溫度對玻璃退火的影響

溫度對玻璃退火的影響

1玻璃的應(yīng)力原玻璃板的質(zhì)量反映在兩個方面：外觀質(zhì)量和內(nèi)部應(yīng)用程度分布。玻璃的退火就是為了減小和消除玻璃中的殘余內(nèi)應(yīng)力,使其在允許值范圍內(nèi)且分布合理。平板玻璃中的應(yīng)力通常分為3類,即:熱應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。在生產(chǎn)中玻璃受不均勻的溫度變化會產(chǎn)生熱應(yīng)力,按其存在的特點(diǎn)分為暫時應(yīng)力和永久應(yīng)力。玻璃因化學(xué)組成不均勻?qū)е陆Y(jié)構(gòu)上的不均勻而產(chǎn)生的應(yīng)力為結(jié)構(gòu)應(yīng)力,這種應(yīng)力為永久性的,如玻璃中的結(jié)石、節(jié)瘤和條紋等缺陷周圍引起的應(yīng)力。機(jī)械應(yīng)力指外力在玻璃中引起的應(yīng)力,外力消除機(jī)械應(yīng)力也將消失,在線測玻璃應(yīng)力時就會發(fā)現(xiàn),如玻璃在傳輸軌道上搭在兩膠輥上的部位受力與周圍有明顯的變化,這種應(yīng)力不影響玻璃質(zhì)量。2玻璃的熱自然過程—應(yīng)力松弛玻璃帶離開錫槽進(jìn)入退火窯,玻璃的溫度將逐漸降低,黏度將逐漸變大,當(dāng)黏度為1012Pa·S時,玻璃將從黏彈性體進(jìn)入彈性狀態(tài),在這過程中的玻璃由于存在溫度梯度,它的分子間將受不同方向的力,此時的玻璃具有黏彈性,在受到不均勻力的作用時,分子間產(chǎn)生位移和形變,以使玻璃達(dá)到平衡,消除由溫度梯度而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。在這一溫度下玻璃中的95%的應(yīng)力會在3min內(nèi)消失,這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。掌控好應(yīng)力松弛時的溫度對玻璃的退火起至關(guān)重要的作用。通常稱這個溫度為玻璃應(yīng)變點(diǎn)溫度,也叫退火上限溫度。退火上限溫度與其玻璃的化學(xué)成分有關(guān),一般浮法玻璃的退火上限溫度為540~560℃。3永久性和暫時的過載3.1玻璃帶共溫度梯度低于退火上限溫度,玻璃呈彈性狀態(tài),各個分子間不再有位置的移動,玻璃帶中依然存在溫度梯度。隨著溫度不斷降低,玻璃開始收縮,逐漸從彈性向硬性方向發(fā)展。我們假設(shè)玻璃帶中的溫度梯度為中間高兩邊低的拋物線形(見圖1),把玻璃帶縱向分為互相連接的單元窄條,a條較b條溫度低,將率先達(dá)到室溫,體積平衡不再收縮;而此時的b條由于溫度較高還將繼續(xù)降溫,體積將繼續(xù)收縮,這樣它們之間就產(chǎn)生一個相互的作用力。a已達(dá)到平衡而b還要繼續(xù)向內(nèi)收縮,由于a、b相互連接,a必然要阻止b的收縮,給b一個向外的拉力,同時b為了向內(nèi)收縮而給a一個向內(nèi)的壓力。當(dāng)玻璃完全達(dá)到室溫時,玻璃帶為了消除內(nèi)部的溫度梯度使玻璃達(dá)到平衡,一部分產(chǎn)生形變,另一部分形成了玻璃的永久應(yīng)力(見圖2)。