RU2151108C1

RU2151108C1 - Method of annealing glass

Info

Publication number: RU2151108C1
Application number: RU97118729/03A
Authority: RU
Inventors: В.Г. Рубанов; А.Г. Филатов
Original assignee: Белгородская государственная технологическая академия строительных материалов
Priority date: 1997-10-30
Filing date: 1997-10-30
Publication date: 2000-06-20

Abstract

FIELD: glass making technology; methods of cooling glass in the course of annealing in batch furnaces. SUBSTANCE: method consists in control of temperature of gas medium in annealing furnace chamber at essential and non-essential cooling stages in order to maintain maximum permissible magnitudes of ultimate and residual stresses in thickness of glass. EFFECT: increased productivity of furnace at retained quality of product. 4 dwg, 2 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к технологии изготовления стекла, а именно к способам охлаждения стекла в процессе отжига в печах периодического действия. The invention relates to a technology for the manufacture of glass, and in particular to methods of cooling glass during annealing in batch furnaces.

Известен способ отжига стекла, включающий стадию нагревания изделия до температуры отжига, стадию выдержки при высшей температуре отжига и стадии ответственного и неответственного охлаждения [1]. A known method of glass annealing, including the stage of heating the product to the annealing temperature, the stage of exposure at the highest annealing temperature and the stage of responsible and non-responsible cooling [1].

Недостатком этого способа является значительная длительность процесса, что обусловлено низкой теплопроводностью стекла, вследствие которой при охлаждении изделия возникают значительные градиенты температур, приводящие к повышенным напряжениям и ухудшению качества отжига стекла. The disadvantage of this method is the significant duration of the process, due to the low thermal conductivity of the glass, due to which, when the product cools, significant temperature gradients occur, leading to increased voltages and deterioration in the quality of the glass annealing.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ отжига стекла, включающий стадию нагревания изделия до температуры отжига, стадию выдержки при высшей температуре отжига с последующим ответственным радиационным охлаждением при одновременной подаче на поверхность стекла нагретых газовых потоков [2]. Заключительный этап неответственного охлаждения проводят согласно известной методике [1]. The closest in technical essence to the proposed method is a method of glass annealing, including the stage of heating the product to the annealing temperature, the stage of exposure at the highest annealing temperature, followed by responsible radiation cooling while heated gas flows are fed to the glass surface [2]. The final stage of non-responsible cooling is carried out according to the known method [1].

Однако данный способ отжига позволяет ускорить только стадию ответственного охлаждения, а на этапе неответственного охлаждения отжиг ведется со скоростью, рассчитываемой по известной методике [1], что в конечном итоге не приводит к ощутимому уменьшению общего времени отжига. However, this annealing method allows accelerating only the critical cooling stage, and at the non-critical cooling stage, annealing is carried out at a rate calculated by the known method [1], which ultimately does not lead to a noticeable decrease in the total annealing time.

Изобретение направлено на повышение производительности камерной печи отжига периодического действия с одновременным сохранением качества продукции за счет уменьшения продолжительности процесса отжига при соблюдении ограничений, накладываемых на величины временных и остаточных напряжений. The invention is aimed at increasing the productivity of a batch annealing furnace with simultaneous preservation of product quality by reducing the duration of the annealing process, subject to the restrictions imposed on the values of temporary and residual stresses.

