СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ СТЕКЛА
METHOD FOR DETERMINING GLASS VISCOSITY

Заявленное решение относится к способам контроля теплофизических свойств стекла и в частности к определению зависимости изменения вязкости от температуры.
Общеизвестно, что одной из основных проблем процесса моллирования плоского стекла является нестабильность химического состава исходного стекла, определяемая технологическими особенностями его изготовления, которая влияет на характеристики зависимости вязкости от температуры при дальнейшем использовании этих стекол в процессе моллирования. (Китайгородский А.И. Справочник по производству стекла. Том 17 Под редакцией А.И. Китайгородского// Москва. Госстройиздат. - 1963. - С. 60-61).
В процессе производства плоского стекла зависимость вязкости от температуры, либо не нормируют, либо нормируют в очень широком диапазоне, не удовлетворяющем входному контролю свойств плоского стекла при его дальнейшем моллировании. (Гулоян Ю.А. Технология стекла и стеклоизделий: учебное пособие для высших и средних специальных учебных заведений, систем научного и производственного обучения. - Владимир: Транзит-ИКС, 2015. С. 253 - 260). Широкий разброс входящих технологических параметров приводит к увеличению брака в технологическом процессе деформации (моллированния) плоского стекла. (Гулоян Ю.А. Твердение стекла при формовании (обзор) // Стекло и керамика. - 2004. - №11. - С. 5-10).
Известные в настоящее время способы определения температурно-вязкостных зависимостей стекла в диапазоне соответствующем 9>lg(η)>5 достаточно трудоемки, длительны во времени и требуют изготовление идентичных образцов стекла с тщательной дополнительной механической обработкой для проведения испытаний (Мазурин О.В., Николина Г.П., Петровская М.Л. Расчет вязкости стекол: Учебное пособие / О.В. Мазурин, Г.П. Николина, М.Л. Петровская; Ленинградский технологический институт им. Ленсовета, Кафедра химической технологии стекла и ситаллов. - Ленинград: ЛТИ, 1988. - С. 20-40), либо требуют плавлению образца в ходе испытания (Левицкий И.А. Расчет вязкости многокомпонентных силикатных стекол/Труды БГТУ. Серия III. Химия и технология неорганических веществ. Белгород. БГТУ. 2010. С. 47-50.) и не могут быть использованы для оперативного входного анализа свойств поступающего на производство стекла, либо требуют многократных испытаний для получения значений вязкости от температуры в необходимом для деформации в диапазоне температур. (J. Pascual and A. Durdn and Miguel Oscar Prado, A New Method for Determining Fixed Viscosity Points of Glasses // journal Physics and Chemistry of Glasses, 2005, №46, p. 512-520).
Наиболее близким решением является способ, описанный в прилагаемом патенте (2702695. Российская Федерация. МПК G01N 11/00(2006.01) G01J 5/10(2006.01) G01B 11/02(2006.01) G01N 25/16(2006.01) G01K 13/00(2006.01) Способ быстрого определения температурной зависимости вязкости и характеристических температур стекол и устройство для его реализации, 08.02.2019 опубл. 09.10.2019 Бюл. №28 Миронов Роман Александрович (RU), Крюков Александр Евгеньевич (RU), Забежайлов Максим Олегович (RU), Цветкова Мария Михайловна (RU), Русин Михаил Юрьевич (RU).; Заявитель Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" (RU)). Особенностью данного способа является то, что в качестве испытуемого образца используют стеклянную или кварцевую трубку, нагретую до температуры, соответствующей значению логарифма вязкости 9>lg(η)>5. Значение вязкости определяют проведением испытаний с образца стекла деформацией растяжения испытуемого образца при постоянной механической нагрузке и постоянной температуре. Измерения производят путем визуального контроля при постоянной температуре с регистрацией скорости деформации растяжения испытуемого образца. Расчет вязкости производят для определения одного, определенного в ходе испытания, абсолютного значения.
Недостатками данного способа являются:
1. В ходе одного испытания и дальнейшего расчета определяют одно абсолютное значение зависимости вязкости от температуры.
2. Для получения зависимости вязкости от температуры на интервале температур проводят несколько испытаний.
3. Снижение достоверности результата при построении зависимости вязкости от температуры в интервале температур за счет погрешностей, возникающих при использовании нескольких образцов для проведения испытаний.
