I VANTAGGI DEGLI IMPIANTI DI TEMPERA A CARICA OSCILLANTE

I forni a carica oscillante hanno ingombri e consumi limitati e sono indicati per basse cadenze produttive di lotti differenti.
Si tratta sempre di forni a rulli con movimentazione individuale attraverso cinghie dentate, potenza generata da motore elettrico che gestisce rampe, inversioni del moto e modulazione delle velocità. Il problema della limitazione in cadenza della carica, dovute allo svuotamento preventivo della camera calda, può essere risolto con montaggio di camere poste in serie e spesso collegate con percorso in aria libera con beneficio non trascurabile sul profile termico.   

Una linea guida sui criteri di progettazione di questa tipologia di forni di tempera prevede che, in ambienti la cui dimensione è poco maggiore di quella della carica, la durata di ciascuna fase di scambio energetico trascorra in movimentazione alternata percorrendo lo spazio compreso tra un punto di sosta anteriore ed uno posteriore. E'evidente che la mappa termica delle resistenze di riscaldamento, la loro  geometria e le possibilità di regolazione interagiscono con i fattori di vista dovuti alle posizioni. 

Il riscaldamento che si realizza in camera calda rappresenta un compromesso per adeguare la durata del trattamento a dimensione e spessore della carica, numero e posizione delle soste, ampiezza di oscillazione, velocità di movimentazione, permettendo molteplicità di risultati.

La sezione di tempera riproduce, durante il raffreddamento forzato, le stesse problematiche correlate alle oscillazioni della carica e all’efficienza dello scambio termico per i vari spessori.

Lo scambio termico coinvolge le superfici delle lastre e il modo in cui esse sono in relazione con le sorgenti calde e fredde; la ripetitività nella posizione dovuta alle soste rende questi forni simili ai forni statici (verticale o muffola), capaci di somministrazioni energetiche localizzate, mentre la fase di movimento relativo tra le soste favorisce una distribuzione più simile a quella di un forno passante.

Il frazionamento delle sorgenti calde (resistenze tetto e suola), con possibilità di pilotaggio di aree ristrette e localizzate, permette di differenziare il riscaldamento di aree circoscritte, a differenza di quanto accade nel forno passante in cui la regolazione può avere conseguenze solo per strisce parallele all’avanzamento.

L’argomento è complesso, coinvolgendo la regolazione nei suoi aspetti dinamici e termici, soffermarsi sulla conoscenza dei parametri geometrici (posizione e ampiezza delle soste) e la possibilità di modifica di questi parametri offerta da alcuni software, permette anche di ottimizzare l’uniformità del riscaldamento compensando asimmetrie dovute alla conduzione rulli-vetro soprattutto per gli spessori elevati per i quali la ricetta termica è determinante e le compensazioni della curvatura in tempera sono impossibili.

FRATTURA DEL VETRO TEMPERATO

Il vetro, escludendo il caso ovvio dell’urto impulsivo, si rompe quando è sottoposto a sollecitazioni di trazione e la tempera, se ben realizzata, distribuita e applicata, ne migliora la resistenza.

La tempera si realizza con trasferimento e scambio di energia tra vetro e ambiente, con un residuo del bilancio termico che rimane immagazzinato nella massa sotto forma di energia potenziale elastica.

La tempera restringe la variabilità delle condizioni di suscettibilità alla rottura delle lastre di vetro sottoposte a sollecitazioni aumentandone la capacità di sopportazione verso stress prodotti da eventi accidentali o sistematici, che porterebbero alla rottura fragile.

Alcuni dei fattori che influenzano la resistenza alle sollecitazioni e la probabilità di rottura sono:

·       qualità delle lastre di vetro (composizione, spessore, inclusioni, coating, apporto di vernici, lavorazioni di bordo, effetti di intaglio, fori, scassi, qualità delle superfici esterne).

·       intensità dei livelli tensionali derivanti dalla tempera, della loro distribuzione areale e nel profondo.