3.2玻璃的張應(yīng)力及應(yīng)力當(dāng)玻璃處于硬性狀態(tài)分子間不再有位置移動時,由于外界溫度的影響,玻璃會產(chǎn)生熱漲冷縮的現(xiàn)象,假如玻璃板上的這種溫度分布不均勻,那么反映在玻璃板上每點(diǎn)的膨漲與收縮大小就不相同,溫度高的地方膨漲大,溫度相對低的地方則膨漲小,這樣就形成了溫度較低的玻璃為阻止溫度較高玻璃的膨漲而給溫度較高玻璃處一壓應(yīng)力,而溫度較高玻璃為膨漲給溫度較低玻璃處一向外的拉力,我們稱這種拉力為玻璃的張應(yīng)力。這一狀態(tài)下,玻璃中由于溫度梯度而產(chǎn)生的應(yīng)力,在玻璃板溫度達(dá)到平衡時會自然消失。我們稱這種應(yīng)力為暫時應(yīng)力。應(yīng)力是退火時由于玻璃帶中存在溫度梯度而形成的。永久應(yīng)力是玻璃經(jīng)應(yīng)力松弛后,玻璃帶中依然存在的不均勻溫度分布而產(chǎn)生,它隨著玻璃的溫度降低而慢慢出現(xiàn),到達(dá)室溫玻璃溫度完全平衡時永久應(yīng)力才完全顯示出來。它與溫度的關(guān)系是:溫度梯度高的地方形成永久張應(yīng)力;溫度梯度低的地方形成永久壓應(yīng)力。暫時應(yīng)力是玻璃處于退火下限溫度時,玻璃板中溫度梯度存在時而產(chǎn)生的,當(dāng)玻璃達(dá)到室溫時,暫時應(yīng)力會自動消失。它與溫度的關(guān)系是:溫度梯度高的地方形成暫時壓應(yīng)力;溫度梯度低的地方形成暫時張應(yīng)力。4玻璃的應(yīng)力玻璃中的熱應(yīng)力分為2種,即:端面應(yīng)力和平面應(yīng)力。端面應(yīng)力是指玻璃板厚度方向上的應(yīng)力,其產(chǎn)生原因是在退火溫度范圍內(nèi)玻璃厚度方向冷卻的速度不同。設(shè)計(jì)退火窯時所給的應(yīng)力參數(shù)一般指的就是端面應(yīng)力值,主要是為考核玻璃的拉引速度與退火窯的降溫速度的關(guān)系。它的檢測是將玻璃切成一定寬度的窄條,沿厚度方向逐點(diǎn)測量。它的分布形式一般為中間張應(yīng)力,兩個表面為大小相同的壓應(yīng)力。平面應(yīng)力是玻璃在退火中由板寬方向的溫度分布而引起的應(yīng)力,它的應(yīng)力方向主要與玻璃帶的運(yùn)行方向一致。平面應(yīng)力能準(zhǔn)確地反映出退火窯中各個退火區(qū)玻璃帶的橫向溫度分布。平面應(yīng)力通常幾倍或十幾倍于端面應(yīng)力,以平面應(yīng)力和端面應(yīng)力在玻璃中的存在形式和特性比較,平面應(yīng)力的破壞性遠(yuǎn)大于端面應(yīng)力。在此我們主要討論平面應(yīng)力。測量玻璃應(yīng)力是為了檢驗(yàn)玻璃的退火質(zhì)量,解決傳統(tǒng)玻璃退火依賴于經(jīng)驗(yàn)和僅有的溫度測量而帶來的許多不確定的問題。經(jīng)驗(yàn)對退火操作者來說固然重要,但僅憑經(jīng)驗(yàn)已滿足不了現(xiàn)代玻璃生產(chǎn)對產(chǎn)品質(zhì)量的要求。而溫度測量雖說是退火窯必不可少的檢測手段,但它與玻璃帶自身的溫度之間卻有相當(dāng)大誤差。退火窯中主要測溫元件熱電偶顯示的只是熱電偶周圍的環(huán)境溫度。新設(shè)計(jì)的退火窯中間安裝1點(diǎn)或3點(diǎn)紅外測溫,比傳統(tǒng)的熱電偶測溫準(zhǔn)確了許多,但它僅局限于玻璃帶上的幾個點(diǎn)的溫度,而完全反映不出玻璃帶寬度方向上的溫度分布,故不能真實(shí)地反映退火窯橫斷面各區(qū)各點(diǎn)的退火狀況。5應(yīng)力與衰落的例子(1)玻璃的長期應(yīng)力這是我們應(yīng)力測量推廣中遇到的實(shí)際情況。