快速加熱水平鋼化玻璃技術

何宏安

［索奧斯（廣東）玻璃技術股份有限公司，廣東 佛山 528308］

0 引言

現階段，我國乃至于全球的鋼化爐生產廠家，都在將其重點放置在創新工藝方法，以盡最大的可能保障玻璃加熱的均勻性。在進行鋼化玻璃加熱時，使用到的加熱熱源主要劃分為兩類，分別是氣體燃料和電加熱。電加熱使用較為廣泛，而電加熱依照其加熱方式的差異性，又劃分為3 種類型，分別是傳導加熱、對流加熱和輻射加熱。

1 鋼化爐加熱方式

1.1 傳導加熱

在玻璃傳導加熱中，其技術原理主要表現在兩個層面：①輻射加熱和對流加熱可以把熱量直接傳遞到玻璃層的表面，隨后借助傳導作用，直接把熱量傳遞到內層。②玻璃可以借助于陶瓷輥傳輸，在爐內進行反復運動，陶瓷輥道可以將底部的加熱元件輻射進行全方位的吸收，進而提高爐內溫度。同時通過熱傳導的模式，直接把熱量傳遞到玻璃表層，而玻璃也會發揮出一定的冷卻陶瓷輥作用。若是在進行裝片時，不同規格的玻璃按照統一的方式來展開排布，則會導致玻璃個別區域陶瓷輥溫度相對較低，而無玻璃的地方陶瓷輥溫度將會得到進一步的提升，因此導致鋼化玻璃加熱出現了較為明顯的熱變效應，加熱位置不夠均勻。而想要解決這一問題，其最佳解決辦法則是在進行裝片時，依照鏡面、對稱、交叉的方式來進行放片，也就是不同規格的玻璃需要對其放片的位置進行周期性的變換，以確保陶瓷棒可以獲得同樣的冷卻效果，此時便不會出現熱邊效應。但需有關人員注意的是，當鋼化玻璃內部的硫化鎳膨脹時，會對鋼化玻璃的表面產生一定的影響。在這個過程中，玻璃中的硫化鎳分子會被加熱到較高的溫度，在這一溫度下，硫化鎳分子會與空氣中的氧發生反應并生成硫化物，然后硫化鎳分子會開始膨脹。這將導致玻璃表面出現細小的裂紋和許多小氣泡。當玻璃內部開始出現小氣泡時，這些小氣泡一旦破裂就會產生肉眼可見的裂痕。但是由于這些裂縫非常細小，所以很容易被忽視[1]。

1.2 輻射加熱

在爐內的高溫加熱環境中，加熱元件將會輻射出特定波長的射線，該輻射線將會直接轉移到玻璃和爐內保溫材料表面，隨后二者通過加熱之后，就會產生輻射熱輻射，此時反射到玻璃的表面。而這一部分的輻射熱量，一部分將會被玻璃所吸收，另外一部分又會被反射。一般情況下，透明的玻璃反射率可以保持在6%～8%，剩下的可以綜合玻璃表面的實際情況以及黑度所吸收。玻璃在熱輻射吸收能力的好壞上，主要是決定于黑度情況：①顏色較深的水平鋼化玻璃吸收能力相對較好，在對這類玻璃進行制作和生產加工時，加熱時間以及加熱的溫度相較于其他玻璃設定要更低。②透明玻璃，透明玻璃的吸收能力相較于著色玻璃來說要較弱，但是比鍍膜玻璃要更好，在加熱時間和加熱溫度的設定上將普通標準作為參照指標即可。③鍍膜玻璃，由于鍍膜玻璃的反射效率較高，吸收能力較差，一般情況下在進行加熱時，可以進行低溫的長時間加熱，比較有代表性的如low-e 玻璃。在加熱時間上可以延長到55～60s/mm，同時對對流加熱強度進行進一步的調整，提高對流加熱強度。若是某類波長的輻射線輻射到玻璃表面之后并未被玻璃所吸收，則代表著玻璃針對這類波長的輻射線為透明，若是輻射線無法全部透過玻璃，則代表著玻璃針對該類波長的輻射線保持半透明。若是輻射線被玻璃所全部吸收，則代表著玻璃針對這類波長的輻射線為不透明。在對玻璃進行加熱的過程中，加熱爐爐膛的溫度設定有著非常重要的作用。主要是由于溫度存在差異，加熱元件的輻射線波長也會有所不同。若是加熱溫度可以保持在600℃，輻射照度的最大值及對應的波長則是3.56μm 玻璃，這類波長的輻射線是半透明，玻璃表層可以吸收這種輻射，隨后借助于傳導作用，直接把熱量傳遞到內層，加熱速度較慢；若是加熱時溫度保持在700℃，輻射波中則有著大量的輻射線，概率輻射線為2.5μm，玻璃的內層可以對這類輻射線進行吸收，加熱速度較快，因此鋼化爐內部溫度可以保持在700℃左右；若是加熱爐的內部溫度超過900℃，輻射照度的最大值波長則小于2.56μm，此時輻射線將會透過玻璃，難以被吸收，因此如果加熱爐的溫度設定超過標準及要求，同時在800℃以上時，則會導致出現大量的資源浪費[2]。

