玻璃退火炉分析

《玻璃退火炉分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《玻璃退火炉分析（22页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、玻璃退火炉退火炉的作用：用以消除或减少玻璃制品在成形过程中形成的各种热应力，提高玻璃玻璃的光学性质、稳定玻璃制品内部结构、避免玻璃制品炸裂，从而提高玻璃制品质量与强度。一、各种应力及形成：1、结构应力：是由于玻璃的组成、结构的不均匀性以及一些缺陷所造成。2、机械应力：是由于作用在玻璃制品上的外力引起的如拉边机、牵引机等。窗框、包边等。外力去除后应力随即消除。3、热应力：是由于冷却速度差异在玻璃内部存在温度梯度而引起的玻璃制品各部位，特别是内、外膨胀收缩不同造成的。热应力又可分为暂时热应力和永久热应力。当温度梯度消失，热应力消除的称为暂时性热应力。暂时应力只存在弹性变形温度范围内，这时玻璃的粘度

2、大约在10e-14.3pa.s左右。当温度梯度消失时，未消除的那部分热应力称为永久性热应力。永久性热应力处于玻璃的弹塑应变区内。其粘度在10e-14.317pa.s 二、玻璃制品的退火原理：1、热应力的成因 玻璃热应力的形成是因为玻璃制品在成形的过程中玻璃从液态变成固态时温度的变化引起的。如图所示：玻璃制品中内应力的检验：常用的平板玻璃内应力的检验方法有如图右所示的两种：表面应力和板中应力。原因是：内应力会使玻璃在光学上成为各向异性体，会影响玻璃的光学性能，所以就利用这一现象来测量玻璃内应力的大小。这也是玻璃的内应力常用光程差来表示的原因，单位为：纳米(nm)或毫米(mm)。如图所示，在本来光

3、性均质的玻璃上有应力存在时，当光沿z方向照射到玻璃平面上后，则z方向的折射率nz就会与x方向的折射率nx、y方向的折射率ny产生差异。因而沿x方向上和沿y方向上通过的光线就要产生双折射(俗称：光变)，其大小与玻璃中的内应力成正比，即：n=nx-ny=B：式中:n偏振光线通过玻璃原板单位厚度时在两个垂直方向上的折射率差，无量纲量；B一偏振光应力系数，单位：布(布懦斯特，Brew-ster，l布=l0-12m2N)；光线双折射的光程差l与n之问的关系是：当n=l10-6时相当于l nmmm)的光程差。因此，可以先用偏光仪测定出光在玻璃内单位行程上的光程差，再根据不同玻璃的偏振光应力系数B求出玻璃内

4、应力。例如普通钠钙硅玻璃的B=2.85布(即2.8510-12m2N)，于是1 MNm2内应力产生的光程差285 nmmm，或l nmmm光程差3509 Nm2内应力。注意：用偏光仪法测量的玻璃应力较粗略。另外，用干涉色法也可定量测出玻璃中的内应力，用补偿器法的测量精度更高，还可以用超声波干涉法、激光干涉法测量玻璃内应力。当然，目前所有应力测试仪器的测试数据处理工作都可由计算机来完成。2、玻璃制品的退火 就是把具有永久应力的玻璃制品重新加热到玻璃制品内部质点可以移动的温度，利用质点的位移使应力分散来消除或减弱其应力。应力松弛的速度在很大程度上取决于玻璃加热的温度，温度越高，松弛速度越快。其理论

5、指导如下式描述：因此，找一个合适的退火温度是玻璃退火处理的关键。有一个合理的范围,一般以保温3min能消除应力95%的温度为退火温度的上限，此时玻璃的粘度为在10-13.4pa.s。以保温3min能消除5%的应力温度为退火温度的下限，此时玻璃的粘度在10-14.5pa.s退火标准 玻璃制品的退火标准是：(即对玻璃退火程度的要求)根据退火后的残余内应力用光程差 按其用途不同而有所区别。一般来说，光学玻璃 退火标准要高一些(航空用玻璃的退火标准更高一些)，用退火后的残余内应力用光程差来表示，则要求在0.25.0 nmmm。钠钙硅玻璃 此值相当于光程差为10 nmmm。平板玻璃 退火后的残余内应力与

6、其厚度成正比用光程差表示的应力计算公式为：l=K1(nmmm)式中：1 一玻璃原板厚度(a一2，为玻璃原板厚的一半),mm;K应力计算系数，nmmm，一般K=0.30.6。K 值可视玻璃板的用途而定，当5 mm时，K取低值。普通玻璃制品 F.J.Twyman建议退火后的允许极限残余内应力120玻璃破坏强度(一般控制在玻璃极限抗张强度的l%5)。浮法平板玻璃的退火标准既要考虑成品率又要考虑经济性，不必消耗太长时间来试图完全消除内应力，即允许有一定的残余内应力存在。所以，已有人根据生产实践和有关理论计算得出浮法玻璃退火后允许残余内应力与玻璃原板厚度之间的关系，如表3 18。表3 18不同厚度玻璃原

