|
Wprowadzenie Procesy technologiczne w branży szkła technicznego, np. przy produkcji szkła laboratoryjnego, szkła wodnego, włókna szklanego czy trzonków żarówkowych, powinny przebiegać również w określonych warunkach, zwłaszcza temperaturowych. Podobnie wygląda sytuacja przy produkcji szkła budowlanego płaskiego: walcowanego, ciągnionego i float oraz szkła samochodowego wyginanego, hartowanego i klejonego; a także przy przetwórstwie szkła: produkcji szyb zespolonych i szyb ogrzewanych samochodowych oraz podczas kontroli ich jakości. W wielu punktach procesu technologicznego istnieje potrzeba poznania zjawisk cieplnych zachodzących w czasie tego procesu. Istnieje zatem potrzeba badania i kontroli przebiegających procesów produkcyjnych. Wtedy bardzo pomocnym narzędziem są metody termograficzne, które pozwalają uzyskać informacje o rozkładach temperatury na zewnętrznych powierzchniach badanych produktów. Nowoczesne metody diagnostyki i kontroli procesów produkcyjnych Termowizyjny monitoring procesów technologicznych wykonywany może być za pomocą stacjonarnych kamer termalnych, działających w zakresie bliskiej i dalekiej podczerwieni. Jednak ze względu na ich wysoką cenę i trudne warunki pracy częściej stosuje termowizyjne kamery przenośne, wykorzystując je doraźnie. Pozwalają one na wykrywanie anomalii temperaturowych, celem uniknięcia kłopotliwych i kosztownych strat produkcji jakościowo dobrej, a wynikających z zaburzeń temperaturowych. Mogą być one prowadzone na stanowiskach produkcyjnych, jak również w warunkach laboratoryjnych, przy kontroli jakościowej wyrobów gotowych. Badania termowizyjne obejmują pomiar i zobrazowanie promieniowania podczerwonego pochodzącego z badanego obiektu. Kamera umożliwia cyfrową rejestrację rozkładu temperatur badanego obiektu. Tak powstała mapa temperatur jest następnie interpretowana graficznie, tzn. każdej temperaturze przypisywana jest inna barwa, dzięki czemu widziany jest termalny obraz obiektu. Ponieważ zapisywane dane w praktyce są mapą temperatur obiektu, ten sam obiekt, w zależności od przyjętej skali barw oraz jej relacji do skali temperatur, może wyglądać różnie. Ponadto, możliwa jest analiza termogramów, np. wykreślanie izoterm, określanie rozkładu temperatur wzdłuż dowolnego profilu, tworzenie histogramów, pobieranie danych z termogramu bezpośrednio do wykonywania obliczeń. 
Rys. 1. Rozkłady temperatury na powierzchni bocznej zasilacza, w pobliżu wypływu masy szklanej przy produkcji włókna szklanego
Badania termowizyjne w branży szkła technicznego Szkło, dzięki swoim cechom, znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach życia. Oprócz tradycyjnego wykorzystywania go do produkcji opakowań szklanych czy szkła gospodarczego coraz większe znaczenie ma produkcja szkła technicznego. Są to obecnie nie tylko szkła laboratoryjne i optyczne lecz również włókna szklane, stosowane do wzmacnia tworzyw sztucznych (powstaje wtedy materiał zwany kompozytem). Także szkło elektrotechniczne wykorzystywane przy produkcji żarówek i izolatorów. Szkło stosowane jest szeroko w budownictwie, gdzie oprócz okien i przeszkleń używa się go w postaci materiałów izolacyjnych (wata szklana, szkło piankowe), szkła wodnego czy ceramicznych płytek wykładzinowych. Podczas produkcji szkła technicznego w formie szkliw, fryt czy emalii występuje często konieczność utrzymywania parametrów temperaturowych w możliwie wąskim zakresie. Wtedy bardzo pomocnym narzędziem okazują się metody termograficzne, która pozwalają uzyskać informacje o rozkładach temperatury produkowanych wyrobów. Umożliwia to wykrycie kolejno wszystkich temperatur od najniższych do najwyższych oraz określenie obszarów ich występowania. Możliwa jest obserwacja i rejestracja, a następnie analiza występujących pól temperaturowych. 
