Навигация по таблицам
- Таблица температур отжига разных типов стекла
- Таблица скоростей охлаждения по толщине изделий
- Таблица соответствия температуры и вязкости
- Таблица допустимых напряжений для различных стекол
- Таблица стадий процесса отжига
Таблица температур отжига разных типов стекла
| Тип стекла | Высшая температура отжига (°C) | Низшая температура отжига (°C) | Температурный диапазон (°C) | Вязкость при высшей температуре (Па·с) |
|---|---|---|---|---|
| Обычное натрий-известковое стекло | 550 | 470-480 | 70-80 | 10¹³ |
| Боросиликатное стекло (DURAN) | 565 | 425-435 | 130-140 | 10¹³ |
| Оптическое стекло | 530-580 | 380-430 | 150 | 10¹³ |
| Кварцевое стекло | 1050-1100 | 950-1000 | 100-150 | 10¹³ |
| Хрустальное стекло (свинцовое) | 480-520 | 400-440 | 80-100 | 10¹³ |
| Тарное стекло (ГОСТ Р 56828.28-2017) | 500-550 | 420-450 | 80-100 | 10¹³ |
Таблица скоростей охлаждения по толщине изделий
| Толщина изделия (мм) | Скорость нагрева (°C/мин) | Время выдержки (мин) | Скорость охлаждения в зоне отжига (°C/мин) | Скорость быстрого охлаждения (°C/мин) |
|---|---|---|---|---|
| 1-2 | 20-30 | 5-10 | 10-15 | 30-50 |
| 3-5 | 15-25 | 15-25 | 5-8 | 20-30 |
| 6-10 | 10-15 | 30-60 | 2-4 | 10-20 |
| 11-20 | 5-10 | 60-120 | 1-2 | 5-10 |
| 21-50 | 2-5 | 120-300 | 0.5-1 | 2-5 |
| более 50 | 1-2 | 300-600 | 0.2-0.5 | 1-2 |
Таблица соответствия температуры и вязкости
| Тип процесса | Вязкость (Па·с) | Время релаксации напряжений | Характеристика состояния стекла |
|---|---|---|---|
| Высшая температура отжига | 10¹³ | 5 минут (снижение в 10 раз) | Граница хрупкого состояния |
| Низшая температура отжига | 10¹⁵ | 500 минут (снижение в 10 раз) | Предел эффективного отжига |
| Точка напряжения | 10¹⁴·⁵ | несколько часов | Критическая точка застывания |
| Температура размягчения | 10¹² | секунды | Начало пластической деформации |
Таблица допустимых напряжений для различных стекол
| Тип стекла | Максимальные допустимые напряжения (МПа) | Остаточные напряжения после отжига (МПа) | Критические напряжения разрушения (МПа) | Двойное лучепреломление (нм/см) |
|---|---|---|---|---|
| Обычное стекло (ГОСТ Р 56828.28-2017) | 35 | 1.75 (5% от исходного) | 70 | до 70 (ГОСТ 32997-2014) |
| Оптическое стекло | 20 | 1.0 (5% от исходного) | 50 | до 10 |
| Боросиликатное стекло | 40 | 2.0 (5% от исходного) | 80 | до 15 |
| Кварцевое стекло | 60 | 3.0 (5% от исходного) | 120 | до 5 |
| Посуда стеклянная (ГОСТ 30407-96) | 35 | 1.75 (5% от исходного) | 70 | до 110 |
Таблица стадий процесса отжига
| Стадия | Название | Температурный диапазон | Продолжительность | Цель стадии | Контролируемые параметры |
|---|---|---|---|---|---|
| I | Предварительный нагрев/охлаждение | 20°C → Тотж | По формуле: 20/a² - 30/a² мин | Достижение температуры отжига | Скорость нагрева, градиент температуры |
| II | Выдержка при температуре отжига | Тотж = const | По формуле: 70a² - 120a² мин | Выравнивание температуры, релаксация напряжений | Равномерность температуры |
| III | Медленное охлаждение (ответственное) | Тотж → Тнотж | Определяется скоростью: 10/a² °C/мин | Предотвращение образования остаточных напряжений | Скорость охлаждения, градиент температуры |
| IV | Быстрое охлаждение | Тнотж → 20°C | По формуле: (10/a²) - (15/a²) °C/мин | Охлаждение до комнатной температуры | Термостойкость изделия |
Оглавление статьи
- Введение в процесс отжига стеклоизделий
- Теоретические основы отжига стекла
- Классификация стекол по температурным режимам отжига
- Температурные режимы и их расчет
- Скорости охлаждения и их влияние на качество
- Методы снятия напряжений в стеклоизделиях
- Современные технологии отжига
- Контроль качества отжига
- Оборудование для отжига стеклоизделий
- Расчеты и практические примеры
Введение в процесс отжига стеклоизделий
Отжиг стеклоизделий представляет собой критически важный технологический процесс в стекольной промышленности, направленный на снятие внутренних напряжений, возникающих в стекле во время формования и охлаждения. Этот процесс кардинально влияет на механические свойства, долговечность и эксплуатационную надежность готовых изделий.
