浮法玻璃退火產(chǎn)生的缺陷及控制

1、.浮法玻璃中退火產(chǎn)生的缺陷及控制河南理工大學(xué) 張戰(zhàn)營一、玻璃的退火玻璃退火的目的是減弱和防止玻璃制品中出現(xiàn)過大的殘余內(nèi)應(yīng)力和光學(xué)不均勻性，穩(wěn)定玻璃內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。玻璃的退火可分成兩個主要過程：一是玻璃中內(nèi)應(yīng)力的減弱或消失，二是防止內(nèi)應(yīng)力的重新產(chǎn)生。玻璃中內(nèi)應(yīng)力的減弱和消除是以松弛理論為基礎(chǔ)的，所謂內(nèi)應(yīng)力松弛是指材料在分子熱運動的作用下使內(nèi)應(yīng)力消散的過程，內(nèi)應(yīng)力的松弛速度在很大程度上決定于玻璃所處的溫度。玻璃在加熱或冷卻過程中，由于其導(dǎo)熱性較差，在其表面層和內(nèi)層之間必然產(chǎn)生溫度梯度，因而在內(nèi)外層之間產(chǎn)生應(yīng)力。這種由于溫度梯度存在而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為溫度應(yīng)力或熱應(yīng)力，此種內(nèi)應(yīng)力的大小，既取決于玻璃中的溫

2、度梯度，又與玻璃的熱膨脹系數(shù)有關(guān)（玻璃的化學(xué)成分決定玻璃的熱膨脹系數(shù)）。熱應(yīng)力按其存在的特點可分為暫時應(yīng)力和永久應(yīng)力。暫時應(yīng)力，當玻璃受不均勻的溫度變化時產(chǎn)生的熱應(yīng)力，隨著溫度差的存在而存在，隨溫度差的消失而消失，被稱為暫時應(yīng)力。應(yīng)力的建立和消失過程。當制品冷卻開始時，因為玻璃的外層冷卻速度快，所以外部溫度比內(nèi)部溫度低，外層收縮大，而這時內(nèi)層溫度較高，且力求阻礙外層收縮，這樣造成玻璃外層產(chǎn)生張應(yīng)力，內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力。在張應(yīng)力過渡到壓應(yīng)力之間存在著中間層，其應(yīng)力值為零。當冷卻接近結(jié)束時，外層體積幾乎不再收縮，但此時玻璃內(nèi)部仍有一定的溫度，其體積力求收縮，此時造成外部受壓應(yīng)力，內(nèi)層受張應(yīng)力。由此可見

3、，在冷卻結(jié)束時，產(chǎn)生的應(yīng)力恰好和冷卻開始時產(chǎn)生的應(yīng)力性質(zhì)相反，兩者可以得到部分抵消。冷卻全部結(jié)束時，即當玻璃的外層溫度和內(nèi)層溫度趨向完全一致時，上述兩種應(yīng)力恰好抵消。我們稱這種應(yīng)力為暫時應(yīng)力。永久應(yīng)力，當溫度消失時（制品的表面和內(nèi)部溫度均等于常溫時），殘留在玻璃中的熱應(yīng)力稱為永久應(yīng)力，又稱為內(nèi)應(yīng)力。玻璃中永久應(yīng)力的成因，是由于在高溫的彈塑性階段熱應(yīng)力松弛而形成的溫度變形被“凍結(jié)”下來的緣故。當玻璃板逐漸冷卻到室溫均衡時，玻璃中殘存的應(yīng)力實際等于玻璃在高溫階段松弛掉的熱彈應(yīng)力，但方向相反。也就是說，玻璃在高溫區(qū)域產(chǎn)生及松弛的熱彈應(yīng)力在玻璃厚度方向表現(xiàn)為：表層張應(yīng)力，內(nèi)層壓應(yīng)力，且大小相等；而當玻

4、璃冷卻至環(huán)境室溫時，內(nèi)外溫度一致時，玻璃的表面層處于壓縮狀態(tài)，玻璃板內(nèi)層處于拉伸狀態(tài)。因此，玻璃板中的永久內(nèi)應(yīng)力沿玻璃板厚度方向分布為：表面為壓應(yīng)力，內(nèi)層張應(yīng)力，大小相等。由于永久應(yīng)力最終影響玻璃的切割和使用，因此需要嚴格控制。玻璃中永久內(nèi)應(yīng)力的大小決定于兩個因素：一是冷卻速度，二是玻璃在退火溫度下的冷卻過程中熱彈性應(yīng)力的松弛速度，而松弛速度取決于玻璃熱彈應(yīng)力的大小，熱彈應(yīng)力取決于冷卻速度的大小，因此，玻璃退火的關(guān)鍵是如何正確的確定和控制玻璃在高溫退火區(qū)域內(nèi)的均勻冷卻速度。二、退火過程中常見工藝問題1. 玻璃帶上下表面不對稱冷卻1.1 玻璃板在退火區(qū)域內(nèi)的不對稱冷卻玻璃板處在退火區(qū)域中，如上下

