автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Способ и оборудование для производства стекла с новыми потребительскими свойствами

На правах рукописи

Попов Павел Валерьевич

СПОСОБ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТЕКЛА С НОВЫМИ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИМИ СВОЙСТВАМИ

05. 02. 13,- Машины и агрегаты (промышленность строительных материалов и изделий)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород 1998

Работа выполнена в Белгородской государственной технологической академии строительных материалов на кафедре механического оборудования

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор А.И. Шутов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.А. Гороховский

кандидат технических наук, доцент H.H. Дубинин

Ведущая организация: ЗАО «Ламинированное стекло», г. Саратов

Защита состоится «-j2. » МО.Я_1998 г. в "МОР часов на

заседании диссертационного Совета К 064.66.03. при Белгородской государственной технологической академии строительных материалов по адресу: 308012, Россия, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, главный корпус, а уд. 'Щ X .

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Белгородской государственной технологической академии строительных материалов.

Автореферат разослан MQpTP- 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В практике отечественного строительства при остеклении жилых и промышленных зданий и сооружений традиционно используется отожженное листовое стекло, имеющее весьма низкую механическую прочность. Низкая механическая прочность отожженного стекла (как статическая, так и ударная) является причиной значительных его потерь при транспортировке, монтаже и эксплуатации.

Закаленное стекло (сталинит) превосходит отожженное по прочности в 3-4 раза. Применение такого стекла в строительстве позволило бы снизить указанные потери с 40 до 5%. Однако, сталинит нельзя резать - при порезке он саморазрушается на мелкие осколки. Невозможность порезки сталинита -одна из главных причин того, что он крайне редко используется в строительстве. Вторая важнейшая причина неприменения сталинита в строительстве — его высокая стоимость, являющаяся следствием высоких энергозатрат на отжиг исходного стекла и последующий повторный нагрев перед закалкой.

Цель работы - разработка оборудования для производства термически упрочненного стекла с новыми потребительскими свойствами, реализующего новый способ термической обработки.

Объекты исследований: процесс термического упрочнения стекла способом воздушной закалки, механические свойства упрочненного стекла, оборудование для термического упрочнения стекла.

Рабочая гипотеза: новые потребительские свойства листового стекла могут быть обеспечены за счет применения закалки с переменной интенсивностью обдува стекла в закалочных решетках с высокой охлаждающей способностью.

Научная новизна работы заключается в разработке: нового способа производства термически упрочненного стекла - способа сложной термической обработки (СТО); методик расчета ударной прочности и прогнозирования характера разрушения упрочненного стекла; оборудования для производства стекла с новыми потребительскими свойствами - машин импульсного охлаждения стекла (МИОС); теоретических основ расчета МИОС.

Практическая ценность работы: разработанные способ сложной термической обработки и машины импульсного охлаждения стекла позволяют производить стекло с новыми потребительскими свойствами -сочетанием высокой механической прочности и возможности воспринимать порезку без саморазрушения; использование результатов работы в стекольной промышленности позволяет уменьшить удельные энергозатраты на производство упрочненного стекла но сравнению с закаленным на 25-30% и повысить производительность на 25-30%: в строительстве использование

результатов работы позволяет уменьшить потери стекла при транспортировке, монтаже и эксплуатации на 65-75%.

Внедрение результатов работы: результаты работы апробированы и внедрены в опытно-промышленное производство на ОАО «Саратовский институт стекла».

Апробация работы: результаты работы доложены и одобрены на международных конференциях в городах Москва (1995 г.), Белгород (1995 г., 1997 г.), Иваново (1997 г.), на заседании клуба производителей и переработчиков листового стекла СНГ в г. Гомель (1998 г.); по результатам работы получен грант Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации по фундаментальным исследованиям в области архитектуры и строительных наук.

Публикации: по теме опубликовано 10 работ, подано 4 заявки на получение патентов РФ на изобретение.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка литературы, приложений, включающих тексты программ, результаты теоретических и экспериментальных исследований, акты испытания и внедрения. Общий объем работы -129 стр., содержащих 51 рисунок, 3 таблицы, список литературы из 112 наименований.

Автор защищает следующие основные положения.

1. Способ термического упрочнения стекла путем воздушной закалки -способ сложной термической обработки (СТО).

2. Методики прогнозирования механических свойств упрочненного стекла.

3. Результаты экспериментальных исследований по упрочнению стекла и определению его механических свойств.

4. Патентно-чистые конструкции машин, реализующих способ СТО -машин импульсного охлаждения стекла (МИОС) и их узлов (закалочных решеток с эффективной эвакуацией отработанного воздуха (ЭЭОВ)).

