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1、 1第五篇 退火基本理论玻璃退火窑是改善玻璃应力的设备，它直接影响玻璃成品率及玻璃的后续处理，在玻璃生产中处于重要位置。玻璃产品的性能、生产规模及质量决定退火窑的退火特点，因而不同产品退火窑的结构会存在着差异。现在的浮法玻璃退火窑为适应浮法玻璃退火特点，已能够处理大吨位锡槽生产的玻璃原片，具有现代化的自动控制技术，产品能够适应各种平板用户对浮法玻璃的要求。目前，浮法玻璃退火窑均为全钢全电退火窑，就其结构而言，它包括辊道和壳体两部分。世界上在制造该种退火窑方面较著名的公司有两家，一家是起步最早的比利时 CUND 公司，另一家为法国 STEIN 公司，两家产品各有特点，CUND 公司以冷风工艺为基
2、础，而 STEIN 公司则以热风工艺为基础，其他部分基本上趋于一致。退火窑壳体按照 CUND 公司一般分为 A0 区、A 区、B 区、C 区、D 区、RET 区、 E 区和 F 区，而 STEIN 公司则分为 A0 区、A 区、B 区、C 区、E。区、D 区、E 区和 F 区。虽然在过渡区和重要退火区的叫法不一，各部分的功能是一致的。退火窑辊道由传动系统和辊子组成。辊子一般采用钢辊。退火窑前端的部分辊子的高度可调，以适应玻璃带出锡槽时的爬坡。 退火窑传动一般包括两个传动站，当退火窑运行时，直接带动退火窑辊道的为主传动,另一个为从传动，从传动以主传动 95%的速度运行，一旦主传动故障，从传动迅速
3、代替主传动。也有的退火窑除了两个主要传动外还带一个小电机传动。一、玻璃退火的基本原理高温下成型的玻璃制品冷却时会产生不同程度的应力。玻璃退火的目的是 2最大限度地消除或减弱制品中的残余应力和光学不均匀性，稳定玻璃内部结构。这种应力在玻璃中分布不均匀，会大大降低玻璃制品的机械强度和热稳定性，对玻璃的各种性质都有影响。玻璃没有固定的熔点，从高温冷却下来时由典型的液态转变成脆性的固态物质要经过一个温度区域，这个温度区域被称为转变温度区域。其上限温度称为软化温度 Tf（=10 9 泊） ，下限温度称为转变温度 Tg（=10 13 泊） 。在 Tg 以下的适当温度范围内，玻璃的分子仍能进行位移，可以消除
4、玻璃中热应力和结构状态的不均匀性，但此时玻璃的粘度值已经很大，其外形的改变几乎测不出来，我们称这一区域为玻璃的退火区域。其粘度范围值在 101310 17 泊。一般规定玻璃制品在某一温度下能在 15 分钟内消除全部应力或 3 分钟能消除 95%内应力，则称该温度为退火上限温度。在 16 小时内才能全部消除或在 3 分钟内仅消除 5%的应力，该温度称为退火下限温度。在退火下限温度以下玻璃就完全处于弹性状态，该温度点也称应变点。一般以粘度 1013 泊对应的温度作为退火上限温度，以粘度 1014.6 泊对应的温度作为退火下限温度。1、玻璃内应力这里讲的应力是指热应力。玻璃内部因在生产和使用过程中存
5、在温度差而产生的应力称为热应力。由于玻璃在冷却过程中热历史不同，热应力可分为暂时应力和永久应力两种。1）暂时应力（也称温度应力）处于弹性状态下的玻璃，在冷却过程中，由于其导热性较差，它的外层和内层就产生了温度梯度。靠近表面的外层温度较内层低，外层力图收缩，但温度较高的内层要予以阻止。所以在冷却时玻璃外层受张应力，内层受压应力。 3如果玻璃中的温度梯度消失，上述应力也随之消除。这种取决于温度差的应力即为暂时应力。暂时应力只存在于弹性变形温度范围的玻璃中，即在玻璃应变温度以下存在温度梯度才能产生。暂时应力的大小取决于玻璃的温度梯度和玻璃的膨胀系数。2）永久应力（也称残余应力）：当玻璃的温度处于退火
