浮法玻璃退火窑辊子材料及其性能

浮法玻璃退火窑辊子材料及其性能
汪　敏,卢合玉
(中国建材国际工程有限公司,上海200063)
摘　要:　退火窑辊子是退火窑的重要组成部分,在阐述玻璃生产对退火窑辊道性能要求的基础上,对目前大量使用钢辊作为退火窑辊道的利弊之处进行了分析,同时对其它材料能否替代钢辊进行了分析和比较。

关键词:　退火窑辊子;　材料;　性能
Annealing Roller Material and Its Property Used in Float
G lass Production
W A N G M i n,L U He2yu
(China Triumph International Engineering Co,Ltd,Shanghai200063,China)
Abstract:　Annealing lehr roller is an important part of annealing lehr.This paper analyses advantages and disadvantages of steel roller currently used in anneling lehr based on the description of annealing lehr roller property requirement concerning glass production,and also analyses and compares the possibility of other material instead of steel for annealing lehr roller.
K ey w ords:　anneling lehr roller;　material;　property
浮法玻璃退火窑辊子是退火窑的重要组成部分,其材质和性能直接影响浮法玻璃产品的质量,主要包括玻璃平整度、表面质量以及玻璃产品的成品率,因而历来受到设计、制造部门以及浮法玻璃生产厂的重视。

目前国内在浮法玻璃退火窑辊子材质的选用上,考虑环保和安全生产的要求,除极少数工厂在低温区使用石棉辊外,多数为钢辊。

这种由多种钢材组合焊接而成的辊体结构,基本能满足浮法玻璃生产的需要,但也存在一些问题
1　浮法玻璃生产对退火窑辊道的要求
1.1　熔窑辊道的运转特点
退火窑辊道为玻璃生产提供了特有的输送形式。

当玻璃在辊道上进行输送时,辊道所承受的载荷属于轻载范围;同时,为了满足玻璃带冷却工艺和冷端操作速度的要求,辊子的转速也仅为低速范围。

低速轻载对于退火窑辊子的机械性能来说,都不算是苛刻的条件,而辊子的作业温度才是辊子材料及结构选择的真正依据。

辊子的作业温度以退火曲线为依据,一般在退火窑全长范围内玻璃温度按从600℃降至70℃考虑。

由于各区的冷却速度并不相同,辊子材料性能的选择需要基于最恶劣生产环境进行设计[1]。

1.2　退火窑辊子应满足的技术要求
根据浮法玻璃生产的特点,对其退火窑辊子的技术要求主要包括辊子表面质量、刚度、结构稳定性和平衡等,现分述如下:
1)为了确保浮法玻璃产品的表面质量,对退火窑辊子的表面提出了十分严格的要求:保证表面光洁度,同时不允许有任何表面缺陷存在,以满足高温机械性能的需要。

2)法玻璃带在通过退火窑的高温区时,玻璃带尚处于塑弹性状态,除必须选取合理的辊距外,单根辊子的刚度将直接影响浮法玻璃带的平整度,也就直接影响浮法玻璃的成品质量,因此对辊子的刚度也有较高的要求。

3)辊子结构稳定性要求在退火环境中,不允许
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辊子产生影响玻璃质量的弯曲变形。

4)辊子作为回转体,平衡也是十分重要的。

其不平衡力矩必须控制在允许的范围之内,以保证退火窑辊道运行的平稳性。

2　各种材质的退火窑辊子的适应性分
析比较
2.1　钢辊
2.1.1　钢辊结构简述
现以原板宽为5.2m 浮法玻璃退火窑高温区的辊子为例来进行说明。

辊子的局部结构如图1所示。

图1中:a 为辊面,宽度5.5m ,用于支承、输送玻璃带,在宽度方向留有适当玻璃带漂移量;b 轴面贯穿退火窑窑壁保温层,保温材料在此形成密封,以阻止窑内热空气外溢或冷空气进入窑内;辊子两端的支承设置在窑外,并与窑壁保持一定的距离;c
轴面处安装轴承,轴承通常选用带紧定套的调心球轴承,在传动侧定位,非传动侧则留有足够的轴向膨胀间隙。

传动侧设有安装传动齿轮的圆柱面d ,通常通过胀套与齿轮联接。

此外还有用于检测辊子安装精度用的圆柱面e 等。

由a ～e 等各功能要素,决定辊子的基本形式由各种等级的碳素结构钢、合金钢和耐热合金钢焊接而成。

图1　
2.1.2　钢辊特点分析
退火窑辊道依靠摩擦力将玻璃带从退火窑引出并输送,在输送过程中通过各种单机设备的配合来完成对玻璃带的切裁、掰断、分离、装箱等工序。

