RISCALDAMENTO DI LASTRE PARZIALMENTE SERIGRAFATE

IL RISCALDAMENTO DELLE LASTRE SERIGRAFATE

In un impianto dedicato alla tempera del vetro piano le lastre vengono riscaldate al disopra dello strain point cercando di raggiungere uniformità delle temperature. Il successivo raffreddamento di tempera, se simmetrico e correttamente distribuito, produce tensioni a norma.

Nel caso in cui le lastre siano serigrafate parzialmente la variazione dell'assorbimento e della emissività locali producono differenze di temperature che in un forno puramente radiante difficilmente possono essere eliminate agendo sui set point delle resistenze, soprattutto quando i tempi di riscaldamento sono brevi e si lavora in transitorio spinto. Un forno convettivo può limitare il fenomeno della asimmetria, tuttavia le differenze sono comunque presenti, come si rileva dalla immagine seguente in cui si riportano i rilievi di temperature in corrispondenza della sezione mediana di una lastra serigrafata con vernice bianca opaca in strisce  di differente larghezza.

Il normale andamento delle temperature con picco al centro, raggiunto con continuità, è disturbato dalla presenza delle strisce che hanno un comportamento riflettente nei confronti dell'infrarosso e danno luogo ad abbassamento della temperatura che procede con punti di basso valore seguiti da massimi che corrispondono alle parti in vetro prive di serigrafia. Si misurano differenze superiori ai 25 gradi e soprattutto si delimitano zone allineate che presentano asimmetrie termiche, pericolose per la uniformità della tempera e per la resistenza del pezzo in caso di forti sollecitazioni. Le conseguenze di questa configurazione di tipo sistematico si aggiungono alle disuniformità tipiche che appartengono alle lastre di vetro, rendendo il prodotto ancora più critico. Conviene ricordare che discontinuità di qualunque tipo, quando assumono aspetti con bordi continui ed allineati generano concentrazione delle tensioni aumentando il rischio di rotture.
A miglior comprensione di seguito si fornisce il video della mappa termica del campione in uscita dal forno di riscaldo.

LA DISTRIBUZIONE DELLA ENERGIA TERMICA NEL RISCALDAMENTO E TEMPERA DELLE LASTRE DI VETRO

LA DISTRIBUZIONE DELLA ENERGIA - MAPPA DELLE TEMPERATURE

Quanto descritto di seguito si riferisce a lastre di vetro di dimensione medio grandi (es. 2800x1700 nello spessore 4mm) ed anche ad altri spessori e dimensioni tenendo presente che in un forno a carica oscillante l'ampiezza della camera di riscaldamento può essere occupata da una lastra di piccola dimensione che si muoverà per tratti lunghi e poche soste tra i punti di inversione del moto che cambieranno a seconda delle dimensioni della carica, dando luogo a differenze consistenti nel riscaldamento. L’elemento di partenza è la costruzione della   ricetta termica da impostare con i valori dei set point delle varie zone da cui dipende il flusso dell’energia che si distribuisce nella massa del vetro punto per punto innalzandone la temperatura. Il vetro ha una bassa conducibilità termica e tende a mantenere nel tempo le differenze di temperatura presenti in aree e in strati differenti per cui si possono verificare problemi (ad esempio rottura per trazione da shock termico ) generati nella struttura laminare in cui si può ipotizzare diviso lo spessore globale, o in corrispondenza di aree limitate adiacenti che individuano zone a diverse temperature. Quando esistono differenze locali di temperatura prodotte dai vari meccanismi di trasmissione del calore e dalla loro regolazione, e sono rappresentative di una situazione a regime, sono responsabili di situazioni tensionali prima e dopo la tempera. Tali differenze  vengono attenuate ed eliminate solo se al trascorrere del tempo si provoca contemporaneamente  la modifica dei fattori responsabili del riscaldamento che inducano un successivo differente transitorio che comprima i delta di temperatura, tale variazione può derivare anche dalla diversa recettività delle varie forme di energia al modificarsi delle caratteristiche del vetro durante il riscaldamento. Se le asimmetrie nelle sorgenti del riscaldamento restano immutate l’adeguamento dovuto alla sola conduzione in presenza di una condizione a  regime sbilanciato non può essere realizzato e le differenze restano immagazzinate nella massa vetrosa che mostra temperature differenti dal desiderato nei vari punti. Per migliore comprensione del problema, se il nostro obiettivo è ottenere la temperatura uniforme punto per punto, se la sorgente calda scomparisse istantaneamente lasciando il corpo termicamente sbilanciato la conduzione al trascorrere del tempo favorirebbe una distribuzione più omogenea abbassando i picchi di temperatura, ma non si otterrebbe un profilo di temperatura uniforme. Nel caso di conduzione pura, con somministrazione esclusiva da parte dei rulli caldi, nello spessore del vetro si realizza un gradiente di tipo lineare che determina le differenze tra la parte a contatto dei rulli e la superficie superiore della lastra che a regime restano immutate; aumentare  il tempo di riscaldamento in questo caso non garantisce da solo l’omogeneità termica nella massa del vetro e solo l'intervento di convezione forzata o irraggiamento attivate da un certo istante in poi può riequilibrare le temperature.  Le ricette sono composte da tre elementi, la modalità del riscaldamento, il tempo, la risposta del materiale; le differenze di temperatura maggiori si verificano durante il transitorio termico di riscaldamento nelle fasi iniziali e si può favorire il riequilibrio dello sbilanciamento all’interno dello spessore abbassando le temperature di suola e aumentando i tempi di riscaldamento, se gli spessori sono piccoli. Le conseguenze immediate delle differenze sono la creazione di tensioni durante il riscaldamento e nella fase di raffreddamento di tempera, che soprattutto per gli spessori sottili modificano la planarità delle superfici, dando luogo ad imbarcamenti e vere e proprie deformazioni locali se le alte temperature trovano nel passo rulli elevato una concausa per la creazione di deformazioni flessionali ripetute a distanza costante.

