ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ СТЕКЛА И СИТАЛЛОВ» Модуль 5. ПРОИЗВОДСТВО СТЕКЛЯННЫХ ИЗДЕЛИЙ

Пятый модуль учебного курса включает основные способы формования стеклоизделий и отжиг стеклоизделий.

Изучив данный раздел, вы будете иметь представление:

• о способах формования стеклоизделий;
• о стадии отжига стекла;
• о недостатках различных способов формования.

Вы будете уметь:

• рассчитывать высшую температуру отжига стекла;
• рассчитывать длительность отжига стекла.

5.1. Теоретические основы формования

Превращение стекломассы в стеклянные изделия – формование, или выработка, – может осуществляться разнообразными способами. Действительно, нет другого материала, который допускал бы такое многообразие способов формования, как промышленное стекло. Из стекла можно изготовлять мельчайшие изделия (бисер, миниатюрные электронные лампочки, тончайшее стекловолокно диаметром в доли микрона) и изделия весьма больших размеров и веса (витринные стекла площадью в 15-20 м², диски для телескопов диаметром в несколько метров, высокие стеклянные колонны). Для изготовления каждого изделия можно выбрать наиболее производительный, дешевый и обеспечивающий заданное качество изделий способ выработки.

Возможность формования стекломассы в пластичном состоянии связана прежде всего с особенностями изменения ее вязкости в зависимости от температуры. По окончании провара стекломасса становится текучей, а по мере охлаждения – пластичной. Пластичность позволяет расплаву принять заданную форму, после чего изделие охлаждается и затвердевает, сохраняя приданную ему форму.

Интервал температур, при которых стекло может быть отформовано, называется интервалом формования или выработки. В этом интервале вязкость стекла изменяется от 10² до 10⁸ Па·с, а при полном отвердевании становится равной 10¹² Па·с.

Температуры и вязкости, соответствующие выработке, зависят от состава стекла и способа формования. В табл. 5.1 представлены вязкостные и температурные интервалы для наиболее распространенных способов формования.

Таблица 5.1

Вязкостные и температурные интервалы для способов формования

Формование протекает в две стадии:

Формообразование – придание пластичной стекломассе конфигурации формуемого изделия в результате приложения внешних сил, характер действия которых обусловлен видом изделия и способом формования; определяющие факторы: вязкость, поверхностное натяжение, пластичность, упругость и характер температурного изменения этих свойств.

Фиксация формы – закрепление конфигурации отформованного изделия в результате твердения стекломассы, характер которого обусловлен составом стекла, видом изделия и способом охлаждения; определяющие факторы: скорость твердения стекла, изменение вязкости стекломассы при изменении температуры (влияние состава стекла) и температуры во времени (условия охлаждения).

В общем виде процесс формования характеризуется следующими условиями:

V ₁ ≥ V ₂ и τ₁ ≤ τ₂, (5.1)

где V ₁, τ₁ – скорость и время формообразования;

V ₂, τ₂ – скорость и время фиксации формы.

Практически формообразование изделия осуществляется значительно быстрее, чем фиксация его формы, поэтому в ходе процесса формования обычно часть времени затрачивается непосредственно на охлаждение и твердение изделий, и соответственно в общем цикле формования, помимо указанных стадий, выделяется, как правило, особый технологический этап – охлаждение изделия. Затраты времени на этот этап в общем ходе процесса непроизводительны, поэтому на практике стремятся к максимально возможному увеличению V ₂, а следовательно, скорости охлаждения и твердения стекломассы при формовании и сокращению за счет этого величины τ₂, которая определяет, по существу, общую продолжительность процесса формования.

В практических условиях для регулирования в нужном направлении продолжительности всего процесса формования и отдельных его этапов необходимо знать скорость твердения стекломассы и возможные технологические способы изменения этого параметра.

Зависимости продолжительности каждого из процессов от скорости твердения являются обратными: с увеличением скорости твердения время твердения уменьшается, а время деформирования увеличивается.

На рис. 5.1 приведены два возможных характерных режима при различных значениях скоростей твердения (V ₁ и V ₂). В первом случае время деформации меньше времени твердения, и общее время формования равно времени твердения. Это наиболее типичный для практики случай, когда отформованное изделие требует еще некоторого времени для отвердевания.

