11.2. Оборудование для формования листового строительного стекла

Производство строительного стекла методом вытяги­вания осуществляется листоформовочными машинами ВВС. Эти машины устанавливают над подмашинными камерами стекловарен­ных печей. У одной стекловаренной печи в зависимости от произ­водительности может быть установлено различное число листоформовочных машин. Производительность установки с девятью ма­шинами ВВС достигает 250 т/сут сваренной стекломассы.

Производительность машин ВВС по количеству вытянутой стекломассы зависит от химико-физических свойств стекломассы, интенсивности охлаждения луковицы и ленты стекла в подмашинной камере, глубины погружения лодочки в стекломассу, ширину щели лодочки, температуры стекломассы в машинном канале, скорости оттягивания ленты стекла валиками машины ВВС.

При лодочном способе лента стекла вытягивается в специаль­ных подмашинных камерах, сообщающихся с ванной печью и от­деленным от нее горизонтальным мостом 2 (рис. 11.4) из огнеупора, погруженного на 50—120 мм нижней частью в стекломассу. Ос­новное назначение моста — воспрепятствовать прямому поступ­лению на выработку поверхностных, обычно более загрязненных и термически менее однородных потоков стекломассы.

В торцовой стене подмашинной камеры 9 расположены газо­вые каналы 11 для разогрева и поддержания заданных темпера­тур в стене, что обеспечивает возможность создания и регули­рования автономного температурного режима в камере. Внутри подмашинная камера облицована шамотными плитами, в которых оставлено по два отверстия для нажимных штанг 10 механизма уп­равления лодочкой 1.

Состояние поверхностей стеклоформующей лодочки (рис. 11.5) во многом определяет качество поверхностей стекла, поэтому к ка­честву изготовления лодочки предъявляются повышенные тре­бования. Размеры лодочки зависят от ширины вытягиваемой ленты стекла. Длина щели, как правило, на 300—380 мм больше полезной ширины ленты (без бортов).

Для интенсивного охлаждения луковицы и ленты стекла в процессе формования применяют специальные холодильники 3 (см. рис. 11.4), представляющие собой металлические полые эк­раны, через которые пропускается вода для охлаждения. Их устанавливают с обеих сторон ленты на расстоянии 40—50 мм от нее и на высоте 30—40 мм от верхней кромки щели. Поверхности холодильников охлаждаются проточной водой, расход которой составляет 5—8 м²/ч.

Для отбрасывания осколков стекла, которые могут падать из шахты 5 машины ВВС в подмашинную камеру, установлены скаты 7, а в соединительном звене, разделяющем камеру и машину ВВС, установлены угольники 4.

Над подмашинной камерой строго по ее оси установлена машина вертикального вытягивания стекла, которая представляет собой вертикальную шахту-печь, в которой происходит вытяги­вание ленты стекла с одновременными отжигом и охлаждением. Степень охлаждения можно регулировать открытием люков 8 шахты. Чтобы лента стекла под действием сил поверхностного на­тяжения не сужалась по ширине, ее борта захватываются специаль­ными приспособлениями — бортодержателями.

Поднятая с помощью валиков 6 лента стекла заходит в про­межуток между парными асбестированными валиками машины ВВС, которые, сближаясь, соприкасаются с поверхностью ленты. Валики 6 смонтированы в чугунном корпусе. В шахте вертикаль­ного вытягивания лента стекла поднимается с помощью парных роликов по определенному заданному режиму — сначала мед­ленно, затем быстро.

Шахта 5 (рис. 11.6) машины ВВС состоит из шести секций, соединенных одна е другой. Три нижние секции выполнены из боковых и лобовых стенок, отлитых из жаростойкого чугуна и скрепленных болтами. Верхние три секции с боковых сторон от­крыты. По вертикальной оси шахты расположены 13—31 пара тянущих валиков 7 для транспортирования кверху ленты стекла. Большое число пар валиков необходимо для того, чтобы при подъ­еме ленты стекла каждая пара оказывала меньшее давление на ленту, а также для того, чтобы при растрескивании ленты ее кон­такт с валиками предотвратил ее обрыв.

В зоне ответственного отжига внутренние поверхности сек­ций покрыты теплоизоляционными материалами: боковые стенки - асбестовым картоном, а лобовые стенки — перлитно-цементными плитами. В боковых стенках нижних секций устроены люки с крышками, открывающимися на петлях кверху, а в торцовых стенках — окна с задвижками. Люки и окна служат для наблюде­ния за ходом ленты стекла, устранения замеченных дефектов в процессе вытягивания, удаления боя стекла, а также для ре­гулирования температурного режима отжига.

