СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТУГОПЛАВКОГО СТЕКЛА Российский патент 1998 года по МПК C03B23/00 

Изобретение относится к области производства кварцевого стекла переформованием одного профиля в другой.

Известны способы получения изделий путем наплавления стекломассы, выработки блоков-заготовок посредством механической обработки, переформование блоков в полуфабрикаты в виде труб различного профиля посредством перетяжки блоков, повторное переформование полуфабрикатов в изделие сложной формы в пламени горелки [1, 2, 3, 4]. Как правило, готовые изделия из кварцевого стекла имеют форму тела вращения, что в ряде случаев не отвечает возрастающим потребительским свойствам приспособлений, например кюветы из прозрачного кварцевого стекла и их аналоги [2, 4, 5].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является известный "халявный" способ получения листового стекла, дополненный известным способом прокатки стекла, изложенные в [6]. При этом приняты во внимание условия ведения процесса переформования, описанные в авторских свидетельствах N 444736, кл. C 03 B 23/00, 1974, N 1669877, кл. C 03 B 23/02, 1991, и N 653223, кл. C 03 B 23/043, 1979.

Согласно прототипу, сначала получают баллон, из которого готовят цилиндрическую заготовку с разрезом по образующей. Затем цилиндр расправляют в печи на огнеупорной плите. Чистота шлифовки плиты и температурные условия в печи определяют качество поверхности изделия. Дополнительное решение сводится к раскатыванию на металлическом охлаждаемом столе тестообразной стекломассы тяжелым катком. Для определения температурно-временных характеристик принимаются во внимание условия воздействия излучения заданной длины волны и объемной энергетической плотности в определенный промежуток времени (авт. св. N 1669877) и вязкостные свойства стекломассы согласно авт. св. N 444736.

Достигаемым техническим результатом является снижение энергетических, материальных затрат, расширение ассортимента изделий, повышение технологичности процесса изготовления кварцевых изделий.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения изделий из тугоплавкого стекла, преимущественно кварцевого, переформованием одного профиля в другой, включающем наплавление стекломассы, выработку полой заготовки и раскрой с последующим переформованием заготовки в изделие в электрической печи на жаростойкой плите, переформование осуществляют на подогреваемой жаростойкой плите с применением приспособления для механического воздействия на заготовку, причем жаростойкая плита и приспособление для механического воздействия на заготовку выполнены из несмачиваемого стеклом материала, а заготовку перед раскроем подвергают предварительно зонной термической обработке.

Приспособление, воздействующее на поверхность заготовки, выполнено из жаростойкого материала с высокой теплоемкостью и низкой теплопроводностью, например, из кварцевого стекла, причем температура его в процессе переформования ниже температуры заготовки на 50 - 250^oC.

Возможность регулировать режим разогрева при переформовании достигается введением коаксиально заготовке из кварцевого стекла сердечника, выполненного их жаростойкого материала. Технологичность процесса значительно возрастает, когда сердечник выполнен раскладывающимся или складывающимся под собственным весом.

Общая технологичность и экономичность процесса переформования повышается при проведении процесса за счет перемещения заготовки вдоль оси сердечника на жаростойкую плиту.

В соответствии с предъявляемыми к стеклу требованиями по показателям внешнего вида, оптическим характеристикам, химической чистоте стекломассы и т.п. осуществляют наплавление блоков известными способами. После наплавления и последующей механической обработки блоков их перетягивают в трубы заданного профиля известными способами и из них готовят заготовки определенной длины, в которых делают продольный разрез по образующей, либо вырезают сегмент заданной ширины, вплоть до половины периметра, и дополнительные элементы раскроя в зависимости от формы изделия. Поскольку кварцевые трубы-заготовки обладают рядом исправимых дефектов, таких как мелкий капилляр, мошка и т.п., а также скрытыми пороками, проявляющимися в процессе последующей переработки, заготовки после соответствующей химической обработки поверхности, подвергают термической зонной обработке, что улучшает свойства стекломассы и качество поверхности изделий.