Для ускорения производственного процесса целесообразно уменьшать время формования, например, увеличивая скорость твердения. Во втором случае при скорости V ₂ время деформации больше времени твердения и время формования равно времени деформации.

Рис. 5.1. Возможные режимы формования при различных скоростях твердения: 1 – зависимость времени твердения; 2 – зависимость времени деформирования; τ_опт – оптимальное время формования; τ_опт – оптимальная скорость твердения

Рассматриваемый режим означает, что стекло, достаточно охладившись, еще не приобрело достаточной конфигурации. Учитывая крутой подъем правой ветви кривой на рис. 5.1, следует считать такой режим формования нецелесообразным.

Уменьшением скорости твердения можно в этом случае добиться резкого сокращения времени формования.

Оптимальным является режим, при котором время формования оказывается минимальным (точка пересечения кривых зависимости времени твердения и времени деформации от скорости твердения).

При формовании стеклоизделий решающее значение имеют химический состав стекла, вид формующих устройств и характер их контакта со стекломассой при формовании, температурный режим формуемого изделия и формы, условия охлаждения. Каждый из этих факторов оказывает влияние на скорость твердения стекломассы, что определяет качество изделия и производительность стеклоформующих машин.

Скорость изменения вязкости стекла во времени (скорость затвердевания), зависящая от состава и цвета стекла, определяет необходимое время формования и производительность выработки изделий. Определенную роль в процессе формования играет также поверхностное натяжение стекломассы. Оно может действовать благоприятно или отрицательно, в зависимости от способа формования и величины поверхностного натяжения. При обычном уровне поверхностного натяжения в процессе формования, например, сортовых изделий оно позволяет выдуть из стекломассы без формы тонкостенный пузырь – заготовку будущего изделия. Однако при очень высоком поверхностном натяжении (высокоглиноземистые стекла) раздуть пузырь очень трудно. При вытягивании или прессовании стекла поверхностное натяжение искажает форму пластичных изделий, вызывает сужение вытягиваемых листов, закругление углов и ребер изделий.

Способы формования (см. табл. 5.2) можно разделить на свободные, при которых стекломасса вплоть до затвердевания не контактирует с какими-либо твердыми поверхностями, и контактные, при которых изделия вырабатывают в контакте с формующими поверхностями.

Способы свободного формования применяют при производстве изделий, имеющих чистую гладкую поверхность, которую трудно получить путем механической или химической обработки из-за больших размеров и малой толщины стекла. К ним относится безлодочное вытягивание листового стекла.

Способы контактного формования применяют при выработке изделий, требующих дополнительной обработки поверхности (прокатное листовое стекло, выдувные или прессованные сортовые и хрустальные изделия), либо таких изделий, к качеству поверхности которых не предъявляют особых требований (например, бутылки или банки). При выработке изделий без контакта с формующими поверхностями главное значение имеет тепловой режим в процессе формования. Он должен быть таким, чтобы изделие до момента затвердевания успело приобрести окончательные форму и размеры.

При выработке изделий с использованием формующих поверхностей необходимо, чтобы они оставляли как можно меньше отпечатков и следов на поверхности изделий. Кроме того, стекло при выработке не должно прилипать к формующей поверхности или переохлаждаться ею, так как это вызывает кованость и посечки.

Таблица 5.2

Классификация способов формования изделий

Вытягивание листового стекла. Если в жидкую стекломассу погрузить одним концом плоский металлический лист, то стекломасса к нему прилипнет. Если поднимать затем этот лист вверх, то стекломасса будет вслед за ним вытягиваться с поверхности в виде плоской ленты. Однако под влиянием сил поверхностного натяжения лист стекла при вытягивании начинает суживаться по ширине и толщине, пока не превратится в нить круглого сечения. Чтобы противодействовать силам поверхностного натяжения и предотвратить сужение, необходимо тянуть борта.

Ленту стекла формуют двумя способами – лодочным и безлодочным. Изобретатель лодочного способа вертикального вытягивания стекла бельгиец Эмиль Фурко использовал для формования ленты стекла так называемую лодочку – длинный прямоугольный шамотный брус со сквозным продольным вырезом, переходящим в верхней части в узкую щель.