·       caratteristiche delle sollecitazioni termiche e meccaniche e loro distribuzione.

·       durata nel tempo delle sollecitazioni.

·       tipologia dei vincoli cui le lastre sono sottoposte e conseguenti generazioni di sollecitazioni per deformazioni impedite.

·       presenza di schermature in grado di influire sulla distribuzione della temperatura.

I residui dell’incisione dovuta al taglio con utensile sono le microfratture in prossimità del bordo e nel posizionamento di una lastra spessa sul tavolo di carico si consiglia di lasciare questa zona in coda al pezzo (nel senso dell’avanzamento in forno) e rivolta verso il basso (a contatto con i rulli). Si cerca così di limitare la sollecitazione termica di trazione generata in una zona delicata, che potrebbe portare alla rottura in forno.
Mediamente la difettosità dovuta alla incisione del taglio è più penalizzante per le lastre spesse che sono più imperfette superficialmente e che vedono crescere le tensioni dovute al riscaldamento asimmetrico rispetto alle lastre sottili (la struttura scarica poco la sollecitazione perché tende a mantenere la sua forma); le operazione di molatura e lucidatura spesso non eliminano completamente gli intagli e addirittura, se provocano surriscaldamento, sono peggiorative e aumentano la probabilità di rottura.

POSIZIONAMENTO

In una carica completa la lastra più penalizzata è la prima ad entrare nel forno, infatti incontra rulli alla più alta temperatura. Le pause di lavorazione, quando sono di lunga durata, generalmente creano problemi di sovratemperatura della faccia inferiore del vetro e bisogna tenerne conto se, alla ripartenza, la nuova carica è costituita da lastre di grosso spessore.

Per lo stesso motivo i fori e le zone lavorate (scassi e raccordi angolosi) andrebbero protette, soprattutto nel caso di spessori forti, cercando di posizionare le parti più difficili in coda alla lastra. Qualora l'oscillazione lasciasse scoperta parte dei rulli è conveniente per particolari di pregio sacrificare ritagli di vetro ad es. 30 x 30cm disponendolo immediatamente prima e dopo la parte incriminata.

Quanto accade all'interno del forno nella fase di riscaldamento si presenta nel raffreddamento di tempera successivo che risulta molto più pericoloso per l'integrità delle lastre. Quindi attenzione alle zone con discontinuità che possono essere troppo sollecitate dalle asimmetrie della tempera dovute alle soste e/o a pressioni di alimentazione aria troppo elevate.

I numerosi elementi elencati sono responsabili della forte dispersione dei dati relativi alla presenza di rotture per il vetro temperato, moderatamente più resistente di uno non trattato, ma non esente da problemi se non perfettamente realizzato.

La rottura di lastre temperate non avviene mai in modo inspiegabile e non esisono le “ rotture spontanee ” termine proveniente dal mondo della produzione, coniato per comprendere tutto l’imponderabile; la rottura è conseguente a una molteplicità di cause che creano le condizioni per il superamento locale della sollecitazione in corrispondenza proprio della sezione meno resistente.

Anche una sollecitazione di bassa entità applicata ad una parte circoscritta  e poco resistente può produrre la rottura, analogamente una sollecitazione molto intensa può risultare critica anche per una lastra ottimamente temperata. Così come la mancanza della rottura non è indicativa di una buona resistenza generale del manufatto, la presenza della rottura non ne indica necessariamente la scarsa qualità.

Infatti devono essere valutati tutti i fattori di influenza che sono attivi in un certo momento in un certo posto sul materiale, considerando la sovrapposizione degli effetti in grado di creare le condizioni di superamento della tensione massima sostenibile in qualche punto critico della struttura e quindi la rottura.