5. Методики расчета основных параметров машин импульсного охлаждения стекла.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы диссертационной работы, указана научная новизна, практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Представлен аналитический обзор современного оборудования для производства отожженного и упроченного листового стекла. Приведен сравнительный анализ существующего оборудования для производства строительного отожженного листового стекла. Установлено,

что в настоящее время наиболее перспективным оборудованием для производства строительного отожженного листового стекла являются флоат-линии. Оборудование для производства стекла способом проката и вытягивания уступает ему практически по всем технико-экономическим показателям. Независимо от способа формования листового стекла общим недостатком оборудования для производства строительного листового стекла являются значительные энергозатраты на отжиг ленты. Несмотря на очевидные успехи в оптимизации отжига, минимальные энергозатраты на отжиг составляет около 630 Дж/кг стекломассы. Кроме того, отожженное стекло имеет весьма низкую механическую прочность, результатом которой являются значительные потери стекла при транспортировке, монтаже и эксплуатации, доходящие до 40%.

Закаленное стекло (сталинит) превосходи! отожженное по прочности в 3-4 раза. Применение такого стекла в строительстве позволило бы снизить указанные потери с 40 до 5%. Цель закалки в придании стеклу повышенной прочности. Прочность закаленного стекла обеспечивается за счет наличия в нем закалочных поверхностных сжимающих напряжений. Сталинит, помимо высокой прочности, имеет специфический характер разрушения. Вследствие наличия в центральном слое листа сталинита растягивающих напряжений Оц, при любом нарушении его целостности весь лист саморазрушается на множество мелких осколков. Как ударная механическая прочность, так и число осколков N, образующихся при разрушении сталинита, лимитируются действующим ГОСТ 5727-88 и аналогичными стандартами стран членов ISO. Однако, взаимосвязь закалочных сжимающих напряжений а„ и ударной механической прочности сталинита до настоящего времени полностью не раскрыта. Вопрос взаимосвязи а„ и ударной прочности закаленного стекла рассматривался в работах А.И. Шутова. Однако, предложенная методика прогнозирования ударной прочности закаленного стекла имела допущения, не позволявшие учитывать некоторые факторы, влияющие на ударную прочность сталинита. Вопрос о взаимосвязи растягивающих центральных напряжений оц с числом осколков N рассматривался в работах П. Аклока, Дж. Барсома, В. Новотного, С.С. Солнцева, А.И. Шутова. Однако, указанные работы базировались на экспериментальных исследованиях. Вследствие различия методик экспериментов и составов стекла данные не позволяют учитывать некоторых физических свойств стекла (плотность поверхностной энергии, модуль упругости и т.д.), влияющих на характер разрушения. Таким образом, несмотря на то, что число осколков нормируется государственными стандартами, универсальной методики прогнозирования характера разрушения также не существует.

По сравнению с отожженным строительным стеклом сталинит имеет два недостатка — невозможность порезки и высокую стоимость. Несмотря на отсутствие методик прогнозирования ударной прочности и характера разрушения стекла общеизвестным является факт: для того чтобы стекло

имело максимальную прочность и было способно воспринимать порезку без саморазрушения необходимо, чтобы величина сжимающих поверхностных напряжений а„ была максимальна, а величина растягивающих центральных напряжений оц - минимальна. Отношение этих двух величин оценивается параметром % равным % = | с„ / ст„ |.

Изучение литературы показало, что совершенствование оборудования для закалки идет в направлении увеличения коэффициента теплоотдачи а (интенсивности охлаждения).

Наибольшими потенциальными возможностями по интенсификации охлаждения стекла и регулированию интенсивности в процессе закалки обладает оборудование для жидкостной закалки стекла и закалки в контакте с твердым телом. На таком оборудовании удается добиться величины коэффициента теплоотдачи до а= 5000 Вт/(м2К) и значения параметра X = 3,5 - 4,5. Однако, вследствие высокого процента боя стекла в процессе закалки, сложности обеспечения высокого качества поверхности стекла и т. д. данное оборудование практически не используется для массового производства. Имеются лишь полупромышленные установки для жидкостной закалки листового стекла малых размеров и простой формы.

Наиболее перспективным в современных условиях оборудованием для производства закаленного стекла являются линии горизонтальной закалки стекла на твердых опорах (ЛЗ, ЛЗАС). Указанное оборудование обеспечивает производство сталинита, отвечающего требованиям государственных стандартов, с наивысшей, среди закалочного оборудования, производительностью. В настоящее время в России эксплуатируются линии горизонтальной закалки стекла производительностью от 350 тыс. м2 / год (ЛЗАС - 350) до 1,2 млн.м2/ год (ЛЗ - 1200). При производстве сталинита на ЛЗАС в трубчатых закалочных решетках удается довести интенсивность охлаждения до значения коэффициента теплоотдачи более 600 Вт/(м2 К). При этом удается достичь величины поверхностных сжимающих напряжений в сталините до 180 МПа. Однако, увеличить значение параметра % Д° величины более 2,2-2,5 в условиях промышленного производства практически невозможно.

