Проект цеха по производству закаленного стекла

Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет Факультет ХТиТ Кафедра технологии стекла и керамики Специальность 41 1−48 01 01

Специализация 111 1 1−48 01 01 06

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовому проекту по дисциплине «Технология стекла»

Тема «Проект цеха по производству закаленного стекла»

Исполнитель Грушко Н.Н.

студент (ка) 5 курса группы 8

Руководитель Терещенко И.М.

канд. техн. наук, доцент Минск 2012

РЕФЕРАТ Курсовой проект содержит страницу, таблиц, рисунков, источников литературы, регламент цеха промышленной переработки стекла на ОАО «Гомельстекло».

шихта, печь, промышленная переработка, напряжения, отжиг, резка стекла, шлифовка, сверление, мойка, закалка стекла, прочность, степень закалки, охлаждение, способ Целью курсового проекта является проект цеха промышленной переработки листового полированного стекла и выпуска закаленного стекла производительностью 1,5 млн. м² в год. Для формования ленты стекла выбрана современная флоат-технология. Проект промышленной переработки стекла основан на внедрениях нового оборудования ведущих фирм в области обработки и закалки стекла, таких как INTERMAC-Италия, и TAMGLASS-Финляндия, что позволяет снизить технологические потери, уменьшить производственные площади, исключить приобретение большого ассортимента заменяемых деталей, обеспечивает снижение затрат времени на ремонт, снижает простои оборудования и трудоёмкость процессов.

Таким образом, цех может выпускать как архитектурное, так и техническое стекло широкого ассортимента. Данный проект предусматривает возможность гибкой перестройки на выпуск любого вида закаленного стекла по требованию потребителя.

В проекте приведено обоснование выбора технологической схемы производства и ее описание, рассчитан материальный баланс, рассчитано и подобрано оборудование для производства заданной продукции, описаны мероприятия по охране труда и окружающей, предусматривается автоматизация производства, в частности процессов порезки стекла на фигурные форматы, шлифовки кромок, сверлению отверстий, закалки и т. д.

1. Аналитический обзор

1.1 Состояние и перспективы развития технологии производства закаленного стекла

1.1.1 Общая характеристика

1.1.2 Технологический процесс производства закаленного стекла

1.1.3 Двойное лучепреломление и способы его оценки

1.1.4 Причины упрочнения закаленного стекла

1.2 Описание существующих способов производства. Выбор и обоснование принятого способа производства

1.2.1 Закалочные среды и способы закалки стекла

1.2.2 Способы производства закаленного стекла

2. Технологический раздел

2.1 Ассортимент выпускаемой продукции

2.2 Применяемое сырье и его характеристика

2.3 Обоснование выбора технологической схемы производства и ее описание

2.4 Расчет материального баланса

2.5 Расчет и подбор оборудования

2.6 Расчет складов сырья и готовой продукции

2.7 Контроль качества продукции

3. Охрана труда и охрана окружающей среды

3.1 Охрана труда

3.2 Мероприятия по охране окружающей среды Заключение по проекту Перечень графического материала Список используемых источников

Закаленное стекло находит свое применение в случаях, когда простое стекло не отвечает требованиям прочности и безопасности.

В последние годы закаленное стекло получило широкое распространение в строительстве и архитектуре. Такая тенденция связана с популярностью разного рода конструкций, пропускающих дневной свет. Для реализации подобных проектов как нельзя лучше подходит закаленное стекло, прочность которого почти в 3−5 раз превосходит аналогичный показатель обычного стекла. К тому же закаленный материал безопаснее в использовании.

Закаленные стекла применяется для отделки фасадов зданий и монтажа прозрачной кровли, для остекления террас, лоджий, беседок, балконов. Из данного материала изготовлены остановки общественного транспорта, перегородки внутри офисов, ограждения лестниц и даже душевые кабины.

В промышленности закаленное стекло служит материалом для изготовления торгового оборудования (витрин, прилавков) и мебели для медицинских учреждений, дверей для духовых шкафов и печей-гриль, полок для холодильников и мебели. Именно из закаленного стекла производится современная стеклянная мебель и т. д. Поэтому закалка стекла — современное решение для современной техники и прочего.

Закалкой стекла называется термическая обработка стекла, представляющая собой процесс создания в стекле значительных постоянных внутренних напряжений путем быстрого охлаждения стекла от температуры, лежащей выше температуры стеклования.

Закаленное стекло представляет собой листовое стекло, подвергнутое специальной термической обработке — закалке, в результате которой в объеме стекла возникают закономерно распределенные внутренние напряжения, повышающие механическую прочность стекла и обеспечивающие особый (безопасный) характер его разрушения. Увеличение механической прочности обуславливает повышение термостойкости стекла в 2−5 раза (с 70 до 180^оС). У листового стекла термостойкость около 70^оС, закаленного — до 180^оС, что препятствует разрушению закаленного стекла при перегреве или перепаде температур. Это особенно важно при использовании в наружном остеклении тонированными и рефлекторными стеклами с коэффициентом поглощения тепловой энергии более 25%, когда стекло может разогреться до температуры 90^оС.

Основные достоинства закаленного стекла.

— закаленное стекло обладает высокой термической стойкостью, что позволяет применять его в наружном остеклении.

— закаленное стекло не разрушается от случайных бытовых ударов.

— при разрушении закаленное стекло образует осколки размером от 1 до 10 мм и не выпадает большими кусками, которые могут травмировать человека.

— оптические свойства стекла после закалки практически не изменяются.

Благодаря сочетанию таких свойств как прозрачность, высокая коррозионная стойкость, низкий коэффициент теплопроводности, повышенная механическая прочность, безопасный характер разрушения, закаленное стекло находит все большее применение как в практике отечественного, так и зарубежного строительства. Современная архитектурная индустрия требует более крупных размеров стекла, многофункциональности и требовательных применений.

