第二章 玻璃的热弯与钢

2004至今，深圳有座办公楼钢化玻璃以每年40块的速度 自爆，2007年上半年爆了二十多块，还伤了人，至今仍 在自爆中。 2005年，刚建成的济南山东一公司办公楼自爆十余块 玻璃，还砸坏了一把手的宝马爱车。 2006年新建成的一座博物馆观光电梯玻璃凌空爆炸， 把下面咖啡厅的玻璃桌砸个粉碎，幸好事件发生在下 午6点，闭馆时间已过，否则结果难料。现在不得不 把玻璃全部改为铝板，观光电梯不再观光。 2007年北京某广场多片玻璃自爆，飞出六、七米后 砸伤三人，还砸坏城铁车站的玻璃顶盖。
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钢化玻璃自爆原因？

1、内部存在结石或杂质，周围形成较大的预应力集 中； 2、表面压力过大，钢化级数过高，内应力平衡处于 临界状态； 3、表面有严重划伤或缺陷，造成表面压应力的不均 匀，使应力状态失衡； 4、边部加工质量不佳，切裁时有较严重横向嵌挤裂 纹，磨边导棱不良，或磨轮砂粒过粗伤害了玻璃。





玻璃中的热应力


玻璃中由于温差而产生的内应力称为热应力 ①暂时应力（ temporary stress ）：玻璃在应变点温 度以下加热或冷却时，由于其导热性较差，各部位将形 成温度梯度，从而产生一定的热应力。这种热应力，随 着温差的存在而存在，温差越大，暂时应力也越大，并 随着温差的消失而消失。 ②永久应力（permanent stress) ： 玻璃从应变点温 度以上开始冷却时，由温差产生的热应力，到玻璃冷却 至室温、内外层温度均衡后，并不能完全消失，玻璃中 仍然残存着一定的应力，这种应力称为永久应力。永久 应力的大小取决于制品在应变点温度以上时的冷却速度、 玻璃的黏度、热膨胀系数及制品的厚度等。
2006－2007年，山东某机场钢化玻璃已自爆29块。
玻璃自爆从天而降， 划伤 4辆百万保时捷 （2008年09月23日 华商网重庆时报）
9月23日晚，位于北园大街上的某酒店包间内，市民李女士和 亲属一起吃饭时，餐桌的钢化玻璃转盘突然迸裂。有三人被玻 璃划伤。
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海珠区洪德路保利丰花园小区业主的投诉，入住不到一年玻璃自爆
三、钢化玻璃的钢化原理


物理钢化的原理： 玻璃在加热炉内按一定升温速度加热到低于软化温度， 然后将此玻璃迅速送入冷却装臵，用低温高速气流进 行淬冷，玻璃外层首先收缩硬化，由于玻璃导热系数 小，这时内部仍处于高温状态，待到玻璃内部也开始 硬化时，已硬化的外层将阻止内层的收缩，从而使先 硬化的外层产生压应力，后硬化的内层产生张应力。 由于玻璃表面层存在压应力，当外力作用于该表面时， 首先必须抵消这部分压应力，这就大大提高玻璃的机 械强度，经过这样物理处理的玻璃制品就是钢化玻璃。
第二章 玻璃的热弯与钢化
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本章主要研究内容

1、了解玻璃的热弯、平钢化、弯钢化及化学钢化的 工艺过程和工艺设备，掌握各自的定义。

2、掌握物理钢化的基本原理及影响加热工艺的因素。

3、掌握化学钢化的基本原理，掌握高温型离子交换
法和低温型离子交换法，掌握加速离பைடு நூலகம்交换的两种方
法。
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玻璃的退火

玻璃的退火，就是把具有永久应力的玻璃制品重新加热 到玻璃内部质点可以移动的温度，利用质点的位移使应
力分散(称为应力松弛)来消除或减弱永久应力。

玻璃的最高退火温度是指在此温度下15min内能消除全
部应力或经过3min能消除95%应力，一般相当于退火
点(η=1012Pa· s)的温度，也叫退火上限温度；

