淺談壓延玻璃應(yīng)力及缺陷處理

摘要：由于玻璃自身特性決定了它的不良導(dǎo)熱性，從而導(dǎo)致玻璃在退火過(guò)程中因?yàn)闇囟炔畋厝淮嬖谥鴳?yīng)力。本文根據(jù)玻璃的退火理論結(jié)合示意圖論述了壓延玻璃在退火過(guò)程中永久應(yīng)力與暫時(shí)應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)理，并結(jié)合生產(chǎn)中不同缺陷產(chǎn)生的形態(tài)，給出定性分析和調(diào)整方法。

關(guān)鍵詞：退火窯永久應(yīng)力暫時(shí)應(yīng)力張應(yīng)力壓應(yīng)力

壓延玻璃的退火主要是指將玻璃置于退火窯中經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間通過(guò)退火溫度范圍或以緩慢的速度冷卻下來(lái)，以便不再產(chǎn)生超過(guò)允許范圍的永久應(yīng)力和暫時(shí)應(yīng)力，或者說(shuō)是盡可能使玻璃中產(chǎn)生的熱應(yīng)力減少或消除的過(guò)程。

玻璃退火的目的是消除壓延玻璃中的殘余內(nèi)應(yīng)力和光學(xué)不均勻性，以及穩(wěn)定玻璃內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

壓延玻璃的退火可分成兩個(gè)主要過(guò)程：一是內(nèi)應(yīng)力的減弱和消失，二是防止內(nèi)應(yīng)力的重新產(chǎn)生。

1.應(yīng)力分類及形成原因

壓延玻璃在退火過(guò)程中可能產(chǎn)生的熱應(yīng)力有永久應(yīng)力和暫時(shí)應(yīng)力兩種。

永久應(yīng)力是當(dāng)高溫玻璃經(jīng)退火到室溫并達(dá)到溫度均衡后，玻璃中仍然存在的熱應(yīng)力也稱為殘余應(yīng)力。暫時(shí)應(yīng)力是隨溫度梯度的存在而存在，隨溫度梯度的消失而消失的熱應(yīng)力。

永久應(yīng)力一般產(chǎn)生于轉(zhuǎn)變溫度和應(yīng)變溫度范圍之間，暫時(shí)應(yīng)力則伴隨著整個(gè)退火過(guò)程。

1.1 暫時(shí)應(yīng)力

當(dāng)壓延玻璃處于彈性形變范圍內(nèi)（應(yīng)變溫度以下）進(jìn)行加熱或冷卻過(guò)程時(shí)，由于其導(dǎo)熱性較差，在其內(nèi)外層之間必然產(chǎn)生一定的溫度梯度，因而在內(nèi)外層之間產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力。如：當(dāng)玻璃從應(yīng)變溫度以下冷卻時(shí)，玻璃內(nèi)外產(chǎn)生了溫差，玻璃外層溫度低于內(nèi)層，故外層收縮大于內(nèi)層，這樣，外層的收縮受到內(nèi)層的膨脹作用（拉伸作用），內(nèi)層膨脹受到外層的壓縮作用，因此玻璃在冷卻時(shí)表面受到張應(yīng)力，內(nèi)部受到壓應(yīng)力。

如果在外層玻璃冷卻到一定溫度而使整塊玻璃進(jìn)行均熱時(shí)，玻璃外層已不再收縮，內(nèi)層卻隨著溫度的不斷降低而繼續(xù)收縮。這樣外層受到壓應(yīng)力，內(nèi)層受到張應(yīng)力。它們的大小和冷卻過(guò)程中所產(chǎn)生的應(yīng)力大小相等，方向相反，所以當(dāng)玻璃的溫度均衡后，玻璃中的應(yīng)力也就消失了。但必須注意，當(dāng)暫時(shí)應(yīng)力超過(guò)玻璃的極限強(qiáng)度時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生破裂。相反，玻璃在加熱時(shí)表層受到壓應(yīng)力，內(nèi)部受到張應(yīng)力。

由于玻璃屬于脆性材料，能夠承受的抗壓能力是抗張能力的10倍，因此，玻璃能夠承受的加熱速率可以比冷卻速率大一些。

1.2 永久應(yīng)力

如前所述，當(dāng)壓延玻璃由高溫（轉(zhuǎn)變溫度以上）逐漸冷卻時(shí)，玻璃內(nèi)外層產(chǎn)生溫差。開始處在轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域（玻璃黏度在109～1012PaS）之內(nèi)玻璃，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)能量較大，玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)基團(tuán)間可以產(chǎn)生位移變形等能夠使由溫差而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力得以消失，這個(gè)過(guò)程稱為應(yīng)力松弛。由于應(yīng)力松弛的作用，盡管此時(shí)存在溫差卻不產(chǎn)生應(yīng)力。

