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.

ROTTURA PER INCLUSIONE DI SOLFURO DI NICHEL

HST - test termico di selezione

La rottura di alcune lastre di vetro temperate può avvenire, in assenza di cause evidenti, per infragilimento dovuto a inclusioni di solfuro di nichel.

Tali inclusioni derivano dalla lavorazione non ben controllata del vetro primitivo e quindi sono già presenti all’interno delle lastre con distribuzione imprevedibile. Il trattamento di tempera termica è asimmetrico dal punto di vista della tempistica dello scambio termico, infatti il raffreddamento di tempera è realizzato in tempi brevi, mentre le variazioni di volume delle particelle incluse di solfuro di nichel, riscaldate ad alta temperatura, avvengono lentamente. Per le inclusioni di solfuro, nel raffreddamento, si manifesta nel tempo il recupero di un volume di maggiore dimensione (struttura trigonale stabile a bassa temperatura) e le stesse possono agire da elemento destabilizzante dell’equilibrio tensionale riducendo localmente lo sforzo di trazione all’interno della lastra. La continuità della distribuzione tra compressione esterna e trazione interna si interrompe localmente fino ad annullarsi sulla superficie che risulta scarica in alcuni punti dai quali parte la rottura che funziona da innesco per la trasmissione al resto della lastra.  L'imprevedibilità della diffusione e dimensione delle particelle di solfuro crea le condizioni per definire una rischiosità di rottura di tipo statistico per alcune partite di vetro primitivo, collegata al processo di tempera, alle sollecitazioni in opera e al trascorrere del tempo. La distribuzione delle inclusioni all'interno delle lastre temperate può risultare non pericolosa se confinata nelle zone in compressione, addirittura andando nella direzione dell'incremento del tensionamento (da notare che essendo una presenza puntiforme è comunque difetto destabilizzante), ma distruttiva se presente nei volumi della mezzeria dello spessore, posti in trazione dal processo di tempera. Conviene ricordare che qualunque discontinuità, chimica, fisica o tensionale presente in una lastra di vetro può agire come promotore di rottura se le sollecitazioni esterne divengono pericolose proprio in loro corrispondenza. Per la comprensione del fenomeno della rottura da inclusioni di solfuro non secondario ê il trascorrere del tempo che favorisce l'accumulo dei fattori destabilizzanti; spesso una rottura diviene facilmente comprensibile quando la causa evidente si associa all'effetto (rottura), come conseguenza immediata; più difficile è la attribuzione a fattori dispersi nel tempo che quando si palesano vengono attribuiti all'imponderabile per giustificare il danno.

La frattura si propaga sempre con andamento radiale a partire da una coppia di frammenti speculari nella forma con un aspetto caratteristico (come le ali di una farfalla), generati in corrispondenza della inclusione.

Le lastre di vetro interessate dalla presenza di solfuro devono essere escluse dal processo di tempera ma  possono essere utilizzate come normale vetro ricotto anche se  mostrano una scarsa qualità del processo produttivo del materiale proveniente dal forno di fusione. In situazioni di necessità, se si è in grado, è possibile tentare sul materiale a rischio il procedimento per ottenere del vetro indurito soft hardned, meno interessato alle rotture per inclusione, se il prodotto finito non sarà particolarmente sollecitato e soprattutto se l'indurimento sarà realizzato nel rispetto della normativa (distribuzione corretta delle tensioni), ben lontani dallla situazione di "cattivo temperato", scarsamente tensionato, che solitamente viene prodotto.  

Frammentazione per inclusione NiS (pannello fotovoltaico)

Lastra stratificata con rottura dello strato con presenza solfuro

Le immagini precedenti mostrano la frammentazione di tre differenti tipologie di lastre in ciascuna delle quali è evidente il punto di partenza della rottura che si trova nella mezzeria dei due frammenti più grandi. Partita la rottura, la dimensione generalizzata degli altri  frammenti rispetta il livello di tensionamento della lastra ed è evidente che una tempera eccessiva, non perfettamente bilanciata e distribuita, aumenta la rischiosità legata alla posizione della inclusione che diviene massimamente pericolosa quando si viene a trovare proprio nella zona centrale dello spessore. La trazione viene scaricata a livello puntuale come se si tagliasse una molla e parte la rottura.

La selezione del materiale a rischio, quando richiesta dal Cliente nel rispetto di capitolati di fornitura, può essere effettuata mediante HST test che consiste in un trattamento termico di maturazione accelerata, in ambiente a temperatura controllata, che provoca la rottura delle lastre in cui sono presenti le inclusioni in zone pericolose.
La presenza del solfuro di nichel in zone non pericolose (aree compresse) non induce rottura pur costituendo un elemento destabilizzante in particolari condizioni di stress meccanico, quindi l'HST test non individua le lastre esenti dalla presenza di solfuro, ma solo quelle a minore rischio di rottura.

