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弯钢化玻璃工艺分析及炸裂因素的探讨

来源:建筑玻璃与工业玻璃  作者:*  日期:2014-8-7
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  弯钢化玻璃具有较高的机械强度和安全性,因而在汽车、装饰装修等行业中的用处越来越大。

  弯钢化玻璃具有较高的机械强度(词条“机械强度”由行业大百科提供)和安全性,因而在汽车、装饰装修等行业中的用处越来越大。由于炸裂现象是影响弯钢化玻璃成品率的主要因素之一,这使得弯钢化玻璃的成本大大提高。目前,对玻璃炸裂现象的研究较少。为了降低弯钢化玻璃的生产成本,使其获得更广泛的应用,下面探讨了影响弯钢化玻璃成品率的一些主要因素。

  1 玻璃结构的影响

  在生产实践中,常会遇到这样一个问题:用不同时间购进厂的、设计成分相同的玻璃生产同一品种的弯钢化玻璃产品,在弯钢化工艺参数完全相同的情况下,生产中的炸裂现象不完全相同,某一批玻璃可能容易成型,而另一批则可能频频炸裂。这一现象的出现与玻璃的结构有密切关系。

根据玻璃结构的无规则网络学说,一个氧离子最多同两个形成网络的正离(M)-B、Si等相连,正离子的配位数是3-4。正离子在氧多面体-三角体(MO3)或四面体(MO4)的中央。这些氧多面体通过顶角上的公共氧依不规则方向接连,但不能以氧多面体的边或角相连。公共氧将两个网络形成离子互连,形成“氧桥”,通过“氧桥”搭成向三度空间发展的无规则连续网络。如果玻璃中含有R +(碱金属Na+、K+ 等)和R++(碱土金属Ca++、Mg++ 等)的网络改变了其中的氧化物,同时也引入了一定数量的氧离子,这时断裂网络中的桥氧被切断而出现非桥氧,R+、R++ 位于被切断的桥氧离子附近的网络外间隙中。其中SiO2能形成四面体配位,成为网络基本结构单元,属于网络形成剂;Na2O、K2O、CaO、MgO 等,本身不能构成网络、形成玻璃,只能作为网络改变剂;Al2O3 等配位数有4或6,有时候可在一定程度上以[AlO4]进入网络,和[SiO4]一起形成骨架,有时只能处于网络之外,成为网络改变剂,称为中间剂。

  其中SiO2能形成四面体配位,成为网络基本结构单元,属于网络形成剂;Na2O、K2O、CaO、MgO 等,本身不能构成网络、形成玻璃,只能作为网络改变剂;Al2O3等配位数有4或6,有时候可在一定程度上以[AlO4]进入网络,和[SiO4]一起形成骨架,有时只能处于网络之外,成为网络改变剂,称为中间剂。

  组分对玻璃结构的影响是很大的。令Y=氧多面体的平均桥氧数,Y值越大,网络连接越紧密,玻璃强度越大;Y值越小,网络连接越疏松,离子在网络孔穴中越易移动,玻璃强度越低。例如,纯石英玻璃中所有氧离子都是桥氧,四面体的所有顶角都是共有的,玻璃网络强度达最大值;玻璃中若有R+、R++ 离子,会破坏Si-O网络,断裂氧桥,从而出现非桥氧离子,使网络强度大大降低,R+、R++ 离子含量越大,网络破坏越甚,网络强度越低。从结构观点看,Ai3+ 和Si4+可以互相替代。当Al2O3 少量存在时,大概都以[AlO4]进入网络和[SiO4]一起形成骨架,这里Na2O:Al2O3 必须≥1。当Na2O:Al2O3≤1 时,部分Al3+保留为高配位,AlO6就没有网络形成剂性质,而成为网络改变剂。

  某厂生产弯钢化玻璃产品所用的原板玻璃设计成分见表1。

  该厂生产弯钢化玻璃产品所用的原板玻璃设计成分虽然是不变的,但生产原板玻璃的原料因来自矿山的不同部位,成分可能不同,生产时工人配料可能不准,玻璃料在熔窑中可能会熔制不均匀,结果生产出的原板玻璃组分可能会有差异,强度会有不同。这样,在生产弯钢化玻璃产品时,即使在相同的弯钢化工艺参数下,强度高的一批玻璃可能容易成型,而强度低的一批则可能频频炸裂。

  玻璃强度还与玻璃表面的Griffth裂纹有关。玻璃中的Al3+、Na+ 等离子越多,则内部空位越多,缺陷越多,越易在表面产生微裂纹。微裂纹多的玻璃,其强度就低,越易炸裂。