Внутри шахты под четными парами валиков укреплены скаты для стеклобоя, представляющие собой наклонные плоскости из листовой стали. Скаты служат как для поддержания заданного температурного режима в шахте, так и для отвода падающих кусков стеклобоя к люкам шахты и последующего их удаления из шахты. Под шахтой 5 установлены два короба 9 из жаростойкой стали для улавливания стеклобоя при отрыве ленты. По высоте шахты располагаются две-три площадки для обслуживания ма­шины.

Машина установлена на двух балках, которые опираются на металлические колонны. Опорными деталями служат чугунные кронштейны б. Точность установки машины по вертикали регули­руется специальными приспособлениями. В нижней части машины на кронштейнах укреплен нажимной механизм 8 для регулиро­вания глубины погружения лодочки.

Заданный температурный режим в шахте поддерживается системой 2 газового обогрева и системой 1 охлаждения ленты воздухом, подаваемым вентилятором.

Асбестовые валики служат для вытягивания вверх ленты стекла. Валики (рис. 11.7) состоят из осей 1 и стальных труб с вваренными в концы труб «коротышами». На трубы осей плотно напрессованы и стянуты гайками 2 асбестовые диски. Обтачива­нием и шлифованием на токарном станке асбестовым валикам при­дается правильная цилиндрическая форма и гладкая поверхность по всей рабочей длине. Отклонения диаметров, имеющих контакт с вытягиваемой лентой стекла рабочей поверхности отдельных валиков, не должны превышать 0,1 мм. С краев асбестовые ва­лики обрабатываются на конус для пропуска утолщенных бортов ленты стекла и горячих газов из подмашинной камеры.

В каждой паре один из валиков вращается в подшипниках в неподвижно закрепленных корпусах 3, смонтированных в тор­цовых стенках секций, а второй валик — в подвижных корпусах 4 подшипников, вмонтированных в грузовые рычаги 5, благодаря чему второй валик имеет возможность отодвигаться от первого. Это позволяет вытягивать ленту необходимой толщины и пропус­кать стекло с местными утолщениями. Давление валиков на ленту можно регулировать перемещением грузов по рычагам.

Валики получают вращение от одного электродвигателя через систему карданных валов, червячных и цилиндрических или ко­нических и цилиндрических передач (рис. 11.8). Исполнение пере­дач обеспечивает зацепление и вращение каждой пары валиков даже при отключении подвижных валиков.

Привод машины осуществляется от электродвигателя 1 по­стоянного тока с плавным регулированием частоты вращения в ши­роком диапазоне. Необходимость регулирования вызывается тем, что при пуске машина должна работать на очень малых скоростях. Ленту различной толщины тянут с разными скоростями и чем толще лента стекла, тем меньше должна быть скорость протяжки. Через червячный редуктор 2, шестерня которого закреплена на вертикальном валу 3, приводятся во вращение валики. Вертикаль­ный вал состоит из отдельных частей, соединяемых муфтами 4. Каждая часть вала входит в состав отдельных червячных редукто­ров 5, которые состоят из червяка и двух колес. Колеса через кар­данные валы 6 приводят во вращение соответствующую пару тя­нущих валиков. Вращение первой и второй паре валиков пере­дается от валиков третьей и четвертой пары через цепную пере­дачу 7.В состав подмашинной камеры входят бортовые чаши 4 (см. рис. 11.6), которые формуют борт ленты стекла. Они располагаются на высоте 50—80 мм над уровнем стекломассы и имеют радиальный вырез, в который входит край луковицы, образую­щий основание борта ленты. Чаши, срезая кромкой выреза из­лишний объем подтягиваемой стекломассы, подают к расположен­ным над ними бортоформующим роликам 3 частично уже от­формованный борт. Бортоформующие ролики служат для формо­вания бортов у ленты стекла, а также для удержания ленты от сужения.

У краев луковицы стекломасса более вязкая, поэтому лента у бортов склонна приобретать большую толщину, чем в середине. Бортоформующие ролики вращаются со скоростью, составляющей

30—40 % скорости лен­ты. В результате тор­мозящего воздействия роликов края ленты приобретают необходи­мое натяжение.

