玻璃制品在成形過程中,應(yīng)使各主要階段的工序和持續(xù)時間同玻璃液的流變性質(zhì)及表面熱性質(zhì)協(xié)調(diào)一致。這樣的工藝要求是由成形制度所決定的。在成形過程中,玻璃液的熱傳遞過程影響著黏度。為使制品成形的時間盡可能地短,出模時又不致變形,表面也不產(chǎn)生裂紋等缺陷,就必須掌握和控制熱傳遞過程。因此,在確定成形制度之前,應(yīng)首先討論玻璃在成形過程中的熱傳遞。
玻璃的成形過程中,熱量必然會通過介質(zhì)轉(zhuǎn)移到外界。對于無模成形的玻璃制品,如平板玻璃、玻璃管、玻璃纖維等,其冷卻介質(zhì)只有空氣。利用模型成形的玻璃制品,如瓶罐、器皿等空心制品,其冷卻介質(zhì)為模型,而模型的冷卻介質(zhì)又是空氣,情況較為復(fù)雜。
在模型中成形中,玻璃液中的熱量主要通過模型傳遞出去,以達(dá)到各階段所需的黏度。由于一般玻璃的定容比熱容小于金屬模型(如鑄鐵)的定容比熱容,所以在模型中,玻璃的接觸表面的溫度降低很大;而模型內(nèi)表面,溫度的升高較小。又由于玻璃的導(dǎo)熱性能差,所以當(dāng)玻璃與模型接觸后,玻璃表面層的溫度低于內(nèi)部的溫度。當(dāng)玻璃與模型脫離后,玻璃內(nèi)外層溫差大,內(nèi)部的熱量向表面層迅速傳遞,同時表面層向空氣中散熱比較慢,遮陽就使得玻璃表面又重新加熱。重?zé)崾瞧抗薜瓤招牟Aе破烦尚尾僮鞯幕A(chǔ)。
玻璃成形過程中的熱傳遞,還應(yīng)考慮玻璃與模型、模型與空氣這兩個臨界層。上圖所示為雛形的物理量與熱阻的關(guān)系。玻璃的傳熱能力較差,因此玻璃內(nèi)部的熱量必須客服很大的熱阻才能到達(dá)雛形的表面。當(dāng)熱流到達(dá)玻璃與模型的臨界層,也就會受到相當(dāng)大的阻抗。在模型中,熱流比較容易向模型外壁流動,但當(dāng)?shù)竭_(dá)模型與空氣的臨界層時,又會遇到阻抗。由于變化復(fù)雜,這兩個臨界層的熱阻很難列出公式。由圖可知,玻璃的熱阻大,模型的熱阻小,玻璃與金屬的臨界層熱阻相當(dāng)大。
實際上,玻璃液與模型內(nèi)表面接觸時,由于驟冷產(chǎn)生的體積收縮,使得玻璃制品具有脫離模型的傾向。同時由于重?zé)岬淖饔?,玻璃制品表面軟化膨脹,又與模型接觸,再次出現(xiàn)熱傳遞。因此從玻璃制品表面經(jīng)模型的熱傳遞,可能是冷卻與重?zé)岱磸?fù)的進(jìn)行。這種熱傳遞隨時間而衰減。
在壓制成形時玻璃液和模型的接觸較好,其臨界層熱阻的增量比吹制成形時熱阻的增量小。由于玻璃液和模型的溫度大,不論是壓制或吹制,在制品成形開始時模型的熱阻都很小,亦即熱流的傳遞在成形開始時是很大的,因此,大量的熱量是從玻璃表面層移去。同時,由于玻璃的熱傳導(dǎo)能力差,玻璃內(nèi)部的熱量不能很快傳遞至表面,使得制品表面迅速冷卻。當(dāng)冷卻進(jìn)行得過快時,就會在玻璃表面層中產(chǎn)生張應(yīng)力,這就是制品出現(xiàn)裂紋和破裂的原因。
熱量從玻璃傳遞到模型的過程受到幾個因素的影響。最重要的是玻璃的表面溫度、模型內(nèi)表面的溫度以及玻璃與模型間的熱阻。對于玻璃而言,這種熱阻是玻璃的表面黏度和成形過程中將玻璃壓向模型的有效壓力的函數(shù)。對模型而言,這種熱阻可看作是模型表面粗糙度和淀積物的函數(shù)。當(dāng)玻璃和模型緊密接觸時,熱阻可以視為零。這時所傳遞的總熱量Q與接觸面積和接觸時間的平方根之積成正比。
Q=KA√t
式中:A---接觸面積
t---接觸時間
K---比例常數(shù)
Q---傳遞的熱量,是t1/2的函數(shù)
在實際生產(chǎn)中,玻璃與模型幾乎難以達(dá)到一種完善的接觸。由于成形模型接觸面積大,而且在成形模中已過渡到定形階段,因此,為了得最大的生產(chǎn)速度,必須犧牲雛形模時間,而延長成形模時間。
在玻璃制品成形時,邊角的熱傳遞也很重要。因為任何一個熱物體以小角度暴露在一冷物體的大角度下時,都會受到過強的冷卻。
吹-吹法成形時,在雛形吹制之前,緊靠裝料線下方有一圈冷玻璃,這部分玻璃在吹制雛形時不再消失,從而形成撲氣箍。模型的接縫點在沒有其他因素影響時有變冷的傾向,從而引起玻璃的不均勻降溫。因此,在采用吹-吹法時,倒吹氣開始得越早越好。采用壓-吹法時,適用整體的雛形模,可使溫度分布均勻。
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