Оглавление
Основы термической закалки стекла
Термическая закалка стекла представляет собой процесс упрочнения материала путем создания остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях. Технология основывается на контролируемом нагреве стекла до температуры, близкой к точке размягчения, с последующим быстрым равномерным охлаждением.
Процесс закалки включает три основных этапа: нагрев до температуры закалки, быстрое охлаждение направленными воздушными потоками и финальное остывание до комнатной температуры. При нагреве стекло размягчается, но сохраняет форму. Во время быстрого охлаждения наружные слои затвердевают первыми, а внутренние остаются пластичными. При дальнейшем остывании внутренние слои стремятся сжаться, создавая напряжения сжатия в поверхностных слоях и растяжения в центральной зоне.
Качество закаленного стекла регламентируется ГОСТ 30698-2014, который устанавливает технические требования к термически закаленному натрий-кальций-силикатному безопасному стеклу. Стандарт определяет параметры механической прочности, характер разрушения и оптические свойства готовой продукции.
Зависимость параметров закалки от толщины стекла
Толщина стекла является определяющим фактором при выборе режима закалки. Чем толще материал, тем больше времени требуется для равномерного прогрева по всему сечению. Недостаточная выдержка приводит к неравномерному распределению температуры, а избыточная может вызвать деформацию изделия.
| Толщина стекла, мм | Время нагрева, секунды | Время нагрева, минуты | Температура закалки, °C |
|---|---|---|---|
| 3 | 120-150 | 2,0-2,5 | 660-680 |
| 4 | 160-200 | 2,7-3,3 | 655-675 |
| 5 | 200-250 | 3,3-4,2 | 650-670 |
| 5,5 | 220-275 | 3,7-4,6 | 650-670 |
| 6 | 240-300 | 4,0-5,0 | 650-670 |
| 8 | 320-400 | 5,3-6,7 | 645-665 |
| 10 | 400-500 | 6,7-8,3 | 640-660 |
| 12 | 480-600 | 8,0-10,0 | 640-660 |
| 15 | 600-750 | 10,0-12,5 | 635-655 |
| 19 | 760-950 | 12,7-15,8 | 630-650 |
Приведенные значения являются базовыми и могут корректироваться в зависимости от типа стекла (флоат, узорчатое, с покрытием), конструктивных особенностей печи и требуемых характеристик готовой продукции. Флоат-стекло требует времени выдержки из расчета 40-55 секунд на миллиметр толщины, в то время как стекло, изготовленное методом вертикального вытягивания, нагревается быстрее.
Влияние толщины на скорость нагрева
Теплопередача в стекле происходит преимущественно за счет теплопроводности материала. Температурное поле формируется постепенно от поверхности к центру листа. Для толстого стекла характерен более длительный процесс выравнивания температуры по сечению. При недостаточной выдержке центральная часть остается холоднее, что приводит к неполной закалке и снижению механических свойств.
Пример расчета времени выдержки
Для стекла толщиной 8 мм при использовании коэффициента 45 секунд на миллиметр:
Время выдержки = 8 мм × 45 с/мм = 360 секунд = 6 минут
С учетом допуска можно установить диапазон 5,3-6,7 минуты для обеспечения качественного прогрева.
Температурные режимы нагрева
Температура закалки для натрий-кальций-силикатного стекла лежит в диапазоне 630-680°C в зависимости от толщины и типа материала. Этот температурный интервал обеспечивает необходимую степень размягчения без потери формы и возникновения нежелательных деформаций.
Выбор оптимальной температуры
Температура закалки определяется несколькими факторами: химическим составом стекла, его толщиной, требуемой степенью закалки и скоростью последующего охлаждения. Для тонкого стекла применяются более высокие температуры для компенсации быстрого охлаждения. Толстое стекло закаливается при несколько пониженных температурах, что предотвращает излишнюю деформацию.
| Диапазон толщин, мм | Рекомендуемая температура, °C | Примечание |
|---|---|---|
| 3-4 | 660-680 | Форсированный режим, повышенная скорость охлаждения |
| 5-6 | 650-670 | Стандартный режим для листового стекла |
| 8-10 | 640-660 | Увеличенное время выдержки |
| 12-19 | 630-650 | Режим для толстого стекла, контроль деформации |
Контроль температурного режима
Современные печи закалки оснащаются автоматическими системами контроля температуры на выходе из секции нагрева. Пирометры непрерывно измеряют температуру поверхности стекла, передавая данные в систему управления. Это позволяет корректировать мощность нагревательных элементов в реальном времени, компенсируя отклонения толщины листа и теплопотери.