Одна из главных причин высокой стоимости сталинита -значительный расход энергии на нагрев исходного отожженного стекла и на обдув стекла.

Снижение расхода энергии на обдув достигается за счет применения оборудования с повышенной эффективностью использования хладагента, обеспечивающего аспирацию отработанного воздуха и предотвращение смешивания его с охлаждающим. При закалке стекла расстояние между поступающими в зону обдува листами превышает размер самих листов в 2-4 раза и на обдув листов фактически затрачивается лишь 1/5 - 1/3 от всего расхода воздуха. Применение оборудования с регулируемой

подачей хладагента лишь на поверхность стекла, также обеспечивает снижение расхода энергии на обдув.

Снижение расхода энергии на нагрев стекла достигается за счет оптимизации процесса нагрева и совершенствования конструкций печей. Однако, по-видимому наиболее эффективным с точки зрения экономии энергии является оборудование для закалки стскла, находящегося в вязко-упругом состоянии, непосредственно после формования. Данное оборудование позволяет полностью исключить потери энергии сразу на двух стадиях процесса производства сталинита - па отжиге отформованного стекла и на нагреве отожженного стекла до закалочной температуры. По нашему мнению, данное устройство, в случае использования в нем усовершенствованных закалочных решеток, наиболее эффективно с точки зрения решения проблемы высоких энергозатрат на производство сталинита. Строительное закаленное стекло, производимое на таком оборудовании, обладает лишь одним недостатком - его нельзя резать.

Достичь возможности порезки такого стекла, по-видимому, можно за счет усовершенствования способа закалки с переменной интенсивностью обдува. Полученный в результате экспериментальных исследований японской фирмой «Асахи», способ закалки стекла с переменной интенсивностью обдува позволяет производить стекло, эпюра закалочных напряжений в котором отличается от эпюры закалочных напряжений сталинита. При сохранении величины поверхностных сжимающих напряжений ст„ равной стп сталинита, величина растягивающих центральных напряжений стц несколько ниже. Растягивающие напряжения более равномерно распределяются по толщине растянутого слоя. В результате такое стекло имеет прочность сталинита. Но при его разрушении образуются более крупные осколки. Теоретических исследований процесса закалки с переменной интенсивностью обдува в литературе не обнаружено.

Исходя из вышеизложенного в диссертационной работе ставятся следующие задачи.

1. Исследовать процесс воздушной закалки с переменной интенсивностью охлаждения стекла путем его математического моделирования. Выявить характер и степень влияния основных параметров процесса закалки на эшору закалочных напряжений и параметр %.

2. На основе данных, полученных в результате исследования процесса, разработать способ закалки стекла, позволяющий производить стекло с максимальным значением параметра % при минимальной величине центральных растягивающих напряжений.

3. Разработать методики прогнозирования по известным значениям величин растягивающих и сжимающих закалочных напряжений в стекле заданного состава его механических свойств - ударной прочности и характера разрушения.

4. Провести экспериментальную проверку методик прогнозирования

механических свойств стекла.

5. Разработать конструкции оборудования, реализующего разработанный способ закалки стекла, и методики расчета его основных параметров.

6. Провести опытно-промышленную апробацию выполненных разработок и их внедрение в производство.

Глава 2. Представлены результаты теоретических исследований. Проведено компьютерное моделирование процесса воздухоструйной закалки листового стекла с переменной интенсивностью. В основу компьютерной программы был положен алгоритм вычисления закалочных напряжений, расчетные зависимости которого основываются на уравнениях кинетической теории стеклования Нараянасвами - Мазурина. Алгоритм расчета закалочных напряжений составлен с учетом нелинейности физических констант по разработкам, выполненным в БелГТАСМ.

Толщина листа стекла условно разделялась на десять равных слоев. Продолжительность закалки делилась на фиксированные шаги времени: t0,t],t2,...,tj. Исходные данные для расчетов: в начальный момент времени to=0 температура стекла T(z, t0) (где z - координата расчетного слоя стекла, измеренная от срединной поверхности листа) и фиктивная (структурная) температура Tf{z,to) равны исходной закалочной температуре Т(0); напряженное состояние <j(z,to)=0; деформация e(to)=0; приведенное время S(to)=0.