Поставленная задача достигается тем, что в способе отжига стекла, заключающемся в стадии нагревания изделия до температуры отжига, стадии выдержки при высшей температуре отжига и стадиях ответственного и неответственного охлаждения, на стадиях ответственного и неответственного охлаждения температуру газовой среды в камере отжигательной печи регулируют таким образом, чтобы удержать максимально допустимые значения временных и остаточных напряжений по толщине стекла. The problem is achieved in that in the method of glass annealing, which consists in the stage of heating the product to the annealing temperature, the exposure stage at the highest annealing temperature and the stages of responsible and non-responsible cooling, in the stages of responsible and non-responsible cooling, the temperature of the gas medium in the annealing chamber is controlled in this way to keep the maximum permissible values of temporary and residual stresses across the glass thickness.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что на стадиях ответственного и неответственного охлаждения температуру газовой среды в камере отжигательной печи регулируют таким образом, чтобы удержать максимально допустимые значения временных и остаточных напряжений по толщине стекла. Следовательно, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна". A comparative analysis of the proposed solution with the prototype shows that the claimed method differs from the known one in that at the stages of responsible and non-responsible cooling, the temperature of the gas medium in the chamber of the annealing furnace is controlled in such a way as to maintain the maximum allowable values of temporary and residual stresses across the thickness of the glass. Therefore, the claimed method meets the criteria of the invention of "novelty."

При изучении литературных источников аналогичного назначения способы отжига стекла, в которых на стадиях ответственного и неответственного охлаждения температуру газовой среды в камере отжигательной печи регулируют таким образом, чтобы удержать максимально допустимые значения временных и остаточных напряжений по толщине стекла, не найдены. Авторами впервые выявлено влияние регулирования температуры при охлаждении стекла заявляемым способом на скорость охлаждения при сохранении качественных характеристик стекла, что позволяет сделать вывод о соответствии предъявляемого решения критерию "изобретательский уровень". When studying literary sources of a similar purpose, glass annealing methods, in which the temperature of the gas medium in the chamber of the annealing furnace are controlled at the stages of responsible and non-responsible cooling, are not found to keep the maximum allowable values of temporary and residual stresses across the glass thickness. The authors first revealed the effect of temperature control during glass cooling by the claimed method on the cooling rate while maintaining the quality characteristics of the glass, which allows us to conclude that the presented solution meets the criterion of "inventive step".

Для реализации предлагаемого способа отжига стекла в камерной печи периодического действия, используя известные алгоритмы расчета нестационарных полей температуры и напряжения в стеклянной пластине, описанных в [3], определяют скорость охлаждения и соответствующее ей управляющее воздействие - температуру газового потока, при которой не будут превышены ограничения по временным и остаточным напряжениям. Затем, зная исходное распределение температуры и напряжений по толщине стекла, находят распределение температур и напряжений в стекле, соответствующее найденному значению температуры газового потока. To implement the proposed method of glass annealing in a batch chamber furnace, using the well-known algorithms for calculating the unsteady temperature and voltage fields in a glass plate described in [3], the cooling rate and the corresponding control action, the gas flow temperature, at which the restrictions are not exceeded, are determined on temporary and residual stresses. Then, knowing the initial distribution of temperature and stresses over the thickness of the glass, find the distribution of temperatures and stresses in the glass corresponding to the found value of the temperature of the gas stream.

Последовательно повторяя описанную процедуру, определяют зависимость температуры газовой среды от времени, при которой продолжительность отжига стекла при соблюдении ограничений по временным и остаточным напряжениям сокращается до минимума. А минимально возможная продолжительность процесса отжига при соблюдении ограничений по временным и остаточным напряжениям гарантирует максимально возможную производительность камерной печи отжига периодического действия при одновременном сохранении качества продукции. By sequentially repeating the described procedure, the dependence of the temperature of the gas medium on time is determined at which the duration of annealing of the glass, subject to the restrictions on temporary and residual stresses, is reduced to a minimum. And the shortest possible duration of the annealing process, subject to the restrictions on temporary and residual stresses, guarantees the maximum possible productivity of a batch annealing chamber furnace while maintaining product quality.

Расчет режима отжига согласно предлагаемому способу можно произвести для любого вида стекла. Для этого необходимо располагать теплофизическими характеристиками этого вида стекла: теплоемкостью, плотностью, теплопроводностью, коэффициентами уравнения Фулчера-Таммана, показателями релаксации фиктивных температур и напряжений. Calculation of the annealing mode according to the proposed method can be made for any type of glass. For this, it is necessary to have the thermophysical characteristics of this type of glass: the specific heat, density, thermal conductivity, the coefficients of the Fulcher-Tamman equation, and the relaxation parameters of fictitious temperatures and stresses.

