玻璃退火窯的玻璃應(yīng)力及退火制度問題

導(dǎo)讀：玻璃的退火，是為了減少或消除玻璃在成形或熱加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，提高玻璃使用性能的一種熱處理過程。除玻璃纖維和薄壁小型空心制品外，幾乎所有玻璃制品都需要進(jìn)行退火。玻璃退火所用的熱工設(shè)備稱為退火窯。

一 、玻璃的應(yīng)力及退火制度

1.玻璃中的熱應(yīng)力

①暫時(shí)應(yīng)力

玻璃在應(yīng)變點(diǎn)溫度以下加熱或冷卻時(shí)，由于其導(dǎo)熱性較差，各部位將形成溫度梯度，從而產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力。這種熱應(yīng)力隨著溫差的存在而存在，溫差越大，暫時(shí)應(yīng)力也越大，并隨著溫差的消失而消失。這種熱應(yīng)力稱為暫時(shí)應(yīng)力。

應(yīng)該注意的是，雖然暫時(shí)應(yīng)力可以自行消除，但在溫度均衡之前，當(dāng)暫時(shí)應(yīng)力值超過玻璃的限強(qiáng)度時(shí)，玻璃同樣會(huì)自行破裂，所以玻璃在脆性溫度范圍內(nèi)的加熱或冷卻速度也不宜過快。玻璃暫時(shí)應(yīng)力產(chǎn)生及消除示意如下圖所示。

②應(yīng)力

玻璃從應(yīng)變點(diǎn)溫度以上開始冷卻時(shí)，由溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力，到玻璃冷卻至室溫、內(nèi)外層溫度均衡后，并不能完全消失，玻璃中仍然殘存著一定的應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為應(yīng)力。應(yīng)力的大小取決于制品在應(yīng)變點(diǎn)溫度以上時(shí)的冷卻速度、玻璃的黏度、膨脹系數(shù)及制品的厚度等。應(yīng)力產(chǎn)生的原因如圖2所示：

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玻璃中的應(yīng)力須通過退火才能消除或減小。

2.玻璃的退火原理和退火溫度

玻璃的退火，就是把具有應(yīng)力的玻璃制品重新加熱到玻璃內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)可以移動(dòng)的溫度，利用質(zhì)點(diǎn)的位移使應(yīng)力分散(稱為應(yīng)力松弛)來消除或減弱應(yīng)力。應(yīng)力松弛速度取決于玻璃溫度，溫度越高，松弛速度越快。因此，一個(gè)合適的退火溫度范圍玻璃獲得良好退火質(zhì)量的關(guān)鍵。

以保溫3min能消除95%應(yīng)力的溫度為退火溫度上限(或稱高退火溫度)，此時(shí)玻璃黏度為1012Pa•s 。以保溫3min只能消除5%應(yīng)力的溫度為退火溫度下限(稱低退火溫度)，此時(shí)玻璃黏度為1013.5 Pa•s。退火溫度上限與下限一般相差50~150℃，此即為退火溫度范圍。高于退火溫度上限時(shí)，玻璃會(huì)軟化變形;低于退火溫度下限時(shí)，玻璃結(jié)構(gòu)實(shí)際上可認(rèn)為已固定，內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)已不能移動(dòng)，也就無法分散或消除應(yīng)力。

玻璃在退火溫度范圍內(nèi)保溫一段時(shí)間，以使原有的應(yīng)力消除。之后要以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度冷卻，以保證玻璃中不再產(chǎn)生新的應(yīng)力，如果冷卻速度過快，就有重新產(chǎn)生應(yīng)力的可能。這在退火制度中用慢冷階段保障。慢冷階段須持續(xù)到低退火溫度以下。