Для каждого j-ro шага рассчитывались:

- фиктивная температура

TKz, ,tj)= T(zK ,t>£ exp(£(zK ,V,)-ç(zK ,t/'68 • (T(zK ,tj)- T(zK Дя)); (1)

¡Л

- приведенное время

Î(z.,tj )=É ImfM/ (2K ,V.) , (2)

J-I

где rjref - произвольная вязкость сравнения; Т] - реальная вязкость слоя с координатой слоя zK в момент времени j=l, причем

exp(A+B/(T(zK ,1И)+С)), (3)

(А,В и С - постоянные, зависящие от состава стекла);

- тепловая деформация стекла

e,(z. = ß% (T(zK ,tj) - T(0)) +/?s (Tf (/.„ ,lj> - T(0)), (4)

гдеßz и ßs - температурный коэффициент линейного расширения стекла в стеклообразном и жидком состоянии;

- релаксационная функция

R(zK ,tj) = exp((f (zK ,tj) - #(z. .tj.,)) / т„)°-и , (5)

причем константа та по O.B. Мазурину принималась равной

тст = 10"96 Vre/ =10'96-10у<,= I. (6)

Поскольку формула (6) справедлива только в пределах T>Tg , при вычислении R(z,t) ,были введены условные переходы:

- если T>Tg, то R(z,t) определяется по формуле (5),

- если T<Tg, то R(z,t) = 1.

На заключительной стадии алгоритма вычислялись следующие параметры:

- мгновенное значение совместной деформации слоев

e(tj) = Ê Î (e(tj-i)-R(z, ,tj-i) - R(t. ,tj.i) + Riz. ,tj) •(sfe.tj) -

X-] j-1

- e,(zk ,tj.,))) /1 .tj); (7)

¿•î

- временной градиент напряжений

,tj) = y— (в (tj) - e*(zi,tj)), (8)

где s*(zk,tj) = с (tj.j) + ct (zk,tj) - s (z^tj.i), E - модуль Юнга, v - коэффициент Пуассона;

- текущее (мгновенное) значение напряжений в заданном слое

ст (zk,tj) = £ R(Zk,tj) ■ Acr^/Uj). (9)

При проведении машинного эксперимента задавались в качестве исходных различные значения параметров процесса закалки - исходной температуры Т(0), коэффициента теплоотдачи а, времени интенсивного охлаждения t„ 0.

В результате проведенного моделирования установлена перспективность сложной термической обработки (СТО), представляющей собой нагрев до исходной закалочной температуры Т(0), кратковременный (импульсный) принудительной обдув с высоким коэффициентом теплоотдачи а и последующее охлаждение в условиях естественной конвекции воздушных масс. При СТО зависимость параметра % от времени интенсивного охлаждения (обдува) t„0 и зависимость параметра х от коэффициента теплоотдачи а имеют экстремальный характер. А эпюра закалочных напряжений имеет вид, существенно отличающийся от традиционной эпюры закалочных напряжений сталинита (рис. 1.).

Рис.1. Эпюры внутренних закалочных напряжений в стекле при различных способах термической обработки.

1 - СТО с t„ 0. = 0,1 с; 2 - традиционная закалка; 3 - СТО с t„ „.= 6 с; сс= 600 Вт/(м2 К); Т(0) = 660°С.

Величина поверхностных напряжений ац составляет 75-80% от а„ полученных при традиционной закалке, в тоже время оц ниже в 4-5,5 раз чем при закалке и составляет для толщин 3-6 мм 10<оц<15 МПа, значение же параметра х= 4,5-6. Для получения стекла с указанными свойствами необходимо проводить закалку по следующему, разработанному в результате обобщенного анализа расчетных данных, способу названному сложной термической обработкой (СТО-способом).

1 этап: нагрев стекла до исходной закалочной температуры Т(0)=640-660 °С;

2 этап: импульсное охлаждение стекла в течении короткого промежутка времени 0.= 0,1-1 сек. путем обдува в охлаждающем устройстве, обеспечивающем величину коэффициента теплоотдачи а = 400-600 Вт/(м2 К).

3 этап: выдержка листа стекла на воздухе в условиях охлаждения естественной конвекцией в течение времени ^ „-5-10 мин.

Далее в главе решена задача разработки методик прогнозирования механических свойств закаленного стекла - ударной прочности и характера разрушения.

Согласно ГОСТ 5727-88 ударной прочностью называется высота, падая с которой стальной шар массой 227(±2) г вызывает разрушение образца данного закаленного стекла размером 300x300 мм, установленного на квадратное основание. Расчетная модель образца закаленного стекла представлена в форме квадратной пластины со свободно опертыми краями на которую с высоты Н падает шар массой т. В качестве критерия прочности закаленного изделия использовано неравенство:

ад < Оо + ст„, (10)

где Сто и стп - прочность исходного отожженного стекла и поверхностные напряжения в закаленном изделии, соответственно.

В момент удара пластина испытывает упругую деформацию (прогиб) Од. В результате этой деформации в пластине возникают динамические напряжения стд. Максимальный статический прогиб квадратной пластины

сос-" =0,01160 а2 (11)

где а - длина стороны^квадратной пластины, О - цилиндрическая жесткость пластины, Э = 83 щ] _ у2) ' ^ " т0ЛЩш,а пластины, Е - модуль упругости,

v - коэффициент Пуассона.

