Способ закалки стекла и устройство для его осуществления
Союз Советсиик
Социалистически к
Республик
ОП ИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
С ОЗ В 27/OR (Ъаударстааиай камнтет СССР III делам нмбретений к аткрытнй d (23) Приор. тет Опубликовано 23.02.82.Бюллетень № 7 Дата опубликования описания 23.02.82 (53) УДК 656.1.038 (O88. 8) А, М.Бутаев, P.Ï.1(åëèíà, Ю. B.Ëèïîâöåâ, В.В.Попов, Н.П.Коваленко, И,А.Горбань, Е,М.Ковалева и, В- раиф Ь . - 1 11 1 t O ТЕХНнЧПСМАЯ 1 бчклцптеб а (72) . Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ ЗАКАЛКИ СТЕКЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относится к промышлен,ности строительных материалов, а именно к упрочнению стекла путем жидкостной закалки и может быть использовано в стекольной промышленности для получения высокопрочных стеклоиэделий, Известен способ жидкостной закалки стекла, преимущество которогоувеличение степени закалки стекла, которая достигается за счет повышения интенсивности охлаждения Щ Однако с увеличением интенсивности охлаждения в стекле возникают термовяэкоупругие напряжения, приводящие к образованию микротрещин и посечек. Эти микротрещины и посечки приводят к снижению прочности стекла, например для интенсивно закаленного стекла не соблюдается равенство Ро + c+ где Ро и P - прочности исходного и закаленного стекла. 6 >- поверхностные напряжения сжатия. Кроме того, они являются источником самопроизвольного разрушения закаленного стеклоизделия. Особую опасность представляют микротрещины и посечки, образующиеся на ведущем крае стеклоиэделия, посколь" ку интенсивность охлаждения его значительно выше интенсивности охлаж" дения последующих частей. Таким образом, с увеличением интенсивности охлаждения стекла усиливается противоречие между процессами образования закалочных и термовяз коу пру ги х напряжений . С одной стороны, интенсивное охлаждение способствует увеличению степени упрочнения, но с другой стороны, образующиеся при этом микротрещины и посечки снижают эффект упрочнения. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ, согласно которому 90695 ведущий край стекла нагревают на 5-40оС (преимущественно на 20ОС) выше, чем ведомый, после чего охлаж . дают путем погружения в равномерно нагретую жидкость. 5 Устройство для реализации известного способа содержит печь предвари" тел ьного нагрева, закалочную печь с механизмом для перемещения стекла и ванну охлаждения с жидкостью. На- >о гревание ведущего края стекла на 5-40 C выше ведомого достигается за счет неравномерного перемещения стекла через зону нагрева закалочной печи таким образом, чтобы ведущий край находился в этой зоне большее время, чем ведомый (23. К недостаткам известного способа следует отнести то, что нахождение ведущего края стекла в зоне нагрева gg большее время, чем время пребывания ведомого края, приводит к деформации изделия, При этом охлаждение стекла, ведущий край которого нагрет на 5-40 C выше ведомого путем погруо жения в равномерно нагретую до относительно невысокой температуры (например 50-80 С) жидкость, не ohecпечивает полного исключения образования посечек на ведущем крае стекло- ЗО изделия, а повышение температуры нагревания жидкости приводит к уменьшению степени упрочнения,т.е, устранить противоречие между процессами образования закалочных и термовязкоупругих напряжений с помощью известного способа не удается. Кроме того, реализация принципа создания градиента температуры по стеклу путем его перемещения через зону нагрева закалочной печи приводит к увеличению габаритов закалочной печи, к неоправданному расходу электроэнергии, а также встречает серьезные технические трудности, связанные с необходимостью обеспечения неравномерной скорости перемещения, которая определяется не только теплофизическими свойствами стекла, но и геометрическими размерами стеклоиз50 делия, Целью изобретения является повышение степени упрочнения и качества стекла, Поставленная цель достигается тем, что согласно способу закалки, включающему нагрев стекла с обеспечением температуры ведущего края выше ведомого, перемещение и oxпаждение 2 в жидкости, ведущий край стекла нагревают на 10-50ОС выше ведомого, а верхние слои толщиной 5-15 см йагревают на 50-200ОС выше остальной части, При этом целесообразно нагрев осуществлять при градиенте температуры снизу вверх. Кроме того, стекло охлаждают с выдержкой в жидкости при 10-50 С в течение 30-60 мин. В устройстве для закалки стекла, включающем печь предварительного нагрева, закалочную печь с нагревательными элементами, ванну охлаждения и механизм перемещения стекла, закалочная печь установлена с возможнос-. тью поворота на 180, со скоростью свободного падения стекла и снабжена направляющими и фиксатором, а нагревательные элементы расположены по ее высоте с уменьшающимся кверху шагом, ванна охлаждения снабжена нагревателями в верхней части и холодильниками s нижней, а механизм перемещения выполнен в виде монорельса, с электроталями и автоматическими захватами. На чертеже представлено устройство для закалки стекла, общий вид, Устройство содержит печь. 1 предварительного нагрева, представляюшую собой теплоизоляционную камеру с нагревателями для нагрева стекла до 400-500О С, закрепленной на подвешен" f ной к монорельсу 2.