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浮法玻璃的退火(2008-07-05 08:28:59)
标签：应力 玻璃板 退火区 冷却区 杂谈
分类：专业技术
1 浮法玻璃退火的原理和目的
玻璃液在锡槽成形后经过退火窑退火，由高温可塑性状态转变为室温固态玻璃的过程是逐步控制的降温过程。在此过程中，由于玻璃是热的不良导体，其不同部位及内外层会产生温度梯度，造成硬化速度不一样，将引起玻璃板产生不均匀的内应力，这种热应力如果超过了玻璃板的极限强度，便会产生炸裂。同时，内应力分布不均也易引起切割上的困难。 浮法玻璃退火的目和就是消除和均衡这种内应力，防止玻璃板的炸裂和利于玻璃板的切割。
浮法玻璃的应变点温度即退火下限温度是一个关键的温度点，通常情况下在470℃左右。退火窑在此温度之前称为退火区，玻璃板处在塑性状态；在此温度之后称为冷却区，玻璃板处于弹性状态。玻璃板在塑性状态和弹性状态下会产生不同的应力(张应力和压应力)，调整方向正好相反。由于浮法玻璃是连续性的生产，玻璃板是连续运动的玻璃带，其退火与传统退火理论有所不同。如：玻璃板下由于紧贴辊道，散热空间较板上小，相同的情况下，板上的散热量要高于板下，浮法玻璃的退火我们主要考虑玻璃板横向和上下表面的温度控制，退火后理想的状态是；玻璃板有一定的应力曲线分布(边部受压应力、中部受张应力、板上受张应力、板下受压应力)，使其具有一定的强度，又不易破碎和有利于切割。 2 退火窑的主要结构和分区
现在浮法退火窑是全钢电加热风冷型，主要的结构有两种：比利时的克纳德冷风工艺和法国的斯坦茵热风工艺。现在国内大多数采用克纳德结构，我们主要讨论此结构的退火窑。 退火窑一般分力7个区，从前至后分别是A区、B区、C区、D区、E区、Ret区和F区，有的区还可分成几个小区。
A区：又称加热均热区，温度范围在600～550℃，在此区玻璃板尽可能均化开，自动控制达到退火前的温度范围，此区设有上、下电加热抽屉及管束式辐射冷却器，冷却方式为风机抽风，辐射换热冷却。
B区：又称重要退火区，温度范围在550～450℃。此区是玻璃板产生永久应力区。控制好冷却速度，可以减少永久应力。此区每节内装有板上边部电加热箱与管束辐射冷却器，冷却方式为抽风，辐射换热冷却。
C区：又称缓慢冷却区，温度范围在450～270℃，此区在不产生过大的暂时应力条件下，提高冷却速度，使玻璃板温度降低，此区装有板上边部电加热箱与多层管束辐射冷却器, 冷却方式为风机抽风辐射换热冷却。
以上三区为保温区，壳体内一般充填硅酸铝纤维毡，故要求其密闭性和保温性能要好。通常，浮法玻璃应变点在B区后部，A区、B区也称为退火区，C区以后称为冷却区。 D区：又称为封闭或自然冷却区。
E区：为一敞开过渡区。
Ret区：又称为热风循环强制对流冷却区。此区对玻璃板的冷却采用可调温的热风进行强制直接对流冷却，分为Retl区和Ret2区两个区。
F区：又称为快速冷却区。温度范围在120—60℃。此区对玻璃板的冷却采用室温空气强制接触对流冷却。C区以后为非保温区，炸裂一般发生在D区以后。 3 玻璃板在退火过程中出现的问题和解决方法。
玻璃板在退火过程中容易出现的问题主要是炸裂和切割困难，从炸裂的成因上又分为在退火区和冷却区产生的炸裂，主要形成是纵炸和横炸。主要发生的地点在D区以后，切割困难主要包括横切掰断不齐和纵刀掰边多角少角，以下分别论述。 3．1 炸裂
3．1．1 纵炸：是指沿玻璃板拉引方向上发生的纵向裂纹，一般较长会损失较多的玻璃。 原因：发生炸裂的一侧受张应力过大，如果存在结石或微裂纹等薄弱点，炸口易从此开始向前延伸。玻璃板具体表现为边紧，用手很难将玻璃板边部从辊道上掂起(指薄玻璃，厚玻璃不明显)。纵炸一般是从退火窑后区向前区延伸发生，调整一般在炸裂端的前一区开始调整。 调整方法：
(1)如果裂纹延伸到Ret区、D区内
