Tempra termica tradizionale
Generalmente, il corpo del pannello deve raggiungere una temperatura di rammollimento pari a circa 660 °C nel caso del vetro sodico-calcico (questa temperatura varia a seconda della composizione del vetro) prima dell’avvio del processo di raffreddamento. Questo processo, solitamente eseguito mediante ventilazione forzata della superficie del vetro, consente la rapida fuoriuscita del calore, così da raffreddare la superficie esterna mentre quella interna rimane ancora molle. Mano a mano che il raffreddamento continua, la contrazione termica della parte interna genera una tensione di sollecitazione sulla superficie esterna raffreddata, mentre una sollecitazione di trazione viene indotta nella parte interna. Si ottiene così un pannello temprato termicamente. La figura 1 mostra la tipica sequenza di un processo di tempra, nonché una delle difficoltà fisiche derivanti dalla temperatura di 660 °C, necessaria per l’avvio del processo di raffreddamento.

Come illustrato in figura 1, il vetro viene riscaldato in un forno tradizionale (1) e in seguito trasferito in una camera (sezione 3) dove viene sottoposto a sagomatura (se necessario); infine, il vetro giunge in una camera separata (sezione 4) per il processo di raffreddamento. A questo punto, il vetro deve presentare una temperatura minima di 660 °C. Tale temperatura, tuttavia, è destinata a calare molto rapidamente (circa 25 g/s nel caso di pannelli con uno spessore inferiore a 3,00 mm) prima che abbia inizio il processo di raffreddamento nella sezione 4. La soluzione scelta generalmente per ovviare a questo calo di temperatura consiste nel surriscaldare l’ultima parte del forno di preriscaldamento (sezione 2), così da aumentare la temperatura di 50-100 °C, e fare passare molto rapidamente il vetro in questa area.


Figura 1 - Apparecchiatura per il processo tradizionale

Questa procedura sfrutta la proprietà del vetro per cui, in presenza di un rapido aumento della temperatura, esso è in grado di restare allo stato viscoso per un periodo più lungo. Tuttavia, nel caso di vetri con uno spessore inferiore a 3,0 mm, questa soluzione risulta inadeguata. La storia termica del vetro viene descritta in maniera più dettagliata in figura 2.


Figura 2 - Temperature del vetro nel processo tradizionale

Nella sezione 1 è rappresentata la fase di preriscaldamento della sequenza di preparazione del vetro per il processo di tempra; nella sezione 2 viene indicato l’ulteriore aumento della temperatura, necessario nella sezione di preriscaldamento per compensare la perdita di calore durante il trasferimento verso l’area di raffreddamento; nella sezione 3 si può osservare l’effettivo calo della temperatura del pannello di vetro prima dell’inizio del raffreddamento nella sezione 4. È in corrispondenza delle sezioni 2 e 3, che in figura 2 rappresentano l’area di trasferimento, che si presentano le difficoltà fisiche menzionate in precedenza. A temperature superiori a 660 °C, il calore necessario per l’avviamento del processo di raffreddamento nella sezione 4, la viscosità del vetro diminuisce molto rapidamente e il pannello di vetro tende a subire deformazioni in sede di movimentazione. Questo problema può diventare ancora più grave in presenza di pannelli “sottili”, ossia con uno spessore inferiore a 3,0 mm. In figura 3 vengono riportati i dati estrapolati da un manuale (Alexander Fluegel, 2007) relativi alla diminuzione di viscosità del vetro sodico-calcico nell’intervallo di temperatura analizzato nel presente studio.


FIgura 3 - Viscosità espressa in Pascal/secondo su una scala logaritmica in base 10. Tra i 600 e i 700 °C si verifica una riduzione troppo drastica per consentire la movimentazione

La scala logaritmica mostra che la viscosità cala di più di tre punti a una temperatura compresa tra 600 e 660 °C. Proprio questa flessione vertiginosa costituisce un serio problema in sede di lavorazione, dal momento che il vetro molle deve essere trasportato dalla zona di riscaldamento a quella di raffreddamento in maniera tale da evitare l’insorgere di difetti ottici. Il nuovo procedimento implica un sistema del tutto innovativo per formare e/o temprare i pannelli di vetro, come descritto in figura 4.



