การอบแก้ว

แรงปฏิสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นบนหน้าตัดหนึ่งหน่วยภายในสารเรียกว่าแรงภายใน แรงภายในของแก้วสามารถแบ่งออกได้เป็นสามประเภทตามสาเหตุต่างๆ ของแรงที่เกิดขึ้น
(1) ความเครียดจากความร้อนในกระจก ความเครียดที่เกิดขึ้นในกระจกอันเนื่องมาจากความแตกต่างของอุณหภูมิเรียกว่า ความเครียดจากความร้อน โดยแบ่งตามลักษณะการมีอยู่ของความเครียดได้เป็น ความเครียดชั่วคราว และความเครียดถาวร
1 ความเครียดชั่วคราว ความเครียดจากความร้อนที่เกิดขึ้นเมื่อกระจกในช่วงอุณหภูมิการเปลี่ยนรูปยืดหยุ่นที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเครียดเกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่ไม่สม่ำเสมอในระหว่างการให้ความร้อนหรือทำความเย็น เรียกว่าความเครียดชั่วคราว ความเครียดนี้เกิดขึ้นเมื่อมีการไล่ระดับอุณหภูมิ และจะหายไปเมื่อการไล่ระดับอุณหภูมิหายไป
2. ความเค้นถาวร ความเค้นจากความร้อนที่ยังคงอยู่ในกระจกหลังจากที่ความต่างระดับอุณหภูมิระหว่างชั้นในและชั้นนอกของกระจกหายไป เรียกว่า ความเค้นถาวร การสร้างความเค้นถาวรในกระจกเป็นผลจากการผ่อนคลายความเค้นภายในช่วงอุณหภูมิความเครียด เพื่อลดการสร้างความเค้นถาวร ควรเลือกอุณหภูมิการอบและอัตราการระบายความร้อนที่เหมาะสมตามองค์ประกอบทางเคมีของกระจกและความหนาของผลิตภัณฑ์ เพื่อให้ค่าความเค้นตกค้างอยู่ภายในช่วงที่อนุญาต
(2) ความเค้นโครงสร้างในกระจก ความเค้นที่เกิดขึ้นในกระจกอันเนื่องมาจากความไม่เรียบของโครงสร้างที่เกิดจากองค์ประกอบทางเคมีที่ไม่สม่ำเสมอ เรียกว่า ความเค้นโครงสร้าง ความเค้นโครงสร้างเป็นความเค้นถาวร ตัวอย่างเช่น ในระหว่างกระบวนการหลอมแก้ว เนื่องจากการหลอมเหลวที่ไม่ดี จึงเกิดข้อบกพร่อง เช่น รอยเส้นและหิน องค์ประกอบทางเคมีของข้อบกพร่องเหล่านี้แตกต่างจากองค์ประกอบทางเคมีของกระจกหลัก และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของข้อบกพร่องเหล่านี้ก็แตกต่างกันด้วย เมื่ออุณหภูมิถึงอุณหภูมิห้อง ชิ้นส่วนที่อยู่ติดกันที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวต่างกันจะหดตัวแตกต่างกัน ทำให้เกิดความเค้นในกระจก ความเค้นที่เกิดจากโครงสร้างโดยธรรมชาติของกระจกนี้ไม่สามารถขจัดออกได้ด้วยการอบอ่อน
(3) ความเครียดทางกลของกระจก ความเครียดทางกลหมายถึงความเครียดที่เกิดจากแรงภายนอกที่กระทำต่อกระจก ความเครียดดังกล่าวเป็นความเครียดชั่วคราว เมื่อแรงภายนอกหมดไป ความเครียดดังกล่าวจะหายไป

การอบแก้วเป็นกระบวนการอบด้วยความร้อนเพื่อลดหรือขจัดความเครียดถาวรที่เกิดขึ้นในแก้วในระหว่างกระบวนการขึ้นรูปหรือกระบวนการให้ความร้อน และปรับปรุงประสิทธิภาพของแก้ว
