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1、5披璀的腥火沒腥火室5.1玻璃的退火原理5.1.1 概述当玻璃在室温度与软化温度之间进行热处理时，其结构和性能往往能发生显著的变化， 如应力的产生或消除、分相与析晶等等。浮法玻璃退火是指熔融玻璃液在锡槽中成型后，于 退火窑中通过适当控制温度降低速度，将玻璃带中产生的热应力控制在允许的范围内。5. 1. 1. 1 浮法玻璃中热应力的类型与形成原因浮法玻璃在退火过程中可能产生的热应力有永久应力和暂时应力两种。永久应力是当高温玻璃经退火到室温并达到温度均衡后，玻璃中仍然存在的热应力， 也称为残余应力。暂时应力是随温度梯度的存在而存在，随温度梯度的消失而消失的热 应力。永久应力一般产生于转变温度和应变
2、温度范围之间，暂时应力则伴随着整个退火过程。(1) 暂时应力当浮法玻璃处于弹性形变范围内（应变温度了/以下）进行加热或冷却 过程时，由于其导热性较差，在其内外层之间必然产生一定的温度梯度，因而在内外层之 间产生一定的热应力。*h当玻璃从乃以下逐渐被冷却时，玻璃内外层产生了温差。玻 璃外层温度低于内层，故外层收缩大于内层，这样，外层的收缩受到内层的膨胀作用 (拉伸作用），内层膨胀受到外层的压缩作用，因此玻璃在冷却时表面受到张应力，内部 受到压应力。如果在外层玻璃冷却到一定温度而使整块玻璃进行均热时，玻璃外层已不再收缩，内层 却随着温度的不断降低而继续收缩。这样外层受到压应力，内层受到张应力。它们
3、的大小和 冷却过程中所产生的应力大小相等，方向相反，所以当玻璃的温度均衡后，玻璃中的应力也 就消失了。但必须注意，当暂时应力超过玻璃的极限强度时，同样会产生破裂。相反，玻璃在加热时表层受到压应力，内部受到张应力。由于玻璃属于脆性材料，能够承受的抗压能力是抗张能力的10倍，因此，玻璃能够承 受的加热速率可以比冷却速率大一些。(2) 永久应力如前所述，当浮法玻璃由高温（转变温度乃以上）逐渐冷却时，玻璃 内外层产生温差。开始处在转变温度区域（玻璃黏度在10-910-12?3.5)之内玻璃，由于 分子的热运动能量较大，玻璃内部结构基团间可以产生位移变形等能够使由温差而产生的内 应力得以消失，这个过程称
4、为应力松弛。由于应力松弛的作用，尽管此时存在温差却不产生 应力。当玻璃的冷却过程发生在退火温度区域（Tg7V)时，玻璃从粘塑弹性体逐渐转变成 弹性体，此时应力松弛的作用仅能消除温差内应力的部分应力工。当玻璃被冷却到应变温 140度以下时，玻璃内所产生的内应力相应为（p+z);当进一步冷却到室温并达到内外均一 时，玻璃应力值的变化为户，而残留在玻璃中的内应力的大小正好为应力松弛的那部分，称为永久应力或残余应力。浮法玻璃内永久应力产生的直接原因是在退火温度区域内应力松弛的结果。应力松弛的程度取决于在该温度区域内的冷却速度、温度梯度、黏度和玻璃厚度等。 过大的永久应力会使浮法玻璃在储存、运输、加工、
5、使用过程中炸裂。5. 1. 1. 2 玻璃退火的定义和目的在玻璃工艺中，所谓玻璃的退火主要是指将玻璃置于退火窑中经过足够长的时间通过退 火温度范围或以缓慢的速度冷却下来，以便不再产生超过允许范围的永久应力和暂时应力， 或者说是尽可能使玻璃中产生的热应力减少或消除的过程。玻璃退火的目的是消除浮法玻璃中的残余内应力和光学不均匀性，以及稳定玻璃内部的 结构。浮法玻璃的退火可分成两个主要过程：一是内应力的减弱和消失，二是防止内应力的重 新产生。5. 1. 1. 3 玻璃中内应力检验方法玻璃中内应力的检验玻璃中的内应力使玻璃在光学上成为各向异性体，这将影响玻璃 的光学性能；同时，也可以利用这一现象来检验