Огромное расширение применения безопасного стекла обусловлено растущим сознанием безопасности и развитием нормативных актов, требующих применения безопасного стекла.

В данном курсовом проекте решаются следующие цели и задачи:

— выбор способа производства закаленного стекла

— разработка эффективного технологического процесса закалки

— подобрать современное оборудование

— провести материальные и технологические расчеты в соответствии с производительностью

1. Аналитический обзор

1.1 Состояние и перспективы развития технологии производства закаленного стекла

1.1.1 Общая характеристика

Закаленное стекло в последнее время приобретает все большую популярность в современной архитектуре. Это связано с тем, что в современных зданиях и сооружениях все больше места занимают светопрозрачные конструкции сложных архитектурных форм, которые требуют повышенной механической прочности стекла, а именно такими свойствами обладает закаленное стекло, которое в 3−5 раз прочнее обычного листового стекла, и, соответственно, на порядок безопаснее при эксплуатации.

По определению, закаленное стекло — это стекло прошедшее специальную термическую обработку, технологически сходную с процессом закаливания стали. В результате процесса закаливания прочность стекла увеличивается в несколько раз, а в случае разрушения каленое стекло рассыпается в мелкую крошку. Особенностью такого закаленного стекла является невозможность его последующей обработки после прохождения процесса закаливания, поэтому такие операции, как раскрой стекла, сверление технологических отверстий, полировка кромки осуществляются до отправки стекла в печь.

Закаленное 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 4,0−6,5 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 560Ч1500 мм. В строительстве применяют крупногабаритные панели размером 1200Ч2500 мм: двери, перегородки, ограждения, полы, потолки. При этом такие панели могут быть прозрачными или непрозрачными (матовыми, узорчатыми, глушенными, эмалированными). Закаленные крупногабаритные окрашенные стеклопанели получили название стемалита.

С точки зрения технологического процесса закаленное стекло представляет собой листовое стекло, подвергнутое термической закалке — обработке, в результате которой в массе стекла возникают распределенные особым образом внутренние напряжения, которые повышают механическую прочность стекла и обеспечивают его особый (безопасный) характер разрушения. Иными словами, процесс закаливания стекла — это процесс температурной обработки, благодаря которому исходное стекло становится более прочным. Даже если имело место случайное достаточно сильное механическое воздействие. Закаленное стекло при разрушении не образует крупные осколки, причем осколки каленого стекла не имеют заостренных концов.

Основными свойствами закаленного стекла являются:

— механическая прочность стекла по сравнению с обычным может быть довольно существенно (более чем в 3−5 раз)

— особый характер разрушения. Стекло бьется в мелкую крошку, причем осколки его не имеют заостренных концов, что практически сводит на нет вероятность получения травм и порезов.

— повышенная термостойкость (устойчивость к перепадам температур). У обычного листового стекла, не прошедшего закалку, термостойкость около 70−80^оС, а у закаленного уже доходит до 180^оС, то есть термостойкость закаленного стекла выше в 4,5 раза. Такая термическая устойчивость закаленного стекла препятствует его разрушению при перепаде температур или перегреве.

В настоящее время приходит понимание того, насколько применение закаленного стекла в остеклении объектов актуально с точки зрения долговечности, надежности и безопасности.

Действительно, в последнее время архитектурный облик городов во многом стали определять изящные светопрозрачные системы остекления фасадов высотных зданий и сооружений. На сегодняшний день непросто отыскать такой же идеально подходящий для остекления современных конструкций материал, как закаленное стекло. Сегодня строительными нормами и правилами остекление верхних этажей зданий, а также лоджий и балконов и лоджий предписано осуществлять лишь безопасным стеклом во избежание травм от крупных осколков, выпадающих при разрушении стекла. Помимо прочего, закаленное стекло предназначается для безопасного остекления светопрозрачных строительных конструкций, таких как оконные и дверные конструкции, конструкции витрин, зимних садов и зенитных фонарей.

Закаленное стекло может быть энергосберегающим, рефлективным, узорчатым, матовым, тонированным, прозрачным. Закаленное стекло применяется в конструкциях зимних садов, крыш и козырьков, ограждениях парапетов и лестниц, стеклянных дверей саун, в конструкциях перегородок в квартирах и офисах, в витринах торговых центров и магазинов, в конструкциях структурного планарного остекления фасадов зданий. [1]

1.1.2 Технологический процесс производства закаленного стекла

Технологический процесс производства закаленного стекла состоит из нескольких стадий: подготовки стекла, нагревания его до температуры закалки, резкого и равномерного охлаждения и контроля качества полученных изделий.

Подготовка стекла. Для изготовления плоских закаленных стекол различного профиля, из отобранных листов стекла по определенным шаблонам вырезают форматы. Стекло, подвергаемое закалке, не должно содержать свили, шлиров, камней, крупных пузырей и царапин. Перечисленные пороки приводят к растрескиванию стекла в процессе закалки, так как в месте расположения дефекта образуются напряжения, резко отличающиеся от напряжений в других участках стекла.

Края вырезанных форматов подвергают механической обработке на фацетных станках. Все операции механической обработки стекла (резка, сверление отверстий, обработка кромок) необходимо проводить до стадии термической обработки, так как самые незначительные повреждения поверхностей или краев закаленного стекла вызывают его разрушение. В порядке исключения небольшие поверхностные дефекты (деформация от зажимов) закаленных стекол могут быть выправлены с помощью слабой обточки краев изделия, однако при этом нельзя применять крупнозернистые абразивы и ударные нагрузки. Следует помнить, что после обработки величина остаточных напряжений в стекле уменьшается пропорционально квадрату отношения толщины листа после шлифования к исходной его толщине, т. е. прочность закаленного стекла понижается.