  2 结石的影响

  结石,俗称石头、砂子、节子,是存在于玻璃制品中的晶体质夹杂物,它对玻璃质量的影响很严重,不仅影响外观,同时也是弯钢化玻璃产品出现炸裂的主要因素。

  结石的形状、大小、性质各异,它对弯钢化玻璃产品出现炸裂的影响也不相同。由于结石与玻璃体的膨胀系数不同,在结石周围存在明显的应力集中,而钢化后,应力集中效应成倍增加。一般来说,玻璃体的膨胀系数与结石的膨胀系数差值越大,越易炸裂。结石在玻璃中的位置不同,引起炸裂的几率不同。结石在表面或接近表面层,玻璃炸裂的几率几乎为0,而结石处于玻璃中间层,玻璃炸裂的几率几乎为100% 。这是由于钢化玻璃内部存在着较大的永久应力,表面层是压应力层,中间层是张应力层。玻璃的抗张强度远远小于抗压强度,所以存在于张应力层的结石,极易引起炸裂。试验还表明,存在于张应力层的结石,即使直径小于0.1mm,也会引起炸裂,而位于压应力层的结石,即使直径大于1.1mm,也不易引起炸裂。

  3 弯钢化工艺的影响

  弯钢化工艺参数主要有:玻璃加热炉温、压弯时间、冷却情况等,这些参数密切相关。

  3.1 加热情况的影响

  玻璃钢化时,必须将其均匀加热,否则就会造成玻璃各部位受热不均匀,产生温差,从而使得各部分应力分布不匀,玻璃炸裂的可能变大。加热温度不能过高,否则玻璃软化现象严重,发生粘滞流动而变形,竖向被拉长,横向被收缩,使得玻璃各部分厚度不同,较薄部位易炸裂,这种情况多发生在冷却后期,且碎片形状较小;加热温度也不能过低,否则玻璃未加热到可塑状态,也会导致玻璃炸裂,这种情况多发生在开始冷却的最初的几十秒钟内,且碎片的形状较大。

  玻璃的厚度不同,钢化时加热温度也有差异。玻璃的厚度尺寸越大,玻璃表面和中部的温差也越大,此时所产生的引起炸裂的应力也越大。因此,一般说来,在生产弯钢化玻璃时,12mm以上的玻璃,其钢化温度应该比3mm~l0mm玻璃的钢化温度低20℃~30℃。

  3.2 压弯时间的影响

  玻璃从炉中出来要损失热量。玻璃温度在680℃左右,室温在15℃左右时"玻璃温度约以30℃/s 左右的速度下降。如果压弯时间过长,热量损失过多,玻璃表面将变硬,压弯时,玻璃的凸面受拉伸而崩碎。另外,出炉玻璃被压弯时,玻璃的凹面与阳模紧贴。阳模是实心结构,外面覆盖着石棉纸,它与玻璃的热交换形式主要是热传导。石棉是较好的保温材料,所以玻璃的凹面通过热交换散失的热量较少。玻璃的另一面即凸面,与阴模的框架接触,绝大部分表面暴露于空气中,与空气进行对流换热,所以玻璃凸面的热量损失较多。如果压弯时间过长,玻璃两侧温度相差较大,应力分布严重不对称,极易引起玻璃的炸裂。所以要控制好压弯时间,一般3mm~l0mm玻璃的压弯时间控制在2s~3s,12mm以上玻璃的压弯时间控制在3s~4s。

  3.3 冷却情况的影响

  实际生产中,一般将冷却风栅吹风时的风压调成相同,由于弯玻璃两侧的温度是不同的,如前所述,玻璃凸面的热量损失大于凹面,这样,不对称冷却必然会造成玻璃钢化不匀,应力分布严重不对称,张应力层移到表面层,使钢化玻璃内在质量下降,炸裂可能增加。另外,生产中经常出现冷却风栅运动不同步、风栅的某些风嘴被堵塞、玻璃超出风栅有效吹风区域、玻璃在风栅中没有位于中间位置,偏于某一侧或某边,这些也会导致玻璃钢化不均匀,使弯钢化玻璃的炸裂危险性加大。

  4 结语

  由于玻璃是脆性材料,内部存在着结构缺陷和工艺缺陷,当有以下几种情况存在时,内部微裂纹扩展加速,极易引起炸裂:(1)永久张应力局部集中;(2)永久应力分布严重不对称,张应力接近表面层;(3)钢化不均匀,即玻璃各处应力有显著差异;(4)结石存在于张应力层时。

  了解了影响弯钢化玻璃成品率的主要因素后,在生产弯钢化玻璃时要注意选用优质的原板玻璃,特别是应注意玻璃中结石的位置,若结石处于张应力层,则不能使用;加强玻璃进加热炉前的工序质量管理,从毛坯切割、磨边、钻孔、洗涤,各个工序的操作人员必须严格把关,将有裂口、结石、爆边的玻璃在进加热炉之前挑出;严格弯钢化工艺制度,要控制加热温度、加热时间、压弯时间、冷却风压等,使玻璃得到均匀加热、均匀钢化冷却,生产出质优价廉的弯钢化玻璃,使弯钢化玻璃制品在更多的领域获得应用。【完】

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