Bước tới nội dung

Kính nổi

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
(Đổi hướng từ Kính tấm)
Tập tin:Soda-lime window, not by float glass process.jpg
Kính nổi hay kính tấm được lắp đặt cho cửa sổ

Kính nổi (Float glass) hay Kính tấm là một tấm thủy tinh được chế tạo bằng phương pháp đổ tràn thủy tinh nóng chảy cho nổi lơ lửng trên một bề mặt của bể kim loại nóng chảy có điểm nóng chảy thấp, điển hình là chất liệu thiếc,[1] dẫu cho tronng quá khứ thì loại chất liệu chì cũng từng được đưa vào sử dụng trong quy trình đúc thủy tinh này.[2] Phương pháp kỹ nghệ này tạo cho tấm kính thành phẩm một độ dày đồng đều hoàn hảo cùng một bề mặt bên ngoài phẳng phiu tăm tắp.[3] Quy trình kính nổi cũng được biết đến dưới tên gọi Quy trình Pilkington được đặt theo tên của tập đoàn sản xuất thủy tinh Anh là Pilkington,[4] đây là đơn vị đã tiên phong nghiên cứu hoàn thiện kỹ thuật này vào thập niên 1950 tại cơ sở nhà máy sản xuất của họ ở vùng St Helens, Merseyside.[5][6] Hệ thống các ô cửa sổ hiện đại ngày nay thông thường đều được sản xuất chế tạo từ vật liệu kính nổi,[7] dẫu cho tập đoàn Corning Incorporated lại khai thác phương pháp kéo xuống tràn dòng (overflow downdraw method).[8] Phần lớn sản lượng kính nổi thuộc chủng loại thủy tinh soda-vôi,[9] dẫu cho một khối lượng quy mô nhỏ hơn tương đối của các loại kính đặc chủng chất liệu thủy tinh borosilicate[10] và loại kính dùng màn hình hiển thị tấm phẳng cũng được sản xuất đắc lực bằng việc ứng dụng quy trình kính nổi này.

Lịch sử

Cho đến trước thế kỷ XVI, các loại kính cửa sổ hay thủy tinh tấm phẳng nhìn chung được gọt cắt rạch ròi từ các đĩa thủy tinh lớn (rondels) của chủng loại thủy tinh vương miện (crown glass). Những tấm kính sở hữu dung lượng kích thước lớn hơn được chế tác bằng việc thổi các ống xi lanh trụ tròn lớn, vật phẩm sau đó được cắt dọc hở ra ngoài và tiến hành cán phẳng lỳ, rồi thực hiện khâu cắt gọt thành các ô kính tiêu chuẩn. Hầu hết kính cửa sổ vào đầu thế kỷ XIX đều được sản xuất thông qua phương pháp thổi hình trụ. Những ống xi lanh này sở hữu chiều dài từ 1,8 đến 2,4 mét cùng đường kính từ 25 đến 35 cm là giới hạn biên độ chiều rộng mà các ô kính hoàn toàn có thể được cắt gọt, để lại hệ quả là các ô cửa sổ bắt buộc phải bị phân chia bởi các thanh thanh dọc thành các tấm panel hình chữ nhật đứng.[6] Những bước tiến tiến bộ vượt bậc đầu tiên trong khâu tự động hóa quy trình chế tạo thủy tinh đã được đăng ký cấp bằng sáng chế vào năm 1848 bởi nhà sáng chế Henry Bessemer.[11]

Hệ thống thiết bị của ông sản xuất ra một dải ruy băng liên tục của thủy tinh tấm phẳng bằng cách định hình dải thủy tinh chạy xuyên qua giữa các trục cán cơ khí. Đây chính là một dòng quy trình vô cùng tốn kém chi phí tài chính, bởi vì cả hai bề mặt của khối thủy tinh bắt buộc phải trải qua công đoạn đánh bóng cơ học. Nếu khối thủy tinh hoàn toàn có khả năng được định vị đặt định ngay trên một bề mặt vật thể phẳng lì, mịn màng tuyệt đối, tiêu biểu như lớp bề mặt ngoài hở của một bể chất lỏng nằm yên tĩnh, bước đi chiến lược này sẽ cắt giảm một cách khổng lồ các khoản chi phí phụ trội. Hàng loạt cuộc thử nghiệm thực nghiệm đã được triển khai, bao bọc cả những công trình của Bessemer, nhằm mục đích tạo hình thủy tinh tấm phẳng ngay trên một bể thiếc nóng chảy, một trong số ít các chất lỏng sở hữu tỷ trọng lớn hơn thủy tinh và duy trì trạng thái lặng sóng hoàn hảo ngay tại mức nhiệt độ cực hạn bắt buộc để chế tạo thủy tinh mà nổi bật nhất là các dự án tại Mỹ. Hàng loạt bằng sáng chế đã được chính thức phê duyệt,[12] nhưng dòng quy trình kỹ nghệ này vẫn mang đặc tính phi thực tiễn bất khả thi vào thời điểm lịch sử đó.