最低退火温度是指在此温度下16h内消除全部应力或经 3min只能消除5%应力，也叫退火下限温度。 （ η=1013Pa· 。 s)
2005年，南宁某会展中心钢化玻璃先后自爆五十余片，有些从会 场中央二十多米上空凌空开花。而当时东盟博览会即将开幕，各 国首脑云集。为达到保证绝对安全的要求，不得不以高昂的代价 全部贴上特种防爆膜。其造价远超当初建议采用的夹层玻璃。 2006年7月，上海江宁路一座大厦36楼钢化玻璃爆炸，一对情侣 被砸伤，还砸坏了一辆正在行驶的丰田汽车。 2007年5月，济南一酒店玻璃自爆，冰雹般的碎粒水平飞出六、 七米。而仅仅几分钟前，国家少年乒乓球队队员正好通过，真 是不幸中的大幸。
二、钢化玻璃的性能

3、淬火玻璃的热稳定性：可经受温度突变的范围达 250～320℃，而一般同厚度玻璃只能经受70～100℃。

钢化玻璃耐急热的性能比耐急冷好：5mm厚钢化风挡玻 璃置于0℃环境中，然后在正反面浇注熔融的铅 （327℃）不破裂；将同样厚度的钢化玻璃放在300℃ 高温炉内，保温10分钟，快速取出放在冷水中，发现， 耐急冷温差平均为195～270℃，而同厚度的普通玻璃 耐急冷的温差仅为70～90℃.
钢化玻璃的钢化原理
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三、钢化玻璃的钢化原理

1、物理钢化（或热钢化）是将高温的玻璃急速冷却 到常温状态，使在玻璃厚度方向产生残余应力，在表 面形成压应力的方法。在生产实践中，物理钢化一般 多用空气喷吹的风钢化。
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Δ θ ——玻璃表面与中心部分的温差；D——玻璃板厚度（m） Q——放热量（kJ/m2· h）；k ——导热系数；ρ ——密度
大部分器皿玻璃最高退火温度为550±20℃ ； 平板玻璃：550～570℃； 瓶罐玻璃：550～600℃； 高硼硅玻璃退火温度：560℃； 低碱高硼硅玻璃退火温度：540℃； 铅玻璃：460～490℃； 硼硅酸盐玻璃：600～610℃。 实际上，一般采用的退火温度都比最高退火温 度低20～30℃，最低退火温度低于最高退火温 度50～150℃。
钢化玻璃与一般平板玻璃性能比较表
种类 一般玻璃 厚度 (mm) 2 3 5 钢化玻璃 5 8 10 热稳定性（ ℃） 冲击强度 （kg· m) 0.07 1.37 0.17 0.83 1.2 1.5
(0%破坏）
100 80 60 170 170 150
（100%破坏）
140 120 100 220 220 200
Tg~Tf

Tg又称脆性温度，它是玻璃出现脆性的最高温度，由 于在这个温度下可以消除玻璃制品因不均匀冷却而产
生的内应力，所以也称为退火温度上限。
(η=1012~1013Pa· s)

Tf又称软化温度，它是玻璃开始出现液体状态典型性 质的温度。无论玻璃组成如何，在Tf时相应的玻璃粘 度约为109Pa· s。Tf也是玻璃可拉成丝的最低温度。
θ f——t＝0时 玻璃 板的均 匀温 度； C—— 比 热 （ kJ/kg· K）；α —— 热 膨胀系数；E——弹性模量； σ ——泊松比
2、冷强化中的加热、冷却


（1）加热：快速而均匀加热
快速加热：防止因加热时间拖长造成玻璃板软化变形
不均匀加热会在板面产生应力分布，存在不理想的张 应力，这是强度降低的原因
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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。
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思考题:钢化玻璃能否进行切割？
采取必要的安全措施：
1.钢化玻璃要进行二次热处理，通常称为引爆处理、均质处理或 热浸处理(Heat Soak Test)： 升温、保温和降温过程。升温阶段为最后一块玻璃的表面温度从 室温升至280℃的过程；保温阶段为所有玻璃的表面温度均达到 290±10℃，且至少保持2个小时的过程；降温阶段是从玻璃完成 保温阶段后,温度降至75℃时的过程。整个二次热处理过程应避 免炉膛温度超过320℃、玻璃表面温度超过300℃，否则玻璃的钢 化应力会由于过热而松弛，从而影响其安全性。 2.幕墙下面设隔离带，不安排吸引行人和观众停留的设施。室内 靠墙不设展位、餐饮、售货位臵。室外停车位要离开墙根，墙根 布臵绿化或水池；出入口设雨棚；人流上空布臵金属安全网； 3.贴防爆膜； 4.降低钢化玻璃的表面应力 。


