Изготовление автомобильных стекол в условиях автопредприятий

УДК 666.162:629.113

М.Э. Бутовский, проф., к.х.н. / Рубцовский индустриальный институт

В настоящее время в странах СНГ функционирует около 300 стекольных заводов, имеющих около 900 стекловаренных печей. На производство листового стекла приходится около 50% от всего производства. По-прежнему, подавляющее большинство продукции из стекла производится в двух странах — в России и на Украине. В России современный флоат-метод реализован только на трех предприятиях — Саратовском, Салаватском и Борском заводах.

В условиях автопредприятия № 1934 г. Рубцовска была спроектирована и изготовлена электропечь для производства автомобильных стекол (рис. 1).


Технологический процесс изготовления автомобильных стекол напоминает получение стального проката. Жидкую стекольную массу раскатывают на валках в большие листы, из которых в дальнейшем производят раскрой заготовок. В зависимости от назначения стекла заготовки подвергают различной термической обработке. Для автомобильных стекол — это первичный отжиг. Первичный отжиг призван ослабить и снять напряжения в стекле, полученные на заготовительном этапе, и, самое главное, уничтожить в объеме стекла структурные и оптические неоднородности [3, 4].

Отжиг автомобильного стекла является очень трудоемкой операцией. На каждое стекло приходится до 20 минут времени. Стекло нагревают до определенной температуры (верхней температуры отжига) и выдерживают около 3-х минут, в течение которых снимают около 95% внутренних напряжений, затем температуру понижают на 500 +- 150 °C и выдерживают 3 минуты при нижней температуре отжига. На данном этапе удаляются остатки напряжений.

Охлаждение стекла при отжиге проходит медленно и при этом оно разделено на несколько этапов. По окончанию отжига стекло-полуфабрикат имеет равновесное состояние (без внутренних напряжений) и однородную структуру.

На последнем этапе стекло одновременно формуют и закаливают. Придание нужной кривизны и закалку стекла производят различными способами. Наиболее распространенные способы закалки стекла — моллирование и горизонтальное изгибание. По производительности моллирование значительно уступает горизонтальному изгибанию. Однако в легковом автомобилестроении используется именно этот способ, так как он обеспечивает максимальное качество стекла. Процедура моллирования достаточно сложна в исполнении: стекло помещают в электрическую печь и нагревают до температуры, при которой стекло приобретает пластичность. Следующий шаг — металлический шаблон, на котором стекло принимает необходимую форму, все еще подвергаясь нагреву.

Охлаждение стекла производят воздухом и происходит оно с высокой интенсивностью в специальной решётке. Этот процесс называется закалкой. Закалка призвана сформировать в стекле направленные напряжения сжатия. Причем, чем выше уровень напряжений (при закалке они достигают 300 МПа), тем выше прочность стекла. При охлаждении воздухом критерий Био (критерий интенсивности охлаждения и закалки) невысок и напряжение, в среднем, составляет около 80 МПа. Одновременно с повышением прочности стекла в 4...5 раз повышается его упругость, что очень важно, так как кузов автомобиля не является абсолютно жестким и его упругие деформации могут привести к разрушению стекла.

При закалке очень важно, чтобы напряжения в стекле распределились равномерно. Неравномерность напряжений может быть причиной нескольких дефектов: некачественной закалки, коробления кузова автомобиля, перераспределения напряжений в клеевом соединении и около него, перепада температур, неравномерного силового нагружения стекла, неоднородности и наличия раковин и трещин в стекле и многих других. Автомобильное стекло считается тем лучше, чем равномернее распределены в нем напряжения сжатия.

Весь процесс происходит в стеклоплавильной печи, оборудованной нагревательными ТЭНами (рис. 1).

Исходным материалом для получения многослойных стекол служит листовое полированное стекло 5. Полученные из него заготовки определенных размеров маркируются, а их края обрабатываются.

Затем полированное стекло помещается в бункер печи 1, где оно окончательно приобретает нужную пространственную форму, и по ходу которого нагревается до определенной температуры (в зависимости от толщины стекла и его химического состава температурный режим может колебаться от +650 °C до +700 °C). Затем стекло выкладывается на металлический шаблон 4, где под действием собственного веса и принимает нужную форму.

Для получения качественного многослойного стекла его стеклянные элементы обязательно моллируются в паре, таким образом, каждый раз образуются уникальные, максимально приближенные друг к другу поверхности стекол, поэтому в случае повреждения хотя бы одного из них в переплавку отправляют сразу оба стекла. После моллирования пара стекол скрепляется посредством ПВБ (поливинилбутиральной) пленки и помещается в бункер печи 1, где они окончательно спекаются. После окончательной приемки формы, заготовка стекла достается из печи и охлаждается под влиянием окружающей среды. Окончательным этапом является обработка краев стекла до нужной формы, и испытания в соответствии с ГОСТ 5727-88 [1, 2].