Техническим результатом заявленного решения является устранение указанных недостатков, а именно повышение достоверности зависимости вязкости от температуры при построении на интервале температур путем исключения погрешностей, возникающих при проведении нескольких испытаний с несколькими образцами, за счет использования одного испытуемого образца для получения зависимости вязкости от температуры в интервале соответствующем 9>lg(η)>5.
Поставленную задачу достигают тем, что в способе определения вязкости стекла, включающем проведение испытаний с образцом стекла деформацией растяжения в нагретом до состояния значения вязкости стекла соответствующей 9>lg(η)>5 и расчета абсолютного значения вязкости при фиксированной температуре, путем формования плоского листа стекла в конусную форму, под нагрузкой в виде постоянного разряжения в конусной форме, при постоянной скорости нагрева в интервале температур соответствующем логарифму вязкости 9>lg(η)>5 и на всем протяжении процесса формования фиксируют изменение деформации растяжения образца стекла в конусную форму и соответствующей этому изменению деформации температуре с дальнейшим построением графической зависимости изменения деформации от изменения температуры и сравнением графической зависимости испытуемого образца стекла с графической зависимостью, построенной в результате испытаний эталонного образца стекла, проведенными ранее при тех же условиях и по относительному отклонению значения деформации растяжения плоского листа в конусную форму испытуемого и эталонного образцов определяют относительное изменение логарифма вязкости стекла испытуемого образца от логарифма вязкости стекла эталонного образца, по которому определяют значение вязкости испытуемого стекла при температурах, соответствующих диапазону 9>lg(η)>5.
Наиболее существенным значением в заявленном решении является использование одного испытуемого образца для получения зависимости вязкости от температуры в интервале соответствующем 9>lg(η)>5.
Заявленное решение пояснено конкретным примером определения зависимости вязкости от температуры соответствующей логарифму вязкости 9>lg(η)>5.
На фиг. 1 представлена схема установки для получения результатов замера изменения деформации растяжения образца стекла (3) и изменения температуры в ходе проведения испытания. В нагревательной камере (1) с верхним расположением нагревателей (5) расположена вакуумная камера (2), соединенная через трубку, выходящую за пределы нагревательной камеры (1) и соединенная с вакуумной системой (4). В вакуумной камере (2) расположена газопроницаемая конусная форма (11). Конусная форма (11) и вакуумная камера (2) расположены таким образом, что верхний срез формы и верхняя открытая часть камеры лежат на одном уровне. Верхнюю часть камеры перекрывает образец испытуемого стекла (3). В центральную часть образца стекла, через отверстие в верхней части нагревательной камеры устанавливают кварцевый стержень (7). Верхнюю часть кварцевого стержня упирают в измерительный прибор (6), фиксирующий вертикальное перемещение кварцевого стержня, появляющееся за счет деформации образца плоского стекла при нагревании. Контроль равномерного нагрева камеры (1) с фиксацией значений температуры осуществляют через фазовый блок управления (8), через сигнал термопары (10) с помощью терморегулятора (9).
Определение зависимости вязкости от температуры стекла состоит из двух этапов.
На первом этапе определяют деформационные параметры эталонного образца. Их рассчитывают один раз и в дальнейшем используют для эталонного сравнения с испытуемым в дальнейшем образцом стекла.
Для примера в качестве эталонного выбрано стекло, удовлетворяющее параметрам Охотина (Китайгородский А.И. Справочник по производству стекла. Том 1./ Под редакцией А.И. Китайгородского// Москва. Госстройиздат.- 1963. - С. 56 - 58) расчета вязкости.
Экспериментальная часть испытания эталонного образца: Фиксированные параметры испытания свойств эталонного образца:
- Толщина эталонного образца 4-6 мм
- Размер образца 150 X 150 мм
- Остаточное разряжение в форме - 0,6 бар.
- Состав (массовый %): SiO2 - 71,2%, Al2O3 - 1,36%, СаО - 7,76%, MgO - 3,0%, Na2O - 15,14%, SO3 - 0,38%, Fe2O3 - менее 0,16%,
g
- Температура начала деформации T - 620°С
- Скорость нагрева 10 С°/мин
- Форма с углом при вершине 60°, диаметр основания 100 мм, глубина конуса 86 мм
g
Образец стекла (3 фиг. 1) размером превышающем верхний диаметр вакуумной камеры (2 фиг. 1) на 10 мм, укладывают на конусную форму (11 фиг. 1), находящуюся в вакуумной камере (1 фиг. 1), установленной в нагревательной камере (1 фиг. 1). В центр эталонного образца плоского стекла (3 фиг. 1) устанавливают нижний конец кварцевого стержня (7 фиг. 1). Камеру (1 фиг. 1) нагревают до температуры близкой к температуре начала деформации для данного типа стекла (T) и выдерживают при этой температуре в течении 60 минут. Скорость нагрева при этом не учитывают.