玻璃在退火溫度以下冷卻時(shí)，只會(huì)產(chǎn)生暫時(shí)應(yīng)力，因此可以采用快冷，以節(jié)約時(shí)間和減少生產(chǎn)線長度，但也須控制一定的冷卻速度。冷卻過快時(shí)，可能會(huì)使產(chǎn)生的暫時(shí)應(yīng)力大于玻璃本身的限強(qiáng)度而導(dǎo)致制品炸裂。

部分玻璃的退火溫度如下所列：

窗玻璃：540~550℃

鉛晶質(zhì)玻璃：465~475℃

鈉鈣玻璃：530~560℃

無堿玻璃：660~680℃

硼硅質(zhì)玻璃：520~530℃

玻璃退火時(shí)的加熱溫度越高，消除玻璃制品應(yīng)力所需時(shí)間越短，但是慢冷所需時(shí)間越長。反之，如果加熱溫度過低，則消除應(yīng)力的時(shí)間太長，慢冷時(shí)間則較短。所以實(shí)際上總是把加熱溫度選擇在使總的退火時(shí)間短的溫度。一般取加熱溫度較計(jì)算的高退火溫度高5~7℃。

玻璃的退火溫度與其化學(xué)組成密切相關(guān)，凡能降低玻璃黏度的成分，均能降低退火溫度。如堿金屬氧化物的存在能顯著降低退火溫度，其中Na2O的作用大于K2O、SiO2、caO和AL2O3對(duì)提高退火溫度的作用。PbO和BaO則使退火溫度降低，而PbO的作用比BaO的作用大。ZnO和MgO對(duì)退火溫度的影響很小。含有B2O3 15%～20%的玻璃，其退火溫度隨著B2O3含量的增加而明顯地提高。如果超過此含量時(shí)，則退火溫度隨著含量的增加而逐漸降低。

根據(jù)奧霍琴經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算機(jī)算出黏度η=1012Pa•s時(shí)的溫度，即玻璃的高退火溫度。

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根據(jù)表2-8可知玻璃組成的高退火溫度和組成氧化物含量變化1%時(shí)對(duì)退火溫度的影響(表2-9)，計(jì)算玻璃的高退火溫度。

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3.玻璃的退火制度

由退火原理可知，玻璃制品的退火過程須包括加熱、保溫、慢冷、快冷四個(gè)階段。

①加熱階段本階段的任務(wù)是將送入退火窯的玻璃制品加熱到退火溫度。加熱速度應(yīng)保證制品在加熱過程中產(chǎn)生的暫時(shí)應(yīng)力不超過玻璃本身的限強(qiáng)度，以防制品炸裂。若制品進(jìn)入退火窯時(shí)的溫度高于退火溫度(使用高速成形機(jī)時(shí)往往會(huì)有這種情況)，則不需加熱，反而需要盡快將其冷卻到退火溫度。

按照不同的生產(chǎn)工藝，玻璃制品的退火分為一次退火和二次退火。制品在成形后立即進(jìn)行退火的，稱為一次退火。制品冷卻后再進(jìn)行退火的，稱為二次退火。無論是一次退火還是二次退火，玻璃制品進(jìn)入退火爐時(shí)，都須把制品加熱到退火溫度。在加熱過程中玻璃表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，內(nèi)層產(chǎn)生張應(yīng)力。此時(shí)加熱升溫速度可以相應(yīng)地快些。但考慮到玻璃制品厚度的均勻性、制品的大小、形狀及退火爐中溫度分布的均勻性等因素，都會(huì)影響加熱升溫速度。為了起見，一般技術(shù)玻璃取大加熱升溫速度的15%～20 %，即采用20/a2～30/a2(℃/min)加熱升溫速度。光學(xué)玻璃制品要求更嚴(yán)，加熱升溫速度小于5/a2(℃/min)。其中，n為玻璃制品的厚度，單位為cm(實(shí)心制品為其厚度的1/2)。

