Только в 1952 г. английская фирма «Pilkington Brоhsers Limited», специализирующаяся на производстве полированного стекла, начала исследования по получению непрерывной ленты стекла на расплаве металла и после 7 лет экспериментальных, полупромышленных и промышленных работ, после затраты огромных средств получила качественную продукцию. Достаточно сказать, что за период освоения нового способа было выпущено около 100 тыс. т брака прежде, чем удалось получить первый квадратный метр годного стекла. В январе 1959 г. было объявлено о разработке нового промышленного процесса и положено начало стремительному росту производства высококачественного термически полированного стекла. С 1959 г. в СССР было положено начало разработке установок по выработке флоат-стекла.
Был организован Саратовский филиал Государственного института стекла, главной задачей которого стало создание независимого отечественного флоат-стекла. В итоге в 1969 г. был создан способ, получивший название способа двухстадийного формования и запущена в эксплуатацию линия выработки флоат-стекла ЭПКС-4000, давшая товарную продукцию. В 1974 г. американская фирма «Пи-Пи-Джи Индастриз» запатентовала свой способ производства флоат-стекла, отличный от способов Пилкингтона и Саратовского института. Он был реализован в промышленности и также признан независимым.
Сущность флоат-процесса состоит в использовании двух несмешивающихся жидкостей, одна из которых менее плотная (стекломасса) - растекается по более плотной с образованием слоя одинаковой толщины. Последняя должна отвечать следующим требованиям:
- ее плотность должна быть существенно больше плотности стекломассы;
- точка плавления должна быть ниже 600°С;
- давление паров при температуре около 1050-1100°С должно быть минимальным;
- при высокой температуре она не должна химически взаимодействовать со стекломассой.
Предъявленным требованиям отвечают только расплавы металлов. Для осуществления процесса подходят Ga, In и Sn. Из этих металлов наиболее приемлемым является олово, так как наряду с обеспечением вышеперечисленных требований, его соединения являются широко распространенными в природе.
Сравнительно простая технология получения чистого олова делает его наиболее дешевым и, следовательно, наиболее эффективным с экономической точки зрения. Свободное растекание жидкой стекломассы по расплавленному металлу подчиняется общим закономерностям взаимодействия несмачивающихся жидкостей и зависит от плотности жидкостей и величин поверхностного натяжения на границах раздела фаз стекло - металл - газовая среда в ванне расплава. При этом стекломасса растекается под действием собственной массы стекла, а противодействует ей сила поверхностного натяжения.
Флоат-способ получения листового стекла является непрерывным процессом, при котором в ванну с расплавом олова непрерывно осуществляется дозированная подача стекломассы. Непрерывное поступление стекломассы на металлическую подложку приводит к образованию и распространению волн на поверхности ленты, подчиняющимся общим закономерностям распространения волн в жидкой среде (рисунок 1.1)
Рисунок 1.1 - Распространение волны в жидкой среде
Первоначально пытались изменять толщину ленты, пропуская ее на входе в ванну расплава через пару валков с заданной величиной зазора между ними, как это осуществляется при классическом способе проката. Практика показала ошибочность данного пути, поскольку для сохранения высокого качества верхней поверхности ленты необходимо повысить температуру прокатанной ленты до температуры, превышающей 1000°С («огневая полировка»), что приводило к стягиванию ленты до равновесной толщины.
Кроме того, испаряющееся олово конденсировалось на водоохлаждаемых валках, что приводило к дефектности поверхности ленты. Поэтому ленту стали вытягивать в продольном направлении, варьируя скорость вращения валков печи отжига. Вытягивающая сила ле- ра теоретически должна вызывать уменьшение как толщины, так и ширины вытягиваемой ленты пропорционально Vл , где Vл - изменение скорости вращения валков лера.
Однако в реальном процессе изменение скорости лера в большей степени вызывает уменьшение ширины, чем толщины ленты. Этот факт иллюстрируется рис. 8.3, на котором представлена зависимость толщины и ширины ленты стекла в зависимости от скорости вытягивания, увеличение которой указано стрелкой. Исходной для обеих кривых является точка Р, соответствующая равновесной толщине ленты и ее исходной ширине около 6 м.
