Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и литературный обзор 9
1.1. Современные технологии получения листового полированного стекла 9
1.2. Научные достижения современной технологии получения листового стекла с высокими оптическими показателями 16
Выводы и постановка задачи 25
2. Виды оптических искажений флоат-стекла и методы их исследования 27
2.1. Виды оптических искажений стекла 27
2.2. Методы исследования оптических искажений стекла 30
2.3. Нестандартные методы исследования оптических искажений стекла 35
Выводы 38
3. Оценка показателей качества флоат-стекла 39
3.1. Оптические показатели теплопоглощающего стекла флоат-линии ЭПКС-4000 «Саратовского института стекла» 39
3.2. Сравнительный анализ оптических показателей флоат-стекла различных фирм 42
Выводы 44
4. Исследование взаимосвязи оптических показателей флоат-стекла и технологических параметров его выработки 45
4.1. Исследование влияния оптических дефектов флоат-стекла на его оптическую однородность 45
4.2. Исследование влияния параметров работы оборудования ванны расплава на показатели качества флоат-стекла 50
4.3. Исследование влияния технологических параметров формования на показатели качества флоат-стекла 59
4.4. Выявление взаимосвязи технологических параметров отжига и показателей качества флоат-стекла 73
4.5. Исследование влияния качества параметров защитной атмосферы ванны расплава на оптическую однородность флоат-стекла 80
Выводы 87
5. Разработка способов повышения оптических показателей флоат-стекла 90
5.1. Разработка способа регулирования газовых потоков защитной атмосферы в ванне расплава 90
5.2. Разработка способа получения стекла с улучшенным качеством нижней поверхности 103
5.3. Разработка способа получения стекла толстых номиналов с улучшенными оптическими показателями 107
5.4. Оценка возможности процесса производства флоат-стекла с помощью методологии «шесть сигм» 110
Выводы 113
Основные результаты и выводы 116
Список литературы 118
Приложения 135
- Научные достижения современной технологии получения листового стекла с высокими оптическими показателями
- Нестандартные методы исследования оптических искажений стекла
- Сравнительный анализ оптических показателей флоат-стекла различных фирм
- Исследование влияния параметров работы оборудования ванны расплава на показатели качества флоат-стекла
Введение к работе
Проведение научно-исследовательской работы по улучшению оптических показателей , флоат-стекла вызвано необходимостью соответствия показателей качества поставляемого на экспорт стекла требованиям Европейского стандарта, а также расширением на внутреннем рынке сферы применения теплопоглощающего флоат-стекла (остекление автомобильного транспорта и изготовление декоративных зеркал различного назначения).
Листовое стекло, вырабатываемое на расплаве металла, имеет, как правило, высокое качество. Оно не имеет грубых оптических искажений, присущих листовому стеклу, вырабатываемому другими методами. Тем не менее, флоат-стеклу также ррисущи оптические искажения, видимые в проходящем и отраженном свете.
Высокая скорость выработки, характерная для флоат-линий, и интенсивность процессов вытягивания и охлаждения ленты стекла усложняют достижение высоких оптических показателей стекла.
В настоящее время природа дефектов, вызывающих оптические искажения флоат-стекла, до конца не выявлена. В известных работах практически отсутствуют исследования, описывающие взаимосвязь оптических характеристик и технологических параметров выработки флоат-стекла и, в частности, теплопоглощающего.
В связи с вышесказанным, цель настоящей работы заключается в повышении оптических показателей флота-стекла путем совершенствования технологии флоат-процесса за счет разработки способов снижения интенсивности конвективных потоков в газовом пространстве ванны расплава, разработки способа ограничения поперечного растекания стекломассы и устранения ударного воздействия ограничительных
элементов на торцы формуемой ленты стекла, оптимизации технологических параметров производства флоат-стекла.
Улучшение оптических характеристик флоат-стекла позволит увеличить выпуск стекла высшей марки МО, расширить область его применения и выйти на мировой рынок высококачественного стекла.
Кроме того, оптимизация технологических параметров выработки флоат-стекла обеспечит .наиболее высокую эффективность его производства.
Работа выполнена в рамках исследований, предусмотренных тематическим планом научной части ОАО «Саратовского института стекла».
