玻璃退火窯的玻璃應力及退火制度問題

導讀：玻璃的退火，是為了減少或消除玻璃在成形或熱加工過程中產生的應力，提高玻璃使用性能的一種熱處理過程。除玻璃纖維和薄壁小型空心制品外，幾乎所有玻璃制品都需要進行退火。玻璃退火所用的熱工設備稱為退火窯。

一 、玻璃的應力及退火制度

1.玻璃中的熱應力

①暫時應力

玻璃在應變點溫度以下加熱或冷卻時，由于其導熱性較差，各部位將形成溫度梯度，從而產生一定的熱應力。這種熱應力隨著溫差的存在而存在，溫差越大，暫時應力也越大，并隨著溫差的消失而消失。這種熱應力稱為暫時應力。

應該注意的是，雖然暫時應力可以自行消除，但在溫度均衡之前，當暫時應力值超過玻璃的限強度時，玻璃同樣會自行破裂，所以玻璃在脆性溫度范圍內的加熱或冷卻速度也不宜過快。玻璃暫時應力產生及消除示意如下圖所示。

②應力

玻璃從應變點溫度以上開始冷卻時，由溫差產生的熱應力，到玻璃冷卻至室溫、內外層溫度均衡后，并不能完全消失，玻璃中仍然殘存著一定的應力，這種應力稱為應力。應力的大小取決于制品在應變點溫度以上時的冷卻速度、玻璃的黏度、膨脹系數(shù)及制品的厚度等。應力產生的原因如圖2所示：

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玻璃中的應力須通過退火才能消除或減小。

2.玻璃的退火原理和退火溫度

玻璃的退火，就是把具有應力的玻璃制品重新加熱到玻璃內部質點可以移動的溫度，利用質點的位移使應力分散(稱為應力松弛)來消除或減弱應力。應力松弛速度取決于玻璃溫度，溫度越高，松弛速度越快。因此，一個合適的退火溫度范圍玻璃獲得良好退火質量的關鍵。

以保溫3min能消除95%應力的溫度為退火溫度上限(或稱高退火溫度)，此時玻璃黏度為1012Pa•s 。以保溫3min只能消除5%應力的溫度為退火溫度下限(稱低退火溫度)，此時玻璃黏度為1013.5 Pa•s。退火溫度上限與下限一般相差50~150℃，此即為退火溫度范圍。高于退火溫度上限時，玻璃會軟化變形;低于退火溫度下限時，玻璃結構實際上可認為已固定，內部質點已不能移動，也就無法分散或消除應力。

玻璃在退火溫度范圍內保溫一段時間，以使原有的應力消除。之后要以適當?shù)睦鋮s速度冷卻，以保證玻璃中不再產生新的應力，如果冷卻速度過快，就有重新產生應力的可能。這在退火制度中用慢冷階段保障。慢冷階段須持續(xù)到低退火溫度以下。

玻璃在退火溫度以下冷卻時，只會產生暫時應力，因此可以采用快冷，以節(jié)約時間和減少生產線長度，但也須控制一定的冷卻速度。冷卻過快時，可能會使產生的暫時應力大于玻璃本身的限強度而導致制品炸裂。

部分玻璃的退火溫度如下所列：

窗玻璃：540~550℃

鉛晶質玻璃：465~475℃

鈉鈣玻璃：530~560℃

無堿玻璃：660~680℃

硼硅質玻璃：520~530℃

玻璃退火時的加熱溫度越高，消除玻璃制品應力所需時間越短，但是慢冷所需時間越長。反之，如果加熱溫度過低，則消除應力的時間太長，慢冷時間則較短。所以實際上總是把加熱溫度選擇在使總的退火時間短的溫度。一般取加熱溫度較計算的高退火溫度高5~7℃。

玻璃的退火溫度與其化學組成密切相關，凡能降低玻璃黏度的成分，均能降低退火溫度。如堿金屬氧化物的存在能顯著降低退火溫度，其中Na2O的作用大于K2O、SiO2、caO和AL2O3對提高退火溫度的作用。PbO和BaO則使退火溫度降低，而PbO的作用比BaO的作用大。ZnO和MgO對退火溫度的影響很小。含有B2O3 15%～20%的玻璃，其退火溫度隨著B2O3含量的增加而明顯地提高。如果超過此含量時，則退火溫度隨著含量的增加而逐漸降低。

根據奧霍琴經驗公式計算機算出黏度η=1012Pa•s時的溫度，即玻璃的高退火溫度。

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根據表2-8可知玻璃組成的高退火溫度和組成氧化物含量變化1%時對退火溫度的影響(表2-9)，計算玻璃的高退火溫度。