Le condizioni di impiego a regime e lo studio dei transitori dovrebbero fornire le linee guida preventive per la progettazione del prodotto temperato, confinando le probabilità di rottura entro una percentuale minima, senza cercare di ottenere con la tempera esasperata una resistenza eccessiva che viene pagata con costi, instabilità ed asimmetrie di forma e di tensioni. Piuttosto conviene raggiungere l'omogenea ed uniforme distribuzione dello stato tensionale, sufficiente per l'impiego cui l'oggetto in vetro è destinato.
La qualità della tempera viene solitamente associata al tipo di frammentazione che, all'esame visivo, descrive abbastanza bene alcune caratteristiche esaminando i frammenti nel numero, dimensione e disposizione.
A titolo di esempio riportiamo un quadro di frammentazione presentato da un manufatto, rotto per test di tempera, che può fornire alcune informazioni relative alla storia termica del pezzo, alla qualità delle tensioni e resistenza alle cause esterne scatenanti il collasso. Di seguito si mostra un particolare interessante, a raggio di curvatura variabile, spessore 5mm metal coated su faccia inferiore, realizzato necessariamente a temperatura elevata, con scorrimento del materiale.

Il punto di impatto è centrato e le linee di flusso si dipartono radialmente lasciando aree a chiazze con elevatissima disuniformità  della frammentazione che risulta pessima, visibile più chiaramente nella seguente elaborazione di immagine. 



Il particolare è realizzato a gravità su mold a squelette di appoggio solo periferica, quindi certamente la temperatura raggiunta per ottenere la curvatura a gravità era ampiamente sufficiente per la tempera di un 5mm, tuttavia le soffianti non adatte hanno creato dei ricircoli di aria che ha lavorato male sulla superficie concava, compromettendo il raffreddamento. Il problema è stato successivamente risolto disegnando delle soffianti a particolare che hanno fornito tempera a norma.
L'esempio precedente serve a illustrare che l'uniformità del tensionamento, più che il valore assoluto dei picchi locali, garantisce stabilità del pezzo in presenza di sollecitazioni meccaniche e/o termiche, fatto confermato dal procedimento tecnologico di indurimento (vedi paragrafo) che a fronte di una minore resistenza meccanica, gode di minore dispersione delle rotture.
Trasferire le caratteristiche di omogeneità del vetro hardened unitamente al livello di tensioni del temperato è l'obiettivo della tempera ben eseguita.
  



  

  

LA TEMPERA A PASSAGGIO NEI FORNI ORIZZONTALI

La tempera delle lastre con spessore ridotto (2,5 – 3 - 4mm) richiede l’impiego di potenze refrigeranti molto elevate, che variano con andamento esponenziale inverso in funzione dello spessore. Negli impianti con sezione di tempera ad attraversamento in un solo senso l’area totale soffiata supera quella efficace corrispondente alla superficie delle lastre interessate al trattamento ed è difficile disporre della portata e pressione necessarie quando lo spessore è sottile. Solitamente si cerca di personalizzare i trattamenti di tempera con parzializzazioni o addirittura sostituzione delle teste di tempera che divengono "a particolare".
Quando si utilizzano impianti  del tipo a carica oscillante la necessità di mantenere i particolari in movimento alternativo sotto le soffianti richiede una area di soffiaggio maggiore della superficie della carica. Le dimensioni delle sezioni di scarico ugelli delle soffianti, alimentate dai turboventilatori, raramente consentono prevalenze sufficienti alla tempera degli spessori sottili, e spesso occorre stressare le lastre con temperature eccessive.

Il problema viene risolto con una configurazione e assetto di differente disegno, dedicando alla tempera degli spessori sottili la prima parte della zona di tempera, solitamente lunga circa 2000mm e interessata  ad attraversamento in un solo senso, opportunamente realizzata e alimentata individualmente a pressione maggiore rispetto alla parte rimanente della soffiante che resta disponibile per il raffreddamento, mantenendo la carica in oscillazione.  

La quantità di energia, che compete alle lastre di ridotto spessore, può essere abbattuta nella zona ad alta pressione in pochi secondi  che, in funzione della velocità di espulsione, costituiscono una permanenza sufficiente ad ottenere la tempera.