Проведение экспериментальной части испытания свойств эталонного образца:
ан
ан
ан
ан
Камеру (1 фиг. 1) нагревают с фиксированной скоростью 10°С/мин. В вакуумной камере (2 фиг. 1) создают постоянное разряжение 0,6 бар. Снимают показания изменения температуры (Т) в нагревательной камере (1 фиг. 1) и соответствующей ей изменению глубины опускания кварцевого стержня (7 фиг. 1). Измерения изменения деформации растяжения образца (Н) (3 фиг. 1) в конусную форму (11 фиг. 1) определяемое по глубине опускания кварцевого стержня (7 фиг. 1) и соответствующей ему температуры (Т) производят одновременно в ходе проведения испытания. Количество фиксируемых в ходе испытания точек изменения деформации растяжения стекла (3 фиг. 1) (Н) в конусную форму (11 фиг. 1) от изменения температуры (Т), определяют необходимой точностью построения зависимости изменения логарифма вязкости (lg(η)) эталонного образца стекла от изменения температуры (Т), в диапазоне вязкости соответствующем 9>lg(η)>5 и составляет не менее 15-25 измерений. Точность фиксации измерений изменения деформации прогиба эталонного образца стекла (Н), соответствующего глубине опускания кварцевого стержня (7 фиг. 1) составляет ±0,1 мм, а точность фиксации изменения температуры (Т) ±0,5°С. Измерения прекращают при достижении максимального изменения деформации растяжения эталонного образца стекла (3 фиг. 1) в конусную форму (11 фиг. 1), определяемую ее глубиной 86 мм. После проведения испытания разряжение в вакуумной камере (2 фиг. 1) снимают. Нагревательную камеру (1 фиг. 1) отключают.
ан
ан
Расчетная часть испытания эталонного образца: На основе полученных данных измерения изменения деформации растяжения эталонного образца (Н) и измерения изменения температуры (Т) в диапазоне вязкости, соответствующем 9>lg(η)>5, представленных в таблице 1, строят зависимость (1) изменения деформации растяжения эталонного образца (Н) от изменения температуры (Т) в диапазоне вязкости, соответствующем 9 >lg(η)>5
ан
Графически зависимость (1) изменения деформации растяжения эталонного образца (Н) от изменения температуры (Т) в диапазоне вязкости, соответствующем 9>lg(η)>5 по данным таблицы 1 представлена на фиг. 2. Рассчитывают и строят аппроксимированную кривую по значениям точек, представленных в таблице 2, как показано на фиг. 2. Расчет производят с использованием программы Exel или Mathcad.
ан
ан
Для построения изменения зависимости вязкости (lg(η)) от изменения температуры (Т) для эталонного образца стекла, используют расчет Охотина (Гулоян Ю.А. Технология стекла и стеклоизделий: учебное пособие для высших и средних специальных учебных заведений, систем научного и производственного обучения. - Владимир: Транзит-ИКС, 2015. С. 676 - 677). Температуру (Т), соответствующую значению логарифма вязкости (lg(η)) рассчитывают по формуле (2):
где Т - температура соответствующая заданному значению логарифма вязкости (°С), А, В, С, D - безразмерные коэффициенты Охотина, зависящие от состава стекла приведены в Таблице 2 (Гулоян Ю.А. Технология стекла и стеклоизделий: учебное пособие для высших и средних специальных учебных заведений, систем научного и производственного обучения. - Владимир: Транзит-ИКС, 2015. С. 676 - 677).
ан
Результаты расчета зависимости логарифма вязкости (lg(η)) от температуры (Т) по формуле 2 и данным таблицы 2 представлены в таблице 3.
