玻璃制品的应力与退火（邸工）

1、第四章玻璃制品的应力与退火1玻璃制品退火的目的玻璃制品在高温成型后，在冷却过程中会产生不同程度的热应力，这此些分布不均匀的热应力，会大大降低制品的机械强度和热稳定性，同时对玻璃膨胀、密度、光学常数等都有影响，使制品不能实现使用的目的。玻璃制品退火的目的，就是最大限度地消除或减弱制品中的残余应力，和光学不均匀性，以及稳定玻璃的内部结构。没有经过退火的玻璃制品，其内部的结构还没有处于稳定状态，如退火后玻璃密度的改变。（玻璃制品的退火后的密度要大于退火前的密度）玻璃制品的应力，可分为热应力、结构应力和机械应力三类。、玻璃制品应力的分类玻璃制品的应力可分为：热应力、结构应力和机械应力热应力是由温差而产

2、生的，又可细分为暂时应力和永久应力。暂时应力：是玻璃受不均匀的温度变化时所产生的热应力随温度差存在而存在，随温度差消失而消失。也就是说只有玻璃中存在温度梯度的阶段才存在的应力，而这个温度梯度是玻璃处于不可能发生可塑性变形的温度范围内，既处于脆性状态下，玻璃在tg转转变温度下（1013泊）粘度较大，玻璃内无质点流动。冷却时，玻璃外层冷却速度快，外部的温度低，就力求收缩，而较热的内层要阻碍外层的压缩，所以在冷却过程中玻璃的外层产生张应力，内层产生压应力，当玻璃内外温度均衡以后，这种应力就消失了，但当产生这种应力值超过了玻璃所承受的抗张强度的极限时，就会使制品产生爆裂。在我们日常生产中，由暂时应力引

3、起的玻璃制品暴裂的事例很多，例如：我们有些质量大壁厚的制品，由于降温制度或窑结构等因素，在出退火窑时，发出的爆裂声音就是这种原因产生的破裂，夏季生产在制品的冷端喷涂处，也可以听到制品的爆裂声，都是暂时应力的恶作剧。如果制品出窑时温度过高，爆裂将更严重。暂时应力也产生在制品的加热过程，如二次退火消除应力，将常温下的制品送入退火窑，这时制品的外部温度高、膨胀大，内部温度低，阻碍制品的外部膨胀，外部产生压应力，内部产生张应力。当这种力超过极限时也会使制品爆裂，当然，玻璃制品的抗压强度是抗张强度的近百倍，也是我们做温差时都作急冷的原因，也是很多制品从常温下到退火温度上升几百度而不爆的原因。但是如果制品

4、的壁厚很大，二次退火时如果不是采用二次退火窑进行退火，很可能从退火窑中出来的制品会变成一堆碎玻璃，因为需要退火的制品一定存在永外久应力，应力是可以叠加的。应力叠加后对制品的破坏力更强。2、永久应力：当玻璃制品的内外温度差消失时（内外表面温度平衡等于常温时），残留在玻璃中的热应力称为永久应力。其产生的原因是，玻璃在可能产生可塑性变形的温度范围内，既处于tg以上，软化温度（tg温度下玻璃的粘度约为109泊）以下的温度范围内，分子的热运动能量较大，在进行冷却时，玻璃从粘滞塑性体逐渐转化为弹性体（脆性体），内部收缩比外层收缩慢。质点的移动逐渐消失。在外层已硬化时，内层还在收缩，使内层产生张应力，外层受

5、到压应力。当玻璃内外温度均衡以后，即温度梯消失后，应力仍留在玻璃中。退火所要消除就是永久应力，玻璃的退火是在低于玻璃的转变点温度tg附近的温度内进行保温以消除玻璃各部份的温度梯度，使应力松驰，在该温度下，玻璃属于粘弹性体，具有弹性也具有粘性，各质点可进行粘质流动。、结构应力产生玻璃结构应力有两种情况，一种是制品由于造型设计而产生的应力，玻璃制品的造型设计对结构应力的分布起主要的作用，在一定程度上结构设计会降低制品的机械强度和热稳定性，例如方形制品或带棱角制品的棱角部位是张应力集中的位置，玻璃受温差热冲击时，很多情况都是从这些位置破裂的，如我们常见的圆形制品，瓶底角位置就是张应力集中的位置，玻璃

6、在做温差时试验时，如果制品没有其它如微裂纹等其它缺陷。一般情况都会在这里爆裂，制品的这种张应力集中也是结构应力，另一种是在熔化过程由于混料不均匀等因素，导致的玻璃的化学组成不均匀，从而导致结构上的不均匀，这种不均匀是微不均匀，在不均匀的两相界面上，由于成份不一，热膨胀量不一，而形成裂纹核，也是热冲击实验时温差破的裂纹源。结构应力是不能通过退火来消除的应力。2-4、机械应力：机械应力是制品在受外力作用，在玻璃中引起的应力，当外力除去时，应力随即消失。如果外力的作用超过了玻璃内部质点所承受的强度极限时，制品就会在外力的作用下爆裂。所以机械外力作用是玻璃制品在使用过程中破碎的主要原因。3玻璃制品连续

7、式电加热退火窑的结构我们华兴公司目前的退火窑包括烤花窑，几乎都是电加热窑，其结构是由九段拼装组成，一至三段为加热保温带，四至六段为缓冷段，七至九段为急冷段,每段的长度为2.25米.窑体为钢板夹纤维毡,强度高,质量轻,保温好.前七段为箱式结构,一至三段窑体的两侧壁安装有铁铬铝丝电加热器,可整体拆卸,每段加热器功率根据窑体的宽度会有所不同,一般一段加热功率较高,二三段功率相同.第四五六七段窑顶都装有吸气口,第五段顶装有排气口,各段都装有循环风机，前三段循环风机将空气送往加热器，被加热的空气穿过上下二层网带中间再通过制品返回循环风机，周而复始的重复上述过程。在前七段窑顶均安装有热电偶，用来控制加热器

