Способ закалки стекла и устройство для его осуществления

Союз СоветсникСоциалистичесникРеспублик ОП ИСАНИЕ 906952ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) За я влено 13, 06. 80, (21) 2941910/29- 33с присоединением заявки (5 )М. Кл. С 03 В 27/02 Ъаударстюный камнтет СССР на делам нзабретений к аткрытнй о(23) Приор.тет Опубликовано 23.02.82,Бюллетень7 Дата опубликования описания 23,02.82(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 дляполучения высокопрочных стеклоиэделий,Известен способ жидкостной закалки стекла, преимущество которогоувеличение степени закалки стекла,которая достигается за сцет повышения интенсивности охлаждения ЩОднако с увеличением интенсивности охлаждения в стекле возникаюттермовяэкоупругие напряжения, приводящие к образованию микротрещини посечек, Эти микротрещины и посеч"ки приводят к снижению прочностистекла, например для интенсивно закаленного стекла не соблюдается равенствоРо +огде Ро и Рз - прочности исходногои закаленного стекла. 6 - поверхностные напряжения сжатия.Кроме того, они являются источником самопроизвольного разрушения закаленного стеклоизделия. Особую опасность представляют микротрещины и посецки, 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 противорецие между процессами образования закалочных и термовяз коу пру ги х напряжений . С одной стороны, интенсивное охлаждение способствует увеличению степени упроцнения, но с другой стороны, образующиеся при этом микротрещины и по- сечки снижают эффект упрочнения.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ, согласно которомуведущий край стекла нагревают на5-40 оС (преимущественно на 20 ОС)выше, чем ведомый, после чего охлаж 1. дают путем погружения в равномернонагретую жидкость. 5Устройство для реализации известного способа содержит печь предвари"тел ьного нагрева, закалочную печьс механизмом для перемещения стеклаи ванну охлаждения с жидкостью. Нагревание ведущего края стекла на5-40 С выше ведомого достигаетсяза счет неравномерного перемещениястекла через зону нагрева закалочнойпечи таким образом, чтобы ведущий 15край находился в этой зоне большеевремя, чем ведомый 23,К недостаткам известного способаследует отнести то, что нахождениеведущего края стекла в зоне нагрева щобольшее время, цем время пребыванияведомого края, приводит к деформации изделия, При этом охлаждение стекла, ведущий край которого нагретна 5-40 С выше ведомого путем погруожения в равномерно нагретую до относительно невысокой температуры (например 50-800 С) жидкость, не обеспечивает полного исключения образова"ния посечек на ведущем крае стекло- ЗОизделия, а повышение температурынагревания жидкости приводит к уменьшению степени упроцнения,т.е, устранить противоречие между процессамиобразования закалочных и термовязкоупругих напряжений с помощью известного способа не удается.Кроме того, реализация принципасоздания градиента температуры постеклу путем его перемещения череззону нагрева закалоцной пеци приводит к увеличению габаритов закалоцной печи, к неоправданному расходуэлектроэнергии, а также встречаетсерьезные технические трудности, связанные с необходимостью обеспецениянеравномерной скорости перемещения,которая определяется не только теплофизицескими свойствами стекла, но игеометрическими размерами стеклоиз 50делия,Целью изобретения является повышение степени упрочнения и качествастекла,Поставленная цель достигается тем,что согласно способу закалки, включающему нагрев стекла с обеспечением температуры ведущего края выше ведомого, перемещение и охпаждение 2в жидкости, ведущий край стекла нагревают на 10-50 ОС выше ведомого,а верхние слои толщиной 5- 15 см йагревают на 50-200 ОС выше остальной части,При этом целесообразно нагревосуществлять при градиенте температуры снизу вверх.Кроме того, стекло охлаждают с выдержкой в жидкости при 1 ОС в тецение 30-60 мин.В устройстве для закалки стекла,включающем печь предварительного нагрева, закалочную печь с нагревательными элементами, ванну охлажденияи механизм перемещения стекла, закалочная печь установлена с возможнос-.тью поворота на 180 ч, со скоростьюсвободного падения стекла и снабженанаправляющими и фиксатором, а нагревательные элементы расположены по еевысоте с уменьшающимся кверху шагом,ванна охлаждения снабжена нагревателями в верхней части и холодильниками в нижней, а механизм перемещениявыполнен в виде монорельса, с электроталями и автоматическими захватами.На чертеже представлено устройство для закалки стекла, общий вид.Устройство содержит печь. 1 предварительного нагрева, представляющуюсобой теплоизоляционную камеру с нагревателями для нагрева стекла до400-500 О С, закрепленной на подвешен"ной к монорельсу 2.электротали 3,снабженной автояатическим захватом 4.Ниже печи 1 установлена на приводной тележке 5 ванна 6 охлаждения,снабженная нагревательными элементами 7, обеспечивающими нагрев верхнегослоя жидкости толщиной 5- 15 см до250 С (зона охлаждения), холодильником 8, обеспечивающим поддержаниетемпературы остальной части жидкости (зоны закалки) равной 10-50 оС,ребрами 9 для предотвращения переме.