淺談壓延玻璃應力及缺陷處理

摘要：由于玻璃自身特性決定了它的不良導熱性，從而導致玻璃在退火過程中因為溫度差必然存在著應力。本文根據玻璃的退火理論結合示意圖論述了壓延玻璃在退火過程中永久應力與暫時應力產生的機理，并結合生產中不同缺陷產生的形態，給出定性分析和調整方法。

關鍵詞：退火窯永久應力暫時應力張應力壓應力

壓延玻璃的退火主要是指將玻璃置于退火窯中經過足夠長的時間通過退火溫度范圍或以緩慢的速度冷卻下來，以便不再產生超過允許范圍的永久應力和暫時應力，或者說是盡可能使玻璃中產生的熱應力減少或消除的過程。

玻璃退火的目的是消除壓延玻璃中的殘余內應力和光學不均勻性，以及穩定玻璃內部的結構。

壓延玻璃的退火可分成兩個主要過程：一是內應力的減弱和消失，二是防止內應力的重新產生。

1.應力分類及形成原因

壓延玻璃在退火過程中可能產生的熱應力有永久應力和暫時應力兩種。

永久應力是當高溫玻璃經退火到室溫并達到溫度均衡后，玻璃中仍然存在的熱應力也稱為殘余應力。暫時應力是隨溫度梯度的存在而存在，隨溫度梯度的消失而消失的熱應力。

永久應力一般產生于轉變溫度和應變溫度范圍之間，暫時應力則伴隨著整個退火過程。

1.1 暫時應力

當壓延玻璃處于彈性形變范圍內（應變溫度以下）進行加熱或冷卻過程時，由于其導熱性較差，在其內外層之間必然產生一定的溫度梯度，因而在內外層之間產生一定的熱應力。如：當玻璃從應變溫度以下冷卻時，玻璃內外產生了溫差，玻璃外層溫度低于內層，故外層收縮大于內層，這樣，外層的收縮受到內層的膨脹作用（拉伸作用），內層膨脹受到外層的壓縮作用，因此玻璃在冷卻時表面受到張應力，內部受到壓應力。

如果在外層玻璃冷卻到一定溫度而使整塊玻璃進行均熱時，玻璃外層已不再收縮，內層卻隨著溫度的不斷降低而繼續收縮。這樣外層受到壓應力，內層受到張應力。它們的大小和冷卻過程中所產生的應力大小相等，方向相反，所以當玻璃的溫度均衡后，玻璃中的應力也就消失了。但必須注意，當暫時應力超過玻璃的極限強度時，同樣會產生破裂。相反，玻璃在加熱時表層受到壓應力，內部受到張應力。

由于玻璃屬于脆性材料，能夠承受的抗壓能力是抗張能力的10倍，因此，玻璃能夠承受的加熱速率可以比冷卻速率大一些。

1.2 永久應力

如前所述，當壓延玻璃由高溫（轉變溫度以上）逐漸冷卻時，玻璃內外層產生溫差。開始處在轉變溫度區域（玻璃黏度在109～1012PaS）之內玻璃，由于分子的熱運動能量較大，玻璃內部結構基團間可以產生位移變形等能夠使由溫差而產生的內應力得以消失，這個過程稱為應力松弛。由于應力松弛的作用，盡管此時存在溫差卻不產生應力。

當玻璃冷卻過程發生在退火溫度區域（1013～1014.5PaS）時，玻璃從粘塑彈性體逐漸轉變成彈性體，此時應力松弛的作用僅能消除溫差內應力戶的部分應力x。當玻璃被冷卻到應變溫度以下時，玻璃內所產生的內應力相應為（P-x）；當進一步冷卻到室溫并達到內外均一時，玻璃應力值的變化為P，而殘留在玻璃中的內應力的大小正好為應力松弛的那部分x，稱為永久應力或殘余應力。

壓延玻璃內永久應力產生的直接原因是在退火溫度區域內應力松弛的結果。應力松弛的程度取決于在該溫度區域內的冷卻速度、溫度梯度、黏度和玻璃厚度等。過大的永久應力會使壓延玻璃在儲存、運輸、加工、使用過程中炸裂。

1.3 退火上下限溫度

玻璃中殘余內應力的減少或消除，只有將玻璃重新加熱到開始塑性變形時才有可能。玻璃在此塑性變形時的溫度范圍，稱為玻璃的退火溫度范圍。退火的上限溫度指制品在該溫度 15min內能消除全部應力或3min內消除95％應力的溫度，黏度為1013PaS；退火下限溫度則指在3min內消除5％應力的溫度，黏度為1014.5PaS℃。這兩個溫度構成了玻璃的退火溫度范圍。