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
методы исследования оптических дефектов флоат-стекла, позволяющие выявить природу и причины их образования;
природа дефектов, вызывающих оптические искажения верхней поверхности ленты стекла;
полученные зависимости оптических показателей флоат-стекла от технологических параметров его выработки;
полученные зависимости оптических показателей флоат-стекла от параметров работы технологического оборудования;
математическая модель, описывающая поведение процесса получения теплопоглощающего стекла на флоат-линии ЭПКС-4000 «Саратовского института стекла»;
способ регулирования конвективных потоков в газовом пространстве ванны расплава;
- способ формования стекла толстых номиналов с улучшенными
оптическими показателями;
способ вывода ленты стекла из ванны расплава на валы печи отжига;
результаты исследований экспериментальных партий стекла.
На основе данных систематических и комплексных исследований установлены функциональные зависимости оптических характеристик флоат-стекла от технологических параметров его выработки. Показано, что при оптимизации технологических параметров выработки и параметров работы оборудования возможно улучшение оптических характеристик флоат-стекла.
Разработана и опробована на экспериментально-промышленной флоат-линии ЭПКС-4000 «Саратовского института стекла» технология получения теплопоглощающего стекла' с помощью преграды по газовому пространству, расположенной в высокотемпературной зоне ванны расплава, на основании чего предложен новый способ регулирования конвективных потоков в газовом пространстве защитной атмосферы ванны расплава, который позволяет получать стекло с улучшенными оптическими характеристиками.
Разработан патентоспособный метод получения стекла толстых номиналов, который устраняет ударное воздействие ограничительных элементов на торцевую поверхность краев формуемой ленты стекла и уменьшает деформацию в ее прибортовых участках.
Предложен модернизированный способ идентификации
оловосодержащих микровключений в теплопоглощающем стекле, который позволяет быстро определять их природу и температурную зону образования. Метод основан на флуоресценции в УФ-свете микровключений олова, просматриваемых с помощью оптического микроскопа.
Определены основные требования к выводу ленты стекла из ванны расплава на валы печи отжига, исходя из рассматриваемых условий вывода ее на различных флоат-линиях. На способ перевода ленты стекла подана заявка на изобретение.
С использованием полученных результатов исследования выпущена опытная партия теплопоглощающего стекла с улучшенными оптическими характеристиками.
Предполагаемый экономический эффект от внедрения результатов работы составит 7149,6 тыс.руб.
Результаты работы доложены и обсуждены на I Международной конференции «Стеклопрогресс-XXI» (Саратов, 2002г.), II Международной конференции «Стеклопрогресс-ХХІ» (Саратов, 2004г.), Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2005г.), III Международной конференции «Стеклопрогресс-ХХІ» (Саратов, 2006г.) и на заседании секции Научно-технического Совета Саратовского института стекла (Саратов, 2006г.).
Основные результаты диссертации опубликованы в 17 статьях, в том числе 1 статья - в изданиях, рекомендованных ВАК, получено 2 патента РФ, поданы 2 заявки на предполагаемое изобретение на которые получены положительные решения ФИБС о выдаче патента.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов, изложенных на 135 страницах, содержит 21 таблицу и 42 рисунка, перечень использованной литературы из 142 наименований и 8 приложений.
В основных результатах и выводах подводятся итоги проведенных исследований.
Научные достижения современной технологии получения листового стекла с высокими оптическими показателями
Листовое стекло, вырабатываемое на расплаве металла, имеет, как правило, высокое качество. Оно не имеет грубых оптических искажений, присущих листовому стеклу, вырабатываемому другими методами. Тем не менее, флоат-стеклу, как было показано выше, также присущи оптические искажения, видимые в проходящем и отраженном свете.
Высокая скорость выработки, характерная для флоат-линий, и интенсивность процессов вытягивания и охлаждения ленты стекла создают конвективные потоки в расплаве олова, как в продольном так и в поперечном направлениях [11,12].
Вместе с тем, анализ патентной и научно-технической литературы показал, что проблема образования охлаждающих конвективных потоков существует и в газовом пространстве над лентой стекла. При большом температурном перепаде между горячим и холодным концами ванны расплава скорость газового потока у поверхности стекла достаточно высокая для активного охлаждения стекла за счет конвективного теплообмена. Особенно остро такая проблема стоит для коротких ванн расплава [13,14].
Охлаждение верхней и нижней поверхностей ленты стекла за счет конвективных потоков, образующихся в газовом пространстве и расплаве олова, может быть настолько интенсивным, что поверхностный слой стекла становится более вязким, чем близлежащие слои. В результате чего на поверхностях ленты стекла возникают напряжения сжатия, которые, очевидно, являются одной из причин искажения поверхностей стекла.