Лодочка препятствует сужению ленты по двум причинам. Прежде всего она удерживает ленту в растянутом виде благодаря смачиванию шамота стекломассой. Кроме того, лента стекла формуется утолщенными бортами, которые также препятствуют сужению ленты. Утолщение бортов вызвано тем, что в конусах щели лодочки стекломасса охлаждается интенсивнее, чем средняя часть полотна ленты. Вторым приспособлением, которое Фурко использовал для формования ленты стекла, являются водяные холодильники, устанавливаемые по обе стороны вытягиваемой ленты и способствующие быстрому ее твердению. Без холодильников удастся формовать только очень толстое (20-30 мм) стекло, которое медленно вытягивается и успевает затвердеть.

Благодаря холодильникам лента стекла на пути движения от щели до нижней плоскости машины охлаждается настолько, что валики не оставляют на ней отпечатков. Изменяя место установки холодильников относительно щели лодочки, можно влиять на охлаждение «луковицы», т. е. утолщенного участка стекломассы непосредственно над щелью.

Способ горизонтального вытягивания получил распространение при формовании плоского листового стекла толщиной 0,4-20 мм и шириной ленты до 3650 мм и наибольшее использование для выработки стеклянных трубок диаметром от 2 до 50 мм. Очевидные преимущества данного способа в том и другом случаях – это возможность существенного повышения скорости формования и горизонтальное направление технологических линий выработки, что повышает их эксплуатационную надежность и эффективность.

При горизонтальном вытягивании лента стекла формуется со свободной поверхности стекломассы вначале вертикально, по аналогии с безлодочным способом, с помощью двух пар бортоформующих роликов (по краям ленты), а затем, сохраняя еще пластичность, с помощью перегибного вала меняет направление своего движения на горизонтальное (см. рис. 5.2). Такой способ позволяет вырабатывать стекло с высоким качеством поверхности в очень широком диапазоне толщин, а главное – тонкие стекла.

Рис. 5.2. Схема горизонтального безлодочного вытягивания ленты стекла

Вытягивание труб горизонтальным способом сводится к следующему. Стекломасса в виде непрерывной тонкой струи поступает на медленно вращающийся наклонный мундштук, обволакивает его равномерным слоем, стекая с его нижнего конца, оттягивается тянульной машиной в виде трубки, поскольку для ее оформления и охлаждения во внутреннюю полость трубки через внутренний канал мундштука подается сжатый воздух. Возможность вытягивать трубки высокого качества с разнообразно меняющимися толщиной стенок и диаметром, а также простота и надежность данного технологического процесса формования обеспечивают его высокую эффективность.

Прокатка стекломассы производится периодически или непрерывно под действием (соответственно) одно- или двусторонних сжимающе-растягивающих (раскатывающих) усилий, создаваемых вращающимися валками.

Периодическая прокатка осуществляется в один прием путем формования в лист порции стекломассы (выливаемой из горшка) на металлическом неподвижном столе (с бортами) под давлением одного или двух катящихся по нему валков (второй применяют при необходимости сглаживания поверхности листа).

Для этого малопроизводительного способа формования характерно невысокое качество поверхности, что связано с резким охлаждением стекла и твердением при контакте с холодным валом, однако этот способ незаменим в производстве крупноформатных (15-20 м²) и утолщенных (до 100 мм) листов стекла, особенно окрашенных в массе или специализированных составов (трудно формуемых).

Непрерывная прокатка является простым, надежным и высокопроизводительным способом формования листового стекла, однако невысокое качество («кованость») его поверхности, неравномерно затвердевающей при резком ее охлаждении между прокатными валками, исключает возможность применения такого стекла без дополнительной обработки (полирования) там, где необходима хорошая видимость просматриваемых через него предметов (то же требуется для стекла периодической прокатки).

Данный способ очень широко распространен при выработке «сырого» листового стекла, предназначаемого для дальнейшего шлифования и полирования (или применяемого без обработки), а также в производстве для строительства узорчатого, армированного (металлической сеткой) и волнистого листового стекла, профильного стекла и перфорируемой при прокатке ленты стекла с целью получения коврово-мозаичной плитки и облицовочных плит более крупных.