但要使浮法玻璃在退火窑辊道输送过程中不产生划伤、缺角等玻璃缺陷,就必须保证玻璃在辊道上平稳输送。

多年的浮法玻璃生产实践证明:钢辊在上述要求的适应性方面有以下特点。

1)钢辊的表面质量
为了确保浮法玻璃的平稳输送及其表面质量,对退火窑钢辊的表面质量及材料特性提出了十分严格的要求:材料需高温抗氧化;粗糙度Ra 值需控制在0.8～1.6μm 之间;在玻璃带有效板宽范围内,原则上不允许有任何由离心铸管残留的缺陷如砂
眼、气孔等表面缺陷存在。

钢辊在加工过程中完全
可以达到上述要求,然而在长期生产运输过程中,辊子表面的氧化锈蚀现象依然难免。

不论是高温区选用的25/20类耐热钢,还是低温区敞开部分选用20号优质碳素钢,都存在以下不足:高温机械力学性能余量较大,而表面高温抗氧化性能又略感不足。

2)钢辊的刚度
浮法玻璃生产对于辊子结构的机械力学性能要求,主要是刚度而不是强度。

这是因为浮法玻璃带在通过退火窑的高温区时,尚处于弹塑性状态,在辊距合理的情况下,单根辊子的刚度将直接影响浮法玻璃带的平整度,也就直接影响其成品质量。

我们采用力矩2面积数值计算法[2],通过计算机对图1所示辊子作较精确的计算得出:在常温条件下,辊子支点间的最大挠度为1.9mm 。

辊子的刚度,在退火窑宽度既定的情况下,主要取决于辊子的直径和壁厚,而对于辊面宽度达5500mm 的长辊,控制其刚度就会增加辊体的重量并涉及到相关部件的承载量的增加。

3)钢辊的结构稳定性钢辊的结构尺寸和精度是按照设计图纸要求加工的,但在高温作业条件下长期运行,其稳定性如何呢?曾经用20/10的钢辊做过实验,在空地上阳光直射5min 后,图1所示的辊子的全跳动达到了1.7mm (允许值为0.12mm )。

通过分析认为有可能与钢辊的材料有关系,不锈钢的热膨胀系数为18%,碳钢为12%,而不锈钢的热传导系数只有碳钢的1/3,因此,不锈钢比碳钢受热易膨胀,不易散发。

由于不锈钢材质的温度特性,其在C 区的应用还是有局限性的。

另外,为了保证钢辊的结构稳定性,对离
心铸管的壁厚的均匀度及其本身的完全变形都需要严格控制,同时,焊接应力的合理处理也是不容忽视的。

据报道,上海玻璃机械厂曾采取将辊子轴头组件先作退火处理的措施[3],但总长7m 的辊子要整体进行退火还是难以实现的。

4)钢辊的平衡辊子作为回转体,虽然转速并不太高,平衡也是十分重要的。

其不平衡力矩必须控制在允许的范围之内,以保证退火窑辊道运行的平稳性。

目前国内一般能达到辊面不平衡偏重G ≤1.5kg 。

2.2　纤维辊
2.2.1　纤维辊工艺性能分析
纤维辊的钢芯是经去应力退火后,精加工而成的,其上串压30～40mm 厚的耐热纤维衬垫作包敷材料。

耐热纤维是一种导热系数低(λ=
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0.126W/m・℃),传热慢、散热慢的保温材料,在条件相同的情况下,能保持辊子横向温度一致(即横向温差小),而钢辊则与之相反,两轴端散热较快,辊子两端的温差较大。

因导热较快,钢辊在运转过程中与玻璃带接触时的温度较高,转1周后再与板带接触时,辊体温度必然存在一定差异,这种差异会使玻璃板带的表面产生微小的横向波纹,影响玻璃质量。

而纤维辊由于散热慢,上下温差极微小,避免了上述现象的出现。

2.2.2　使用可靠性分析
纤维辊和玻璃之间的摩擦系数大(f=0.5),运转过程中辊体与玻璃板带基本上不产生滑动,也就不会划伤玻璃,更有利于拉引超厚、超薄玻璃:拉引厚玻璃可达19～25mm,薄玻璃可到0.5mm。

