CZ20033488A3 - Způsob tepelného zpracování tvrzených skleněných tabulovitých dílců - Google Patents

Description

Způsob tepelného zpracování tvrzených skleněných tabulovítých dílců

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu tepelného zpracování tvrzených skleněných tabulí (t.j. tepelně předpjatých, anglicky tempered) za účelem vyloučení skel majících sklon k samovolnému rozpadu, majícího vlastnosti předvýznaku nároku 1.

Dosavadní stav techniky

Způsoby tohoto druhu jsou známé pod označením zkouška skladování za tepla (test ďentreposage a chaud) nebo pod anglickým názvem heat soak test. V důsledku jejich používání by tvrzené skleněné tabule tohoto druhu, u nichž vzniká v důsledku krystalových vměstků, zejména částic sirníku nikelnatého (NiS), riziko náhlého nepředvídatelného rozpadu po té, co byly osazeny, by měly být již zničeny před jejich nákupem a montáží. Aby se předešlo nadměrně vysokým nákladům při kontrole surovin, t.j. skelné taveniny a skleněných tabulovitých dílců, jsou příslušné skleněné tabulovité dílce (a především tabule, které jsou určené pro zasklívání na obvodových pláštích budov) podrobovány po prodlouženou dobu simulaci, pomocí zkoušky skladování za tepla (heat soak test), jejich použití v provozních podmínkách. Zkouška urychluje, s ohledem na zrychlené vystavení, proces transformace a růstu vměstků NiS, který v normálních podmínkách probíhá velmi pomalu (po dobu několika let).

Stručně řečeno může sklo float obsahovat krystalické vměstky NiS, jejichž forma a (šesterečná) je stabilní nad 380°C. Bod touto teplotní mezí začíná alotropická transformace na formu β (rombickou). Tato rombická forma dovoluje

-2vyvíjet, v důsledku zvětšování objemu částic v průběhu relativně dlouhé doby, která závisí na teplotách působících na sklo a na detailním složení vměstků, vnitřní napětí, která mohou vést i po letech ke spontánní samovolné destrukci příslušných skleněných tabulovítých dílců. Z krystalografických dat je možné vypočítat maximální vzrůst objemu o 4,0%.

Běžné zkoušky skladování za tepla představují z provozního hlediska vzhledem k jejich dlouhé době trvání a nedostatečné kontinuitě toku materiálu narušení výroby. Tabulovité dílce, náchylné k samovolné destrukci výše uvedeného druhu, po většinu doby nepřežijí zkoušku, zatímco tabulovíté dílce, u nichž nedojde k destrukci, jsou považovány za použitelné bez jakýchkoli výhrad. Přes to však stále ještě dochází k samovolné destrukci na místě použití, a to i v případě tabulovítých dílců, které byly před tím podrobeny zkoušce skladování za tepla. V důsledku toho jsou hledány prostředky pro zvyšování spolehlivosti výsledků, přičemž dobu trvání tepelného zpracování je třeba udržovat co možná nejkratší.

Spis US-A-6 087 820 tak popisuje způsob umožňující kontinuální proud skleněných tabulovitých dílců po vytvrzovacím procesu a také během zkoušky skladování za tepla. Toho se dosahuje po obvyklém vytvrzovacím procesu tím, že se skleněné tabulovité dílce ještě jednou zahřejí z přibližně 300°C na teplotu přibližně 340-370°C, nebo se přeruší jejich chlazení, pokud bylo dosaženo tohoto rozmezí bezprostředně po tvrzení. Udržováním teploty v tomto rozmezí po relativně krátký časový interval o délce jedné nebo několika minut musí být vměstky NiS úplně přeměněny z fáze a na fázi β, během něhož přeměna vměstků NiS prodělává zvýšení objemu o 2,38%, což vyvolává samovolnou destrukci u náchylných tabulí. Relativně krátká doba působení vysoké teploty musí vyloučit jakékoli negativní důsledky na vytvrzení skleněných tabulovitých dílců. Nedotčené tabulovité dílce podstupující zkoušku jsou potom znovu uvedeny na nižší teplotu vhodnou pro následnou manipulaci, a to foukáním chladicího vzduchu (nucenou konvekcí).