Trước thời kỳ nghiên cứu phát triển thành công vật liệu kính nổi, các tấm kính cán khổ lớn ngoại cở được chế tạo bằng cách đổ một vũng thủy tinh khổng lồ trực tiếp lên một bề mặt chất liệu sắt, và sau đó tiến hành công tác mài cạnh đánh bóng toàn diện cả hai bề mặt ngoài, một quy trình vô cùng tiêu tốn chi phí. Kể từ đầu thập niên 1920, một dải ruy băng liên tục của thủy tinh tấm phẳng được dịch chuyển điều phối chạy xuyên suốt qua một dãy dài hệ thống các máy mài và máy đánh bóng thẳng hàng hàng lối, giúp cắt giảm sụt giảm tối đa lượng thủy tinh hao hụt cùng chi phí sản xuất sản xuất.[13] Chủng loại thủy tinh sở hữu cấp độ chất lượng thấp hơn, thủy tinh kéo hoặc thủy tinh tấm thổi rộng (broad sheet glass), được chế tạo bằng cách kéo căng hướng lên trên từ một bể thủy tinh nóng chảy để định hình một tấm mỏng, được gá kẹp định vị chặt chẽ tại các phần gờ biên nhờ hệ thống các trục cán dẫn hướng. Khi khối chất lỏng hạ nhiệt độ, tấm kính tịnh tiến đi lên sẽ tự động đông cứng đóng rắn lại và hoàn toàn có thể được cắt gọt cắt đoạn rạch ròi. Cả hai bề mặt ngoại thất của thành phẩm thu được gánh chịu chất lượng kém hơn, nghĩa là tuyệt đối không thể đạt tới mức độ mịn hay đồng đều phẳng giống như kết cấu của kính nổi. Quy trình kỹ nghệ cổ xưa này vẫn tiếp tục duy trì dòng chảy vận hành dịch vụ thực tế xuyên suốt nhiều năm dài lịch sử ngay cả sau khi công nghệ kính nổi đã bứt phá ra đời.[14]

Trong giai đoạn từ năm 1953 đến năm 1957, trực tiếp tại cơ sở Cowley Hill Works đặt tại vùng St Helens, Lancashire, ngài Alastair Pilkington phối hợp cùng Kenneth Bickerstaff thuộc tập đoàn Anh em nhà Pilkington (Pilkington Brothers) của Vương quốc Anh đã nghiên cứu phát triển thành công ca ứng dụng thương mại sơ khởi đầu tiên phục vụ khâu tạo hình một dải ruy băng thủy tinh liên tục bằng việc vận dụng một bể Thiếc nóng chảy, nơi dòng thủy tinh nóng chảy tự do chảy tràn không bị ngăn trở dưới sức tác động định hướng của lực trọng lực.[15] Sự thành công vang dội to lớn của quy trình công nghệ này nằm ở chính công tác căn chỉnh đạt mức cân bằng hoàn hảo thấu đáo đối với khối lượng dung lượng thủy tinh được nạp đều đặn vào lòng bể chứa, nơi khối chất tự động dàn phẳng lỳ nhờ vào chính trọng lượng trọng lực nội tại của bản thân nó.[16] Các hoạt động bán hàng thương mại mang lại thặng dư lợi nhuận toàn phần trên quy mô lớn đối với mặt hàng kính nổi lần đầu tiên được hoàn thành xuất sắc vào năm 1960, và xuyên suốt thập niên 1960, bản quyền quy trình công nghệ này đã được cấp phép nhượng quyền rộng khắp trên toàn phạm vi thế giới toàn cầu, thay thế hẳn toàn bộ các hệ phương pháp sản xuất lạc hậu thời kỳ trước.[17]