7、板退火后残余应力允许值3、退火过程 由以上描述可知，要得到一个残余应力在允许范围内的玻璃制品，就要有一个合理退火制度。一个能消除应力不使应力再产生的过程。（一）加热过程 本阶段将已冷却的并具有应力的玻璃制品加热到退火温度（这种退火叫二次退火），加热速度应保证制品产生的暂时应力不超过玻璃本身的极限强度，以防制品炸裂。如制品在高于退火温度时直接送入退火窑，则不需此阶段（这种退火过程叫一次退火）。（二）保温阶段 本阶段将制品保持在高退火温度附近，目的是为了消除玻璃中的永久应力，同时使制品整体的温度均匀。关键点在于：保温温度和相应的时间。（三）慢冷阶段 退火区域属慢冷阶段，为的是防止再次产生永久应力。

8、一般玻璃的冷速度为210C/min。在这阶段，为了使玻璃制品在冷却后不产生永久应力，或减小到制品所要求的应力范围内，在均热后进行慢冷是必要的，以防止过大的温差。（四）快冷阶段 从低退火温度以下，可以快速冷却，一直到出窑温度为止。一般玻璃的快冷速度为15-25C/min。此时，玻璃在应变点以下进行冷却，如前述只产生暂时应力，只要它不超过玻璃的极限强度，就可以加快冷却速度以缩短整个退火过程、降低燃料消耗、提高生产率。4、退火温度计算 (一）根据玻璃成分确定 玻璃的退火温度与玻璃成分有关，除可用双折射检查仪测玻璃退火温度和用膨胀仪测退火点温度外，还可用公式计算。根椐应力在塑性物体中递减过程的研究求出

9、退火温度 由实验研究认为，应力在塑性物体中递减的过程随时间的变化如下：将该式积分，则得：式中:P。、P1-开始保温时和经时间后的内应力，MPa;-时间,min；是取决于玻璃成分和温度的常数。如以双折射光程差Nm/cm代替式中的应力项，即1=BP1，0=BP。则可得：式中：A退火常数，等于AB；B偏光应力系数，对钠钙硅玻璃B=2.57。L.HAdams和E.DWilliamson认为退火常数A是高退火温度T的指数函数，即 式中：M1、M2退火常数，与玻璃的粘度特性有关。从该式看出：高温退火温度为：生产中各种玻璃与退火常数见下表所示：（二）根据玻璃的组成及各种氧化物含量计算玻璃的退火温度 玻璃的性

10、质随其化学成分而变。在工业玻璃中增加Pb0、Na2O和K2O的含量可大大降低退火温度，而增加Al2O3、Ca0、Mg0和Si02的含量会提高退火温度。其具体表现见下表所示：表中列出了玻璃化学成分对退火温度的影响，用加号(+)表示提高的数据，用减号（一）表示降低的数据，零(o)表示该氧化物对退火温度没有影响。表：玻璃化学组成对退火温度的影响下表中还列出一系列玻璃的高退火温度。参照该表找到与被退火玻璃化学成分相近的玻璃的高退火温度，再按照前一个表中的组成对温度的影响值，就可以近似地计算出该玻璃的高退火温度。表：玻璃的高退火温度参考表（三）根椐玻璃粘度()与其化学成分的关系来确定高退火温度 如果能求

11、得某玻璃组成下的粘度=10-13Pa.s时，此时对应的温度，就接近高退火温度。如以x表示玻璃组成中的Na2O的百分含量，以y表示CaO和MgO的百分含量之和，以z表示Al2O3的百分含量，则SiO2的含量为(100-x-y-z)。则可按下面的经验公式来计算与粘度相当的温度T T=Ax-By+Cz+D式中：A、B、C、D一常散，其数值列于下表：表：与玻璃粘度有关的常数值要注意的是：上式是根据假定玻璃中MgO含量为3时的某一粘度数值的温度。实际上，玻璃中的MgO百分含量不一定是3，因此，必须根据实际玻璃的成分加以校正。其校正值列于下表：表：当玻璃中1的CaO由1Mgo代替时相应的温度提高值（四）玻