Стекло поставляется с завода-производителя, в основном, двух размеров: Jumbo (6000Ч3210 мм) и стандартного размера (половина Jumbo); в нашем случае применяется первый тип, так как он обеспечивает минимальные потери при резке.

На многих производствах резка стекла все еще производится вручную, что существенно снижает производительность и качество резки. Но постепенно механический способ резки приходит на смену ручному.

Среди множества различных модификаций столов для резки стекла можно выделить основные типы:

1. для ручной резки; для автоматической резки; для прямолинейной резки; для прямолинейной и фигурной резки; столы с переводом рабочей поверхности в вертикальное состояние;

2. автоматизированные линии для резки стекла с погрузочными станциями.

Существуют два варианта всех упомянутых выше типов столов (кроме столов для ручной резки)? для стекла размера Jumbo и для стандартного размера.

Также существуют специальные столы для прямолинейной резки триплекса; данная операция производится следующим образом:

? стекло размещается на столе;

? стекло позиционируется в системе координат;

? при помощи специальных устройств задаются размеры раскроя;

? при помощи двух алмазных режущих головок (нижней и верхней) производится резка;

? при помощи реек для ломки производится ломка раскроенного листа;

? специальное нагревательное устройство облегчает разрыв пленки;

? при помощи специального приспособления производится разрыв раскроенных частей.

В зависимости от толщины слоя и температуры в помещении, которые влияют на процесс нагревания, весь цикл длится от 30 до 45 секунд.

«

Столы для автоматической резки оснащены числовым программным управлением: процесс резки управляется специально вводимыми программами? программами оптимизации, которые пишутся оператором при помощи специального программного обеспечения, прилагаемого к станкам INTERMAC.

Программное обеспечение позволяет также создавать лейблы для нанесения на раскроенное стекло, а также переносить шаблоны, созданные при помощи других архитектурных или инженерных программ (AutoCad, Corel Draw и др.).

На отдельно стоящих наклоняемых столах операции резки и ломки производятся на одной и той же поверхности. В случае автоматизированных линий для каждой из этих операм предусмотрен отдельный стол, разумеется производительность в данном случае гораздо выше (как, впрочем, и стоимость оборудования. Кроме того, возможна частичная комплектация: как правило, наклоняемый стол для погрузки и резки на нем стекла и стол для ломки. Такая конфигурация также значительно увеличивает производительность.

После резки следует операция нагревания стекла.

Нагревание — наиболее важная операция в производстве закаленного стекла, причем процесс нагревания до температуры закалки должен протекать в условиях, обеспечивающих равномерность нагрева его поверхностей. Температура закалки зависит от химического состава стекла и всегда выше температуры стеклования на 20−25^оС. Следует помнить, что температура закалки стекол одного и того же химического состава находится также в зависимости от скорости охлаждения и может быть определена как температура, выше которой при выбранном режиме охлаждения не наблюдается увеличения степени закалки. Закалка стекол, нагретых до температуры, не достигающей оптимального значения, приводит к уменьшению степени закалки, а затем к самопроизвольному разрушению стекла в процессе охлаждения.

Установлено, что температура и продолжительность нагревания стекол взаимосвязаны между собой. Чем выше температура нагрева стекла, тем менее продолжительным он должен быть при прочих равных условиях. Так, например, листовое стекло вертикального вытягивания в заводской практике закаляют при температуре 610−650°С. Продолжительность нагревания стекла толщиной 6 мм в данном случае составляет от 3 мин 40 с до 5 мин, или, как это практикуется, в расчете на 1 мм толщины листа находится в пределах 36−50 с. Таким образом, расчет времени нагрева в зависимости от толщины стекла основан на том, что для данного состава стекла в определенных пределах продолжительность нагревания в печи прямо пропорциональна его толщине.

Закаленное стекло высокого качества может быть получено только при условии равномерного нагрева изделия, подвергаемого закалке. Для этой цели лучше всего использовать электрические печи сопротивления, в которых при разогревании стекла не образуется продуктов горения и которые легко поддаются автоматическому контролю температуры.

Листовое стекло подвергают закалке при 650 °C, когда печь работает в форсированном режиме. Время пребывания стекла в печи зависит от толщины листа (например, для стекла толщиной 5,5 мм оно составляет 3 мин 20 с). Увеличение толщины стекла на 1 мм влечет за собой увеличение времени выдержки на 40 с. Следовательно, для листа толщиной 6,5 мм продолжительность выдержки достигает 4 мин.

Введение

холодного стекла в печь приводит к резкому понижению ее температуры в начальный момент. За время выдержки стекла температура в печи успевает подняться до исходного значения (650°С). При этой температуре стекло выводят из печи и передвигают к обдувочной решетке. Установлено, что из печи стекло можно выводить и при более низкой температуре, однако не ниже 620 °C во избежание разрушения стекла в обдувочной решетке.

Охлаждение стекла — второй по важности процесс в производстве закаленного стекла, поскольку интенсивность охлаждения стекла в конечном счете определяет степень закалки. Режим охлаждения подбирают таким образом, что скорость охлаждения стекла, его толщина и химический состав определяют степень закалки изделий.

Охлаждение стекла можно производить при помощи различных охлаждающих сред, обеспечивающих быстрый отбор теплоты — воздуха, масел, кремнийорганических жидкостей, расплавов солей и металлов. Наибольшее распространение получили способы закалки стекол воздухом, причем самое большое распространение получил воздухоструйный способ закалки. При этом способе на поверхность закаляемого изделия симметрично под давлением подается множество перпендикулярно направленных воздушных струй. Воздухоструйный способ закалки осуществляют при помощи обдувочных решеток, подающих сжатый воздух через большое количество отверстий — сопел малого диаметра, расположенных в шахматном порядке.