6、玻璃中内应力的大小。玻璃中的内应力可以 用光程差表示。应用偏光仪测定玻璃中单位行程的光程差，从而可以根据不同玻璃的偏光应 力系数3来计算玻璃中的内应力。5. 1. 1. 4 玻璃退火的标准图但KS拉友O 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24玻璃厚度/mm图5-1浮法玻璃的残余应力与 玻璃板厚度的关系玻璃制品退火的标准，即对玻璃退火程度的要求，根据玻璃制品的用途不同而有所区 别。一般光学玻璃制品退火要求高些，退火后的残余应力以光程差表示，要求在2 5.0nm/cm2R。而对于一般商品玻璃，？*】*丁700建议，玻璃退火后的允许极限残余 内应力，应该不大于玻璃破坏强度的1
7、/20，此值对 于普通钠钙硅玻璃相当于光程差为1001久奶。航空 用玻璃标准要求高一些。对平板玻璃而言，玻璃退火后的残余应力随玻璃 板的厚度增加而增大。对于浮法玻璃的退火标准，根 据生产实践和理论计算资料，玻璃退火后的残余应力 与玻璃板厚度的关系，以曲线表示于图5-1中，供设 计计算和生产中参考。5. 1. 1. 5 退火温度的确定玻璃中残余内应力的减少或消除，只有将玻璃重 新加热到开始塑性变形时才有可能。玻璃在此塑性变 形时的温度范围，称为玻璃的退火温度范围。最高退火温度是指在此温度下保温214，应力可以消除95%，一般对应于玻璃的转变温度；最低 退火温度是指在此温度下保温21应力可以消除5
8、%，一般对应于玻璃的应变温度。这两 个温度构成了玻璃的退火温度范围。退火温度的上下限，一般介于501001之间，它与玻璃本身的特性有关。根据理论计算和生产经验，浮法玻璃的最高退火温度约为540570，最低退火温度约为450480C。5. 1. 2退火工艺制度的计算退火温度确定之后，还要确定退火的工艺制度，也就是确定退火分区。 玻璃退火分区是为玻璃在退火窑中，根据不同情况和要求进行退火，以便分区加以控 制，以达到提高玻璃退火质量的目的。实际上，玻璃退火过程也是冷却过程，但要根据玻璃 的不同厚度及不同要求，控制其冷却速度，使经退火后的玻璃中的残余内应力符合要求；同 时，玻璃在退火中产生的暂时应力不
9、能过大，否则会引起玻璃在退火窑中炸裂。因此，玻璃 在退火窑中，按退火工艺分加热均热预冷区（又称预退火区）、重要冷却区（又称退火区）、 冷却区（又称后退火区）和急速冷却区。急速冷却区又分直接热风和直接冷风冷却区。现将 以上5个区段的作用及其长度计算分述如下。5. 1. 2. 1 加热均热预退火区（八区）在正常生产情况下，玻璃带从锡槽拉引出来经过过渡辊台，进入退火窑的温度一般为 (59010VC，此温度高于玻璃的最高退火温度，是可以不用再加热的。但由于玻璃带从锡 槽出来通过过渡辊台时，玻璃带的上下表面和带中与带边往往存在着温度差，有时甚至还比 较大。为使玻璃带进人退火区创造良好的温度场条件，提高玻
10、璃的退火质量，必须适当加 热，尤其是边部。同时，使玻璃带通过此区，逐步预先均匀地冷却到玻璃的最髙退火温度。 对某一厚度的玻璃带，在此区可以用比在退火区快50%的速度进行冷却。根据统计数据， 对于61111玻璃，其冷却速度：=2227亡/11因此，为了便于计算，按6爪01厚的玻璃 来计算此区的长度，可按式（5-1)计算LA-TXV(5-1)式中 LA-A区长度，m;1玻璃的最高退火温度，r;V601111玻璃的拉引速度，m/min;C6mm玻璃在此区允许的冷却速度，C/min0 5. 1. 2. 2 重要冷却区(B区）所谓重要冷却区是指玻璃在退火过程中最关键的区域，因为经退火后的玻璃中的永久应