Подготовленную таким образом заготовку укладывают соосно на жаростойкую плиту в разогретую печь продольным разрезом вверх. Условия теплообмена в печи после установки на плиту заготовки из стекла непрерывно меняются, поскольку в процессе разогрева заготовки ее излучательная способность снижается почти в два раза и превращается из поглощающей среды в отражающий экран. Причем доля радиационной составляющей постепенно сокращается, а доля прямой теплопередачи расчет из-за увеличения площади контакта заготовки с плитой. Изменением излучающих свойств стекла при повышенных температурах определяется необходимость подогрева жаростойкой плиты, на которой осуществляется переформование заготовки. Степень подогрева устанавливают по адгезионным свойствам в отношении материала плиты, вида защитной среды, способствующей снижению адгезии стекла к материалу плиты при повышенных температурах. Корреспондирующим показателем адгезии является вязкость стекла, которую определяют по динамике изменения конфигурации трубы-заготовки. Для конкретного изделия параметры технологического процесса переформования устанавливаются опытным путем в силу многофакторности процесса.

По достижении стеклом вязкости достаточной для пластической деформации заготовки и обеспечивающей несмачиваемость материала плиты, заготовку подпрессовывают приспособлением для механического воздействия на заготовку - соответствующим инструментом или прикатывают валиком. Материал инструмента выбирают по удобству ведения процесса подпрессовки и габаритов изделия. Подпрессовывающий инструмент или валик изготавливают из того же материала, что и жаростойкую плиту. В ряде случаев приспособление для механического воздействия на заготовку изготавливают из другого жаростойкого материала. Этот материал должен обладать высокой теплоемкостью и низкой теплопроводностью, что обеспечивает достаточный промежуток времени для проведения подпрессовки изделия. При этом температура приспособления для механического воздействия на заготовку отличается от температуры изделия не более чем на 250^oC и не менее чем на 50^oC, так как в первом случае происходит локальное захолаживание стекломассы и переформование затруднительно, а во втором случае резко возрастает вероятность залипания стекломассы на инструменте для подпрессовки, что ведет к дефектам на поверхности особенно при приложении нагрузки на изделие. Экспериментально установлено, что указанный диапазон разности температуры стекла и приспособления для механического воздействия на заготовку 250 - 50 ^oC удовлетворяет большинству жаростойких материалов, пригодных для использования в подпрессовке при переформовании заготовки в изделие. При этом технологический брак по качеству поверхности или фактору формы не превышает 9%.

В ряде случаев необходимо регулировать условия термического воздействия на заготовку. С этой целью в полость заготовки коаксиально вводят сердечник жаростойкого материала, играющего роль регулятора эксцентриситета излучения (тепловых потоков). При этом меняется скорость переформирования по зонам и появляется возможность получать изделия с сочетанием форм при плавном переходе одной формы в другую. Кроме того сердечник несет в некоторых случаях функции конструкционного элемента при переформовании, предотвращающего складывание или схлапывание заготовки под собственным весом.

Конструкция сердечника может быть разнообразной и его, для некоторых изделий, выполняют складывающимися или раскладывающимися под собственным весом. Воздействуя при этом на заготовку, сердечник интенсифицирует процесс пластической деформации, а после достижения окончательной формы сердечник удаляют и поверхность при необходимости подпрессовывают или прокатывают валиком. Применение сердечника позволяет значительно сократить расход материала заготовки и энергоресурсы, особенно при получении заготовок повышенных габаритов, а также сократить длительность процесса переформования.

Пример 1. Получение пластин шириной 300 мм, длиной 400 мм и толщиной 4 мм для электронной промышленности по заявляемому способу осуществляют следующим образом.