§2.2玻璃的物理钢化



一、钢化玻璃的发展综述 ：国外、国内 二、钢化玻璃的性能 1、抗弯强度 ：比一般玻璃大4～5倍
二、钢化玻璃的性能




1、抗弯强度 ：厚度 5～6 mm的钢化玻璃，抗弯强度 达 1.67×102MPa。 2、抗冲击强度 ：比普通透明玻璃高了3～10倍，如6mm 厚的钢化玻璃的抗冲击强度为 8.13kg· m，而普通平板 玻璃的抗冲击强度为 2.35 kg· m。 5mm厚钢化玻璃用227g钢球冲击，钢球自由下落高度2～ 3m玻璃不破碎，而同样厚度的普通玻璃在0.4m就破碎了。 3、淬火玻璃的热稳定性 4、其他性能
二、钢化玻璃的性能

4、其他性能：安全性，破坏时首先在内层，由张应 力作用引起破坏的裂纹传播速度很大，同时外层的压 应力有保持破碎的内层不易剥落的作用，因此钢化玻 璃在破裂时，只产生没有尖锐角的小碎片。
钢化玻璃是否绝对安全？玻璃幕墙癌症
近年来钢化玻璃引发幕墙事故频发 ：
2003年8月，天津某商厦5楼一块2m2的钢化玻璃突然自爆，砸伤一 位音乐教师的左手，致残而无法再演奏，赔偿6600元。
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§2.1 热弯


一、概述 1、定义：把切割好尺寸大小的玻璃，放置在根据 弯曲弧度设计的模具上，放入加热炉中，加热到软 化温度，使玻璃软化，然后退火，即可制成热弯玻 璃。 2、热弯玻璃的生产：半连续生产或者是间歇生产， 分别采用隧道式窑炉；间歇式窑炉。
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间歇生产和半连续生产的比较：

间歇式窑炉： （1）明焰式热弯炉：按火焰流动方向，分为升焰和倒焰两种， 一般烧煤。 （2）隔焰式热弯炉：电热丝作为发热元件，个别也有用硅碳棒 的，故常称为电炉。 间歇式热弯炉 缺点：生产能力低、燃料消耗多、占地面积大、劳动条件差、操 作不易机械化等。 优点：能灵活调节退火制度，投资小，是一些小规模企业的理想 选择。
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钢化玻璃内部硫化镍杂质相变引起体积膨胀
玻璃内部可能包含硫化镍杂质， NiS是一种晶体，存在两种 晶相: 高温相α-NiS和低温相β-NiS，相变温度为379℃ 。 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，αNiS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。



明 焰 式 间 歇 热 弯 炉
制品不运动，根据工艺要求，窑内温度随时间而变。加热方法有明 焰式、隔焰式两种。其能源有燃油、燃气和煤等，还可用电加热。 制品可直接放在窑底上、小车上，或放在金属篮筐内。对于光学玻 璃的粗退火和精密退火，通常采用隔焰式。
半连续式热弯炉——隧道式热弯炉
隧道式退火窑，窑内各处温度恒定不变，通 过制品间歇移动来实现玻璃退火过程。
半连续式热弯炉——隧道式热弯炉的优缺点：
优点：1）可以连续生产；2）窑内温度可自动控制；3） 燃料消耗少，并可使用劣质煤；4）生产管理简单，制 品在窑内3～4h就可出窑；5）构造简单，造价便宜， 砌筑方便。 缺点：1）温度变化是不连续的、跳跃式的；2）截面 上温度分布不均匀；3）热散失大；4）劳动强度大， 窖内运行设备易损坏，须经常检修。
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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。
如何鉴别钢化玻璃的自爆？



首先看起爆点（钢化玻璃裂纹呈放射状，均有起始 点）是否在玻璃中间，如在玻璃边缘，一般是因为 玻璃未经过倒角磨边处理或玻璃边缘有损伤，造成 应力集中，裂纹逐渐发展造成的； 如起爆点在玻璃中部，看起爆点是否有两小块多边 形组成的类似两片蝴蝶翅膀似的图案（蝴蝶斑） 如果仔细观察两小块多边形公用边（蝴蝶的躯干部 分）应有肉眼可见的黑色小颗粒（硫化镍结石）， 则可判断是自爆的；否则就应是外力破坏的。