Формование ленты стекла

Превращение стекломассы в твердое изделие заданной конфигурации в результате приложения внешних сил и его постепенного охлаждения и твердения называют формованием.

Стекломасса не имеет себе равных по способности к формованию. Процесс формования стеклоизделий отличается простотой и разнообразием. Благодаря вязкости и текучести стекломасса легко растекается по поверхности, отливается в форму, вытягивается в виде нитей, лент, стержней, труб, дротов или раздувается (газом) в тонкие волокна. В вязкопластичном состоянии стекломасса поддается выдуванию, прессованию и прокатке в плоский лист или профилированные изделия. В размягченном состоянии стекло легко изгибается, спекается, сваривается, вспенивается.

Универсальная способность стекломассы к формованию заложена в самой ее природе и обусловлена особенностями структурирования стеклообразного состояния:

• переход из жидкотекучей стекломассы в твердое стекло не сопровождается скачкообразным изменением свойств и структуры, поэтому изменение объема и деформации материала при формовании незначительны;
• способность стекла обратимо и постепенно затвердевать и размягчаться в результате монотонного нарастания и понижения вязкости в зависимости от температуры обеспечивает возможность регулирования свойств материала (текучести, пластичности) в ходе процесса формования;
• высокие значения поверхностного натяжения стекла и характер его изменения с температурой способствуют переходу стекломассы в каплевидную форму, оплавлению краев изделий, выравниванию (полированию) поверхности стекла и являются необходимым условием процессов выдувания стекла, огневой полировки стекла, капельного питания автоматов стекломассой;
• высокая теплоизлучательная способность стекломассы благоприятно влияет на ход процесса формования, так как за счет излучения увеличивается теплоотдача;
• низкая теплопроводность стекла обусловливает своеобразный характер охлаждения и твердения стекла преимущественно с поверхности, что способствует формованию и обеспечивает осуществление процессов формования вытягиванием, выдуванием.

Различают две стадии формования стеклоизделий:

Первая стадия – формообразование. Стекломасса приобретает конфигурацию изделия в результате ее деформации. Скорость и продолжительность стадии формообразования зависят от реологических (текучести, вязкости, пластичности) и поверхностных свойств стекломассы (η = 10²– 4∙10⁵Па∙с; Т = 1200–800°С).

Вторая стадия – фиксация формы. В результате охлаждения стекломасса интенсивно твердеет, происходит закрепление достигнутой конфигурации. Скорость и продолжительность стадии фиксации формы определяется характером изменения вязкости стекломассы с температурой (η=10⁸–10¹² Па∙с; Т = 900–500°С).

Зависимости времени формования и фиксации формы от скорости твердения стекла противоположны. Поэтому существует оптимальная скорость охлаждения, при которой время первой и второй стадии равно (τ₁ = τ₂), в этом случае производительность формующего оборудования максимальна. На практике τ₂ > τ_1. Непроизводительное время затрачивается на охлаждение и твердение стекломассы: Δτ = τ₂ – τ₁.

Время и скорость формообразования определяются:

1. удельным усилием, затраченным на деформацию стекломассы при формовании;
2. давлением (Р), необходимым для преодоления сил внутреннего трения стекломассы при формовании;
3. плотностью стекломассы (ρ), определяющей силу тяжести, под действием которой она растекается: F = m ∙ g = ρ ∙ V ∙ g;
4. обратимостью температурной зависимости вязкости, что позволяет повторно разогревать стекломассу, осуществлять перенос изделий из одной формы в другую;
5. поверхностным натяжением, которое обусловливает удельное напряжение сжатия под давлением.

Скорость и продолжительность стадии фиксации формы стекла определяется характером и интенсивностью твердения стекла и зависит от:

1. температурного хода кривой вязкости – «длина» стекла зависит от состава стекла;
2. теплофизических свойств стекла (коэффициенты теплопроводности, температуропроводности, теплопередачи, теплоемкости С_р), которые определяют сложный характер теплообмена стекломассы с внешней средой: стекло – воздух – при выдувании; стекло – металл – при прессовании; стекло – металлические (охлаждаемые водой) валки – при вытягивании, прокатке;
3. степени равномерности охлаждения и твердения стекла, распределения температуры по толщине изделий.

Способы формования стеклоизделий делятся на:

• непрерывные – вытягивание, прокатка. Первая и вторая стадии формования осуществляются одновременно и разделены в пространстве;
• циклические – прессование, выдувание, прессовыдувание, центробежное формование. Включают чередование нескольких операций (циклов), первая и вторая стадии разделены во времени.

Непрерывными способами формования получают плоские и цилиндрические изделия с бесконечным размером в направлении формования (лента, труба, волокно).

Производство листового стекла осуществляется способом вытягивания. Вытягивание происходит под действием односторонних растягивающих усилий. В методе вертикального вытягивания сила тяжести препятствует действию внешних сил. Показана схема получения ленты стекла методом вертикального вытягивания. Керамическая лодочка заглубляется в стекломассу, сквозь щель в лодочке выдавливается стекломасса в виде луковицы, сверху опускается металлический лист с зазубринами, смачивается стекломассой и начинает подниматься с помощью системы валков, за ним тянется лента стекла; охлаждением ленты, с помощью охлаждаемых фартучных холодильников, осуществляется закрепление формы. Отжиг ленты стекла осуществляется в шахте машины ВВС.

Показана схема получения ленты стекла флоат-методом. Стекломасса из стекловаренной печи перетекает в ванну с расплавленным оловом и растекается по ее поверхности под действием силы тяжести, сила поверхностного натяжения препятствует растеканию, вытягивающая сила рольганга способствует продвижению ленты стекла в направлении формования, в условиях равновесия лента принимает равновесную толщину. Одновременно с формованием осуществляется полировка нижней поверхности ленты стекла за счет скольжения по олову, а верхней поверхности – за счет огненной полировки, так как температура формования составляет 850°С.

Производство узорчатого, волнистого, армированного (с металлической сеткой) листового стекла, коврово-мозаичной и облицовочной стеклянной плитки осуществляется методом прокатки. Скорости проката: узорчатое 4–6 мм – 120–300 м/ч; армированное 5–6 мм – 100–240 м/ч. Прокатка осуществляется под действием двусторонних (сжимающе-растягивающих) усилий (создаваемых вращающимися валками). Сила тяжести способствует действию внешних сил.