6、温度区域时，由于处在塑性状态下的玻璃内部质点的运动，消除了因温度梯度产生的应力，并使玻璃在通过这一区域冷却时能保持一定的温度梯度而没有内应力，即应力松弛。当玻璃从退火温度区域急剧冷却，外层已硬化，处于弹性状态，内层还处于塑性状态时，内层冷却要收缩，而硬化的外层却阻止其收缩，这样外层就受压应力，内层就受张应力。在玻璃继续降温到转变点温度以下后，由于内外温差的存在将产生暂时应力，暂时应力与退火温度区域产生的玻璃内应力方向相反，可以部分或全部相互抵消。但当玻璃内温度梯度消失后，暂时应力随之消失，高温时处于塑性状态下的玻璃内部应力松弛的结果便表现为不可消除的残余应力。这种应力叫做永久应力。永久应力取决
7、于退火区域内玻璃的冷却速度、温度梯度、粘度及厚度等。除了热应力所造成的永久应力外，玻璃中的化学不均匀也能产生永久应力。当玻璃中存在条纹、结石等缺陷时，由于这些缺陷与玻璃基体之间存在物理性能上的差别，就会产生永久应力。这种永久应力在退火阶段是无法消除的，只能在熔制阶段解决。3）应力的作用永久应力的存在常常在生产和使用过程中带来以下问题： 4a、过大的永久应力会使玻璃在生产和使用过程中炸裂。b、由于永久应力的存在使光学精密仪器产生双折射而影响仪器的工作精度。c、永久应力存在的情况下，长期高温使用仪器时会使光学零件产生形变，影响成型质量。各种不同工业玻璃的制品有其允许的永久应力值。对于浮法玻璃其允许
8、最后产品的永久应力值如下（比利时 CNUD 提供）厚度（mm） 5 6 8 9 10 12.7 19允许值（nm/cm） 32 37 45 60 65使用值（nm/cm） 21.5 25.8 34.4 44.93 49.8暂时应力仅存在于玻璃生产的过程中。在生产中只要暂时应力和永久应力的综合作用不引起玻璃的破损和不对玻璃板的切裁造成困难，暂时应力就允许存在。玻璃抵抗压应力和张应力的能力是不同的，一般情况下玻璃的耐压强度是其抗张强度的 10 倍。所以一般玻璃表面存在较大的压应力是不会破坏玻璃的。钢化玻璃就是利用这个原理来提高玻璃的机械强度的。2、浮法玻璃的退火浮法玻璃的退火是在退火窑里进行的，玻
9、璃带经过渡辊台进入退火窑（相应玻璃板温度约为 600） ，在玻璃带离开退火窑末端进入冷端辊道后进行切裁（相应玻璃板温度约为 70） 。在整个退火区域内玻璃带从高温状态（高于转变点温度）冷却到切裁温度，在冷却过程中必然产生热应力，浮法玻璃退火的目的就是在玻璃带冷却过程的不同阶段控制相应不同的冷却速度，使退火后的 5玻璃板易于切裁，残余应力控制在要求范围内。一般将玻璃带温度高于退火上限温度的区域称为均热区，玻璃带温度处在退火上限温度和下限温度之间的区域称为退火区，玻璃带温度低于退火下限温度的区域称为快速冷却区。实际生产中玻璃板温度以大约 540570作为退火上限温度，以大约 450470作为退火下
10、限温度。二、玻璃的炸裂与应力图的关系玻璃退火中的理想应力图如下：在退火过程中，由于玻璃中存在不合理的永久应力与暂时应力而使玻璃在D 区或 F 区产生炸裂，造成玻璃产量损失，或由于应力不佳，虽不致炸裂，但在切割过程中产生不按切刀痕断裂，如缺角、凸角等，同样造成玻璃的损失。1、纵向炸裂炸裂形式主要有： 6产生以上炸裂时，玻璃的应力图如下：( 1 )( 2 ) 7应力图(1)会产生 a、b 两种形式的纵炸裂。应力图(2) 会产生 b 形式的纵裂。调节方式：应力图（1）：应调高退火区 B 区中央温度或降低 C 区中央温度，以提高玻璃中央的张应力，使应力图回到理想应力图形式。应力图（2）：应调高退火区