當(dāng)玻璃冷卻過(guò)程發(fā)生在退火溫度區(qū)域（1013～1014.5PaS）時(shí)，玻璃從粘塑彈性體逐漸轉(zhuǎn)變成彈性體，此時(shí)應(yīng)力松弛的作用僅能消除溫差內(nèi)應(yīng)力戶的部分應(yīng)力x。當(dāng)玻璃被冷卻到應(yīng)變溫度以下時(shí)，玻璃內(nèi)所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力相應(yīng)為（P-x）；當(dāng)進(jìn)一步冷卻到室溫并達(dá)到內(nèi)外均一時(shí)，玻璃應(yīng)力值的變化為P，而殘留在玻璃中的內(nèi)應(yīng)力的大小正好為應(yīng)力松弛的那部分x，稱為永久應(yīng)力或殘余應(yīng)力。

壓延玻璃內(nèi)永久應(yīng)力產(chǎn)生的直接原因是在退火溫度區(qū)域內(nèi)應(yīng)力松弛的結(jié)果。應(yīng)力松弛的程度取決于在該溫度區(qū)域內(nèi)的冷卻速度、溫度梯度、黏度和玻璃厚度等。過(guò)大的永久應(yīng)力會(huì)使壓延玻璃在儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加工、使用過(guò)程中炸裂。

1.3 退火上下限溫度

玻璃中殘余內(nèi)應(yīng)力的減少或消除，只有將玻璃重新加熱到開始塑性變形時(shí)才有可能。玻璃在此塑性變形時(shí)的溫度范圍，稱為玻璃的退火溫度范圍。退火的上限溫度指制品在該溫度 15min內(nèi)能消除全部應(yīng)力或3min內(nèi)消除95％應(yīng)力的溫度，黏度為1013PaS；退火下限溫度則指在3min內(nèi)消除5％應(yīng)力的溫度，黏度為1014.5PaS℃。這兩個(gè)溫度構(gòu)成了玻璃的退火溫度范圍。

2.玻璃板在退火過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題和解決方法

玻璃板在退火過(guò)程中容易出現(xiàn)的問(wèn)題主要是炸裂和切割困難，從炸裂的成因上又分為在退火區(qū)和冷卻區(qū)產(chǎn)生的炸裂，主要形成是縱炸和橫炸。主要發(fā)生的地點(diǎn)在D區(qū)以后，切割困難主要包括橫切掰斷不齊和縱刀掰邊多角少角，以下分別論述。

2.1.炸裂

2.1.1.縱炸：是指沿玻璃板拉引方向上發(fā)生的縱向裂紋，一般較長(zhǎng)會(huì)損失較多的玻璃。

原因：發(fā)生炸裂的一側(cè)受張應(yīng)力過(guò)大，如果存在結(jié)石或微裂紋等薄弱點(diǎn)，炸口易從此開始向前延伸。玻璃板具體表現(xiàn)為邊緊，用手很難將玻璃板邊部從輥道上掂起(指薄玻璃，厚玻璃不明顯)。縱炸一般是從退火窯后區(qū)向前區(qū)延伸發(fā)生，調(diào)整一般在炸裂端的前一區(qū)開始調(diào)整。

調(diào)整方法：

(1)如果裂紋延伸到Ret區(qū)、D區(qū)內(nèi)

a．裂紋靠近邊部，說(shuō)明此側(cè)的張應(yīng)力大(圖1)適當(dāng)降低A區(qū)此側(cè)溫度設(shè)定值或升C區(qū)此側(cè)溫度設(shè)定值。

圖1

b．若裂紋在板中部，說(shuō)明板兩側(cè)張應(yīng)力大。

適量降低A區(qū)板兩側(cè)溫度設(shè)定值或升C區(qū)板兩側(cè)溫度設(shè)定值或按相反方向調(diào)整板下部的溫度。

(2)若裂紋在F區(qū)以后

a．若裂紋在板邊部，說(shuō)明此側(cè)的張應(yīng)力大，減少Ret區(qū)此側(cè)的吹風(fēng)量，或增加Ret1區(qū)中部和另一側(cè)的吹風(fēng)量。

b．裂紋在板中部，說(shuō)明板兩側(cè)的張應(yīng)力大，增加板中部的吹風(fēng)量或減少板兩側(cè)的吹風(fēng)量。

2.2.橫炸

是指玻璃板寬度方向上的炸裂，一般影響幾米長(zhǎng)的玻璃，有時(shí)僅為一條炸線。

原因：主要是受壓應(yīng)力影響，表現(xiàn)為邊松，玻璃板運(yùn)行時(shí)有打輥?zhàn)拥默F(xiàn)象，用手很容易能將玻璃板邊部掂起。