Контроль качества. Сопротивление удару закаленного стекла определяют при помощи металлического шара. При толщине изделия более 5 мм закаленное стекло должно выдерживать без разрушения удар свободно падающего стального шара массой 800 г с высоты 1200 мм, а при толщине до 5 мм — с высоты 800 мм. Изделия при разрушении должны рассыпаться на куски размером не более 32 мм.

Сортность закаленного стекла устанавливают в зависимости от наличия в нем различных пороков. Внешние дефекты (мошка, пузыри, свиль и т. д.) выявляют осмотром невооруженным глазом в проходящем свете, помещая изделия на расстоянии 0,6 м от глаза наблюдателя в условиях нормального дневного освещения. Размеры дефектов определяют обычным измерительным инструментом.

Толщину изделий проверяют микрометром в четырех точках. Степень деформации стекла, т. е. их кривизну, проверяют следующим образом: кладут такое стекло на выверенную горизонтальную плоскость и замеряют стрелу прогиба щупом.

Изделие должно быть бесцветным. Допускаются слабо-зеленоватый или слабо-голубоватый оттенки. Светопропускание в пересчете на 1 см толщины изделия должно быть не менее 84%.

1.1.3 Двойное лучепреломление и способы его оценки

Двойное лучепреломление является показателем качества отжига стекла, который характеризуется разностью хода (в нанометрах на 1 см пути) двух лучей, на которые разделяется падающий луч под действием остаточных напряжений при прохождении в толще стекла в направлении наибольшего размера. Допускаемое двойное лучепреломление нормируется пятью категориями. Числовые значения предельных отклонений для всех пяти категорий находятся в пределах от 1,5 до 65 нм/см. У заготовок малого размера двойное лучепреломление не оказывает существенного влияние на качество изображения. При определенных условиях отжига между оптической неоднородностью стекла и двойным лучепреломлением имеется соответствие, которое контроль оптической однородности крупных заготовок позволяет выполнить по двойному лучепреломлению.

Двойное лучепреломление измеряют на поляриметре, оптическая схема которого состоит из лампы накаливания и матового стекла. Между поляризатором и анализатором находится образец испытуемого стекла и компенсационная пластинка. Для наблюдения в монохроматическом свете используют зеленый светофильтр. Поляризатором и анализатором могут служить поляризационные призмы, поляроиды и зеркала из черного стекла, поставленные под углом полной поляризации. Компенсатор разности хода представляет собой слюдяную пластинку с разностью хода между обыкновенными и необыкновенными лучами. Поверхности испытуемого стекла должны быть шлифованными или полированными. Шлифованные поверхности перед измерением смачивают иммерсионной жидкостью. Сущность измерения двойного лучепреломления основана на использовании свойств поляризованного света. Лучи, выходящие из поляризатора, линейно поляризуются. При прохождении этих лучей через стекло с поляризующими свойствами каждый из них распадается на два луча — обыкновенный и необыкновенный. Плоскости колебаний электрических векторов этих лучей взаимно перпендикулярны. Свойства обоих лучей по выходе из стекла, за исключением направления поляризации, ничем друг от друга не отличаются, поэтому «необыкновенным» называют только луч, идущий внутри стекла или другого материала, имеющего двойное лучепреломление. Оба луча в стекле распространяются с разной, скоростью, образуя некоторую разность хода. Попадая в анализатор, взаимно перпендикулярные колебания лучей приводятся в одну плоскость, где интерферируют между собой и создают цветную картину полос или просветленное поле.

Уровень остаточных напряжений, сформированных в закаленном стекле, характеризует степень его закалки, которую измеряют величиной двойного лучепреломления поляризованного луча при просвечивании стекла в торец и выражают в нм на 1 см хода лучей, или в порядках N на 1 см (пор/см или N/см), где N = 540 нм — средняя длина волны видимого солнечного излучения. Промышленное листовое закаленное стекло на воздухе обычно имеет степень закалки от 2 до 4, для сверхпрочных стекол N > 4.

Степень закалки также может быть выражена величиной растягивающих закалочных напряжений у_з = Д/B L,

где Д/L — разность хода лучей на единицу пути, нм/см;

В — оптический коэффициент напряжений, является константой для данного состава стекла.

Для листового стекла В? 2,5 10-⁶ 1/МПа.

Тогда оценка уровня остаточных внутренних напряжений в закаленном стекле со степенью закалки, например, 4 N/см дает:

у_з = (4 540 10-⁷) / 2,5 10-⁶ = 86,4 МПа.

Применение формулы О. М. Бартенева и А. И. Ивановой:

у_пр = 1,15 у₀ + 2,8 у_з,

где у₀ — прочность отожженного стекла, позволяет определить прочность у_пр закаленного стекла. Приняв у₀ = 60 МПа, находим для вышеприведенного случая:

у_пр = 1,15 60 + 2,8 86,4 = 311 МПа.

Разность хода лучей на единицу пути Д/L достаточно просто определяется на поляриметре на образцах небольших размеров, закаляемых вместе с большими листами стекла.

Ослабленными зонами в закаленном листовом стекле являются кромки. При ударе они разрушаются легче, чем в отожженном стекле, поскольку удар в этом случае производится по наименее прочному месту, где доминируют напряжения растяжения.

В принципе же любое повреждение поверхности ЗС приводит либо к резкому ослаблению его прочности либо к разрушению изделия в результате нарушения баланса между сжимающими и растягивающими напряжениями в нем.

