СПОСОБ ЗАКАЛКИ СТЕКЛА Российский патент 2004 года по МПК C03B27/16 

Изобретение относится к области производства стекла, а именно к способам термического упрочнения стекла путем его закалки.

Известен способ закалки, включающий разогрев стекла до начальной закалочной температуры t₀ и последующее непрерывное охлаждение путем принудительного обдува воздухом [1-3]. Полученное таким образом стекло характеризуется высокой прочностью и специфическим (безопасным) характером разрушения, обусловленным высокой плотностью осколков при разрушении. При механической обработке (резке, сверлении отверстий, обработке кромок и т.п.) такое стекло саморазрушается, распадаясь на мелкие осколки.

Наиболее близким техническим решением является усовершенствованный способ изготовления упрочненного стекла, заключающийся в нагреве стекла до начальной температуры t₀ и последующем двухстадийном охлаждении [4]. Стекло подвергают кратковременному воздухоструйному обдуву - не более 3 секунд. После этого стекло выдерживают в условиях естественной конвекции воздушных масс в течение времени, необходимого для охлаждения до комнатной температуры. Стекло, полученное таким образом, имеет величину сжимающих поверхностных напряжений 60-90% от величины сжимающих напряжений в стекле, полученном при двухстадийном охлаждении. Величина внутренних растягивающих напряжений не превышает 15% от величины сжимающих напряжений, что обеспечивает возможность механической обработки стекла.

Однако известный способ является длительным технологическим процессом.

Изобретение направлено на увеличение производительности вследствии уменьшения длительности технологического процесса закалки стекла при условии сохранения его прочностных характеристик и возможности механической обработки без саморазрушения.

Это достигается в способе закалки стекла, включающем в себя нагревание стекла до закалочной температуры, принудительное интенсивное охлаждение стекла и выдержку при комнатной температуре в условиях естественной конвекции воздушных масс, в котором согласно предлагаемому решению принудительное интенсивное охлаждение проводят воздухоструйным обдувом с давлением воздуха 0,1420-0,1894 МПа, который подают со скоростью 30-340 м/с не более 10 секунд, а после выдержки при комнатной температуре воздуха 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, который подают со скоростью 30-340 м/с.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что стекло принудительно охлаждают не более 10 с с давлением воздуха 0,1420-0,1894 МПа, который подают со скоростью 30-340 м/с, а после выдержки при комнатной температуре воздуха в условиях естественной конвекции воздушных масс в течение 20-180 с производят дальнейшее принудительное охлаждение до температуры 20-60°С с давлением воздуха 0,1420-0,1894 МПа, который подают со скоростью 30-340 м/с. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию “новизна”. Трехстадийные с резким изменением интенсивности режимы закалки, а так же применение вышеуказанных режимов для закалки стекла, при сохранении прочностных характеристик и увеличении производительности, вследствие уменьшения длительности технологического процесса, неизвестны. Таким образом заявляемый способ соответствует критерию “изобретательский уровень”.

Экспериментально авторами установлено, что на сохранение прочностных характеристик стекла влияет принудительное охлаждение не более 10 с с давлением воздуха 0,1420-0,1894 МПа, который подают со скоростью 30-340 м/с. На понижение уровня внутренних напряжений (возможность механической обработки) влияет выдержка при комнатной температуре воздуха в условиях естественной конвекции воздушных масс в течение 20-180 с, а на увеличение производительности процесса за счет уменьшения времени закалки влияет дальнейшее принудительное охлаждение до температуры 20-60°С с давлением воздуха 0,1420-0,1894 МПа, который подают со скоростью 30-340 м/с. На фиг.1 представлен график изменения коэффициента теплоотдачи α от промежутка времени охлаждения стекла τ. Коэффициенты теплоотдачи α₁ и α₃, соответствующие интенсивному охлаждению стекла, могут быть неравны и отличаться как в большую, так и в меньшую сторону. Коэффициент теплоотдачи α₂ соответствует охлаждению в условиях естественной конвекции. Промежуток времени интенсивного охлаждения τ₁ не должен превышать 10, а промежуток времени выдержки в условиях естественной конвекции τ₂ лежит в пределах от 20 до 180 секунд. Промежутку времени τ₃ соответствует выдержка листового стекла в условиях интенсивного охлаждения с коэффициентом теплоотдачи α₃. Длительность технологического процесса закалки определяется промежутком времени τ=τ₁+τ₂+τ₃.

На фиг.2 представлена эпюра внутренних остаточных напряжений в стекле. В стекле толщиной d=4 мм действуют такие внутренние напряжения растяжения σ_р=14 МПа и сжатия σ_сж=62 МПа, которые обеспечивают высокую прочность стекла и возможность его механической обработки без саморазрушения.