Из массы кварцевого стекла вырабатывают трубу диаметром 200 мм с толщиной стенки 4 мм. Для получения качественных показателей стекломассы и геометрических параметров трубы ее калибруют на кварцедувном станке, осуществляя зонную термическую обработку. Для этого трубу-заготовку устанавливают с торцов в захваты станка и, разогревая отрезок (участок) трубы у одного из захватов до пластического состояния, постепенно и последовательно перемещают горелочное устройство вдоль трубы к другому захвату. При этом отрезок (участок) трубы, доведенный до пластического состояния стекломассы, перемещается с той же скоростью и последовательностью, как и горелочное устройство. Затем трубу разрезают на цилиндры длиной 400 мм и разрезают каждый по образующей по диаметральной плоскости.

Полученные заготовки подвергают химической обработке и промывают деионезированной водой, а затем обезжиривают перед операцией переформования.

Электрическую печь выводят из тепловой режим в среде защитного газа и на разогретую жаростойкую плиту из несмачиваемого кварцевым стеклом материала укладывают подготовленную к переформованию заготовку.

После достижения стекломассой заготовки заданной температуры на заготовку механически воздействуют приспособлением, ускоряющим распрямление полуокружности в плоскость методом прокатки валиком или прижиманием пластиной сверху. Приспособления для механического воздействия на заготовку стекла - валик или верхняя пластина - изготовлены из того же материала, что и жаростойкая плита.

После придания заготовке заданной плоскопараллельности пластины вынимают из печи и укладывают на инерционное охлаждение, обеспечивающее отжиг пластины.

Возможно применение другого материала в приспособлениях для механического воздействия на заготовку, подвергаемую переформованию, например из кварцевого стекла. В этом случае температура приспособления для воздействия на заготовку должна быть на 250 - 50^oC меньше температуры заготовки, подвергаемой переформированию.

В ряде случаев необходимо регулировать условия термического воздействия на заготовку. С этой целью в полость заготовки коаксиально вводят сердечник жаростойкого материала, играющего роль регулятора эксцентриситета излучения (тепловых потоков). При этом меняется скорость переформирования по зонам и появляется возможность получать изделия с сочетанием форм при плавном переходе одной формы в другую. Кроме того, сердечник несет в некоторых случаях функции конструкционного элемента при переформовании, предотвращающего складывание или схлапывание заготовки под собственным весом.

Конструкция сердечника может быть разнообразной и его, для некоторых изделий, выполняют складывающимся или раскладывающимся под собственным весом. Воздействуя при этом на заготовку, сердечник интенсифицирует процесс пластической деформации, а после достижения окончательной формы сердечник удаляют и поверхность при необходимости подпрессовывают или прокатывают валиком. Применение сердечника позволяет значительно сократить расход материала заготовки и энергоресурсы, особенно при получении заготовок повышенных габаритов, а также сократить длительность процесса переформования.

Пример 2. Получение пластин размером 300 х 400 х 4 возможно из трубы диаметром 125 мм. В этом случае цилиндры, полученные из подготовленной трубы, как показано в примере, разрезают по образующей по сегменту 90^o. В подготовленную заготовку устанавливают сердечник из того же материала, из которого сделана плита. Собранную конструкцию устанавливают в электрическую печь вырезанным сегментом вверх. После того как заготовка раскроется и не произойдет проваливания краев внутрь заготовки, сердечник из печи вынимают и далее переформование осуществляют по примеру 1.

Пример 3. Получение пластин размером 300 х 300 х 4 возможно из трубы диаметром 105 мм. В этом случае на цилиндре делают один разрез по образующей и внутрь устанавливают раскладывающийся сборник, собранный из соединенных по периметру сегментов так, чтобы плоскость разъема сердечника совпадала с линией разреза цилиндра. Затем операции проводят как показано в примере 2.

Некоторые виды изделий большой длины получают непрерывным методом путем разложения описанных выше операций по элементам, например разогрев, контроль вязкостных характеристик, удаление сердечника и подпрессовка, которые согласовываются по длительности и плотности тепловых потоков на каждом из элементов операции и перетекают из одной к другой.

Пример 4. Для производства пластин шириной 300 мм толщиной 4 мм и неопределенно большой длины выбирают трубы необходимого диаметра и осуществляют сборку, как показано в примерах 1 - 3, при использовании необходимого количества сердечников соответствующих конструкций печи. Заготовка подается в печь с одного торца, а с другого торца снимается сердечник, производится подпрессовка и пластина направляется на инерционное охлаждение.