11、力的大小及其分布状况，主要决定于玻璃在此区的冷却速度和温度的分布情况。所以必须正 确地确定其冷却速度，精心地进行退火，以保证玻璃的退火质量。玻璃在退火过程中，既会产生暂时内应力，也会产生永久内应力（在玻璃完全冷却到室 温后出现）。只要冷却速度大于零，则暂时的热弹应力（即暂时应力）在任何温度下都会产 生，而永久应力的产生，是由于在高温下玻璃中热弹应力松弛的结果。热弹应力松弛的部分 越大，则冷却后玻璃中的永久内应力就越大。退火理论表明，玻璃中永久应力等于退火中松 弛掉的应力的总和，但符号相反。玻璃只有在低于退火下限温度下冷却，永久内应力才不再 产生，因为此时玻璃的黏度已经增大，热弹应力实际上不可能
12、松弛。在退火区域中，玻璃的内应力的产生决定于两个因素：首先是玻璃的冷却速度， 其次是玻璃在退火温度区域中冷却过程热弹应力的松弛速度。根据八00和William- 3011对玻璃在退火区域中的退火研究结果认为，应力松弛速度与应力的平方成正 142f=-AP2dt而应力尸的大小，当玻璃的化学成分一定时，主要决定于冷却速度，所以在退火区域内玻 璃中的热弹应力的松弛速度归根到底也与冷却速度有关。因此，为了获得永久内应力较小的 玻璃，必须正确地确定和控制玻璃在退火区域内的冷却速度。目前，实际上不可能准确地计算出玻璃在退火区域中冷却时热弹应力松弛并在室温下转 变为永久内应力的那一部分应力，因此，在计算中可
13、考虑产生的永久内应力的最大可能值， 即相当于玻璃中热弹应力的完全松弛。若按601玻璃来计算，则退火区的长度为LB = _XV(5-2)式中LB退火区长度，m;仏玻璃的退火上、下限温度之差，对于浮法玻璃，A(=7080C;C601111玻璃在退火区允许的冷却速度，1(3/111比，C=-; 7?0光程差；玻璃厚度的一半；V6mm玻璃的拉引速度。5. 1. 2. 3 冷却区（C区）冷却区（亦称后退火区）玻璃退火区域以下，即在玻璃退火的下限温度以下的冷却，可 以以较快的速度进行，但冷却速度也不能太快。玻璃在低于退火下限温度进行冷却所产生的 内应力为暂时应力，暂时应力沿板厚度方向分布与永久应力相反，其
14、最大的张应力在板的表 面。如冷却速度太快，则会引起暂时应力过大而使玻璃破裂。一般暂时应力不得大于玻璃破 坏强度的1/4。根据生产实践经验和理论计算，玻璃在区的冷却速度，对于同一厚度的玻璃，可以 用比其在退火区大1. 5倍左右的速度进行冷却，只要玻璃板的上下表面和横向的温度差不太 大，是不会引起玻璃炸裂的。这样，根据玻璃带在此区的温度降仏（么大约为1000。按 与公式（S-2)相同的公式来计算此区的长度1(00，只是式中的冷却速度0，比其在退火 区大1.5倍，则Lc = 2CXV(5-3)5.1.2.4 热风循环强制对流冷却区（RETK)玻璃带在退火窑中的退火过程，是有控制的冷却过程，它是以对流
15、和辐射的方式，把自 身的热量传递给其周围介质和壳体，而使玻璃自身逐步冷却下来。玻璃带从后退火区出来时 的温度大约为370380，这时，其综合给热系数（对流给热系数和辐射给热系数之和）， 由于玻璃温度已经较低而大大减少，这是国内过去和现在几条老式的退火窑，玻璃带在冷却 区后（0区后）温度降低太慢，玻璃出退火窑时温度偏高的原因。 为了使玻璃的热量能散发出来，根据牛顿提出的公式Q = a(4 ,介)F当降低而又要使3增大或保持不变，F定时，只有使（礤一)的温差加大，也就是使仏降低(玻一印）160为宜，但又不能用室温空气直接冷却玻璃，以免玻璃冷 却温度过大而引起炸裂。因此，采取控制循环热风的温度，对玻璃带进行直接吹风对流冷 却，以使玻璃能以比其在后退火区稍大或相同的冷却速度进行对流冷却，使玻璃带的表面温 度由3703801降到2202401，则此区的长度乙化）为LRet=XV(5-4)式中匚和同公式（5-2)。通常此区又分为两小区，即尺丁1和尺丁2区。退火窑在此区之后，就没有壳体了，一般有一过渡的自然冷却段，其长度约3111左右， 再后面就是直接室温空气冷却区。5. 1. 2. 5 室温风强制对流冷却区（卩区）玻璃带经过热风直接冷却，使玻璃表面温度降到230以下。为了使玻璃在此区能比以 前区（
