УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВОГО СТЕКЛА С ОБОРУДОВАНИЕМ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВОМ ВЫТЯГИВАНИЯ И ЗАКАЛИВАНИЯ ЛИСТОВОГО СТЕКЛА
INSTALLATION FOR MANUFACTURE OF SHEET GLASS WITH EQUIPMENT FOR MEASUREMENT OF STRESSES AND PROCEDURE FOR CONTROL OF DEVICE FOR GLASS DRAWING AND HARDENING

Объектом настоящего изобретения является установка для производства листового стекла, содержащая плавильно-проварную печь, за которой следуют устройство формования полосы листового стекла и устройство вытягивания, и содержащая оборудование линейного и бесконтактного измерения напряжений в стеклянной полосе.
Устройство вытягивания и закаливания листового стекла является туннельной печью, оборудованной средствами нагрева и охлаждения, позволяющими осуществлять управляемый термический цикл охлаждения для листового стекла. Его устанавливают на выходе ванны с оловом для производственной линии согласно флоат-процессу или на выходе плавильно-формовочной печи для линии производства прокатного стекла.
Первая критическая фаза цикла охлаждения полосы листового стекла происходит в зонах устройства вытягивания, в которых стекло находится в вязко-упругом состоянии. Охлаждение приводит к появлению температурных градиентов и напряжений. Для ограничения появления постоянных напряжений (называемых также остаточными) и обеспечения их релаксации начало охлаждения осуществляют с небольшой скоростью охлаждения, чтобы обеспечить «закаливание» стекла. Слишком большой уровень остаточных напряжений создает проблемы для дальнейшей обработки стекла, такой как разрезание. После завершения закаливания в области переходной температуры начинается вторая критическая фаза цикла охлаждения, когда стекло надо охлаждать быстро, чтобы ограничить длину устройства вытягивания. Однако после первой фазы охлаждения в стекле по-прежнему присутствуют остаточные напряжения. Общее напряжение соответствует комбинации постоянных и временных напряжений.
Во время охлаждения температурные градиенты в толще стеклянной полосы приводят к так называемым наслаиваемым напряжениям, показанным на фиг.1 прилагаемых чертежей. Более холодные поверхностные слои находятся в состоянии плоского изотропного растяжения, а внутренние слои - в состоянии плоского изотропного сжатия.
Температурные градиенты в плоскости полосы тоже вызывают плоские напряжения, но мембранного типа, называемые также напряжениями формы. В случае градиентов только по ширине полосы большой длины (см. фиг.1) направление мембранных напряжений параллельно длине полосы. Такие напряжения по длине полосы являются растягивающими или сжимающими в зависимости от температурного профиля по ширине полосы. В устройстве вытягивания стараются поддерживать края полосы при легком сжатии по причине их высокой хрупкости. Данные термические напряжения исчезают в конце охлаждения с исчезновением температурных градиентов, поэтому их и характеризуют как временные напряжения.
Кроме того, можно легко понять появление постоянных напряжений. Сначала стеклянная полоса затвердевает с двух сторон. В этот момент сердцевина пока еще остается пластичной. Она затвердевает с задержкой и стремится еще больше сжаться. Однако это уже невозможно, так как сердцевина связана с двумя затвердевшими сторонами. В этом случае сердцевина подвергается растягивающему напряжению во время затвердевания. Следовательно, обе уже затвердевшие стороны находятся одновременно под сжимающим напряжением. Таким образом, полоса находится под постоянным напряжением: с центральной зоной - под напряжением растяжения и с двумя зонами под - напряжением сжатия. Постоянные напряжения в зонах являются изотропными в плоскости листа. Уровень постоянных напряжений тесно связан со скоростью охлаждения во время первой фазы охлаждения. Повышенная скорость охлаждения, в частности, для толстого стекла приводит к повышенным постоянным напряжениям и создает проблемы разрезания стеклянных листов. Асимметричное охлаждение верхней стороны и нижней стороны смещает профиль напряжений в толщине и является причиной деформации полосы.
Это же явление затвердевания зон в зависимости от скорости охлаждения проявляется по ширине полосы. Контроль за скоростью охлаждения краев полосы является особенно сложной проблемой для толстых полос. Регулирование охлаждения во время первой фазы охлаждения должно обеспечивать легкое сжатие краев и незначительное растяжение в центре полосы, чтобы ограничить возможность разрыва полосы.
Следует напомнить, что в отсутствие внешних сил внутренние силы должны быть уравновешены (принцип Коши). Это же относится и к стеклянной полосе в устройстве вытягивания, если абстрагироваться от усилий транспортировки роликами и от силы тяжести.
Стекло является хрупким материалом. Оно разрывается под действием растяжения, причем перпендикулярно к направлению присутствующего в нем нормального напряжения растяжения. Стекло не реагирует на напряжения сдвига при пластической деформации. Поэтому необходимо идентифицировать направления и амплитуды главных напряжений для оценки риска разрыва. Определение главных напряжений позволяет исключить составляющие сдвига в тензоре напряжений. Уже сама форма стеклянной полосы позволяет уменьшить размеры до двухмерной (2D) плоскости. Кроме того, для полосы бесконечной длины и температурных градиентов только по ширине полосы составляющие напряжения по длине полосы и главное напряжение совпадают. Отпадает необходимость в измерении напряжения сдвига для определения главного напряжения.
Особенность стеклянного материала состоит в чувствительности его поверхности к разрыву под напряжением растяжения. Стекло, изготовленное при помощи флоат-процесса с поверхностью без макроскопических дефектов, может разрушаться уже при усилии растяжения в 50 МПа на поверхности. Поверхностные дефекты могут еще больше снизить этот предел.
