张战营退火工艺浮法玻璃缺陷及控制.docx

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张战营退火工艺浮法玻璃缺陷及控制

张战营退火工艺浮法玻璃缺陷及控制

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退火工艺中浮法玻璃缺陷及控制

河南理工大学张战营

一、玻璃的退火

玻璃退火的目的是减弱和防止玻璃制品中出现过大的残余内应力和光学不均匀性，稳定玻璃内部的结构。

玻璃的退火可分成两个主要过程：

一是玻璃中内应力的减弱或消失，二是防止内应力的重新产生。

玻璃中内应力的减弱和消除是以松弛理论为基础的，所谓内应力松弛是指材料在分子热运动的作用下使内应力消散的过程，内应力的松弛速度在很大程度上决定于玻璃所处的温度。

玻璃在加热或冷却过程中，由于其导热性较差，在其表面层和内层之间必然产生温度梯度，因而在内外层之间产生应力。

这种由于温度梯度存在而产生的内应力称为温度应力或热应力，此种内应力的大小，既取决于玻璃中的温度梯度，又与玻璃的热膨胀系数有关（玻璃的化学成分决定玻璃的热膨胀系数）。

热应力按其存在的特点可分为暂时应力和永久应力。

暂时应力，当玻璃受不均匀的温度变化时产生的热应力，随着温度差的存在而存在，随温度差的消失而消失，被称为暂时应力。

应力的建立和消失过程。

当制品冷却开始时，因为玻璃的外层冷却速度快，所以外部温度比内部温度低，外层收缩大，而这时内层温度较高，且力求阻碍外层收缩，这样造成玻璃外层产生张应力，内部产生压应力。

在张应力过渡到压应力之间存在着中间层，其应力值为零。

当冷却接近结束时，外层体积几乎不再收缩，但此时玻璃内部仍有一定的温度，其体积力求收缩，此时造成外部受压应力，内层受张应力。

由此可见，在冷却结束时，产生的应力恰好和冷却开始时产生的应力性质相反，两者可以得到部分抵消。

冷却全部结束时，即当玻璃的外层温度和内层温度趋向完全一致时，上述两种应力恰好抵消。

我们称这种应力为暂时应力。

永久应力，当温度消失时（制品的表面和内部温度均等于常温时），残留在玻璃中的热应力称为永久应力，又称为内应力。

玻璃中永久应力的成因，是由于在高温的弹塑性阶段热应力松弛而形成的温度变形被“冻结”下来的缘故。

当玻璃板逐渐冷却到室温均衡时，玻璃中残存的应力实际等于玻璃在高温阶段松弛掉的热弹应力，但方向相反。

也就是说，玻璃在高温区域产生及松弛的热弹应力在玻璃厚度方向表现为：

表层张应力，内层压应力，且大小相等；而当玻璃冷却至环境室温时，内外温度一致时，玻璃的表面层处于压缩状态，玻璃板内层处于拉伸状态。

因此，玻璃板中的永久内应力沿玻璃板厚度方向分布为：

表面为压应力，内层张应力，大小相等。

由于永久应力最终影响玻璃的切割和使用，因此需要严格控制。

玻璃中永久内应力的大小决定于两个因素：

一是冷却速度，二是玻璃在退火温度下的冷却过程中热弹性应力的松弛速度，而松弛速度取决于玻璃热弹应力的大小，热弹应力取决于冷却速度的大小，因此，玻璃退火的关键是如何正确的确定和控制玻璃在高温退火区域内的均匀冷却速度。

二、退火过程中常见工艺问题

1.玻璃带上下表面不对称冷却

1.1玻璃板在退火区域内的不对称冷却

玻璃板处在退火区域中，如上下表面冷却强度不同，则当玻璃冷却到室温均衡时，会引起应力分布不对称，压应力就会向冷得快的那一面偏移，冷却快（凉）的表面受压应力，冷却慢（热）的表面受张应力，如果玻璃原片足够大，玻璃中应力分布的不平衡必将引起变形——弯曲或翘曲。

