ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО СТЕКЛА И ШЛАКОСИТАЛЛОВ

СНЯТИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В СТЕКЛЯННЫХ ИЗДЕЛИЯХ С ПОМОЩЬЮ ОТЖИГА

Отжигом называют процесс устранения остаточных напряжений в стеклянных изделиях путем их регули­руемого охлаждения (по заданному режиму) от темпе­ратуры формования до температуры цеха. Отжиг поз­воляет предотвратить образование временных напряже­ний, а остаточные напряжения ослабить до величины, безопасной с точки зрения прочности изделий. Безопас­ными являются остаточные напряжения, составляющие не более 5 % от величины разрушающих напряжений, т. е. не более 350 МПа или 100 ммкм/см.

Режим отжига. Необходимый режим отжига стек­лянных изделий зависит от состава и свойств стекла, размеров и толщины стенок изделий. Чтобы этот режим определить, нужно установить две его крайние точки, т. е. тот интервал температур, внутри которого возни­кают и релаксируют остаточные напряжения. Эти край­ние температуры отвечают значениям вязкости стекла в 1012 Па-с (высшая температура отжига) и 10й Па-с (низшая температура отжига).

Высшая температура отжига (ВТО) теоретически равняется температуре перехода стекла из пластическо­го в хрупкое состояние, т. е. температуре стеклования Tg, но во избежание деформации изделий при отжиге ее принимают на 20—30°С ниже Tg. При этой температуре напряжения в стекле за 5 мин уменьшаются в 10 раз. Высокая температура отжига зависит от состава стекла аналогично его вязкости. В табл. 10.1 показано, как она изменяется при замене 1 % по массе Si02 на 1 % по массе других оксидов. Измеренные значения высшей температуры отжига для стекол разных составов при­ведены в табл. 10.2. По данным табл. 10.1 и 10.2, можно рассчитать высшую температуру отжига стекла извест­ного химического состава.

Примерный расчет высшей температуры отжигаРассчитать высшую температуру отжига листового стекла состава (% по массе): Si02 —71,8; А120з—1,6; Fe203 —0,15; СаО —6,4; MgO —4,3; Na20 — 15,2.

1. По табл. 10.2 находим состав стекла, близкий по составу к заданному. Таким является состав № 16 (% по массе): Si02—75; А120з —0,93; Fe203 —0,07; СаО —7,52; MgO —1,64; Na20— 14,84. Высшая температура отжига этого стекла 524 °С.

2. Из табл. 10.1 видно, что 1 % по массе Na20 при содержании этого оксида в стекле 10—15 % понижает высшую температуру от­жига на 4 °С. В заданном стекле количество Na20 больше, чем в со-

1 Расчет произведен Л. М. Буттом (см. Бутт Л. М., Полляк В. В. Технология стекла. М„ 1970).

Оооа-оріоооооооїп^ирісооюоїпвзо

СО-—OOOOf~tOtOtOtO®tOtO®COC<lC<lC<lC5C5C5tOCOTt>F. ОООЮЮіЛЮЮЮЮЮШЮЮЮЮЮЮтГтІ'те^тЬтІ'СО

Ставе № 16, на (15,2—14,84) =0,36 % по массе, поэтому его тем­пература отжига ниже на —4-0,36=—1,4

3. А120з в количестве 1 % повышает температуру отжига на 3°С; следовательно, температура отжига стекла данного стекла со­става увеличится на +3(1,6—0,92) = +2°.

4. 1 % СаО 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(7,52—6,4)=—7,4°.

5. MgO в количестве 1 % повышает температуру отжига на 3,5°. Поэтому температура отжига рассматриваемого стекла будет выше на +3,5(4,3—1,64) = +9,3°.

6. Fe203 в пределах 0—5 % не изменяет температуры отжига. Следовательно, искомая высшая температура отжига равна: 524—1,4+2—7,4+9,3=526,5 °С, т. е. почти не отличается от высшей температуры отжига стекла № 16.