Следовательно, во время охлаждения стеклянной полосы в устройстве вытягивания необходимо точно контролировать профили напряжения по толщине и по ширине полосы. Определение главных напряжений на поверхности полосы позволит предупредить избыточные напряжения по всей поверхности полосы в устройстве вытягивания. Таким образом, измерение напряжений должно позволить определять общие главные напряжения в любой точке полосы в устройстве вытягивания, чтобы контролировать риски разрыва, а также позволить определять постоянные напряжения. Начиная с момента затвердевания полосы в пределах температуры затвердевания, в устройстве вытягивания все время присутствуют одновременно постоянные и временные напряжения. Одновременное определение напряжений и температурных профилей позволяет выделить временное напряжение в общем напряжении для получения постоянного напряжения. Другим способом определения постоянного напряжения является измерение напряжения в не охлаждаемой зоне устройства вытягивания, то есть где температура полосы является однородной. Это представляет особый интерес для профилей в толщине, так как измерение температурного профиля в толщине является менее очевидным, чем измерение температурного профиля по ширине полосы. Условие термической однородности полосы, естественно, обеспечивается в конце устройства вытягивания, если окружающая температура и температура полосы близки по значению. Зона, представляющая наибольший интерес для измерений напряжения на оборудовании для «устройства вытягивания листового стекла», находится, таким образом, между переходной температурой с началом появления напряжений и положением термической гомогенизации полосы после устройства вытягивания.
В целом неадекватное охлаждение полосы в устройстве вытягивания может привести к чрезмерному уровню напряжения стекла, отрицательно сказывающемуся на качестве стекла и на его конечной обработке:
1. В устройстве вытягивания
Выше критического значения растяжения общее напряжение со своей главной составляющей в стекле приводит к разрушению полосы.
Кроме того, большие напряжения в стекле могут привести к деформации полосы, перпендикулярной к плоскости полосы. Это может существенно повлиять на перемещение полосы в устройстве вытягивания. Этот тип деформации является также нежелательным, если она является постоянной и проявляется в листах стекла после разрезания.
2. В секции разрезания на выходе устройства вытягивания
Большие постоянные напряжения в полосе затрудняют и даже делают невозможным точное разрезание стекла.
Таким образом, главной задачей изготовителя является контроль и поддержание на приемлемом уровне напряжений в течение всего процесса закаливания и охлаждения стеклянной полосы.
Для упрощения дальнейшего описания принимается система координат напряжений, соответствующая геометрической форме полосы (см. фиг.1). В конкретных условиях главные напряжения могут совпадать с этими геометрическими напряжениями полосы.
x
y
z
Таким образом, определяют составляющую σ в направлении длины полосы, составляющую σ в направлении ширины полосы и составляющую σ в направлении, перпендикулярном к полосе.
x
y
x
Составляющие σ и σ соответствуют плоским напряжениям, полям наслаиваемых напряжений для тонкого листа. На производственных линиях после устройства вытягивания измеряют боковой профиль по ширине (фиг.2), который отмечает составляющую σ, интегрированную в толщине полосы, то есть мембранное напряжение. В известных технических решениях внутри устройства вытягивания боковой профиль не измеряли. Однако именно это напряжение может достигать высоких значений при плохом регулировании охлаждения по ширине и приводит к разрыву полосы.
y
В известных устройствах вытягивания мембранную составляющую σ, интегрированную в толщине полосы, тоже не измеряли. Однако в некоторых случаях этим напряжением нельзя пренебрегать (например: термический профиль по ширине не является постоянным по длине полосы).
x
y
x
y
x
y
Вертикальный профиль отмечает изменение плоского напряжения σ или σ по толщине полосы (фиг.2). Для небольшого отрезанного образца полосы составляющие σ и σ являются эквивалентными, так как влияние напряжений формы или мембранных напряжений устраняется. При помощи нелинейного (off-line) измерения вертикального профиля получают измерение только постоянного напряжения. Внутри известных устройств вытягивания вертикальный профиль общих напряжений σ или σ не измеряют. Однако именно это напряжение может достигать повышенных и критических значений, в частности для толстого стекла.
z
В случае тонкого листа составляющая σ отсутствует. Но вблизи краев полосы из флоат-стекла или при контакте с транспортирующими роликами эта составляющая появляется. В известных технических решениях на полосе не производили никаких измерений этого напряжения.
В предшествующем уровне техники существуют различные бесконтактные способы измерения напряжений полосы, которые, в частности, будут изложены ниже.
Оптический способ, часто применяемый для измерения напряжений стекла, состоит в анализе поляризации светового луча после его прохождения через стекло. Он основан на свойстве, связанном с фотоупругостью стекла, которая характеризуется изменением по направлению коэффициента преломления света в присутствии напряжения.
x
y
На полосе листового стекла измерение производят при помощи светового луча, который проходит через полосу в основном перпендикулярно к ее поверхности. Анализ поляризации луча осуществляют после простого или двойного прохождения через толщу полосы. Этот способ требует точной регулировки светового луча относительно оптических элементов, находящихся над или под полосой. Измерения напряжения, осуществляемые в линейном режиме (on-line) согласно этому способу, производят на большом расстоянии на выходе устройства вытягивания, чтобы снизить влияние временного напряжения на измерение. Это измерение используют, таким образом, для постоянного мембранного напряжения (см. патент US 4619681 или DE 1202028). Оно позволяет характеризовать среднее значение для σ, интегрируя напряжения по толщине листа. Таким образом, эти измерения характеризуют только мембранное напряжение в направлении длины полосы. Они позволяют, в частности, проверить, находятся ли края полосы под напряжением сжатия, так как эти края являются особенно чувствительными к разрыву под напряжением растяжения. Кроме того, этот способ предполагает отсутствие составляющей σ для идентификации составляющей σ в качестве главного напряжения (измерение запаздывания перпендикулярного луча позволяет измерять только разность двух составляющих).