электротали 3, снабженной автояатическим захватом 4. Ниже печи l установлена на приводной тележке 5 ванна 6 охлаждения, снабженная нагревател ьными элементами 7, обеспечивающими нагрев верхнего слоя жидкости толщиной 5-15 см до 250 С (зона охлаждения), холодильником 8, обеспечивающим поддержание температуры остальной части жидкости (зоны закалки) равной 10-50 С, ребрами 9 для предотвращения перемешивания жидкости и аммортизирующим дном 10. Между печью 1 и ванной 6 с жидкостью расположена на цапфах ll снабженная приводом 12 поворота на 180О со скоростью свободного падения стеклоизделия закалочная печь 13, представляющая собой теплоизоляционную камеру с нагревательными элементами 14, расположенными с убывающим кверху шагом, направляющими 15 и фиксатором 16 дпя стекла. 9069 К монорельсу 2 подвешен посредством другой электротали 17 второй автомати ческий захват 18. По обе стороны от ванны 6 расположены загрузочный конвейер 19 и загрузочный 5 конвейер (на чертеже не указан), Работа всех элементов установки увязана посредством автоматики в единый технологический цикл и заключается в следующем. Стеклоизделие с загрузочного конвейера 19 снимается автоматическим захватом 4 и поступает в печь предварительного нагрева 1. Вклю чаются электронагреватели с приводом горизонтального перемещения 1электроталью) этой печи и последняя устанавливается над закалочной печью 13. После достижения заданной температуры нагрева (400-500 С) 20 стекло опускается захватом 4 в направляющие 15 предварительно выведенной .на режим закалочной печи 13 и фиксируется фиксатором 1б. Далее стекло выдерживается из расчеъа 40-60.с на 1 мм толщины и печь 13 посредством своего привода 12 поворачивается на 180 со скоростью свободного поворота. В конце поворота фиксатор 16 отключается и стекло падает в ванну 6 охлаждения, в которой верхние слои жидкости нагреты на 100-200 С выше нижних. Затем печи 1 и 13 возвращаются в исходное положение, и в печь 13 поступает новое стеклоизделие. 35 После выдержки 30-60 мин стекла в ванне 6 включается привод перемещения тележки 5 и ванна 6 перемещается на позицию разгрузки,. где стекло вынимается из ванны автоматическим 4о захватом 18. Далее ванна 6 возвращается в исходное положение, а захват 18, закрепленный на электроталь 17 перемещает стекло на разгрузочный конвейер. 45 Использование предлагаемых способа закалки и устройства для его осуществления обеспечивает по срав нению с известными способом и устройством создание градиента температуры в стекле, расположенном в вертикальном положении, в котором более нагретый край находится вверху, что позволяет увеличить температуру его 52 6 нагревания на 5-10 С выше по сравне-, нию с существующим способом без увели че ни я ст епе ни д ефор мац ии ст еклои зделия . При этом -верти кал ьное расположение стекла и его поворот на 180О со скоростью свободного падения, в отличие от его перемещения через зону нагрева закалочной печи, практич ес ки не отражается на деформации стеклои аделия . Кроме того охлаждение стекла, ведущий край которого нагрет на 1050 С выше ведомого, s жидкости, верхние слои которой нагреты на 50-200ОС выше остальной части, позволяет не только практически полностью исключить образование посечек и микротрещин, но и увеличить степень упрочнения, Это досткгается за счет уменьшения интенсивности охлаждения ведущего края стеклоизделия на первой стадии его погружения в жидкость, т,е. в момент соприкосновения с жид« костью и увеличением интенсивности охлаждения во второй стадии погружения, т.е. когда стеклоизделие полностью погружено в жидкость. Пример 1. 100 образцов размером 100х100х5 мм с отполированными торцами, изготовленные из промышленного листового стекла (Борского стеклозавода) произвольно разбиваются на 10 партий. Первые три партии закаляются согласно известному способу, а остальные семь партий - по предлагаемому способу. В качестве среды охлаждения используют полиметилсилоксановую жидкость ПМС-400. При закалке стекла по предлагаемому способу толщина нагретой части жидкости составляет 5-7 см, эоны закалки - 13- 15 см (общая высота жидкости 20 см) и время выдержки стекла в зоне закалки жидкости— 30 мин. Закаленные образцы подвергают визуальному контролю на наличие посечек и определению механической прочности на центральный симметричный изгиб. Прочность исходного стекла составляет 14,2 мг/мм при коэффициенте вариации 333. 