ตามสาเหตุของการเกิดความเครียดในกระจก การอบแก้วนั้นประกอบด้วยกระบวนการสองอย่างหลักๆ คือ การลดและขจัดความเครียด และการป้องกันการเกิดความเครียดใหม่ กระจกไม่มีจุดหลอมเหลวที่แน่นอน กระจกจะเย็นตัวลงจากอุณหภูมิสูง และเปลี่ยนจากของเหลวเป็นวัสดุแข็งเปราะ ช่วงอุณหภูมินี้เรียกว่าช่วงอุณหภูมิเปลี่ยนผ่าน อุณหภูมิขีดจำกัดบนคืออุณหภูมิที่ทำให้อ่อนตัวลง และอุณหภูมิขีดจำกัดล่างคืออุณหภูมิเปลี่ยนผ่าน ในช่วงอุณหภูมิเปลี่ยนผ่าน อนุภาคในกระจกยังคงเคลื่อนที่ได้ นั่นคือ ที่อุณหภูมิใกล้ถึงอุณหภูมิเปลี่ยนผ่าน การเก็บรักษาความร้อนและการปรับสมดุลสามารถขจัดความเครียดจากความร้อนในกระจกได้ เนื่องจากกระจกเป็นวัตถุหนืดและยืดหยุ่นได้ในเวลานี้ แม้ว่าความเครียดจะคลายตัวลงได้ แต่ก็จะไม่เปลี่ยนรูปลักษณ์ของผลิตภัณฑ์

(1) อุณหภูมิการอบและช่วงอุณหภูมิการอบของแก้ว เพื่อขจัดความเครียดถาวรในแก้ว กระจกจะต้องถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่ต่ำกว่าอุณหภูมิเปลี่ยนผ่านของแก้ว (Tg) เพื่อเก็บรักษาความร้อนและปรับสมดุล เพื่อขจัดการไล่ระดับอุณหภูมิของแต่ละส่วนของแก้วและคลายความเครียด อุณหภูมิการเก็บรักษาความร้อนและปรับสมดุลนี้เรียกว่าอุณหภูมิการอบ อุณหภูมิการอบสูงสุดของแก้วหมายถึงอุณหภูมิที่สามารถขจัดความเครียดได้ 95% หลังจาก 3 นาที ซึ่งเทียบเท่ากับจุดอบ (n-1012Pa·s) เรียกอีกอย่างว่าอุณหภูมิการอบสูงสุด อุณหภูมิการอบต่ำสุดหมายถึงอุณหภูมิที่สามารถขจัดความเครียดได้เพียง 5% หลังจาก 3 นาที เรียกอีกอย่างว่าอุณหภูมิการอบล่าง ช่วงอุณหภูมิตั้งแต่อุณหภูมิการอบสูงสุดไปจนถึงอุณหภูมิการอบต่ำสุดเรียกว่าช่วงอุณหภูมิการอบ โดยทั่วไปช่วงอุณหภูมิการอบจะอยู่ที่ 50~150 องศา อุณหภูมิการอบอ่อนสูงสุดของขวดแก้วคือ 550~600o องศา ในการผลิตจริง อุณหภูมิการอบอ่อนที่ใช้โดยทั่วไปจะต่ำกว่าอุณหภูมิการอบอ่อนสูงสุด 20~30 องศา อุณหภูมิการอบอ่อนต่ำสุดจะต่ำกว่าอุณหภูมิการอบอ่อนสูงสุด 50~150 องศา อุณหภูมิการอบอ่อนของแก้วนั้นสัมพันธ์กับองค์ประกอบทางเคมี องค์ประกอบใดๆ ที่สามารถลดความหนืดของแก้วก็สามารถลดอุณหภูมิการอบอ่อนได้เช่นกัน

(2) กระบวนการอบแก้ว กระบวนการอบแก้วของผลิตภัณฑ์แก้วประกอบด้วย 4 ขั้นตอน ได้แก่ การให้ความร้อน การเก็บรักษาความร้อน การทำความเย็นช้า และการทำความเย็นเร็ว โดยสามารถวาดกราฟความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและเวลาตามความเร็วในการทำความร้อนและทำความเย็น อุณหภูมิการเก็บรักษาความร้อน และเวลาของแต่ละขั้นตอนได้ รูปที่ 2-35 คือกราฟการอบ