5、表面冷卻強度不同，則當玻璃冷卻到室溫均衡時，會引起應(yīng)力分布不對稱，壓應(yīng)力就會向冷得快的那一面偏移，冷卻快（涼）的表面受壓應(yīng)力，冷卻慢（熱）的表面受張應(yīng)力，如果玻璃原片足夠大，玻璃中應(yīng)力分布的不平衡必將引起變形彎曲或翹曲。若玻璃板的下表面比上表面冷卻得快，則壓應(yīng)力大的一邊在下表面，板向上彎曲；反之，向下彎曲。若產(chǎn)生的應(yīng)力超過允許值時會發(fā)生炸裂。1.2 玻璃在退火區(qū)域溫度以下不對稱冷卻玻璃在退火區(qū)域溫度以下，上下表面冷卻速度不一致，則會產(chǎn)生暫時應(yīng)力，冷卻速度快（涼）的表面受張應(yīng)力，冷卻速度慢（熱）的表面受壓應(yīng)力。2. 玻璃帶橫向溫度不均勻2.1 溫度橫向?qū)ΨQ分布的不均勻。溫度對稱于中心線分布，但邊

6、部比中部涼或邊部比中部熱。玻璃帶寬度方向有溫差存在，同樣也會產(chǎn)生熱應(yīng)力。當玻璃帶邊部比中部涼時，若處于退火溫度區(qū)域，邊部（涼）受壓應(yīng)力，中部（熱）受張應(yīng)力；若玻璃處于退火溫度之下，則邊部(涼)受張應(yīng)力，中部（熱）受壓應(yīng)力。當玻璃板邊部比中部熱時，則板面方向所受應(yīng)力與上述相反。上面幾種情況所產(chǎn)生的應(yīng)力，可以用應(yīng)力儀測量。通常也可以用手指來作定性的檢驗，即在離切割機位置相當距離的地方，用兩個或三個手指頭將邊部輕輕抬起。如果邊部成波狀而且很容易被抬起，那么邊部承受壓應(yīng)力，中部承受張應(yīng)力；如果邊部很緊，而且不易被抬起，則邊部承受張應(yīng)力，而中部承受壓應(yīng)力。從所周知，玻璃的抗壓強度比抗張強度約大十倍，所以

7、玻璃板通常首先在承受張應(yīng)力的板面上發(fā)生破裂，然后裂紋可能繼續(xù)向壓應(yīng)力區(qū)發(fā)展。因此，暫時應(yīng)力對玻璃破壞性最強，只要產(chǎn)生的張應(yīng)力等于或稍大于玻璃的抗張強度，在沒有任何外力作用下，玻璃也會自行破裂。2.2玻璃板橫向溫度不對稱分布的不均勻玻璃板橫向溫度不對稱分布，即玻璃板面兩邊部冷卻速度不相同，而引起一邊溫度高一邊溫度低，而使板面應(yīng)力分布也不對稱。若處于退火溫度區(qū)域，同樣涼邊變長受壓應(yīng)力，熱邊變短受張應(yīng)力，玻璃帶會向熱的一邊偏移走偏；若玻璃處于退火溫度之下，則涼邊受張應(yīng)力，熱邊受壓應(yīng)力，暫時應(yīng)力超過允許值時出現(xiàn)炸裂。這時，玻璃板面的理論應(yīng)力值是不能測量的，因為一部分應(yīng)力由于變形而消除了。玻璃帶離開退火

8、區(qū)域，可以比較快的速度進行冷卻，因玻璃不會再產(chǎn)生水久應(yīng)力了。但必須指出，此時如果冷卻速度過快，或橫向溫差太大，則會產(chǎn)生過大的暫時應(yīng)力或應(yīng)力分布不平衡而使玻璃在退火窯中破裂，這是在實際生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)生的。2.3 結(jié)論綜上所述，在退火溫度范圍內(nèi)，玻璃帶橫向溫度的不均勻，當玻璃冷卻到室溫時，將產(chǎn)生永久應(yīng)力，在退火窯中板面較熱部分是處在受張狀況，較冷的部分是處在受壓狀況。在退火溫度范圍而以下，板面較熱部分是處在受壓狀況，較冷的部分是處在受張狀況，從對玻璃造成破裂的情況來看，玻璃帶在退火區(qū)域以下，兩邊冷得太快要比中部冷得快更為不利，因此必須加以防止。這種情況往往是由于輥子兩端軸頭漏進冷空氣所造成。因此，軸