С целью регулирования потоков по газовому пространству и потоков олова в ванне расплава в патентной литературе предлагается использовать различные преграды.
Для регулирования газовых конвективных потоков используют преграды по газовому пространству, которые представляют собой перегородки, выполненные из различных материалов: металла, графита, асбестовой ткани, стекловолокна и т.д. [15-21].
Конструкции перегородок также могут быть различными. Одни из них устанавливаются по всей ширине ленты стекла и перекрывают всю высоту газового пространства, при этом расстояние от нижнего края перегородки до поверхности ленты стекла может составлять от 3 до 25 мм [15]. В некоторых случаях перегородки касаются ленты стекла, не вызывая поверхностных дефектов. Обычно их изготавливают из гибкого материала, например, асбестовой ткани, ткани из стекловолокна и т.д. Такие перегородки-шторки, как правило, устанавливают на закрепленных кронштейнах или подвижных роликовых опорах с возможностью регулировки их по высоте в зависимости от вырабатываемой толщины ленты стекла. Наиболее распространенный вариант перегородки-шторки представляет собой водоохлаждаемую трубку, на которую можно наматывать ткань. Вращением трубки ткань устанавливают на нужную высоту [16]. других вариантах используют укороченные перегородки, высотой 0,6-0,9 м, которые устанавливают вблизи поверхности ленты стекла. При этом газовое пространство под сводом ванны расплава остается открытым. Предпочтительный вариант короткой перегородки представляет собой водоохлаждаемую трубу, к которой прикреплен лист из нержавеющей стали. Преграды такого вида, как правило, устанавливают в конце зоны формования ленты стекла [17].
В ванне расплава могут устанавливаться одновременно различные по форме перегородки. У входа в ванну расплава устанавливаются перегородки из гибкого материала, перекрывающие газовое пространство по всей высоте, дальше могут стоять короткие перегородки из металла или других твердых материалов [18].
В зависимости от количества перегородок ванна расплава может быть разделена на несколько температурных зон с самостоятельными конвекционными газовыми потоками. Таким образом, в зависимости от толщины формуемой ленты стекла можно установить в каждой зоне ванны расплава необходимый градиент температур [19,20].
Перегородки по газовому пространству могут различаться не только конструктивно, но и по функциональному назначению. Так, например, перегородки могут иметь дополнительный желоб для сбора и отвода загрязнений, конденсирующихся из газов защитной атмосферы [21].
В некоторых изобретениях предлагаются устройства, представляющие собой радиационные заслонки, которые устанавливают поперек ванны расплава, непосредственно перед бортоформующими машинами. Такие перегородки позволяют отводить тепло, излучаемое сводом, а также разделять температурные зоны ванны расплава, т.е. экранировать тепловое излучение соседних зон [22].
Нестандартные методы исследования оптических искажений стекла
Стандартные методы, применяемые для исследования оптических дефектов стекла, не всегда позволяют выявить природу некоторых поверхностных дефектов. Поэтому перед нами встала задача разработки нестандартных методов исследования оптических искажений стекла. Разработанные методики могут быть применимы при производстве листового стекла, вырабатываемого флоат-способом, способом вертикального вытягивания или любым другим, использующим дополнительную подполировку поверхностей стекла. - Методика проведення исследований по выявлению взаимосвязи оптических свойств флоат-стекла и технологических параметров производства Данная методика направлена на исследование отклонений оптических показателей флоат-стекла и его технологических параметров от заданных значений при стабильных режимах выработки ленты стекла (приложение 1). Суть методики состоит в непрерывном контроле в течение часа за параметрами работы оборудования, технологическими параметрами формования и одновременном исследовании оптических показателей стекла, выработанного за данный промежуток времени (с учетом времени пребывания ленты в ванне расплава). Рабочая методика включает в себя: порядок проведения измерений технологических параметров производства флоат-стекла, перечень исследуемых показателей качества ленты стекла, схему отбора образцов для испытаний, средства измерений, периодичность проведения измерений, форму представления результатов измерений и оценку их точности. В методику введены такие нестандартные обозначения как величина угла Z - величина угла поворота образца стекла, при котором на стекле наблюдаются оптические искажения видимые в проходящем свете.