8 табл. 1 приведены полученные экспериментальные данные. 906952 Табли ц а Температура, С Способ закалки Содержание oGМеханическая Коэффициент ваБеэопасная прочность,, кг/ми жидкости стекла раэцов с посечпрочность кг/им ри ации, о с веду". ведо- зоны щего мого охлажзоны за калками ф края кр-: дения ки 29,1 33 26,4 35 25,9 37 +О,) -",3 -2,8 28, 3,25 670 640 175 670 650 175 33,7 28 +5,4 »11» 28,1 31 31,5 21 28,2 23 28,7 29 35,2 23 +2,0 +11,6 +3,7 670 640 75 25 +10,9 Известный 670 650 50 50 670 650 100 100 670 650 150 150 Предлагаемый 670 620 175 670 660 175 25 670 640 125 25 670 640 100 25 Из табл,1 видно, что при закалке стекла известным способом с увеличением температуры нагревания жидкости вероятность образования посечек действительно снижается, но одновременно с этим снижается и степень упрочнения стекла. Это свиде- тельствует о том, что известный метод закалки стекла не решает полностьюю проти воречи е между процессами образования закалочных и термовяз оу пру ги х напр яжений . Предлагаемый способ закалки стекла обеспечивает увеличение механической прочности с одновременным снижением вероятности образования посечек на ведущем крае стекла. Можно видеть, что если при закалке стекла известным. способом 6 из 30 образцов имели посечки, т.е. 203, то при закалке стекла по предлагаемому способу — только 3 иэ 70 образцов, т,е. 4 . Кроме того, предлагаемый способ закалки стекла обеспечивает получение закаленного стекла со значительно более стабильными механическими свойствами, что имеет особо важное практическое значение.Так, безопасный уровень прочности стекла, закаленного известным способом, не превышает О, 3 мг/ии, тогда как предлагаемый способ обеспечивает получение стекла, безопасный уровень 1 прочности которого превышает 10 кгlмм, Пример 2. Четыре партии образцов (по 5 образцов в каждой партии) закаляют как в примере 1, с той лишь разницей, что время выдерж50 ки стекла в зоне закалки жидкости изменяют от 5 до 120 мин, Непрерывный теплосьем обеспечивают путем регулирования скорости подачи воды через холодильник ванны с жидкостью, 55 Условия закалки, прочность эакален/ ных образцов, а также значения величин относительно прироста прочности R=(P -Р ) ..100/Р 3 в в 906952 Таблица 2 R,i Температура, ВС МеханиВре мя выдержки стекческая прочность, кг/мм жидкости стекла ла в зоне заэоны закалведомого края зоны охлаждения в едущео го края калки жидкости, мин ки 108 29,5 670 640 670 640 175 25 175 25 175 25 175 25 137 33,7 142 34,3 670 640 670 640 140 34,0 120 25 формула изобретения 35 где Ро и Р имеют указанные значения. Из табл. 2 видно, что увеличение выдержки стекла в зоне закалки жид" кости в условиях непрерывного теплосьема от 5 до 60 мин приводит к увеличению прочности примерно на 5кг/мм что составляет 344. Дальнейшее увеличение длительности выдержки существенного влияния на прочность не оказывает. 1. Способ закалки стекла, включающий нагрев стекла с обеспечением температуры ведущего края выше ведомого, перемещение и охлаждение в жид- 40 кости, отличающийся тем, что, с целью .повышения степени упрочнения и качества стекла,, ведущий край стекла нагревают на 10-50оС выше ведомого, а верхние слои толщи- 45 ной 5-15 см нагревают на 50-200 С вы, ше остальной части, 2. Способ по п.1, о т л и ч à юшийся тем, что, с целью уменьшения степени деформации стекла, на- 5в грев осуществляют при градиенте температуры снизу вверх. В табл.2 приведены прочности исходного и закаленного стекла. Способ попп. 1и 2, отлич а ющи и с я тем, что, стекло охлаждают с выдержкой в жидкости при 1О-50ОС в течение 30-60 мин. 4. Устройство для закалки стекла, включающее печь предварительного нагрева, закалочную печь с нагрева тельными элементами, ванну охлаждения и механизм перемещений стекла, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, закалочная печь установлена с возможностью поворота на 180 со скоростью свободного падения стекла и снабжена направляющими и фиксатором, а нагревательные элементы расположены по ее высоте с уменьшающимся кверху шагом, ванна охлаждения снабжена нагревателями в верхней части и холодильниками в нижней, а механизм перемещения выполнен в виде монорельса с электротапями и автоматическими захватами . Источники информации 1 принятые во внимание пр«экспертизе 1. Бартенев Г.M. Механические свойства и тепловая обработка стекла. М., 1960, с. 121-129. 2. Патент Великобритании 11253681, С 1 М, 1976 (прототи и) . 906952 Составитель Т.Буклей Техред И.Гайду Корректор А.Ференц о Редактор Л.Лукач Заказ 503/28 Тираж 50 7 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и .открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4