Как следует из рисунка 1.2, вытягивание ленты при температуре 1050С приводит к резкому сужению ленты при уменьшении ее толщины. Так, при снижении толщины до 6 мм, ширина ленты уменьшается с 6 до 2,5 м, а при толщине 4 мм - и вовсе до 0,75 м, что приводит к резкому снижению производительности флоат-установок.
В то же время при температуре 850С зависимость ширины и толщины ленты от скорости вытягивания близка к теоретической (прямая пропорциональность), что связано с достаточно высокой вязкостью стекломассы. Таким образом, в ходе вытягивания ленты с Рис. 1.2. Зависимость геометрических параметров ленты от скорости вытягивания при различных температурах расплава целью получения листового стекла с толщиной менее равновесной необходимо предусмотреть охлаждение стекломассы сразу после ее растекания.
Для получение ленты стекла с толщиной менее равновесной, ее необходимо подвергать растягивающим усилиям. В настоящее время имеется несколько способов получения листового стекла тонких номиналов, два из которых рассмотрены ниже.
Сущность способа прямого вытягивания
Метод наиболее прост в реализации по сравнению с другими и, как правило, применяется для выработки стекла толщиной 5-6 мм. При этом, исходя из заданной конечной ширины ленты определяют и устанавливают ширину растекания стекломассы в «луже» (зона ванны с наибольшей шириной растекания), примерно в 1,4-1,6 раза больше конечной ширины ленты.
Для стабильности и безаварийности процесса с помощью графитовых ограничителей («пушеры») устанавливают ленту симметрично продольной оси ванны либо привязывают ее к одной из сторон. Дело в том, что конвекционные силы всегда тянут ленту к более холодной стороне. Рано или поздно она прилипнет к стенке ванны, потеряет скорость и разольется. Ограничители, слегка касаясь стекломассы, фиксируют положение ленты. Места установки пушеров определяются экспериментально. Оборудование, используемое для формования термически полированного стекла Для снятия избыточного тепла с ленты над ней сразу после места максимального растекания (лужа) устанавливают водяной холодильник. Поскольку края ленты остывают быстрее, чем ее середина, для выравнивания температуры ленты в поперечном сечении часто используют ромбовидный холодильник («банджо»).
При больших съемах устанавливаются дополнительные холодильники. Зона ванны расплава, где лента деформируется под действием сил вытягивания, называется зоной «активного формования». При способе прямого вытягивания приобретение затвердевающей лентой окончательных размеров осуществляется в интервале температур 1000-900°С, что соответствует вязкости = 103,5-104,6. При более низких температурах геометрия ленты практически не изменяется. В хвостовой части ванны осуществляется фиксация геометрических параметров сформированной ленты стекла путем ее дальнейшего охлаждения. Теплосъем осуществляется водяными холодильниками (прямоугольными и ромбовидными), устанавливаемыми под лентой стекла.
Величину теплосъема регулируют изменением числа холодильников. Температура ленты на выходе из ванны расплава строжайшим образом контролируется и должна составлять около 600-610С. Регулируется она хвостовыми холодильниками с точностью 5С. Данная температура является результатом компромисса между качеством стекла и безопасностью проведения процесса с точки зрения возможности обрыва ленты. Дело в том, что при выходе из ванны расплава лента перегибается, преодолевая выходной порог.
В итоге чем ниже ее температура, тем выше риск обрыва ленты стекла вследствие перехода его в хрупкое состояние. Температура же ленты, превышающая 610С может приводить к прогибу ленты под собственной массой, и касанию порога, а также к появлению отпечатков, оставляемых валами шлаковой камеры на нижней стороне ленты.
Большое значение для качества получаемого стекла имеет поддержание изотермических условий, то есть минимальной разности температуры олова по ширине ванны в любом ее сечении. Неравномерность распределения температуры в поперечном сечении ванны особенно нежелательно в зоне активного формования. При этом соседние участки ленты могут приобретать разную вязкость, вследствие чего деформируются под действием растягивающих усилий различным образом. В частности, стекломасса с меньшей вязкостью утоняется в большей степени.