ขั้นตอนแรกคือขั้นตอนการให้ความร้อน งานหลักคือการให้ความร้อนแก่ผลิตภัณฑ์จนถึงอุณหภูมิการอบ เมื่อผลิตภัณฑ์แก้วถูกขึ้นรูปและส่งไปยังเตาอบ เนื่องจากอุณหภูมิของผลิตภัณฑ์เองลดลงในระหว่างกระบวนการขึ้นรูปและการขนส่ง อุณหภูมิของผลิตภัณฑ์จึงมักจะต่ำกว่าอุณหภูมิการอบของแก้วเมื่อเข้าสู่เตาอบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีผนังบางบางชนิด ดังนั้น เมื่อผลิตภัณฑ์เข้าสู่เตาอบ ผลิตภัณฑ์จะต้องได้รับความร้อนจนถึงอุณหภูมิการอบที่กำหนดไว้ล่วงหน้า

เมื่อกระจกได้รับความร้อน ชั้นผิวของกระจกจะอยู่ภายใต้แรงกด และชั้นในจะอยู่ภายใต้แรงดึง เนื่องจากความแข็งแรงของกระจกต่อแรงกดนั้นสูงกว่าความแข็งแรงของกระจกประมาณ 10 เท่า ความเร็วในการให้ความร้อนจึงอาจเร็วขึ้นตามไปด้วย อย่างไรก็ตาม ผลรวมของความเค้นชั่วคราวที่เกิดจากการไล่ระดับอุณหภูมิและความเค้นถาวรที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการให้ความร้อนนั้นไม่สามารถมากกว่าขีดจำกัดความแข็งแรงของกระจกได้ มิฉะนั้น กระจกจะแตกหัก ในการผลิตจริง ปัจจัยต่างๆ เช่น ความสม่ำเสมอของความหนาของผลิตภัณฑ์กระจก ขนาดและรูปร่างของผลิตภัณฑ์ และความสม่ำเสมอของการกระจายอุณหภูมิในเตาหลอม จะส่งผลต่อการให้ความร้อนและความเร็วในการให้ความร้อน
การอบทันทีหลังจากขึ้นรูปผลิตภัณฑ์เรียกว่าการอบขั้นต้น และการอบหลังจากที่ผลิตภัณฑ์เย็นตัวลงเรียกว่าการอบขั้นที่สอง การผลิตผลิตภัณฑ์แก้วขวดและกระป๋องจะใช้กรรมวิธีอบขั้นต้นเสมอโดยเข้าเตาอบทันทีหลังจากการขึ้นรูป สำหรับผลิตภัณฑ์บางอย่างที่มีรูปร่างซับซ้อน ความหนาของผนังไม่เท่ากันหรือความหนาของก้นขวดเกิน 8 มม. ห้ามใช้เตาอบครั้งเดียวสำหรับการอบขั้นที่สองโดยเด็ดขาด หากจำเป็นต้องอบซ้ำ จะต้องเลือกเตาอบขั้นที่สองสำหรับการอบ มิฉะนั้น ผลิตภัณฑ์แก้วจะแตก ตัวอย่างเช่น ผลิตภัณฑ์สติกเกอร์พื้นผิวจัดอยู่ในประเภทการอบขั้นที่สอง และใช้เตาเผาเพื่ออบผลิตภัณฑ์สำหรับการอบขั้นที่สอง สำหรับผลิตภัณฑ์บางอย่างที่ต้องผ่านการแปรรูปโดยการอบแห้ง หากความเครียดหลังการอบแห้งมีมากเกินไป จำเป็นต้องอบขั้นที่สองเพื่อขจัดความเครียดดังกล่าวด้วย
ขั้นตอนที่สองคือขั้นตอนการฉนวนซึ่งมีวัตถุประสงค์หลักเพื่อขจัดการไล่ระดับอุณหภูมิที่เกิดจากการให้ความร้อนอย่างรวดเร็วและขจัดความเครียดภายในที่เป็นธรรมชาติในผลิตภัณฑ์ ทำให้ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างอุณหภูมิพื้นผิวและชั้นในของผลิตภัณฑ์หายไป ในขั้นตอนนี้จะต้องกำหนดอุณหภูมิการอบก่อนตามด้วยเวลาฉนวน โดยทั่วไปอุณหภูมิการอบจะต่ำกว่าขีดจำกัดบนของอุณหภูมิการอบ 20~30 องศา นอกเหนือจากการวัดโดยตรงแล้วยังสามารถคำนวณอุณหภูมิที่ความหนืด 1012Pa·s ได้โดยอิงจากองค์ประกอบของแก้ว เมื่อกำหนดอุณหภูมิการอบแล้วสามารถคำนวณเวลาฉนวนได้ตาม 70a2~120a2 หรือตามค่าความเครียดที่อนุญาต
