Способы формования стекломассы
Стекло формуют следующими способами: прессованием и прессовыдуванием, выдуванием, вытягиванием, прокаткой, формованием на расплаве металла, центробежным формованием.
Характеристика способов формования стекла приведена в табл. 5.
| Способы формования | Температура, °C | Рабочий интервал вязкости, П | Вырабатываемые изделия |
| Прессование | 650—1050 | 10 4 —4·10 8 | Стеклоблоки, линзы, призмы, плитки, экраны, изоляторы, посуда |
| Прессовыдувание | 700—1100 | 10 4 —4·10 8 | Изделия с широким горлом: консервные банки, молочные бутылки, фляги и другая тара |
| Выдувание | 750—1100 | 5·10 3 —5·10 7 | Узкогорлая стеклотара: бутылки различных емкостей, изделия сортовой посуды и художественного стекла |
| Вытягивание | 700—1050 | 10 4 —10 8 | Листовое стекло, стеклянные дроты, трубы и трубочки |
| Прокатка | 800—1150 | 10 3 —10 7 | Листовое стекло |
| Центробежное формование | 800—1150 | 10 3 —10 7 | Полые стеклянные изделия, конуса для электроннолучевых трубок |
| Формование на расплаве металла | 1000—1200 | 10 3 —16 6 | Листовое стекло |
В данной главе будут рассмотрены способы формования штучных стеклоизделий (прессование, прессовыдувание, выдувание, центробежное формование). Способы вытягивания и прокатки стекла более подробно будут описаны в гл. XIII—XVI.
Источник
Способы формования стекла.
Основными способами формования стекла являются вытягивание, прокатка, прессование, выдувание, прессовыдувание, центробежное формование и флоат-способ, основанный на свободном растекании стекломассы на подложке. Особенности некоторых из них более подробно рассмотрим при описании технологии получения конкретных видов изделий из стекла, используемых в твердотельной электронике.
Вытягивание стекломассы осуществляется под действием односторонне направленных растягивающих усилий, непрерывно создаваемых вытяжным механизмом. В результате постепенного оттягивания исходной непрерывно пополняющейся и питающей процесс порции стекломассы формируется изделие заданной конфигурации (волокно, труба, лист).
Прокатка стекломассы осуществляется под действием одно или двусторонних сжимающе-растягивающих (раскатывающих) усилий, создаваемых вращающимися валками.
Прессование стекломассы производится за один прием в металлической форме под действием односторонне направленных сжимающих усилий, создаваемых пуансоном.
Выдувание стекломассы осуществляется под влиянием равнодействующих растягивающих усилий, создаваемых во внутренней полости формуемого объекта сжатым газом (обычно.» воздухом).
Центробежное формование стекломассы осуществляют под действием центробежных сил во вращающейся форме (или на диске); используют для формования изделий, вырабатываемых из стекол, трудно поддающихся формованию (тугоплавких, «коротких», кристаллизующихся).
Флоат-способ формования листов стекла осуществляется в закрытой ванне на поверхности расплавленного металла (как правило, олова). Стекломасса сливается по лотку из печи в начало ванны и движется путем свободного растекания по расплаву металла. Плавающая лента стекла, постепенно охлаждаясь и затвердевая, непрерывно оттягивается из ванны вращающимися роликами конвейера, расположенного в конце ванны. Процесс формования происходит под действием массовой силы и противодействия сил вязкого сопротивления и поверхностного натяжения. 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.
Отжиг и закалка стекла. При охлаждении отформованного изделия из стекла между наружными и внутренними слоями стенки устанавливается перепад температур, который создает в стекле механические напряжения. Эти напряжения могут быть постоянными или временными. Постоянные или остаточные напряжения в стекле возникают в том случае, когда охлаждение изделия начинается из вязкопластичного состояния от температур выше Тg. Если же охлаждать (или нагревать) стекло из хрупкого состояния, т. е. от температур, лежащих ниже Тg, то в стекле появляются временные термоупругие напряжения, которые после выравнивания температур исчезают. Значение термоупругих напряжений тем больше, чем выше перепад температур между наружными и внутренними слоями изделия. В свою очередь, перепад температур зависит от теплопроводности материала, толщины стенки и скорости охлаждения.