Равномерность нагрева по площади листа достигается за счет секционирования камеры на зоны с независимым управлением. Типовая печь включает 5-7 температурных зон, каждая из которых постепенно повышает температуру стекла. Первая зона нагревает до 500°C, вторая до 600°C и так далее до достижения финальной температуры закалки.
Баланс верхнего и нижнего нагрева
Одним из критических параметров настройки печи закалки является баланс мощности верхних и нижних нагревательных элементов. Асимметричный нагрев приводит к температурному градиенту по толщине листа, вызывая сферическую деформацию стекла.
Принципы распределения тепловой мощности
В горизонтальных печах стекло располагается на керамических роликах, которые отбирают часть тепла от нижней поверхности. Компенсация теплопотерь требует увеличения мощности нижних нагревателей относительно верхних. Типовое соотношение мощностей составляет от 55:45 до 60:40 в пользу нижней секции для обычного стекла.
Расчет баланса мощности
При общей установленной мощности печи 600 кВт и соотношении 55:45:
Мощность нижних элементов = 600 кВт × 0,55 = 330 кВт
Мощность верхних элементов = 600 кВт × 0,45 = 270 кВт
Типы систем нагрева
Существует три основных типа конструкции печей по способу нагрева: радиационные, верхние конвекционные и полные конвекционные. Радиационные печи используют инфракрасное излучение от нагревательных элементов для передачи тепла. Верхние конвекционные системы дополнительно применяют принудительное движение горячего воздуха в верхней зоне. Полные конвекционные печи оборудованы вентиляторами как сверху, так и снизу.
| Тип системы нагрева | Область применения | Преимущества |
|---|---|---|
| Радиационная | Обычное флоат-стекло 5-19 мм | Простота конструкции, надежность |
| Верхняя конвекция | Флоат-стекло и К-стекло 4-19 мм | Повышенная скорость нагрева |
| Полная конвекция | Low-E стекло, тонкое стекло 3-12 мм | Равномерный прогрев, минимальная деформация |
Настройка баланса для разных толщин
Толщина стекла влияет на оптимальное распределение мощности между верхней и нижней секциями. Тонкое стекло быстрее реагирует на изменение нагрева и требует более точной балансировки. Толстое стекло менее чувствительно к небольшим отклонениям в балансе из-за большей теплоемкости.
Настройка баланса для стекла 4 мм
Для тонкого стекла рекомендуется снижение нижнего смещения температуры на 0-20°C относительно установочной точки при использовании полной конвекции. Это предотвращает перегрев нижней поверхности и сферическую деформацию листа.
Настройка баланса для стекла 12 мм
Толстое стекло требует увеличения нижнего смещения на 20-40°C для компенсации большей теплоемкости и теплопотерь на ролики. При двухсекционной печи толстое стекло сильнее прогибается в первой температурной зоне из-за неравномерного прогрева.
Особенности закалки Low-E стекла
Низкоэмиссионное стекло с энергосберегающим покрытием требует специальных условий закалки из-за присутствия тонкого металлизированного слоя на поверхности. Существует два основных типа Low-E покрытий: твердое К-покрытие и мягкое И-покрытие.
К-стекло с твердым покрытием
Твердое покрытие наносится методом пиролиза непосредственно в процессе производства флоат-стекла. Слой оксидов металлов спекается с поверхностью при высокой температуре, образуя прочное соединение. К-стекло устойчиво к механическим воздействиям и может закаливаться в обычных радиационных или конвекционных печах без специальных мер предосторожности.
Режимы закалки К-стекла практически не отличаются от параметров для обычного флоат-стекла аналогичной толщины. Температура нагрева выбирается в стандартном диапазоне 640-670°C в зависимости от толщины листа. Время выдержки рассчитывается по тому же принципу 40-50 секунд на миллиметр.
И-стекло с мягким покрытием
Мягкое покрытие наносится методом магнетронного напыления в вакуумной камере на готовое стекло. Многослойная структура включает серебряные слои толщиной в десятки нанометров, обеспечивающие низкую излучательную способность. Покрытие чувствительно к механическим повреждениям и требует бережного обращения.