Флоат-способ формования ленты стекла осуществляется в закрытой ванне на поверхности расплавленного металла (олова) путем свободного растекания стекломассы (сливаемой в начало ванны по лотку из печи) и движения по расплаву металла плавающей ленты, которая при этом, постепенно охлаждаясь и затвердевая, непрерывно оттягивается из ванны вращающимися роликами конвейера, расположенного с другого конца ванны.

Процесс формования происходит под действием массовой силы и противодействия сил вязкого сопротивления и поверхностного натяжения (см. рис. 5.3). В результате контакта нижней поверхности ленты с идеально гладкой поверхностью расплавленного металла и огневой полировки ее верхней поверхности (под действием поверхностного натяжения) достигается исключительно высокое качество поверхности листового флоат-стекла. Для предотвращения окисления олова в ванне при высоких температурах и порчи поверхности стекла (отложение оксидной пленки) в ванне создают изолированную инертную среду (смесь азота с водородом).

Рис. 5.3. Схема получения полированного стекла по флоат способу: 1 – канал выработки; 2 – отсечный шибер; 3 – стекломасса; 4 – сливной лоток; 5 – бассейн ванны расплава; 6 – олово; 7 – холодильник; 8 – бортоудерживающие ролики; 9 – графитовые ограничители; 10 – отжигательная печь

Флоат-способ относится к новейшим достижениям в технологии формования листового стекла с полированной поверхностью. Это самый производительный и эффективный способ, позволяющий вырабатывать листовое стекло в большом диапазоне толщин (от 2 до 30 мм), при ширине ленты до 4 000 мм. К недостаткам способа относятся сложность аппаратурного оснащения и эксплуатации технологической линии (в частности, ванны, газостанции по выработке и снабжению защитной атмосферой), а также необходимость применения олова и аммиака.

Прессование стекломассы относится к циклическим способам формования штучных изделий и производится за один прием в металлической (обычно чугунной) форме под действием односторонне направленных сжимающих усилий, создаваемых пуансоном при его движении от привода.

Порция (капля) стекломассы, помещенная в окончательную (чистовую) форму, воспринимая давление опускающегося в нее пуансона (охлаждаемого изнутри водой), формуется в изделие заданной конфигурации, внешний контур которой определяется формой, а внутренний – пуансоном.

Для формования верхнего края изделия и предотвращения выхода стекломассы из формы на нее сверху накладывают (и прижимают механизмом пресса) формовое кольцо. После короткой выдержки, необходимой для снижения деформируемости изделия, пуансон вместе с формовым кольцом поднимают в исходное положение, а изделие после охлаждения и затвердевания удаляют из формы посредством поддона – выталкивателя. Прессование ведут в неразъемных или раскрывных (створчатых) формах, когда прессуют сложные асимметричные изделия.

Прессование весьма распространено, механизировано, поскольку это простой, надежный и высокопроизводительный способ формования разнообразного ассортимента сплошных (массивных) или полых изделий с точно регулируемыми размерами: диаметром 10-650 мм, высотой 10-350 мм, толщиной 3-50 мм и массой 0,02-15 кг. К ним относятся, например, строительные блоки, плитки, экраны кинескопов, изоляторы, посуда, стеклотара, изделия светотехнического стекла (колпаки) и пр.

К недостаткам данного способа относятся невозможность получения изделий с тонкими стенками (менее 2 мм) и невысокое качество их поверхности (кованость, тонкая матовость), обусловленное ее резким охлаждением и твердением в ходе прессования.

Выдувание стекломассы – самый распространенный способ циклического формования полых штучных изделий, осуществляется под влиянием равнодействующих растягивающих усилий, создаваемых во внутренней полости формуемого объекта сжатым воздухом (давлением 0,2-0,3 МПа).

В зависимости от вида формуемых изделий применяют два в принципе разных способа выдувания исходной порции (набора, капли) стекломассы на выдувной трубке или в формах (двойное выдувание, рис. 5.4).