玻璃生產(chǎn)表面上很正常,因此在調(diào)整退火窯參數(shù)時不知從何下手,多次調(diào)整沒有任何改進(jìn),溫度顯示沒有任何異常。在多日調(diào)整無果的情況下,廠方請筆者協(xié)助解決,我們臨時安裝了在線應(yīng)力儀,對玻璃的永久應(yīng)力進(jìn)行測量,發(fā)現(xiàn)它的永久應(yīng)力雖然不大,但玻璃中間的張應(yīng)力出現(xiàn)多次起伏狀(見圖3),雖然玻璃切割后應(yīng)力釋放了一部分,但存在起伏張應(yīng)力的玻璃在刀頭力度固定的自動切割機(jī)上輕輕一壓就會破碎。依據(jù)圖3的應(yīng)力曲線分布,在退火區(qū)對應(yīng)曲線中間應(yīng)力偏低的個處將溫度略上調(diào)幾度,再測量它的應(yīng)力曲線,逐步調(diào)整到圖4的狀態(tài),完全達(dá)到自動切割機(jī)的要求,圓滿地完成了退火窯的溫度修正。(2)玻璃應(yīng)力的分布這個問題在好多廠遇到過。一些浮法生產(chǎn)線由于玻璃的傳輸軌道過短,玻璃裝箱時溫度略高,暫時應(yīng)力還沒有完全消除,裝箱或裝架后玻璃之間互相擠壓,如果應(yīng)力分布不合理,就會出現(xiàn)自爆現(xiàn)象。針對廠家的這類問題,我們在縱切前測玻璃的應(yīng)力分布,這種情況大多是因玻璃的暫時應(yīng)力過大且分布不合理(如圖5)所造成的,如果在裝箱時玻璃中還存有這種犬牙交錯的暫時應(yīng)力,稍受外力就很容易使玻璃在應(yīng)力交錯處炸開。幾個廠的經(jīng)驗(yàn)表明:這種應(yīng)力調(diào)整在退火窯的F區(qū)效果最為明顯,將應(yīng)力低的a點(diǎn)和c點(diǎn)的溫度降下來使它們與b點(diǎn)之間的溫差減小,很快玻璃的暫時應(yīng)力就會達(dá)到圖6狀態(tài)。這樣就解決了裝箱后由暫時應(yīng)力引起的自爆問題。6玻璃帶內(nèi)壓應(yīng)力大,存在彎曲的葉邊(1)玻璃帶縱炸。玻璃帶縱炸是危害最大的一種炸裂,當(dāng)玻璃邊部出現(xiàn)張應(yīng)力時,一旦大于玻璃的抗張強(qiáng)度,稍加外力就會使玻璃帶從邊部炸開,然后向退火窯延伸,見圖7。這種炸裂對生產(chǎn)危害很大,如不及時處理會一直往退火窯中延續(xù),造成很大損失。(2)Y形橫炸。當(dāng)玻璃帶一側(cè)的壓應(yīng)力過高時,邊部很松甚至出現(xiàn)彎曲的荷葉邊。這種邊部過大壓應(yīng)力的玻璃帶,它的中間張應(yīng)力也會較大,一旦中間的張應(yīng)力大于玻璃的抗張強(qiáng)度時,就會產(chǎn)生玻璃的橫炸,見圖8。(3)X形橫炸。玻璃帶兩側(cè)同時出現(xiàn)過高壓應(yīng)力時,中間的張應(yīng)力也會很大,當(dāng)大于玻璃抗張強(qiáng)度時就會出現(xiàn)如圖9的橫炸。(4)玻璃帶走偏。生產(chǎn)中常遇到玻璃帶在運(yùn)行時偏向一側(cè),肉眼可以觀測到偏向該側(cè)的玻璃帶的邊部比較緊,而另一邊卻比較松。從應(yīng)力曲線分布上可以看出,玻璃帶的兩個邊部的壓應(yīng)力不對稱,偏離側(cè)的壓應(yīng)力明顯小于另一側(cè)。這說明退火窯兩邊的溫度不對稱,玻璃帶在冷卻過程中溫度低的這邊玻璃先達(dá)到室溫,不需要再收縮,而另一側(cè)的玻璃帶還在降溫并繼續(xù)收縮,這樣整個板面就產(chǎn)生了偏向溫度高的一側(cè)的力。(5)玻璃板上彎或下彎。我們有時看到玻璃板會呈上弓或下弓狀,這是玻璃帶在退火窯中玻璃板上下溫差過大而造成的。由于溫度的不對稱,一個表面溫