②保溫階段將制品在退火溫度下進(jìn)行保溫，使制品各部分溫度均勻，并消除玻璃中固有的內(nèi)應(yīng)力。在此階段中要確定退火溫度和保溫時(shí)間。退火溫度可根據(jù)玻璃的化學(xué)組成計(jì)算出高退火溫度。生產(chǎn)中常用的退火溫度較高退火溫度低20～30℃，作為退火保溫溫度。

當(dāng)退火溫度確定后，保溫時(shí)間可按玻璃制品大允許應(yīng)力值進(jìn)行計(jì)算:

③慢冷階段 當(dāng)玻璃中的原有應(yīng)力消除后，由于溫度較高，在冷卻過程中將產(chǎn)生新的應(yīng)力，新生應(yīng)力的大小由冷卻速度控制。冷卻速度越慢，新生的應(yīng)力越小。因此，保溫后須行慢冷。慢冷速度的大小取決于玻璃制品所允許的應(yīng)力值，允許值大，冷卻速度可相應(yīng)加快。慢冷速度可按式(2-54)計(jì)算：

④快冷階段 當(dāng)玻璃冷卻到應(yīng)變點(diǎn)溫度以下時(shí)，溫差將只能產(chǎn)生暫時(shí)應(yīng)力。這時(shí)就可以在保證玻璃制品不因暫時(shí)應(yīng)力而破裂的前提下，盡快冷卻，一直到出窯溫度為止。一般玻璃的大冷卻速度為

在實(shí)際生產(chǎn)中都采用較低的冷卻速度。對(duì)于一般玻璃取此值的15%～20%，光學(xué)玻璃取5%以下。

玻璃的退火過程可用圖2-27的退火曲線表示。

由此可見，制定玻璃的退火制度，就是確定高退火溫度、低退火溫度、保溫時(shí)間；加熱速度 和冷卻速度 。

二、玻璃退火制度時(shí)的有關(guān)問題

制定退火制度時(shí)還應(yīng)注意以下幾個(gè)問題。

①退火爐內(nèi)溫度分布不均的影響

目前一般使用的退火爐斷面溫度分布是不夠均勻的，從而使制品的溫度也不均勻。為此，設(shè)計(jì)退火曲線時(shí)，對(duì)慢冷速度要取比實(shí)際所允許的應(yīng)力值低的數(shù)值，一般取允許應(yīng)力值的1/2進(jìn)行計(jì)算。

②不同制品在同一退火爐內(nèi)的退火問題

化學(xué)組成相同、厚度不同的制品在同一退火爐內(nèi)退火時(shí)，退火溫度應(yīng)按壁厚小的制品來確定，以免薄的制品變形多;加熱和冷卻速度則按壁厚大的制品來確定，以保證厚壁制品不致因熱應(yīng)力造成破裂。

化學(xué)組成不同的制品在同一退火爐內(nèi)退火時(shí)，應(yīng)選擇退火溫度低的玻璃制品作為保溫溫度。同時(shí)采取延長保溫時(shí)間的措施。

③制品固有應(yīng)力的影響

快速加熱時(shí)，除按溫差計(jì)算暫時(shí)應(yīng)力以外，還應(yīng)估計(jì)固有的影響。

④制品的厚度和形狀的影響

制品壁愈厚，在升溫和冷卻過程中內(nèi)外層溫度梯度愈大，在退火溫度范圍內(nèi)，厚壁制品保溫溫度愈高，在冷卻時(shí)其黏彈性應(yīng)力松弛愈快，制品的應(yīng)力也就愈大。形狀復(fù)雜的制品應(yīng)力容易集中，因此它和厚壁制品一樣應(yīng)采用偏低的保溫溫度，適當(dāng)延長保溫時(shí)間。加熱和冷卻速度都應(yīng)較慢。

⑤分相對(duì)制品的影響

如派來克斯類硼硅酸鹽玻璃，在退火溫度范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生分相，玻璃的性質(zhì)發(fā)生改變。為了避免這種現(xiàn)象，退火溫度不能過高，退火時(shí)間也不宜過長，同時(shí)要盡力避免重復(fù)退火。