Рис. 5.4. Схема выдувания изделия в форме: 1 – дутьевая головка; 2 – керн; 3 – набор стекла; 4 – форма

Способ выдувания на трубке применяют главным образом для ручного или механизированного формования полых изделий тонкостенных (2 мм и менее), а также для выдувания крупных и толстостенных изделий (сортовое, художественное, электровакуумное, светотехническое стекло, тара большой емкости). Этот, второй, вид изделий и сложные разновидности тонкостенных производят ручным выдуванием на трубке, а выдувание тонкостенных изделий простой формы – разнообразной столовой, химико-лабораторной и медицинской посуды, колб для электроламп и облегченной стеклотары и пр. – полностью механизировано. Выдуванием на трубке формуется широкий ассортимент изделий диаметром 10-400 мм, высотой 15-1000 мм, вместимостью 0,01-50 л. Отличительная особенность всех изделий, выдуваемых на трубке, заключается в том, что их верхняя часть (горло), будучи до конца выдувания соединенной с трубкой и находясь вне формы, не приобретает требуемой конфигурации и в месте сочленения трубки с изделием на его головной части образуется колпачок или венчик.

Таким образом, полученное изделие после его отделения от трубки является, по существу, еще полуфабрикатом и нуждается в дополнительной обработке края. Стекломассу, связанную с выдувной трубкой в виде каплеобразной порции (набора) или подпрессованного диска (или специально формированной ленты), выдувают за один прием вначале свободно – на трубке в воздухе, а затем в окончательной (чистовой) форме.

Способ двойного выдувания в формах капли стекломассы (поступающей из питателя или засасываемой в форму) выполняют в два приема. Первоначально в черновой форме с помощью горловой формы, которая передает образованную пульку (за окончательно оформленное горло) в чистовую форму, где производится завершающее выдувание корпуса сосуда. В ходе такого процесса формование изделий завершается полностью и они не нуждаются в какой-либо дополнительной обработке (кроме отжига).

Данный способ выдувания механизирован, реализуется в очень широких масштабах, обеспечен разнообразными автоматическими машинами и служит для производства узкогорлых (диаметром горла до 30 мм) толстостенных полых изделий (бутылок, склянок и пр.) пищевой, медицинской, химической, парфюмерной и другой стеклянной тары. Вырабатываются изделия диаметром 15-160 мм, высотой 25-300 мм и вместимостью 5-4 500 мл.

Неоценимое преимущество способов выдувания стекла – возможность формовать самые различные по виду и назначению полые изделия, однако выдувание на трубке малопроизводительно и трудно механизируемо, а способ двойного выдувания хотя и высокопроизводителен, но не обеспечивает высокого качества изделий (наличие шва от створчатых форм) и расширение их ассортимента.

Прессовыдувание стекломассы – это двухстадийный процесс циклического формования полых штучных изделий, преимущественно широкогорлой (диаметр горла более 30 мм) толстостенной стеклотары самого разнообразного назначения и вида (банки, бутыли) диаметром 30-170 мм, высотой 50-290 мм и вместимостью 0,1-5 л (см. рис. 5.5).

Рис. 5.5. Схема выработки изделия на прессовыдувной машине: I – прием капли; II – прессование пульки в черновой форме; III и IV – передача пульки в чистовую форму; V – выдувание изделия в чистовой форме; VI – установка изделия на конвейер для отжига; 1 – черновая форма; 2 – капля стекла; 3 – керн; 4 – ограничительное кольцо; 5 – пулька; 6 – горловое кольцо; 7 – чистовая форма; 8 – дутьевая головка

Способ прессовыдувания совмещает в сущности два процесса – прессование из капли стекломассы горла и пульки будущего изделия в черновой форме с помощью пуансона, формового кольца и горловой формы и последующее выдувание пульки в чистовой форме.

Прессовыдувание – эффективный способ формования, который интенсивно развивается и распространяется в производстве узкогорлых полых тонкостенных изделий – облегченной стеклотары, посуды и пр. Недостатком данного способа является известная сложность процесса и его аппаратурного (формового) выполнения, однако он обеспечивает точное регулирование толщины выдуваемых изделий.