โดยทั่วไป สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีผนังหนา เวลาอุณหภูมิควรนานกว่า เพื่อให้ความเครียดในผลิตภัณฑ์ผ่อนคลายได้เต็มที่ มิฉะนั้น ผลิตภัณฑ์จะยังคงมีความเครียดภายในในปริมาณมาก สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีผนังบาง เวลาอุณหภูมิอาจสั้นลงได้ตามความเหมาะสม
ขั้นตอนที่สามคือขั้นตอนการทำให้ผลิตภัณฑ์เย็นลงอย่างช้าๆ ในเตาเผา หลังจากช่วงระยะเวลาหนึ่งของการรักษาความร้อนที่อุณหภูมิการอบ ความเครียดเดิมของผลิตภัณฑ์ก็ถูกกำจัดออกไป เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความเครียดถาวรหลังจากการทำให้เย็นลง หรือเพื่อลดความเครียดให้เหลือช่วงความเครียดที่ผลิตภัณฑ์ต้องการ จำเป็นต้องทำให้เย็นลงอย่างช้าๆ หลังจากการปรับสมดุลเพื่อป้องกันการเกิดความเครียดถาวร
ขั้นตอนที่สี่คือขั้นตอนการทำความเย็นอย่างรวดเร็วของกระจก อุณหภูมิเริ่มต้นของการทำความเย็นอย่างรวดเร็วจะต้องต่ำกว่าจุดเครียดของกระจก เนื่องจากโครงสร้างของกระจกจะคงที่อยู่ต่ำกว่าจุดเครียดอย่างสมบูรณ์ ถึงแม้ว่าอุณหภูมิจะเกิดการไล่ระดับในเวลานี้ แต่ก็จะไม่เกิดความเครียดถาวร ในขั้นตอนทำความเย็นอย่างรวดเร็ว จะเกิดความเครียดชั่วคราวเท่านั้น ภายใต้สมมติฐานที่ว่าต้องมั่นใจว่าผลิตภัณฑ์กระจกจะไม่แตกเนื่องจากความเครียดชั่วคราว จึงสามารถทำความเย็นได้โดยเร็วที่สุด
ในการผลิตจริง จะใช้ค่าอัตราการระบายความร้อนที่ต่ำกว่า สำหรับกระจกทั่วไป จะใช้ค่านี้ 15%~20% และสำหรับกระจกออปติก จะใช้ค่านี้น้อยกว่า 5%
เวลาอบรวมของผลิตภัณฑ์แก้วคือผลรวมของการให้ความร้อน การเก็บความร้อน การทำความเย็นช้า และเวลาทำความเย็นเร็ว อัตราการอบของแต่ละขั้นตอนจะต้องจำกัดอยู่ที่ค่าความเค้นที่อนุญาตซึ่งผลิตภัณฑ์สามารถทนทานได้ ขั้นแรก ให้กำหนดเส้นโค้งการอบที่เหมาะสมที่สุดโดยการคำนวณ และมักจะปรับค่านี้ในการปฏิบัติการผลิต สำหรับขวดแก้ว! ระบบการอบจะแสดงในตาราง 2-34

(3) ประเด็นที่ควรทราบเมื่อกำหนดสูตรระบบอบอ่อน อุณหภูมิการอบอ่อนของขวดแก้วควรตั้งขึ้นตามขนาดผลิตภัณฑ์ น้ำหนัก ส่วนประกอบของแก้ว อุณหภูมิเตาเผาผลิตภัณฑ์ และลักษณะโครงสร้างของเตาเผาแต่ละเตา ในเวลาเดียวกัน ควรพิจารณาประเด็นต่อไปนี้ด้วย
① อิทธิพลของความแตกต่างของอุณหภูมิในเตาเผา แม้จะมีมาตรการทางเทคนิคมากมาย แต่การกระจายของอุณหภูมิในหน้าตัดของเตาเผายังคงไม่สม่ำเสมอ ซึ่งทำให้อุณหภูมิของผลิตภัณฑ์ไม่สม่ำเสมอ ดังนั้น เมื่อกำหนดสูตรระบบอบ ควรขยายเวลาฉนวนให้เหมาะสม และอัตราการทำความเย็นแบบช้าควรต่ำกว่าอัตราการทำความเย็นที่สอดคล้องกับค่าความเค้นถาวรที่อนุญาตจริง โดยทั่วไปจะใช้ค่าความเค้นที่อนุญาตครึ่งหนึ่งในการคำนวณ การกำหนดอัตราการให้ความร้อนและอัตราการทำความเย็นแบบเร็วควรพิจารณาอิทธิพลของความแตกต่างของอุณหภูมิในเตาเผาด้วย