Это приводит к разнотолщинности ленты и ухудшению оптических характеристик полированного стекла. Выравнивание температуры по сечению ванны осуществляется за счет изменения мощности электронагрева по участкам ванны. С этой целью в газовом пространстве и олове в расплаве в головной части ванны устанавливают группы нагревателей, снабженных регуляторами температуры. В итоге стремятся, чтобы перепад температуры по ширине ванны в зоне формования не превышал 10C. Изменением мощности нагрева по зонам ванны расплава возможно также в ограниченных пределах регулировать толщину ленты (±0,2-0,3 мм), однако основным средством утонения ленты все же является изменение скорости вращения валков печи отжига.
Заметное сужение ленты стекла, отмечаемое при реализации способа прямого вытягивания, делает неэффективным его использование для получения тонких номиналов листового стекла (d < 5 мм). Для получения утоненной ленты с большой шириной используется способ продольно-поперечного вытягивания.
Способ продольно-поперечного вытягивания
Предусматривает использование утоняющих машин (УМ), основным рабочим элементом которых является вращающийся зубчатый ролик, заглубляемый сверху в прибортовой участок ленты и удерживающий борт ленты на определенном расстоянии от стенки. При этом направление вращения вала УМ совпадает с направлением движения ленты, однако окружная скорость вращения ролика меньше скорости движения ленты, что создает тормозящий эффект в случае, если вал машины составляет некоторый «положительный» (+) угол с продольной осью ленты.
Используя несколько пар машин, устанавливаемых последовательно по длине ванны, можно получить широкую ленту тонкого стекла. Скорость вращения роликов утоняющих машин определяется, исходя из заданных конечных ширины и толщины ленты стекла. Количество подаваемого в ванну расплава стекломассы Р (съем печи), скорость лера и окружная скорость вращения бортоформующих роликов в совокупности определяют геометрические характеристики вырабатываемой ленты стекла.
Так, снижение удельного съма с печи при прочих стабильных факторах вызывает снижение растекания и конечной ширины ленты, увеличение толщины ленты. Уменьшение скорости лера приводит к усилению растекания, утолщению и расширению ленты. Снижение скорости вращения бортоформующих роликов усиливает растекание ленты, обеспечивает возрастание ее ширины при уменьшении толщины. Регулируя величины всех трех упомянутых выше факторов, добиваются заданных геометрических характеристик ленты на выходе из печи. Особое значение имеет тот факт, что при реализации способа продольно-поперечного вытягивания указанной цели можно добиться
Утонение ленты стекла способом продольно-поперечного растягивания без изменения съема стекломассы с печи, что создает предпосылки для стабильной ее работы и получения лучшего качества стекломассы. В связи с этим у производителей существует четкая тенденция сохранения равномерности подаваемого на формование потока стекла, что в итоге обеспечивает повышенные оптические характеристики стекла.
Требуемых геометрических параметров ленты добиваются, оперируя только скоростью роликов УМ и скоростью лера. Использование метода продольно-поперечного вытягивания позволяет получать флоат стекло весьма малой толщины (менее 2 мм). Температура олова в районе установки УМ поддерживается на уровне 880-820С с помощью сводовых нагревателей. Таким образом, основные преимущества способа продольнопоперечного вытягивания, помимо достижения большей конечной ширины ленты, состоят в следующем:
- гибкость при изменении толщины и ширины ленты стекла;
- быстрота их изменения.
Каждая утоняющая машина имеет следующие механизмы:
- подъема и опускания роликов относительно ленты;
- установки горизонтальности роликов; - их разворота на определенный угол к продольной оси ванны;
- перемещения машин перпендикулярно продольной оси ванны;
- изменения скорости вращения роликов. Обычно УМ оснащается комплектом телеаппаратуры: телекамера и видеоблок с телеэкраном для наблюдения за положением поведением ленты стекла. Описанные выше способы позволяют получать полированное стекло с толщиной от 6,5 до 1,8 мм. Следует заметить, что листовое стекло толщиной 6,0-6,5 мм при прочих равных условиях имеет более высокое качество поверхности и лучшую плоскопараллельность сторон, чем тонкое стекло. Другими словами, чем тоньше стекло, тем и хуже его качество по оптике. Это связано с увеличением скорости движения ленты и влиянием возвратных потоков олова, о чем будет сказано ниже. Для получения качественного полированного стекла необходимо поддерживать определенный температурный режим в ванне расплава при заданной скорости вытягивания ленты представляет температурные кривые выработки стекол разных номиналов.