Наличие на ленте стекла участков с различными значениями величины угла Z заставило нас изменить подход в оценке оптических искажений ленты. Для повышения точности метода оценки величины оптических искажений стекла в проходящем свете нами был введен статистический показатель перепад величины угла Z по ширине ленты стекла. Перепад величины угла Z - разность между максимальным и минимальным значениями угла Z на образце стекла. В связи с этим была разработана методика дифференцированного определения оптических искажений по ширине ленты стекла с помощью установки «Зебра» (приложение 2). Сущность метода дифференцированной оценки оптических искажений с помощью установки «Зебра» состоит в последовательном просмотре через каждые 100 мм отдельных участков образца ленты стекла и оценке величины минимального угла искажений на каждом участке. Методика включает в себя: перечень материалов, необходимых для проведения измерений, порядок подготовки образцов стекла, порядок проведения испытаний, схему просмотра образцов стекла и порядок обработки результатов измерений с помощью статистических методов. Такой метод позволяет определить характер распределения оптических искажений по ширине ленты стекла и выявить причины низких значений угла Z. - Метод исследования слоистости стекла с помощью микроскопа
Сущность метода состоит в пропускании узкого пучка света через торцевой срез образца листового стекла размером 20x100мм и фиксирования полученной картины на фотобумаге или дисплее компьютера (приложение 3). Фотографирование слоистости производится с помощью поляризационного микроскопа типа МИН-8, оснащенного кассетой с фотопластинками, микрофотонасадкой или фотокамерой. Наилучшие условия для наблюдения слоистости стекла считаются тогда, когда угол падения света на торцевую поверхность образца близок к нулю. Поэтому при подготовке образцов стекла для оценки слоистости необходимо обратить особое внимание на качество (плоскопараллельность) их торцевых поверхностей.
Сравнительный анализ оптических показателей флоат-стекла различных фирм
С целью оценки технического уровня производства нами проведен сравнительный анализ оптических показателей стекла флоат-линии ЭПКС-4000 ОАО «СИС» и ведущих фирм Европы и России, а также анализ этих показателей на соответствие требованиям Европейского стандарта EN 572-2 и ГОСТ 111-2001. Среднестатистические данные оптических показателей стекла различных фирм приведены в таблице 3.5. Сравнительный анализ данных, приведенных в таблице 3.5, показал, что стекло экспериментальной флоат-линии ЭПКС-4000 ОАО «СИС» по оптическим показателям соответствует ГОСТ 111-2001 и качеству стекла промышленных флоат-линий России и Бельгии. Однако, по таким показателям, как разнотолщинность, оптические искажения в проходящем свете (угол «Зебры») и оптические искажения в отраженном свете («Растр») теплопоглощающее стекло не соответствует требованиям Европейского стандарта EN 572-2 и значительно ниже уровня качества стекла английской фирмы «Пилкингтон». Проведенные исследования показателей качества теплопоглощающего стекла флоат-линии ЭПКС-4000 «СИС» позволяют сделать следующие выводы: 1. Стекло, вырабатываемое на флоат-линии ЭПКС-4000 «СИС», характеризуется достаточно высокой нестабильностью исследуемых свойств, особенно большой разброс значений имеют такие показатели, как микронеплостостность, разнотолщинность, оптические искажения в проходящем и отраженном свете. 2.
Теплопоглощающее флоат-стекло по своим оптическим показателям не соответствует требованиям европейского стандарта EN 572-2 и значительно ниже фактического уровня качества стекла ведущих зарубежных фирм. 3. Современный процесс производства флоат-стекла позволяет получать ленту стекла с оптическими показателями по величине угла «Зебра» 65 градусов и более. 4. Химический состав теплопоглощающего стекла хотя и имеет колебания для разных партий выработки, однако достаточно стабилен в пределах выработки одной партии и, следовательно, не может оказать существенного влияния на изменение его оптических характеристик. Улучшение оптических показателей флоат-стекла путем изменения технологических параметров производства представляет важную научно-техническую задачу, решение которой позволит раскрыть возможности технологии конкретной флоат-линии. В настоящей главе рассмотрены вопросы, связанные с исследованием влияния технологических параметров формования ленты на изменение оптических свойств стекла, выработанном на флоат-линии ЭПКС-4000 «СИС». Критериями оценки оптической однородности листового стекла являются такие показатели качества, как разнотолщинность, волнистость, свильность, неплоскостность, стрела прогиба, «полосность», микронеплоскостность, слоистость, микродефекты и «поверхностная рябь». Отклонение данных показателей качества от значений допустимых ТУ 5922-210-05524989-02 «Стекло светотеплозащитное», рассматривались нами как оптические дефекты. В процессе работы проанализированы все перечисленные показатели. Обработка результатов исследований проводилась с помощью статистических методов [96,97].