เมื่อผลิตภัณฑ์ไม่จำเป็นต้องพ่นเย็น ระยะห่างระหว่างขวดในห่วงโซ่เตาเผาควรใกล้กันมากที่สุดโดยไม่กระทบต่อรอบความร้อนและรอบความร้อนลมในเตาเผา โดยทั่วไป 15~20 มม. ถือว่าเหมาะสม นอกจากนี้ ควรพิจารณาความสูงและรูปร่างของขวดด้วย หากขวดสูงกว่า สามารถใช้ขีดจำกัดบนของระยะห่างได้ และหากขวดสั้นกว่า สามารถใช้ขีดจำกัดล่างได้ เมื่อผลิตภัณฑ์ต้องการการพ่นเย็น ระยะห่างของขวดควรขึ้นอยู่กับการพ่นเย็นที่ปลายขวดเพื่อให้สามารถพ่นได้สม่ำเสมอบนตัวขวด
③ ปัญหาการอบของผลิตภัณฑ์ที่มีผนังหนาและรูปร่างที่ซับซ้อน ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างชั้นในและชั้นนอกของผลิตภัณฑ์ที่มีผนังหนานั้นมีขนาดใหญ่ ดังนั้นภายในช่วงอุณหภูมิการอบ ควรขยายเวลาฉนวนของผลิตภัณฑ์ที่มีผนังหนาให้เหมาะสม เพื่อให้อุณหภูมิของชั้นในและชั้นนอกของผลิตภัณฑ์มีความสม่ำเสมอ แต่จะต้องชะลออัตราการทำความเย็นให้ช้าลงตามลำดับ และควรขยายเวลาการอบทั้งหมด ควรสังเกตว่าการขยายเวลาฉนวนของผลิตภัณฑ์ที่มีผนังหนานั้นไม่ได้เป็นสัดส่วนกับความหนาของผลิตภัณฑ์ เนื่องจากภาระจะมากขึ้นหลังจากความหนาเพิ่มขึ้น หากผลิตภัณฑ์ถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิที่สูงขึ้นเป็นเวลานาน ผลิตภัณฑ์ก็จะเสียรูปได้ง่าย ผลิตภัณฑ์ที่มีรูปร่างที่ซับซ้อนมีแนวโน้มที่จะเกิดความเค้นสะสม ดังนั้นควรใช้อุณหภูมิฉนวนที่ค่อนข้างต่ำ เช่น ผลิตภัณฑ์ที่มีผนังหนา และควรขยายเวลาฉนวนให้เหมาะสม ทั้งอัตราการให้ความร้อนและทำความเย็นควรช้า
④ ปัญหาการอบอ่อนของผลิตภัณฑ์ประเภทต่างๆ ในเตาเดียวกัน เมื่อผลิตภัณฑ์ที่มีองค์ประกอบทางเคมีเดียวกันและความหนาต่างกันถูกอบอ่อนในเตาเดียวกัน อุณหภูมิการอบอ่อนควรถูกกำหนดตามผลิตภัณฑ์ที่มีความหนาของผนังน้อยที่สุดเพื่อหลีกเลี่ยงการเสียรูปของผลิตภัณฑ์ที่บาง อย่างไรก็ตาม ควรขยายเวลาฉนวนให้เหมาะสม และอัตราการให้ความร้อนและความเย็นควรถูกกำหนดตามผลิตภัณฑ์ที่มีความหนาของผนังมากที่สุด เพื่อให้แน่ใจว่าผลิตภัณฑ์ที่มีผนังหนาจะไม่แตกหักเนื่องจากความเครียดจากความร้อน
เมื่อผลิตภัณฑ์ที่มีองค์ประกอบทางเคมีต่างกันถูกอบในเตาอบเดียวกัน ควรเลือกผลิตภัณฑ์แก้วที่มีอุณหภูมิการอบต่ำสุดเป็นอุณหภูมิฉนวน ในขณะเดียวกัน ควรขยายเวลาฉนวนออกไปเพื่อให้ผลิตภัณฑ์ที่มีอุณหภูมิการอบต่างกันสามารถอบได้ดี
⑤ อิทธิพลของความเค้นโดยธรรมชาติของผลิตภัณฑ์ เมื่อทำการให้ความร้อนอย่างรวดเร็ว นอกเหนือจากการคำนวณความเค้นชั่วคราวตามความแตกต่างของอุณหภูมิแล้ว ควรประมาณอิทธิพลของความเค้นโดยธรรมชาติด้วย