Rys. 2. Rozkłady temperatury na powierzchni dna zasilaczy, w pobliżu wypływu masy szklanej oraz włókna szklanego w procesie ich produkcji
Badania rozkładów temperatury w przy produkcji włókna szklanego Produkcja włókna szklanego jest szczególnym zastosowaniem szkła. Powstaje ono przez przeciskanie stopionej masy szklanej przez otwory o bardzo małej średnicy. Bardzo ostry reżim technologiczny i temperaturowy przy produkcji włókna szklanego powoduje, że parametry temperaturowe powinny być utrzymywane ze szczególną pieczołowitością. Dotyczyć to powinno przestrzeni ogniowej nad basenem topliwnym, przelotów i komór odprowadzających spaliny oraz masy szklanej w kanałach i zasilaczach, a przede wszystkim wypływów szkła w obszarze tzw. „bustingów”. Wielce pomocnym narzędziem przy monitoringu tych procesów mogą być metody termowizyjne. Badania rozkładów temperatury w przy produkcji trzonków żarówkowych Badania procesu formowania izolacji szklanej w trzonkach żarówkowych pozwalają wykryć złą jakość masy szklanej objawiającą się spękaniami. Zła jakość masy szklanej wynika najczęściej z jej niejednorodności termicznej, gdyż powstające gradienty temperatur generują naprężenia przewyższające wytrzymałość mechaniczną szkła. Istotne jest stwierdzenie skąd wynika ta niejednorodność. Czy jest to wynik niewłaściwej pracy pieca i niestabilnego składu fryty szklanej, czy też niewłaściwie prowadzonego procesu formowania? Można porównać strugi z różnych agregatów piecowych oraz z tego samego w różnym czasie. Stąd wykonane badania termowizyjne szkła wypływającego z pieca oraz strugi szklanej docierającej do podajnika i dalej w chwilę po opuszczeniu automatu oraz w trzonku żarówkowym na taśmociągu mogą pomóc zlokalizować źródło niejednorodności. Badane parametry topienia i formowania oraz studzenia trzonków żarówkowych pozwalają określić szybkość studzenia gotowych wyrobów i ocenić możliwości odprężenia szkła. 
Rys. 3. Rozkłady temperatury na powierzchni masy szklanej do produkcji trzonków żarówkowych wypływającej z pieca oraz strugi zasilającej automaty
Badania rozkładów temperatury w przy produkcji szkła wodnego Szkło wodne to roztwór wodny krzemianów sodu lub potasu. Powstaje w wyniku reakcji wodnego roztworu wodorotlenku sodu lub wodorotlenku potasu z krzemionką. Etap pierwszy to jednak hutniczy proces topienia szkła, prowadzony w piecu o działaniu ciągłym. Istotnym czynnikiem jest dobór materiałów o dużej odporności korozyjnej, a temperatura topienia nie powinna być wyższa od 1400oC. Zestaw po stopieniu i wyklarowaniu frytuje się na specjalnym transporterze formującym, schładzanym powietrzem i wodą, gdzie wskazanym jest kontrola temperatur metodą termowizyjną na szkliwie i urządzeniach formujących i transportujących. 
Rys. 4. Rozkłady temperatury na powierzchni strugi szkła i taśmy szklanej przy wypływie pieca oraz na taśmociągu, w drodze do frytowania przy produkcji szkła wodnego
Badania termowizyjne w produkcji szkła płaskiego Produkcja szkła płaskiego, ze względu na jego rosnącą rolę w budownictwie oraz ciągle rozwijający się przemysł motoryzacyjny, wciąż rozwija się dynamicznie, wpływając na jej znaczenie w przemyśle szklarskim. Jeżeli chodzi o sposób formowania płaskiego szkła budowlanego wciąż używa się trzech podstawowych sposobów: szkło ciągnione (metodą Furcaulta lub Pitsburgh), szkło walcowane oraz szkło float. Obecnie dominująca metodą jest metoda float. Szkło float to najnowocześniejsza metoda formowania, opracowana w Anglii w połowie XX w. Polega na tym, że roztopiona masa szklana jest wylewana na powierzchnię roztopionego metalu (stopu cyny), znajdującego się w wannie flotacyjnej i ogrzewanego w atmosferze ochronnej. Na powierzchni metalu gorąca masa szklana, pod wpływem sił grawitacji i napięcia powierzchniowego, przybiera postać płyty o prawie równoległych płaszczyznach. Szyby wyprodukowane metodą float dają bardzo małą deformację obrazu i nadają się do napylania warstw modyfikujących. Obecnie większość szkła używanego w budownictwie mieszkaniowym i użyteczności publicznej stanowi szkło float. W Polsce produkcję szkła float rozpoczęto w połowie lat 90. XX w. Innymi wykorzystywanymi jeszcze metodami produkcji szkła płaskiego jest metoda szkła ciągnionego (metoda Pitsburgh lub Furcault'a). Jednak tymi metodami szkło