Авторами установлено, что величина внутренних растягивающих напряжений σ_p не превышает 30% от величины сжимающих напряжений σ_сж. Столь низкая величина сжимающих напряжений σ_р обеспечивается выдержкой при комнатной температуре воздуха в условиях естественной конвекции воздушных масс в течение 20-180 с в уравновешенных сжимающими напряжениями σ_сж, обеспечивают возможность механической обработки без саморазрушения. При этом величина сжимающих напряжений σ_сж, обеспечивающих высокую прочность стеклу, составляет 60-80% от величины сжимающих поверхностных напряжений в стекле, получаемом известным способом, что обусловлено принудительным интенсивным охлаждением, которое проводят воздухоструйным обдувом с давлением воздуха 0,1420-0,1894 МПа, который подают со скоростью 30-340 м/с не более 10 секунд. Уменьшение длительности технологического процесса обеспечивается третьей стадией принудительного охлаждения, которое проводят до достижения стеклом температуры 20-60°С с давлением воздуха 0,1420-0,1894 МПа, который подают со скоростью 30-340 м/с.

Предлагаемым способом можно закалять стекла толщиной от 3 до 6 мм. В данном примере рассматривается закалка стекла толщиной 4 мм. Нагретое в закалочной печи (или отформованное, к примеру в ванне с расплавом металла) стекло, имеющее температуру Т₀=660°С, охлаждают путем принудительного обдува воздухом в течение одной секунды. При этом воздух подается с давлением 0,1632 МПа и его скорость составляет 155 м/с (коэффициент теплоотдачи α₁=600 Вт/(м²К). Далее стекло выдерживают при комнатной температуре в течение 30 секунд. Коэффициент теплоотдачи при этом составляет 30 Вт/(м²К). После чего стекло охлаждают путем принудительного обдува в течение 30 секунд. При этом воздух подается с давлением 0,1632 МПа и его скорость составляет 155 м/с (коэффициент теплоотдачи α₁=600 Вт/(м²К)). На фиг.2 изображена эпюра закалочных напряжений в стекле, где величина напряжений сжатия составляет 62 МПа, а напряжений растяжения 14 МПа, время остывания до температуры 20-60°С равняется 61 с. В стекле закаляемым способом, описанным в прототипе, величина напряжений сжатия составляет 54 МПа, напряжений растяжения 11 МПа время остывания до температуры 20-60°С равняется 10 минут [4]. В результате предлагаемого способа получилось стекло, способное воспринимать механическую обработку без саморазрушения, а длительность технологического процесса, по сравнению с прототипом, уменьшилась ≈ 9.8 раз.

В таблице показано влияние заявляемых параметров в сочетании с предлагаемыми операциями на достижение результата.

Использование предлагаемого способа закалки стекла обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:

увеличение производительности за счет уменьшения промежутка времени, необходимого для охлаждения стекла до стабилизации полученных свойств, по сравнению с промежутком времени, необходимым для этого при обработке стекла способом, описанным в прототипе.

Источники информации

1. Мазурин О.В. и др. "Отжиг и закалка стекла". Учебное пособие. - М.: Изд. МИСИ и БТИСМ, 1984, с.114.

2. Ванин В.И. "Отжиг и закалка листового стекла". - М.: Стройиздат, 1965, с.116.

3. "Стекло". Справочник./Под ред. Н.М.Павлушкина. - М.: Стройиздат, 1973, с.487.

4. Шутов и др. "Формирование заданных потребительских свойств листового стекла". Известия высших учебных заведений. Строительство. - Изд. НГАС, 1966, N 10, с.101-106.

Изобретение относится к области производства стекла, а именно к способам термического упрочнения стекла путем его закалки. Изобретение направлено на увеличение производительности вследствие уменьшения длительности технологического процесса закалки стекла при условии сохранения его прочностных характеристик и возможности механической обработки без саморазрушения. Способ закалки стекла включает в себя нагревание стекла до закалочной температуры, принудительное интенсивное охлаждение стекла и выдержку при комнатной температуре в условиях естественной конвекции воздушных масс. Принудительное интенсивное охлаждение проводят воздухоструйным обдувом с давлением воздуха 0,1420-0,1894 МПа, который подают со скоростью 30-340 м/с не более 10 секунд. После выдержки при комнатной температуре воздуха 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, который подают со скоростью 30-340 м/с. 1 табл., 2 ил.

Способ закалки стекла, включающий в себя нагревание стекла до закалочной температуры, принудительное интенсивное охлаждение стекла и выдержка при комнатной температуре в условиях естественной конвекции воздушных масс, отличающийся тем, что стекло принудительно охлаждают в течение промежутка времени не более 10 с воздухоструйным обдувом с давлением воздуха 0,1420-0,1894 МПа, который подают со скоростью 30-340 м/с и после выдержки при комнатной температуре воздуха в условиях естественной конвекции воздушных масс в течение 20-180 с производят повторное принудительное охлаждение до температуры 20-60°С путем воздухоструйного обдува с давлением воздуха 0,1420-0,1894 МПа, который подают со скоростью 30-340 м/с.