DE3149024C2

DE3149024C2 - Verfahren zum thermischen Vorspannen von Gläsern

Info

Publication number: DE3149024C2
Application number: DE19813149024
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Chem. Dr. 6500 Mainz Kiefer
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1981-12-11
Filing date: 1981-12-11
Publication date: 1984-04-19
Also published as: GB2111972A; GB2111972B; CH659647A5; FR2518080B1; DE3149024A1; FR2518080A1

Abstract

Das Verfahren dient zum thermischen Vorspannen von Glasartikeln, die einen niedrigen Wärmespannungsfaktor und/oder eine geringe Glasdicke aufweisen. Die Glasartikel werden in bekannter Weise auf eine Temperatur oberhalb ihrer Entspannungstemperatur, jedoch unterhalb ihrer Erweichungstemperatur erhitzt und danach in zwei Schritten abgeschreckt. Das neue Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Glasartikel zur Vorabschreckung kurzfristig mit einem Luft/Wasser-Gemisch besprüht und danach zur Hauptabschreckung in Wasser eingetaucht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Vorspannen von Glasartikeln mit niedrigem Wärmespannungsfaktor und/oder geringer Glasdicke. Als Wärmespannungsfaktor wird das Verhältnis von tx ■ EtI-μ) [N/ (mm² K)] verstanden, wobei λ der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen 20 und 300⁰C (K- '). £der Elastizitätsmodul (N/mm²) und μ die Poissonsche Zahl des Glases sind.

Es sind bereits Verfahren bekannt, bei denen durch Ansprühen mit Flüssigkeit und anschließendes Eintauchen in Flüssigkeit eine Vorspannung erzielt wird. In der US-PS 37 06 544 wird ein solches Verfahren beschrieben. In dieser Patentschrift wird jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die verwendeten Flüssigkeiten für das Sprühen und Tauchen wasserfrei sein sollten, höchstens jedoch weniger als 5% Wasser enthalten dürfen.

In der DE-OS 29 52 045 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem mittels eines Luft-Flüssigkeitsgemisches Gläser mit niedrigem Wärmespannungsfaktor abgeschreckt werden. Als Flüssigkeit kann bei diesem bekannten Verfahren auch Wasser dienen.

In DEOS 30 01 944 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem das Glas zum Abschrecken in ölüberschichtetes Wasser getaucht wird. Die ölschicht hat dabei die Funktion der Vorabschreckung.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein neues Verfahren zum thermischen Vorspannen von Glasarti-

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60 kein, das sich besonders gut zum Vorspannen von Gläsern mit niedrigem Wärmespannungsfaktor und/ oder von Glasartikeln mit geringer Dicke eignet

Entgegen dem Stand der Technik, nach dem behauptet wird (US-PS 37 06 544), daß beim kombinierten Abschrecken durch Sprühen und Tauchen beide Flüssigkeiten wasserfrei sein müssen, wurde überraschend gefunden, daß bei Verwendung einer geeigneten Sprühvorrichtung und bei sorgfältig ausgewählter Sprühdauer Gläser mit niedrigem Wärmespannungsfaktor und/oder geringer Dicke durch Sprühen mit Wasser und Tauchen in Wasser vorgespannt werden können.

Untersuchungen haben ergeben, daß die in der DE-OS 29 52 045 beschriebenen Zweistoffdüsen und Luft-Flüssigkeitsgemische für das Vorabschrecken eingesetzt werden können. Die Vorteile des beanspruchten Verfahrens gegenüber dem bekannten Verfahren sind zum einem die wesentlich kürzere Sprühdauer und zum anderen die höhere Vorspannung durch das Nachkühlen in Wasser. Die kürzere Sprühdauer erlaubt eine wesentlich schmälere Sprühzone. Der Glasartikel, z. B. eine Glasscheibe, kann durch eine Sprühzone hindurchgeführt und anschließend in das Wasser eingetaucht werden. Da Abschrecken in Wasser kostengünstiger ist als Abschrecken durch Sprühen, ist das beanspruchte Verfahren wesentlich billiger. Außer den großen Kosteneinsparungen kann mit dem neuen Verfahren auch eine höhere Vorspannung erzielt werden.

Von dem Verfahren gemäß DE-OS 30 01 944 unterscheidet sich das neue Verfahren dadurch, daß das Vorabschrecken durch Ansprühen mit Wasser und nicht durch Eintauchen in öl erfolgt Das Abschrecken in ölüberschichtetem Wasser hat zwei Nachteile: Zum einen beginnt das öl zu brennen, wenn es nicht mit einem inerten Gas überschichtet ist, und zum anderen müssen die Glasartikel nach dem Vorspannen gereinigt werden. Diese beiden Nachteile werden durch das neue Verfahren vermieden.