9、頭密封是至關(guān)重要的。三、實際退火操作中玻璃缺陷的分析與處理1. 縱向炸裂A. 外觀現(xiàn)象 玻璃帶邊子很緊，很難用手把玻璃帶從棍子上提起。與玻璃帶拉引方向趨于平行的炸裂，這種縱裂一直可以回升到退火窯進口端?？v裂紋頭一般是逆向于玻璃帶運動方向延伸。炸裂一般是從邊部開始。B. 產(chǎn)生原因 玻璃在冷卻過程中，由于橫向溫度梯度不均勻（溫差），使邊部區(qū)域出現(xiàn)收縮變短的趨勢，中部會對邊部產(chǎn)生防止收縮的逆向力，玻璃帶邊部受到張應(yīng)力，而在玻璃帶邊部收縮變短的同時，又會對中部區(qū)域施加防止伸長的逆向力，使玻璃帶中部區(qū)域受到壓應(yīng)力。玻璃所受張力超過玻璃強度時，會發(fā)生縱裂。由于玻璃的抗壓強度比抗張強度高10倍，因此在邊部呈

10、張力的情況下，邊部本身在任何一種弱點（如結(jié)石、析晶等）的作用下，邊部首先破裂。玻璃在退火過程中，出現(xiàn)上述的寬度方向應(yīng)力分布有兩種可能：玻璃在退火下限以前，玻璃帶邊部冷卻速度比中間慢。玻璃在退火下限后，玻璃帶邊部冷卻速度比中間快。因縱裂又可以分為不同情況和現(xiàn)象，下面針對每一種現(xiàn)象給予論述并給出措施。1.1 邊部縱炸a. 外觀現(xiàn)象：如圖71所示，發(fā)生在最靠近玻璃帶邊部區(qū)，炸紋較直。b. 產(chǎn)生原因： 炸裂呈裂紋狀，一般是因冷卻區(qū)炸裂處炸裂的一側(cè)張應(yīng)力過大。 炸裂呈裂縫狀，縫隙較大，一般是因退火區(qū)域炸裂一側(cè)產(chǎn)生了過大的張應(yīng)力。c. 措施：對原因，減小炸裂處冷卻區(qū)（或上一冷卻區(qū)域）炸裂側(cè)的冷卻強度。對原

11、因，增加炸裂處退火區(qū)域內(nèi)炸裂側(cè)邊部的冷卻強度。1.2 中間炸裂a. 外觀現(xiàn)象 如圖72所示，炸裂發(fā)生在中間區(qū)域，裂紋相對較直，呈龜裂狀或者裂縫狀，裂縫較大。 b. 產(chǎn)生原因這是因玻璃帶中部區(qū)域處于較高的壓應(yīng)力所致。c. 措施：對裂紋狀縱裂，增加炸裂處冷卻區(qū)（或前一冷卻區(qū)）內(nèi)中間區(qū)域 的冷卻強度。對裂縫狀縱裂，在退火區(qū)內(nèi)降低裂縫處中間區(qū)域的冷卻強度。1.3不規(guī)則炸裂a. 外觀現(xiàn)象 如圖73和圖74 ，呈現(xiàn)不規(guī)則炸裂。 圖73 圖74b. 產(chǎn)生原因 一般是因炸裂處的冷卻區(qū)（或上一冷卻區(qū)）內(nèi)控制不穩(wěn)，造成冷卻區(qū)的溫度場在局部出現(xiàn)大幅度波動所致，因炸裂形狀有明顯的縱炸趨勢，把它歸為縱炸的一種。c. 措

12、施 穩(wěn)定冷卻區(qū)系統(tǒng)控制。 在措施的基礎(chǔ)上，再根據(jù)實際情況分別采取圖71，圖72的措施。1.4 蛇形炸裂a. 外觀現(xiàn)象 如圖75所示，該炸裂為蛇形炸裂，炸裂的裂紋呈明顯的波浪式蛇形紋，持續(xù)時間長，炸裂的末端相對于退火窯位置固定，炸裂末端一般不會偏斜使炸裂紋頭向邊部發(fā)展。b. 產(chǎn)生原因 該炸裂是由于玻璃帶在前部的退火區(qū)受到了較強的冷卻，產(chǎn)生了較強的永久應(yīng)力。玻璃呈現(xiàn)了相當程度的“鋼化”縱炸傾向。c. 措施 在退火區(qū)或退火區(qū)前，使玻璃帶寬度方向整體溫度升高，同時還要使中間比邊部多升幾度。1.5 縱炸最有效的應(yīng)急措施a. 延伸至退火窯封閉區(qū)（A-C區(qū)）內(nèi)的炸裂，可在炸裂的上游玻璃帶上放置一塊石棉板或約