Diagramma tempo - temperatura

Resta da raccomandare un uso consapevole del test HST poichè il riscaldamento riduce il livello medio delle tensioni delle lastre che sopravvivono restando integre, ma le stesse risultano meno resistenti del materiale che non è stato sottoposto al trattamento nel forno HST. Occorre quindi valutare le nuove caratteristiche raggiunte dalle lastre, che sono state riscaldate, in funzione delle sollecitazioni cui saranno sottoposte durante l'uso per garantire sempre le condizioni di sicurezza dei manufatti.

FORNI PER IL RISCALDAMENTO DEL VETRO

Lo studio del riscaldamento del vetro rappresenta un utile esercizio per la comprensione dei mutui contributi energetici. Ogni forno trasferisce calore alle lastre di vetro a seconda della tipologia di impianto cui appartiene ed è quindi più o meno adatto a fornire il riscaldamento dedicato alle caratteristiche chimiche e fisiche della materia prima ed alle prestazioni che si intende raggiungere.

L’elemento di contaminazione tra le varie categorie di impianti è costituito dalla possibilità di influire sui parametri che regolano le componenti energetiche, ossia quanto la regolazione può ridurre le asimmetrie strutturali ed approssimare il riscaldamento alla distribuzione voluta.

Molto sinteticamente si indica nella variazione  del volume specifico e della rigidezza in funzione della temperatura le cause principali delle rotture e delle difettosità ottiche e di sagoma.

I forni di riscaldamento del vetro possono essere classificati a seconda di:

1)      Tipologia di funzionamento     

1)          continuo

2)          a lotti

-   a cassone (muffola)

-   a camere  rotanti (cassoni inseriti in un carosello)

2)      Tipologia movimentazione del pezzo

           1)          avanzamento continuo in linea

2)          avanzamento oscillante (in ciascuna delle camere di riscaldamento attraversate in sequenza)

           3)          la carica resta ferma nella camera di riscaldamento (muffole statiche)

           4)          la carica resta ferma nella camera che si muove tra differenti stazioni di riscaldo

3)      Numero delle camere

           1)          monocamera

           2)          pluricamera (in serie o in parallelo)

4)      Metodica della somministrazione di energia

           1)           irraggiamento

           2)          convezione (naturale e/o forzata)

           3)          conduzione (attraverso superfici di appoggio)

           4)          mista, con differenti percentuali tra i tre modi precedenti

5)      presenza di un piano rulli di supporto

           1)          forni orizzontali o sub orizzontali

6)      presenza di sistemi di sospensione con pinzatura

           1)          forni verticali o subverticali

7)      Presenza di attrezzature che partecipano al sostentamento

           1)          Anelli e/o squelette

           2)          Sistemi di galleggiamento su cuscino d’aria

8)      Presenza di attrezzature che partecipano alla curvatura
            1)     Maschi di pressa, materiali di interfaccia, etcc..

Riscaldamento

Il vetro viene riscaldato dall’esterno verso l’interno con somministrazione di energia che lo raggiunge secondo i consueti meccanismi:

Convezione (fluidi caldi in movimento che scambiano energia con le superfici)

Irraggiamento (radiazioni di determinata lunghezza d’onda che provengono dalle sorgenti calde e che possono anche penetrare all’interno quando il vetro è già caldo)

Conduzione (l’energia si trasmette sfruttando il contatto fisico tra elementi a differente temperatura – all’interno dello stesso vetro o tra vetro ed elementi solidi con cui è a contatto)

Il vetro è sempre in equilibrio termico tra l’energia che riceve (dalle parti calde) e quella che perde; ricordo che modifica la sua risposta all’infrarosso al variare della sua temperatura. Sinteticamente possiamo dire che il riscaldamento è affidato alla conduzione (conducibilità termica) e interessa le superfici esterne procedendo  successivamente verso l’interno della lastra (diffusività termica).

L’irraggiamento può, in certi casi, interessare direttamente le porzioni interne e la temperatura risultante è la somma dei contributi ricevuti durante il percorso.

FORNI CONVETTIVI PURI

Il riscaldamento avviene al 70 – 80% per convezione (l’irraggiamento è circa il 20%, ma interessa la fase finale).

VANTAGGI	SVANTAGGI
Non sono presenti sorgenti ad alta temperatura (>650 C°).	possono sorgere problemi di tempera per gli spessori maggiori (con cicli corti)
Sono scaldate preferenzialmente le superfici esterne del vetro (bene/male).	La regolazione non è intuitiva (i moti del fluido dipendono da molti fattori)
Il riscaldamento è indipendente dal tipo di vetro (colore) e risente poco di coating basso emissivo.	È difficile realizzare e mantenere differenze locali di temperatura e la progettazione è complessa
Il riscaldamento avviene più rapidamente che in un forno radiante puro.	Pericolosità dell’impianto e difficoltà per apportare modifiche successive.
La qualità della superficie è migliore (temperature più basse).	Grande influenza per apertura della porta e regolazione del camino.
La lastra tende ad essere più controllabile durante la deformazione (centro freddo)	Difficoltà nell’inserimento di schermi e problemi di scambio termico su stampi chiusi (rete).
Basso costo dell’energia se gas metano	Inerzia termica (se presenti refrattari pesanti).