Центробежное формование стекломассы, осуществляемое под действием центробежных сил во вращающейся форме (или на диске), используют для формования полых цилиндрических или конических изделий различного назначения, вырабатываемых из стекол, трудно поддающихся формованию (тугоплавких, «коротких», кристаллизующихся). Данный способ, кроме того, получает распространение в связи с развитием механизации формования крупноразмерных изделий сортового и электровакуумного стекла.

5.2. Отжиг стекла

В технологии стекла термин «отжиг» характеризует процесс удаления или уменьшения внутренних остаточных напряжений в стеклоизделиях.

В процессе формования изделий из стекла и их охлаждения между поверхностными и внутренними слоями возникает разность температур, связанная с плохой теплопроводностью стекла. В результате неравномерного остывания поверхностных и внутренних слоев в стекле возникают напряжения сжатия и растяжения. Скорость исчезновения напряжений обратно пропорциональна вязкости среды.

Когда стекло после быстрого охлаждения полностью остывает, т. е. принимает одинаковую температуру по всему объему, напряжения, возникшие в момент охлаждения, либо исчезают – тогда они называются временными, либо остаются – тогда они называются остаточными. Первый случай имеет место, когда процесс быстрого охлаждения протекает при температурах, при которых вязкие (неупругие) деформации в стекле практически не имеют места. Второй случай возникновения остаточных напряжений связан с вязкими (неупругими) изменениями формы стекла и имеет решающее значение для получения закаленного или отожженного стекла.

Процесс отжига большинства стеклоизделий проводят в четыре стадии (рис. 5.6).

I. Стадия предварительного нагрева или охлаждения – изделия должны быть доведены до заданной высшей температуры отжига со скоростью, не вызывающей их разрушения.

II. Стадия постоянной температуры – изделия выдерживаются при высшей температуре отжига в течение времени, достаточного для заданного уменьшения напряжений.

III. Стадия медленного охлаждения – изделия охлаждаются с достаточно малой скоростью, не допускающей возникновения новых остаточных напряжений, превышающих заданные для этой стадии.

IV. Стадия быстрого охлаждения – изделия охлаждаются со скоростью, обеспечивающей допустимые временные напряжения.

В некоторых случаях, когда по условиям формования изделие равномерно прогрето (например, лента листового стекла), режим отжига осуществляется в три стадии: охлаждение до температуры отжига, медленное охлаждение и ускоренное охлаждение (рис. 5.6, б).

Рис. 5.6. Кривая отжига: а – штучных изделий; б – листового стекла

Отдельные стадии процесса охлаждения показаны на кривых прямыми отрезками, длина которых зависит от продолжительности той или иной стадии. На практике подобные кривые режима отжига строят для каждого вида изделия, и ими пользуются при установлении температурного режима в отжигательных печах.

Температурный интервал отжига (зона отжига) ограничен верхней температурой отжига Т _в и нижней Т _н. Верхней температурой отжига называется температура, соответствующая вязкости 10¹² Па·с, при которой в течение 3 мин снимается 95 % остаточных напряжений. Нижняя температура отжига – температура, соответствующая вязкости 10^13,5 Па·с, при которой за 3 мин снимается 5 % напряжений. Т _н на 50-150 ºС ниже Т _в (в зависимости от состава стекла).

Режим отжига стеклоизделий определяется свойствами стекла, формой и размерами изделий, технологией их изготовления, конструктивными особенностями печи отжига. Параметры отдельных этапов отжига (температуры, продолжительности, скорости нагрева) выбирают, исходя из допустимого для каждого конкретного изделия напряжения на основе законов возникновения, распределения и релаксации напряжений.

Контроль качества отжига стекла. Известно, что стекло в отношении его оптических свойств является веществом вполне однородным (изотропным). Однако это относится только к стеклам, свободным от механических напряжений. При наличии в стекле механических напряжений оно становится анизотропным, т. е. в нем возникают явления двойного лучепреломления, присущие кристаллическим телам. Степень двупреломления определяется величиной разности хода обыкновенного и необыкновенного лучей. Чем больше в стекле напряжений, тем больше степень двупреломления и тем, следовательно, больше разность хода лучей. Поэтому, измерив разность хода лучей, можно определить количество напряжений в стекле.