При ударе шара по пластине статические и динамические напряжения связаны формулой:

Сд = кд-ос, (12)

где к, =1+ 11+- - коэффициент динамичности, В - отношение

V (1+а«©:"

массы пластины к массе шара, (Х| - коэффициент приведения массы, учитывающий массу ударяемого элемента, его схему (форму) и характер нагружения (в нашем случае ос]=1 /2).

Таким образом, определена величина максимальных динамических напряжений в пластине при ударе, с учетом массы самой пластины

,аГ-0+}+п_и2" „,)■ "(13)

(1+

Максимальные статические напряжения изгиба возникают в центре пластины

= |(1-V)-(0,485- 1п— + 0,52) + 0,48]-0,7424-л-. (14) 5 V 25 1 3 + v

Определена высота, падая с которой шар известной массы вызывает разрушение закаленного изделия:

Н =

Г , ч 2

Сто + сТп | 2 + а"

У

(1+с^Р)-соГ 2

(15)

Кроме того, решена задача прогнозирования характера разрушения упрочненного стекла.

Характер разрушения стекла согласно ГОСТ 5727-88 определяется числом осколков N разрушенного закаленного стекла на нормативной площади 5 х 5 см2. При выводе формул для расчета числа осколков исходили из известного факта - при разрушении закаленного стекла трещины распространяются в его срединном слое, который находится в состоянии растяжения. При рассмотрении картины разрушения этот слой представлен в виде отдельной пластины толщиной Ь, находящийся под действием средних по толщине напряжений

ь

| 2

аср= ¡Ыг . (16)

2

При самоподдерживающемся разрушении хрупкого тела можно говорить о волне разрушения (дробления), подразумевая под этим границу разделяющую разрушенный материал от не разрушенного. Удельная диссипация энергии на фронте разрушения

f =

2Ep0

d-2u),

(17)

где р0 - плотность стекла до разрушения.

Зная величину Еп можно вычислить I еомегрические размеры частиц разрушенного тела, предполагая что они имени форму сферы радиусом г0.

Го =

6Еу

<0-2»)

(18)

где у - плотность поверхностной энергии (для флоат-стекла у = 2,1Дж/м ).

С учетом того, что наугоолее вероятная форма осколков закаленного стекла - прямоугольный параллелепипед квадратный в плане, длина стороны основания осколка

6Еу

vac2p(l-2o) V3

(19)

По величине I определено число осколков N. образ)'ющихся при разрушении стекла

N = •

В

16

6Еу

(20)

(2стц/3)2-(1-2и) л/3

где В - длина стороны квадрата, в пределах которого определяется число осколков.

Расчеты по разработанной методике прогнозирования ударной прочности показали, что СТО-стекло обладает высокой ударной прочностью. Такое стекло толщиной 3 мм и более соответствует требованиям ГОСТ 5727 -88 при величине оп й 100 МПа (рис.2.). Расчеты по разработанной методике прогнозирования характера разрушения стекла показали, что при величине растягивающих центральных напряжении ст„ , характерной для СТО-стекла в 10-15 МПа, при разрушении образуется 2-10 осколков. Практика показывает, число осколков этого же порядка образуется при разрушении отожженного стекла, способного воспринимать порезку. Т.е. характер разрушения СТО- и отожженного стекла сходны. Высказано предположение о том, что СТО-стекло способно воспринимать порезку

аналогично отожженному.

Я, м

8

6

4

3 2,5 2

1

О 20 60 100 140 Сп>МПа

Рис. 2. Зависимость ударной прочности листового стекла от величины поверхностных напряжений.

I 2 3 4 и 5 - соответственно 8 = 2, 3, 4, 5, и 6 мм,

' ________- Н< Н™, (ГОСТ 5727-88)

--Н> Нгат (ГОСТ 5727-88)

0О = 75 МПа; Е = 6,8 1010 Па; V = 0,22; р = 2500 кг/м3;

Глава 3. Проведена экспериментальная проверка разработанной методики прогнозирования ударной прочности закаленного стекла. В ходе эксперимента определялась ударная прочность образцов флоат-стекла марки М4 по ГОСТ 111-90. Значения плотности и прочности стекла, использованного в ходе эксперимента составили, соответственно, р = 2470 кг/м3, <Уо = 75 МПа. Ударная прочность образцов стекла размерами 150x150x3 мм определялась методом удара стальным шаром массой 45,6 г. Высота разрушающего падения принималась за ударную прочность данного образца. С целью исключения систематических ошибок, обусловленных разнотолщинностыо и отклонением размеров образцов стекла, проводились замеры толщины и формата, а также взвешивание каждого образца. Расчетная ударная прочность определялась по формуле (15) для каждого конкретного образца из выборки в 125 шт. в отдельности. Вычислялись для данной выборки образцов значения: средней ударной прочности стекла, среднего квадратического отклонения ударной прочности, коэффициента вариации, определялся доверительный интервал величины ударной

прочности при доверительной вероятности в 95%. Результаты эксперимента приведены в табл.1, в сравнении с расчетными данными.