Spis DE-B2-20 43 942 popisuje další způsob, při kterém musí být skleněné skleněné tabulovité dílce před nebo po tvrzení udržovány po předem určenou dobu v teplotní oblasti od 100 do 380°C, přičemž se teplota popřípadě může měnit v čase v rozmezí uvedených mezních hodnot podle známých exponenciálních závislostí kinetiky přeměny prvního řádu. Vzhledem k udržování vyšších teplot se požadovaná doba odpovídajícím způsobem zkracuje. Získá se tak především přeměna vměstků NiS z fáze a na fázi β, takže většina ohrožených tabulí se v této fázi při zkoušce již rozpadne. Je výhodné připojit krátký povrchový ohřev, při němž jsou tabule, které jsou ještě nedotčené, znovu uváděny po krátkou dobu (od 10 do 300 sekund) na zvýšenou teplotu (od 300 do 950°C). Tato doplňková zatěžovací zkouška musí úplně zničit náchylné tabule, u nichž již došlo v důsledku růstu krystalů k vytvoření mikrotrhlin. Tato zkouška je přísně časově omezena, aby tepelný šok neměl žádný negativní důsledek na předpětí skleněných tabulovitých dílců. Podle srovnávacích experimentů podle DE-B2-20 43 942 neprošel touto zkouškou žádný vzorek mající vměstky NiS.

Spis EP-A1-1 000 906 se rovněž vztahuje na zkoušku

heat soak. Jako optimální pro co fáze β z vměstků NiS se ve všech vyvolávání samovolných rozpadů uvažuje teplota 282°C. Tato hodnota je rovněž určená jako horní mez stability uvedené fáze β. Při klasickém způsobu, který je zde popsán, se zahřívají tabule z tvrzeného skla, které se mají kontrolovat, z teploty okolního prostředí relativně pomalu na uvedenou teplotu, teplota se udržuje po předem určenou dobu nejméně tři hodiny a po té se znovu ochlazují.

možná nejrychlejší tvorbu složeních zodpovědných za

Panuje všeobecný názor, že k maximálnímu zvětšení objemů krystalů NiS za jednotku času dochází při teplotách 280 až 300°C, které v případě až dosud prováděných zkoušek heat soak byly dosaženy relativně pomalu a byly udržovány, aby se dosáhlo co možná nejrychlejšího růstu krystalů. Na základě podrobnějších studií bylo zjištěno, že krystaly α-NiS v tepelně tvrzených tabulí tvoří po té, co byly ochlazeny pod mezní teplotu okolo 380°C, tvoří s výhodou v daném teplotním rozmezí í zárodky fáze β. Tyto zárodky tvoří předchozí podmínku pro více či méně úplnou přeměnu těchto krystalů na fázi β a v důsledku toho i pro jejich velmi často destruktivní vzrůst objemu. Výše uvedené publikace se nezmiňují o tvorbě zárodků.

Ve výše uvedeném přednostním rozmezí tvorby zárodků, které bylo na základě rozsáhlých pokusů shledáno jako ležící výrazně pod obvyklými zkušebními teplotami přibližně 300°C, bylo zjištěno výrazné maximum tvorby zárodků za jednotku času. Zárodky fáze β se přirozeně tvoří rovněž při teplotách mimo uvedenou oblast, ale značně pomaleji a méně úplným způsobem se známými dlouhodobými riziky. Tabulovíté dílce z

-5·· · · · « · tvrzeného skla, které jsou před provedením zkoušky heat soak ochlazené na teplotu okolního prostředí a které jsou potom znovu zahřívány, nutně procházejí, a to jednou směrem dolů a jednou směrem nahoru, teplotou při níž je tvorba zárodků za jednotku času maximální. Když se provádí zkoušky skladování za tepla podle stavu techniky, není však možné při provádění bezprostředně po tepelném tvrzení skel bez chlazení do teplotní oblasti tvorby zárodků, dosáhnout žádný dostatečně spolehlivý výsledek při vyřazování skleněných tabulí, náchylných k porušení, protože pravděpodobnost tvorby zárodků je malá nebo protože jen relativně malý podíl vměstků α-NiS je schopný tvořit zárodky.

Je všeobecně známé (slovník Rómp Chemie, sv.3, 10. vydání 1997), že zárodky jsou částice látky, které umožňují spouštění tvorby nových fází látky. Jako příklad je možno uvést mikrokrystality, které umožňují iniciovat krystalizaci v roztoku nebo tavenině. Z toho nevyplývá konkrétní závěr týkající se přeměny krystalů α-NiS na jejich fázi β.

Vynález si klade za úkol vytvořit další způsob výše uvedeného druhu pro tepelné zpracování skleněných tabulí s ohledem na odstraňování těch, které mají sklon k samovolnému rozpadu.