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3.玻璃的退火制度

由退火原理可知，玻璃制品的退火過程須包括加熱、保溫、慢冷、快冷四個階段。

①加熱階段本階段的任務是將送入退火窯的玻璃制品加熱到退火溫度。加熱速度應保證制品在加熱過程中產生的暫時應力不超過玻璃本身的限強度，以防制品炸裂。若制品進入退火窯時的溫度高于退火溫度(使用高速成形機時往往會有這種情況)，則不需加熱，反而需要盡快將其冷卻到退火溫度。

按照不同的生產工藝，玻璃制品的退火分為一次退火和二次退火。制品在成形后立即進行退火的，稱為一次退火。制品冷卻后再進行退火的，稱為二次退火。無論是一次退火還是二次退火，玻璃制品進入退火爐時，都須把制品加熱到退火溫度。在加熱過程中玻璃表面產生壓應力，內層產生張應力。此時加熱升溫速度可以相應地快些。但考慮到玻璃制品厚度的均勻性、制品的大小、形狀及退火爐中溫度分布的均勻性等因素，都會影響加熱升溫速度。為了起見，一般技術玻璃取大加熱升溫速度的15%～20 %，即采用20/a2～30/a2(℃/min)加熱升溫速度。光學玻璃制品要求更嚴，加熱升溫速度小于5/a2(℃/min)。其中，n為玻璃制品的厚度，單位為cm(實心制品為其厚度的1/2)。

②保溫階段將制品在退火溫度下進行保溫，使制品各部分溫度均勻，并消除玻璃中固有的內應力。在此階段中要確定退火溫度和保溫時間。退火溫度可根據玻璃的化學組成計算出高退火溫度。生產中常用的退火溫度較高退火溫度低20～30℃，作為退火保溫溫度。

當退火溫度確定后，保溫時間可按玻璃制品大允許應力值進行計算:

③慢冷階段 當玻璃中的原有應力消除后，由于溫度較高，在冷卻過程中將產生新的應力，新生應力的大小由冷卻速度控制。冷卻速度越慢，新生的應力越小。因此，保溫后須行慢冷。慢冷速度的大小取決于玻璃制品所允許的應力值，允許值大，冷卻速度可相應加快。慢冷速度可按式(2-54)計算：

④快冷階段 當玻璃冷卻到應變點溫度以下時，溫差將只能產生暫時應力。這時就可以在保證玻璃制品不因暫時應力而破裂的前提下，盡快冷卻，一直到出窯溫度為止。一般玻璃的大冷卻速度為

在實際生產中都采用較低的冷卻速度。對于一般玻璃取此值的15%～20%，光學玻璃取5%以下。

玻璃的退火過程可用圖2-27的退火曲線表示。

由此可見，制定玻璃的退火制度，就是確定高退火溫度、低退火溫度、保溫時間；加熱速度 和冷卻速度 。

二、玻璃退火制度時的有關問題

制定退火制度時還應注意以下幾個問題。

①退火爐內溫度分布不均的影響

目前一般使用的退火爐斷面溫度分布是不夠均勻的，從而使制品的溫度也不均勻。為此，設計退火曲線時，對慢冷速度要取比實際所允許的應力值低的數(shù)值，一般取允許應力值的1/2進行計算。

②不同制品在同一退火爐內的退火問題

化學組成相同、厚度不同的制品在同一退火爐內退火時，退火溫度應按壁厚小的制品來確定，以免薄的制品變形多;加熱和冷卻速度則按壁厚大的制品來確定，以保證厚壁制品不致因熱應力造成破裂。

化學組成不同的制品在同一退火爐內退火時，應選擇退火溫度低的玻璃制品作為保溫溫度。同時采取延長保溫時間的措施。

③制品固有應力的影響

快速加熱時，除按溫差計算暫時應力以外，還應估計固有的影響。

④制品的厚度和形狀的影響

制品壁愈厚，在升溫和冷卻過程中內外層溫度梯度愈大，在退火溫度范圍內，厚壁制品保溫溫度愈高，在冷卻時其黏彈性應力松弛愈快，制品的應力也就愈大。形狀復雜的制品應力容易集中，因此它和厚壁制品一樣應采用偏低的保溫溫度，適當延長保溫時間。加熱和冷卻速度都應較慢。

⑤分相對制品的影響

如派來克斯類硼硅酸鹽玻璃，在退火溫度范圍內會發(fā)生分相，玻璃的性質發(fā)生改變。為了避免這種現(xiàn)象，退火溫度不能過高，退火時間也不宜過長，同時要盡力避免重復退火。