Требования к оборудованию для Low-E
Печи для закалки мягкого Low-E стекла должны обеспечивать высокую долю конвекционного теплообмена. Специальные конвекционные вентиляторы создают интенсивные потоки нагретого воздуха, равномерно омывающие поверхность стекла. Это исключает прямое воздействие излучения нагревательных элементов на покрытие.
| Параметр | Обычное стекло | К-стекло | И-стекло |
|---|---|---|---|
| Тип нагрева | Радиационный | Радиационный/конвекционный | Полная конвекция |
| Коррекция температуры | Базовая | Базовая | Снижение на 10-20°C |
| Скорость нагрева | Стандартная | Стандартная | Повышенная за счет конвекции |
| Риск повреждения покрытия | Отсутствует | Низкий | Высокий при неправильном режиме |
Настройка параметров для И-стекла
При закалке И-стекла рекомендуется снижение установочной температуры на 10-20°C относительно режима для обычного стекла той же толщины. Компенсация происходит за счет более эффективной конвекционной теплопередачи. Баланс верхнего и нижнего нагрева должен быть максимально точным для предотвращения деформации тонкого покрытия.
Скорость движения листа через печь может быть увеличена благодаря интенсивному конвекционному нагреву. Это повышает производительность линии при сохранении качества закаленного стекла. Типовая скорость нагрева составляет не менее 28 секунд на миллиметр толщины в полноконвекционных печах.
Расчет параметров закалки
Определение оптимальных режимов закалки основывается на анализе теплопередачи в стекле и требованиях к механическим характеристикам готовой продукции. Основными расчетными величинами являются время нагрева, температура закалки, интенсивность охлаждения и величина остаточных напряжений.
Методика расчета времени выдержки
Время выдержки при температуре закалки определяется из условия равномерного прогрева по толщине листа. Используется эмпирическое соотношение, учитывающее теплопроводность стекла и условия теплообмена в печи.
Формула расчета времени выдержки
t = k × h
где:
- t - время выдержки, секунды
- k - коэффициент времени, 40-50 с/мм для флоат-стекла, 35-40 с/мм для вытянутого стекла
- h - толщина стекла, мм
Практический пример расчета
Требуется определить режим закалки для флоат-стекла толщиной 10 мм.
Шаг 1: Выбор коэффициента k = 45 с/мм (среднее значение)
Шаг 2: Расчет времени выдержки: t = 45 × 10 = 450 секунд = 7,5 минут
Шаг 3: Определение температуры: 640-660°C для толщины 10 мм
Результат: Режим закалки - температура 650°C, выдержка 7,5 минут
Учет типа печи в расчетах
Конструктивные особенности печи влияют на скорость нагрева стекла. В печах с принудительной конвекцией теплообмен более интенсивен, что позволяет сократить время выдержки на 15-20% по сравнению с радиационными печами. Для двухсекционных печей общее время нагрева удваивается относительно времени цикла.
Расчет интенсивности охлаждения
Интенсивность охлаждения определяет величину остаточных напряжений и степень закалки. Для достижения требуемой прочности необходимо обеспечить скорость охлаждения поверхности не менее критической для данного типа стекла. Давление воздуха в соплах закалочной секции регулируется в диапазоне 15-50 кПа в зависимости от толщины.
| Толщина стекла, мм | Давление воздуха, кПа | Время охлаждения, секунды |
|---|---|---|
| 3-4 | 15-25 | 30-45 |
| 5-6 | 20-30 | 45-60 |
| 8-10 | 30-40 | 80-120 |
| 12-19 | 40-50 | 120-180 |
Контроль качества закаленного стекла
Проверка качества закаленного стекла осуществляется по нескольким критериям согласно требованиям ГОСТ 30698-2014. Основными контролируемыми параметрами являются плоскостность, характер разрушения, механическая прочность и оптические свойства.
Контроль плоскостности
Плоскостность закаленного стекла характеризуется общим и местным изгибом. Общий изгиб представляет собой отклонение средней линии листа от плоскости, выраженное в промилле от длины. Местный изгиб определяет волнистость на коротких участках. Для высококачественного стекла общий изгиб не должен превышать 0,8 промилле, местный - 0,3 промилле.
Испытание на характер разрушения
Закаленное стекло при разрушении должно образовывать мелкие осколки с тупыми гранями. Количество осколков в квадрате 50×50 мм регламентируется стандартом и зависит от толщины. Для стекла 5-6 мм минимальное количество осколков составляет 40 штук, для стекла 12 мм - не менее 30 штук. Длина отдельных осколков не должна превышать 75 мм.
Механические испытания
Механическая прочность проверяется испытанием на удар падающим мягким телом массой 45 кг. Высота падения определяет класс защиты стекла. Для класса СМ1 высота составляет 300 мм, для СМ2 - 450 мм, для СМ3 - 1200 мм. Стекло должно выдерживать удар без разрушения.
Часто задаваемые вопросы
Для расчета используется формула t = k × h, где k - коэффициент 40-50 секунд на миллиметр для флоат-стекла, h - толщина в миллиметрах. При толщине 7 мм время составит 7 × 45 = 315 секунд или 5,25 минут. Полученное значение корректируется в зависимости от типа печи и конкретных условий производства. Рекомендуется провести пробные закалки и оценить качество по плоскостности и характеру разрушения.