Табл.1.

Результаты эксперимента по определению ударной прочности стекла в сравнении с расчетными данными_______

№ пп. Статистический параметр Расчетное значение Экспериментальное значение

1. Количество испытанных образцов, п 125 125

2. Средняя ударная прочность стекла Н, м' 1,253 1,272

3. Среднее квадратическое отклонение 8и , м 9,29x10"2 12,53x10'2

4. Коэффициент вариации 9,% 7,41 9,85

5. Доверительный интервал Н, м 1,219<11<1,286 1,227<Н<1,317

Был проведен Ьопоставительный анализ данных расчетов по разработанной методике прогнозирования характера разрушения стекла с данными экспериментов американского и чешского ученых - Дж. Барсома и В.Новотного, работавших в направлении исследования характера разрушения закаленного стекла независимо. Сопоставление расчетных данных с экспериментальными показало, что расчетные прямые вписывается в доверительный 95%-й экспериментальный интервал для стекла с величиной закалочных растягивающих центральных напряжений сц<56 МПа.

Глава 4. Разработаны патентно-чистые конструкции оборудования для производства СТО-стекла - машин импульсного охлаждения стекла (МИОС) и основы расчета важнейших конструктивно-технологических параметров МИОС.

Разработана патентно-чистая конструкция закалочных решеток, обеспечивающая эффективную эвакуацию отработанного воздуха (ЭЭОВ) с поверхности охлаждаемого стекла. Эффективность эвакуации обеспечивается за счет того, что нагретый воздух увлекается в аспирационную камеру не только благодаря разнице давлений в аспирационной камере и зоне охлаждения решетки. В дополнении к этому он, в основной своей массе, направляется в кольцевые отверстия аспирационной камеры, выполненные коаксиальпо с соплами-насадками благодаря веерообразной форме струи, отраженной от плоскости.

При разработке конструкций МИОС в качестве обдувочных устройств использовались закалочные решетки с ЭЭОВ. Разработана патентно-чнетая конструкция машины импульсного охлаждения стекла для получения СТО-

стекла в виде непрерывной ленты (рис.3.). Разработанная конструкция позволяет производить СТО-стекло по флоат-снособу и исключить затраты энергии на отжиг отформованной ленты, заменив оборудование для отжига стекла оборудованием для его импульсного охлаждения.

Разработана конструкция МИОС для производства листов СТО-стекла (рис. 4.), обеспечивающая равномерное по всей площади импульсное охлаждение стекла с отсутствием градиента температур по длине листа, экономию хладагента за счет предотвращения расхода воздуха в промежутках между прохождением листов.

Разработана методика расчета минимальной скорости выработки СТО-стекла и производительности машин импульсного охлаждения стекла.

При охлаждении непрерывной ленты стекла неизбежно возникает продольный градиент температуры и напряжений. Определено значение скорости транспортирования стекла укр в зоне обдува, при которой разрушение неизбежно

„ =__е1\. х 4х а х (0________(21)

d2\a Д0)хД<х А '

(1 -v)xaB

где 8i - первый корень трансцендентного уравнения 8-tg(5) = Bi, а Bi = a d / (2 X) - критерий Био, X - теплопроводность стекла, а - коэффициент температуропроводности стекла; (о - длина зоны охлаждения, d - толщина стекла, (Зт - коэффициент температурного расширения, Е - модуль упругости, v - коэффициент Пуассона, сгв -временное сопротивление стекла,

Di = 2 cos2 5, (Bi - 5(2) / (5,2 (б;2 + Bi cos5,)).

Минимальная скорость выработки СТО-стекла в МИОС для производства непрерывной ленты определяется из соотношения

v„,„„. = 1,2 vKp.. (22)

Производительность МИОС непрерывной ленты стекла Q*™00 равна производительности флоат-линии т.е.

= . (23)

где Оф - производительность флоат-линии.

Производительность МИОС для производства листов СТО-стекла

Рис. 4. Схема МИОС для производства листов СТО-стекла. 1 - воздуховод приточный; 2 - решетка закалочная; 3 - камера аспирационная; 4 - сопло; 5 - рычажный механизм; 6 - шток; 7 - клапан регулирования подачи воздуха; 8 - пружина возвратная; 9 - электромагнит тяговый; 10 - реле времени; 11 - выключатель концевой; 12 - опора рычажного механизма; 13 - печь нагоева; 14 - оольганг печи нагрева.

Рис. 3. Схема МИОС для производства непрерывной ленты СТО-стекла. 1 - лента стекла; 2 - ванна с расплавом металла; 3 - рольганг; 4 - приводной механизм надреза ленты; 5 - валик разлома; 6 - пружина телескопическая; 8 - решетка закалочная; 9-10 -система автоматического управления механизмом разлома ленты; 11 - вибратор; 12 - электромагнит тяговый; 13 - шестерня фрикционная замыкающая; 14,15 - шестерня фрикционная рольганга и валика разлома, соответственно; 16 - пружина возвратная.