1.3 對流加熱

現階段在進行水平鋼化玻璃對流加熱時主要劃分為以下兩種形式。

（1）將輻射加熱作為核心的輻射對流加熱，在這種加熱爐中，內部安裝有熱平衡管，在熱平衡管安裝上也分為兩種不同的形式，分別是熱平衡管保持和加熱螺絲方向的垂直，另外一種則是保持平行。在這種加熱爐中，可以在兩段加熱絲結合的下方位置，在熱平衡管開出直徑為1mm 左右的小孔，孔的方向保持相反，孔的間距保持在120mm 左右，同時保持和相鄰螺絲之間間距的相同。基于爐孔中噴出的壓縮空氣可以在經過上部加熱元件處理之后，直接輻射到玻璃的表面，最終形成對流加熱。而這種鍍膜玻璃，尤其是以low-e 玻璃為代表，帶來的加熱效果更為突出。由于鍍膜玻璃本身的膜面反射率相對較高，在熱輻射吸收能力上相對較差，這就會導致玻璃加熱過程難以達到均衡，下部的加熱速度相對于上面來說要更快，玻璃也可以在爐中變為o型，出現了嚴重的形變問題，只有在中部位置接觸陶瓷棒，才可以彌補玻璃中部由于光學變形所帶來的制造缺陷問題。對這一問題進行解決，其主要辦法便是在玻璃上表面增強對流加熱，以確保玻璃上層和下層加熱的高度均勻。在熱平衡壓縮空氣壓力和吹氣時間的設計上，需要進行獨立設計，但是這種加熱模式在對流加熱量的總加熱量占比上在1/5 左右，最終帶來的對流加熱效果不夠突出。

（2）將對流加熱作為核心的對流輻射加熱。在這種加熱爐的設置上，需要在加熱爐的上方和下方安裝高溫對流循環風機，以強制對流加熱為主，爐膛的上部和下部需要經過特殊設計，并安裝風道和噴灌，借助于高溫對流風機，以實現高溫氣體在爐膛中的密閉化循環，并借助于噴嘴直接將其吹到玻璃上，實現了爐膛上表面、下表面對流加熱風量的自動化調節，實現了玻璃基于變頻調速條件下的快速均勻加熱。在這種加熱模式中，對流加熱熱量總占比為80%～85%，借助對流加熱，保障了加熱過程的快速且均勻。具體來說，在玻璃加熱上，其優勢表現為：鋼化玻璃的加熱時間進一步縮短，相較于傳統的加熱辦法，其生產效率可以提高40%，對于低輻射玻璃來說，生產效率可以提高到50%。同時，爐溫設置較低，只需要保持在680～685℃即可，對于傳統將輻射加熱作為核心的鋼化爐加熱辦法，其溫度設置可以降低20℃，而針對其他厚度要求不同的玻璃，爐溫設置也無須做出多余的調整，因此，生產制造加工的品種更換速度較快，生產效率較高。除此之外，由于爐溫設置較低，加熱速度較快，加熱過程較為均勻，可以從根源上降低玻璃的爐膛內變形問題，對于緩解鋼化玻璃的光學變形具有非常重要的現實作用。

2 快速加熱工藝的探討

2.1 提高輻射的效率

在進行水平鋼化玻璃加熱升溫時，加熱元件是其中的熱源供給，因此玻璃是否可以對輻射熱量進行最短時間的快速吸收，是影響最終快速加熱玻璃效果的核心所在。在明確玻璃鋼化溫度的條件下，輻射熱的波長主要取決于輻射光紅外線的電加熱絲的溫度，因此將在最短的時間內實現水平鋼化玻璃的快速升溫，則需要確保紅外線波長處于最大輻射照度之內，即2.7～4.5μm。如此一來，才可以盡最大的限度，提高光輻射的使用效率[3]。因此，在優化輻射效率時，需要對輻射波長進行精準管控，具體來說，在進行輻射波長控制時，分為以下策略。

（1）控制好熱源的溫度。想要保障輻射源保持在特定溫度條件之下，則需要確保溫度的對應波長范圍可以達到玻璃吸收的最大值，因此需要對加熱源溫度進行針對性地管控，從本質上來說，就是對加熱絲的電流和負載電壓進行控制。在進行電加熱元件功率控制時，需要對其動態調節，在使用功率可調節方式之后，電加熱絲在持續進行加熱之后，輻射源的溫度將會獲得短時間內的快速增高，輻射波長也將會超出玻璃可以吸收的最大范圍，此時則可以對電加熱絲的功率進行調整，電加熱絲的溫度也會下降，輻射光波長得到了進一步的管控，改善了玻璃的輻射效率。