若玻璃板的下表面比上表面冷却得快，则压应力大的一边在下表面，板向上弯曲；反之，向下弯曲。

若产生的应力超过允许值时会发生炸裂。

1.2玻璃在退火区域温度以下不对称冷却

玻璃在退火区域温度以下，上下表面冷却速度不一致，则会产生暂时应力，冷却速度快（凉）的表面受张应力，冷却速度慢（热）的表面受压应力。

2.玻璃带横向温度不均匀

2.1温度横向对称分布的不均匀。

温度对称于中心线分布，但边部比中部凉或边部比中部热。

玻璃带宽度方向有温差存在，同样也会产生热应力。

当玻璃带边部比中部凉时，若处于退火温度区域，边部（凉）受压应力，中部（热）受张应力；若玻璃处于退火温度之下，则边部（凉）受张应力，中部（热）受压应力。

当玻璃板边部比中部热时，则板面方向所受应力与上述相反。

上面几种情况所产生的应力，可以用应力仪测量。

通常也可以用手指来作定性的检验，即在离切割机位置相当距离的地方，用两个或三个手指头将边部轻轻抬起。

如果边部成波状而且很容易被抬起，那么边部承受压应力，中部承受张应力；如果边部很紧，而且不易被抬起，则边部承受张应力，而中部承受压应力。

从所周知，玻璃的抗压强度比抗张强度约大十倍，所以玻璃板通常首先在承受张应力的板面上发生破裂，然后裂纹可能继续向压应力区发展。

因此，暂时应力对玻璃破坏性最强，只要产生的张应力等于或稍大于玻璃的抗张强度，在没有任何外力作用下，玻璃也会自行破裂。

2.2玻璃板横向温度不对称分布的不均匀

玻璃板横向温度不对称分布，即玻璃板面两边部冷却速度不相同，而引起一边温度高一边温度低，而使板面应力分布也不对称。

若处于退火温度区域，同样凉边变长受压应力，热边变短受张应力，玻璃带会向热的一边偏移走偏；若玻璃处于退火温度之下，则凉边受张应力，热边受压应力，暂时应力超过允许值时出现炸裂。

这时，玻璃板面的理论应力值是不能测量的，因为一部分应力由于变形而消除了。

玻璃带离开退火区域，可以比较快的速度进行冷却，因玻璃不会再产生水久应力了。

但必须指出，此时如果冷却速度过快，或横向温差太大，则会产生过大的暂时应力或应力分布不平衡而使玻璃在退火窑中破裂，这是在实际生产中经常发生的。

2.3结论

综上所述，在退火温度范围内，玻璃带横向温度的不均匀，当玻璃冷却到室温时，将产生永久应力，在退火窑中板面较热部分是处在受张状况，较冷的部分是处在受压状况。

在退火温度范围而以下，板面较热部分是处在受压状况，较冷的部分是处在受张状况，从对玻璃造成破裂的情况来看，玻璃带在退火区域以下，两边冷得太快要比中部冷得快更为不利，因此必须加以防止。

这种情况往往是由于辊子两端轴头漏进冷空气所造成。

因此，轴头密封是至关重要的。

三、实际退火操作中玻璃缺陷的分析与处理

1.纵向炸裂

A.外观现象玻璃带边子很紧，很难用手把玻璃带从棍子上提起。

与玻璃带拉引方向趋于平行的炸裂，这种纵裂一直可以回升到退火窑进口端。

纵裂纹头一般是逆向于玻璃带运动方向延伸。

炸裂一般是从边部开始。

B.产生原因玻璃在冷却过程中，由于横向温度梯度不均匀（温差），使边部区域出现收缩变短的趋势，中部会对边部产生防止收缩的逆向力，玻璃带边部受到张应力，而在玻璃带边部收缩变短的同时，又会对中部区域施加防止伸长的逆向力，使玻璃带中部区域受到压应力。