12、璃制品退火过程中的加热、保温、冷却时间（经验法）加热时间：1加热速度和加热时间的计算 众所周知，玻璃的抗压强度几乎是抗张强度的10倍，由于玻璃在加热过程中，玻璃表面承受压应力，而内部承受张应力，因此，玻璃在加热时可以用比冷却时大得多的速度进行根据玻璃的抗压和抗张强度，并考虑到当玻璃中有温度梯度存在时所产生的温度应力制品的加热速度(min)可以用下式计算式中：玻璃制品的厚度,cm。加热速度确定后，就可以根据所需加热的度数求得加热所需的时间。式中：t 所确定的退火温度，。2保温时间的计算 玻璃制品在退火过程中也要进行保温，保温时间(min)可按下式计算：式中：Ao应力消失速度系数。应力消失速度系数

13、与玻璃成分及温度有关，对大多数普通玻璃而言，可取代入式：得：对于要得到应力不大于10nm_cm的玻璃，其保温时间为152 在连续压延玻璃和平拉玻璃生产中，进入退火窑的玻璃板的温度往往略高于玻璃的高退火温度，但玻璃板的表面和内层由于冷却不均而引起温度不均。所以在这种情况下，玻璃板一方面需要进行保温(实际上起均热作用)以使玻璃板断面温度均匀；另一方面又要将玻璃板预先冷却到玻璃的高退火温度。这时就不能用上计算保温时间了，而要按LHAdams的退火公式计算保温时间：式中：保温时间，min；n要求玻璃退火后允许的内应力的光程差，nmcm。预先冷却所需时间(min)按下式计算因此，从玻璃入窑经保温和预冷所

14、需的总时间为：3.冷却速度和冷却时间的计算 玻璃冷却时，既会产生暂时应力，也会产生永久应力。如冷却速度大于零，则暂时应力在任何温度下都会产生，而永久应力的产生是由于热应力松弛的结果。热应力松弛的部分越大，则冷却后玻璃制品中的永久应力就越大。在退火区域中的内应力的产生决定于两个因素，首先是冷却速度，其次是玻璃在退火温度下冷却过程中热应力的松驰速度。因此，玻璃的退火关键是如何正确的确定和控制退火区域内的冷却。当认为玻璃冷却时热应力的松驰是最大的，为：式中：玻璃的膨胀系数，1/；E玻璃的弹性模数，MPa；玻璃的泊松比，tav玻璃冷却过程中瞬间平均温度，；t玻璃冷却过程中某点瞬时温度，。当其冷却为两面

15、均匀冷却时，其内部某点的温度为：则某一瞬间玻璃板的平均温度为：由上式可以看出，玻璃在退火过程中的冷却时间与要求的平均温度有关。如果按要求的最终残余应力计算的话，则将上式适当变换代入到：则能得到合适的冷却速度：或:三、玻璃退火制度的确定：退火制度：是指退火窑内的温度变化规律，或称:退火曲线。如图3.132所示。玻璃的退火制度是通过在退火炉的均热区出口，退火区出口、退火后区出口设置热电偶来测量温度，和控制温度的。以浮法平板玻璃的退火为例，设计浮法玻璃退火窑、制定退火制度，一般按6mm厚玻璃原板为计算基准。6 mm厚玻璃原板的退火制度按照玻璃原板能承受应力的能力和重要退火区的降温能力再进行核算，必要

16、时需降低产量、降低拉引速度，以满足退火要求。均热冷却阶段(均热区)进入退火窑的玻璃原板温度一般为60010tmax。所以该阶段主体为冷却阶段。加热玻璃原扳的边部、表面是为了减少上、下表面以及板中、边部存在的温差，从而创造良好的退火条件，提高退火质量。该阶段使玻璃原板均匀冷却到tmax。据经验，6mm厚玻璃原板的冷却速度为2227 min保温阶段(重要退火区)该阶段的温度范围为tmaxtmin，这是退火过程中最关键的阶段。玻璃原板退火后的残余内应力大小及其分布主要取决于玻璃原板在此阶段内的冷却速度以及温度分布。所以，要认真确定冷却速度，并精心组织退火，确保退火质量。慢速冷却阶段(退火后区)玻璃原

17、板在此阶段(tmin)仅产生暂时应力。但是，暂时应力过大也会使玻璃原板炸裂。一般来说，暂时应力小于或等于玻璃原板破坏强度的25。根据经验，此阶段玻璃原板的降温速度可为保温阶段(重要退火区)的3.5倍。快速冷却阶段(强制冷却阶段)。此阶段玻璃原板的降温速度既受到玻璃原板所能承受应力的限制又受到玻璃原板热交换能力的限制。玻璃原板是不良导热体，其热交换能力只有通过实验才能得到。下图是某6mm厚浮法玻璃原板的退火曲线，可供参考。需要提醒的是：退火曲线给出的是玻璃原板温度。而退火窑是窑内空间气体的温度。测控温度与退火曲线温度之间的差值需要在实践中不断摸索四、浮法平板玻璃退火窑(辊道式退火窑)的基本结构