Ол'™=тл-Оч. (24)

где гпл - масса листа стекла; С>ч - часовая производительность (шт./час), равная С?ч ? ^600 уст ^ ^^ _ СКОрОСТЬ выработки СТО-стекла; ^ -

расстояние между единичными листами, проступающими на термообработку). -

Мощность, потребляемая машиной импульсного охлаждения стекла для производства листов СТО-стекла

ЛИГ.Т 1-1 _ .1 л

Ь

81Х.С1

лист 1 | ,,] 4

^ЛгЛзи; Xм р Л2

(тл-к)+пв.тв-к2)-^3., (25)

где г|1 - КПД привода вентилятора; г)2 - полный КПД вентилятора; г|з -аэродинамический КПД воздуховодов; а - коэффициент теплоотдачи; к -коэффициент теплопроводности стекла; Р - давление воздуха; Ар - площадь поверхности закалочной решетки; ъ - расстояние от края сопла до листа стекла; О - диаметр сопла; X - расстояние между соплами; ц - динамическая вязкость воздуха; р - плотность воздуха, Ьв - объемная производительность вентилятора аспирационной системы; Рв - полное давление, развиваемое вентилятором аспирационной системы; т|2 - полный КПД вентилятора аспирационной системы; к| - коэффициент сопротивления перемещению стекла по рольгангу; пв - количество валков; шв - масса валка; кг -коэффициент сопротивления вращению роликов в подшипниках; г]4 - КПД приводного механизма рольганга МИОС.

Расход мощности, потребляемой машиной импульсного охлаждения стекла для производства непрерывной ленты

^„■ос = ^о^ттг«у-6 М"р-У2-р ц +ЬвРв + "" тьтЬЛзЫ X'-4 р

— + пв -шв -к2 -v,

л

(26)

Г)4 Лз

где Qф - массовая производительность флоат-линии; Ь - длина рольганга МИОС; р1 - тяговое усилие в цепи подрезчика; - скорость резки стекла; т^ - КПД привода подрезчика.

Методика расчетов решеток, применяемых во всех разработанных МИОС, состоит в следующем. Задавшись конструктивными параметрами: D - диаметр сопл, z - расстояние до охлаждаемой поверхности стекла, зная потребную величину коэффициента теплоотдачи а, которую нужно обеспечить при заданном давлении воздуха Р, шаг сопл при соотношении z/D > 8 рассчитывается по формуле

X = (0, 286 — )8/3 х ( —хб, 119 (27)

а ¡л \ р z

а при z/D < 8 по формуле

X =<0, 286 - ) 8/3 х ( —хО, 923 J— х (I -0, 416x10'4 (D/z)4)), (28) а р \ р

где к - коэффициент теплопроводности воздуха; р - плотность воздуха, ц -динамическая вязкость воздуха.

Глава 5. Проведена опытно-промышленная апробация выполненных разработок и их внедрение в производство. По разработанным методикам проведен расчет основных конструктивно-технологических параметров, изготовлена соответствующая техническая документация и осуществлено внедрение опытно-промышленной линии вертикальной закалки стекла (ЛВЗС) для производства CTO-стекла и сталинита на ОАО "Саратовский институт стекла" г. Саратов. Созданная по разработанной технической документации опытно-промышленная ЛВЗС имеет следующие конструктивно-технологические характеристики. Печь нагрева: электрическая вертикальная щелевая, потребляемая мощность N = 40 кВт, время нагрева стекла на 1 мм толщины т = 35 с, средняя температура в печи t = 660 °С. Закалочные решетки: трубчатые с соплами-насадками цилиндрического типа с коноидальным входом, длина сопла 1 = 150 мм, расстояние между соплами X = 45 мм, диаметр сопл D = 12 мм, расстояние от сопла до охлаждаемой поверхности z = 30 - 50 мм, максимальное давление в коробе решеток Р = 8 кПа, производительность линии Q = 30 шт./ч.

Внедрение опытно-промышленной ЛВЗС позволило: реализовать СТО-способ и обеспечить повышение производительности с 22 шт./ч. до 30 шт./ч. при снижение удельного расхода электроэнергии с 20,2 кВтч/м" до 14,8 кВтч/м2. Опытно-промышленная ЛВЗС обладает необходимой эксплуатационной надежностью. Качество производимой продукции (СТО-стекла) соответствует требованиям ГОСТ 5727-88, предъявляемым к сталиниту, за исключением требований к числу осколков, образующихся при разрушении. CTO-стекло способно воспринимать порезку подобно

отожженному стеклу без саморазрушения. Качество порезки производимого СТО-стекла соответствует требованиям ГОСТ 111-90, предъявляемым к отожженному стеклу.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработано оборудование для производства термически упрочненного стекла с новыми потребительскими свойствами, реализующее новый способ термической обработки.