ПОЛИВИНИЛБУТИРАЛЬ (бутвар, винилит, бутацит, мовиталь В, ревиль В, С-лек В и др.) — аморфный бесцветный полимер; степень полимеризации 500-1600. Плотность 1,1 г/см3; растворяется в спиртах, кетонах, сложных эфирах, углеводородах, смеси этанола с бензолом, не растворяется в бензине; относительное удлинение 15-25%; ударная вязкость 60-130 кДж/м2; твердость по Бринеллю 100-110 МПа; теплостойкость по Вика 60-75 °C, по Мартенсу 48-54 °C; температурный коэффициент линейного расширения 9,2·10-5 °C-1; водопоглощение за 24 часа 0,4–3,0%.

Суть технологии получения закаленного стекла состоит в следующем: стекло разогревают выше температуры размягчения приблизительно до плюс 600-720 °C в зависимости от его толщины и структурных особенностей, а затем резко охлаждают в струях воздуха до плюс 300?450 °C. При охлаждении первыми остывают верхние слои стекла. В них при остывании внутренних слоев возникают остаточные напряжения сжатия. Напряжения сжатия обеспечивают механическую прочность, термостойкость закаленного стекла, эти же напряжения и заставляют стекло распадаться в случае его повреждения на множество мелких, не таящих в себе опасности фрагментов.

В результате закаливания значительно (в 5-10 раз) возрастает прочность стекла на удар (рис. 2), в 2-3 раза увеличивается его прочность на изгиб, в 3-4 раза возрастает термостойкость стекла (с +40 °C до +180 °C).


Для стекла характерно разрушение без существования порога текучести, характерного для металлов. Т.е., в том случае, когда прилагаемая к стеклу нагрузка превышает предел прочности, стекло разрушается целиком, без непрерывного изменения формы. На основании требований, предъявляемых к объекту применения, можно для любой ситуации подобрать тип стекла, который удовлетворяет требованиям прочности, поставленным перед объектом. Необходимая прочность может быть достигнута путем применения закаленного и многослойного стекла, которые относятся к безопасным в эксплуатации видам стекла.

Основные производители различных типов стекол приведены в таблице.


Притупление углов кромки стекла применяется как обязательная технологическая операция перед закаливанием для стекла толщиной до 6 мм или для стекол светопрозрачных конструкций, в которых отсутствуют требования к внешнему виду кромок. Для стекла толщиной свыше 6 мм обязательно шлифование кромки с применением алмазного инструмента. Расстояние между отверстиями (а) и расстояние от края стекла до отверстия (а) должно быть не меньше половины диаметра отверстия (d/2) и углы вырезов обязательно должны быть скруглены с минимальным радиусом, равным толщине стекла.

Наиболее объективной причиной применения закаленного стекла является именно его безопасные свойства и именно то, что стекло является безопасным по отношению к человеку в момент своего разрушения. Обычное стекло при разрушении образует множество длинных и прочных осколков с острыми клиновидными кромками, что не может не представлять серьезную потенциальную угрозу здоровью человека. Закаленное стекло прочнее обычного в 5-7 раз (рис. 3) и при превышении значения предела стойкости к внешним нагрузкам образует множество мелких осколков с притупленными краями. Такие осколки изначально являются менее опасными в сравнении с фрагментами, образующимися при разрушении обычного стекла.


Сегодня прослеживается явная тенденция увеличения форматов стекла при остеклении современных зданий, что заставляет нас задумываться об определенных функциональных свойствах применяемого стекла. Благодаря тому, что стекла больших форматов подвергаются большему температурному воздействию от прямого солнечного излучения, всегда существует повышенный риск самопроизвольного разрушения стекла из-за образования критической разницы значений растягивающих и сжимающих напряжений. Такая опасность, как правило, возникает в межсезонный период, при больших колебаниях дневной и ночной температур. Вероятность самопроизвольного разрушения стекла увеличивается в несколько раз также и при использовании специальных энергоэффективных стекол в составе однокамерных и двухкамерных стеклопакетов. Учитывая вышеизложенные аспекты, на практике рекомендуется применять только конструкции, в которых используется безопасное закаленное стекло, прекрасно выдерживающее большие температурные перепады.

Основные отличия и преимущества закаленного стекла:
• безопасность;
• повышенная прочность на изгиб и удар в 5-7 раз;
• увеличенная термостойкость и стойкость к перепадам температур в 2,5-3 раза;
• устойчивость к вибрационным нагрузкам;
• образование мелких осколков с тупыми гранями в случае разрушения стекла, что исключает травматическую опасность.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дуброво С. К. Стекло для лабораторных изделий и химической аппаратуры, Л.:Наука 1965. — 107с.

2. Солнцев С. С., Морозов Е. М. Разрушение стекла, М.: Машиностроение 1978. 152 с.

3. Шаффер Н.А. Технология стекла: Учебник. Пер. с нем. — 1988. — 270 с.

4. Бондарев К.Т. Листовое полированное стекло. — М.: Строй-издат. — 1978. — 167 с.

http://www.bor.ru/

http://www.salstek.ru/

http://www.saratovsteklo.com/

http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3466.html

http://www.tehlit.ru/

www.steklo.ru