Инерция, связанная с положением оборудования на производственной линии, не позволяет быстро корректировать рабочие параметры устройства вытягивания во время первой фазы охлаждения полосы. Кроме того, способ не дает никакой информации о временных напряжениях, присутствующих в устройстве вытягивания. Установка инструмента этого типа в устройстве вытягивания наталкивается на две трудности: 1. Механические, оптические и электронные компоненты не приспособлены к горячей окружающей среде с температурами, достигающими 600°С. 2. Тепловое излучение стеклянной полосы существенно влияет на детектирование поляризованного света оптической системой.
Для измерения вертикального профиля напряжения в толще образца в лабораторных условиях применяют другие способы, основанные на анализе поляризации света после его прохождения через стекло.
x
y
За счет отрезания образца мембранные напряжения более или менее ослабляются. Таким образом, измеряют вертикальный профиль постоянных плоских напряжений σ или σ с эквивалентностью двух значений по причине изотропии. Интегрирование такого образца по вертикальному профилю дает практически нулевое напряжение в силу отсутствия мембранного напряжения. Вертикальный профиль отражает уровень и эффективность закаливания стекла. Это измерение на отрезанном образце позволяет только определить профиль постоянного напряжения в том месте на полосе, где был взят образец.
Другой способ измерения вертикального профиля постоянного напряжения состоит в анализе рассеянного света при помощи светового луча или лазерного пучка. Этот способ существует в двух вариантах:
А). Анализ рассеянного и поляризованного света, который проходит затем через объемы, находящиеся под напряжениями.
В). Анализ интенсивности рассеянного света при помощи поляризованного луча, который проходит через объемы, находящиеся под напряжениями.
Оба варианта преимущественно используют эффект упругого рассеяния света, называемый «рэлеевским рассеянием», или, в варианте, эффект взаимодействия света с фононами, называемый «бриллюэновским рассеянием или комбинационным рассеянием». Эти способы будут подробнее изложены ниже.
Способ рассеянного света всегда требует введения луча в стекло либо на краях образца, или на поверхности при помощи призмы, располагаемой на поверхности стекла согласно известным техническим решениям. Как указано в патенте US 2003/0076487, введение луча при помощи преломляющей системы позволяет эффективно направлять свет в стекле через поверхность без призмы. Преломляющую систему создают путем локального нагрева стекла при помощи лазера. Однако этот способ невозможно применять на движущейся горячей полосе. К тому же локальный нагрев мешает измерению слабых термических напряжений, присутствующих в закаленном стекле. В основном способ применим для закаленного стекла с гораздо более высоким уровнем напряжения.
Другой вариант метода рассеянного света предложен в патенте DE 10161914 С1. Недостатком способа рассеянного света является потеря силы луча, который проходит через стекло под острым углом, в частности для тонированного стекла. Указанный патент предлагает компенсировать эту потерю силы при помощи серого клина. Вместе с тем остается необходимость применения призмы для эффективного введения света через поверхность образца, что ограничивает этот способ только нелинейным режимом (off-line).
Все способы измерения на образцах характеризуются большой инерцией, связанной с временем, необходимым для отбора образца и с обратным получением информации из лаборатории. Кроме того, они не дают никакой информации о временных напряжениях типа мембранных или плоских напряжений с изменением в толщине. Измерения временных напряжений автоматически предполагают измерение внутри устройства вытягивания.
Непрямой подход предложен в патенте US 6796144. Согласно этому патенту, в толще стеклянной пластины осуществляют измерение температуры путем анализа света, излучаемого за счет фотолюминесценции зоны в толщине. При помощи этого способа определяют вертикальный температурный профиль при помощи нескольких измерений. На основании этого температурного профиля вычисляют вертикальный профиль временного напряжения. Этот способ не дает никакой информации о постоянном напряжении и мембранных напряжениях, накладывающихся на вертикальный профиль временного напряжения во время охлаждения стекла в устройстве вытягивания.
Известные решения, применяемые для определения уровня напряжения в стеклянной полосе, не являются удовлетворительными, в частности, по следующим причинам:
Они не позволяют напрямую контролировать процесс закаливания для непрерывного получения стекла, имеющего хорошие характеристики после выхода из устройства вытягивания.
Они не позволяют измерять вертикальный профиль плоского напряжения в устройстве вытягивания.
Они не позволяют измерять одновременно профили мембранного напряжения по ширине полосы и вертикальный профиль плоских напряжений.
Они не позволяют определять общее напряжение и главные направления в любой точке в устройстве вытягивания для прогнозирования условий разрыва полосы или прогиба полосы.
Основные трудности измерения напряжения на движущейся стеклянной полосе в устройстве вытягивания состоят в необходимости недеструктивного измерения без механического контакта на стекле с повышенной температурой в горячей окружающей среде и без нарушения охлаждения полосы всеми главными составляющими напряжений.
Для решения этих проблем в изобретении предлагается установка для производства листового стекла, содержащая плавильно-проварную печь, за которой следуют устройство формования полосы листового стекла и устройство вытягивания, и содержащая оборудование для линейного и бесконтактного измерения напряжений в стеклянной полосе, отличающаяся тем, что оборудование линейного измерения напряжений установлено внутри устройства вытягивания.
Линейное (on-line) и бесконтактное измерение, непосредственно в устройстве вытягивания, общего напряжения в стекле позволяет оперативно корректировать рабочие параметры устройства вытягивания таким образом, чтобы уровень общего напряжения в любой точке оставался меньше определенного значения.
Линейное и бесконтактное измерение непосредственно в устройстве вытягивания позволяет также определять зону затвердевания полосы с появлением постоянных напряжений.
