通過式冷卻的玻璃鋼化工藝研究

趙通

摘要：鋼化玻璃又稱安全玻璃，在建筑行業和日常生活中應用廣泛，隨著我國經濟的不斷快速發展，人們對玻璃制品的需求量和需求面越來越大。然而，玻璃在鋼化的時候需要消耗大量電能，因此鋼化設備節能與否就成為用戶選擇設備時的主要指標，也成為廣大鋼化設備制造商迫切需要解決的問題。玻璃鋼化機組節能的方法有很多，為此，主要介紹一種新的鋼化玻璃工藝—“通過式冷卻玻璃鋼化工藝”。所謂通過式是相對于玻璃在風柵內往復擺動冷卻鋼化而言的。

關鍵詞：鋼化玻璃；通過式；有效鋼化時間；鋼化工藝

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.13.090

1 鋼化玻璃應力的形成

鋼化玻璃是通過將玻璃加熱至玻璃的軟化溫度（590℃～620℃）后快速均勻冷卻兩表面，使得玻璃表面形成預應力系統，從而提高玻璃的機械強度。鋼化玻璃的應力是怎樣形成的呢？我們先來看一下玻璃的一個特性：在冷卻狀態，即應變點以下有一般的固體特征，是彈性體；在熱態下（軟化點以上）有液體特征，是粘性體，但在某一溫度范圍內，即在應變點和軟化點之間，卻是液、固態特征共存，是粘彈體。鋼化就是利用軟化點附近的特性。

玻璃加熱到軟化點溫度附近時，由于處于粘彈性范圍，而粘性成分多于彈性，即使存在溫差，由于分子重排運動也不會形成任何熱應力。如果玻璃兩面突然受到冷卻，此時表層要收縮，但受里層的約束，所以表層應該處于張應力，但由于粘彈范圍，此時的張應力被瞬間松弛，因此不會破壞；但當表層由于冷得快先固化后，中間層開始收縮時，則會受到已經固化的表面的牽制作用，因此會使表面處于壓應力狀態，內部處于張應力狀態與之平衡，并最終形成應力平衡體系。

2 有效鋼化時間

有效鋼化時間是指玻璃鋼化時表面和中間建立其最大溫度梯度所需要的時間，是在鋼化冷卻的前幾秒鐘完成的。要深入了解有效鋼化時間我們先來研究鋼化冷卻時間對應力形成的影響，如圖1所示。

從圖中可以看出玻璃在不同的鋼化溫度下冷卻時，都是到達6～7秒鐘，表面和中間溫差達到最大值，意味著后續的冷卻對最終鋼化應力的形成已經不起作用。

由此可以得出結論：鋼化冷卻的前6～7秒是最終應力形成的關鍵，后續冷卻只是為了把鋼化玻璃冷卻到可以搬運的溫度，所以從節能的角度出發，無須風機始終大風量運行，只需要前6～7秒有足夠的冷卻，就可以保證鋼化玻璃所需要的應力。

圖1所示是在6mm厚度玻璃時總結出來的鋼化真正的有效時間是前6～7秒，隨著玻璃厚度的減小，這個時間也隨之變短，所需要的冷卻能力（風壓）在加大。

3 普通往復式玻璃鋼化工藝

來看普通玻璃鋼化設備，它有上下片臺、加熱爐、平冷卻風柵、集風箱、風路和風機組成，如圖2所示。

玻璃加熱到軟化溫度后，快速出爐，在冷卻風柵內往復擺動，風機此時工頻運轉，使玻璃快速冷卻，待到玻璃鋼化完成后，風機降至低頻運轉，將玻璃冷卻至搬運溫度。根據風機功率的計算公式：P=Q*p/（3600*1000*η0*η1），在風機效率一定的情況下，風機功率跟系統流量Q和鋼化所需風壓p成正比。系統流量是由冷卻風柵的版面大小（產能）所決定的，鋼化所需風壓主要是由玻璃厚度所決定的。玻璃越薄，所需風壓也就越高。

4 通過式玻璃鋼化工藝

上述玻璃鋼化工藝是使用最廣泛的一種，然而在實際生產中我們經常會遇到這樣的情況，在鋼化薄玻璃且風柵版面大的情況下，一臺風機功率不能滿足，這時候就需要增加一臺同樣的風機并聯來滿足玻璃鋼化的需求。并聯風機往往會使風機的效率降低，這樣既造成設備成本的增加，也會造成電能的浪費。

通過上面關于有效鋼化時間的介紹，我們知道在一定的換熱系數和鋼化溫度下，真正鋼化的有效時間是玻璃出爐前幾秒，后面只是需要將玻璃冷卻到搬運溫度，所以就衍生出了通過式玻璃鋼化工藝，設備如圖3所示。

玻璃從加熱爐出來之后，首先要經過急冷風柵的高壓吹風，然后進入冷卻風柵內往復擺動，最終冷卻到玻璃搬運溫度，玻璃在經過急冷段之后其實鋼化已經完成，那么急冷段的長度就是用（玻璃在急冷段的輥道線速度）×（有效鋼化所需時間），輥道線速度一定時，急冷段的長度就和有效鋼化時間有關系，實際上是跟玻璃厚度有關系，所以急冷段風機功率跟玻璃厚度有很大的關系。在做同樣厚度玻璃，同樣裝載率（產能）的情況下，圖3中風機1的功率相比圖2中的風機顯著降低，而風機2只是起到冷卻作用，功率也大大降低。并且風柵版面（裝載率）越大，玻璃厚度越薄，此種工藝優勢越明顯。

用此種工藝可使鋼化冷卻功耗降低，產能提高，但會對玻璃品質產生影響，風壓的突變，勢必會產生沿玻璃平面的膜應力，一定程度影響玻璃的平整度。同時，受到散熱的影響，該工藝不適用于風柵版面太寬的情況。

5 結論

在鋼化薄玻璃，尤其是厚度為4mm及其以下時，通過式冷卻的玻璃鋼化工藝應用非常廣泛，在同樣產能的情況下，這種工藝的平均功耗更低。即使它相對于往復式玻璃鋼化工藝所做的玻璃品質稍差一些，但在大部分情況下都是可以滿足要求的。并且它可以鋼化3mm及其以下厚度大版面的玻璃，這些都是在普通往復式玻璃鋼化設備上完成不了的。

參考文獻

[1]續魁昌.風機手冊[M].北京：機械工業出版社，2001.

[2]潘金龍.玻璃工藝學[M].北京：中國輕工業出版社，1999.