Figura 4 - Configurazione  dell’apparecchiatura a onde radio

In questo processo, il vetro viene preriscaldato in un forno tradizionale (sezione 1), fino al raggiungimento di una temperatura che consenta il trasferimento o la sagomatura nella sezione 2. Il vetro viene quindi portato a una temperatura idonea al di sotto della soglia di rammollimento di 660 °C. A circa 650 °C il vetro è sufficientemente flessibile da consentire la sagomatura, ma al contempo sufficientemente rigido da resistere alla deformazione provocata dalle normali procedure di movimentazione. Il vetro, che presenta una temperatura relativamente bassa di circa 650 °C (preferibilmente tra 620 e 650 °C), può quindi essere trasferito nel forno a onde radio (sezione 4). Al suo interno, il vetro deve essere portato alla temperatura di 660 °C affinché abbia luogo il processo di raffreddamento. L’interno del forno, a temperatura ambiente, integra anche il sistema di raffreddamento; questa procedura ha luogo all’interno della camera prima che la temperatura del vetro inizi a calare. Questo passaggio rappresenta la novità del processo qui descritto rispetto ai metodi tradizionali di tempra termica. La figura 5 propone la storia termica di questo nuovo sistema con dovizia di particolari.


Figura 5 - Temperatura del vetro nel processo di tempra a onde radio

Nella sezione 1 è rappresentata la fase di preriscaldamento del vetro in un forno tradizionale; nella sezione 2 viene presentato il processo di formatura del vetro a circa 650 °C, mentre nella sezione 3 viene descritta la fase di riscaldamento del vetro fino alla temperatura di raffreddamento di 660 °C mediante l’energia delle onde radio. In linea di massima, l’energia viene applicata a una frequenza di circa 20 MHz. L’apparecchio è disponibile sul mercato con questa frequenza e vanta una comprovata sicurezza degli impianti. Esso trova largo impiego, ad esempio, nelle applicazioni per l’estrazione dell’umidità nella filiera della trasformazione degli alimenti e della carta. Nella sezione 4 è rappresentato il processo di raffreddamento.
La figura 6 presenta la configurazione tipica degli elettrodi all’interno della camera a onde radio.


Figura 6 - Gli elettrodi di “piegatura” sono disposti lungo il pannello di vetro, il più vicino possibile ai margini

I due fasci di elettrodi, positivo e negativo, vengono posizionati accanto al vetro in maniera trasversale per garantire la massima esposizione al campo delle onde radio che viene a formarsi tra i due poli. Sopra e sotto il vetro sono presenti delle ventole, che raffreddano il vetro quando viene raggiunta la temperatura necessaria pari a 660 °C. I tempi (nel momento in cui si conclude il riscaldamento e inizia il raffreddamento) vengono regolati con una precisione nell’ordine di frazioni di secondo. Il vetro poggia su rulli che comprendono anelli in ceramica realizzati appositamente per le applicazioni che prevedono l’impiego di onde radio. Gli anelli e i rulli permettono la libera circolazione dell’aria, essenziale per il processo di raffreddamento. Un’ulteriore peculiarità di questo sistema viene descritta in figura 7.


Figura 7 - Note sugli assi dei rulli

Il vetro, una volta raggiunta una temperatura idonea di circa 630 °C (compresa tra 620 e 650 °C) viene trasferito dalla sezione di preriscaldamento a una serie di rulli. Questi ultimi sono disposti ad arco, in modo tale da rappresentare il raggio a cui deve aderire il vetro formato e temprato. Ad esempio, i vetri destinati al comparto automotive per la costruzione delle portiere richiedono normalmente un raggio di 30’’.

Una volta che il vetro ha raggiunto questa rulliera, l’energia delle onde radio viene attivata ed esse riscaldano il vetro fino a portarlo a circa 660 °C, come descritto in precedenza. A questa temperatura, il vetro inizia a incurvarsi seguendo l’arco formato dai rulli. Al momento opportuno, viene azionata l’aria di raffreddamento per temprare il pannello. (Nota: l’autore ha notato che il vetro, riscaldato rapidamente tramite l’energia delle onde radio, non tende all’incurvamento/abbassamento tipico del vetro portato alla stessa temperatura per mezzo di metodi convenzionali quali irradiazione, convezione e conduzione. Ad esempio, quando il vetro viene riscaldato di 10 °C al secondo tramite onde radio, tende a incurvarsi quasi immediatamente quando viene raggiunto il punto di rammollimento. Inoltre, il riscaldamento per mezzo di onde radio provoca verosimilmente lo sviluppo di un’elevata sollecitazione dovuta alla tempra, nonostante l’attivazione del sistema di raffreddamento ad aria dopo un rapido aumento della temperatura, fino al punto di rammollimento. L’autore ritiene che il riscaldamento del vetro per mezzo delle onde radio possa variare la viscosità del corpo del vetro parallelamente all’aumento della temperatura anche quando il riscaldamento avviene rapidamente. Questo aspetto sembra contraddire le osservazioni sui metodi tradizionali di riscaldamento). Questo processo può inoltre essere utilizzato per la produzione di vetro appartenente alla categoria “vetro sottile”, solitamente con uno spessore compreso tra 6,0 e 10,0 mm, destinato alla costruzione di vetrine di grandi dimensioni.