Линейное и бесконтактное измерение непосредственно в устройстве вытягивания в сочетании с измерением вертикального или бокового температурного профиля полосы позволяет выделить долю временного напряжения в общем напряжении и на основании этого выделить постоянное напряжение.
Измерительное оборудование в соответствии с настоящим изобретением содержит излучатель света, который направляет световой луч на стеклянную полосу, и средство приема и анализа света, рассеиваемого в разных направлениях пространства и получаемого в результате взаимодействия луча со стеклом.
Измерительное оборудование содержит оптические компоненты и средства обработки сигнала, которые позволяют измерять и анализировать рассеяние света с чувствительностью, достаточной для того, чтобы отказаться от оптических приспособлений, в частности призм, размещаемых на поверхности стекла.
Предпочтительно, чтобы оборудование содержало CCD-камеру для измерения и анализа рассеянного света.
Таким образом, можно измерять напряжения в листовом стекле, характеризуя рассеянный свет с точностью, достаточной для анализа временных и постоянных напряжений, характерных для стеклянной полосы в устройстве вытягивания. Другим преимуществом этого оборудования является возможность одновременного измерения профиля мембранных напряжений и профиля напряжений в толще стекла.
Полная информация о составляющих временных и постоянных напряжений позволяет корректировать охлаждение устройства вытягивания, чтобы избежать разрыва и лучше контролировать уровень постоянного напряжения. Таким образом, эту информацию можно использовать для управления устройством вытягивания при помощи автоматической системы, обеспечивающей измерение, обработку сигналов и автоматическое регулирование охлаждения.
x
Предпочтительно, чтобы измерительное оборудование позволяло комбинировать характеристику вертикального и бокового профиля напряжений путем измерения составляющей напряжения σ. Эти два профиля соответствуют измерениям, осуществляемым в настоящее время «в холодных условиях» после устройства вытягивания или на образцах в лабораторных условиях. Кроме того, измерение в соответствии с настоящим изобретением позволяет произвести оценку временного и общего напряжения во время охлаждения.
Предпочтительно также, чтобы оборудование измерения вертикального и бокового профиля размещалось в каждой зоне охлаждения устройства вытягивания для индивидуального контроля напряжения, возникающего в каждой зоне. Измерение напряжения позволяет, в частности, контролировать степень охлаждения по ширине каждой зоны охлаждения, охлаждение сверху и снизу и общую степень охлаждения.
Предпочтительно также, чтобы измерительное оборудование позволяло комбинировать измерение вертикальных и продольных профилей. Это позволяет идентифицировать, в частности, изменение постоянного и временного напряжения по длине устройства вытягивания. Если указанное измерение повторяется в разных положениях по ширине полосы, можно также определить боковые профили мембранного напряжения.
Предпочтительно также, чтобы указанные профили измерялись во многих позициях полосы, что позволяет установить картографию напряжений по всей длине полосы в устройстве вытягивания. Это позволяет идентифицировать места в стеклянной полосе с повышенным общим напряжением.
y
x
При наличии составляющей σ мембранного напряжения главное напряжение становится не параллельным напряжению σ. Таким образом, имеется наличие одновременно двух составляющих. Принцип фотоупругости позволяет измерять только разности напряжений, перпендикулярных к лучу наблюдения. Однако можно выделить доли разных напряжений путем повторения измерения в разных направлениях.
Таким образом, чтобы найти направление и амплитуды главных напряжений, система измерения может осуществить поворот. Другой способ нахождения главных напряжений состоит в анализе оптического сигнала под разными углами относительно нормали к стеклянной пластине.
z
Другой пример выполнения относится к проверке уровня напряжения в отдельных точках, таких как точка опоры полосы на ролики и изменение толщины вблизи края полосы. Однако принцип фотоупругости позволяет измерять только разности напряжений, перпендикулярных к лучу наблюдения. Путем сравнения измерений в близких позициях, но при наличии или при отсутствии составляющей σ, можно определить ее значение.
z
Предпочтительно, чтобы направление луча наблюдения менялось для нахождения главных напряжений в трехмерном пространстве, которые содержат вертикальную составляющую σ.
Измерительное оборудование может содержать источник света, расположенный с одной стороны полосы, и оптический элемент анализа, находящийся с противоположной стороны или предпочтительно с той же стороны, что и источник света. Источник света может находиться над или под полосой.
Излучатель и приемник измерительного оборудования можно охлаждать для установки в зоне относительно высокой температуры устройства вытягивания.
Измерительное оборудование дополнено постом управления, обработки данных, поступающих от измерительного оборудования, и визуального отображения напряжений. Связь между постом управления и блоком контроля можно осуществлять через факультативный интерфейс.
Предпочтительно, чтобы установка, оборудованная измерительным оборудованием с оптической системой, содержала средства фильтрования лучей, входящих в оптическую систему измерительного оборудования, для исключения теплового излучения, отрицательно влияющего на точность измерения.
Оптическая система может содержать трубку прицела и оптический делитель, установленный после трубки прицела.
Объектом изобретения является также оборудование для линейного и бесконтактного измерения напряжений в стеклянной полосе в устройстве вытягивания, отличающееся тем, что содержит излучатель света, направляющий световой луч на стеклянную полосу, и средство приема и анализа света, рассеиваемого в разных направлениях в результате взаимодействия луча со стеклом.
Предпочтительно, чтобы оборудование для линейного измерения использовало эффект упругого рассеяния света, называемый «рэлеевским рассеянием», или эффект взаимодействия света с фононами, называемый «бриллюэновским рассеянием или комбинационным рассеянием». Предпочтительно, чтобы оборудование содержало CCD-камеру для измерения и анализа рассеянного света.