Podstata vynálezu

Způsob mající znaky patentového nároku 1 přináší dosažení výše uvedeného cíle při využití nových poznatků týkajících se tvorby zárodků β ve vměstcích NiS. Znaky závislých patentových nároků poskytují výhodná zdokonalení tohoto způsobu.

-6Výsledky výzkumu ukazují, že rychlé a cílené vyvíjení nebo i vynucování uvedené tvorby zárodků, nebo přibližování k teplotní oblasti, v níž uvedená tvorba s výhodou probíhá (t.j. oblasti tvorby zárodků), může značně zlepšit výsledky následující zkoušky heat soak a především značně zkrátit požadovaný časový interval.

Tato přednostní oblast tvorby zárodků leží mezi 80 a 200°C, přičemž maximum tvorby zárodků na jednotku času leží podle až dosud zjištěných požadavků přibližně mezi 130 a 160°C. Jeho přesná poloha však závisí na velkém množství mezních podmínek (směs a tlouštka skla, podíly a čistota NiS) a nemůže být spolehlivým způsobem obecně určena.

Jakmile byla v každém z mikrokrystalů NiS s fází a, obsažených ve skelné hmotě, na počátku uskutečněna tvorba zárodků fáze β (a tedy ještě ne úplná přeměna), spustí následující zkouška skladování za tepla nezávisle na jejím uspořádání maximální maximální růst každého vměstku se zvýšenou jistotou, t.j. že se všechny vměstky α-NiS zcela přemění na vměstky β-NiS. Jestliže jejich růst zůstane nepodstatný pro příslušné tepelně tvrzené sklo, nedojde již u toho skla k destrukci během následujícího použití.

Vlastní zkouška heat soak, určená pro zrychlený růst vměstků β-NiS nebo dokončení přeměny fází, se v důsledku toho provádí po úplné tvorbě zárodků.

Významná přídavná výhoda způsobu podle vynálezu spočívá v tom, že je možné cíleným a rychlým způsobem regulovat právě tuto podstatnou oblast tvorby zárodků a po určené časové údobí ji udržovat bez ohledu na to, zda se toto děje při konstantní teplotě, s velmi pomalým růstem, nebo rovněž s poklesem uvnitř této oblasti, anebo s proměnlivými výkyvy řízení a teploty v tomto rozmezí. V každém případě dochází ke zvyšování jistoty, že jsou nejen všechny krystaly NiS schopné tvořit zárodky skutečně podrobeny tvorbě zárodků a že u nich dojde rovněž později k růstu v jejich fáze β, ale že bude také existující potenciál samovolné destrukce v co největší možné míře vzat na zřetel.

Samozřejmě je možné sledovat tvorbu zárodků, jak již bylo naznačeno, prakticky jakoukoli klasickou zkouškou skladování za tepla. Rozumí se však, že pokud se skleněné tabulovité dílce se po tvorbě zárodků znovu zahřívají do teplotní oblasti, o které je známo, že v ní krystaly NiS rostou rychleji nebo jsou podrobovány úplné přeměně, nedosáhne se nejvyšší možné nákladové efektivity a nejkratší možné doby trvání. V úvodu rozebíraná literatura poskytuje dostatečné informace na toto terna.

Způsob podle vynálezu zde nyní rovněž přináší značné výhody v tom, že po té, co proběhla fáze tvorby zárodků, je možné rovněž cíleně zaměřit zkušební teplotu relativně rychle, a používat tedy strmé teplotní spády tam, kde až dosud byl požadován vzhledem k existenci spíše empirických zkušebních hodnot pouze relativně pomalý růst celkové teploty.

V důsledku velmi strmých teplotních změn a vzhledem k tomu, že jsou navíc doby udržování na optimálních hodnotách relativně krátké, je celková doba trvání procesu zkrácená tak, že je možné proces provádět víceméně kontinuálně.