A maggior chiarezza si rappresenta la durata della tempera ad attraversamento in funzione della velocità di espulsione per una sezione di tempera lunga 1800mm.

 La velocità di espulsione deve aumentare con la riduzione dello spessore della lastra e per un 3mm ci si posiziona in corrispondenza di valori compresi tra 25 e 30m/min e corrispondenti durate del raffreddamento di tempera ad alta pressione comprese tra 4,5 e 3,8s sufficienti per temperare lo spessore in lavorazione.
La preparazione termica del particolare deve essere accurata per garantire la corretta distribuzione della temperatura che è l'elemento fondamentale per garantire tensioni permanenti corrette ottenute in tempi strategicamete ed ovviamente ristretti per mantenere deformazioni da rulliera contenute. Non si può eccedere nel rallentamento per aumentare il tempo di permanenza a meno di avere una sezione di tempera AP molto vicina al forno e molto efficiente per poter limitare le perdite dovute alla elevata emissività e contenere la temperatura max del vetro a fine riscaldamento. Qui si apre un capitolo abbastanza complesso che coinvolge l'architettura dell'impianto e la movimentazione in camera calda in prossimità della fase finale del riscaldamento - espulsione, unitamente alla regolazione e somministrazione della energia.

TEMPERA NEI FORNI VERTICALI

La versatilità dei forni verticali deriva in parte dalla facilità con cui si realizzano attrezzature anche complesse esaltata dalla ulteriore caratteristica dell’assenza di moto relativo tra vetro e parte calda nella camera di riscaldo e mancanza di contatto con superfici mobili (rulli). La qualità delle superfici delle lastre prodotte è ottima e  la tempera resta l’elemento critico a causa dei tempi di trattamento, se si processano spessori sottili, a causa del trasferimento fisico tra stazione di riscaldo e postazione di tempera. Nei forni verticali la dimensione delle soffianti è poco maggiore di quella della lastra di vetro trattata, che rimane ferma in tempera con un possibile utilizzo quindi di pressioni  elevate senza eccedere nella dimensione dei motoventilatori e nei costi energetici. Proprio per questo motivo è indispensabile ottenere la distribuzione ottimale del raffreddamento che si realizza con oscillazione in fase o controfase delle teste di tempera, solitamente dotate di ugelli individuali per la distribuzione dei flussi diretti di raffreddamento. La assenza dei rulli di supporto, presenti invece nei forni orizzontali, rende simmetrizzabile la alimentazione delle teste di tempera che possono esercitare un raffreddamento più prevedibile.

 

Quench blades particular

Soffiantine laterali teste di tempera a settori

I rendering successivi mostrano particolari di lame di tempera appartenenti a soffianti verticali per superfici cilindriche (box doccia).
La ridotta ampiezza di oscillazione che caratterizza la tempera nei forni verticali richiede una attenta valutazione della posizione delle soste, soprattutto evitando la sovrapposizione in fase delle zone in asse con i fori di scarico in relazione al passo tra ugelli per ridurre la differenza areale nelle tensioni. Il problema non è di poco conto e influenza direttamente l'aspetto in presenza di componenti illuminanti polarizzate.

IL PROBLEMA DELL’APPOGGIO NEI FORNI OSCILLANTI

Il calcolo del passo rulli ottimale andrebbe definito con considerazioni energetiche e geometriche, per quanto possibile approssimando il riscaldamento della lastra a quello di una massa rigidamente isoterma, riferendo le deformazioni solo alla variabilità dell’appoggio locale. In realtà durante il movimento in presenza di oscillazioni accade diversamente e le estremità delle lastre subiscono perdita di rigidezza a causa del riscaldamento preferenziale reso critico dall’appoggio che può divenire pericoloso durante le soste. Limitiamo queste considerazioni alle difettosità testa coda ricordando che i danni alla planarità delle lastre si configurano in abbassamento e incurvamenti del profilo che mantiene la sagoma originaria solo nei punti più sporgenti verso l’alto (poco deformati perché appoggiati sulla sommità dei rulli). Si fa notare che le ripartenze nel senso dell’avanzamento costringono la testa e la coda a bruschi recuperi di quota al momento del contatto con il rullo che viene impegnato verso la fine del riscaldamento e tali deformazioni sono irrecuperabili (fascia luminosa a circa 20cm dalla testa).