FORNI RADIANTI

-        Esiste una componente convettiva bassa (0,5 – 10%)

-        Inizialmente il riscaldamento interessa le superfici inferiori (80% dai rulli)

-        A vetro caldo, in presenza di sorgenti ad alta temperatura, la radiazione penetra direttamente all’interno (vetro trasparente all’IR verso Hf se vetro chiaro)

VANTAGGI	SVANTAGGI
Facilità di regolazione e funzionamento immediatamente controllabile visivamente	Complicazioni nella logica di regolazione che deve essere ben progettata e quindi costosa
Possibilità di ottenere zone ristrette a differente temperatura (dimensione delle resistenze)	Alto costo energia.
Ripetitività nei cicli e facilità di asservimento a computer di controllo (dati e controllo processo)	Critico se le resistenze sono distanti tra loro e il vetro è fermo
Le schermature possono essere inserite facilmente ed agiscono con le leggi dell’ottica	Tendenza a spanciare la sagoma al centro su stampi ad anello
Facilità di inserimento di resistenze aggiuntive o modifiche	Difficoltà nel riscaldamento vetri coated o impossibilità per particolari caratteristiche
Bassa inerzia termica di tutto il forno che dovrebbe essere veloce nelle variazioni di temperatura se costruzione leggera.	Differenza nei tempi di ciclo a seconda delle caratteristiche del vetro (colore etcc..)
Facile sbilanciamento sopra/sotto	Pericolosità dei punti caldi (resistenze a 850 C°)

FORNI A GAS

Sono costituiti da camere in pressione, solitamente di due tipi:

-        Puramente convettivi (il vetro vede esclusivamente il mix aria - prodotti della combustione a Max 650 C° ) - NO sorgenti calde localizzate!

-        Convettivi / radianti (il vetro vede fluido caldo, la tazza del bruciatore e la fiamma diretta) in questo caso sono possibili riscaldamenti localizzati.

CONVEZIONE FORZATA NEI FORNI ELETTRICI A RISCALDAMENTO MISTO

• Forno con riscaldamento radiante convettivo nativo.

Il tetto presenta ugelli discreti per la mandata di aria in pressione che attivano i moti della atmosfera riscaldata interna al forno.

• Forno con riscaldamento radiante nativo, modificato con aggiunta successiva di un sistema di ugelli per convezione forzata.

All'interno del forno sono presenti tutti i meccanismi di trasmissione del calore, la regolazione in percentuale tra di essi modifica gli effetti e i tempi necessari ad ottenere il riscaldamento preferito della massa di vetro. Esaminiamo il riscaldamento convettivo e le prime considerazioni vanno fatte sulla quantità di aria, sui punti di iniezione e distanza dalla superficie della lastra. In alcuni casi (vedi figura a fianco) il forno nasce con la convezione forzata già a bordo; gli ugelli di distribuzione dei getti di aria (frecce viola) sono integrati nel tetto e le condotte di alimentazione della aria compressa non ostacolano la radiazione diretta delle resistenze di Kantal. Talvolta invece l'impianto di convezione forzata è aggiunto ad un forno preesistente e per questo motivo può costituire un problema in più nella gestione del forno agendo con schermature fisse tra vetro e elementi radianti.Occorre ricordare che ogni impianto possiede delle prerogative e limiti propri la cui conoscenza permette le ottimizzazioni necessarie a processare le lastre in maniera corretta. Ogni impianto infatti può rendere al massimo solo conoscendone le prestazioni nascoste e integrandole con il vetro in lavorazione.

I depositi conduttivi, riflettenti e filtranti oggi presenti sulla maggior parte delle lastre modificano grandemente la risposta del vetro alla modalità del riscaldamento cui è sottoposto e non è più possibile agire soltanto sui parametri tempo e temperatura dei forni tradizionali. La convezione forzata attiva un contributo addizionale, abbastanza indipendente dalle caratteristiche dei coating superficiali che a contatto con l'aria calda si riscaldano a loro volta e trasmettono energia per conduzione agli strati interni della lastra.

Nel grafico seguente si rappresenta per una lastra di spessore 5mm l'andamento teorico delle temperature di superficie (sup e inf) e mid plane, con il delta tra bottom e upper che fornisce indicazioni sulla deformazione assunta.

La distribuzione delle temperature reali dipende dalla situazione incontrata dalla lastra in quel forno in quel momento con quelle regolazioni e diverge grandemente dall'andamento teorico che comunque è un buon punto di partenza per comprendere cosa accade nelle prime fasi del riscaldamento in un forno a rulli.

Distribuzione temperature

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.