玻璃所受张力超过玻璃强度时，会发生纵裂。

由于玻璃的抗压强度比抗张强度高10倍，因此在边部呈张力的情况下，边部本身在任何一种弱点（如结石、析晶等）的作用下，边部首先破裂。

玻璃在退火过程中，出现上述的宽度方向应力分布有两种可能：

①玻璃在退火下限以前，玻璃带边部冷却速度比中间慢。

②玻璃在退火下限后，玻璃带边部冷却速度比中间快。

因纵裂又可以分为不同情况和现象，下面针对每一种现象给予论述并给出措施。

1.1边部纵炸

a.外观现象：

如图7－1所示，发生在最靠近玻璃带边部区，炸纹较直。

b.产生原因：

①炸裂呈裂纹状，一般是因冷却区炸裂处炸裂的一侧张应力过大。

②炸裂呈裂缝状，缝隙较大，一般是因退火区域炸裂一侧产生了过大的张应力。

c.措施：

对原因①，减小炸裂处冷却区（或上一冷却区域）炸裂侧的冷却强度。

对原因②，增加炸裂处退火区域内炸裂侧边部的冷却强度。

1.2中间炸裂

a.外观现象如图7－2所示，炸裂发生在中间区域，裂纹相对较直，呈龟裂状或者裂缝状，裂缝较大。

b.产生原因

这是因玻璃带中部区域处于较高的压应力所致。

c.措施：

对裂纹状纵裂，增加炸裂处冷却区（或前一冷却区）内中间区域的冷却强度。

对裂缝状纵裂，在退火区内降低裂缝处中间区域的冷却强度。

1.3不规则炸裂

a.外观现象如图7－3和图7－4，呈现不规则炸裂。

图7－3图7－4

b.产生原因一般是因炸裂处的冷却区（或上一冷却区）内控制不稳，造成冷却区的温度场在局部出现大幅度波动所致，因炸裂形状有明显的纵炸趋势，把它归为纵炸的一种。

c.措施

①稳定冷却区系统控制。

②在措施①的基础上，再根据实际情况分别采取图7－1，图7－2的措施。

1.4蛇形炸裂

a.外观现象如图7－5所示，该炸裂为蛇形炸裂，炸裂的裂纹呈明显的波浪式蛇形纹，持续时间长，炸裂的末端相对于退火窑位置固定，炸裂末端一般不会偏斜使炸裂纹头向边部发展。

b.产生原因该炸裂是由于玻璃带在前部的退火区受到了较强的冷却，产生了较强的永久应力。

玻璃呈现了相当程度的“钢化”纵炸倾向。

c.措施在退火区或退火区前，使玻璃带宽度方向整体温度升高，同时还要使中间比边部多升几度。

1.5纵炸最有效的应急措施

a.延伸至退火窑封闭区（A-C区）内的炸裂，可在炸裂的上游玻璃带上放置一块石棉板或约1.5m左右的木板条，以防止纵炸进一步延伸。

b.处在退火窑Ret区以后（包括Ret区）纵裂，可以先将风阀全关，使玻璃瞬时升温，而后快速将风阀全开使玻璃带受急冷，采用这种方法可快速地将纵裂纹移向玻璃带的一边使其中断。