Важность правильного отжига трудно переоценить. Согласно действующему ГОСТ Р 56828.28-2017 "Наилучшие доступные технологии. Производство стекла", процесс отжига является обязательной стадией производства, при которой стеклянные изделия выдерживают при температурах 500°С—550°С. Качественный отжиг снижает внутренние напряжения в 20 раз, обеспечивая стабильность и прочность изделия.
Современные технологии отжига позволяют с высокой точностью контролировать температурные режимы. Современные печи для отжига стекла позволяют регулировать температуру на разных этапах процесса с точностью до 1 градуса. Такая точность обеспечивает воспроизводимость результатов и высокое качество конечной продукции в соответствии с требованиями информационно-технического справочника ИТС 5-2022.
Теоретические основы отжига стекла
Физическая сущность отжига стекла заключается в управлении процессами релаксации внутренних напряжений при контролируемом тепловом воздействии. При формовании стеклоизделий их поверхностные слои охлаждаются значительно быстрее внутренних, что приводит к неравномерному сжатию материала и возникновению градиента напряжений по сечению изделия.
Ключевыми параметрами, определяющими режим отжига, являются две критические температуры. Под высшей температурой отжига подразумевают ту температуру, которая отвечает вязкости стекла 1013 П. При этой температуре напряжения в стекле уменьшаются в 10 раз за время, равное 5 мин. Эта температура соответствует точке, при которой стекло достаточно пластично для быстрого устранения напряжений, но еще не деформируется под собственным весом.
При высшей температуре отжига (η = 10¹³ Па·с): τ = 5 минут
При низшей температуре отжига (η = 10¹⁵ Па·с): τ = 500 минут
Соотношение времени релаксации: τ₂/τ₁ = 100
Низшая температура отжига определяется как температура при которой вязкость стекла соответствует 1015 П. При этой температуре напряжения уменьшаются в 10 раз за время, в 100 раз большее, чем при верхней температуре отжига, т. е. за 500 мин. Ниже этой температуры процессы релаксации становятся настолько медленными, что практически прекращаются.
Классификация стекол по температурным режимам отжига
Различные типы стекол требуют индивидуального подхода к выбору режимов отжига, что обусловлено их химическим составом и структурными особенностями. Разница между высшей и низшей температурами отжига для обычных стекол составляет 100° С, а для оптического стекла — 150° С.
Натрий-известковое стекло
Наиболее распространенный тип стекла в промышленности, используемый для производства оконного стекла, тары и бытовых изделий. Характеризуется относительно узким температурным диапазоном отжига и стандартными режимами обработки.
Боросиликатное стекло
Отличается повышенной химической стойкостью и низким коэффициентом теплового расширения. Максимальная температура при кратковременном использовании стекла DURAN® составляет 500 °C. При температуре выше 525 °C стекло начинает размягчаться. Боросиликатные стекла требуют более высоких температур отжига и имеют расширенный температурный диапазон.
SiO₂ - 81%, B₂O₃ - 13%, Na₂O/K₂O - 4%, Al₂O₃ - 2%
Коэффициент теплового расширения: α = 3.3 × 10⁻⁶ K⁻¹
Оптическое стекло
Требует особенно тщательного контроля процесса отжига из-за строгих требований к оптической однородности. Характеризуется широким температурным диапазоном отжига до 150°C и специальными режимами "тонкого отжига".