ан
ан
ан
По значениям точек, представленных в таблице 3, рассчитывают и строят аппроксимирующую зависимость изменения логарифма вязкости (lg(η)) от изменения температуры (Т). Количество расчетных точек необходимое для построения аппроксимированной зависимости определяют требуемой точностью построения и не менее 5 значений. Расчет аппроксимированной зависимости изменения логарифма вязкости (lg(η)) от изменения температуры (Т) производят с использованием программы Exel или Mathcad. Зависимость (3) изменения логарифма вязкости (lg(η)) от изменения температуры (Т) показана на Фиг. 3
ан
ан
ан
ан
исп
ан
исп
Совмещают диаграммы зависимостей изменения деформации растяжения (Н) от изменения температуры (Т) и изменение логарифма вязкости стекла (lg(η)) от изменения температуры (Т), показанные на Фиг. 2 и 3, по общей температурной оси (Т). Фиг. 4. Исходя из представленных на Фиг. 4 совмещенных зависимостей изменения деформации растяжения стекла (Н) от изменения температуры (Т) и изменения логарифма вязкости (lg(η)) от изменения температуры (Т), определяют изменение логарифма вязкости эталонного стекла (lg(η)) от изменения деформации растяжения эталонного образца стекла (Н) в конусную форму (11 фиг. 1). Показанную на Фиг. 4 зависимость используют в качестве эталона для определения относительного значения логарифма вязкости (lg(η)) испытуемым в дальнейшем образцом стекла.
ан
ан
В таблице 4 представлены численные значения соответствия деформации растяжения эталонного образца (Н) стекла и соответствующего ему логарифма вязкости (lg(η)) взятые из совмещенных графиков фиг. 4. Количество соответствующих значений должно быть не менее 10-15 точек.
исп
ан
На втором этапе проводят испытание образца стекла неизвестного состава и определение зависимости логарифма вязкости стекла испытуемого образца (lg(η)) относительно логарифма вязкости стекла эталонного образца (lg(η)).
Для определения зависимости вязкости от температуры в интервале соответствующем 9>lg(η)>5 для испытуемого образца стекла с неизвестным составом проводят экспериментальную часть работы, с фиксацией тех же параметров, что и в испытании эталонного образца стекла, кроме состава стекла.
Фиксированные параметры испытания проверяемого образца
стекла:
- Толщина испытуемого образца 4-6 мм
- Размер образца 150×150 мм
- Остаточное разряжение в форме - 0,6 бар.
g
- Температура начала деформации T - 620°С
- Скорость нагрева 10 С°/мин
- Форма с углом при вершине 60°, диаметр основания 100 мм, глубина конуса 86 мм
Подготовительная часть испытания проверяемого образца стекла:
g
Образец стекла (3 фиг. 1) размером превышающем верхний диаметр вакуумной камеры (2 фиг. 1) на 10 мм, укладывают на конусную форму (11 фиг. 1), находящуюся в вакуумной камере (1 фиг. 1), установленной в нагревательной камере (1 фиг. 1). В центр испытуемого образца плоского стекла (3 фиг. 1) устанавливают нижний конец кварцевого стержня (7 фиг. 1). Камеру (1 фиг. 1) нагревают до температуры близкой к температуре начала деформации для данного типа испытуемого стекла (T) и выдерживают при этой температуре в течении 60 минут. Скорость нагрева при этом не учитывают.
Проведение экспериментальной части испытания проверяемого образца стекла:
исп
исп
исп
исп
Камеру (1 фиг. 1) нагревают с фиксированной скоростью 10°С/мин. В вакуумной камере (2 фиг. 1) создают постоянное разряжение 0,6 бар. Снимают показания изменения температуры (Т) в нагревательной камере (1 фиг. 1) и соответствующей ей изменению глубины опускания кварцевого стержня (7 фиг. 1). Измерения изменения деформации растяжения образца (Н) (3 фиг. 1) в конусную форму (11 фиг. 1) определяемое по глубине опускания кварцевого стержня (7 фиг. 1) и соответствующей ему температуры (Т) производят одновременно в ходе проведения испытания. Количество фиксируемых в ходе испытания точек изменения деформации растяжения стекла (3 фиг. 1) (Н) в конусную форму (11 фиг. 1) от изменения температуры (Т), определяют необходимой точностью построения зависимости изменения логарифма вязкости (lg(η)) испытуемого образца стекла от изменения температуры (Т), в диапазоне вязкости соответствующем 9>lg(η)>5, для испытаний проверяемого образца стекла составляет не менее 15-25 измерений. Точность фиксации измерений изменения деформации прогиба испытуемого образца стекла (Н), соответствующего глубине опускания кварцевого стержня (7 фиг. 1) составляет ±0,1 мм, а точность фиксации изменения температуры (Т)+0,5°С. Измерения прекращают при достижении максимального изменения деформации растяжения проверяемого образца стекла (3 фиг. 1) в конусную форму (11 фиг. 1), определяемую ее глубиной 86 мм. После проведения испытания разряжение в вакуумной камере (2 фиг. 1) снимают. Нагревательную камеру (1 фиг. 1) отключают.