c.纵裂制止后，可依照图7－1、图7-2及图7－5的处理措施对症处理。

2、横向炸裂

A.外观现象：

玻璃带边子很松，用手很容易把玻璃带从辊道上提起，肉眼可观察到边部明显的变形。

在某些极端场合，甚至可听到边松，波浪变形拍打辊子的响声。

B.产生原因：

a.在退火或永久应力区域（温度高于450℃），如果玻璃带边部比中间凉，会形成轻薄或柔韧的边部（松边）。

b.在冷却或暂时应力区域（温度450℃）如果玻璃带边部比中间热，会形成轻薄或柔韧的边部（松边）。

c.松边使玻璃带的边部趋向于比玻璃带中部长的趋势，这时，中部会防止边子变长，从而使边部受到压应力。

反之，边子会使中部变长，中部区域受到张应力。

当玻璃中出现弱区（如结石、析晶等）或玻璃中的应力超过自身强度时，横炸就会发生。

玻璃在退火下限以前，玻璃带边部冷却速度比中间快。

d.产生上述宽度方向应力分布有两种可能：

①玻璃在退火下限以前，玻璃带边部冷却速度比中间快。

②玻璃在退火下限以后，玻璃带边部冷却速度比中间慢。

e.实际生产中的横向炸裂多因冷却区的暂时应力所致

下面针对每一种具体横向炸裂情况，给出相应的措施

2.1横向单裂

a.外观现象：

如图7-6所示，裂纹接近于直线型.

b.产生原因一般是因玻璃带进入退火窑前期边缘存在的微裂纹或存在的应力所致，主要原因有：

在锡槽中，边部接触异物，如挡边器等；偶然出现在边缘的小气泡；板中结石。

c.措施炸裂是由退火以外的因素造成的，无需在退火方面采取措施.

2.2丫型横裂

a.外观现象如图7-7所示，炸裂呈丫字型。

在炸裂前，分支侧玻璃板往往出现波浪形，炸裂后的一段时间内，波浪形消失，一段时间后，变形又重新出现，炸裂再次发生。

b.产生原因：

是由于玻璃板炸裂产生分支的一侧存在较大的压应力.

c.措施

①在炸裂区及前一冷却区分别增加裂纹分支侧的冷却强度.

②如果措施①的效果不理想，可在退火区进行反方向（相对于冷却区的调整方法）调整.

2.3X型横裂

a.外观现象：

如图7-8所示，炸裂呈X型.

b.产生原因：

是由于玻璃带两侧均存在较大的压应力所致.

c.措施

①在炸裂区及前一冷却区分别增加两边部的冷却强度或减小中部区域的冷却强度。

②如果措施①效果部不明显，可在退火区进行反方向（相对于冷却区的调整方法）调整。

2.4不规则横炸A

a.外观现象如图7－9所示。

b.产生原因是在横向单裂的基础上，由于某区横向温度发生变化而引起的，这种炸裂，在玻璃带的两个中腰部存在稍大的张应力.

c.措施只须略微降低两个中腰部位的冷却强度.

2.5不规则横炸B

a.外观现象如图7-10所示.

图7－9图7－10

b.产生原因与2.1中所述的图7-6型炸裂原因基本相同，如果该炸裂在某段时间内频繁出现，一般是由于生产现场两侧的环境气流存在较大的差异所致.

c.措施检查现场的所有气流通道，如发现问题，采取相应措施.

2.6横向蛇形炸裂

a.外观现象如图7-11所示，裂纹呈横向小波浪形，且炸裂的重复性强.