a．裂纹靠近边部，说明此侧的张应力大(图1) 适当降低A区此侧温度设定值或升C区此侧温度设定值。
b．若裂纹在板中部，说明板两侧张应力大。
适量降低A区板两侧温度设定值或升C区板两侧温度设定值或按相反方向调整板下部的温度。
(2) 若裂纹在F区以后
a．若裂纹在板边部，说明此侧的张应力大，减少Ret区此侧的吹风量，或增加Ret1区中部和另一侧的吹风量。
b．裂纹在板中部，说明板两侧的张应力大，增加板中部的吹风量或减少板两侧的吹风量。
3．1．2 横炸
是指玻璃板宽度方向上的炸裂，一般影响几米长的玻璃，有时仅为一条炸线。 原因：主要是受压应力影响，表现为边松，玻璃板运行时有打辊子的现象，用手很容易能将玻璃板边部掂起。 (1)调整方法
s．第一种情况：如图2，通常仅为一条炸线，出现在玻璃板有薄弱点的地方(例如：夹杂物)，这样的炸裂是正常的，可不必作调整。 图2
b.第：二种情况：如图3，呈“丫”字型，“丫”字方一侧压应力过高，增加“丫”字形一侧的吹风量，如不行可在B区或C区做相应的调整。
图3
C第三种情况：如图4，炸裂呈“X”型，说明板两侧压应力高，增加板两侧的吹风量或减少板中的吹风量或在A区、C区做相应的调整。 图4
(2)切割当中遇到的问题
浮法玻璃出退火窑后进入切割区，如确认非切割刀具问题，仍出现横断不齐和掰边多角少角现象，说明是退火原因造成的。浮法玻璃理想的切割状态是：板两侧受压应力，中间受张应力；板上受张应力，板下受压应力。故在设定各区温度时，可在不产生炸裂的情况下，人为考虑以上因素，例如：A区板中温度可设定高于板边，C区板下温度高于板上温度。 3．2．1 横断时出现的退火问题
a．掰断时，玻璃板为“丫”形，如图5，说明此侧的压应力过大。 调整：适量增加F区此侧的吹风量。 图5
b．第二种情况如图6，玻璃板中部压应力大。 调整：增加F区中部吹风量。 图6
c．第三种情况如图7，玻璃板中部张应力大。 调整：减少F区中部吹风量或增加边部吹风量。 图7
d．第四种情况。当出现掰断不沿刀痕或掰断声响，这时上表面压应力过大。 调整方法：增加F区上表面吹风量或减少F区下表面吹风量。 3．2．2 纵切时出现的退火问题 a．难切割，刀过不好掰。
原因：玻璃板在重要冷却区板上降温过快，板下受过大的张应力造成的，或是Rct区或F区下部吹风量大造成的。
调整方法：适量提高退火区板上温度，或提高F区或Ret区板上吹风量，减少板下吹风量。
b．掰断时，沿刀痕自动裂开。
说明边部受张应力过大，减少F区此侧的吹风量。在生产厚玻璃或薄玻璃时，由于成形的特殊性，会造成玻璃板边部和中部相比过薄和过厚的情况，影响退火温度，这就需要在退火温度设定时加以考虑，有时玻璃板运行偏斜或摆动，设备故障如蝶阀坏，均会影响退火。 以上讨论的均是热应力对退火的影响，结构应力和机械应力有时也会对退火造成影响。例如；原料配错料或大量使用碎玻璃，有时会造成玻璃板在退火窑长时间的不规则状的炸裂；退火窑辊子材质不好，因停闪电次数多受热不均匀而弯曲变形，玻璃板经过这样的辊子时会造成破碎，遇到这种情况，可针对具体条件采取相应的措施。例如对于辊子问题，对弯曲严重的可校正或更换，也可把辊子加工成带有凹凸槽的花辊子，以消除机械应力的影响。 以上退火的操作，往往凭借的是实际的工作经验，具有较大的主观性，建议在退火窑F区后，横切机前安装在线应力分析仪，应力仪能对玻璃板退火的情况进行直观及时的观测分析，能
够尽早发现问题及时做调整。
对浮法玻璃的退火阶段出现的问题，要针对实际情况做具体的分析，不能一概而论，需要强调指出的是，退火窑在新建和冷修时，需加强壳体的密封性和保温性，特别是辊子轴头的密封。