-8• · · · · ······ • · · · · · · · • · · · · · ·

Při tomto postupu také není podstatné, ve kterém směru a jakou rychlostí (ve stupních Kelvina za minutu) se dosahuje optimální teplotní oblasti pro tvorbu zárodků. Skleněné tabule (skleněné tabulovité dílce - v definici předmětu vynálezu je používán tento zobecněnější termín pro vitre nebo sklo) mohou tak být zahřívány z teploty okolního prostředí na tuto teplotu nebo do této oblasti co možná nejrychleji, aby proces začal, anebo mohou být do této teplotní oblasti ochlazovány skleněné tabulovité dílce, které právě přišly z tvrdící pece, a to samozřejmě pokud možno v blízkosti oblasti maximální tvorby zárodků za jednotku času. Tento proces se udržuje po předem určený časový interval, který je s výhodou nejméně pět minut. Tyto hodnoty přirozeně rovněž oscilují v závislosti na množství skla, které musí být podrobeno zkoušce, jakož i na tloušťce tabulí atd.

Pokud jde o pece pro provádění pozměněné zkoušky skladování za tepla neboli heat soak, není zapotřebí žádná změna pokud jde o vybavení. Přednostní oblasti teploty a jejich průběh v čase mohou být v principu regulovány pomocí jakéhokoli běžného řízení pece a teploty. Zvýší se však vhodným způsobem topný výkon nebo se zlepší tepelný přenos směrem ke sklu (zejména nucenou konvekcí), aby bylo možné zajišťovat strmější tepelné spády než jaké byly používány až dosud. Tato poslední úprava je nakonec podstatná z hlediska znatelného zkrácení celkové doby trvání a z hlediska záruky spolehlivosti zkoušky.

Očekává se, že zkouška skladování za tepla se bude provádět na sklech, která musí být zahřívána z teploty okol-9• · · ·· · · · · ··· ·· ··· ···· ·· ·· ního prostředí, po dobu celkem přibližně 5 hodin, a na sklech, která se dopravují na lince ve stále ještě horkém stavu vycházejícím z tvrdidicího zpracování přímo ke zkoušce skladování za tepla, po celkovou dobu přibližně 0,5 hodin.

Příklad provedení vynálezu

Na základě ilustrativního příkladu bude dále stručně popsáno praktické provedení způsobu, následující přímo (in-line) tepelné vytvrzování skleněných tabulí.

Skleněné tabulovité dílce opouštějí tvrdící stanici s teplotou přibližně 450°C, na niž byly ochlazeny s výhodou rychlým zchlazením chladným vzduchem. Po té se dopravují jednotlivě nebo v sadách na stanici pro tepelné tvrzení (do pece), v níž se teplota nechává klesnout na hodnotu nižší než 200°C, například s přednostním rozmezím od 130°C do 160°C pomocí teplotního spádu -4 K/min (nebo rychleji, je-li to možné). Rychlé měnění teploty se s výhodou vyvolává konvekcí (nucenou). Teplota skla se nyní udržuje v této oblasti po časové údobí nejméně 5 minut, přičemž skleněné tabulovité dílce jsou s výhodou v uzavřené komoře. V tomto případě se také mohou pohybovat, a to v poloze kdy leží na dopravním pásu. Může tak být udržován kontinuální proud materiálu. Doba trvání tohoto časového intervalu může být popřípadě ještě optimalizována na základě výsledků zkoušky.

Vzhledem k této době pobytu na teplotě v oblasti tvorby zárodků je zajištěno, podle dosud provedených zjištění, že se ze všech vměstků fáze α-NiS vytvoří alespoň zárodky fáze β. Určité vměstky mohou být již nyní přeměněné více nebo méně úplně na fázi β a u několika skleněných tabuloví-10-

tých dílců již může dojít k rozpadu. Je třeba učinit vhodná opatření pro odebírání skleněných střepů.

Teplota skleněných tabulovitých dílců se po té uvádí pomocí pomocí spádu 4 K/minutu (nebo rychleji, použije-li se dostatečný výkon pece a/nebo je-li dobrý přenos tepla ke sklu) do známého rozsahu přibližně 290°C ± 10°C, aby se převedly vměstky α-NiS, nesoucí zárodky, co možná nejrychleji a nejúplněji na jejich fázi β. Tato teplotní oblast se udržuje po dobu alespoň 15 minut. Skleněné tabulovité dílce, náchylné k samovolnému rozpadu, se poruší během tohoto časového intervalu, pokud již před tím nedošlo k jejich rozpadu. Je rovněž možné výše uvedenou dobu 15 minut i zkrátit, je-li spolehlivost samovolné destrukce zajištěna statisticky v rámci kratšího působení vyšší teploty.

Skleněné tabulovité dílce mohou v principu zůstávat v pohybu rovněž během tohoto druhého časového intervalu, stejně jako i během zvyšování teploty, pokud je v tomto případě zaručeno udržování požadované teploty.

