鋼化玻璃自爆原因分析及預防處理措施＊

孟秀華 龐曉光

（1.河北建材職業技術學院，河北秦皇島 066004；2.中國建筑材料檢驗認證中心，北京 100024）

0.引言

玻璃是人們日常生活中不可或缺的材料，易碎這個缺點限制了玻璃的應用領域。經過鋼化處理的玻璃因其機械強度提高而成為安全玻璃，拓展了玻璃的應用范圍，但鋼化玻璃自爆問題給生產企業和用戶都造成了經濟損失，人們對其安全性提出了質疑，鋼化玻璃自爆問題亟待得到徹底解決。

1.鋼化玻璃自爆原因分析

1.1 玻璃原片中的硫化鎳造成鋼化玻璃自爆

目前研究認為鋼化玻璃自爆的主要原因是玻璃原片內存在非玻璃體的硫化鎳結石，直徑在0.09mm～0.24mm之間，平均粒徑0.15mm的硫化鎳結石最容易引起自爆。硫化鎳結石有兩種存在形式，即高溫型的α相和低溫型的β相，兩種形式隨著溫度的變化可以相互轉化，并伴隨體積變化。

所謂鋼化玻璃是將普通退火玻璃重新加熱到軟化點以上，再經過急冷得到表面形成均勻壓應力，中間形成張應力的玻璃，其強度提高到普通退火玻璃的5倍左右。玻璃板在鋼化爐內經過加熱和急冷兩個階段完成鋼化過程，在加熱階段溫度升至600℃以上，硫化鎳轉變為高溫型的α相，隨后玻璃板進入急冷階段，一部分高溫型的α相因突然降溫未能轉化為低溫型的β相，則被凍結在鋼化玻璃中。室溫環境下α相硫化鎳趨向于轉變為β相，并伴隨著2%～4%的體積膨脹，造成玻璃內部產生較大的局部張應力，在硫化鎳晶體周圍形成微裂紋并不斷擴展，從而導致鋼化玻璃自爆[1]。要預防鋼化玻璃自爆，必須消除玻璃中的硫化鎳結石，首先要找到硫和鎳的來源。硫化鎳來源于玻璃原片，原片玻璃主要來源于浮法玻璃生產線、平拉、格法等生產線（平拉和格法玻璃所占比例很少）。

（1）金屬鎳的來源。在原片玻璃生產過程中，硅砂、砂巖、長石、石灰石、白云石等天然礦物原料可能含有金屬鎳而被引入到玻璃中；原料加工中尤其是破碎和粉磨設備的耐磨部件、混合機等設備的磨損，造成少量的金屬鎳進入配合料中；熔窯熔化中投料機在高溫環境下工作，采用耐熱合金鋼部件也是鎳的來源之一；錫槽成型中使用的拉邊機機頭是耐熱合金鋼，也可能引入金屬鎳。總之鎳主要來源于玻璃原料和接觸原料及玻璃液的機械設備。（2）硫的來源。在原片玻璃中硫主要來源于原料和燃料，玻璃原料中的天然礦物原料會含有少量的硫，作為澄清劑的芒硝是含硫原料，如果不能完全分解也是硫的來源；玻璃液熔化所用的燃料有重油、煤氣、天然氣、煤焦油、石油焦等，石油和煤中含有大量的硫，也隨著燃料進入熔窯而引入到玻璃液中；在浮法玻璃生產線的過渡輥臺使用二氧化硫改善玻璃表面質量，因密封不良會有少量的硫進入錫槽，造成錫槽的硫污染，從而引入到玻璃中。總之硫主要來源于原料和燃料。

1.2 鋼化過程中溫度不均造成自爆

鋼化玻璃又稱為淬火玻璃。它是將普通平板玻璃在鋼化爐內通過急熱和急冷使玻璃表面形成壓應力，內部形成張應力，而提高玻璃的機械強度和熱穩定性，是一種廣泛使用的安全玻璃。鋼化玻璃一旦破碎則形成均勻的小碎塊，不易傷人。玻璃鋼化爐分為前端的加熱區和后部的淬冷區兩部分。玻璃在鋼化爐內加熱和急冷過程中應該確保受熱均勻產生均勻的熱應力。加熱系統采用電熱絲布置在加熱爐的頂部，由于電熱絲的布置問題或電熱絲長時間使用造成表面氧化變脆，甚至燒熔斷裂，導致鋼化爐爐體內溫度不均，使被鋼化的玻璃板受熱不均；其次鋼化爐內的若干個溫度控制區，一旦溫度控制系統發生故障，溫度檢測不準，爐體內局部溫度失去控制，也會造成玻璃加熱的不均勻。玻璃板加熱到軟化點溫度以上后被輸送到淬冷區，淬冷區采用風柵設計，冷卻風從上下兩個表面對玻璃板強制吹風淬冷，如果風柵局部堵塞造成吹風不均勻，導致玻璃板冷卻不均。加熱和淬冷過程的受熱不均都會使玻璃產生不均勻熱應力，這些熱應力不超過玻璃的承受能力則玻璃不會破碎，但用戶在使用過程中因溫度變化、外力作用等就會使鋼化玻璃自爆[2]。