1.1.4 Причины упрочнения закаленного стекла

Как указано выше, одним из основных свойств закаленного стекла является повышенная механическая прочность, например, предел прочности при изгибе в случае воздушной закалки может превышать 250 МПа, при этом его упругость, характеризуемая стрелой прогиба, возрастает в 4−6 раз в сравнении с рядовым стеклом. Работа разрушения закаленного стекла при испытании на удар возрастает в 8 раз: при толщине 5 мм оно выдерживает удар стальным шаром массой 800 г при падении с высоты более 1200 мм, в то время, как обычное стекло — только с высоты 150 мм. Увеличение механической прочности обусловливает повышение термостойкости до 175 °C, а структурные особенности, вызванные спецификой термической обработки — увеличение (в 2−3 раза) электропроводности, незначительный (в пределах 310-⁷°С-¹) рост ТКЛР и небольшое снижение плотности.

Оптические, а также теплофизические свойства стекол после закаливания изменяются мало. Закаленное стекло характеризуется стабильностью свойств при длительной его эксплуатации в обычных условиях.

Повышенный уровень механических свойств и термической устойчивости закаленного стекла обусловлен влиянием поверхностных напряжений, величина которых зависит от технологических параметров процесса закалки — толщины стекла, его коэффициента теплоотдачи при охлаждении, температуры закалки и др.

В ходе закалки в поверхностных слоях стекла формируются напряжения сжатия, которые компенсируются глубинными растягивающими напряжениями.

При резком, но равномерном охлаждении листа тонкий поверхностный слой затвердевает; изменяя свои размеры (сокращаясь) практически без сопротивления размягченных внутренних слоев.

Рисунок 1 — Распределение напряжений: а) в закаленном стекле без нагрузки; б) в отожженном стекле, подвергаемом нагружению; в) в закаленном под нагрузкой.

Напряжений между затвердевшим стеклом и центральной частью листа не возникает. Они появляются, когда в ходе последующего после закаливания охлаждения стекла начинается твердение слоев, прилегающих к затвердевшему поверхностному. Сокращая свои размеры, он обжимает отвердевший ранее слой, степень сжатия которого уже значительно меньше. Таким образом, в наружных слоях изделия возникают напряжения сжатия. В свою очередь, сопротивляясь сжимающим усилиям внутренних твердеющих слоев, внешние слои растягивают последние, поэтому центральная часть образца подвержена действию напряжений растяжения. Распределение напряжений в закаленном стекле демонстрируется на рисунок 1, а.

При приложении изгибающей нагрузки к образцу отожженного стекла (рисунок 1, б) его разрушение происходит под действием временных растягивающих напряжений на нижней поверхности образца, если их величина превысит предел прочности при растяжении стекла, вернее, его поверхностных слоев.

При нагружении закаленного стекла результирующее напряжение в любом продольном сечении образца определяется суммированием величин временных напряжений, вызванных нагрузкой Р и остаточных (постоянных), сформированных при закалке. Результат их сложения представлен эпюрой (рисунок 1, в), из которой, во-первых, следует, что увеличение прочности, закаленного стекла в сравнении с отожженным объясняется тем, что при воздействии внешней нагрузки сначала преодолеваются напряжения сжатия на его поверхности и лишь затем происходит нагружение его химических связей. В итоге прочность закаленного стекла определяется суммой вкладов прочности собственно стекла и поверхностных закалочных напряжении.

Во-вторых, особенностью поведения изгибаемого закаленного стекла является тот факт, что центр разрушения (зона максимальных растягивающих напряжений) расположен не на поверхности образца, а на некоторой глубине (сечение, А рисунок 2, в). Известно, что прочность внутренних слоев стекла в 3−4 раза выше прочности его поверхности вследствие существенно меньшего количества дефектов в них. Это обстоятельство также обеспечивает прирост прочности закаленного стекла, которое в случае воздушной закалки может в 4−5 раз превышать прочность отожженного.

1.2 Описание существующих способов производства. Выбор и обоснование принятого способа производства

1.2.1 Закалочные среды и способы закалки стекла

Физико-механические свойства закаленных стекол, и прежде всего их прочность и термостойкость, зависят от условий охлаждения стекол в процессе закаливания. Эти условия характеризуются интенсивностью охлаждения определяющей в конечном счете величину образующихся в стеклах закалочных напряжений, а также равномерностью закаливания стекол и стеклянных изделий. Равномерность охлаждения стекол влияет как на условия самого процесса закаливания (деформация и разрушение стекол при неравномерном охлаждении, образование так называемых «закалочных пятен» из-за различной скорости охлаждения соседних участков поверхности стекла), так и на некоторые свойства закаленных стекол (оптические искажении, возможность их саморазрушения и др).

Технологические параметры процесса закаливания и качество закаленных стекол предопределяются выбранными закалочными средами и способом охлаждения стекла.

В качестве охлаждающих сред для закаливания стекла используются воздух, жидкости, расплавленные соли и металлы.

Наибольшие развитие в практике закаливания стекла получил способ воздухоструйного охлаждения в разнообразных закалочных решетках подающих сжатый воздух через большое количество отверстий — сопел малого диаметра, расположенных в шахматном порядке. Для более равномерного охлаждения стекла решетка приводится либо в возвратно-поступательное, либо во вращательное движение. Воздух в обдувочные решетки подается через систему воздухопроводов вентиляторами высоко давления. Создание равномерно распределенных напряжений при закалке полых изделий (сортовая посуда, колпаки, изоляторы, консервная тара и др.) осложняется разнотолщинностью и сложностью их геометрической формы.