Quy trình

Quy trình chế tạo kính nổi vận dụng hệ thống các nguồn nguyên liệu thô chế tạo thủy tinh phổ biến thông thường, điển hình bao gồm cát thạch anh, soda (Natri cacbonat), khoáng chất Dolomit, đá vôi và Natri sunfat. Hàng loạt vật liệu khác hoàn toàn có khả năng được chủ động bổ sung phối trộn đóng vai trò là các chất tạo màu sắc, sắc độ, các chất tinh chế gạn lọc hoặc để thao tác điều chỉnh toàn diện toàn phần các đặc tính lý học và hóa học của thủy tinh. Toàn bộ các cấu phần nguyên liệu thô được trộn lẫn trộn đều bên trong một dòng quy trình phối liệu theo mẻ (batch process), rồi được nạp đồng bộ phối hợp cùng một tỷ lệ phần trăm được kiểm soát chặt chẽ của nguồn thủy tinh vụn/cullet (thủy tinh phế liệu tuần hoàn) tiến thẳng vào bên trong một hệ thống lò nung nấu chảy, nơi hỗn hợp được gia nhiệt đạt tới ngưỡng nhiệt độ cực hạn xấp xỉ 1500°C. Hệ thống các lò nung kính nổi vạn năng phổ biến thông thường có chiều rộng mặt bằng đạt 9 mét và chiều dài dọc trục lên tới 45 mét, tích hợp sức chứa dung lượng khổng lồ vượt ngưỡng 1.200 tấn thủy tinh. Một khi đã nóng chảy hoàn toàn, mức nhiệt độ của mẻ thủy tinh sẽ được điều phối giữ ổn định vững chắc ở ngưỡng xấp xỉ 1200°C nhằm bảo đảm thu được một chỉ số tỷ trọng đồng nhất hoàn hảo.

Tập tin:Float Glass Unloading.jpg
Chế tạo kính tấm trong nhà xưởng

Khối thủy tinh nóng chảy được nạp tịnh tiến tiến thẳng vào bên trong một chiếc "bể thiếc" (tin bath) — một cấu hình bể chứa đầy thiếc nóng chảy (có chiều rộng khoảng 3 đến 4 mét, chiều dài hành trình 50 mét cùng độ sâu mực chất lỏng đạt 6 cm), bắt nguồn từ một kênh chuyển phát cấp liệu và được đổ tràn vào lòng bể thiếc thông qua một cơ cấu môi gốm sứ chịu nhiệt chịu nhiệt được gọi là "môi vòi phun" (spout lip).[18] Khối lượng lượng thủy tinh được phép nạp đổ tràn lên bề mặt ngoại thất của thiếc nóng chảy được kiểm soát thắt chặt nhờ cơ chế một chiếc van cửa điều tiết được gọi là van điều phối tweel. Vật liệu thiếc nóng chảy sở hữu đặc tính hoàn toàn phù hợp tối ưu cho toàn bộ dòng quy trình kính nổi bởi vì nó nắm giữ một chỉ số tỷ trọng khối lượng riêng cao hơn rất nhiều so với thủy tinh, hệ quả là khối thủy tinh nóng chảy tự động nổi lơ lửng một cách hoàn hảo ngay trên bề mặt của nó.

Điểm sôi của thiếc vươn xa vượt ngưỡng nhiệt độ nóng chảy của thủy tinh, và chỉ số áp suất hơi của nó tại bối cảnh nhiệt độ quy trình duy trì ở mức thấp tối thiểu. Mặc dù vậy, chất liệu thiếc sở hữu xu hướng gánh chịu phản ứng oxy hóa mạnh mẽ bên trong một bầu khí quyển tự nhiên thông thường để khởi tạo nên hợp chất thiếc(IV) oxide (SnO2). Được biết đến bên trong dòng quy trình vận hành sản xuất dưới thuật ngữ chuyên ngành là "váng xỉ dross", hợp chất thiếc dioxide sở hữu xu hướng bám dính bám dính chặt khít vào cấu trúc thủy tinh. Để loại bỏ tận gốc bài toán ô nhiễm phản ứng oxy hóa này, không gian sảnh của bể thiếc được vũ trang và cung ứng liên tục một bầu khí quyển bảo vệ sở hữu chỉ số áp suất dương cấu thành từ hỗn hợp hai khí khí Nitơ và khí Hydro. Khối thủy tinh chảy tràn lên trên bề mặt ngoại thất của thiếc, kiến tạo nên một dải ruy băng nổi lơ lửng sở hữu một độ dày đạt mức đồng đều hoàn hảo cùng hai bề mặt ngoại thất đạt mức phẳng phiêu, mịn màng tuyệt đối không tì vết.