La figura successiva mostra la deformazione di una lastra surriscaldata in corrispondenza della sosta prima dell’espulsione.

Fase finale riscaldamento: deformazioni residue distribuite

Fase finale riscaldamento: deformazioni di testa (circa a passo rulli)

LA TEMPERA DEI PARTICOLARI SFERICI

Teste di tempera a profilo variabile per settori. L'adeguamento ai particolari sferici prevede la movimentazione in verticale nel senso dell'avvicinamento alle superfici della lastra curvata su stampo. Lo scarico è consentito nell'anulus esistente tra le sigole lame e lo spessore del vetro dei particolari di progetto è 5mm con tempera a norma.
Le pressioni al ristagno del fluido di raffreddamento per singola lama sono monitorate e moderatamente regolabili individualmente mediante dispositivi a perdita di carico.

 Il particolare mostrato ha curvatura continua su due piani ortogonali, lo scorrimento del materiale per realizzare l'andamento simil-sferico è a gravità su telaio periferico.

ABERRAZIONI OTTICHE DELLE LASTRE TEMPERATE

foto 1) Anisotropia lastre temperate, esterno, luce naturale indiretta (parz. polarizzata)

Foto 2) Anisotropia lastre piane temperate 6mm, interno, luce mista parz. polarizzata.

 

Le immagini precedenti sono relative a lastre temperate spessore 6 - 8mm la prima proveniente da forno verticale e la seconda da forno orizzontale. L'aspetto mostra difettosità nell'estetica delle superfici, con alternanza regolare di aree di colorazione differente per le lastre curve (foto 1) mentre appaiono allineate in maniera ripetitiva sulla intera superficie della vetratura piana (foto 2) che è stata temperata con lato corto avanti.

Viene di seguito brevemente descritto il fenomeno appartenente alle proprietà  ottiche del vetro e le cui conseguenze sono definite con il termine iridescenza; il fenomeno è dipendente  dalla operazione di tempera fisica che, variando la distribuzione delle tensioni, induce  la birifrangenza e modifica la capacità del vetro di interagire con particolari radiazioni del visibile.
L’effetto visivo è legato alla contemporanea presenza di tre fattori

1.  Presenza di vetro temperato termicamente con getti di aria dove si riconoscono  aree con  differente livello di tensioni, disposte con regolarità. 
2. Sorgenti di illuminazione accompagnate da frequenze con componenti polarizzate prevalenti, di solito provenienti da riflessioni della radiazione illuminante principale, o emesse da superfici vicine. 
3.  Particolare condizione dell’osservatore (uso di lenti polarizzate o angolo di osservazione radente).

 Ciascuno dei punti sopra elencati contribuisce alla  mancata uniformità del potere riflettente e ancor meglio del potere emissivo locale, nel campo del visibile, riferito alle radiazioni provenienti dall’elemento in vetro temperato che stiamo esaminando e che risulta in parte polarizzata.