2. Исследован процесс воздушной закалки с переменной интенсивностью охлаждения стекла путем его математического моделирования.

3. Определены степень и характер влияния основных параметров процесса закалки на эпюру закалочных напряжений и параметр Выявлено, что зависимости «величина сжимающих напряжений а„ - время интенсивного охлаждения 1ио» и «параметр % ~ время интенсивного охлаждения 1и 0» имеют экстремальный характер.

4. На основе полученных данных разработан способ закалки (способ сложной термообработки), позволяющий производить стекло с новыми потребительскими свойствами - сочетанием высокой прочности и способности воспринимать механическую обработку без саморазрушения.

5. Разработаны методики прогнозирования механических свойств стекла, позволяющие: определить ударную прочность и величину динамических напряжений стекла, испытываемого по ГОСТ 5727-88; по величине растягивающих напряжений прогнозировать число осколков, образующихся при разрушении стекла, и их средний размер.

6. Проведена экспериментальная проверка разработанных методик прогнозирования механических свойств стекла. Разработанные методики обеспечивают точность, необходимую для инженерных расчетов -максимальное расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 9, 85%.

7. Разработано оборудование для производства СТО-стекла: патентно-чистые конструкции закалочных решеток с эффективной эвакуацией отработанного воздуха, машин импульсного охлаждения стекла для получения СТО-стекла в виде непрерывной ленты и в виде штучных изделий (листов стекла).

8. Разработаны основы расчета важнейших конструктивно-технологических параметров машин импульсного охлаждения стекла: минимальной скорости выработки СТО-стекла и производительности МИОС, мощности, потребляемой МИОС, конструктивных параметров закалочных решеток МИОС.

9. Осуществлено внедрение опытно - промышленной линии

вертикальной закалки стекла, реализующей способ СТО, обеспечившее повышение производительности с 22 шт./ч. до 30 шт./ч., снижение удельного расхода электроэнергии с 20,2 кВтч/м2 до 14,8 кВтч/м2.

10. Опытно-промышленная ЛВЗС обладает необходимой эксплуатационной надежностью и обеспечивает качество производимого CTO-стекла, соответствующее требованиям ГОСТ 5727-88, предъявляемым к сталиниту.

П. Производимое CTO-стекло способно воспринимать порезку без саморазрушения, качество порезки соответствует требованиям ГОСТ 111-90, предъявляемым к отожженному стеклу.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Шутов А.И., Ахтямов A.B., Попов П.В. Теоретические исследования сложной термообработки листового стекла // Сб. научи, трудов "Машины и комплексы для новых экологически чистых производств строительных материалов". - Белгород: Изд. БТИСМ, 1994. - С 99-107.

2. Шутов А.И., Попов П.В. Теория и перспективы создания термически упрочненного стекла строительного назначения // Тезисы докладов Междунар. конф. - М.: Изд. РХТУ, 1995. - С 11.

3. Шутов А.И., Попов П.В., Чистяков A.A. Основы технологии упрочненного листового стекла со специальными свойствами // Тезисы докладов Междунар. конф. "Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций". Ч. 4. - Белгород: Изд. Б'ГИСМ, 1995. - С 8.

4. Шутов А.И., Попов П.В., Струков В.Г. Методика расчета ударной прочности листового стекла // Стекло и керамика. - 1996. - № 6. - С. 10-12.

5. Шутов А.И., Попов П.В., Чистяков A.A. Формирование заданных потребительских свойств листового стекла // Известия ВУЗов. Строительство. - 1996. - № 10. - С. 101-106.

6. Шутов А.И., Попов П.В. Основы производства строительного закаленного стекла // Тезисы докладов I Междунар. научн.-техн. конф. "Актуальные проблемы химии и химической технологии (Химия -97)". -Иваново: Изд. ИГХТА, 1997. - С 5-6.

7. Шутов А.И., Попов П.В. О возможности неразрушающего контроля закаленного стекла // Сб. трудов Междунар. конф. "Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений". - Белгород: Изд. БелГТАСМ, 1997. - С 51-57.

8. Шутов А.И., Попов П.В., Тодоров В.Л., Струков В.Г. Уменьшение боя стекла в процессе закалки // Стекло и керамика. - 1997. -№10. - С. 10-11.

9. Шутов А.И., Попов П.В., Тодоров В.Л. Механизм разрушения стекла в процессе закалки // Стекло и керамика. - 1997. - №12. - С.4-6.

10. Шутов А.И., Попов П.В., Бубесв А.Б. Прогнозирование характера разрушения закаленного стекла // Стекло и керамика. - 1998. - №1. - С.8-10.

Подписано к печати ? 3 о 3, Заказ № 60 Тираж-100 Объем - 1 п.л.

Ротапринт БелГТАСМ. 308012, Белгород, ул. Костюкова, 46.