(1)調(diào)整方法

a．第一種情況：如圖2，通常僅為一條炸線，出現(xiàn)在玻璃板有薄弱點(diǎn)的地方(例如：夾雜物)，這樣的炸裂是正常的，可不必作調(diào)整。

圖2

b.第：二種情況：如圖3，呈“丫”字型，“丫”字方一側(cè)壓應(yīng)力過(guò)高，增加“丫”字形一側(cè)的吹風(fēng)量，如不行可在B區(qū)或C區(qū)做相應(yīng)的調(diào)整。

圖3

C．第三種情況：如圖4，炸裂呈“X”型，說(shuō)明板兩側(cè)壓應(yīng)力高，增加板兩側(cè)的吹風(fēng)量或減少板中的吹風(fēng)量或在A區(qū)、C區(qū)做相應(yīng)的調(diào)整。

圖4

2.3.切割當(dāng)中遇到的問(wèn)題

壓延玻璃出退火窯后進(jìn)入切割區(qū)，如確認(rèn)非切割刀具問(wèn)題，仍出現(xiàn)橫斷不齊和掰邊多角少角現(xiàn)象，說(shuō)明是退火原因造成。壓延玻璃理想的切割狀態(tài)是：板兩側(cè)受壓應(yīng)力，中間受張應(yīng)力；板上受張應(yīng)力，板下受壓應(yīng)力。故在設(shè)定各區(qū)溫度時(shí)，可在不產(chǎn)生炸裂情況下，人為考慮以上因素，例如：A、B區(qū)板中溫度可設(shè)定高于板邊，C區(qū)板下溫度高于板上溫度。

2.3.1.橫斷時(shí)出現(xiàn)的退火問(wèn)題

a．掰斷時(shí)，玻璃板為“丫”形，如圖5，說(shuō)明此側(cè)的壓應(yīng)力過(guò)大。

調(diào)整：適量增加F區(qū)此側(cè)的吹風(fēng)量。

圖5

b．第二種情況如圖6，玻璃板中部壓應(yīng)力大。

調(diào)整：增加F區(qū)中部吹風(fēng)量。

c．第三種情況如圖7，玻璃板中部張應(yīng)力大。

調(diào)整：減少F區(qū)中部吹風(fēng)量或增加邊部吹風(fēng)量。

圖7

d．第四種情況。當(dāng)出現(xiàn)掰斷不沿刀痕，這時(shí)上表面壓應(yīng)力過(guò)大。

調(diào)整方法：增加F區(qū)上表面吹風(fēng)量或減少F區(qū)下表面吹風(fēng)量。

2.3.2.縱切時(shí)出現(xiàn)的退火問(wèn)題

a．難切割，刀過(guò)不好掰。

原因：玻璃板在重要冷卻區(qū)板上降溫過(guò)快，板下受過(guò)大的張應(yīng)力造成的，或是Rct區(qū)或F區(qū)下部吹風(fēng)量大造成的。

調(diào)整方法：適量提高退火區(qū)板上溫度，或提高F區(qū)或Ret區(qū)板上吹風(fēng)量，減少板下吹風(fēng)量。

b．掰斷時(shí)，沿刀痕自動(dòng)裂開。

說(shuō)明邊部受張應(yīng)力過(guò)大，減少F區(qū)此側(cè)的吹風(fēng)量。

在生產(chǎn)壓延玻璃時(shí)，由于成型的特殊性，會(huì)造成玻璃板邊部和中部相比過(guò)厚的情況，影響退火溫度，這就需要在退火溫度設(shè)定時(shí)加以考慮，有時(shí)玻璃板運(yùn)行偏斜或擺動(dòng)，設(shè)備故障如蝶閥壞，均會(huì)影響退火。

以上討論的均是熱應(yīng)力對(duì)退火的影響，結(jié)構(gòu)應(yīng)力有時(shí)也會(huì)對(duì)退火造成影響。例如；原料配錯(cuò)料或大量使用碎玻璃，有時(shí)會(huì)造成玻璃板在退火窯長(zhǎng)時(shí)間的不規(guī)則狀的炸裂。以上退火的操作，往往憑借的是實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)，具有較大的主觀性。

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