Практическое применение описанного способа осуществлялось при переформировании труб диаметром до 250 мм в полосу до 500 мм или швелер размерами 100х200х100 мм, а также для получения кювет размерами 200х200х75 мм и некоторых других изделий. Переформование трубы в изделие позволяет получать плоские и профильные изделия повышенных размеров. Так из серийно выпускаемых труб прозрачного кварцевого стекла по ОСТ 21-42-90 можно получать листовое стекло шириной до 950 мм при минимальной толщине стенки и изделия тех же размеров в развертке. Использование изобретения позволяет существенно снизить энергозатраты при производстве крупногабаритных изделий за свет уменьшения технологического объема на стадии получения полуфабриката, поскольку энергозатраты пропорциональны кубу технологического размера, а переформование осуществляют при более низких температурах. Применение заявленного способа существенно расширяет ассортимент, а в ряде случаев позволяет серийно вырабатывать уникальные изделия.

Источники информации.

1. Ботвинкин О.К., Запорожский А.И. Кварцевое стекло.-М.: Издательство литературы по строительству, 1965, с. 48-49.

2. Справочник "Стекло". / Под ред. Павлушкина Н.М.-М.: Стройиздат, 1973, с. 218-22.

3. Зимин В.С. Стеклодувное дело и стеклянная аппаратура для физико-химического эксперимента.-М.: Химия, 1974.

4. Справочник по производству стекла.-М.: Издательство литературы по строительству, 1963, т. 1, с. 579.

5. ТУ 21 РСФСР 238-88 "Приборы, аппараты и оборудование специального назначения из прозрачного кварцевого стекла. Технические условия".

6. Качалов Н.Н. Стекло.-М., Издательство АН СССР, 1959, с. 379-380.

Способ получения изделий из тугоплавкого стекла относится к области производства изделий из кварцевого стекла путем переформирования заготовки одного профиля в другой. Изделия получают путем наплавления стекломассы, выработки полой заготовки, зонной термической обработки заготовки и раскроя с последующим переформованием заготовки в изделие в электрической печи в защитной среде на подогреваемой жаростойкой плите с применением приспособления для механического воздействия на заготовку, причем жаростойкая плита и приспособления для механического воздействия на заготовку выполнены из несмачиваемого стеклом материала. Приспособление для механического воздействия на заготовку может быть выполнено из жаростойкого материала с высокой теплоемкостью и низкой теплопроводностью, например из кварцевого стекла, а его температура в процессе переформования ниже температуры заготовки на 50 - 250^oC. В полость заготовки коаксиально устанавливают сердечник из жаростойкого материала, который может быть выполнен раскладывающимся или складывающимся под собственным весом. Решается задача повышения технологичности процесса изготовления кварцевых изделий. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ получения изделий из тугоплавкого стекла, преимущественно кварцевого, переформованием одного профиля в другой, включающий наплавлением стекломассы, выработку полой заготовки и раскрой с последующим переформованием заготовки в изделие в электрической печи на жаростойкой плите при механическом воздействии на заготовку, отличающийся тем, что заготовку перед раскроем подвергают предварительно зонной термической обработке, а переформование ведут в защитной среде на подогреваемой жаростойкой плите с применением приспособления для механического воздействия на заготовку, выполненных из не смачиваемого стеклом материала. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что приспособление для механического воздействия на заготовку выполнено из жаростойкого материала с высокой теплоемкостью и низкой теплопроводностью, например из кварцевого стекла, причем температура его в процессе переформования ниже температуры заготовки на 50 - 250^oC. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в полость заготовки коаксиально установлен сердечник из жаростойкого материала. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что сердечник выполнен раскладывающимся или складывающимся под собственным весом. 5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что переформование осуществляют непрерывно, перемещая заготовку вдоль оси сердечника на жаростойкую плиту.