In der Literatur wird vielfach behauptet, daß sich beim Eintauchen von heißem Glas in Wasser an der Glasoberfläche ein Dampfmantel bildet, der zunächst einen raschen Wärmeübergang Glas-Wasser verhindert. Wenn dieser Dampfmantel bei tieferer Glastemperatur zusammenbricht, steigt nach dieser Vorstellung der Wärmeübergang Glas-Wasser steil an.

Mit dünnen Aluminiumplatten (5 mm Dicke) durchgeführte Versuche haben jedoch ergeben, daß die Wärmeübergangszahl Aluminium-Wasser um so kleiner wird, je geringer die Temperatur des Aluminiums beim Eintauchen in Wasser ist (Fig. 1). Alle Versuche mit Glas deuten darauf hin, daß dies auch für den Wärmeübergang Glas-Wasser zutriflt.

Durch die Vorkühlung von Glas kann somit der Wärmeübergang Glas-Wasser beeinflußt werden. Eine längere Vorkühlung durch Sprühen bewirkt sowohl einen geringeren Wärmeübergang über einen längeren Zeitraum als auch einen geringeren Wärmeübergang im Wasser.

Zum Vorkühlen durch Sprühen können die in der DE-OS 29 52 045 angegebenen Daten in bezug auf Luft/Wasser-Gemisehc und Abstände (Glas-Düse bzw. Düse-Düse) in Abhängigkeit von der Glasart und Glasdicke übernommen werden. Die Flüssigkeitsmenge pro Düse soll demnach zwischen 0.1 und 5 l/h. die Luftmenge pro Düse zwischen 0.1 und 10 mVh betragen. Der Tropfendurchmesser der verstäubten Flüssigkeit sollte im Mittel zwischen 1 und 100 um liegen. Der

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Abstand zwischen Glasoberfläche und Sprühdüse beträgt 30 bis 200 mm und der Abstand zwischen den Düsen 30 bis 60 mm.

Entgegen der Lehre der DE-OS 2S52 045 wird jedoch nur eine schmale Düsenzone bsnötigt Die Breite ■ der Düsenzone ist abhängig von der Transportgeschwindigkeit der Glasscheibe durch die Düsenzone und der Glasdicke. Die Dauer der Vorkühlung in der Düsenzone soli für 2 bis 7 mm dicke Scheiben etwa 1 bis 10 Sekunden dauern. Als Faustregel kann Sprühzeit in i< Sekunden gleich Glasdicke in mm gesetzt werden. Sprühversuche haben gezeigt, daß ζ. B. bei einer 5 mm dicken Glasscheibe die maximale Temperaturdifferenz zwischen Glasoberfläche und Glasinnerem nach 4 bis 6 Sekunden erreicht wird. ι:

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zu dem Zeitpunkt, zu dem die Oberfläche des Glases sich gleich schnell oder langsamer abzukühlen beginnt als das Glasinnere, der Wärmeübergang durch Eintauchen in Wasser erhöht Die an der Glasoberfläche temporär auftretende Zugspannung kann somit niedrig gehalten werden, so daß es zu keinem Bruch der Scheibe beim Vorspannen kommt Der erhöhte Wärmeübergang im Wasser führt dazu, daß die hohe Temperaturdifferenz, die durch das Vorkühlen zwischen der Glasoberfläche und dem Glasinneren entstanden war, solange erhalten bleibt oder erhöht wird, bis das Glasinnere die Einfriertemperatur erreicht.

Durch das beanspruchte Verfahren kann somit die Druckvorspannung erhöht werden, ohne daß sich die 3d temporäre Zugspannung wesentlich erhöht.

Das beanspruchte Verfahren steht zu der bereits erwähnten US-PS 37 06 544 in direktem Widerspruch, was die verwendeten Flüssigkeiten betrifft.

Bei dem beanspruchten Verfahren können die Glasscheiben zum Vorkühlen sowohl durch eine senkrechte, als auch durch eine waagerechte Sprühvorrichtung gefahren werden.

Sowohl der Sprühlösung als auch der Tauchlösung können organische wasserlösliche Flüssigkeiten zügesetzt werden. Zur Erhaltung des hohen Wärmeüberganges und aus Kostengründen sollte jedoch der Gehalt an diesen organischen Flüssigkeiten vorzugsweise 20 Vol.-% nicht überschreiten. Der Anteil an organischen Lösungsmitteln soll auch so klein sein, daß es während der gesamten Sprühzeit nicht zur Ausbildung eines geschlossenen Dampfmantels kommt

Um eine vorzeitige Abkühlung der Scheiben durch die Sprühflüssigkeit zu vermeiden, wird die Sprühvorrichtung zum Ofen hin abgedeckt >o

In Fig. 1 ist die Wärmeübergangszahl Aluminium-Wasser in Abhängigkeit von der Sprühzeit aufgetragen.