produkowane jest coraz rzadziej. Badania rozkładów temperatury podczas produkcji szkła budowlanego ciągnionego Ciągnienie szkła metodą Pittsburg jest drugim, obok metody float, sposobem produkcji szkła płaskiego budowlanego. W metodzie tej taśma szklana formowana jest ze swobodnej powierzchni. Pole zwiększonej lepkości, wymagane dla uformowania taśmy, uzyskuje się przez umieszczenie bloku formującego pod lustrem szkła, w studni podmaszynowej. Szyb maszyny ma ok. 12 m z czego 3/5 jest obudowane płytami żeliwnymi z izolacją. W szybie maszyny ciągnącej zamontowane są chłodnice typu segmentowego oraz trzymacze obrzeży, które służą ukształtowaniu brzegów. Dolne zakończenia szybów, a równocześnie zamknięcia komór ciągnienia wykonane są w formie stalowych rynien z obszarami obserwacyjnymi na tzw. „cebulce”. Taśma szklana podnoszona jest za pomocą napędzanych specjalnych wałków. Szyb maszyny zaopatrzony jest też w wiele palników, które wykorzystuje się w czasie rozgrzewania i niekiedy ze względów technologicznych. Na pracujących obiektach można wykonać badania termowizyjne na zewnętrznych powierzchniach studni podmaszynowych i szybów maszyn i na tej podstawie ocenić ich stan techniczny. Obrazy termalne wykazujące zróżnicowanie temperatur na zewnątrz mogą być wynikiem różnych rozkładów wewnątrz szybu lub też różnej jakości i grubości materiałów oraz szczelności obudowy. Prawidłowo prowadzony proces ciągnienia szkła płaskiego wymaga przestrzegania pewnych zasad: - hermetyzacja – komora ciągnienia powinna być uszczelniona zarówno przed możliwością zasysania powietrza z otoczenia, jak i z atmosfery wanny, - izolacyjność – komora ciągnienia nie powinna stwarzać dużych gradientów temperatury miedzy ścianami bocznymi, a formowaną taflą szkła. Izolacją pokrywa się sklepienia, boki i dna kanałów studni podmaszynowych, - stała temperatura formowania – przy wyciąganiu szkła płaskiego zasadą jest kontrolowanie i regulowanie temperatury. Wyciąganie tafli szkła w niewłaściwej temperaturze zwiększa falistość co jest zjawiskiem niepożądanym. Likwidację lub zmniejszenie falistości szkła osiągnąć można poprzez odpowiednią hermetyzację i izolację procesu ciągnienia lecz przede wszystkim przez przestrzeganie zasad technologii. Ogólną zasadą jest doprowadzenie do symetrii układu termicznego zarówno w masie szklanej, jak i w formowanej tafli szkła. Do kontroli i poprawy temperaturowych parametrów technologicznych przydatne mogą być badania termowizyjne. 
Rys. 5. Rozkłady temperatury na powierzchni obudowy szybu maszyny wyciągowej oraz obudowy studni podmaszynowej w procesie produkcji szkła płaskiego ciągnionego metodą Pittsburg.Widok od czoła maszyny  Rys. 6. Rozkłady temperatury na powierzchni obudowy szybu maszyny wyciągowej oraz obudowy studni podmaszynowej w procesie produkcji szkła płaskiego ciągnionego metodą Pittsburg.Widok z boku maszyny Badania rozkładów temperatury podczas produkcji szyb samochodowych ze szkła float Szkło do okien samochodowych musi zostać poddane procesowi gięcia dla uzyskania odpowiedniego kształtu. W zakresie od 500 do 600°C lepkość szkła spada w miarę jego przekształcenia z kruchego ciała stałego w substancję plastyczną. Istnienie fazy plastycznej umożliwia produkowanie skomplikowanych kształtów, pozbawionych zmarszczeń i innych defektów optycznych. W przypadku szyb przednich najczęściej stosowanym procesem jest gięcie grawitacyjne. Szkło podgrzewane jest do osiągnięcia plastyczności, a następnie osiada pod własnym ciężarem aż do uzyskania pożądanego kształtu. Alternatywną metodą, umożliwiającą dokładniejsze kontrolowanie powierzchni jest wyginanie w prasie. Po wprowadzeniu w fazę plastyczną szkło jest dociskane w celu osiągnięcia pożądanego kształtu pomiędzy matrycą górną i dolną. Procesy stosowane w produkcji szkła dla motoryzacji: gięcie, hartowanie czy laminowanie wymagają szczegółowej kontroli temperatury i jej rozkładu. Stąd też bardzo pomocnym narzędziem sprawdzającym mogą być metody termowizyjne Badania termowizyjne znajdują zatem zastosowanie nie tylko przy produkcji szkła płaskiego lecz również w przetwórstwie szkła, a więc np. przy produkcji przednich szyb samochodowych oraz tylnych szyb ogrzewanych. Termowizyjna kontrola jakości szklanych wyrobów gotowych Przy pomocy termowizji możliwa jest