（2）間接加熱。在控制熱輻射波長時，還可以通過間接加熱的方式，使用遮熱板來達成其加熱目標。但是需要有關工作人員注意的是，作為遮熱板的材料，需要達到以下要求：①需要在處于900℃的高溫環境之下，不可以出現變形。②可以吸收2.76μm 以下的波長最大輻射照度的材料結構。因此，將遮熱板作為熱源來進行結構的間接加熱，在進行加熱時，需要發出高溫密集短波，長光遮光板需要在最短的時間內，盡最大的可能吸收2.76μm 以下的波長紅外線，以確保本身的溫度也可以在短時間內快速升高。而其他的波長紅外線，則需要借助于遮熱板來輻射到玻璃。與此同時，遮熱板本身溫度升高之后，可以將其作為輻射的源頭，發出紅外線波長，以確保玻璃可以在最短的時間內獲得最大值的輻射能量。由于在整個過程中，電加熱絲可以進行管控，因此，只需保障電加熱絲和遮熱板二者之間的溫度差，便可以確保遮熱板在輻射波長上得到全方位的管控。

2.2 增大輻射面積

（1）加大上部的加熱功率。基于水平鋼化爐的結構便可以了解到，玻璃在進行加熱時，輻射加熱的熱量供給來源源自上部的加熱元件，因此在確保加熱總功率維持不變的條件下，對上部電加熱功率進行增大，對下部加熱功率進行減少，便可以使得單位時間內加熱輻射熱量全面提高，玻璃可以吸收的熱量也得到了進一步地加大。如此一來，便可以對加熱效率進行進一步的管控，使得加熱時間全方位縮短。

（2）可以加大下部輸送的輥道間距。在加大下部輸送輥道間距的過程中，可以進一步減少爐內輸送到的遮熱面積，讓下部的加熱元件可以獲得更多的輻射熱量，進而使得加熱玻璃效果更好，從根源上減少加熱的時間。另外，考慮到玻璃的波形彎曲度，生產薄片玻璃的設備，我們也要兼顧陶瓷棒輥間距不能太大。

（3）運用雙室爐。運用二段爐的技術原理是：在500℃的高溫環境之下，先對玻璃進行預熱處理，此時的輻射光波長維持在3.5μm 以內。在這樣的范圍內，玻璃可以獲得最大的吸收值，讓玻璃可以在最短的時間內吸收到更多的輻射熱量，進而達到其預熱的溫度，讓玻璃進入加熱爐之后，可以達到其所需的鋼化溫度要求。在預熱爐中，玻璃可以獲得較為穩定地加熱，以盡最大的限度吸收熱量，實現短時間內的快速升溫。相較于單段爐，可以從根源上縮短加熱時間，減少玻璃的熱量損耗。

（4）可以增大加熱元件的輻射面積。在使用間接加熱電加熱元件時，可以全方位增大其內外加熱的表面積，使得熱元件的輻射面積得到擴大，再增大單位面積玻璃輻射光強度，便可以使得玻璃換熱量得到提升，進而改善了加熱效率。

2.3 設置強制對流

在加熱爐中設置強對流，可以使得空氣流速加快，溫度升高，進而優化空氣的流動狀態，盡最大的可能改善電路的對流加熱綜合效率。而基于降低成本投入這一角度入手分析，進一步提高空氣流速也代表著將會促使空壓機壓力增大，綜合電路本身的加熱特點，對冷空氣進行全方位預熱，可以使得空氣溫度上升，減少加熱時間，減少成本投入。可在爐內壓縮空氣管的吹風管，盡量保障空間間隔結構較小，以確保加熱爐中的空氣可以產生湍流，而不是原有的層流，進一步優化對流換熱的綜合水平。以上為比較常見的外氣流強制模式，還有一種市場上也非常流行的內置式風機對流方式，也是一種可以快速提高玻璃加熱速度，而且可以生產更高端玻璃品質的鋼化玻璃對流設備[4]。

3 結語

綜上所述，在進行水平鋼化玻璃生產制造時，溫度控制為其中的主要環節，將會對最終的玻璃制造產品質量帶來直接影響。為彌補在進行鋼化玻璃生產制造時存在的加熱不均和形變問題，需要加強對快速加熱工藝的進一步探討和研究，可圍繞提高輻射效率、增大輻射面積、設置強對流，確?？梢栽谧疃痰臅r間內快速加熱，縮短加熱時間，保障鋼化玻璃的綜合生產質量。