Mit zunehmender Spruhzeit nimmt die Wärmeübergangszahl im Wasser ab.

In Fig.2 ist eine senkrechte Vorspannvorrichtung dargestellt In dem Aufheizofen IG wird eine Scheibe 11 senkrecht an Zangen hängend aufgeheizt Nach dem Aufheizen wird die Scheibe W mittels Zv/eistoffdüsen

15 und 15' beim Vorbeifahren wenige Sekunden mit Flüssigkeit (Wasser) besprüht Eine Abdeckvorrichtung

16 verhindert ein vorzeitiges Abkühlen durch den Sprühnebel. Die Scheibe 11" taucht unmittelbar nach dem Sprühen in ein mit Wasser 19 gefülltes Becken 17 ein.

Die Scheiben können auch waagrecht aufgeheizt werden. F i g. 3 zeigt eine entsprechende Vorrichtung. In einem Rollen- oder Luftkissenofen 20 wird die Glasscheibe 11 aufgeheizt. Durch Anheben oder Absenken der Rollenanlage 22 wird die Scheibe 11 auf einer schiefen Ebene mit vorgegebener Geschwindigkeit durch die schmale Sprühzone in das Tauchbecken 17'befördert

Die Wirksamkeit des Verfahrens wurde unter anderem an einem Borosilikatglas mit dem Wärmespannungsfaktor λ · E/(\ —μ) = 0,25 N/(mm^: K)getestet.

In F i g. 4 sind für 2 mm und 5 mm dickt Scheiben die gemessener Druckvorspannungen in Abhängigkeit von der Sprühzeit dargestellt

Der Abstand Düse-Düse betrug 30 mm in beiden Richtungen, der Abstand Düse-Glas 50 mm. Bei einer Düsenbohrung von 0,5 mm 0 und einer Wasserhöhe von 500 mm betrug die Wassermenge pro Düse 1,5 l/h, die Luftmenge 4 mVh bei 3 bar Luftdruck. Nach einer Sprühzeit von 6 Sekunden wird bei den 5 mm dicken Scheiben und nach über 4 Sekunden bei den 2 mm dicken Scheiben die gleiche Druckvorspannung erhalten wie bei einer alleinigen Sprühhärtung. Durch Verkürzen der Spruhzeit und anschließendes Eintauchen in Wasser läßt sich die Vorspannung erhöhen. Die Spruhzeit kann um so kurzer sein, je geringer die Glasdicke ist. Der gestrichelte Teil der Kurve gibt die Sprühzeilen an, bei denen mit Oberflächenrissen zu rechnen ist Je besser die Oberflächenbeschaffenheit der eingesetzten Glasscheibe ist, umso kürzer kann die Sprühdauer sein.

Bei Gläsern, deren Wärmespannungsfaktor an der oberen Grenze liegt, muß bei gleicher Glasdicke die Sprühzeit etwas verlängert werden. Während für ein 5 mm dickes Glas mit einem Wärmespannungsfaktor von 0,25 N/(mm^J K) die Sprühdauer 2 bis 4 Sekunden dauern kann, sollte unter sonst gleichen Bedingungen die Spruhzeit auf 4 bis 6 Sekunden erhöht werden, wenn das Glas einen Wärmespannungsfaktor von 0,5 N/ (mm² K) besitzt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum thermischen Vorspannen von Gläsern mit niedrigem Wärmespannungsfaktor und/oder geringer Glasdicke durch Erwärmen der Gläser auf eine Temperatur oberhalb ihrer Entspannungstemperatur, jedoch unterhalb ihrer Erweichungstemperatur, und Abschrecken der erwärmten Gläser in zwei Schritten, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorabschreckung kurzzeitig in einer Sprühzone mittels eines Luft-Wasser-Gemisches und die Hauptabschreckung durch Eintauchen in Wasser erfolgt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorabschreckung in einer schmalen Sprühzone für die Dauer von 1 bis 10 Sekunden erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sprühen mit einer Zweistoffdüse erfolgt, wobei die Flüssigkeitsmenge pro Düse zwischen 0,1 und 5 l/h, die Luftmenge pro Düse 0,1 bis 10 mVh und das Verhältnis Flüssigkeitsmenge zu Luftmenge zwischen 0,1 und 5 l/m³ betragen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wasser zum Sprühen und/oder im Tauchbecken wasserlösliche organische Verbindungen, wie z. B. Alkohol zugesetzt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit in der Sprühzone um so kurzer gehalten wird, je niedriger der Wärmespannungsfaktor und/oder je geringer die Glasdicke sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühdauer in Sekunden etwa gleich der Glasdicke im Millimeter ist.