浮法玻璃退火产生的缺陷及控制

浮法玻璃中退火产生的缺陷及控制

河南理工大学张战营

一、玻璃的退火

玻璃退火的目的是减弱和防止玻璃制品中出现过大的残余内应力和光学不均匀性，稳定玻璃内部的结构。

玻璃的退火可分成两个主要过程：一是玻璃中内应力的减弱或消失，二是防止内应力的重新产生。玻璃中内应力的减弱和消除是以松弛理论为基础的，所谓内应力松弛是指材料在分子热运动的作用下使内应力消散的过程，内应力的松弛速度在很大程度上决定于玻璃所处的温度。

玻璃在加热或冷却过程中，由于其导热性较差，在其表面层和内层之间必然产生温度梯度，因而在内外层之间产生应力。这种由于温度梯度存在而产生的内应力称为温度应力或热应力，此种内应力的大小，既取决于玻璃中的温度梯度，又与玻璃的热膨胀系数有关（玻璃的化学成分决定玻璃的热膨胀系数）。

热应力按其存在的特点可分为暂时应力和永久应力。

暂时应力，当玻璃受不均匀的温度变化时产生的热应力，随着温度差的存在而存在，随温度差的消失而消失，被称为暂时应力。

应力的建立和消失过程。当制品冷却开始时，因为玻璃的外层冷却速度快，所以外部温度比内部温度低，外层收缩大，而这时内层温度较高，且力求阻碍外层收缩，这样造成玻璃外层产生张应力，内部产生压应力。在张应力过渡到压应力之间存在着中间层，其应力值为零。当冷却接近结束时，外层体积几乎不再收缩，但此时玻璃内部仍有一定的温度，其体积力求收缩，此时造成外部受压应力，内层受张应力。由此可见，在冷却结束时，产生的应力恰好和冷却开始时产生的应力性质相反，两者可以得到部分抵消。冷却全部结束时，即当玻璃的外层温度和内层温度趋向完全一致时，上述两种应力恰好抵消。我们称这种应力为暂时应力。

永久应力，当温度消失时（制品的表面和内部温度均等于常温时），残留在玻璃中的热应力称为永久应力，又称为内应力。

玻璃中永久应力的成因，是由于在高温的弹塑性阶段热应力松弛而形成的温

度变形被“冻结”下来的缘故。当玻璃板逐渐冷却到室温均衡时，玻璃中残存的应力实际等于玻璃在高温阶段松弛掉的热弹应力，但方向相反。也就是说，玻璃在高温区域产生及松弛的热弹应力在玻璃厚度方向表现为：表层张应力，内层压应力，且大小相等；而当玻璃冷却至环境室温时，内外温度一致时，玻璃的表面层处于压缩状态，玻璃板内层处于拉伸状态。因此，玻璃板中的永久内应力沿玻璃板厚度方向分布为：表面为压应力，内层张应力，大小相等。由于永久应力最终影响玻璃的切割和使用，因此需要严格控制。

玻璃中永久内应力的大小决定于两个因素：一是冷却速度，二是玻璃在退火温度下的冷却过程中热弹性应力的松弛速度，而松弛速度取决于玻璃热弹应力的大小，热弹应力取决于冷却速度的大小，因此，玻璃退火的关键是如何正确的确定和控制玻璃在高温退火区域内的均匀冷却速度。

二、退火过程中常见工艺问题

1. 玻璃带上下表面不对称冷却

1.1 玻璃板在退火区域内的不对称冷却

玻璃板处在退火区域中，如上下表面冷却强度不同，则当玻璃冷却到室温均衡时，会引起应力分布不对称，压应力就会向冷得快的那一面偏移，冷却快（凉）的表面受压应力，冷却慢（热）的表面受张应力，如果玻璃原片足够大，玻璃中应力分布的不平衡必将引起变形——弯曲或翘曲。若玻璃板的下表面比上表面冷却得快，则压应力大的一边在下表面，板向上弯曲；反之，向下弯曲。若产生的应力超过允许值时会发生炸裂。

1.2 玻璃在退火区域温度以下不对称冷却

玻璃在退火区域温度以下，上下表面冷却速度不一致，则会产生暂时应力，冷却速度快（凉）的表面受张应力，冷却速度慢（热）的表面受压应力。

2. 玻璃带横向温度不均匀

2.1 温度横向对称分布的不均匀。

温度对称于中心线分布，但边部比中部凉或边部比中部热。玻璃带宽度方向有温差存在，同样也会产生热应力。

当玻璃带边部比中部凉时，若处于退火温度区域，边部（凉）受压应力，中

部（热）受张应力；若玻璃处于退火温度之下，则边部(凉)受张应力，中部（热）受压应力。

当玻璃板边部比中部热时，则板面方向所受应力与上述相反。

上面几种情况所产生的应力，可以用应力仪测量。通常也可以用手指来作定性的检验，即在离切割机位置相当距离的地方，用两个或三个手指头将边部轻轻抬起。如果边部成波状而且很容易被抬起，那么边部承受压应力，中部承受张应力；如果边部很紧，而且不易被抬起，则边部承受张应力，而中部承受压应力。

从所周知，玻璃的抗压强度比抗张强度约大十倍，所以玻璃板通常首先在承受张应力的板面上发生破裂，然后裂纹可能继续向压应力区发展。因此，暂时应力对玻璃破坏性最强，只要产生的张应力等于或稍大于玻璃的抗张强度，在没有任何外力作用下，玻璃也会自行破裂。

2.2玻璃板横向温度不对称分布的不均匀

玻璃板横向温度不对称分布，即玻璃板面两边部冷却速度不相同，而引起一边温度高一边温度低，而使板面应力分布也不对称。若处于退火温度区域，同样凉边变长受压应力，热边变短受张应力，玻璃带会向热的一边偏移走偏；若玻璃处于退火温度之下，则凉边受张应力，热边受压应力，暂时应力超过允许值时出现炸裂。

这时，玻璃板面的理论应力值是不能测量的，因为一部分应力由于变形而消除了。

玻璃带离开退火区域，可以比较快的速度进行冷却，因玻璃不会再产生水久应力了。但必须指出，此时如果冷却速度过快，或横向温差太大，则会产生过大的暂时应力或应力分布不平衡而使玻璃在退火窑中破裂，这是在实际生产中经常发生的。

2.3 结论

综上所述，在退火温度范围内，玻璃带横向温度的不均匀，当玻璃冷却到室温时，将产生永久应力，在退火窑中板面较热部分是处在受张状况，较冷的部分是处在受压状况。在退火温度范围而以下，板面较热部分是处在受压状况，较冷的部分是处在受张状况，从对玻璃造成破裂的情况来看，玻璃带在退火区域以下，两边冷得太快要比中部冷得快更为不利，因此必须加以防止。这种情况往往是由