Khi dải thủy tinh dịch chuyển dọc men theo chiều dài hành trình của bể thiếc, mức nhiệt độ sẽ được chủ động hạ thấp sụt giảm dần một cách khoa học từ ngưỡng 1100°C cho đến khi đạt mức xấp xỉ 600°C, thời điểm tấm kính cán đạt đủ độ cứng vững để có thể được hệ thống các trục cán nhấc nâng bổng rời khỏi bề mặt thiếc. Dải ruy băng thủy tinh được kéo gắp ra khỏi lòng bể nhờ hệ thống các trục cán vận hành ở một mức tốc độ chạy dao được kiểm soát thắt chặt chặt chẽ. Sự can thiệp biến đổi linh hoạt trong chỉ số tốc độ dòng chảy phối hợp cùng tốc độ của trục cán dẫn hướng cho phép khâu sản xuất tạo hình tạo hình nên các tấm kính sở hữu dải độ dày biến thiện đa dạng đa dạng theo các định mức kỹ thuật quy chuẩn. Hệ thống các trục cán thượng tầng (top rollers) được đặt định vị trực tiếp phía trên lớp thiếc nóng chảy hoàn toàn có khả năng được đưa vào vận dụng đắc lực để kiểm soát thắt chặt đồng thời cả chỉ số độ dày lẫn biên độ chiều rộng của dải ruy băng thủy tinh. Một khi đã thoát ly hoàn toàn khỏi lòng bể chứa, tấm thủy tinh sẽ tịnh tiến chạy xuyên suốt qua một hệ thống lò xông nhiệt hay "lò ủ" (lehr) sở hữu chiều dài dọc trục kéo dài xấp xỉ 100 mét, nơi nó được làm nguội một cách vô cùng chậm rãi và khoa học để tiến trình ủ nhiệt khử ứng suất diễn ra hoàn hảo hoàn hảo, giúp triệt tiêu hoàn toàn các nội ứng suất nội tại và tuyệt đối không để lại hệ quả bị rạn nứt tổn hại do sự chuyển dịch biến đổi nhiệt độ. Khi bước ra khỏi "khu vực công đoạn nguội" (cold end) của hệ thống lò xông nhiệt, tấm thủy tinh sẽ được gọt cắt, cắt đoạn một cách hoàn toàn tự động hóa nhờ guồng máy móc thiết bị cắt gọt chính xác.

Ứng dụng

Tập tin:Obelisk van Michel Martens 01.jpg
Một cấu trúc tháp nhọn kiến trúc gá lắp cấu thành từ chất liệu kính nổi. Vật liệu kính nổi thông thường hiển thị sắc xanh lục đặc thù khi sản xuất sản xuất dưới các dạng tấm có độ dày lớn, do hệ quả để lại của các tạp chất nhiễm bẩn ion sắt hóa trị hai Fe2+.

Trong nền công nghiệp hiện đại ngày nay, kính nổi chính là hình thái thủy tinh chiếm sản lượng chế tạo số lượng lớn và chiếm tỷ lệ cao phổ biến nhất trên phạm vi toàn cầu thế giới,[19] tạo ra năng lực đáp ứng hoàn hảo cho hàng vạn ca ứng dụng thực tế và mục tiêu thị trường thương mại vĩ mô đa dạng.[20] Nhờ vào việc vừa nắm giữ một cấp độ chất lượng đỉnh cao tối ưu không đòi hỏi bắt buộc phải trải qua bất kỳ công đoạn đánh bóng cơ học phụ trợ bổ sung nào thêm,[21] lại vừa sở hữu một tính chất linh hoạt dẻo dai về mặt cấu trúc trong suốt tiến trình sản xuất, vật liệu hoàn toàn có thể dễ dàng được cắt gọt tạo hình và uốn cong thành một dải rộng mở các biên dạng hình học phức tạp phức tạp khi duy trì ở trạng thái dẻo quánh quánh như kẹo mạch nha được gia nhiệt.[22] Đặc tính tự nhiên đỉnh cao này biến kính nổi trở thành sự lựa chọn lý tưởng độc tôn phục vụ đắc lực cho hàng loạt mảng ứng dụng thiết yếu như:

Hầu hết mọi hình thái chủng loại thủy tinh hay kính đặc chủng tinh vi trên thị trường thương mại hiện nay, lấy một ví dụ điển hình như các dòng kính cường lực, kính mờ kiểng thẩm mỹ, kính dán an toàn nhiều lớp (laminated safety glass) cho đến các dòng kính hộp cách âm chống ồn chuyên dụng, về mặt bản chất cốt lõi đều cấu thành hoàn toàn từ vật liệu kính nổi tiêu chuẩn ban đầu, sau đó được áp đặt trải qua các quy trình xử lý công nghệ và kỹ thuật chuyên sâu.