13、1.5m左右的木板條，以防止縱炸進一步延伸。b. 處在退火窯Ret區(qū)以后（包括Ret區(qū)）縱裂，可以先將風(fēng)閥全關(guān)，使玻璃瞬時升溫，而后快速將風(fēng)閥全開使玻璃帶受急冷，采用這種方法可快速地將縱裂紋移向玻璃帶的一邊使其中斷。c. 縱裂制止后，可依照圖71、圖7-2及圖75的處理措施對癥處理。2、橫向炸裂A.外觀現(xiàn)象： 玻璃帶邊子很松，用手很容易把玻璃帶從輥道上提起，肉眼可觀察到邊部明顯的變形。在某些極端場合，甚至可聽到邊松，波浪變形拍打輥子的響聲。B.產(chǎn)生原因：a. 在退火或永久應(yīng)力區(qū)域（溫度高于450），如果玻璃帶邊部比中間涼，會形成輕薄或柔韌的邊部（松邊）。b. 在冷卻或暫時應(yīng)力區(qū)域（溫度450）

14、如果玻璃帶邊部比中間熱，會形成輕薄或柔韌的邊部（松邊）。c. 松邊使玻璃帶的邊部趨向于比玻璃帶中部長的趨勢，這時，中部會防止邊子變長，從而使邊部受到壓應(yīng)力。反之，邊子會使中部變長，中部區(qū)域受到張應(yīng)力。當玻璃中出現(xiàn)弱區(qū)（如結(jié)石、析晶等）或玻璃中的應(yīng)力超過自身強度時，橫炸就會發(fā)生。玻璃在退火下限以前，玻璃帶邊部冷卻速度比中間快。d. 產(chǎn)生上述寬度方向應(yīng)力分布有兩種可能： 玻璃在退火下限以前，玻璃帶邊部冷卻速度比中間快。 玻璃在退火下限以后，玻璃帶邊部冷卻速度比中間慢。e. 實際生產(chǎn)中的橫向炸裂多因冷卻區(qū)的暫時應(yīng)力所致下面針對每一種具體橫向炸裂情況，給出相應(yīng)的措施2.1橫向單裂a. 外觀現(xiàn)象：如圖7

15、-6所示，裂紋接近于直線型. b. 產(chǎn)生原因 一般是因玻璃帶進入退火窯前期邊緣存在的微裂紋或存在的應(yīng)力所致，主要原因有：在錫槽中，邊部接觸異物，如擋邊器等；偶然出現(xiàn)在邊緣的小氣泡；板中結(jié)石。c. 措施 炸裂是由退火以外的因素造成的，無需在退火方面采取措施.2.2 丫型橫裂a. 外觀現(xiàn)象 如圖7-7所示，炸裂呈丫字型。在炸裂前，分支側(cè)玻璃板往往出現(xiàn)波浪形，炸裂后的一段時間內(nèi)，波浪形消失，一段時間后，變形又重新出現(xiàn)，炸裂再次發(fā)生。b. 產(chǎn)生原因：是由于玻璃板炸裂產(chǎn)生分支的一側(cè)存在較大的壓應(yīng)力.c. 措施 在炸裂區(qū)及前一冷卻區(qū)分別增加裂紋分支側(cè)的冷卻強度. 如果措施的效果不理想，可在退火區(qū)進行反方向

16、(相對于冷卻區(qū)的調(diào)整方法)調(diào)整 .2.3 X型橫裂a. 外觀現(xiàn)象： 如圖7-8所示，炸裂呈X型. b. 產(chǎn)生原因：是由于玻璃帶兩側(cè)均存在較大的壓應(yīng)力所致.c. 措施 在炸裂區(qū)及前一冷卻區(qū)分別增加兩邊部的冷卻強度或減小中部區(qū)域的冷卻強度。 如果措施效果部不明顯，可在退火區(qū)進行反方向(相對于冷卻區(qū)的調(diào)整方法)調(diào)整。2.4 不規(guī)則橫炸Aa. 外觀現(xiàn)象 如圖79所示。b. 產(chǎn)生原因 是在橫向單裂的基礎(chǔ)上，由于某區(qū)橫向溫度發(fā)生變化而引起的，這種炸裂，在玻璃帶的兩個中腰部存在稍大的張應(yīng)力.c. 措施 只須略微降低兩個中腰部位的冷卻強度.2.5 不規(guī)則橫炸Ba. 外觀現(xiàn)象 如圖7-10所示. 圖79 圖71