Исследование влияния параметров работы оборудования ванны расплава на показатели качества флоат-стекла
Анализ диаграммы Парето по видам оптических дефектов, приведенный выше, позволил выявить, что наибольшее влияние на величину оптических искажений оказывают такие показатели качества, как разнотолщинность и «поверхностная рябь» (46,6 %). «Поверхностная рябь» обнаруживается на установке «Зебра» в виде мелких зубчиков на линиях черно-белого экрана. Мелкая «поверхностная рябь» наблюдается и при достаточно высоком значении угла «Зебра» (Z = 45-50 град), а также в периоды отсутствия свилей. .Величину, форму и характер распределения «поверхностной ряби» можно наблюдать на шлирен-фотографиях и профилограммах, снятых с образцов стекла.
«Поверхностная рябь» представляет собой микронеровности поверхности стекла в виде пятен, вытянутых в направлении движения ленты стекла, наплывов или прерывистых линий, имеющих такое же направление. Высота неровностей, в зависимости от их вида составляет 0,5-15 мкм. Причем данные дефекты расположены неравномерно по полотну ленты стекла и образуются, как на нижней, так и на верхней поверхности.
Неравномерное, локальное расположение микронеровностей на поверхности стекла позволяет предположить, что они образуются на стадии уже сформированной ленты, когда вязкость стекломассы составляет 103 5 - 105,5 Пуаз, а именно в I-III зонах ванны расплава, то есть в тех же зонах, в которых происходит активное изменение толщины и возникновения дефекта «разнотолщинность» стекла.
Следовательно, образование разнотолщинности и микронеровностей поверхности стекла может быть связано с технологическими параметрами формования ленты: перепадом температуры олова по ширине ванны расплава; смещением ленты, стекла относительно оси ванны расплава; наличием конвекционных потоков в защитной атмосфере ванны расплава;
наличием циркуляционных потоков в олове; нарушением физико-химических условий в ванне расплава; параметрами работы оборудования, размещенного ванне расплава: колебанием скорости вращения бортоформующих машин (БФМ), асимметрией углов разворота между левой и правой БФМ, расположением БФМ и холодильников вдоль ванны расплава.
Таким образом, существует множество причин, способных вызывать образование микронеровностей поверхности и разнотолщинности ленты стекла, степень влияния каждой из которых до сих пор не выявлена.
В данной главе нами проведены исследования по выявлению влияния параметров работы оборудования ванны расплава (бортоформующих машин и холодильников) на снижение показателей качества ленты стекла.
Исследование характера микронеровностей поверхности стекла толщиной 6 мм по ширине ленты с помощью профилографа-профилометра М-201 показали, что на стекле, вырабатываемом с использованием БФМ наблюдается более грубый рельеф, особенно, в прибортовых участках по сравнению со стеклом, вырабатываемым прямым вытягиванием (без использования БФМ). Профилограммы представлены на рисунке 4.3.
Профилограммы, приведенные на рисунке 4.3 подтверждают, что бортоформующие машины оказывают существенное влияние на образование микронеровностей на поверхности стекла. Исследования параметров работы БФМ и оптических показателей качества стекла проводились на флоат-линии ЭПКС-4000 ОАО «СИС» в период выработки ленты стекла на трех парах бортоформующих машин по специально разработанной методике, суть которой приведена в главе 2. Измерение скоростей вращения трех пар БФМ, показали, что при выработке стекла тонких номиналов (2,5-3,0мм) наблюдаются значительные колебания данного параметра. Показатели скорости вращения БФМ при выработке стекла толщиной 3,0 мм, снятые с дисплея монитора через каждые 15 минут в течение трех суток приведены в таблице 4.2. Из таблицы 4.2 видно, что скорость вращения БФМ значительно изменяется в течение коротких промежутков времени. Расчеты показывают, что амплитуда колебаний скорости вращения БФМ достигает 4-5 % от заданного значения, такие колебания могут быть вызваны несовершенной системой управления скоростью вращения БФМ. На современных флоат-линиях в настоящее время применяют бортоформующие машины, имеющие электроприводы с частотным регулированием скорости вращения, обеспечивающим амплитуду колебания 0,25 %.