2.玻璃板在退火過程中出現的問題和解決方法

玻璃板在退火過程中容易出現的問題主要是炸裂和切割困難，從炸裂的成因上又分為在退火區和冷卻區產生的炸裂，主要形成是縱炸和橫炸。主要發生的地點在D區以后，切割困難主要包括橫切掰斷不齊和縱刀掰邊多角少角，以下分別論述。

2.1.炸裂

2.1.1.縱炸：是指沿玻璃板拉引方向上發生的縱向裂紋，一般較長會損失較多的玻璃。

原因：發生炸裂的一側受張應力過大，如果存在結石或微裂紋等薄弱點，炸口易從此開始向前延伸。玻璃板具體表現為邊緊，用手很難將玻璃板邊部從輥道上掂起(指薄玻璃，厚玻璃不明顯)。縱炸一般是從退火窯后區向前區延伸發生，調整一般在炸裂端的前一區開始調整。

調整方法：

(1)如果裂紋延伸到Ret區、D區內

a．裂紋靠近邊部，說明此側的張應力大(圖1)適當降低A區此側溫度設定值或升C區此側溫度設定值。

圖1

b．若裂紋在板中部，說明板兩側張應力大。

適量降低A區板兩側溫度設定值或升C區板兩側溫度設定值或按相反方向調整板下部的溫度。

(2)若裂紋在F區以后

a．若裂紋在板邊部，說明此側的張應力大，減少Ret區此側的吹風量，或增加Ret1區中部和另一側的吹風量。

b．裂紋在板中部，說明板兩側的張應力大，增加板中部的吹風量或減少板兩側的吹風量。

2.2.橫炸

是指玻璃板寬度方向上的炸裂，一般影響幾米長的玻璃，有時僅為一條炸線。

原因：主要是受壓應力影響，表現為邊松，玻璃板運行時有打輥子的現象，用手很容易能將玻璃板邊部掂起。

(1)調整方法

a．第一種情況：如圖2，通常僅為一條炸線，出現在玻璃板有薄弱點的地方(例如：夾雜物)，這樣的炸裂是正常的，可不必作調整。

圖2

b.第：二種情況：如圖3，呈“丫”字型，“丫”字方一側壓應力過高，增加“丫”字形一側的吹風量，如不行可在B區或C區做相應的調整。

圖3

C．第三種情況：如圖4，炸裂呈“X”型，說明板兩側壓應力高，增加板兩側的吹風量或減少板中的吹風量或在A區、C區做相應的調整。

圖4

2.3.切割當中遇到的問題

壓延玻璃出退火窯后進入切割區，如確認非切割刀具問題，仍出現橫斷不齊和掰邊多角少角現象，說明是退火原因造成。壓延玻璃理想的切割狀態是：板兩側受壓應力，中間受張應力；板上受張應力，板下受壓應力。故在設定各區溫度時，可在不產生炸裂情況下，人為考慮以上因素，例如：A、B區板中溫度可設定高于板邊，C區板下溫度高于板上溫度。

2.3.1.橫斷時出現的退火問題

a．掰斷時，玻璃板為“丫”形，如圖5，說明此側的壓應力過大。

調整：適量增加F區此側的吹風量。

圖5

b．第二種情況如圖6，玻璃板中部壓應力大。

調整：增加F區中部吹風量。

c．第三種情況如圖7，玻璃板中部張應力大。

調整：減少F區中部吹風量或增加邊部吹風量。

圖7

d．第四種情況。當出現掰斷不沿刀痕，這時上表面壓應力過大。

調整方法：增加F區上表面吹風量或減少F區下表面吹風量。

2.3.2.縱切時出現的退火問題

a．難切割，刀過不好掰。

原因：玻璃板在重要冷卻區板上降溫過快，板下受過大的張應力造成的，或是Rct區或F區下部吹風量大造成的。

調整方法：適量提高退火區板上溫度，或提高F區或Ret區板上吹風量，減少板下吹風量。

b．掰斷時，沿刀痕自動裂開。

說明邊部受張應力過大，減少F區此側的吹風量。

在生產壓延玻璃時，由于成型的特殊性，會造成玻璃板邊部和中部相比過厚的情況，影響退火溫度，這就需要在退火溫度設定時加以考慮，有時玻璃板運行偏斜或擺動，設備故障如蝶閥壞，均會影響退火。

以上討論的均是熱應力對退火的影響，結構應力有時也會對退火造成影響。例如；原料配錯料或大量使用碎玻璃，有時會造成玻璃板在退火窯長時間的不規則狀的炸裂。以上退火的操作，往往憑借的是實際的工作經驗，具有較大的主觀性。

參考文獻：

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