另外,纤维辊的硬度(HB135)较之钢辊(HB235～260)的硬度小,一旦有碎玻璃划伤辊体时,钢辊易产生微小的飞刺,对玻璃板面造成轻微划伤,且产生飞刺时在退火窑中是无法排查的;而纤维辊即便有轻微划伤,也不会产生飞刺而划伤玻璃,能够保证玻璃表面质量。

自退火窑B区(540℃)开始,玻璃带表面硬度已明显高于纤维辊表面硬度,所以纤维辊不会对玻璃板面产生损伤。

2.2.3　辊子的弯曲度方面
纤维辊芯轴组焊后经过了垂直悬挂消除应力退火,加之表面的纤维包敷层导热系数低,在退火窑中不会产生热弯,具有良好的尺寸稳定性。

据相关资料记载,SYP21在1999年3月进行冷修时,纤维辊已使用了11年零7个月。

芯轴检测弯曲度(径向全跳动)不超过0.3mm。

纤维辊由于进行了严格的静平衡试验,静平衡偏差不超过1.35kg(内控0.5 kg),在退火窑中运转非常平稳,启动电流小、无振动、噪音。

而钢辊则不然,经有关专家统计,退火窑钢辊的弯曲现象是存在的。

尤其是c区及以后的区段,这时的冷却速度加快,玻璃板与周围空气温差变大,这个区间的辊子容易弯曲,少则几个毫米,多则十几毫米不等,并出现振动和噪音、断板、炸板现象。

如:山玻一线、洛玻泰阳线等。

山玻一线冷修时用纤维辊替换弯曲的133根钢辊;法国圣戈班收购洛玻泰阳后更换上了80根纤维辊,47根树脂环辊(F 区),整修了40根耐热钢辊以解决钢辊变形问题。

2.2.4　经济情况分析
SYP21使用纤维辊11年零7个月后,对部分纤维辊的纤维部分进行了修复;北京昌平玻璃厂使用了15年,辊体中部磨损不到0.2mm,两侧不到0.5 mm。

由此可见,纤维辊整体能够保用12年,芯轴使用年限更长。

同等规格的纤维辊比20/10耐热钢辊造价要低30%,比25/10耐热钢辊要便宜一半的价格,即使对25/4的钢辊也有一定的价格优势。

综上所述,自退火窑B区开始布置纤维辊,不但能够更好的满足工艺要求,而且可节省设备投资。

2.3　陶瓷辊
通过在各种生产条件下对陶瓷过渡辊和退火窑辊的测试,其主要的优点是:对厚玻璃减少下表面压痕;对优质薄玻璃,减少由于氧化锡积瘤而产生的玻璃缺陷。

而且陶瓷辊导热率低,减少了玻璃下表面的过度冷却,从而消除应力裂纹。

控制陶瓷套的表面缺陷及显微结构是减少裂纹扩散,保证陶瓷套使用寿命的关键。

通过评估陶瓷辊作为过渡辊和在退火窑内最热处的辊道应用的特点和回报,陶瓷辊适合该处应用。

在过渡辊处和退火窑内用赛璐珂陶瓷辊替代传统钢辊,改进了退火窑最热处与玻璃接触的条件,大大减少了玻璃底面的缺陷。

采用套辊设计,即金属芯轴,陶瓷套和端盖固定件优化了这2种应用,确保长时间使用条件下机械应力小,直线度稳定。

同时陶瓷套无膨胀,陶瓷表面无变形等特点也确保了玻璃表面的质量[4],不过,陶瓷辊的价格也是需要考虑的方面。

3　结　语
随着新材料科学技术的发展,玻璃工业机械装备的不断开拓创新,我国的浮法玻璃生产技术和专业化生产程度在不断提高。

选择既能满足较高的浮法玻璃退火生产的要求,又能满足经济性要求的退火窑辊子的材料是提高整条浮法玻璃生产线性能和生产能力的重要因素。

参考文献
[1]　周　钧.浮法玻璃退火窑辊子的材料问题[J].中国玻
璃,1994.
[2]　贤　桂.浮法玻璃退火窑辊子的刚度问题[J].中国玻
璃,2002.
[3]　全国建材工业第十一次质量管理小组代表会资料.改
进加工工艺,保证辊子质量[J].建材标准化与质量管
理,1996.
[4]　Bucko D.用于生产优质玻璃的过渡辊和退火窑辊[J].
建筑玻璃和工业玻璃,2004.
收稿日期:2008203227.
作者简介:汪　敏,工程师.
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