Po uplynutí doby udržování vlastní zkušební teploty jsou dosud nedotčené skleněné tabulovité dílce ochlazovány na teplotu okolního prostředí. Značné úspory času se zde mohou získat konvekčním chlazením pomocí chladných médií (vzduchu, tekutiny).

Claims (12)

1. Způsob tepelného zpracování tvrzených skleněných tabulovitých dílců za účelem vyloučení těch, které jsou ohroženy samovolným rozpadem (zkouška heat soak test) objemovým růstem krystalů, které sklo obsahuje, zejména přeměnou vměstků sirníku nikelnatého z jejich fáze a na jejich fázi β, přičemž skleněné tabulovité dílce se udržují po tvrzení po předem určené časové údobí na alespoň hodnotě teploty urychlující objemový růst krystalů, vyznačený tím, že teplota skleněných tabulovitých dílců se uvádí

a) do oblasti označované jako oblast tvorby zárodků fáze β v přítomných vměstcích α-NiS, přičemž tato teplota leží pod 250°C a nad teplotou okolního prostředí, přičemž se teplota při přibližování k oblasti tvorby zárodků mění o více než 2 stupně Kelvina za minutu, a uvnitř oblasti tvorby zárodků se vyvolává podstatně pomalejší měnění teploty nebo je zde určená teplota udržována konstantní, načež se teplota uvádí

b) v rámci přídavného tepelného zpracování do teplotní oblasti nad oblastí tvorby zárodků na nejméně teplotu o hodnotě, která urychluje objemový růst krystalů.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že teplota skleněných tabulovitých dílců se uvádí uvnitř oblasti tvorby zárodků na hodnotu ležící v rozmezí od 80°C do 200°C.

3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačený tím, že

-12♦ · · · · ······ • · ···· ·· · ·· · · · · · teplota skleněných tabulovitých dílců se uvádí uvnitř oblasti tvorby zárodků na hodnotu od 100°C do 180°C.

4. Způsob podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačený tím, že teplota skleněných tabulovitých dílců se uvádí uvnitř oblasti tvorby zárodků na hodnotu od 130°C do 160°C.

5. Způsob podle kteréhokoli z nároků 1 až 4, vyznačený tím, že teplota skleněných tabulovitých dílců se uvádí ohřevem z nižší výchozí teploty, zejména z teploty okolního prostředí, na hodnotu odpovídající oblasti tvorby zárodků.

6. Způsob podle kteréhokoli z nároků 1 až 4, vyznačený tím, že teplota skleněných tabulovitých dílců po jejich tepelném vytvrzení se uvádí z vyšší výchozí teploty řízeným chlazením do oblasti teploty odpovídající tvorbě zárodků.

7. Způsob podle kteréhokoli z nároků 1 až 6, vyznačený tím, že teplota skleněných tabulovitých dílců se uvádí do oblasti tvorby zárodků, a/nebo je zde udržována, po dobu nejméně pěti minut.

8. Způsob podle kteréhokoli z nároků 1 až 7, vyznačený tím, že skleněné tabulovité dílce se podrobují při přídavném tepelném zpracování oblasti maximální rychlosti růstu krystalů nebo krystalických fází, které se tvoří.

9. Způsob podle nároku 8, vyznačený tím, že teplota skleněných tabulovitých dílců se uvádí rovněž do oblasti odpovídající teplotě přídavného tepelného zpracování pomocí změny větší než o 2 stupně Kelvina za minutu.

-13• ·

10. Způsob podle nároku 8 nebo 9, vyznačený tím, že teplota skleněných tabulovitých dílců se uvádí do oblasti odpovídající teplotě maximální rychlosti růstu krystalů nebo krystalických fází, které se tvoří, na dobu nejméně 15 minut.

11. Způsob podle nároku 8 nebo 9 nebo 10, vyznačený tím, že teplota skleněných tabulovitých dílců se pro přídavné tepelné zpracování uvádí na hodnoty od 280 do 300°C.

12. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že teplota skleněných tabulovitých dílců se uvnitř oblasti tvorby zárodků uvádí na hodnotu ležící v rozmezí od 80 do 200°C na dobu nejméně 5 minut a po té se pomocí měnění o více než 2 stupně Kelvina za minutu uvádí do oblasti odpovídající teplotě přídavného tepelného zpracování v pásmu maximálního růstu rychlosti krystalů nebo krystalických fází, které se tvoří, na dobu nejméně 15 minut.