Questi pannelli presentano un problema specifico relativo alla tempra, dal momento che viene applicato un elevato gradiente di temperatura lungo il pannello stesso durante il trasferimento dalla camera di preriscaldamento a quella di raffreddamento. La temperatura dell’estremità anteriore, infatti, cala rapidamente prima che l’estremità posteriore sia fuoriuscita dal forno di preriscaldamento. Tale calo può essere compensato mediante un aumento della temperatura di uscita dal forno di preriscaldamento. Ciò provoca tuttavia la deformazione della superficie. Se si trasferisce il vetro nella camera a onde radio a una temperatura relativamente bassa, pari a 620 °C, lo si riscalda a una temperatura uniforme di 660 °C tramite onde radio e quindi si avvia il sistema di raffreddamento, è possibile eseguire una tempra uniforme del pannello. Come illustrato in figura 8, ad esempio, gli elettrodi possono essere posizionati in modo tale da riscaldare selettivamente la parte anteriore del vetro più rapidamente rispetto alla parte posteriore. Se si modifica la distanza tra i due elettrodi, varia anche l’intensità del campo delle onde radio applicato al vetro. Di conseguenza, la parte anteriore riceve più energia e la sua temperatura si avvicina maggiormente a quella della parte posteriore. Inoltre, è possibile risparmiare energia in corrispondenza della sezione di preriscaldamento.


Figura 8 - Gli elettrodi di piegatura si trovano più vicini al margine anteriore, al fine di apportare maggiore calore in quest’area

Uno dei vantaggi più significativi del processo di tempra per mezzo di onde radio consiste nel fatto che esso può essere applicato al vetro “sottile”. Mentre i sistemi tradizionali possono essere applicati solamente a vetri con spessore pari a 3,0 e 2,9 mm, il processo che sfrutta le onde radio è in grado di temprare i pannelli di vetro con uno spessore pari o inferiore a 2,00 mm. Presso il laboratorio di Vitro Central Glass Technology sono stati temprati pannelli da 300x300 mm (12x12 pollici) di diverso spessore. La figura 9 mostra una fotografia dello schema di rottura di un pannello spesso 2,70 mm, oltre alle dimensioni massime delle particelle. Le figure 10, 11, 12 e 13 riportano immagini simili relative a pannelli dallo spessore di 2,00 mm.


Figura 9 - Provino: spessore 2,7 mm; dimensioni 12x12 pollici. Il peso massimo consentito per ogni frammento è pari a 4,3 grammi (il frammento più grande pesa 1,07 grammi)


Figura 10 - Provino: spessore 2,5 mm; dimensioni 12x12 pollici. Il frammento più grande pesa 2,09 grammi


Figura 11 - Provino: spessore 2,3 mm; dimensioni 12x12 pollici. Il frammento più grande pesa 3,71 grammi


Figura 12 - Provino: spessore 2,0 mm; dimensioni 12x12 pollici. Il frammento più grande pesa 4,2 grammi


Figura 13 - Provino: spessore 2,0 mm; dimensioni 12x12 pollici. Il frammento più grande pesa 4,2 grammi

In conclusione, ricorrendo a sistemi adeguati per esporre il vetro preriscaldato a un’elevata densità di flusso di energia di onde radio, è possibile temprare pannelli di vetro molto sottili (con spessore minore o uguale a 2,00 mm).


Probabilmente, questo sistema innovativo influirà in maniera significativa sul settore del vetro piano in termini di fabbisogno di materie prime, consumo energetico del forno di fusione, numero di pannelli trasportati in una volta, riduzione del peso dei pannelli temprati ecc. Inoltre, il vetro sottile temprato andrà incontro alle esigenze dell’industria delle celle fotovoltaiche, in cerca di pannelli più leggeri e resistenti in grado di offrire una trasparenza superiore. Questo sistema trova inoltre applicazione nella produzione di vetro stratificato dotato di un’elevata resistenza all’impatto. L’aspetto più interessante del processo consiste nel fatto che esso può essere integrato nelle apparecchiature per la tempra e la formatura di pannelli di vetro già esistenti.