За низшую температуру отжига (НТО) принимают такую, ниже которой стекло можно охлаждать с любой скоростью, не опасаясь появления разрушающих напря­жений. При такой температуре напряжения уменьшают­ся в 100 раз медленнее, чем при высшей, т. е. в 10 раз, — не за 5, а за 500 мин. Теоретически низшая тем­пература отжига должна быть ниже высшей на 50— 60 °С; однако практически для большей безопасности низшую температуру отжига листового стекла принима­ют на 100 °С ниже высшей, а низшую температуру от­жига массивных штучных изделий — на 150 °С ниже высшей.

Значения высшей и низшей температур отжига можно опреде­лять экспериментально, рассматривая в полярископ проверяемый об­разец стекла, помещенный в постепенно нагреваемую открытую труб­чатую электрическую печь; в этом случае фиксируют температуры начала исчезновения напряжений (низшая температура отжига) и наиболее быстрой их релаксации (высшая температура отжига).

Отжиг стеклянных изделий обычно проводят в четы­ре стадии разной продолжительности (рис. 10.3). На стадии I изделия нагревают или охлаждают до ВТО со скоростью, при которой не происходит их разрушение; на стадии II их выдерживают при ВТО такое время, что­бы остаточные напряжения уменьшились до заданной величины; на стадии III изделия медленно охлаждают до НТО, чтобы не возникли новые остаточные напряже­ния; на стадии IV изделия охлаждают быстрее, чем на стадии III, но с такой скоростью, чтобы не возникли опасные временные напряжения.

Режим отжига равномерно прогретых изделий малой толщины (листовое стекло) обычно включает три ста­дии: быстрое охлаждение до ВТО, медленное охлажде­ние до НТО и охлаждение с повышенной, но безопасной
скоростью (рис. 10.4). Продолжительность каждой ста­дии предварительно рассчитывают, чаще всего по сле­дующей простой методике.

Стадия I. Стекло нагревают до высшей температуры отжига со скоростью (20/а2) —(30/а2) град/мин, где а — полутолщина сплошных стеклянных изделий (например, листов, плиток) или толщина полых стеклянных изделий в сантиметрах. Так, плитку стекла толщиной 20 мм мож­но нагревать со скоростью, град/мин у = 20/(1)2 = 20. При ориентировочных расчетах продолжительность нагрева­ния изделий толщиной до 5 мм принимают 15 мин.

Стадия II. Время выдержки изделий при высшей тем­пературе отжига рассчитывают по формуле т=102а2, где а— полутолщина полых и сплошных изделий в сан­тиметрах. Для приведенного выше примера время вы­держки составит т= 102(1 )2= 102 мин. Для технических стекол, где величина допустимых напряжений равна 10 ммк/см, время выдержки изделий следует рассчиты­вать по формуле т= 150 а2.

Стадия III. Медленное охлаждение изделий в опас­ном интервале температур — наиболее ответственное в процессе отжига, так как при форсированном охлажде­нии могут возникнуть разрушающие остаточные напря­жения, которые в процессе дальнейшего охлаждения уже нельзя устранить. Если допускается не более 5 % оста­точных напряжений, скорость медленного охлаждения в опасном интервале, град/мин, может быть рассчита­на по формуле у = 0,33/а2. Если норма допускаемых оста­точных напряжений составляет не более 20 % разрушаю­щих (для малоответственных изделий), то скорость составит, град/мин, v= (1—3)/а2.

Таким образом, пластинку стекла толщиной 20 мм можно отжигать со скоростью, град/мин: в первом слу­чае у=0,33/(1)2=0,33, а во втором случае v = 1,3/(1 )2 = = 1,3.

При опасном интервале равном 100° продолжитель­ность охлаждения пластинки в первом случае составит 100 : 0,33 = 300 мин, во втором — 77 мин.

Стадия IV. Во избежание опасных временных напря­жений скорость быстрого охлаждения, град/мин, опре­деляют по формуле v—О/а2.Однако практически на этой стадии можно безопасно охлаждать изделия со скоро­стью до 20—30 град/мин.

Изделия отжигают в печах различных конструкций: периодически действующих камерных, где отдельные стадии отжига протекают во времени, и непрерывно дей­ствующих туннельных муфельных, циркуляционных, электрических роликовых. В непрерывно действующих печах (лерах) отдельные стадии отжига последователь­но проходят в зонах, расположенных по длине печей.