Пример. Предлагаемым способом отжигают лист стекла толщиной 1 см, имеющий начальную температуру T_о=600^oC, максимально допустимые значения временных напряжений σ₁ = 98 МПа (100 кг/см²), максимально допустимые остаточные напряжения σ₂ = 9,8 МПа (10 кг/см²). Теплофизические характеристики вида стекла, подвергаемого отжигу, подробно описаны в [3]. Отжиг происходит в условиях принудительной циркуляции воздуха в рабочем пространстве однокамерной печи (коэффициент теплоотдачи h = 50 Вт/м²). Температура окружающей среды T_о.с.= 25^oC. На основании указанных исходных данных определяют режим отжига стекла, при котором на стадиях ответственного и неответственного охлаждения температуру газовой среды в камере отжигательной печи регулируют таким образом, чтобы удержать максимально допустимые значения временных и остаточных напряжений по толщине стекла, пользуясь алгоритмом, приведенным на фиг. 1. Приняты следующие обозначения: T_о - начальная температура стекла и газовой среды в камере печи, t - текущее время, σ - максимальное текущее напряжение, σ_ocт - остаточное напряжение, Δt = 0,01 с - шаг расчета по времени, ΔT = 0,01^oC - точность расчета по температуре, T_ср - текущая температура газовой среды, T_ст - температура середины листа (по толщине), T₁, T₂, T_тек - вспомогательные переменные для расчета. На фиг.2 показана полученная зависимость температуры от времени, обеспечивающая удержание максимально допустимых значений временных и остаточных напряжений по толщине стекла. Графики на фиг. 2: 1 - температура среднего слоя стекла, 2 - температура газовой среды. Так как реализация такого температурного режима технически сложна, поскольку требует очень высокой точности и малой инерционности в работе нагревателей печи отжига, полученный график апроксимируется отрезками прямых. Результат отжига по полученному режиму представлен на фиг. 3, 4. Графики на фиг. 3, 4 : 1 - температура среднего слоя стекла, 2 - температура газовой среды, 3 - напряжения в центре листа, 4 - напряжения на поверхности листа. Параметры полученного режима отжига представлены в таблице 1.Example. The proposed method anneals a sheet of glass with a thickness of 1 cm, having an initial temperature T _o = 600 ^o C, the maximum allowable values of temporary stresses σ ₁ = 98 MPa (100 kg / cm ² ), the maximum allowable residual stresses σ ₂ = 9.8 MPa (10 kg / cm ² ). The thermophysical characteristics of the type of glass being annealed are described in detail in [3]. Annealing occurs under conditions of forced air circulation in the working space of a single-chamber furnace (heat transfer coefficient h = 50 W / m ² ). Ambient temperature T _o.s. = 25 ^o C. Based on the specified initial data, the glass annealing mode is determined, in which, at the stages of responsible and non-responsible cooling, the temperature of the gas medium in the chamber of the annealing furnace is controlled in such a way as to maintain the maximum allowable values of temporary and residual stresses across the glass thickness using the algorithm, shown in FIG. 1. The following notation is accepted: T _о - initial temperature of glass and the gas medium in the furnace chamber, t - current time, σ - maximum current voltage, σ _oct - residual voltage, Δt = 0.01 s - calculation step in time, ΔT = 0.01 ^o C - accuracy of calculation by temperature, T _cf - current temperature of the gas medium, T _article - temperature of the middle of the sheet (in thickness), T ₁ , T ₂ , T _tech - auxiliary variables for calculation. Figure 2 shows the obtained temperature dependence on time, ensuring the retention of the maximum allowable values of temporary and residual stresses across the thickness of the glass. The graphs in FIG. 2: 1 - temperature of the middle layer of glass, 2 - temperature of the gaseous medium. Since the implementation of such a temperature regime is technically difficult, since it requires very high accuracy and low inertia in the operation of the annealing furnace heaters, the resulting graph is approximated by line segments. The annealing result for the obtained mode is shown in FIG. 3, 4. The graphs in FIG. 3, 4: 1 - temperature of the middle layer of glass, 2 - temperature of the gaseous medium, 3 - stresses in the center of the sheet, 4 - stresses on the surface of the sheet. The parameters of the obtained annealing mode are presented in table 1.

