Extrusion of glass melts : Influence of wall friction effects on the die swell phenomenon

Abstract

During the extrusion of glass melts the states "complete wall sticking" and "frictionless wall slipping" are two borderline cases for the flow conditions inside the die channel. Wall sticking leads to an increase of the cross-sectional area of the extruded rod of about 28 %, while for wall slipping the die swell becomes zero. Moreover, there exist special die materials which under certain experimental conditions cause a local slipping depending on the friction of the glass melt along the die wall. In this case Coulomb's law is applied to describe the flow behaviour. Die materials with a high nickel content favour such a wall-gliding behaviour. This is accompanied by a decrease of the die swell phenomenon together with an increase of the precision of shape and dimensional accuracy of the extruded rods. Theoretical considerations as well as experimental results suggest the hypothesis, that the wall slipping of a glass melt only takes place within a specific region of the die channel immediately in front of the die exit. By using die materials with wall-slipping behaviour a significant reduction in the die swell can be obtained, as the flattening of the inhomogeneous velocity profile already occurs inside the die channel. On the other hand, it could also be shown, both by experiments as well as by numerical simulation, that a diminution of the wall friction by shortening the channel length up to the knife-edge die does not effect the complete removal of the die swell phenomenon. Beim Strangpressen von Glasschmelzen stellen die Zustände „vollkommene Wandhaftung" und „reibungsloses Wandgleiten" zwei Grenzfälle bezüglich der Strömungsverhältnisse im Matrizenkanal dar. Wandhaften führt zu einer Querschnittsvergrößerung des extrudierten Stranges um etwa 28 %, während die Strangaufweitung bei Wandgleiten zu Null wird. Daneben gibt es spezielle Matrizenwerkstoffe, die unter bestimmten Versuchsbedingungen örtlich ein reibungsbehaftetes Gleiten der Glasschmelze entlang der Matrizenkanalwand bewirken. Die Beschreibung der Strömungsvorgänge kann dabei mit Hilfe des Coulombschen Reibungsgesetzes erfolgen. Matrizenmaterialien mit hohem Nickelgehalt begünstigen ein derartiges Gleitverhalten. Sie bewirken daher eine Verminderung der Strangaufweitung und damit zugleich eine Erhöhung der Form- und Maßgenauigkeit der stranggepreßten Stäbe. Theoretische Überlegungen und experimentelle Befunde legen die Vermutung nahe, daß ein Wandgleiten der Glasschmelze lediglich in einem gewissen Teilabschnitt des Matrizenkanals unmittelbar vor dem Matrizenaustritt stattfindet. Während bei Verwendung von Matrizenwerkstoffen mit Wandgleitverhalten eine weitgehende Reduzierung der Strangaufweitung dadurch erreicht werden kann, daß die Einebnung der inhomogenen Geschwindigkeitsverteilung bereits innerhalb des Matrizenkanals erfolgt, konnte sowohl experimentell als auch theoretisch gezeigt werden, daß die Herabsetzung der Wandreibung durch die Verkürzung der Kanallänge bis hin zur Schneidenmatrize keine vollständige Beseitigung des Düsenschwellphänomens bewirkt.