Chú thích

  1. ^ Richet, Pascal (ngày 5 tháng 2 năm 2021). Encyclopedia of Glass Science, Technology, History, and Culture. John Wiley & Sons. tr. 73–74. ISBN 978-1-118-79939-0.
  2. ^ Binggeli, Corky (ngày 7 tháng 10 năm 2013). Materials for interior environments. Wiley. tr. 86. ISBN 978-1-118-30635-2. 819741821.
  3. ^ Groover, Mikell P. (2021). Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems. John Wiley & Sons. tr. 207. ISBN 978-1-119-70642-7.
  4. ^ Baker, Ian (ngày 21 tháng 6 năm 2018). Fifty Materials That Make the World. Springer. tr. 66. ISBN 978-3-319-78766-4.
  5. ^ "The Story of Pilkington UK". www.pilkington.com. Truy cập ngày 9 tháng 4 năm 2023.
  6. ^ a b Daniel Jutte (2023). Transparency. Yale University Press. ISBN 978-0-300-23724-5.
  7. ^ Shackelford, James F. (2005). Introduction to Materials Science for Engineers. Pearson Education. Prentice Hall. tr. 237. ISBN 978-0-13-142486-9.
  8. ^ "LCD Glass - Display Glass". Schott AG. Truy cập ngày 30 tháng 1 năm 2008.
  9. ^ Khatib, Jamal (ngày 12 tháng 8 năm 2016). Sustainability of Construction Materials. Woodhead Publishing. tr. 80. ISBN 978-0-08-100391-6.
  10. ^ Wurm, Jan (2007). Glass Structures: Design and Construction of Self-supporting Skins. Springer Science & Business Media. tr. 37. ISBN 978-3-7643-7608-6.
  11. ^ Bessemer, Henry; British patent no. 12,101 (issued: Sept. 22, 1848).
  12. ^ "The Glass Industry". 1984.
  13. ^ The Double Steal - the Right and Wrong Way to Steal Trade Secrets; socxfbi.org
  14. ^ Forsyth, M. 2008. Window Glass; Materials & Skills for Historic Building Conservation. Wiley.
  15. ^ Review Lecture. The Float Glass Process; Proceedings of the Royal Society of London; Pilkington, L. A. B.; 1969; 314: 1–25.
  16. ^ US patent 2911759 – Manufacture of flat glass
  17. ^ Brief history of the flat glass patent – Sixty years of the float process; World Patent Information; Nascimento, Marcio Luis Ferreira; 2014; 38: 50–56.
  18. ^ B. H. W. S. de Jong, "Glass"; in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry; 5th edition, vol. A12, VCH Publishers, Weinheim, Germany, 1989, pp. 365–432.
  19. ^ Schittich, Christian; Staib, Gerald (ngày 10 tháng 12 năm 2012). Glass Construction Manual. Walter de Gruyter. tr. 61. ISBN 978-3-0346-1554-9.
  20. ^ Sharma, S. K. (2016). Civil Engineering Construction Materials. Khanna Publishing House. tr. 362. ISBN 978-93-82609-84-1.
  21. ^ Lesko, Jim (ngày 14 tháng 12 năm 2007). Industrial Design: Materials and Manufacturing Guide. John Wiley & Sons. tr. 222. ISBN 978-0-470-05538-0.
  22. ^ Hegger, Manfred; Auch-Schwelk, Volker (ngày 12 tháng 2 năm 2013). Construction Materials Manual. Walter de Gruyter. tr. 86. ISBN 978-3-0346-1455-9.
  23. ^ Richet, Pascal (ngày 5 tháng 2 năm 2021). Encyclopedia of Glass Science, Technology, History, and Culture. John Wiley & Sons. tr. 1092. ISBN 978-1-118-79939-0.
  24. ^ Spence, William P.; Kultermann, Eva (ngày 19 tháng 1 năm 2016). Construction Materials, Methods and Techniques. Cengage Learning. tr. 516. ISBN 978-1-305-53710-1.
  25. ^ Punmia, Dr B. C.; Jain, Ashok Kumar (2003). Basic Civil Engineering. Firewall Media. tr. 111.

Liên kết ngoài

Lấy từ “https://wikibeta.org/index.php?title=Kính_nổi&oldid=7955799”