również kontrola jakości wyrobów gotowych, np. szyb zespolonych montowanych w oknach oraz szyb ogrzewanych samochodowych, gdyż można badać rozkłady temperatury na ich powierzchniach i porównywać je z normą w warunkach laboratoryjnych (rys. 9). Badać można różne parametry układów grzewczych szyb samochodowych poprzez zastosowaną moc grzewczą, układ ścieżek czy ich rozmieszczenie. Uzyskane doświadczenia mogą być wykorzystane w przyszłych pracach projektowych. Analizować można również elementy konstrukcyjne szyb zespolonych i okien, np. zastosowany rodzaj ramek metalowych, użyty gaz w przestrzeni miedzyszybowej, czy rodzaj ram okiennych. Sprawdzać można także okna w warunkach użytkowania w budynkach poprzez badania termoizolacyjności szyb zespolonych z zewnątrz i od wewnątrz (rys. 10-11)  Rys. 7. Rozkłady temperatury na powierzchni przednich szyb samochodowych po wyjściu ich z pieca, przed procesem ich wyginania 
Rys. 8. Rozkłady temperatury na powierzchni przednich szyb samochodowych w procesie ich wyginania i stygnięcia
Podsumowanie Procesy technologiczne w przemyśle szklarskim przy produkcji szkła technicznego i szkła płaskiego (budowlanego i samochodowego) powinny przebiegać także w ściśle określonych warunkach. Powoduje to konieczność utrzymywania parametrów temperaturowych w możliwie wąskim zakresie. Badania i pomiary termowizyjne są zatem narzędziem pomocnym technologom w sytuacji zaburzeń technologicznych lecz także do bieżącej kontroli cyklu produkcyjnego. Najważniejszym zagadnieniem, które może być rozwiązane, to określenie obszarów, w których występują znaczne gradienty temperatury. Porównanie kolejnych pomiarów umożliwia ocenę powtarzalności procesów cieplnych przebiegających podczas produkcji i zlokalizowanie miejsca, przyczyny i skutku występujących ewentualnych anomalii. Termowizyjne metody badania pól temperaturowych mogą znaleźć zastosowanie wszędzie tam, gdzie na podstawie rozkładu temperatury lub ich zmian w czasie można wnioskować o zachodzących zjawiskach. Wykorzystywane być mogą one do kontroli ciągu produkcji szkła, jak również jego przetwórstwa w warunkach przemysłowych, a także do kontroli jakości wyrobów w warunkach laboratoryjnych. Ważnym zagadnieniem jest również fakt, że produkty (np. szyby zespolone w oknach, czy samochodowe szyby ogrzewane) mogą być sprawdzane w warunkach eksploatacyjnych przy sprawach spornych. Na tej podstawie można określić, czy ewentualne wady są spowodowane złą jakością wyrobów (szyb zespolonych lub ram okiennych), czy niestarannością ich montażu. Badania szyb ogrzewanych w samochodzie umożliwiają określenie prawidłowości pracy systemów grzewczych. Stosowanie badań termowizyjnych pozwala zatem rozwiązywać zagadnienia pomiarowe poprawiając dokładność, które tradycyjnymi metodami pomiaru temperatury były nierozwiązalne, lub trudne do rozwiązania. 
Rys. 9. Badania rozkładów temperatury na powierzchni tylnych szyb samochodowych z układami grzewczymi przy różnych konstrukcjach ścieżek i różnym obciążeniu 
Rys. 10. Rozkłady temperatury na powierzchniach zewnętrznych przeszkleń okiennych w budynku biurowym – porównanie. Widoczne jaśniejsze miejsca ucieczki ciepła (największych strat cieplnych z budynku) 
Rys. 11. Rozkłady temperatury na powierzchniach zewnętrznych okien w budynku biurowym ambasady. Widoczne jaśniejsze miejsca ucieczki ciepła (największych strat cieplnych z budynku) w obszarze ram okiennych
Józef Osiadły DIAGNOTERM
Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym Cały artykuł zamieszczono w częściach w: - „Świecie Szkła” 5/2009 (Zastosowania termowizji w przemyśle szklarskim - Część 1 ) - „Świecie Szkła” 6/2009 (Zastosowania termowizji w przemyśle szklarskim - Część 2 ) - „Świecie Szkła” 9/2009 (Zastosowania termowizji w przemyśle szklarskim - Część 3 ) - „Świecie Szkła”10/2009 (Zastosowania termowizji w przemyśle szklarskim - Część 4 ) - „Świecie Szkła”12/2009 (Zastosowania termowizji w przemyśle szklarskim - Część 5 ) - „Świecie Szkła” 5/2010 (Zastosowania termowizji w przemyśle szklarskim - Część 6 ) patrz też: - Termografia w podczerwieni w hutniczym przemyśle szklarskim, Tomasz Zduniewicz, Świat Szkła 6/2008
inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne patrz też numer specjalny: Termowizja w przemyśle szklarskim i budownictwie |