17、0b. 產(chǎn)生原因 與2.1中所述的圖7-6型炸裂原因基本相同，如果該炸裂在某段時間內(nèi)頻繁出現(xiàn)，一般是由于生產(chǎn)現(xiàn)場兩側(cè)的環(huán)境氣流存在較大的差異所致.c. 措施 檢查現(xiàn)場的所有氣流通道，如發(fā)現(xiàn)問題，采取相應(yīng)措施.2.6 橫向蛇形炸裂a. 外觀現(xiàn)象 如圖7-11所示，裂紋呈橫向小波浪形，且炸裂的重復(fù)性強.b. 產(chǎn)生原因 這種炸裂與2.1中所述的圖7-6型的炸裂原因相同，但這種炸裂也說明玻璃在退火區(qū)內(nèi)縱向冷卻強度較大，板面永久應(yīng)力較大。c. 措施 適當減小退火區(qū)的冷卻強度，升高退火區(qū)的末端溫度。3.混合式炸裂a. 外觀現(xiàn)象 玻璃炸裂形狀大多如蜘蛛網(wǎng)狀分布，裂紋形狀極不規(guī)則，炸裂持續(xù)時間較長。該炸裂對生

18、產(chǎn)影響較嚴重，最重時，玻璃炸裂碎片可能堆在輥子下最終“抱死”棍子，來不及敲掉的玻璃碎片卡在棍子中間，阻止玻璃帶運行造成惡性循環(huán)。b. 產(chǎn)生原因 多因玻璃局部區(qū)域應(yīng)力發(fā)生急劇變化，使玻璃帶產(chǎn)生瞬時較大變形的過程中發(fā)生自裂。以下針對具體現(xiàn)象進行論述。3.1混合炸裂Aa. 外觀現(xiàn)象：如圖712所示，放射性炸裂一側(cè)許多炸口并未達到玻璃帶的邊緣，但有向縱向發(fā)展的趨勢。b. 措施 在炸裂的前一冷卻區(qū)加強該側(cè)腰部及邊部的冷卻強度，同時適當減少中部的冷卻強度。 如果措施的效果不明顯，可在退火區(qū)進行反方向（相對于冷卻區(qū)的調(diào)整方法）調(diào)整。3.2混合炸裂Ba. 外觀現(xiàn)象 如圖7-13所示，多出現(xiàn)于10mm以上的厚玻

19、璃生產(chǎn)中。 b. 產(chǎn)生原因 產(chǎn)生原因基本與圖512的類型相同，所不同的是牙印的自然邊存在較大張應(yīng)力。c. 措施在如圖7-12的處理方法的同時，考慮采用邊部電加熱或燒邊來提高牙印外的自然邊溫度。3.3混合炸裂Ca. 外觀現(xiàn)象 如圖7-14所示。b. 產(chǎn)生原因 是由于炸裂所在側(cè)退火區(qū)內(nèi)的冷卻強度突然增大引起應(yīng)力突變所致。c. 措施 應(yīng)首先考慮退火區(qū)該側(cè)的工況是否穩(wěn)定，有無控制系統(tǒng)故障，玻璃板擺幅度是否較大，而后對癥處理。3.4 混合炸裂Da. 外觀現(xiàn)象 如圖7-15所示，是從板的中心向四周呈放射狀炸裂。 圖714 圖715b. 產(chǎn)生原因 可能是化學(xué)不均或熱不均如配合料成分波動、成型出口溫度波動（偏高），從而造成整體玻璃板面在退火區(qū)產(chǎn)生的永久應(yīng)力過大，在急速冷卻區(qū)再次疊加應(yīng)力所致，（即在D區(qū)、Ret區(qū)出口冷卻速度過大時明顯）。c. 措施 適當降低退火區(qū)的整體冷卻強度，升高退火區(qū)末端的玻璃板溫度即可。采取擋風(fēng)保溫措施，降低急速冷卻強度。3.5 混合炸裂Ea. 外觀現(xiàn)象 如圖716所示的炸裂b. 產(chǎn)生原因 炸裂所在區(qū)的冷卻強度突然增大引起應(yīng)力突變所致。c. 措施 應(yīng)適當減緩炸裂區(qū)及前一區(qū)的冷卻過渡，可整體增強前一區(qū)的冷卻強度，同時適當降低該區(qū)的整體冷卻強度。4.翹曲4.1 永久翹曲永久翹曲又分為