исп
исп
Расчетная часть испытания проверяемого образца стекла: На основе полученных данных измерения изменения деформации растяжения испытуемого образца (Н) стекла и измерения изменения температуры (Т) в диапазоне вязкости, соответствующем 9>lg(η)>5, представленных в таблице 5, строят зависимость (4) изменения деформации растяжения эталонного образца (Н) от изменения температуры (Т) в проверяемом диапазоне вязкости, соответствующем 9>lg(η)>5
ан
ан
исп
исп
ан
которую накладывают на построенную ранее зависимость изменения деформации растяжения (Н) от изменения температуры (Т) эталонного образца стекла(фиг. 2), совмещая по общей температурной оси (Т) для сравнения. Представленные на фиг. 5 графики совмещенных зависимостей сравнивают по отклонению значений температур эталонного (Т) и испытуемого (Т) образцов стекла при условии равенства значений деформации растяжения испытуемого (Н) и эталонного (Н) образца стекла
исп
ан
исп
ан
Из совмещенных зависимостей испытуемого (Н) и эталонного (Н) образца стекла (фиг. 5) определяют отклонения температур (ΔТ) испытуемого (Т) и эталонного (Т) образцов,
исп
ан
В таблице 6 представлено соответствие значения деформации растяжения (Н), соответствующего значения температур для испытуемого (Т) и эталонного (Т) образцов стекла и отклонения температур (ΔT). Количество соответствующих значений должно быть не менее 10-15 точек.
исп
исп
Для построения точечной зависимости (7) изменения логарифма вязкости испытуемого образца стекла lg(η) от изменения температуры (Т) в диапазоне, соответствующем 9>lg(η)>5
исп
значения логарифма вязкости lg(η) из таблицы 4 определяем как
исп
а значение температуры (Т) из таблицы 6 определяем как
исп
исп
По результатам вычислений по формулам (8) и (9) составляют таблицу 7 и строят точечную зависимость (фиг. 6) изменения логарифма вязкости испытуемого образца стекла lg(η) от изменения температуры (Т) в диапазоне, соответствующем 9>lg(η)>5.
Количество соответствующих значений должно быть не менее 10-15 точек.
исп
исп
исп
исп
исп
исп
По значениям точек, представленных в таблице 7, рассчитывают и строят аппроксимирующую зависимость изменения логарифма вязкости (lg(η)) от изменения температуры (Т). Количество расчетных точек необходимое для построения аппроксимированной зависимости определяют требуемой точностью построения и не менее 10 значений. Расчет аппроксимированной зависимости изменения логарифма вязкости (lg(η)) от изменения температуры (Т) производят с использованием программы Exel или Mathcad. Зависимость (7) изменения логарифма вязкости (lg(η)) от изменения температуры (Т) показана на Фиг. 7
исп
раб
ан
раб
исп
раб
По полученной аппроксимированной зависимости (7) определяют скорректированную рабочую температуру (Т) при условии совпадения рабочих значений логарифма вязкости эталонного (lg(η)) и испытуемого (lg(η)) образца.
В результате испытания одного образца стекла предложенным в заявленном решении способом определения вязкости стекла получен результат, выражающий зависимость логарифма вязкости стекла испытуемого образца от температуры в диапазоне соответствующем 9>lg(η)>5, представленный в таблице 8
Применение предложенного способа определения вязкости стекла имеет практическое значение и может быть использовано в производственном процессе изготовления гнутых (моллированных) стекол для корректировки температур необходимых для деформации плоских стекол и снижения количества брака.
Оперативный контроль относительного, а не абсолютного значения вязкости стекла позволяет создать базу данных отклонения свойств плоского стекла в процессе его производства, уточнять его вязкостные характеристики для каждой производимой партии и включать их реестр гарантированных свойств поставляемого стекла.