В зависимости от способа омывания воздушным потоком и его направления по отношению к закаляемым поверхностям различают следующие способы закалки стеклянных изделий воздухом:

1 — способ закалки в условиях воздушной конвекции, особенностью которого является то, что закаляемое изделие подвергается естественному охлаждению за счет излучения в окружающую среду и конвекционных потоков окружающего изделие воздуха, образующихся благодаря местному нагреванию воздуха у горячих стенок изделия;

2 — воздухоструйный способ закалки, при котором на поверхности закаляемого изделия симметрично под давлением подается множество перпендикулярно направленных воздушных струй;

3 — способ центрированной закалки (проф. И.И. Китайгородский), предусматривающий перпендикулярную подачу в центры охлаждаемых поверхностей по одной мощной воздушной струе под давлением.

4 — метод отсоса воздуха (Бронштейн 3.И.), характеризуемый параллельным направлением воздушных потоков по отношению к закаляемым поверхностям изделия.

Принудительное интенсивное охлаждение проводят воздухоструйным обдувом через большое количество отверстий — сопел малого диаметра с давлением воздуха 0,1420−0,1894 МПа, который подают со скоростью 30−340 м/с не более 10 секунд. После в условиях естественной конвекции воздушных масс в течение 20−180 секунд проводят повторное принудительное интенсивное охлаждение до температуры 20−60°С путем воздухоструйного обдува с давлением воздуха 0,1420−0,1894 МПа.

В авторами предложен следующий способ закалки стекла: нагрев стекла до начальной закалочной температуры Т_о, принудительное импульсное охлаждение, естественное охлаждение до температуры стеклования T_g и последующее охлаждение до комнатной температуры импульсного воздухоструйного обдува в промежутке времени — не более 3 с, затем естественное охлаждение до температуры стеклования путем выдержки стекла при комнатной температуре воздуха в условиях естественной конвекции воздушных масс, а принудительное охлаждение до комнатной температуры проводят путем воздухоструйного обдува.

Интенсивность охлаждения стекла способом воздухоструйного охлаждения зависит от технологических параметров закалки (давление и температура воздуха, подаваемого на стекло, расстояние от закалочных насадок до стекла, скорости истечений воздушного потока и др.) и конструктивных особенностей закалочных решеток (вид и размер насадок, плотность их распределения и т. п.).

Несмотря на широкое распространение воздухоструйной закалки стекла, ее применение в ряде случаев оказывается малоэффективным вследствие недостаточной прочности закаленных таким путем стекол (в особенности, термостойких стекол с малой толщиной), Иногда способ воздухоструйного охлаждения не удается использовать для упрочнения стекол сложной формы из-за ряда технологических и конструктивных трудностей, связанных с необходимостью обеспечения равномерности закаливания. Кроме того, наряду с требованиями повышенной прочности и термостойкости в ряде случаев предъявляются высокие требования к оптическим и поляризационно-оптическим свойствам стеклянных изделий, ограничивающие возможности применения способа упрочнения стекол воздушной закалкой.

Более интенсивное охлаждение дает использование в качестве закалочной среды жидкостей: минеральных масел, кремнийорганических жидкостей (полиэтилсилоксанов ПЭС-3, ПЭС-4, ПЭС-5), расплавленных солей и металлов. В этом случае резко повышается коэффициент теплоотдачи, что позволяет осуществлять закалку стекол с низким ТКЛР и малой толщины или доводить степень закалки до более высоких значений (выше 4 пор/см).

Особенность закалки в жидких средах состоит в том, что коэффициент теплоотдачи не является постоянным в процессе охлаждения стекла (как это характерно для конвективного теплообмена при естественной конвекции воздуха), а изменяется в зависимости от температуры, проходя через максимум. Охлаждающая способность расплавов металлов в целом выше, чем многих органических жидкостей, причем она особенно возрастает в области высоких температур (выше 600°С). Это позволяет использовать такие расплавы для закалки стекол с низким ТКЛР, имеющих высокую температуру стеклования.

Большинство жидкостей, используемых для закаливания стекла, имеют температуру кипения при атмосферном давлении значительно ниже температуры разогреваемого перед закаливанием стекла. Поэтому при погружении в жидкость на поверхности нагретого стекла образуется пленка пара, толщина которой зависит от температуры жидкости, а также от размеров и температуры стекла. При дальнейшем охлаждении стекла в жидкости толщина паровой пленки уменьшается за счет протекающего процесса конденсации пара на границе раздела фал жидкость-пар и стадия пленочного кипения жидкости переходит в стадию пузырькового кипения, а затем в процессе дальнейшего охлаждения стекла — в стадию конвективного охлаждения.

В стадии пленочного режима кипения коэффициент теплоотдачи мал, так как он определяется в основном низкой теплопроводностью пара, а влияние радиационного теплообмена быстро уменьшается по мере охлаждения поверхности стекла.

Переход пленочного режима кипения в пузырьковый связан с движением границы раздела жидкость пар к поверхности пластины. При этом поверхность пленки не является плоской, она колеблется с постоянно возрастающей амплитудой по мере уменьшения разности температур. Это связано с изменением поверхностного натяжения жидкости с изменением температуры, вызванным неравномерной конденсацией пара. При дальнейшем увеличении амплитуды колебаний жидкость прорывает пленку и наступает пузырьковое кипение.

Достаточно сложным технологическим вопросом оказывается отработка оптимальных условий закаливания из-за плохой управляемости процессом охлаждения, связанной с большими колебаниями интенсивности охлаждения при переходе от пленочного режима кипения на поверхности закаливаемых стекол к пузырьковому режиму Такой процесс охлаждения зависит от многих факторов. иногда носящих случайный характер, и поэтому стабилизация этого процесса в производственных условиях оказывается затруднительной.