Температурные режимы и их расчет
Определение оптимальных температурных режимов отжига основывается на анализе химического состава стекла и геометрических параметров изделий. Базовая методика включает определение критических температур и корректировку их значений в зависимости от содержания различных оксидов.
Базовая температура: 560°C (для стандартного натрий-известкового стекла)
Корректировка на Al₂O₃: +3°C на каждый 1% при содержании 0-5%
Корректировка на Fe₂O₃: -2°C на каждый 1% при содержании более 0.5%
Корректировка на MgO: +1°C на каждый 1% при содержании более 2%
Практический расчет режима отжига включает четыре основные стадии, каждая из которых имеет свои особенности и требования к контролю параметров.
Стадия нагрева
Скорость нагрева определяется по формуле v = 20/a² - 30/a² °C/мин, где a - полутолщина изделия в сантиметрах. Эта формула обеспечивает оптимальный баланс между производительностью процесса и предотвращением термических напряжений.
Стадия выдержки
Время выдержки при температуре отжига рассчитывается как τ = 70a² - 120a² минут. Этот период необходим для полного выравнивания температуры по сечению изделия и релаксации существующих напряжений.
Скорости охлаждения и их влияние на качество
Контроль скорости охлаждения является наиболее критическим аспектом процесса отжига. Чем меньше толщина изделий и скорость их охлаждения в период такого перехода, тем меньше остаточные напряжения. Правильный выбор скорости охлаждения обеспечивает минимизацию градиента температур и предотвращение формирования новых напряжений.
Ответственное охлаждение
На стадии ответственного охлаждения скорость не должна превышать 10/a² °C/мин. Это самая медленная и важная стадия, определяющая конечное качество изделия. В этот период происходит переход стекла из пластичного состояния в твердое, и любые нарушения режима могут привести к формированию остаточных напряжений.
Скорость нагрева: v₁ = 20/25 - 30/25 = 0.8 - 1.2 °C/мин
Время выдержки: τ = 70×25 - 120×25 = 1750 - 3000 мин
Скорость ответственного охлаждения: v₂ = 10/25 = 0.4 °C/мин
Скорость быстрого охлаждения: v₃ = 10/25 - 15/25 = 0.4 - 0.6 °C/мин
Быстрое охлаждение
После прохождения зоны критических температур изделие может охлаждаться с повышенной скоростью, ограниченной только его термостойкостью. Скорость быстрого охлаждения составляет 10/a² - 15/a² °C/мин.
Методы снятия напряжений в стеклоизделиях
Современная технология предлагает несколько подходов к снятию напряжений в стеклоизделиях, каждый из которых имеет свои преимущества и области применения.
Конвективный отжиг
Традиционный метод, основанный на конвективном теплообмене в печах с контролируемой атмосферой. Характеризуется равномерным прогревом изделий и надежностью процесса, но требует значительного времени обработки.
Инфракрасный отжиг
Инновационная технология, использующая проникающее инфракрасное излучение. При использовании проникающего ИК-излучения достигается быстрое выравнивание температур по сечению стенки стеклоизделий, значительно ускоряется процесс нагрева и охлаждения. Этот метод особенно эффективен для толстостенных изделий сложной формы.
- Сокращение времени процесса в 2-3 раза
- Улучшение качества отжига за счет объемного прогрева
- Снижение энергопотребления на 20-30%
- Возможность обработки изделий сложной геометрии
Комбинированные методы
Сочетание различных способов теплообмена позволяет оптимизировать процесс для конкретных типов изделий. На увеличение скорости отжига оказывает влияние и естественная конвекция: при коэффициенте теплоотдачи 20Вт/(м2·К) скорость отжига составляет 0,9оС/с, а при отсутствии конвекции – 0,4оС/с.
Современные технологии отжига
Развитие технологий отжига стеклоизделий направлено на повышение производительности, улучшение качества продукции и снижение энергозатрат. Современные печи отжига оснащаются сложными системами автоматического управления и контроля.