Разность хода лучей обозначается буквой Δ и измеряется в миллимикронах на 1 см двупреломляющей среды (ммк/см). Величину разности хода измеряют прибором, называемым поляриметром. Другим прибором (полярископом) можно качественно характеризовать напряжения в стекле по цветной картинке в поле зрения полярископа, вызываемой эффектом двойного лучепреломления. Распространенные в настоящее время комбинированные приборы – поляриметры-полярископы (см. рис. 5.7) позволяют количественно измерить напряжения в стекле и дать качественную их оценку.

Зная разность хода, можно вычислить величину максимальных остаточных напряжений растяжения в центре образца по формуле

Р = Δ / K,

где Δ – разность хода лучей в ммк/см;

K – оптическая постоянная упругости стекла, равная, в зависимости от состава стекла, 2,4-2,8 см²/кг.

Для получения качественной характеристики напряжений движок переводят в правое положение. Если напряжения в стекле отсутствуют, поле зрения полярископа остается пурпуровым. При наличии в стекле напряжений наблюдаются различные цвета, по которым можно судить о качестве отжига. Равномерное фиолетовое поле зрения свидетельствует о хорошем отжиге; красновато-оранжевые и синие цвета – об удовлетворительном отжиге; белые, зеленые и желтые цвета – признак неудовлетворительного отжига.

Рис. 5.7. Схема поляриметра-полярископа: 1 – осветитель; 2 – электролампа;
3 – экран; 4 – поляризатор; 5 – стекло; 6 – анализатор; 7 – лупа; 8 – движок

Расчет высшей и низшей температуры отжига

Для установления режима отжига того или иного стеклянного изделия определяют прежде всего температурный интервал, в котором могут возникнуть или исчезнуть остаточные напряжения. Этот интервал ограничивается высшей и низшей температурой отжига.

Высшая температура отжига теоретически соответствует границе хрупкого состояния стекла (T_g). Практически из-за возможной деформации изделия температуру отжига в печах устанавливают на 20-300 ºС ниже Tg.

Зная химический состав данного стекла и температуру отжига стекла близкого состава, можно определить приближенно высшую температуру отжига расчетным путем. Для этого используют данные табл. 5.3.

В табл. 5.3 показано, как изменяется ранее известная высшая температура отжига стекла определенного состава при замене в нем 1 % SiO₂ на 1 % какого-либо другого оксида.

Показатели со знаком плюс означают повышение температуры отжига, со знаком минус – понижение. Знак нуль показывает, что данный оксид не влияет на температуру отжига. Значения высшей температуры отжига для стекол различного состава приведены в табл. 5.4.

Низшая температура отжига обычных стекол по теоретическим данным на 48-58 ºС ниже высшей температуры отжига. Практически эту разницу для обычных стекол принимают равной 100 ºС, а для оптического стекла – 150 ºС.

Таблица 5.3

Изменение высшей температуры отжига в зависимости от химического состава стекла (по данным Гельгоффа и Томаса)

Пример. Рассчитать высшую температуру отжига листового стекла следующего состава (в %): SiO₂ – 71,8; Al₂O₃ – 1,6; Fe₂O₃ – 0,15; CaO – 6,44 MgO – 4,3; Na₂O – 15,2.

1. По табл. 5.4 находим состав стекла, близкий по составу к заданному. Таким является состав № 16 (в %): SiO₂ – 75; Al₂O₃ – 0,93; Fe₂O₃ – 0,07; CaO – 7,52; MgO – 1,64; Na₂O – 14,84. Высшая температура отжига этого стекла – 524 ºС.
2. Из табл. 5.3. видно, что 1 % Na₂O при содержании этого оксида в стекле в пределах 10-15 % понижает высшую температуру отжига на 4 ºС. В заданном составе Na₂O больше, чем в составе № 16, поэтому его температура отжига ниже на –4 (15,2 – 14,84) = –1,4 ºС.
3. Al₂O₃ в количестве 1 % повышает температуру отжига на 3 ºС, следовательно, температура отжига увеличится на +3 (1,6 – 0,93) = +2 ºС.
4. 1 % СaO при содержании этого оксида в пределах 5-10 % повышает температуру отжига на 6,6 %. Количество СаО в заданном стекле меньше, чем в составе № 16, поэтому его температура отжига упадет на +6,6 (6,4 – 7,52) = –7,4 ºС.
5. MgO в количестве 1 % повышает температуру отжига на 3,5 ºС. Поэтому температура отжига будет выше на +3,5 (4,3 – 1,64) = +9,3 ºС.
6. Fe₂O₃ в пределах 0-5 % не изменяет температуры отжига.

