2.2. Основы технологии стеклоизделий.

Формование стекла. Формование стекла является основной и важнейшей после стекловарения технологической стадией.

Процесс формования стекла сводится к превращению вязкого расплава (стекломассы) в твердое изделие заданной конфигурации в результате приложения внешних сил к объекту формования и его постепенного охлаждения и твердения.

Особенностью процесса массопереноса при формовании является то, что стекломасса представляет собой упруговязкую среду, основные реологические средства которой (вязкость, поверхностное натяжение, упругость, плотность) сильно меняются от химического состава и температуры. К важнейшим теплофизическим свойствам стекла, определяющим теплопередачу при формовании, следует отнести коэффициенты теплопроводности, температуропроводности и теплопередачи, удельную теплоемкость, прозрачность стекломассы по отношению к спектральному составу излучаемой энергии («теплопрозрачность»).

Стадии процесса формования выделяются вследствие существования двух основных этапов, определяющих его ход: деформирования стекломассы и ее постепенного твердения, которое развивается и продолжается на протяжении всего формования. Поэтому процесс формования разделяют на следующие две наиболее характерные и важные стадии, которые определяют ход данного процесса во времени, его скорость, продолжительность и особенность выполнения: стадию формообразования и стадию фиксации формы.

Формообразование осуществляется в температурно-вязкостной области, когда стекломасса сохраняет способность к течению и пластической деформации. Это соответствует интервалу вязкости в пределах 10² - 4*10⁷ Па*с (иногда более короткому: 10² - 10⁶ Па*с). На данной стадии стекломасса приобретает конфигурацию формуемого изделия в результате ее деформации под действием приложенных внешних сил, величина которой выбирается в соответствии с видом изделия и способом его формования. Скорость и продолжительность формообразования определяются реологическими и поверхностными свойствами стекломассы, ее вязкостью, поверхностным натяжением, упругопластическим состоянием и их температурной зависимостью.

Фиксация формы производится закреплением достигнутой конфигурации формуемого изделия. Она осуществляется в области интенсивного твердения стекла, которое соответствует интервалу вязкости 10⁸ - 10¹² Па*с (иногда более ограниченному 10^е - 10⁹ Па*с) в диапазоне температур 900 - 500 °С. Скорость и продолжительность фиксации формы стеклоизделия определяется характером и интенсивностью твердения стекла, что, в свою очередь, связано» с изменениями его реологических свойств в результате охлаждения, эффективность которого обусловлена теплофизическими свойствами стекла и условиями его охлаждения при контакте с окружающей средой.

С ростом скорости твердения стекла продолжительность фиксации формы уменьшается, а время формообразования увеличивается, так как деформирование быстро затвердевающего стекла затрудняется.

По характеру взаимодействия рассмотренных стадий процессы формования стекла в технологическом отношении подразделяются на непрерывные и циклические. Эти разновидности формования в принципе отличны по своему назначению, виду вырабатываемых изделий и производительности.

Непрерывные процессы формования осуществляются путем непрерывного вытягивания, прокатки или направленного течения стекломассы с целью получения плоских или цилиндрических изделий с бесконечно простирающейся сплошностью и линейной размерностью в направлении формования (лента, стекло, труба, волокно). Такого рода процессы наиболее производительны.

Циклические процессы формования сводятся к последовательному чередованию операций (циклов) раздельного изготовления штучных изделий путем прессования, выдувания или прессовыдувания из обособленных порций стекломассы (в индивидуальных формах) каждого изделия в отдельности. Таким образом, циклические процессы формования обычно являются менее производительными и при создании современных высокопроизводительных выдувных стеклоформирующих машин стремятся карусельный принцип движения формуемых изделий заменить конвейерным.

Из приведенного рассмотрения физических явлений, стадий и разновидностей процесса формования следует, что наиболее важными технологическими критериями динамики процесса формования стекла являются текучесть, охлаждение и твердение стекломассы.

Текучесть стекломассы при формировании определяется взаимодействием внешних и внутренних сил. Формование длинных стекол осуществить значительно проще, однако при этом увеличивается вероятность их кристаллизации при выработке, а также снижаются скорость процесса формирования и производительность стеклоформирующих машин.

Модифицирование длины стекла достаточно эффективно осуществляют изменением его состава.

Изменение вязкости стекла, необходимое для регулирования степени его пластического течения и интенсивности затвердевания в процессе формования, может достигаться двумя разными путями изменением температуры стекломассы и изменением состава стекла.

Охлаждение и твердение стекломассы наряду с текучестью также являются важнейшими технологическими характеристиками, определяющими сложную совокупность изменений, происходящих при формовании стекла. Эти процессы тесно связаны между собой, поскольку характер и интенсивность охлаждения стекломассы непосредственно определяют характер и скорость процесса твердения на первой и второй стадиях формования.

Таким образом, из приведенных факторов, определяющих процесс формования стекла, следует, что для повышения производительности (темпа) механизированного формования стекла за счет увеличения скорости его твердения необходимо комплексно решать следующие задачи: 1) путем варьирования состава стекла регулировать его теплопрозрачность и рационально сокращать его длину с целью повышения его теплоотдачи и увеличения крутизны температурного хода его вязкости; 2) улучшая теплопередачу при формовании, интенсифицировать теплообмен стекла с внешней средой с целью повышения скорости его охлаждения; 3) оптимизировать технологический процесс формования и термический режим охлаждения стекла для обеспечения наибольшей равномерности его твердения по толщине.