Деформация возникает из-за неравномерного нагрева по площади листа или дисбаланса верхнего и нижнего нагрева. Для предотвращения необходимо проверить работу всех нагревательных элементов, откалибровать датчики температуры, настроить баланс мощности секций. Особое внимание уделяется первым зонам нагрева, где происходит основной набор температуры. При закалке тонкого стекла рекомендуется использовать полную конвекцию и точно балансировать верхнюю и нижнюю части.
Закалка И-стекла с мягким покрытием в радиационной печи не рекомендуется из-за высокого риска повреждения металлизированного слоя. Прямое инфракрасное излучение от нагревательных элементов может вызвать локальный перегрев и разрушение тонкого серебряного покрытия. Для качественной закалки Low-E стекла необходима печь с полной принудительной конвекцией, где теплопередача осуществляется преимущественно потоками горячего воздуха.
Для тонкого стекла 4 мм критичен точный баланс температур. При использовании конвекционной печи рекомендуется установить нижнее смещение температуры в диапазоне 0-20 градусов Цельсия относительно установочной точки. Это означает, что если верхняя секция нагревается до 670 градусов, нижняя должна быть настроена на 650-670 градусов. Коррекция производится путем наблюдения за плоскостностью стекла после закалки. Сферическая выпуклость вверх указывает на избыток нижнего нагрева, выпуклость вниз - на недостаток.
Для стекла толщиной 12 мм рекомендуется температура в диапазоне 640-660 градусов Цельсия. Оптимальное значение 650 градусов обеспечивает необходимую степень размягчения без избыточной деформации. Время выдержки составляет 8-10 минут в зависимости от конструкции печи. Важно обеспечить равномерный прогрев по всей толщине, для чего используется многозонная система нагрева с постепенным повышением температуры от зоны к зоне.
Самопроизвольное разрушение может быть вызвано несколькими причинами: недостаточной температурой закалки, наличием включений сульфида никеля в сырье, механическими повреждениями кромок перед закалкой. Недозакаленное стекло имеет низкий уровень остаточных напряжений и может разрушиться при остывании. Включения сульфида никеля претерпевают фазовые превращения, увеличиваясь в объеме и создавая локальные напряжения. Для предотвращения рекомендуется термообработка по методу Heat Soak Test при температуре 290 градусов Цельсия в течение двух часов.
Скорость охлаждения напрямую определяет величину остаточных напряжений и степень закалки. Чем быстрее охлаждается поверхность, тем больше разница температур между поверхностными и центральными слоями, тем выше напряжения сжатия на поверхности. Это приводит к увеличению механической прочности. Однако излишне интенсивное охлаждение тонкого стекла может вызвать термический шок и разрушение. Для каждой толщины существует оптимальное давление воздуха в соплах, обеспечивающее требуемое качество без риска брака.
Да, режим закалки зависит от химического состава стекла. Различные марки могут иметь разную температуру стеклования и теплопроводность. Например, стекло с повышенным содержанием оксидов щелочных металлов размягчается при более низких температурах. При переходе на новую марку рекомендуется провести пробные закалки, начиная с базового режима для данной толщины. По результатам испытаний вносятся коррективы в температуру и время выдержки. Документируются параметры для каждой комбинации марки и толщины.
Отказ от ответственности
Данная статья носит исключительно информационно-ознакомительный характер и не является руководством к действию или технологической инструкцией. Информация предназначена для общего ознакомления с процессом закалки стекла и не может быть использована для принятия производственных решений без предварительного согласования с квалифицированными специалистами.
Автор не несет ответственности за любые последствия применения информации из статьи на практике. Настройка оборудования для закалки стекла должна производиться исключительно обученным персоналом с соблюдением требований производителя оборудования, действующих стандартов и правил техники безопасности.
Перед внесением изменений в технологические режимы рекомендуется консультация с инженерами-технологами и проведение испытаний на соответствие продукции требованиям ГОСТ 30698-2014.
Источники
- ГОСТ 30698-2014 Стекло закаленное. Технические условия
- ГОСТ EN 12150-1:2000 Стекло в строительстве. Закаленное натрий-кальций-силикатное безопасное стекло. Часть 1. Определение и описание
- Справочник технолога стекольного производства. Под ред. Павлушкина Н.М. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983
- Китайгородский И.И. Технология стекла. М.: Стройиздат, 1961
- Техническая документация производителей оборудования для закалки стекла
- Методические рекомендации по термической обработке архитектурного стекла. НИИСФ РААСН, 2010