Рис. 11.6. Машина вертикального вытягивания стекла

Рис.11.7. Асбестовые валики

Рис. 11.8. Кинематическая схема машины ВВС-3А

Расчет мощности ма­шины ВВС. Машина ВВС работает по ло­дочному способу и из­готовляет строительное стекло толщиной 2 мм; скорость вытягивания принимаем 120 м/ч; ширина ленты 3000 мм. Длину ленты стекла принимаем с учетом расстояния между нижней и верхней парами асбестовых валиков (4750 мм) плюс рас­стояние от зеркала стекломассы до первой пары валиков (1500 мм). Следовательно, асбестовые валики должны удержать и под­нять ленту общей длиной (высотой) 7250 мм и, принимая удельный вес стекла  = 25 Н/см³, получим вес вытягиваемой ленты

Q = 725 ∙ 300 ∙ 0.2 ∙ 2.5/1000 = 1090 H

Для вытягивания стекломассы через щель лодочки необходимо приложить усилия, которые должны быть достаточны для оття­гивания ленты от стекломассы. По опытным данным для этого при поперечном сечении ленты 60 см² требуется усилие, равное 1200 Н.

Поднятие ленты стекла осуществляется за счет сил трения между вращающимися валиками и стеклом. Общее тяговое уси­лие должно быть равно весу ленты плюс усилие для оттягивания ленты:

Т = 1090 + 1200 = 2290 Н

Для обеспечения надежности работы машины примем, что одно­временно в работе вытягивания участвуют 13 пар валиков. Та­ким образом, каждая пара валиков должна дать подъемную силу Т₁ = 229 Н. При вращении асбестовых валиков на ленту стекла действуют следующие силы (рис. 11.9): сила F = 229 Н, сила Р давления валиков, направленная перпендикулярно к поверхно­сти стекла, и касательные силы Pf (силы трения).

Для работы машины необходимо соблюдение условия

Pf + Pf ►F; Р = QL/l, (11.1)

где Q – вес груза.

Из формулы (11.1) получаем

Р = F/(2f) (11.2)

Рис. 11.9. Схема к расчету машины ВВС

Принимая коэффициент трения между стеклом и асбестовыми валиками f = 0,3, получаем

Р = 229/0,6 = 382 Н

Крутящий момент для одного асбестового валика при его диаметре D = 0,18 м

М_кр = Pf DJ2 = 10,3 Н∙м. (11.3)

Для преодоления сопротивлений, возникающих при обкаты­вании валиков по стеклу и в цапфе, потребуется дополнительный момент

_{__________}

М_в = μР + μ₁r√P² + G² (11.4)

где μ — коэффициент трения качения, μ = 0,0005 м; μ₁ — приведенный коэф­фициент трения для роликоподшипников (0,01); r — радиус цапфы, r = 0,0225 м; G — вес валика, G = 2400 Н.

Отсюда

_{­______________}

М_в = 0,0005 ∙ 382 + 0,01 ∙ 0,0225 √382² + 240² = 0,738 Н∙м

Суммарный момент для десяти валиков

М_сум = (М_кр + М _в) 10 = 1 10,4 Н ∙ м.

В данной формуле не учитывается момент, затрачиваемый на холостой ход трех пар валиков вследствие незначительной его величины.

Мощность, необходимая для вращения валиков:

N_B = M_сумω (11.5)

Угловая скорость, валика при скорости вытягивания u = 120 м/ч и диаметре валика D = 0,18 м

ω = 2u/D = 0,37 с^-1

Таким образом

N_Д = 110,4 ∙ 0,37 = 40,9 Вт.

Необходимая мощность электродвигателя

N_Д = N_В/η (11.6)

Общий КПД машины

η = η₁ η₂ η₃ η₄ η₅ η₆ (11.7)

где η₁ — коэффициент, учитывающий потери на трение в шарнирной передаче, η₁ = 0,96; η₂ — то же, в цилиндрической передаче (передается половина мощ­ности) между шарнирными валами, η₂ = 0,98; η₃ — то же, для конических пар: вертикальный вал — валики η₃ = 0,96; η₄ — то же, в подшипниках вертикаль­ного вала, η₄ = 0,90; η₅— то же, в конической зубчатой паре: редуктор — верти­кальный вал, η₆ = 0,96; η₇ — КПД редуктора, η₇ = 0,85.

Общий КПД η = 0,632.

Следовательно,

N_Д = 40,9/0,632 = 64,6 Вт = 0,065 кВт.

Рис. 11.10. Схема устройства для формования ленты стекла способом непрерывного проката

Если вытягивать ленту стекла толщиной, например, 20 мм, то скорость вытягивания должна быть снижена до 8 м/ч, т. е. в 15 раз. В таком случае, выполнив расчеты аналогично изложенному, получим мощность электродвигателя N_Д = 0,004 кВт.

Прокатная машина (рис. 11.10) для производства листового стекла имеет прокатные вальцы 2 и 3 из жаростойкой стали, из­готовленные пустотелыми для охлаждения проточной водой. Вальцы между собой и с ведущим валом соединены цепной пере­дачей с четырьмя роликовыми цепями.