Предпочтительно также, чтобы измерялось только мембранное напряжение при помощи прохождения и прямого анализа поляризованного луча согласно классическому способу фотоупругости. Анализатор сигнала предпочтительно содержит средства фильтрования лучей, входящих в оптическую систему измерительного оборудования, для исключения теплового излучения, отрицательно влияющего на точность измерения.
В варианте оборудования производят измерение боковых и/или продольных температурных профилей поверхности полосы при помощи известных средств измерения, таких как пирометры. Другие способы, основанные на объемном излучении, позволяют найти температурный профиль в толще полосы. Таким образом, можно выделить временное и постоянное напряжение в измерении общего напряжения.
Объектом изобретения является также способ управления устройством вытягивания и закаливания листового стекла, отличающийся тем, что при помощи измерительного оборудования, установленного в устройстве вытягивания, производят непрерывное измерение напряжения стеклянной полосы и используют его для автоматической корректировки рабочих параметров устройства вытягивания при помощи контура регулирования.
Предпочтительно в указанном способе предусмотреть комбинацию системы контроля устройства вытягивания и оборудования измерения напряжения для обеспечения быстрой корректировки рабочих параметров устройства вытягивания таким образом, чтобы уровень общего напряжения оставался ниже определенного значения, позволяющего избежать разрушения стекла или деформаций полосы, перпендикулярных к плоскости полосы, и чтобы уровень постоянного напряжения оставался ниже определенного значения, позволяющего производить дальнейшую обработку стекла.
Кроме того, предпочтительно, чтобы измерения напряжения могли производиться по ширине стеклянной полосы, и их можно было использовать для корректировки распределения нагрева по ширине полосы и/или для корректировки распределения охлаждения по ширине полосы.
Предпочтительно, чтобы была создана математическая модель работы устройства вытягивания и была использована для определения оптимальных заданных значений, применяемых к устройству вытягивания, в зависимости от произведенных измерений, чтобы получить требуемый уровень температуры и напряжения.
Кроме вышеуказанных отличительных признаков изобретение содержит ряд других отличительных признаков, которые будут более очевидны из нижеследующего подробного описания не ограничительных примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схематичный вид стеклянной полосы и направлений профилей и напряжений.
Фиг.2 изображает диаграмму возможного изменения напряжений в направлении y длины стеклянной полосы.
Фиг.3 изображает диаграмму возможного изменения напряжений в вертикальном направлении z в стеклянной полосе.
Фиг.4 - схематичный вид сбоку установки для производства листового стекла.
Фиг.5 - схематичный увеличенный частичный вид в вертикальном разрезе устройства вытягивания в соответствии с настоящим изобретением, содержащего пример установки системы измерения напряжения.
Фиг.6 - схематичный вид сверху устройства, показанного на фиг.5.
Фиг.7 - схема средств измерения и средств контроля устройства вытягивания.
Фиг.8 - схематичный вид в изометрии измерительного оборудования, установленного над стеклянной полосой.
Фиг.9 - схематичный фронтальный вид средства приема и анализа рассеянного света.
x
y
z
На фиг.1 схематично показана стеклянная полоса 1, расположенная в горизонтальной плоскости, которая перемещается в направлении стрелки S, параллельной продольным краям полосы. Горизонтальная пунктирная линия L показывает боковое направление y ширины полосы, перпендикулярное к стрелке S. Направление напряжений в стеклянной полосе можно определять по трем ортогональным направлениям, а именно составляющую σ в направлении x длины полосы, составляющую σ в направлении y ширины и составляющую σ в направлении z толщины. В этих конкретных случаях направление главного напряжения может совпадать с одним из геометрических направлений.
На фиг.2 представлено распределение напряжения, показанное на оси ординат, положительное для растяжения (натяжения) и отрицательное для сжатия, в зависимости от положения точки в направлении y ширины L, показанном на оси абсцисс. Согласно примеру, показанному на фиг.2, продольные края полосы находятся под напряжением сжатия, тогда как промежуточная зона находится под напряжением растяжения.
На фиг.3 показано возможное распределение временного напряжения в толще полосы. Напряжения показаны на оси абсцисс с положительными значениями для напряжений растяжения и отрицательными для напряжений сжатия. Положение рассматриваемой точки стеклянной полосы по толщине показано на оси ординат. Из фиг.3 видно, что верхняя сторона и нижняя сторона полосы находятся под напряжением растяжения, тогда как зона, расположенная на половине толщины, находится под напряжением сжатия.
Указанный вертикальный профиль позволяет, в частности, количественно определить напряжения растяжения или сжатия в каждой точке толщины и, в частности, на уровне обеих поверхностей полосы.
На фиг.4 схематично показана установка для производства листового стекла, содержащая пост Р подготовки и загрузки сырья, плавильно-проварную печь Н, устройство J формования стеклянного листа, устройство К вытягивания и выходную секцию М для разрезания и упаковки стекла.
Устройство К вытягивания содержит различные последовательные зоны, традиционно определяемые следующим образом:
Зона АО - Факультативная входная зона для возможной специальной обработки.
Зона А - Зона предварительной подготовки.
Зона В - Зона закаливания.
Зона С - Зона непрямого охлаждения.
Зона D - Зона умеренного прямого охлаждения.
Зоны Е и F - Зоны конечного прямого охлаждения и последние зоны устройства вытягивания.
В зонах АО, А, В и С контроль за охлаждением стекла осуществляют при помощи радиационных обменов с холодными частями, обычно называемыми теплообменниками, или с нагревательными элементами, тогда как в зонах D, E и F производят конвекционное охлаждение нагнетанием воздуха.
Согласно изобретению, оборудование G бесконтактного измерения напряжений в стеклянной полосе устанавливают по длине устройства вытягивания в характеристических зонах процесса закаливания, например ближе к концу зон медленного охлаждения А, В и С или к концу зон быстрого охлаждения Е и F. Можно также установить несколько приборов измерения в разных характеристических точках по длине устройства вытягивания на уровне зон А, В, С, D, E и F.
