продолжительность охлаждения -1 мин.

Горизонтальный способ позволяет осуществить поточное производство гнутых крупногабаритных стекол и обеспечивает необходимое качество их поверхности. Однако моллирование стекла вызывает другой дефект - появление поперечной и обратной кривизны и непостоянство геометрических показателей (формы) стекол.

Одним из наиболее прогрессивных способов производства плоских и гнутых стекол является закалка на газовой подушке. По этому способу стекло предварительно нагревают на роликовом конвейере туннельной электрической печи, а затем с него переводят на горячую газовую опору плоскую или гнутую в зависимости от вида стекла.

Наиболее прост способ погружения изделий в жидкие среды, уже используемый для закалки изделий сложной формы. Однако он связан с рядом технологических трудностей: неравномерность охлаждения крупногабаритных изделий вследствие неодновременности погружения их отдельных частей в жидкость (перепады температур между нижней и верхней сторонами закаливаемого изделия); сложность отработки оптимальных условий закаливания в кипящих жидкостях (минеральных маслах, кремнийорганических жидкостях) в связи с большими колебаниями интенсивности охлаждения при переходе от пленочного режима кипения на поверхности стекла к пузырьковому; повышенная вероятность разрушения стекла при закалке в связи с возрастанием при высоких интенсивностях охлаждения временных термоупругих напряжений; ухудшение оптических свойств закаленных стекол при закалке в металлах, обусловленное местными вязкотекучими деформациями поверхностного слоя; трудность погружения стекла в расплавленные металлы, обладающие значительно более высокой плотностью, и возможность деформации стекла при погружении. В связи с этим для закалки погружением в жидкости наиболее перспективными могут оказаться методы горизонтального нагревания и закаливания листов стекла.

Способ закалки стекла распыленными жидкостями обеспечивает более равномерное охлаждение изделия, позволяет регулировать интенсивность теплоотдачи путем применения жидкостей с различными теплофизическими свойствами и варьирования условий распыления путем изменения конструкций форсунок. Применение этого способа особенно перспективно для закалки крупногабаритных изделий.

6. Напряжения при закалке стекла

Процесс закалки - наиважнейший этап производства такого стекла. Термическая обработка (закалка) представляет собой нагревание стекла до температуры в 650-700Сє, при котором материал размягчается. 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.

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.

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.

После закалки стекла дальнейшая его механическая обработка невозможна. Поэтому закаливать необходимо уже готовые листы, которым прежде была придана необходимая форма. Говоря проще, готовое закаленное стекло невозможно подогнать под форму проема. Делать дополнительные фурнитурные разрезы, а также крепежные отверстия - также недопустимо. 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.

Благодаря своим свойствам закаленное стекло нашло широкое применение в различных сферах. Оно используется в условиях, когда требуется не только повышенная механическая прочность материала, но и легкость, воздушность конструкций, а также высокая термическая устойчивость и безопасность. Закаленное стекло при разрушении рассыпается на мелкие частицы, края которых неострые. Поэтому такие конструкции практически не представляют опасности для жизни и здоровья людей. Закаленное стекло применяется для остекления авиационного, автомобильного, железнодорожного и другого транспорта, для производства торгового оборудования, остекления различных зданий, сооружений и т.д. Кроме того, этот материал может применяться и в создании интерьеров жилищ, офисов. Закаленное стекло позволяет воплотить в реальность самые нестандартные дизайнерские решения, чему способствует особый процесс производства данного материала.

Список используемой литературы

закалка стекло напряжение режим

1. Сулименко Л.М. Общая технология силикатов - М, ИНФРА-М, 2004-336 с.

2. Химическая технология стекла и ситаллов: Учебник для вузов/ М.В. Артамонова, М.С. Асланова, И.М. Бужинский и др.; Под ред. Н.М. Павлушкина. - М.: Стройиздат, 1983. - 432 с., ил.

Размещено на Allbest.ru