Следовательно, искомая высшая температура отжига равна

524 – 1,4 + 2 – 7,4 + 9,3 = 526,5 ºС.

Таблица 5.4

Значение высшей температуры отжига для некоторых составов стекол

5.3. Расчет режима отжига

Для построения кривой необходимо для каждого вида изделия рассчитать продолжительность всех стадий отжига. Для расчета отжига предложен ряд методов. На практике для быстрого расчета режима отжига чаще пользуются упрощенными формулами, приведенными ниже.

Первая стадия – нагревание изделия до высшей температуры отжига. Стекло нагревают до температуры отжига со скоростью от 20/ а ² до 30/ а ² град/мин, где а – полутолщина сплошных стеклянных изделий (например, листов) и толщина полых стеклянных изделий в сантиметрах. Эта скорость зависит от химического состава стекла, формы изделия и т. п. Так, плитку стекла толщиной 20 мм можно нагревать со скоростью

ν = 20/1² = 20 град/мин.

При ориентировочных расчетах продолжительность нагревания изделий толщиной до 5 мм принимают равной 15 мин.

Вторая стадия – выдерживание изделия при высшей температуре отжига. Время выдержки рассчитывают по формуле τ = 102 а², где а – полутолщина полых и сплошных изделий в см.

В данном случае время выдержки составит τ = 102 · 10 = 102 мин.

Для технических стекол, где величина допустимых напряжений равна 10 ммк/см, выдержку изделий следует рассчитывать по формуле

τ = 150 · а ².

Третья стадия – медленное охлаждение изделий в опасном интервале температур. Эта стадия является наиболее ответственной из всего процесса отжига. Если форсировать охлаждение стекла в этом интервале, то в нем могут возникнуть разрушающие остаточные напряжения, которые в процессе дальнейшего охлаждения уже нельзя устранить.

Скорость охлаждения изделий в опасном интервале больше всего зависит от толщины изделия и от допустимой величины остаточных напряжений.

Выше указывалось, что критерием хорошего отжига ответственных изделий считается наличие в них остаточных напряжений в количестве не более 5 % разрушающих напряжений. Однако в некоторых ответственных изделиях, например в оптических стеклах 1 категории, допускается наличие остаточных напряжений не более 0,1 %, т. е. 2 ммк/см. Наоборот, для ряда малоответственных изделий возможны цифры в пределах 20, т. е. 400 ммк/см.

Если допускается не более 5 % остаточных напряжений, скорость медленного охлаждения в опасном интервале рассчитывают по формуле

ν = 0,33/ а ² град/мин.

При норме допускаемых остаточных напряжений не более 20 % скорость охлаждения рассчитывают по формуле

ν = 1,3/ а ² град/мин.

Таким образом, пластину стекла толщиной 10 мм в первом случае можно отжигать со скоростью ν = 0,33/12 = 0,33 град/мин, а во втором случае ν = 1,3/12 = 1,3 град/мин.

При опасном интервале (100 ºС) продолжительность охлаждения пластинки в первом случае составляет 100/0,33 = 300 мин., во втором – 77 мин.

Четвертая стадия – ускоренное охлаждение затвердевшего стекла. На этой стадии охлаждение следует вести предельно осторожно, т. к. чрезмерные временные напряжения могут также вызвать разрушение изделия. Скорость быстрого охлаждения Адомсон и Винкельямсон рекомендуют определять по формуле

ν = 10/ а ² град/мин.

Однако с учетом того, что величина разрушающих напряжений соответствует скорости 65/ а ² град/мин, запас прочности в 6,5 раза,