Пример выполнения показан на фиг.5 со стеклянной полосой 1, движущейся на транспортировочных роликах 2 внутри камеры 3 устройства К вытягивания, оборудованной системой 4 охлаждения стекла за счет радиации или конвекции. Система 5 измерения напряжения содержит охлаждаемый корпус 6, оборудованный отверстиями для оптической системы 7, причем последняя может быть оборудована устройством термической защиты путем обдувания воздухом или закрывания оптических окон. Все оборудование G измерения напряжения установлено на механическом суппорте 8, установленном на устройстве 9 перемещения и системе 11 ручного или автоматического поперечного перемещения, позволяющей покрывать всю ширину стеклянной полосы. Система позволяет характеризовать профиль вертикального напряжения в толще стекла и профиль мембранного напряжения в любой точке по ширине полосы.
x
y
Факультативное поворотное устройство 10 позволяет ориентировать оптическую систему 7 в направлении, соответствующем ширине полосы, или в направлении, соответствующем длине полосы. Поворот позволяет идентифицировать направление и амплитуду главных напряжений на основании измерений, составляющих σ и σ, и промежуточных составляющих напряжения в стекле.
Измерительное оборудование G содержит излучатель света, который направляет световой луч на стеклянную полосу, и средство приема и анализа света, рассеиваемого в разных направлениях пространства в результате взаимодействия луча со стеклом. Более полное описание измерительного оборудования приводится ниже со ссылками на фиг.8 и 9.
Предпочтительно измерительное оборудование G использует эффект упругого рассеяния света, называемый «рэлеевским рассеянием», или, в качестве варианта, эффект взаимодействия света с фононами, называемый «бриллюэновским рассеянием или комбинационным рассеянием».
Для применения системы измерения рассеянного света в устройстве вытягивания предусмотрены оптические компоненты и средства обработки сигнала. Предпочтительно, чтобы измерительное оборудование содержало комбинацию оптических элементов в одном суппорте ограниченного размера и на одной стороне полосы, что обеспечивает точную и надежную регулировку оптических компонентов. Измерение и анализ рассеянного света можно осуществлять при помощи CCD-камеры. Таким образом, любое изменение относительного положения системы измерения по отношению к полосе может быть обнаружено системой и учтено/использовано путем компьютерной обработки сигнала.
Согласно другой возможности, все оборудование измерения напряжения размещено в суппорте, установленном на устройстве перемещения и на системе ручного или автоматического продольного перемещения, позволяющей покрывать часть или всю длину устройства вытягивания, чтобы измерять уровни напряжения по длине полосы.
Система перемещения может содержать горизонтальную сервоось, оборудованную кареткой, на которой установлено измерительное оборудование.
Возможны и другие варианты осуществления настоящего изобретения, например, в которых:
1. Система измерения напряжений установлена снизу стеклянной полосы.
2. Система измерения содержит оптические излучатель и приемник, установленные с одной стороны стеклянной полосы в двух корпусах и/или в двух отдельных суппортах.
3. Система измерения содержит излучатель, расположенный с одной стороны полосы, и приемник, расположенный с другой стороны.
4. Система измерения содержит излучатель и приемник, установленные с одной стороны полосы, и отражатель, установленный с другой стороны.
5. Система измерения напряжения дополнена системой измерения температуры полосы.
Измерительное оборудование адаптировано к уровню температуры в устройстве вытягивания в той точке, где производится измерение. Например, его устанавливают в охлаждаемой камере, чтобы сохранять все его компоненты на уровнях температуры, совместимых с их работой.
На выходе устройства вытягивания можно установить дополнительное измерительное оборудование.
Информация, выдаваемая измерительным оборудованием, может использоваться операторами установки для ручного регулирования рабочих параметров устройства вытягивания.
x
Согласно другому примеру выполнения, измерения составляющих напряжения, в частности σ и их профилей, в частности в вертикальном и боковом направлении, могут быть отображены для просмотра оператором устройства вытягивания, чтобы он мог подтвердить регулировку распределения нагрева и охлаждения для устройства вытягивания. Можно также регистрировать значения, в частности постоянное напряжение, например, в виде кривых, в частности, для отслеживания качества продукта.
Предпочтительно информация, выдаваемая измерительным оборудованием G, используется системой контроля установки для автоматического регулирования рабочих параметров устройства вытягивания при помощи контура регулирования, в частности, для регулирования нагрева и охлаждения стекла в направлении перемещения полосы и в перпендикулярном к нему направлении.
Предпочтительно контур регулирования может быть дополнен физической моделью закаливания стекла, которая на основании измерений, произведенных в одной секции устройства вытягивания, позволяет производить вычисление заданных значений для разных зон на входе и на выходе секции измерения для нагрева и охлаждения стеклянной полосы на каждом этапе процесса закаливания стекла.
На фиг.7 схематично показаны различные примеры выполнения контура регулирования устройства К вытягивания на основании информации, выдаваемой оборудованием G измерения напряжений.
Для измерения напряжений можно предусмотреть одну или несколько факультативных точек 12 измерения при помощи измерительного оборудования G. Данные из точек измерения направляются в пост 13 обработки, анализа напряжений и управления. Пост 13 направляет команды на блок 14 контроля устройства вытягивания. Этот блок 14 контроля направляет команды в шкаф 15 управления различными приборами, такими как вентиляторы, электрические нагреватели, прибор управления положением вентилей.
Можно предусмотреть блок 16, в котором записана физическая модель закаливания стекла. Данные, поступающие из поста 13 анализа, в этом случае направляются в блок 16 для сравнения с моделью и с выхода команды направляются в блок 14 контроля. Кроме того, блок 16 может принимать результаты от дополнительных средств 17 измерения параметров стеклянной полосы, например температуры.