11、B 区对应于压应力的相对应位置的的温度或降低C 区相应位置的温度。由于以上炸裂原因是 B 区或 C 区形成的尚不太清楚，故应先调整 B 区或 C区温度，观察结果后再做调整，一般调整幅度在 2左右，不应调节幅度太大。2、横向炸裂炸裂形式主要有三种形式：图“a”的横向炸裂：一般是由于结石等原因形成，一般无应力问题，不需调整。图“b”的横向炸裂：玻璃的应力为左侧压应力太大，应调高 B 区左侧温度或降低 C 区左侧的温度，以使应力图回到理想状态。 8图“c”的横炸炸裂：应为玻璃两侧压应力太大造成，降低 B 区中央的温度或升高 C 区中央的温度。图 b, 图 c 应力图如下：( 1 )( 2 )三、退火
12、窑结构退火窑可分为保温段、密封段和敞开段，保温段指 A0 区、退火前区 A 区、重要退火区 B 区和退火后区 C 区，密封段指过渡区 E0（或 D）区和循环热风冷 9却区 D（或 RET）区，敞开段指间接冷却区 E 区和直接冷却区 F 区。目前，主要有热风工艺的 STEIN 退火窑和冷风工艺的 CUND 退火窑，下面就分别进行阐述。1、STEIN 退火窑1） A 区退火窑的第一节或两节是 A0 区，它的顶是可移动式的，用于在线镀膜。该区不具备冷却功能，但边部设立了电加热，辊子直径一般为 305mm，对于玻璃原板较宽的退火窑，辊子直径可达 365mm，辊间距一般为 450mm。A 区所有壳体由钢
13、板焊接而成，其内部为耐热不锈钢。每节下部均设有碎玻璃清扫孔，同时，每节也设有检查孔。壳体四周采用矿物棉毯保温。辊子轴头缝隙、清扫孔、检查孔、加热元件塞子都进行了保温。A 区和 B 区共用两台冷却风机，A 区冷却风为顺流。在 A 区的顶部，其冷却器为不锈钢风管，平行于玻璃板布置，分区来调节玻璃板横向温度，每区自动控制；在 A 区的底部，其冷却器为不锈钢风箱，平行于玻璃板布置，也是通过分区来调节玻璃板横向温度，每区手动或自动控制。A 区的头部和尾部的上面、下面分别设置热电偶，采用独立控制回路。下面是 A 区冷却风控制回路示意图。 102）B 区该区由钢板焊接而成，其内部为不锈钢。每节下部均设有碎玻
14、璃清扫孔，同时，每节也设有检查孔。壳体四周采用矿物棉毯保温。辊子轴头缝隙、清扫孔、检查孔、加热元件塞子均须保温。2 台风机（和 A 区共用）提供 B 区冷却风，冷却风方向为逆流。在 B 区的顶部，其冷却器为不锈钢风管，平行于玻璃板布置，分区来调节玻璃板横向温度，每区自动控制，其空气进口和出口联成一个循环系统，冷却风为热风；在 11B 区的底部，其冷却器为不锈钢风箱，平行于玻璃板布置，也是分区来调节玻璃板横向温度，每区手动或自动控制。B 区板上冷却采用热风循环进行冷却，热风循环的特点是：用最小的温度梯度、平滑的温度曲线来改善玻璃的永久应力。热风可采用较大的风量、较好的冷却均匀性使玻璃的表面应力得
15、到改善。B 区的尾部上面和下面分别设置热电偶来独立控制该区退火窑的温度，在热风管上还要设一个热电偶，采用一个回路控制热风温度。下面是 B 区冷却风控制回路。 123）C 区该区由钢板焊接而成，其内部为低碳钢。每节下部均设有碎玻璃清扫孔，同时，每节也设有检查孔。壳体四周采用矿物棉毯保温。辊子轴头缝隙、清扫孔、检查孔、加热元件塞子均须保温。2 台风机提供区冷却风，冷却风方向为逆流。在区的顶部，其冷却器 13为不锈钢风管，平行于玻璃板布置，分区来调节玻璃板横向温度，每区自动控制；在区的底部，其冷却器为不锈钢风箱，平行于玻璃板布置，也是分区来调节玻璃板横向温度，每区手动控制或自动。区的尾部上面、下面分别设置热电偶，采用独立控制回路。下面是区冷却风控制回路示意图4）区它的开始部分是一个过渡区 E0。外壳用钢板焊接而成，其进口和出口用挡 14帘密封，下部设有掏碎玻璃的门，上面两侧有观察孔。因温度较低，只采用防辐射钢板来保护工作人员。其他分区如 D1 等各使用 2 台风机，热的冷却风直接吹在玻璃板上；热风出口在各区前部，会聚后进风机吸入口，这些热风和外界空气混合后分配给玻璃板上部各个
