钢化玻璃自爆原因分析

1.钢化玻璃自爆问题一直困挠着广大玻璃钢化厂及玻璃用户。自爆可发生在工厂库房中及出厂后若干年之内。不时见到有关玻璃台板、淋浴房、工矿灯具玻璃、烤炉门玻璃、玻璃幕墙等钢化玻璃制品自爆的报道。如再不解决自爆问题，不但影响钢化玻璃的推广，甚至可能使钢化玻璃产品失去公众的信任。前几年风行一时的用钢化玻璃制成的煤气灶台面，就是由于频繁的自爆报道而全军覆没，整个行业几乎全面退出市场。

澳大利亚研究人员对8幢建筑幕墙进行了长达12年的跟踪研究.在共计17760块钢化玻璃，共发生306例自爆，自爆率为1.72%。

广义自爆一般定义为钢化玻璃在无直接外力作用下发生自动炸裂的现象。

实际上，钢化加工过程中的自动爆裂与贮存、运输、使用过程中的自爆是二个完全不同的概念，二者不可混淆。前者一般由玻璃中的砂粒、气泡等夹杂物及人为造成的缺口、刮伤、爆边等工艺缺陷引起的。后者则主要由玻璃中硫化镍(nis)相变引起的体积膨胀所导致[2]。只有后者才会引起严重的质量问题及社会关注，所以一般提到的自爆均指后一种情况。

目前还不能确切地知道玻璃中是如何混入镍的，最大可能的来源是设备上使用的各种含镍合金部件及窑炉上使用的各种耐热合金。对于烧油的熔窑，曾报道在小炉中发现富镍的凝结物。硫毫无疑问来源于配合料中及燃料中的含硫成份。当温度超过1000oc时，硫化镍以液滴形式存在于熔融玻璃中，这些小液滴的固化温度为797oc。1克硫化镍就能生成约1000个直径为0.15mm的小结石。

2.自爆机理及影响因素

2.1 硫化镍(nis)

nis是一种晶体，存在二种晶相: 高温相α-nis和低温相β-nis，相变温度为379 oc . 玻璃在钢化炉内加热时，因加热温度远高于相变温度，nis全部转变为α相。然而在随后的淬冷过程中，α-nis 来不及转变为β-nis，从而被冻结在钢化玻璃中。在室温环境下，α-nis是不稳定的，有逐渐转变为β-nis的趋势。这种转变伴随着约2--4%的体积膨胀，使玻璃承受巨大的相变张应力，从而导

致自爆。典型的nis引起的自爆碎片见图1。图2是从自爆后玻璃碎片中提取的nis 结石的扫描电镜照片，其表面起伏不平、非常粗糙。

图1. 自爆碎片形态图玻璃碎片呈放射状分布，放射中心有二块形似蝴蝶翅膀的玻璃块，俗称“蝴蝶斑”。nis结石位于二块“蝴蝶斑”的界面上。图2. nis 结石扫描电镜照片粗糙的表面是硫化镍结石的一个主要特征。

bordeaux 和kasper 通过对250例自爆的研究[3]，发现引起自爆的硫化镍直径在0.04—0.65 mm之间，平均粒径为0.2 mm(图3)。硫化镍在玻璃中一般位于张应力区，大部分集中在板芯部位的高张应力区(图4)。处在压应力区的nis，一般不会导致自爆。图3. 硫化镍在玻璃中的位置分布统计图4. 硫化镍结石直径分布

2.2硫化镍临界直径

应用断裂力学的研究方法，swain推导出下述公式[4]，可计算引起自爆的nis的临界直径dc dc=( πk21c ) / (3.55 p00.5σ01.5) 临界直径dc 值取决于nis周围的玻璃应力值σ0 。式中应力强度因子k1c=0,76 m0.5 mpa，度量相变及热膨胀的因子p0= 615 mpa .