При погружении разогретой пластины в некипящую жидкость поток свободной конвекции возникает в результате изменения плотности жидкости с повышением температуры около поверхности пластины. Нагретые слои жидкости в силу меньшей плотности начинают двигаться вдоль пластины вверх. На поверхности пластины образуется пограничный слой, толщина которого возрастает в направлении движения потока жидкости.

В результате охлаждения в таких жидких средах удается получить закаленные стекла наиболее высокой прочности, что особенно перспективно для стекол термостойких составов с низкими коэффициентами расширения. Такие стекла можно подвергнуть наиболее интенсивному охлаждению не опасаясь их разрушения в процессе закаливания. Однако этот способ закалки имеет свои недостатки главным, из которых является ухудшение оптических свойств закаленных стекол. Это связанно с тем, что в жидкость погружают стекло, нагретое до температуры его размягчения, т. е. в вязко-текучем состоянии. Поэтому конвективные потоки жидкости при ее непосредственном контакте с поверхностью закаливаемого стекла вызывают неравномерное охлаждение различных участков поверхности и тем самым местные вязко-текучие деформации поверхностного слоя, с которыми связано появление оптических искажений.

Закалка стекла способом погружения в расплавленные металлы представляет наиболее сложный технологический процесс, и для крупногабаритных стекол оказывается практически неприменимой.

Недостатком расплавов металлов как охлаждающей среды является их высокая плотность, затрудняющая погружение стекла в расплав; недостатком жидкостей — их кипение при погружении горячего стекла, которое и обусловливает наблюдаемое резкое изменение коэффициента теплоотдачи, а соответственно трудности управления процессом охлаждения. Увеличение скорости отбора тепла от поверхности стекла может быть достигнуто и изменением способа контакта со стеклом охлаждающих агентов. При охлаждении на воздухе степень закалки повышается путем увеличения скорости воздушного потока, при охлаждении в жидкостях — циркуляцией жидкости, введением в нее поверхностно-активных веществ, а также использованием распыленных жидкостей. В последнем случае увеличение скорости подачи жидкости предотвращает ее кипение и повышает турбулентность течения ее на поверхность что приводит к росту интенсивности теплоотдачи.

1.2.2 Способы производства закаленного стекла

Все способы производства закаленного стекла в зависимости от положения листов при закалке могут быть разделены на вертикальные и горизонтальные. Горизонтальные, в свою очередь, в зависимости от типа транспортирующего устройства разделяются на следующие:

— с применением твердых опор;

— с использованием газо-воздушной подушки.

Вертикальный способ закалки листового стекла.

При вертикальном способе закалки стекла изготавливают на закалочных установках вертикально-щелевого типа, состоящих из проходной электропечи сопротивления и обдувочного воздухоструйного устройства, над которым проходит монорельс для передвижения листов стекла (рисунок 3).

Рисунок 3 — Поперечный разрез вертикально-щелевой печи для закалки листового стекла: 1 — каретка, 2 — сквозная щель, 3 — лист стекла, 4 — каркас печи, 5 — фасонный шамотный кирпич, 6 — теплоизоляция, 7 — нихромовая спираль, 8 — механизм откатывания.

Заготовка стекла с помощью зажимов подвешивается в вертикальном положении и автоматически перемещается в электропечь. Прогретое в течение некоторого времени стекло затем подается в обдувочное устройство, где резко охлаждается и передается на контроль. Температура закалки плоского стекла в печах вертикального типа 630−670^оС, продолжительность нагревания (на 1 мм толщины стекла) 35−40 с.

Обдувочная секция в качестве основного элемента содержит обдувочную решетку, подающую сжатый воздух под углом 90^о к поверхности листа через круглые отверстия (сопла) малого диаметра (3−5 мм), расположенные в шахматном порядке на расстоянии 25−50 мм от стекла. 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 решетки различного типа — коробчатые, трубчатые, ротационные, секционные (последние наиболее распространены).

Недостатки данного способа закалки очевидны:

— при температуре закалки 625−650°С происходит пластическая деформациястекла (з?10⁹ Па^.с) под действием собственной массы (оттяжка, искривление листа);

— операции съема и подвески стекла практически не поддаются механизации, что ограничивает производительностъ закалочных установок;

— ограниченный ассортимент закаливаемых изделий;

— большие температурные градиенты по высоте печи из-за интенсивных конвективных потоков;

— неравномерный нагрев стекла приводит к снижению его прочности либо к разрушению в ходе охлаждения.

Горизонтальный способ закалки на твердых опорах

Установки этого способа получили наибольшее распространение из-за их простоты. Устройство закалки листового стекла содержит печь с нагревательными элементами и закалочную камеру, включающую дутьевой узел с соплами, регуляторами охлаждения и горизонтальными транспортировочными валками. Транспортирующие валки выполняют из различных материалов, в зависимости от температурных условий службы: на входе и на выходе линии — металлические; в высокотемпературной части — с чулками из кремнеземистой нити или керсиловые. Кремнеземистые чулки предохраняют поверхность стекла от дефектов (царапин, вмятин, потертостей и т. п.). В зоне закалки валы снабжены устройством для быстрого съема. Для устранения отпечатков и других дефектов на нижней поверхности стекла может быть использован асимметричный нагрев в зоне высоких температур, причем нагрев листа сверху больше чем снизу. В результате стекло незначительно выгибается и упирается на валы лишь кромками. Для получения плоского листа применяют асимметричную обдувку; причем верхнюю поверхность охлаждают более интенсивно, чем нижнюю, в результате чего обе поверхности затвердевают одновременно и лист выравнивается.

Этот метод требует высокой точности регулирования режимов нагрева и закалки изделии.

Одной из основных проблем данного способа производства закаленного стекла является деформация (поперечная волнистость изделий вследствие прогиба размягченных листов при движении по валкам).