退火浮法玻璃市场上常见的大部分窗玻璃都是退火平板玻璃或简单退火玻璃。退火浮法玻璃的生产是熔化的玻璃连续不断地流到溶融的锡槽上，并漂浮在锡槽的表面上形成一个平板。玻璃的厚度取决于熔化玻璃的流动速度。如果流动速度小，玻璃就厚。由于锡的熔点低于玻璃，所以熔化玻璃到了锡槽内就慢慢冷却变成固体。一旦玻璃凝固，就被装进退火炉慢慢变冷使残余应力降到最小。使用这种制造方法，就可以得到上下两面近似平行的平板玻璃。尽管退火玻璃具有较小的残余表面应力，但仍然易碎。退火玻璃是所有工业生产的玻璃中最易碎的，包括强烈的空气、人的撞击以及由于温度的变化产生的热应力变化（热应力破碎将在这章后面详细讨论）。退火玻璃破碎时，会破碎成许多大小不一的、尖锐的、不规则的碎片。不同的破碎原因有可能会使这些碎片以很快的速度飞溅，造成一系列身体上的伤害甚至死亡（尤其是在爆炸、地震和强暴风时）。 热处理玻璃该玻璃与钢化玻璃（下面讨论）的生产过程相似，不过，这种玻璃仅仅被加热到1150℉并缓慢冷却，其结果呈内部是张力而外部是压力状态。这种玻璃比钢化玻璃的弯曲和翘曲能力更小，但它的强度相当于退火玻璃的两倍。由于它的破碎机理与退火玻璃相似，因此虽然经过热处理提高了强度，但通常仍不被作为安全窗用玻璃。除了弯曲性（或翘曲性）外，玻璃的所有原始性能都被保留下来没有变化，这就意味着通过加热降低玻璃的应力，使得玻璃能够抵抗更强烈的风沙和冰雹的撞击。钢化玻璃和热处理玻璃都是热处理的结果，这可以通过边缘或表面压力的大小来定义。表面压力是热处理过程（强化）的最终结果：玻璃的外表面保持高压状态，中间则为张力状态。热处理玻璃不防火。就象钢化玻璃一样，热处理玻璃按固定尺寸生产，在热处理后不能进行切割、钻孔或磨边。 钢化玻璃钢化玻璃是通过加热并快速冷却获得的产品，其内部结构发生了变化并提高了强度。退火玻璃原片加热到1200℉左右，开始软化，将外表面快速冷却，从而表面产生了很高的压力。钢化玻璃的强度是普通退火玻璃的四倍，结构的变化带来了重大的好处。首先，玻璃强度更高了；其次，在破碎时成为非常小的碎片而不是退火玻璃那种较大
的碎片，这对于因为人的意外撞击带来的风险大大降低：如滑动门、商店前门或玻璃窗。其他的例子如汽车的侧玻璃窗和后风挡等。钢化玻璃还有一个更大的好处，就是可以抵抗由于温度的变化产生的玻璃裂纹。这种现象就是所谓的热破裂，通常温差较大时发生在玻璃中央和边部，这也可能是由于环境的不同而引起的。如玻璃被不均匀的阴影或局部阴影罩住引起温度的不同，这种温差导致玻璃内部应力不同，从而产生破碎（裂纹）。如果是钢化玻璃就不可能出现这样的问题。如果是镀膜或染色钢化玻璃，这些镀膜或颜色会加大玻璃的吸热量，从而增加玻璃的应力。对这类玻璃来说，也有一些不足的地方：不是一种安防产品，因而不能保护商店橱窗里的物品，比如不能阻挡或延缓入侵者通过玻璃窗进入室内；发生爆炸时，这种产品也不能阻挡就象霰弹一样的数千爆炸碎片进入室内。当然，比退火玻璃的抗冲击波性能要好。在很多情况下，在高风险区域必须使用钢化玻璃及其同类产品，以确保符合当地建筑法规。 化学强化玻璃是另一种类型的玻璃产品，将玻璃浸入低于退火温度的熔融盐池中，玻璃表面会产生离子交换，这是一个复杂的过程，超出了我们的探讨范围。化学强化玻璃与热处理玻璃具有相似的抗压强度，但通常不用于玻璃窗，而是用于需要更薄、强度更高的工业场所。不过，这种玻璃破碎时，其破碎特征与退火玻璃相似，所以一般不被作为安全玻璃使用（化学强化玻璃有时用于夹层玻璃）。 如何鉴别玻璃类型大部分钢化玻璃的角上都有一个无色透明的按照安全建筑玻璃标准制作的蚀刻标志，这个记号表明该玻璃是完全钢化的。如果玻璃的角上没有标志，最直接的方法是用两片“偏振膜”来区分退火玻璃和热处理玻璃。将两片“偏振膜”分别贴在玻璃两侧，光线照射时，退火玻璃显示自然色彩，而热处理玻璃由于残余应力看上去五彩缤纷。
浮法玻璃退火技术的发展与展望
1. 浮法玻璃退火理论的发展
自从英国人Pilkington 发明了浮法工艺生产平板玻璃后,浮法玻璃的退火也成为广大玻璃科技工作者的研究课题,在这方面研究开发较早的国外公司主要以比利时CNUD 公司为代表,其它公司如法国STEIN 安东尼公司等也进行这方面的研究工作。 1. 1 60～70 年代浮法玻璃退火理论