18、退火炉（窑）是实现玻璃退火原理进行退火过程的专属设备。图3.134是浮法平板玻璃退火的专用退火窑。窑内玻璃原板的传输由辊道来完成。所以，又称为辊道式退火窑。其结构有两种：砖结构和钢结构。砖结构：用耐火砖在现场砌筑而成，窑内设有加热、冷却装置。优点：投资相对较小。缺点：由于砖砌筑周期长，占地面积大，不美观，所以现在不再采用该型式；钢结构：退火窑包括保温段(热绝缘区)和非保温段(非热绝缘区)两部分全部用钢材和保温材料构成。在保温段，窑体主要由内、外两层金属壳体组成，中间填充保温棉。钢结构一般先在机械厂预制，再到现场组装。退火窑的基本组成：为了满足玻璃原板退火曲线的要求退火窑窑体是一个具有一定长度的

19、隧道，沿隧道长度方向上分为若干区，区与区之间用挡帘分隔，每个区的温度范围不同。窑体热源输送装置 优点：密封性好，占地面积小，外观精美，蓄热较少，可预制、现场组装、施工周期短，检修方便。缺点：投资相对较大，整个退火窑按模数分为若干节,每节长度通常是辊间距的56倍(辊间距一般为0 45 m或05 m)。隧道内设玻璃输送装置辊道。玻璃板的输送 辊道的作用：支承玻璃板使之其双面均匀退火 另外，在两侧窑墙上,辊道之上设置有观察孔(用于观察炸板的位置)；辊道之下还设置有清扫门(便于清除碎玻璃，但清扫后要注意关门和密封)。热源：热源位置：设置在窑体上，在窑 的两侧或顶底处，其作用是为退火窑内补充必要的热量。

20、退火窑的区域划分：目的是为更好更便捷的对退火工艺参数的控制，以满足生产要求。退火窑沿长度方向上分热绝缘区与非热绝缘区两大类区。热绝缘区(保温区)包括：均热加热区(A区温度600550，冷风顺流间接换热)、重要退火区(B区550480，冷风逆流间接换热)、退火后区(c区480380 冷风逆流间接换热)。电热源式燃气式热绝缘区与非热绝缘区的过渡区(简称：D区)。非热绝缘区(非保温区)包括：热风循环冷却区(Ret区)、过渡区（E区)、强制冷却区(F区)。其中主要的区是：A、B、C、Ret、F这五个区，因为D、E这两个区是过渡区，其长度较短(243 m)。热源设置在A、B、C区中，其中，A区的热设置区

21、域较大，其目的是调节玻璃原板表面的温度，使之符合退火要求。一般一个标准节上设有3个电加热装置。B、C区热源一般设在玻璃板的边沿部，以满足玻璃原板边缘区调温要求。冷却风的作用及配置：保温区设置冷却器，是为了调节玻璃原板的冷却，特别是当退火炉与锡槽相联接时。冷却器的设置：A、B区单层底顶设置，C区顶三下二层设置。D区：D区为过渡区(该区的温度大约在380370，起到连接c区和Ret区的作用)，该区为封闭结构，无加热装置、无冷却装置、无保温处理(即采取封闭的自然冷却方式)，窑体用一层钢板密封。在Ret区和F区，根据退火窑不同的生产能力再分为若干小区。有的浮法玻璃生产线在A区之前还设有在线镀膜区(简称

22、：A0区）在线镀膜区，设在A区之前。在线镀膜区板下面还通so2气体，用于玻璃表面改性及保护辊子表面。Ret区：为独立的封闭区。实质上为热风循环冷却区，该区的温度大约在370230。该区是将退火窑内热空气配以少量冷空气，形成一定温度的热空气，通过风机再将该热空气直接喷吹到玻璃原板上，其目的是：利用强烈的对流换热使玻璃原板快速冷却。原因：该区内热空气与玻璃原板的温差不是很大，故正常生产时不会引起玻璃原板的炸裂。因为该区的这种冷却方式是从间接风冷改进而来，所以，比利时的CNUD公司认为它具有革命性(Revolution)，因而得此名。具体来说，Ret区为一独立的封闭区，如图3139所示。板上风嘴横向分为五个区，用手动风阀控制，辊下不分区，仅用手动控制进风量。E区：E区（230）采用敞开的自然冷却方式(从该区开始，玻璃原板将直接暴露在空气中)。该区除辊道之外无其他设备，只起到封闭区(Ret区)和急冷区(F区)之间的分隔作用。F区：F区（230 60）为敞开的强制冷却区，该区将室温空气直接吹到玻璃原板表面，通过强制对流换热使玻璃原板实现快速冷却，如图3.140所示。除了风温不同以外，该区的结构与Ret区很相似(当然F区为敞开式)。F区的控制方式与Ret区也相同(用手动控制)。