Постоянные или остаточные напряжения в стеклоизделии, быстро охлажденном из вязкопластичного состояния, имеют сложную структуру. В простейшем случае, например, в листе стекла на поверхности возникает напряжение сжатия, а внутри — растяжения. Это происходит потому, что наружные слои листа вследствие лучшей теплопередачи охлаждаются быстрее внутренних и раньше затвердевают, достигнув температуры Тg. Вслед за ними при дальнейшем охлаждении затвердевают и внутренние слои, также стремясь сжаться, чему препятствуют внешние. По окончании охлаждения, когда по всей толщине изделия устанавливается одинаковая температура, внутренний слой, стремясь принять размеры, соответствующие этой температуре, сжимает наружные слои, приобретая напряжение растяжения. При формовке изделия более сложной конфигурации его стенки охлаждаются неравномерно, поэтому и остаточные напряжения в нем распределяются несимметрично, что снижает механическую прочность и термостойкость этих изделий. Чтобы предупредить появление или устранить имеющиеся остаточные напряжения, производят отжиг стеклоизделии.
Процесс отжига включает следующие стадии: 1) нагрев (или охлаждение) изделия до температуры отжига; 2) выдержку при температуре отжига до практически полного удаления напряжений; 3) ответственное охлаждение — медленное охлаждение до низшей температуры отжига, предохраняющее стекло от возникновения остаточных напряжений, превышающих допустимые; 4) быстрое охлаждение изделия до комнатной температуры, но так, чтобы не превысить термическую стойкость изделий и не вызвать их разрушения.
Диапазон температур отжига (зона отжига) ограничен верхним и нижним возможными ее значениями. Верхней температурой отжига называется температура, при которой в течение 3 мин снимается 95 % остаточных напряжений. Теоретически она соответствует температуре стеклования, практически же во избежание деформации изделий вследствие возможного колебания температур в печи ее поддерживают на 10—15 °С ниже, что соответствует вязкости 10 12 Па*с. Нижняя температура отжига— температура, соответствующая вязкости 10 13 . 5 Па*с, при которой за 1 мин снимается 5 % напряжений; Тg в зависимости от состава стекла на 50-—150°С ниже Тg Таким образом, интервал отжига составляет 50—150 °С.
Закалкой стекла называют операцию искусственного создания в стекле остаточных равномерно распределенных напряжений. Температурный перепад при этом, как отмечалось, возрастает с увеличением толщины стенки изделия и интенсивности охлаждения. Механическая прочность и термостойкость закаленных стеклоизделии в 3-5 раз выше, чем у оттожженных, поэтому закалка является эффективным способом повышения прочности изделий. Повышение прочности закаленных изделий происходит в результате упрочнения наружных слоев вследствие их сжатия. Поэтому внешним разрушающим силам, например, при ударном изгибе необходимо преодолеть еще и искусственно созданные напряжения сжатия.
Источник
Формование стеклоизделий
Наиболее распространенными способами формования являются:
Листовое стекло, стеклянные трубы, стекловолокно
Листовое стекло, профильное, армированное, коврово-мозаичная плитка
Листовое стекло с огненно-полированной поверхностью («плавающая лента»), заготовки оптического стекла
Изделия посудно-хозяйственного назначения
Колбы электроламп, сортовая, хозяйственная, лабораторная посуда.
Процесс формования ленты можно осуществлять двумя способами лодочным и безлодочным. При лодочном способе лента формируется из стекломассы с помощью лодочки – длинного прямоугольного шамотного бруска со сквозным продольным вырезом, переходящим в верхней части в узкую щель. В рабочем состоянии лодочка заглублена в стекломассу, охлажденную до температуры выракак бы два каната, между которыми натянуто полотно- лента стекла. Эти борты каната ботки, так, что верхняя кромка щели находится ниже уровня стекломассы в бассейне. Силы поверхностного натяжения и повышенная вязкость стекла у щели препятствует растеканию стекломассы, образуя «луковицу». Если теперь погружать в «луковицу» железную «приманку» и оттянуть вверх поступающую из щели лодочки стекломассу, то сама лодочка будет препятствовать сужению ленты.
Лента формируется с утолщенными краями, которые образуют как бы два каната, между которыми натянуто полотно – лента стекла. Эти борты канаты удерживают ленту в растянутом состоянии и не дают ей сузиться. Лента оттягивается с помощью валиков машины ВВС. Благодаря специальным холодильникам лента стекла по пути движения от щели лодочки до нижней плоскости машины охлаждается настолько, что прикосновение вращающихся валиков не оставляет на ней отпечатков. На определенной высоте подмашинной камеры лента окончательно отвердевает и перестает растягиваться, что обеспечивает непрерывность ее движения вверх. Изменять толщину ленты стекла можно, варьируя скоростью вытягивания. Достоинства лодочного способа: Простота выработочных устройств; Относительно малые капитальные затраты на строительство установок. Простота обслуживания машин.