Программируемые контроллеры
Современные печи отжига оборудуются многосекционными системами управления с ПИД-регулированием, позволяющими программировать сложные температурные профили. Это обеспечивает высокую повторяемость результатов и возможность адаптации процесса к различным типам изделий.
Конвейерные системы
Непрерывные конвейерные печи обеспечивают высокую производительность при обработке больших объемов продукции. Отжиг ленты стекла при вертикальном вытягивании в машинах ВВС и БВВС (безлодочных) происходит непосредственно в шахте машины при замедленной скорости охлаждения в интервале 530—400 °С.
Вакуумные печи
Применяются для отжига особо ответственных изделий, требующих исключительно равномерного распределения температуры. Вакуумная среда исключает окислительные процессы и обеспечивает прецизионный контроль тепловых потоков.
Контроль качества отжига
Оценка качества отжига основывается на измерении остаточных напряжений в готовых изделиях. Методы контроля качества отжига основаны на том, что в стекле под действием внутренних напряжений возникает двойное лучепреломление, которое проявляется в виде окраски при просмотре в полярископе.
Поляриметрический контроль
Метод основан на измерении двойного лучепреломления в поляризованном свете. Интенсивность окраски в поляроскопе пропорциональна величине остаточных напряжений, что позволяет количественно оценить качество отжига. Согласно ГОСТ 32997-2014, остаточные внутренние напряжения стекла должны быть не более 70 нм/см для стекол с коэффициентом направленного пропускания света 0,3 и более.
Тензометрические измерения
Прямое измерение механических напряжений с помощью тензодатчиков применяется для крупногабаритных изделий ответственного назначения. Метод обеспечивает высокую точность, но требует специального оборудования.
Контроль посуды и декоративных изделий
Для стеклянной посуды действует ГОСТ 30407-96, согласно которому удельная разность хода лучей поляриметра не должна превышать 110 нм/см. Этот стандарт учитывает специфику применения посуды и допускает несколько большие значения остаточных напряжений по сравнению с техническими стеклами.
Оборудование для отжига стеклоизделий
Выбор оборудования для отжига определяется типом производства, характеристиками обрабатываемых изделий и требованиями к качеству продукции. Современное оборудование обеспечивает высокую энергоэффективность и точность поддержания технологических параметров.
Печи периодического действия
Используются для отжига штучных изделий сложной формы или небольших партий продукции. Характеризуются высокой гибкостью настройки режимов и возможностью обработки изделий различных размеров в одной камере.
Конвейерные печи
Обеспечивают непрерывный процесс отжига при массовом производстве. Отжиг стекла, получаемого способами непрерывного проката, горизонтального вытягивания и флоат-процесса, осуществляют в роликовых отжигательных печах-лерах длиной до 160 м с газовым или электрическим обогревом.
Специализированное оборудование
Для обработки оптических стекол и прецизионных изделий применяются специальные печи с особыми требованиями к равномерности температурного поля и стабильности режимов.
Расчеты и практические примеры
Практическое применение теоретических знаний требует проведения расчетов режимов отжига для конкретных изделий с учетом их геометрических параметров и материала.
Исходные данные: пластина 50×50×15 мм, боросиликатное стекло
Полутолщина: a = 7.5 мм = 0.75 см
Расчет параметров:
1. Скорость нагрева: v₁ = 20/(0.75)² = 35.6 °C/мин
2. Время выдержки: τ = 70×(0.75)² = 39.4 мин
3. Скорость ответственного охлаждения: v₂ = 10/(0.75)² = 17.8 °C/мин
4. Температура отжига: 565°C (по таблице для боросиликатного стекла)
5. Общее время цикла: ~180 минут
Оптимизация энергопотребления
Современные подходы к проектированию режимов отжига учитывают не только качественные показатели, но и энергетическую эффективность процесса. Использование систем рекуперации тепла позволяет снизить энергозатраты на 15-20%.
Автоматизация процесса
Внедрение систем автоматического управления с обратной связью обеспечивает стабильность технологического процесса и минимизацию человеческого фактора. Современные системы позволяют корректировать режимы в реальном времени на основе данных мониторинга качества.