Из последней колонки таблицы 1 видно, что на протяжении всего процесса отжига σ_max не превысило показатель максимально возможных временных напряжений, a σ_max последнего этапа, соответствующее максимальным остаточным напряжениям в стекле, не превысило показатель максимально возможных остаточных напряжений. Это означает, что показатели качества продукции не ухудшились. Сравнительный анализ времени процесса отжига дает следующие результаты (см. табл. 2). Без учета времени изотермической выдержки при температуре окружающей среды суммарное время отжига по предлагаемому способу составляет 170 с, что на 26% меньше времени отжига, которое достигается при реализации метода, предложенного в прототипе (см. табл. 2).It can be seen from the last column of Table 1 that throughout the entire annealing process, σ _max did not exceed the maximum possible time stresses, and σ _{max of the} last stage, corresponding to the maximum residual stresses in the glass, did not exceed the maximum possible residual stresses. This means that product quality indicators have not deteriorated. A comparative analysis of the time of the annealing process gives the following results (see table. 2). Without taking into account the time of isothermal exposure at ambient temperature, the total annealing time by the proposed method is 170 s, which is 26% less than the annealing time, which is achieved when implementing the method proposed in the prototype (see table. 2).

Для электрической камерной печи периодического действия средней емкости (300-450 кг), применяемой для отжига утолщенного листового и оптического стекла, увеличение производительности, рассчитанное с учетом времени загрузки-выгрузки изделий и разогрева-охлаждения печи, составит 4% или 73 т/год (производительность увеличится с 1752 т/год до 1825 т/год). For an electric chamber furnace of periodic action of medium capacity (300-450 kg) used to anneal thickened sheet and optical glass, the productivity increase calculated taking into account the loading and unloading times of the products and heating-cooling of the furnace will be 4% or 73 t / year ( productivity will increase from 1752 t / year to 1825 t / year).

Таким образом, предлагаемое решение позволяет повысить производительность камерной печи отжига периодического действия с одновременным сохранением качества продукции за счет уменьшения продолжительности процесса отжига при соблюдении ограничений, накладываемых на величины временных и остаточных напряжений. Thus, the proposed solution allows to increase the productivity of the batch annealing furnace with simultaneous preservation of product quality by reducing the duration of the annealing process, subject to the restrictions imposed on the values of temporary and residual stresses.

Источники информации
1. Мазурин О.В., Белоусов Ю.Л. Отжиг и закалка стекла. - М., Изд. МИСИ и БТИСМ, 1984, 114 с.Sources of information
1. Mazurin OV, Belousov Yu.L. Annealing and tempering glass. - M., Ed. MISI and BTISM, 1984, 114 pp.

2. Авторское свидетельство СССР N 1191431, кл. C 03 B 25/04, 1985. 2. USSR author's certificate N 1191431, cl. C 03 B 25/04, 1985.

3. Лалыкин Н. В. , Мазурин О.В., Математическая модель процесса отжига стекла. - Стекло и керамика, 1984, N 1, с. 13-15. 3. Lalykin N.V., Mazurin OV, Mathematical model of the glass annealing process. - Glass and ceramics, 1984, N 1, p. 13-15.

Claims

The method of glass annealing, including the stage of heating the product to the annealing temperature, the stage of exposure at the highest annealing temperature and the stage of responsible and non-responsible cooling, characterized in that at the stages of responsible and non-responsible cooling, the temperature of the gas medium in the chamber of the annealing furnace is controlled so as to maintain the maximum allowable values of temporary and residual stresses along the glass thickness.