Quindi occorre determinare la risposta del vetro verificando la bontà della distribuzione delle temperature generate dalle regolazioni che rispondono alla logica di progetto (PDI - proporz. deriv. integr., posizione termocoppie etc.) e conviene partire da approssimazioni tradizionalmente in uso negli impianti radianti, scegliendo un tempo di riscaldamento standard di circa 40s per ogni mm di spessore della lastra. Successivamente si impostano le temperature del tetto e della suola tali da mostrare un colore rosso arancione (non molto luminoso) degli elementi radianti verificando che in assenza di vetro il colore sia omogeneo. Eventuali luminosità locali concentrate o zone più scure possono dipendere da errori software, SCR rotti, da problemi delle termocoppie (risposta o posizione) o da differente dissipazione dei resistori. Occorre cercare di eliminare le cause di difformità non volute, soprattutto se appaiono in maniera sistematica mantenendo le differenze anche nel corso del riscaldamento quando si carica il vetro.

La tempera deve essere impostata in modo da alimentare le soffianti alla stessa pressione con ugelli che si trovano alla stessa distanza dalle superfici del vetro, realizzando una condizione geometricamente e termicamente simmetrica. Terminato il ciclo innanzitutto occorre osservare la planarità e successivamente si frammenta la lastra e si esamina la tempera dal punto di vista della distribuzione dei frammenti che fornisce le indicazioni per gli interventi da realizzare; una distribuzione non omogenea delle tensioni che ad esempio privilegia la parte sin rispetto alla parte dx porta ad una deformata ad s che si recupera nell’altro senso con effetto elastico comprimendo la superficie del vetro, similmente può accadere con spessori dell’ordine dei 5mm se la lastra è di grande dimensione e il diverso riscaldamento appartiene alla testa e coda rispetto alla parte centrale, effetto causato da una differente temperatura dei rulli di appoggio, in parte coperti e in parte esposti temporaneamente dallo spostamento del pezzo in oscillazione. Solitamente le regolazioni dei forni di riscaldamento a carica oscillante privilegiano la zona centrale ossia quella sempre coperta dal vetro, mantenendo più basse la parte della oscillazione scoperta (testa e coda della lastra).

Occorre tener presente che negli impianti i rulli di supporto nella zona di tempera sono rivestiti da cordino che si può allentare e spostare perdendo la distribuzione a passo costante e questo può generare problemi locali della geometria che provocano differenze nello scarico dell’aria riscaldata dal contatto con il vetro. E’opportuno controllare la rotazione in asse dei rulli di tempera che a causa delle alte velocità di espulsione (3 – 4mm spessore vetro) possono trasmettere sollecitazioni locali alle lastre in transito.

Soprattutto i falsi rulli di bilanciamento, disposti volutamente per penalizzare lo scarico delle soffianti superiori, sono causa di grandi variazioni nell’equilibrio della trasmissione del calore, infatti l’aumento o diminuzione della distanza tra soffianti e vetro crea diverse condizioni nello scarico della soffiante inferiore che cambia con il profilo dei rulli all’abbassarsi o all’alzarsi delle soffianti, mentre quella superiore gode di scarico a sezione costante tra le lame. Quindi la regolazione della quota deve essere realizzata attentamente riflettendo sulle conseguenze di questi spostamenti relativi che devono tenere conto dello scarico e non solo della distanza dal vetro.

La convezione forzata svolge un duplice ruolo; modifica del rapporto tra le temperature superiore e inferiore permettendo di variare l’appoggio sui rulli e la conseguente trasmissione del calore e deformazione della lastra in regime elastico, di somministrazione aggiuntiva e distribuzione della energia creando un contributo consistente che incrementa le temperature della superficie superiore del vetro (quando proviene solo dal tetto); ad esempio, nel caso di vetro chiaro con basso livello di tensioni l’effetto è evidente e si somma alla situazione generata dal normale riscaldamento per cui l’andamento della geometria distributiva delle tensioni mostrato dalla frammentazione resta lo stesso (quello che era più basso resta più basso). Il livello delle tensioni sale con una tendenza a generare frammenti di dimensione minore con un delta tensione in più, dato a tutto il pezzo, che risulta meglio temperato ma mantiene le asimmetrie nel pattern della frammentazione e il riconoscimento delle zone meglio e peggio temperate. Tenendo da parte il problema della ricopertura dei rulli e conseguenti differenze tra le estremità e il centro, se nel riscaldamento della lastra, accade che vi siano delle asimmetrie termiche distribuite ad esempio sulla parte destra del forno rispetto a quella sinistra creando quindi una zona più calda nel senso della oscillazione separata da quella più fredda il vetro sottoposto a tempera successiva tenderà ad avere un comportamento come quello di una molla spanciando in regime elastico da una parte e dall’altra e mantenendo una traccia ad S shape durante le deformazioni indotte dall’esterno. Il rimedio consiste nel ripristinare il corretto riscaldamento della lastra in tutta la sua superficie e spessore e una indicazione proviene dalla frammentazione che mostra le differenze di tensionamento a memoria delle differenze di temperatura accumulate e mantenute durante tutto il processo.