Высоту слоя стекломассы, поступающей из печи к машине» регулируют подъемным шибером 11. Равномерность температуры стекломассы обеспечивают газовые горелки 13, помещенные над краевыми зонами сливного порога. Стекломасса 9 по сливному брусу 10 и сливной линейки 8, расположенной между сливным брусом и нижним прокатным вальцом 2, поступает сначала на чугунную приемную плиту 1, охлаждаемую изнутри водой, а за­тем на приемный наклонный роликовый конвейер 18 и далее в печь отжига.

Рис. 11.11. Схема формования ленты стекла флоат-способом

Для регулирования зазора между вальцами и, соответственно, толщины вырабатываемой ленты стекла подшипники верхнего вальца 3 установлены в направляющих стойки 5, в которых верх­ний вал может перемещаться в пределах 4—25 мм. Для точной установки подшипники посажены на специальные клинья, ко­торые можно перемещать перпендикулярно к оси наклона валь­цов с помощью регулирующего приспособления 7. Подшипники нижнего вальца установлены в станине 4 неподвижно. Устрой­ства, расположенные на стойках станины и имеющие шкалы с но­ниусом, обеспечивают параллельность.

Необходимое давление на прокатываемую ленту со стороны верхнего вальца обеспечивается с помощью пружин, действую­щих на подшипники вальца через регулировочные винты 6.

Для нормального процесса прокатывания необходимо неко­торое натяжение ленты, которое создается путем увеличения ча­стоты вращения роликов по сравнению о частотой вращения про­катных вальцов.

Привод машина обеспечивается электродвигателем постоян­ного тока через шестеренный и червячный редукторы.

Для компенсации температурной усадки, имеющей максималь­ное значение в центре ленты, диаметр верхнего вальца посередине делают на 0,3—0,4 мм меньше, чем у концов, что позволяет полу­чить ленту стекла равномерной толщины по всей ширине.

Для установки машины по высоте относительно плоскости сливного бруса предусмотрены регулировочные винты. Машина смонтирована на тележке 14, что позволяет при необходимости откатить ее от печи по рельсам 15, проложенным поперек направ­лению движения ленты стекла. Все узлы прокатной машины смон­тированы на сваренной из швеллерных балок раме 16 тележки. Колеса тележки со стороны, обращенной к печи, выполнены с двумя ребордами, охватывающими рельс, по которому они движутся. Это позволяет фиксировать положение машины относительно торца сливного порога ванной печи. Колеса с другой стороны тележки реборд не имеют. При формовании ленты стекла флоат-способом (рис. 11.11) из выработочной части ванной печи стекломасса 2 по узкому и мелкому каналу 1 поступает на наклонный сливной лоток 3. Сливной лоток расположен несколько выше поверхности расплав­ленного олова 6 в ванне 4, и стекломасса затекает под лоток, образуя лужу, из которой формуется лента стекла. При этом ниж­ние слои расплава, контактировавшие с поверхностью лотка, по­ступают на образование бортов, а само полотно ленты формуется только из верхних слоев расплава, не соприкасавшихся с мате­риалом лотка.

В начале ванны толщина слоя стекла составляет 20—25 мм. На расстоянии от лотка порядка 4,5 м стекломасса перестает растекаться. Здесь лента достигает так называемой равновесной толщины — приблизительно 6 мм, ниже которой скорость расте­кания резко снижается. В этой зоне ванной стекломасса охлаж­дается до 1273—1323 К. Для получения ленты толщиной менее 6 мм ее необходимо принудительно растягивать.

Бортоудерживающие ролики 9 обеспечивают необходимое ра­стяжение ленты в ширину. Графитовые ограничители 10, установ­ленные при выходе ленты из ванны, ограничивают растекание стекломассы при выработке стекол толщиной больше равновесной. При этом перед поступлением в зону ограничителей стекломассу слегка охлаждают установленными под ней водяными холодиль­никами 8.

Флоат-ванна облицована огнеупорным материалом и заключена в металлический кожух. По длине ванна разделена перегород­ками на три части, в каждой из которых соблюдается свой тепло­вой и газовый режимы. При производстве стекла толщиной менее 3 мм перегородки в флоат-ванне отсутствуют и температура стекла равномерно понижается по длине ванны.

Для защиты олова от окисления и предотвращения образова­ния пленки оксида олова на нижней поверхности ленты под свод ванны непрерывно подают смесь азота и водорода. Защитная атмосфера создает небольшое избыточное давление в полости ванны и удаляется в конце ванны. Под сводом 7 ванны и внутри слоя олова установлены электрические нагреватели 5, с помощью которых поддерживается необходимый температурный режим.

После флоат-ванны размещено роликовое устройство, которое оттягивает ленту 11 из ванны и передает ее в печь 12 отжига.