Анализ напряжений при помощи способа рассеянного света более подробно изложен со ссылками на фиг.8 и 9.
Как правило, луч обычного света, проходящий через образец стекла, не передается на 100% по причине рассеяния в образце. Это рассеяние можно рассматривать как вторичную вибрацию матрицы, возбуждаемую главным лучом. Она выражается в рассеянном свете, который распространяется радиально от главного луча в плоскости y-z, перпендикулярной к направлению x луча. Наблюдение за этим рассеянным светом показывает, что он поляризуется в плоскости y-z в образце без напряжений. Анализ полярности этого рассеянного света позволяет измерить напряжения в образце, так как поле напряжений в стекле меняет поляризацию этого света.
Согласно этому принципу измерения, используют источник не поляризованного света, предпочтительно монохромного, и рассеянный свет поляризуется образцом в зависимости от уровня его напряжения. Часть рассеянного света, которая выходит из стекла, улавливается системой анализа, содержащей анализатор и оптический датчик (CCD-камера или фотоэлектронный умножитель) для измерения поляризации выходящего сигнала.
Этот принцип измерения основан также на анализе рассеянного света во время прохождения светового луча через образец, но с использованием поляризованного света в качестве падающего излучения. Поле напряжений, присутствующее в образце, приводит к изменению поляризации света вдоль его пути в образце. Это приводит к пространственной модуляции силы рассеянного света в зависимости от направления поляризации главного луча. Поскольку диполи матрицы вибрируют параллельно или перпендикулярно по отношению к наблюдателю в плоскости y-z, то только в положениях с поляризацией, перпендикулярной к направлению наблюдения, обеспечивается эффективное излучение рассеянного света в направлении наблюдения. Полученные полосы, наблюдаемые оптическим датчиком (CCD-камера или фотоэлектронный умножитель), непосредственно характеризуют уровень напряжения стекла, так как они соответствуют чередованию поляризации исходного луча. Согласно этому принципу измерения, образец действует как анализатор.
Два принципа анализа А и В позволяют характеризовать напряжение в образце. Однако принцип В чаще используют на образцах в лабораторных условиях, так как он является более простым в применении.
Реализация системы измерения G согласно принципу В описана со ссылками на фиг.8 и 9, и уточняются несколько отличий для системы, разработанной согласно принципу А.
Источник света
В принципе для создания падающего луча поляризованного света можно использовать любой источник света Q (фиг.8) с длинами волны, входящими в диапазон оптического окна стекла. Вместе с тем некоторые критерии позволяют повысить эффективность системы:
источник с короткой длиной волны позволяет использовать большее количество рассеянного света (более выраженный эффект рэлеевского рассеяния);
монохромный лазерный источник позволяет улучшить соотношение сигнал/помеха и избежать явлений дисперсии;
лазерный источник, излучающий почти параллельный пучок небольшого диаметра позволяет упростить оптику фокусирования Ofl (фиг.8), расположенную между источником Q и стеклянной полосой 1;
лазерный источник может непосредственно излучать поляризованный луч;
поляризованный луч модулируют для создания периодического сдвига фазы. Каждая точка измерения в образце меняет интенсивность его рассеянного света в зависимости от периода сдвига. Это позволяет повысить пространственное разрешение измерения.
Источник, адаптированный для принципа А, отличается не поляризованным световым лучом, тогда как он является поляризованным для принципа В.
Детектирование
Оптическая система DT для анализа поляризованного света должна отвечать двум требованиям:
1. Она должна сохранять низкую температуру в горячей окружающей среде устройства вытягивания.
2. Она должна обеспечивать спектральное фильтрование сигнала для устранения теплового излучения.
Термическая защита/фильтрование системы детектирования
Защита оптической системы DT от тепла, присутствующего в устройстве вытягивания, достигается путем размещения всех ее компонентов в камере N (фиг.9), охлаждаемой водой с одновременной обдувкой потоком воздуха или азота, удаляемым через трубку Т прицела.
Фильтрование входящих лучей для исключения теплового излучения осуществляют в несколько последовательных этапов при помощи:
- фильтра FL1 из щелочно-известкового стекла, который устраняет длины волн, превышающие 2,7 мкм;
- фильтра IR “short pass” (фильтра нижних частот) FL2, который отсекает излучение, начиная от длины анализируемой волны (предпочтительно в видимом спектре);
- фильтра “long pass” (фильтра верхних частот) FL3, который позволяет исключать длины волн, меньшие длины анализируемой волны;
- монохромного фильтра FL4 высокой точности (ширина фильтруемой полосы dλ<20 нм), адаптированного для анализируемой длины волны.
Данная последовательность фильтров позволяет исключить большую часть теплового излучения, отрицательно влияющего на точность измерения.
После этого оптика фокусирования Ofl2 фокусирует сигнал на системе J детектирования, то есть на датчике CCD или CMOS высокочувствительной камеры, выполненной с возможностью детектирования света очень низкой силы (повышенная эффективность квантования датчиков, слабый «темновой ток» или “dark current”).
Чувствительность системы J детектирования можно дополнительно повысить за счет техники прерывистости (с использованием делителя или “chopper”) с устранением собственной фоновой помехи системы при помощи оптического делителя или “chooper”, в случае необходимости, комбинированного с пульсирующим источником.
После этого полученный сигнал передают на систему TR обработки для получения картины пространственной модуляции света, излучаемого образцом, и, наконец, поля напряжения в стекле, соответствующего этому распределению света.