шивания жидкости и аммортизирующимдном 10. Между печью 1 и ванной 6 с жидкостью расположена на цдпфах 11 снабженная приводом 12 поворота на 180 О со скоростью свободного падения стеклоизделия закалочная пець 13, представляющая собой теплоизоляционную камеру с нагревательными элементами 14, расположенными с убывающим кверху шагом, направляющими 15 и фиксатором 16 дпя стекла.9069 5К 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.10Стеклои здели е с з а грузо чного конвейера 19 снимается автоматическим захватом 4 и поступает в печь предварительного нагрева 1. Вклю- чаются электронагреватели с приводом горизонтального перемещения (электроталью) этой печи и последняя устанавливается над закалочной печью 13, После достижения заданной температуры нагрева (400-500 фС)20 стекло опускается захватом 4 в направляющие 15 предварительно выведенной на режим закалочной печи 13 и фиксируется фиксатором 1 б. 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 50 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. 35После 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 40 захватом 18. Далее ванна 6 возвращается в исходное положение, а захват 18, закрепленный на электроталь 17 перемещает стекло на разгрузочный конвейер. 45Использование предлагаемых способа закалки и устройства для его осуществления обеспечивает по сравнению с известными способом и устройством создание градиента темпера туры 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 увеличения степени деформации стеклоизделия. При этом вертикальное расположение стекла и его поворот на 180 О со скоростью свободного падения, в отличие от его перемещения через зону нагрева закалочной печи, практически не отражается на деформации стеклои аделия .Кроме того охлаждение стекла, ведущий край которого нагрет на 10- 50 фС выше ведомого, в жидкости, верхние слои которой нагреты на 50-2000 Свыше остальной части, позволяет нетолько практически полностью исключить образование посечек и микротрещин, но и увеличить степень упрочнения, Это досткгается за счет умень.щения 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.П р и м е р 1, 100 образцов размером 100 х 100 х 5 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.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 исходногостекла составляет 14,2 мг/ммприкоэффициенте вариации 333. В табл. 1 приведены полученныеэкспериментальные данные.906952 Таблиц а Температура,Способзакалки Содержание обМеханическая КоэФфициент ваБеэопасная прочность,кг/ммжидкости стекла раэцовс посецпрочностькг/им. риации, 4 сведу". ведо- зоныщего мого охлажзонызакалкаии края краядения ки 29,1 33 26,4 35 25,9 37 а 0,3+10,9 Известный 670 650 50 50 670 650 100 100 -н 650 150 150 Предлагаемый 670 620 175 670 660 175 25 670 640 125 25 6 70 640 100 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 полностью противоречие между процессами образования закалочных и термовяэоу пру ги х напр яжений . Предлагаемый способ закалки стекла обеспечивает увеличение механической прочности с одновременныи 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. 43, Кроме того, предлагаемый способ закалки стекла обеспечивает полуцение закаленного стекла со значительно более стабильными механическими свойствами, что имеет особо важное практическое значение.Так, безопасный уровень прочности стекла,закаленного известным способом, непревышает 0,3 мг/ии, тогда какпредлагаемый способ обеспечиваетполучение стекла, безопасный уровеньпрочности которого превышает 10 кг/мм,П р и м е р 2. Четыре партии образцов (по 5 образцов в каждой партии) закаляют как в примере 1, стой лишь разницей, что время выдерж ки стекла в зоне закалки жидкости изменяют от 5 до 120 мин, Непрерывный теплосьем обеспецивают путемрегулирования скорости подачи водычерез холодильник ванны с жидкостью, 55 Условия закалки, прочность эакален/ных образцов, а также значения величин относительно прироста прочностиК=(Р -Р.100/Р3 0 0906952 Таблица 2 Температура, ВС МеханиВремявыдержки стекческаяпрочность,кг/мм жидкости стекла ла в зоне заэонызакалведомого края зоныохлаждения ведущео го краякалкижидкости,мин ки 108 29,5 670 640 670640 175 25 175 25 175 25 175 25 137 30 60 670 640 670 640 140 34,0 120 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 5 кг/мм цто составляет 34"6, Дальнейшее увеличение длительности выдержки существенного влияния на прочность не оказывает,Способ закалки стекла, включающий нагрев стекла с обеспечениемтемпературы ведущего края выше ведомого, перемещение и охлаждение в жидкости, о т л и ц а ю щ и й с я тем,цто, с целью, повышения степени упроцнения и качества стекла, ведущийкрай стекла нагревают на 10-50 оС выше ведомого, а верхние слои толщиной 5-15 см нагревают на 50-200 С вы, ше остальной части,2. Способ по п,1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью уменьшения степени деформации стекла, на вгрев осуществляют при градиентетемпературы снизу вверх. 10В табл.2 приведены процностиисходного и закаленного стекла. 3. Способ попп, 1 и 2, отличаю й с я тем, что, стекло охлаждают с выдержкой в жидкости при 1 ООС 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 электроталями и автоматическими захватами .Источники информациипринятые во внимание при экспертизе1. Бартенев Г.М. Механические свойства и тепловая обработка стекла. М 1960, с. 121- 129.2. Патент Великобритании й 1253681, С 1 М, 1976 (прототи и) ..Ференц Редактор Л.Лук Тираж 507 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и,открытий113035, Москва, 3- 35, Раушская наб., д. аказ 503/28 1илиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектна