Výroba plaveného skla
pohánějící válečky chladicí pece a je možné je v případě poruchy vyměnit i za provozu, což je vyloučeno u prvního z nich. Kromě výše popsaných mechanických zásahů při ovlivňování tloušťky taženého pásu skla je třeba upozornit i na problémy tepelné. Při tažení menších tlouštěk skla je nutno prostor cínové lázně přihřívat topnými odporovými elementy, naopak při výrobě pásu větší tloušťky tento příhřev odpadá, protože tvarovaná sklovina si přináší zvýšený obsah tepla již při nátoku na lázeň. Významným faktorem jakosti plochého skla float je i ovlivňování vlastností povrchu spodní strany tvarovaného pásu difúzí cínu [67], jeho kontaminací oxidy cínu [68] a interakcí spodního povrchu skla železem obsaženým ve sklovině [69].
5.9 Chlazení a chladicí pec Jedním z činitelů významně ovlivňujících možnosti použití skleněných výrobků je jejich mechanická pevnost. Tato pevnost je mimo jiné i funkcí vnitřního napětí, které se může ve skle objevit při jeho nedokonalém vychlazení. Sklo, jak známo, je špatným vodičem tepla a při jeho tvarování z viskózní taveniny dochází ke styku tvarovaného materiálu s okolním prostředím (atmosféra, tvarovací prvek) odlišné teploty, které vyvolá vznik teplotního gradientu napříč stěnou výrobku, to znamená, že jednotlivé vrstvy skla různě vzdálené od povrchu vykazují rozdílnou teplotu. Tyto tepelné rozdíly jsou příčinou rozdílných dilatací sousedních vrstev skla, které mají snahu se vyrovnat vzájemným posunutím. Pokud je sklovina natolik tvárná, že nízká viskozita umožní vzájemný posun sousedních vrstev, dojde k tomuto posunutí a současně k vyrovnání napětí, které teplotní gradient vyvolal. Pokud je ale viskozita skla natolik vysoká, že neumožňuje vzájemný posun sousedních vrstev, zůstane napětí vyvolané teplotním gradientem ve stěně výrobku i po jeho vychlazení.
5.9.1 Charakter napětí ve skle Předpokládejme, že budeme postupně ochlazovat skleněnou desku zahřátou na teplotu 400 °C, tedy na teplotu, kdy se sklo chová jako pevná látka. Při ochlazování této desky se v důsledku nízké tepelné vodivosti skla bude ochlazovat rychleji povrch desky než její vnitřní vrstvy a vznikne teplotní gradient, jehož velikost souvisí s rychlostí ochlazování desky. Současně dojde vlivem dilatace ke smršťování povrchových vrstev desky, které je větší než u vrstev vnitřních. Jelikož se tyto vrstvy o rozdílné teplotě nemohou navzájem posunout (viskózní tok je při tak nízkých teplotách prakticky vyloučen), vznikne v desce napětí a to tahové na povrchu a tlakové uvnitř desky. Jakmile se při pokračujícím ochlazování desky teploty mezi jejími vnitřními a vnějšími vrstvami vyrovnají, zanikne v celé desce vnitřní pnutí, které se nazývá přechodné. Velikost tohoto přechodného napětí závisí zejména na teplotním gradientu, tj. na rychlosti ochlazování (nebo zahřívání) desky. V případě zahřívání bude mít vzniklé napětí opačný charakter – tedy tahové uvnitř a tlakové na povrchu desky. Pokud je rychlost teplotní změny příliš vysoká, může vlivem přechodného napětí dojít k překročení mechanické pevnosti a k porušení výrobku. Navíc rychlé ochlazování je pro sklo nebezpečnější proto, že v povrchové vrstvě vzniká tahové napětí, které může způsobit rozvoj povrchových trhlinek snáze než napětí tlakové a tím i porušení výrobku. ┤ 98 ├
Ukázka elektronické knihy, UID: KOS181511
Chlazení a chladicí pec
Předpokládejme nyní, že budeme ochlazovat stejnou skleněnou desku, ale tentokrát z teploty 700 °C, při níž je sklo ještě natolik tvárné, že se působením vnějších sil může deformovat. Jestliže se v důsledku ochlazování skleněné desky vytvoří teplotní gradient, nemá jeho přítomnost v desce za následek vznik napětí, neboť toto napětí se okamžitě vyrovná viskózním tokem vrstev skloviny. Jestliže rychlost ochlazování bude rovnoměrná, tj. vytvořený teplotní gradient bude konstantní, pak uvnitř desky nevznikne žádné napětí až do okamžiku, kdy povrch desky dosáhne teploty okolí. Jakmile se začne vyrovnávat teplota desky (vnitřní vrstvy se budou postupně ochlazovat na teplotu povrchu), začne se v desce vytvářet vnitřní napětí (na povrchu tlakové, uvnitř tahové), které se v důsledku vysoké viskozity skla nemůže vyrovnat deformací a zůstává ve výrobku jako pnutí trvalé. Ve vychladlé desce zůstane tedy trvalé vnitřní pnutí, které se rovná svojí velikostí tomu napětí, které se v průběhu ochlazování vyrovnalo vnitřním viskózním tokem, ale má opačný charakter. Trvalé napětí může ve skle vzniknout pouze tehdy, jestliže se vytvořil teplotní gradient při takových teplotách, při kterých je možný vnitřní viskózní tok skloviny a příslušný teplotní interval se nazývá chladicím intervalem nebo chladicí oblastí. Chladicí interval je tedy rozmezí teplot, ve kterém dochází k vyrovnání napětí viskózním tokem skloviny v technologicky přijatelné době, ale kdy ještě nedojde v průběhu této doby k samovolné deformaci výrobku. Všechna pnutí, která ve skle vznikají při teplotách ležících pod dolní hranicí chladicího intervalu, jsou přechodného charakteru, tedy pnutí přechodná a trvají jen tak dlouho, dokud nedojde k vymizení teplotního gradientu. Mohou být ovšem vyvolána nejen změnou teploty, ale i mechanicky.
5.9.2 Schéma chladicího postupu Pod pojmem chladicí postup se rozumí řízené ochlazování skleněného výrobku takovou rychlostí, aby zbytkové trvalé napětí nepřekročilo přípustnou mez. Chladicí postup lze rozdělit do čtyř základních úseků (viz obr. 5.49) podle [70]. A. Vyhřívání na teplotu výdrže. B. Výdrž na chladicí teplotě. C. Pomalé ochlazování uvnitř chladicí oblasti. D. Rychlé ochlazování pod dolní chladicí teplotou.
A. Vyhřívání na chladicí teplotu V průběhu tvarování a přesunu do chladicí pece výrobek zpravidla zchladne a to v různých místech odlišně. Rozdílnou teplotu mohou mít i jednotlivé výrobky (např. láhve tvarované na vícesekčních řadových strojích). Proto je nutné výrobek vyhřát. Rychlost vyhřívání na chladicí teplotu se označuje h2. Má být co nejvyšší; zpravidla se určuje z rychlosti ochlazování v chladicí oblasti h1 pomocí vztahu h2 = 3h1 až 5h1 [K.min-1]
(5.2)
B. Výdrž na chladicí teplotě Tato prodleva je nutná k vyrovnání teplotních gradientů ve stěně výrobku a k odstranění vnitřního pnutí viskózním tokem. Výše chladicí teploty se volí obvykle v rozmezí 0 až ┤ 99 ├
Ukázka elektronické knihy, UID: KOS181511
Výroba plaveného skla
teplota t [°C]
tH tV
tD
A
B
C
D
W [min]
Obr. 5.49 Schéma chladicího postupu tH – horní mez chladicí oblasti; tV – teplota výdrže; tD – dolní mez chladicí oblasti
10 °C pod horní chladicí teplotou (odpovídá viskozitě η = 1012 (Pa.s). V případě, že horní chladicí teplota není známa, zvolí se chladicí teplota v rozmezí 0 až 10 °C pod dilatometrickou transformační teplotou (viskozita η = 1012,1 Pa.s). U běžných typů skleněných výrobků se volí doba výdrže na chladicí teplotě v rozmezí 5 až 20 minut.
C. Ochlazování v chladicí oblasti Při ochlazování v chladicí oblasti vzniká ve skle teplotní gradient, který po vyrovnání teplot v chladném výrobku vyvolá trvalé napětí. Během ochlazování v chladicí oblasti nesmí proto dojít k vytvoření většího teplotního gradientu, než odpovídá maximálně přípustné hodnotě trvalého (zbytkového) napětí. Dolní hranice chladicí oblasti se volí podle typu pece 30 až 75 °C (moderní pece s vířivou atmosférou) nebo 100 až 150 °C (pece se stacionární atmosférou) pod teplotou výdrže. Rychlost ochlazování v chladicí oblasti h1 se vypočte ze vztahu
h1 kde
X , C a [ (x ) 2
X a ξ(x) C
[K.min-1],
(5. 3)
je přípustný měrný dráhový rozdíl [nm.cm-1]; je směrodatný rozměr výrobku [cm]; je bezrozměrná funkce, vyjadřující vliv tvaru a velikosti výrobku; je chladicí modul skloviny [nm.s.cm-3.K-1].
U většiny výrobků se volí maximálně přípustný měrný dráhový rozdíl 100 nm.cm-1. Výpočet se provádí obvykle s rezervou pro X = 50 nm.cm-1. Chladicí modul C se určuje experimentálně. Pokud není znám používá se střední hodnota C = 3100 nm.s.cm-3.K-1. ┤ 100 ├
Ukázka elektronické knihy, UID: KOS181511