b.产生原因这种炸裂与2.1中所述的图7-6型的炸裂原因相同，但这种炸裂也说明玻璃在退火区内纵向冷却强度较大，板面永久应力较大。

c.措施适当减小退火区的冷却强度，升高退火区的末端温度。

3.混合式炸裂

a.外观现象玻璃炸裂形状大多如蜘蛛网状分布，裂纹形状极不规则，炸裂持续时间较长。

该炸裂对生产影响较严重，最重时，玻璃炸裂碎片可能堆在辊子下最终“抱死”棍子，来不及敲掉的玻璃碎片卡在棍子中间，阻止玻璃带运行造成恶性循环。

b.产生原因多因玻璃局部区域应力发生急剧变化，使玻璃带产生瞬时较大变形的过程中发生自裂。

以下针对具体现象进行论述。

3.1混合炸裂A

a.外观现象：

如图7－12所示，放射性炸裂一侧许多炸口并未达到玻璃带的边缘，但有向纵向发展的趋势。

b.措施

①在炸裂的前一冷却区加强该侧腰部及边部的冷却强度，同时适当减少中部的冷却强度。

②如果措施①的效果不明显，可在退火区进行反方向（相对于冷却区的调整方法）调整。

3.2混合炸裂B

a.外观现象如图7-13所示，多出现于10mm以上的厚玻璃生产中。

b.产生原因产生原因基本与图5－12的类型相同，所不同的是牙印的自然边存在较大张应力。

c.措施

在如图7-12的处理方法的同时，考虑采用边部电加热或烧边来提高牙印外的自然边温度。

3.3混合炸裂C

a.外观现象如图7-14所示。

b.产生原因是由于炸裂所在侧退火区内的冷却强度突然增大引起应力突变所致。

c.措施应首先考虑退火区该侧的工况是否稳定，有无控制系统故障，玻璃板摆幅度是否较大，而后对症处理。

3.4混合炸裂D

a.外观现象如图7-15所示，是从板的中心向四周呈放射状炸裂。

图7－14图7－15

b.产生原因可能是化学不均或热不均如配合料成分波动、成型出口温度波动（偏高），从而造成整体玻璃板面在退火区产生的永久应力过大，在急速冷却区再次叠加应力所致，（即在D区、Ret区出口冷却速度过大时明显）。

c.措施适当降低退火区的整体冷却强度，升高退火区末端的玻璃板温度即可。

采取挡风保温措施，降低急速冷却强度。

3.5混合炸裂E

a.外观现象如图7－16所示的炸裂

b.产生原因炸裂所在区的冷却强度突然增大引起应力突变所致。

c.措施应适当减缓炸裂区及前一区的冷却过渡，可整体增强前一区的冷却强度，同时适当降低该区的整体冷却强度。

4.翘曲

4.1永久翘曲

永久翘曲又分为厚向和宽向翘曲，厚向翘曲又可分为板带“碗头”凹形翘曲，“覆碗状”凸形翘曲，永久翘曲是退火区应力分布不均造成，室温可以观察和检测到，是退火区永久应力分布不均所致。

4.1.1厚向翘曲

如图7-17所示

图7-17

4.2、措施

如图7-17a所示凹形：

是由于玻璃带在退火区内上表面比下表面热、冷却强度低造成的。

可在退火区适当降低玻璃板上表面温度或提高玻璃带的下表面温度。

如图7-17b所示凸形：

是由于玻璃带在退火区内下表面比上表面热、冷却强度低造成的。

可在退火区适当降低玻璃板下表面温度或提高玻璃带的上表面温度。

4.1.2宽向翘曲

a.外观现象宽向翘曲又叫硬翘曲，又可分为边部抬起翘曲和波浪翘曲。

属于室温下仍然保留的翘曲变形。

该翘曲有在退火辊道上缠绕的倾向。

b.产生原因

①退火区玻璃板带宽度方向上存在温差，玻璃带两边部的冷却强度与中部不一致，使玻璃板两边部和中部在结构上存在差异所致。

②锡槽出口温度高造成的变形。

c.措施

①参考边紧及边松的处理方法，抬起翘曲参考边紧处理方法，波浪翘曲参考边松的处理方法。

②降低锡槽出口端温度。

③加强退火窑进口处的冷却。

4.2暂时翘曲

暂时翘曲也分为厚向和宽向翘曲。

a.外观现象在线较高的温度下，可以观测到的一种变形，室温下翘曲消失。

b.产生原因

①冷却区暂时应力不均。

②厚向翘曲是由于玻璃板上板下在退火区后存在温差，板向较冷的一侧弯曲。

③宽向翘曲是由于玻璃带在退火后，宽度方向上存在温差所致。

c.措施

①对原因②采取提高凹面温度或降低凸面一侧的温度。

②对原因③采取处理边紧、边松的方法。