Предотвратить деформацию размягченного стекла и ухудшение качества поверхности при движении по валкам возможно путем повышения скорости перемещения листов (до 18−30 м/мин), что, однако, ведет к удорожанию линий из-за их большой длины. Второй метод состоит в снижении температуры поверхности стекла на заключительной стадии нагрева (выдержка) за счет конвективной подстудки его поверхностей. В итоге удается снизить опасность волнообразного искривления листов при закалке на твердых опорах без уменьшения степени закалки.

Склонность к поперечной деформации особенно возрастает с уменьшением толщины стекол, поэтому при закалке тонких стекол уменьшают шаг валков (расстояние между осями валков) в пределе до значений, близких к величине их диаметра.

Разновидностью горизонтальных закалочных установок на твердых опорах являются:

— осциллирующие печи

— поточные печи В нынешнее время существует большое количество компаний, выпускающих закалочные установки на твердых опорах. Landglass — один из самых распространенных поставщиков осциллирующих печей в страны СНГ (рисунок 4).

Рисунок 4 — Печь LD-A Landglass

Печи применяются для закаливания плоского стекла, используемого в архитектуре, мебельной и транспортной отраслях. Виды нагрева в печах Landglass: радиационный нагрев, система теплового баланса (радиационный + конвекция через компрессор), верхний конвективный нагрев, преимущественный конвективный нагрев. Компания Landglass занимает одно из лидирующих мест на рынке оборудования для закалки стекла за счет применения нового конвективного нагрева, который позволяет получать качественную закалку низкоэмиссионных стекол с коэффициентом эмиссии от 0.03 (с мягким покрытием). Также печи компании Landglass не лишены всех необходимых свойств современных печей.

Так же распространенной является компания Tamglass (Финляндия). Oна является мировым лидером на рынке оборудования для предварительной обработки и закалки стекла (рисунок 5). Линия плоской горизонтальной закалки HTF состоит из стола загрузки, нескольких модулей предварительного разогрева, секции закалки и охлаждения, разгрузочного стола, блока управления, шкафов электрообеспечения и системы нагнетания воздуха для осуществления самой закалки и охлаждения стекла. Конструкция печи рассчитана на полунепрерывную либо непрерывную обработку. Различные типы печей HTF позволяют закаливать стекло размерами от 1360Ч2400 мм до 2440Ч5400, причем закаливать качественно. В стандартном исполнении линии HTF гарантируют качественную закалку стекла толщиной 4−12 мм. При заказе дополнительного оборудования возможна закалка стекла толщиной от 2,2 до 19 мм.

Рисунок 4 — Линия плоской горизонтальной закалки Tamglass HTF

Горизонтальная закалка стекла на газовой подушке В этом принципиально новом технологическом процессе стекло во время нагрева и последующего охлаждения поддерживается в горизонтальном положении газовыми струями, причем поверхность размягченного стекла не соприкасается с элементами конструкции установки и сохраняет исходные оптические свойства. Малая высота воздушной подушки (до 1,5 мм) обеспечивает высокую интенсивность охлаждения, что позволяет достигать высокой степени закалки тонких стекол.

Использование способа закалки на газовой подушке предусматривает выполнение следующих условий:

— равномерность нагрева стекла по его площади;

— равномерное регулирование давления газовых струй на нижнюю поверхность стекла, исключающее его деформацию в размягченном состоянии при непрерывном перемещении в печи и закалочном устройстве;

— высокую интенсивность и равномерность охлаждения при закалке.

Для создания газовой подушки используются обдувочные решетки с соплами.

Линия горизонтальной закалки стекла на газо—воздушной подушке включает приемный стол, печь на газовой подушке, закалочное устройство на воздушной подушке, закалочно-охлаждающее устройство на рольганге и выходной рольганг. Для фиксации листов относительно сопел газо-воздушной подушки и их транспортировки с увеличенной скоростью использовано цепное устройство с захватами. Приемный стол, печь и закалочное устройство на воздушной подушке расположены под углом б к горизонту, что облегчает транспортировку листов. Горячая газовая опора (подушка) создается множеством газовых струй, которые поддерживают стекло во взвешенном состоянии и одновременно нагревают его. При этом стекло нагревается снизу горячими струями газовой подушки, а сверху — инфракрасными горелками. Для закалки на воздушной подушке используют гребенчатые решетки, а на рольганге — трубчатые сопла. Указанный способ закалки требует точного соблюдения температурно-временного режима нагрева стекла. Характерным видом брака изделий является эффект «картинной рамки» — свисание кромок листа вследствие неодинаковых условий эвакуации отработанного газа в центральной части листа и на периферии.

На основании всего выше перечисленного для данного курсового проекта самым рациональным является горизонтальный способ закалки стекла на твердых опорах, так как он обеспечивает заданное качество продукции (обеспечивает достаточную степень закалки), обладает высокой производительностью и степенью автоматизации, является относительно недорогим и для него в наибольшей степени разработано аппаратурное оформление.

На основании выше изложенного, а данном курсовом проекте принят горизонтальный способ закалки стекла на твердых опорах, так как он обеспечивает высокое качество продукции, обладает высокой производительностью и степенью автоматизации, является относительно недорогим и для него в наибольшей степени разработано аппаратурное оформление.

2. Технологический раздел

2.1 Ассортимент выпускаемой продукции

Закаленное строительное стекло предназначено для безопасного остекления светопрозрачных строительных конструкций (оконных и дверных блоков, витрин, элементов ограждения лоджий, балконов, структурного остекления фасадов и т. д.). Стекло может применяться как составляющий элемент сложных стекольных конструкций: многослойных, с использованием противоосколочных пленок, а также для других целей.