Le tensioni indotte dalla tempera, che garantiscono resistenza elevata e frammentazione a norma, spesso portano come conseguenza la presenza di zone a differente densità e più bassa emissione luminosa (zone più scure) che risultano in particolare più visibili quando assumono un aspetto regolare.
La tempera del vetro non può da sola essere responsabile di quanto descritto, essendo prevalente la responsabilità della sorgente illuminante che evidenzia l'aspetto ed a questo proposito si ricorda quello che spesso accade all’atto del montaggio, con le conseguenze derivanti dalla posizione delle sorgenti luminose che illuminano la facciata in vetro strutturale o il semplice rivestimento in vetro chiaro.
Infatti in pieno sole la radiazione ricevuta è composta da infinite frequenze dotate di polarizzazione circolare, ossia non esistono piani preferenziali e la confusione impedisce qualsiasi riconoscimento per cui la superficie di vetro mostra una colorazione omogenea, poco influenzata dall’angolo di visione e da eventuale uso di filtri polarizzatori (lenti o occhiali).
Al tramonto o comunque quando la percentuale di radiazioni polarizzate diviene elevata a causa della posizione relativa del sole e percentuali di energia riflessa proveniente da altri ostacoli, iniziano ad apparire effetti locali più o meno colorati che disegnano mappe regolari, talvolta molto visibili. L’evidenza del fenomeno può spesso essere legata anche allo spessore della lastra in quanto parte della radiazione incidente penetra all'interno si riflette sulla parete posteriore e viene riemessa frontalmente interferendo con tutto il pacchetto di radiazioni.
Quindi il fenomeno non mostra un aspetto costante al variare delle condizioni di illuminazione, non è indice di cattiva qualità della tempera e soprattutto non è prevedibile preventivamente all’atto dei trattamenti termici. E' comunque evidente che la conoscenza dell'impianto e il riconoscimento delle condizioni di possibile presenza successiva delle iridescenze possono suggerire degli accorgimenti da mettere in pratica all'atto della produzione. Indicativamente per un impianto con tempera oscillante e prodotto fino a 5mm spess. le prime due oscillazioni ed i relativi punti di sosta estremi possono risultare critici a causa della configurazione delle lame di tempera e della durata della sosta.

INTERVENTI PER IL MIGLIORAMENTO DELL'OTTICA

Si tratta solitamente di un fenomeno legato alle condizioni del processo di tempera e parlerò solo degli interventi possibili in  questo ambito.
Il riferimento è fatto considerando un impianto tipo, quindi forno elettrico a carica oscillante su rulli con zona di tempera a lame, trascurando modifiche impiantistiche e intervenendo esclusivamente sui parametri di ciclo tempera riferiti allo spessore della lastra in lavorazione. Da notare se le impronte sono parellele ai rulli di supporto o se invece sono parallele all'asse del forno, nel secondo caso il problema risiede nella disposizione degli ugelli delle soffianti di tempera su cui occorre intervenire.
Nel primo caso si cerca di gestire la regolarità nella distribuzione dell'effetto ottico, che la rende più riconoscibile, senza penalizzare il tensionamento agendo sui seguenti punti.

1. ridurre la durata delle soste nei punti morti ant. e post.
2. allontanare le soffianti dalle superfici del vetro aumentando la prevalenza.
3. valutare la possibilità di abbassare la velocità di oscillazione privilegiando il tempo trascorso in movimento rispetto alle soste.
4. modificare l'ampiezza di oscillazione in tempera cercando di evitare condizioni ripetitive di raffreddamento locali in corrispondenza delle soste (ant. e post.) cercando di non far corrispondere le posizioni delle lame di tempera alle stesse aree della lastra.
5. Nel caso di pattern a macchie occorre modificare l'impronta che viene marcata durante le prime soste.

Questi sono gli interventi immediati, utili per comprendere se esistono dei margini operativi.
L'esame post tempera del particolare effettuatoin luce prevalente polarizzata, darà indicazioni sull'efficacia delle modifiche realizzate, operazione consigliata ogni qualvolta si producano lastre destinate ad impiego statico (edilizia) o dedicate a settori rischiosi (nautica) dove l'iridescenza è scoperta sempre successivamente all'installazione.
E' evidente che possono essere messi in piedi altri interventi con modifiche impiantistiche anche strutturali, valutandone la convenienza economica in funzione della consistenza della commessa e del suo inserimento nell'ambiente.