Система детектирования для оборудования по принципу А разработана по тем же критериям и содержит ту же последовательность фильтров. Особое внимание уделяется охлаждению фильтров, которое должно быть осесимметричным, чтобы избегать любого появления мембранного напряжения в материале фильтра, которое может изменить поляризацию анализируемого сигнала. Точно так же, качество фильтров играет в данном случае большую роль, чтобы избежать искажения поляризации сигнала, поскольку уровень напряжения характеризуется именно измерением этой поляризации. Для этого по сравнению с оборудованием согласно принципу В добавляют анализатор ANL поляризации (фиг.9). После этого полученный сигнал передается на систему обработки для получения картины распределения поляризованного света, выходящего из образца, и, наконец, поля напряжения в стекле, соответствующего этому распределению поляризованного света.
В наиболее простой конфигурации анализа напряжений при помощи рассеянного света луч проникает через край образца и проходит через него параллельно его поверхности.
Этот способ нельзя применять для закаленного стекла в силу сложности отбора образцов. В этом случае (см. фиг.8) используют следующий вариант: падающий луч i1 проникает в поверхность стекла 1 с наклоном α относительно поверхности стекла. Длина луча в образце зависит от этого угла наклона α, от преломления на поверхности и от толщины образца. При этом стремятся сохранить большую длину луча в стекле, что позволяет сохранять хорошее пространственное разрешение.
Установленная на стекле призма позволила бы получить этот падающий луч под острым углом в стекле. Она позволила бы избежать отражения луча от поверхности стекла и сохранить поляризацию луча в точке входа в образец без разности значений силы между его вертикальной составляющей и его горизонтальной составляющей, что было бы неизбежно при прохождении светового луча через границу раздела между двумя веществами с разными коэффициентами преломления.
Как правило, на движущуюся стеклянную полосу установить призму невозможно, что затрудняет измерение.
x
y
Как показано на фиг.8, падающий луч i1 образует угол α, превышающий 10°, по отношению к поверхности стекла, чтобы ограничить потери от отражения. Затем луч проходит через толщу стекла под углом примерно 40°, что ограничивает длину его пути в стекле. Смещение вертикальных и горизонтальных составляющих поляризованного луча плоскими напряжениями в стекле становится слабым. Использование статичного сигнала становится сложным, так как оно должно учитывать введение вертикальной и горизонтальной составляющей поляризованного луча в стекло, изменение напряжения по толщине, угол «горизонтальной» и «вертикальной» составляющей луча по отношению к плоскому напряжению (σ или σ), ослабление сигнала на его пути до выхода из стекла.
Периодичная модуляция поляризации входящего луча позволяет отказаться от этого сложного использования. Она позволяет определить сдвиг фазы между двумя соседними точками на пути луча и на основании этого вывести среднее напряжение между этими двумя точками. Несмотря на наличие угла при прохождении луча через стекло отмечается хорошее пространственное разрешение измерения профиля в толщине. Интеграция плоского напряжения по толщине создает затем мембранное напряжение в рассматриваемом направлении.
Таким образом, для применения указанной методики в устройстве вытягивания первостепенной задачей является создание чистого сигнала, не возмущенного паразитными лучами. В закрытых секциях устройства вытягивания возмущение окружающим светом исключено по определению. Для открытых секций производят затемнение света, например, при помощи штор.
2
2
2
Следует также принимать во внимание возмущение тепловым излучением в устройстве вытягивания. При температуре 600° на входе устройства вытягивания окружающая среда типа «черного тела» произведет полусферический поток общей энергией в 33 кВт/м. Камера с диаметром оптического раствора в 20 мм может воспринимать, таким образом, поток теплового излучения примерно в 10 Вт по сравнению со значением 0,5 Вт для лазера класса III, используемого в качестве источника. Поэтому важно уменьшить тепловое излучение, откуда и возникает необходимость в фильтровании при помощи описанной выше системы FL1-FL4. На выходе системы фильтрования полученный сигнал имеет спектральную полосу, ограниченную шириной примерно 20 нм. Полусферический поток энергии черного тела при 600° от 500 до 520 нм составляет всего 2,1 мкВт/м и от 400 до 420 нм более 2,5 нВт/м. Часть потока, входящая в оптический раствор камеры, имеет еще меньшее значение. Она соответствует потоку в 0,8 пВт при растворе диаметром 20 мм.
-5
Порядок величины ослабления видимого света в щелочно-известковом стекле составляет 60 дБ/км. Оно зависит от длины волны и от качества стекла. На длине в 1 мм остается всего 6×10дБ/мм. При поляризованном лазерном источнике для луча, входящего в стекло и имеющего мощность 0,1 Вт, потеря количества за счет рэлеевского рассеяния на первом мм составляет 1,4 мкВт. Если предположить, что улавливается 0,1% этого рассеянного света, то система детектирования принимает поток 1,4 нВт. Поскольку это значение в 3 раза превышает 0,8 пВт остаточного потока теплового излучения после фильтрования, то сигнал вполне можно использовать.
x
y
z
x
Оборудование бесконтактного измерения в соответствии с настоящим изобретением позволяет, в частности, измерять все составляющие σ, σ, σ, определять главные напряжения в любой точке листового стекла и идентифицировать, таким образом, критические места и оптимизировать регулирование охлаждения. Разумеется, можно построить два классических профиля, таких как «плоское напряжение, вертикальный профиль» и «мембранное напряжение σ, боковой профиль». В дополнение к известным техническим решениям, эти профили измеряют внутри устройства вытягивания и, таким образом, получают прямое измерение общего и временного напряжения.
Измерительное оборудование обеспечивает измерение составляющих напряжений в разных направлениях для выведения из них ортогональных главных напряжений.
Измерения напряжений, осуществляемые в продольном направлении стеклянной полосы, используют для корректировки распределения нагрева и/или распределения охлаждения по длине полосы.