Недостатки:Невысокая скорость вытягивания. Возможность появления такого дефекта как полостность. Частые обрывы ленты стекла.
Безлодочный способ вытягивания ленты стекла производиться со свободной поверхности стекломассы. В стекломассу погружают огнеупорный поплавок (2), который способствует созданию направленного потока стекломассы, ее охлаждению до определенной вязкости и стабилизации процесса формования ленты. Меняя глубину погружения поплавка, регулируют температуру и вязкость стекломассы. Для удерживания бортов ленты на уровне поверхности стекломассы применяют спциальные бортоформирующие ролики принудительного вращения. Далее лента вытягивается способом, аналогичным лодочному способу. Достоинства:Средняя скорость ленты выше, чем при лодочном способе (особенно это заметно при выработке ленты с большой толщиной). В 3-4 раза повышается длительность работы формующей машины между обрывами ленты. Позволяет устранить дефект – полосность.
Вытягивание труб осуществляется с помощью мундштука, который является основным формующим органом и представляет собой огнеупорный наконечник, насаженный на трубу из жаропрочной стали. Мундштук расположен в наклонном положении в специальной нагревательной камере, пристроенной к бассейну ванной печи. Он вращается вокруг своей оси, а через специальную трубу в него можно подавать сжатый воздух. Жидкая стекломасса поступает из бассейна ванной печи по желобу в виде тонкой струи на внешнюю поверхность медленно вращающегося мундштука, обволакивает его поверхность ровным слоем и, стекая с его нижнего конца, подхватывается тянульной машиной, снабженной приспособлением для отрезания трубок по длине.
При вытягивании стекловолокна стекломасса вытекает в виде тонких струек из отверстий (фильер) платиновой лодочки. Толщина отдельного волокна составляет 3-4 мкм. Волокно наматывается на быстро вращающийся барабан, сплетаясь предварительно в нити.
Прокатное стекло вырабатывается периодическим или непрерывным способом.
Способом периодического проката получают листы толщиной до 40-50 мм, шириной до 5 метров и длиной до 8 метров. Стекломасса из горшка выливается на наклонную плиту, проходит между двумя парами валков, прокатывающими ленту необходимой толщины, и по второй наклонной плите поступает на приемный стол, который подает ленту в отжигательную печь. Для периодического проката характерна низкая производительность при высокой себестоимости продукции.
В настоящее время применяют способ непрерывного проката , т.е. стекломасса непрерывно поступает в зазор между охлаждаемыми водой прокатными вальцами. Стеклопрокатные машины обеспечивают прокатку стекла различной толщины от 4 до 35 мм.
Толщина стекла непрерывного проката регулируется расстоянием между прокатными вальцами, а скорость проката – окружной скоростью вальцов.
Непрерывный прокатный способ – самый высокопроизводительный способ формования листового стекла: ОДНА ПРОКАТНАЯ МАШИНА ШИРИНОЙ 3 МЕТРА ЗАМЕНЯЕТ 12 МАШИН (ВВС) с шириной ленты 1,8 метра.
Он не может эффективно использоваться для тонкого листового стекла (толщина менее 4 мм).
Невысокое качество поверхности стекла, вследствие соприкосновения стекломассы с металлическими вальцами.
Этот способ формования, называется также способом огненной полировки, флоат-способом или методом «плавающей ленты», используется для получения для получения полированного витринного листового стекла. Это достаточно новый высокопроизводительный и экономичный способ производства полированного высококачественного листового стекла, который получил распространение во многих странах. Особенность способа состоит в горизонтальном формовании ленты стекла на поверхности расплавленного олова, вследствие свободного растекания стекломассы, сливаемой из стекловаренной печи. При температуре 1025 0 С лента при растекании достигает равновесной толщины. За флоат-ванной размещено роликовое устройство, которое непрерывно оттягивает ленту из ванны и перемещает ее в печь для отжига. Для предотвращения сужения ленты при оттягивании ее растягивают в ширину специальными роликами (бортодержателями).
В результате контакта нижней поверхности ленты с идеально гладкой поверхностью расплавленного металла и огненной полировкой верхней поверхности достигается очень высокое качество поверхности листового стекла.
Этим способом производят листовое полированное стекло толщиной от 2,5 до 20 мм и шириной от 1600 до 4000 мм. Скорость вытягивания ленты составляет 300-1500 м/ч в зависимости от ее толщины и ширины.
Необходимость применения значительного количества олова (масса которого во флоат-ванне около 120 тонн).
Сложность эксплуатации технологической линии.