2.3钢化程度

钢化程度实质上可归结于玻璃内应力的大小。jacob[5]给出了玻璃表面压应力值与50 x 50 mm 范围内碎片颗粒数之间的对应关糸(图5)。

图5.玻璃表面应力与碎片数的关糸

板芯张应力在数值上等于表面压应力值的一半。美国astm c1048标准规定:钢化玻璃的表面应力范围为大于69mpa、热增强玻璃为24—52 mpa。

我国幕墙玻璃标准则规定应力范围为: 钢化玻璃95 mpa以上、半钢化24—69 mpa。

计算得到不同钢化程度玻璃的nis临界直径dc如表1:

表1. 玻璃的应力范围及计算的相应硫化镍结石的临界直径

热增强玻璃astm c1048 全钢化玻璃astm c 1048

板芯应力mpa 12 20 26 35 40 50 60 70

临界直径dc(μm) 496 230 155 99 81 58 44 35

显然，应力越大，临界直径就越小，能引起自爆的nis颗粒也就越多，自爆率相应就越高。

我们在二台不同厂家制造的水平钢化炉上各随机选择了10块规格为275 x 300 x 8 mm玻璃, 用gasp表面应力仪测定了玻璃的表面压应力σ，并计算了相应的临界直径dc，数据如下表2及表3:

表2. 国产水平钢化炉(规格2400 x 3600 mm)玻璃表面应力值及临界直径值

样品号批次#1 #2 #3 #4 #5

σ(mpa) dc(μm) σ(mpa) dc(μm) σ(mpa) dc(μm) σ(mpa) dc(μm) σ(mpa) dc(μm)

第一批次90 68 82 78 86 73 94 64 109 51

第二批次90 68 94 64 109 51 99 59 115 47

表3. 进口水平钢化炉(规格2400 x 3600 mm) 玻璃表面应力值及临界直径值

样品号批次#1 #2 #3 #4 #5

σ(mpa) dc(μm) σ(mpa) dc(μm) σ(mpa) dc(μm) σ(mpa) dc(μm) σ(mpa) dc(μm)

第一批次104 55 104 55 104 55 104 55 104 55

第二批次99 59 99 59 99 59 99 59 99 59

表面应力数据可以从一个侧面反映出钢化炉水平的高低。国产钢化炉同一批次的各块玻璃钢化应力差别较大，说明炉子的工况并不稳定。而进口炉工况很稳定，同一批次的玻璃具有相同的钢化应力。

2.4钢化均匀度

钢化均匀度是指同一块玻璃不同区域的应力一致性(图6),可测定由同一块玻璃平面各部分的加热温度及冷却强度不一致产生的平面应力(areastress)，这种应力叠加在厚度应力上，使一些区域的实际板芯张应力上升，引起临界直径dc值下降，最终导致自爆率增加。以下是用sm-100型应力仪测定的平面应力数值σ0 及计算出的考虑平面应力因素后的临界直径dc值(与表面应力使用同一批样品):

表3. 国产钢化炉玻璃平面应力值及临界直径值

样品批次#1 #2 #3 #4 #5

σ0 (mpa) dc(μm) σ0 (mpa) dc(μm) σ0 (mpa) dc(μm) σ0 (mpa) dc(μm) σ0 (mpa) dc(μm)

第一批次9.6 51 8.5 59 10.6 52 9.9 48 10.9 39

第二批次8.9 52 9.2 49 10.8 39 10.2 45 11.3 36

表4. 进口钢化炉玻璃平面应力值及临界直径值

样品号批次#1 #2 #3 #4 #5

σ0 (mpa) dc(μm) σ0 (mpa) dc(μm) σ0 (mpa) dc(μm) σ0 (mpa) dc(μm) σ0 (mpa) dc(μm)

第一批次 4.8 48 4.9 48 4.9 48 4.6 48 4.5 49

第二批次 5.1 51 4.9 51 4.7 52 4.6 52 4.6 52

表3及表4的数据说明，钢化不均匀产生的平面应力叠加在钢化应力上，使最小临界直径分别从47μm和55μm下降到36μm和48μm。

图6. sm-100应力仪下钢化均匀度直观图像(比较而言:左边较差、右边较好)