2.預防鋼化玻璃自爆的措施

2.1 控制玻璃原片中硫和鎳的引入量

鋼化玻璃自爆的主要原因是硫化鎳結石所致，鋼化玻璃企業應該選用優質的不含鎳的玻璃原片。對于原片玻璃生產企業盡量控制玻璃礦物原料中鎳金屬含量，凡是接觸原料、配合料的設備部件選用高質量的合金部件，減少部件的磨損引入金屬鎳；對于硫的控制，選用低硫燃料，配合料中芒硝含率不能過高，一般控制在2.5%以下，同時加入相應的碳粉，確保硫澄清充分發揮作用，熔窯的前區控制成還原氣氛，保證碳粉的還原作用。過渡輥臺處的二氧化硫管要置于2#過渡輥以后，盡量遠離錫槽，確保二氧化硫不進入錫槽。硫和鎳的引入得到控制，則不會在玻璃中形成硫化鎳結石。

2.2 改進玻璃配方減少硫化鎳的形成

硫化鎳是導致了鋼化玻璃自爆的主要原因，金屬鎳無論是在玻璃原料中還是玻璃機械帶入都是極為微量的，如果嚴加控制徹底消除鎳元素的引入，則會大大增加生產成本，且玻璃缺陷自動檢測儀也很難精確檢測低于0.2mm的點缺陷，試圖通過質量檢測剔除含有硫化鎳的玻璃幾乎不可能。目前有研究結果表明在玻璃原料中加入少量硫酸鋅或硝酸鋅，通過它們的強氧化作用，將玻璃中的硫化物氧化成硫酸鹽，而溶解于玻璃液中，則不會產生硫化鎳結石，就不會造成鋼化玻璃的自爆。這個方法有待實踐繼續探索研究。

2.3 鋼化玻璃均質處理

解決鋼化玻璃自爆最有效的方法是均質處理。均質處理是在均質爐中進行的，均質過程分為加熱、恒溫和冷卻3個階段。首先將鋼化玻璃重新加熱到290℃±10℃，并保溫2h左右，玻璃中如果含有在鋼化中未來得及轉變為β相的α相硫化鎳，在此過程中完成晶相轉變，發生體積膨脹，在均質爐內破碎，讓今后在用戶使用過程中可能自爆的玻璃在玻璃廠內提前破碎。這種鋼化后再次熱處理的方法,即為鋼化玻璃均質處理。企業多年的實踐發現硫化鎳280℃ 時的相變速率是250℃ 時的100倍，因此均質爐內最關鍵的是控制各處溫度均勻一致，使每片玻璃的每個部位都處于相同的溫度。否則溫度過高的部位，硫化鎳會由β相逆向轉變為α相，而溫度低的部位α相硫化鎳又不能完全轉變為β相。因此均質爐內溫度不均勻，過高或過低都會導致均質處理失效[3]。

2.4 改進均質爐保溫性能

鋼化均質爐均質效果差的原因之一是保溫效果差，保溫效果差的原因有保溫材料質量不過關或者是均質爐使用時間過長保溫材料失效，還有爐體外殼所用耐熱鋼材料質量差在高溫下變形導致爐體密封不嚴，以及爐門、各個管道保溫不好或是連接處密封不嚴造成熱量損失，導致均質爐內溫度不均。因此必須對上述問題全面處理才能保證爐體內的工作溫度均勻穩定，降低熱量損耗，提高熱效率，達到高質量的均質效果。

某公司的均質爐經過幾年的使用爐體保溫效果下降，一些部位的鋼結構變形，造成密封不嚴。為了提高均質效果，課題組決定對爐體進行改造。首先，檢查各部位鋼結構，按照設備圖紙要求嚴格進行測量，更換高質量的耐熱鋼材料，保證均質爐在使用過程中不變形。其次，清除原保溫棉，更換新采購的保溫棉，并保證填實塞緊；然后，檢查爐門密封性，更換爐門密封棉；最后，檢查爐頂風管保溫材料發現有大量脫落，重新更換加裝，減少裸露風管的熱量損失，并對風管連接部位加強保溫。

2.5 提高均質爐溫度控制精度

均質爐溫度控制精確度極為關鍵，溫度控制不準，造成爐內玻璃溫度不均。電控柜增設加熱系統的檢測功能，監控三相電流是否平衡來判斷熔斷器、固態繼電器、加熱管有無損壞情況，保證設備的正常運行。達到精確測定和調節溫度的目的。

3.結語

鋼化玻璃自爆的主要原因是玻璃內含有硫化內結石，防止鋼化玻璃自爆的措施歸納為：（1）采購優質的玻璃原片進行鋼化；（2）原片生產企業嚴格控制玻璃中的硫和鎳的含量；（3）對鋼化玻璃進行均質化處理；（4）改進均質爐保證均質效果。