Многие древнеегипетские стеклянные украшения были получены путем расплющивания размягченной стекломассы. Позднее этот способ был почти вытеснен выдуванием, а прессование применялось лишь для изготовления мелких изделий: бус, пробок, пуговиц и т.д.
Способ формования стеклянных изделий выдавливанием из стекломассы в пространстве, ограниченном извне матрице й пресс-формы, а изнутри – керном, называется прессованием.
Основными формующими элементами при прессовании является (см. рис.): пресс-форма, которая оформляет наружную поверхность изделия, пуансон (керн), который формирует внутреннюю поверхность и ограничительное (формовое) кольцо, отделывающее кромку (края изделия).
По окончании прессования, когда стекло достаточно затвердело, керн поднимают, кольцо снимают, а форму раскрывают или переворачивают для извлечения изделия. Автоматическое прессование за счет автоматической подачи порции стекломассы в форму (так называемое капельное питание), производится 300 капель в минуту.
Простой, точный и производительный способ формования.
Отсутствие отходов (масса капли равна массе изделия).
Область его применения ограничена:
— форма изделия должна быть достаточно простой, чтобы пуансон мог свободно выйти из нее, т.е. недопустимы сужения внизу, выступы и углубления. Наружная поверхность при этом может быть достаточно сложной, т.к. форма может быть разъемной;
— стекломасса в тонком слое очень быстро утрачивает текучесть вследствие интенсивной теплопередачи формующим поверхностям поэтому прессованием не удается получать сосуды с тонкими стенками или с сильно вытянутой в вертикальном направлении полостью, так как в этом случае стекло может перейти в хрупкое состояние еще до окончания цикла прессования;
— качество поверхности прессованных изделий невысокое, так как на поверхности могут присутствовать швы от стыков разъемной формы, кроме того, под действием сил поверхностного натяжения вместо острых углов происходит образование округленных поверхностей. Формование изделий идет на полуавтоматических или автоматических прессах.
Дает возможность получать сосуды с полостью любой формы. Кроме того, легко поддаются механизации.
Выдувание осуществляется или вручную с помощью стеклодувной трубки, или на выдувных автоматах (ВР-24, ВС-24).
Способ выдувания с помощью стеклодувной трубки, на которую набирается каплеподобная порция стекломассы, применяют для формования сложных по форме полых тонкостенных изделий с толщиной стенок порядка 2 мм и менее. При этом трубку одним концом накладывают на поверхность стекломассы и начинают вращать вокруг своей оси до тех пор, пока на ней не наберется капля наружного размера (наборка). Трубка с наборкой при непрерывном вращении отделяется от стекломассы и удаляется из печи. Следующая операция – закатка наборки на плоской металлической плите или в яйцевидном углублении деревянного или металлического катальника для придания наборке необходимой формы и для обеспечения определенных значений вязкости, необходимых для выдувания. Затем производиться выдувание и отделение изделия от трубки, а также придание с помощью простейших инструментов (ножниц, планок, шаблонов) нужную ему форму. Выдувание без придания формы сохранило свое значение лишь для производства художественных и особо сложных штучных изделий.
Вредные условия работы.
Машинное выдувание изделий полностью механизировано и наиболее эффективно. При этом основная проблема механизации выдувания – это окончательное оформление края изделия и поскольку эта проблема легко решаема при прессовании изделий, поэтому целесообразно объединить эти два способа.
Прессо-выдувание – это двухстадийный процесс циклического формования полых штучных изделий – преимущественно (широкогорлой более 30 мм) – банки, бутылки, посуды и т.д.
В пресс-выдувных машинах имеются черновая и чистовая формы. В черновой форме методом прессования пуансоном получается первичная заготовка – баночка (или пулька). В чистовой форме, состоящей из двух половинок, баночке придается окончательный вид методом выдувания. При помощи горловых щипцов формуется головка изделия, т.е. верхний его край.
После того, как прессование закончилось, пуансон убирается, а баночка горловыми щипцами переносится в чистовую форму.Затем к горловым щипцам плотно приставляется дутьевая головка, через которую подается сжатый воздух до тех пор, пока идет раздув заготовки до полного соприкосновения ее стенок со всей внутренней поверхностью чистовой формы. После этого дутьевая головка и щипцы удаляются, половинки чистовой формы расходятся и готовое изделие оказывается свободно стоящим на дне формы.
Для выдувания высоких сосудов с узким горлом (например бутылок), применяют машины других типов, использующих выдувание с опрокидыванием пульки и выдувание с вакуумным питателем.
Источник