8、的工作和根据测温来调节吸排气口的开度，以满足退火曲线要求。注意：退火窑的加热器启动时必需先开循环风机，后开加热器。停止加热器时，要先停加热器，过几分钟再停循环风机。4玻璃退火温度的设定4-1影响玻璃制品退火温度的因素：玻璃退火温度的设定同玻璃制品的成份组成有关，凡能降低玻璃粘度的组成，也能降低玻璃的退火温度，如na20能降低玻璃的粘度，在玻璃组成中如na20含量高，则玻璃的退火温度低。凡能增加玻璃粘度的组成，也能提高玻璃的退火温度，如al2o3、sio2能增加玻璃的粘度，在玻璃成份中，如果al2o3、sio2的含量高，则玻璃的退火温度高。玻璃的退火温度，除考虑粘度（组成）随温度逐渐变化外，还应

9、考虑到玻璃比容及在凝固区玻璃的热膨胀系数的变化。4-2玻璃制品退火的温度曲线：一般钠钙硅玻璃的退火温度曲线为本 粘ab段为加热段：是将已经冷却的并且有应力的玻璃制品加热到玻璃的转变温度tg附近的温度内进行保温，以消除玻璃各部分的温度梯度，使应力松弛。（这种退火过程叫二次退火）,加热段应保证制品产生的暂时应力不超过玻璃本身的强度极限，以防止制品炸裂，制品在高于退火温度时直接送入退火窑则不需要此阶段。bc段是保温段：将制品保持在退火温度附近，在该温度下，玻璃属于粘弹性体，具有弹性也具有粘性，各质点可进行粘质流动，目的是为了消除玻璃中的永久应力，同时使制品整体温度均匀。（我们目前生产的前三段属于这个

10、阶段）。cd段是慢冷阶段：本阶段是将经过保温段以经消除应力的制品进行缓慢冷却，以防止制品再次产生永久应力。退火窑的4-6段为缓冷段。de段是急冷段：经过缓冷的玻璃制品的内部质点已不能再移动，这时急冷也不会产生永久应力，可以在制品冷却产生的暂时应力不超过制品所能承受强度的情况下快速冷却。4-3玻璃制品退火温度的设定：玻璃制品退火温度的设定，除了和玻璃成份的组成有关外，还和玻璃制品的形状、制品的厚度以及退火网带的速度有关。玻璃制品的外形和厚度决定了制品的各部位加热和冷却的速度，特别是冷却时，由于形状原因，制品各个位置不能同步降温，这是产生二次应力的主要原因，所以在缓冷时要合理控制制品的壁厚越厚，质

11、点的位移越大，质点位移所需要的时间越长，所以，所需要的退火温度相应地要高，保温的时间也相应的要长。在冷却时，由于内外温差大，缓冷的时间也越长。退火温度的设定是为保证制品热应力的消除，更为主要的是要合理地依制品的外型和壁厚控制制品的冷却速度，因为很多制品的退火质量不好，问题都出在这里。形状复杂的制品，应力容易集中，所以保温时，温度应适当地提高，冷却速度较慢为宜。玻璃制品退火应力消除过程，不是温度越高越好，也不是时间越长越好，要依制品的各项理化参数综合考虑来设定温度曲线，尽量避免重复退火。找一个合适的退火温度范围，是玻璃获得良好退火质量的关键，一般情况以保温3min能消除应力95%的温度为退火温度

12、上限，此时玻璃粘度为1013。4pa.s左右，以温度15min能消除应力5%的温度为退火温度下限，此时玻璃粘度为1014。5pa.s，退火温度的上限与下限一般相差501500c，此范围即为退火温度范围，如果高于退火温度上限，玻璃制品会软化变形。如果低于退火温度下限，玻璃结构实际上可认为已固定，内部质点已不能移动，也就无法分散或消除应力，玻璃中的永久应力不再随加热或冷却而变化。我们华兴公司的生产特点是，产品品种多，结构复杂，各炉原料转色较频繁，这就要求我们根据不同的制品尺寸、重量、玻璃组成、制品的入窑温度及各退火窑自身的结构特点来设定温度。在同一退火窑对不同制品进行退火时，退火温度按壁厚最小的制

13、品确定，以免由于温度高使制品产生变形，冷却速度按壁厚最大的制品来确定，以保证壁厚制品不致因热应力而产生裂纹，对一些由于某种因素，退火后应力消除不合格的制品需重新退火，要注意退火窑一区的温度要适当降低，也要根据制品入窑的数量及窑宽度放低网链速度，从而保证二次退火质量。由于部分制品的外形复杂，壁厚不均匀或瓶底厚度超过8mm以上的制品，严禁使用一次性退火窑进行二次退火，如需要重新退火，一定要选择二次退火窑进行退火，否则玻璃制品的爆裂是不可避免的。我们印花车间的烤花窑就属于二次退火窑，可以用来对上述产品进行二次退火。五、退火窑网链瓶子的间距在制品不需要冷喷时，要在不影响窑内热循环风热循环的情况，尽量将

14、瓶子排密一些，一般以1520mm为宜，这种情况要考虑瓶子高度、外形，如果瓶子高度高些可以取距离上限，如果瓶子较矮可以取下限。在制品需要冷喷时，瓶子的距离要以满足冷端喷涂能够均匀喷到瓶身为准。六、退火窑的节能我们公司生产线多，如果每个窑每次转产都能在满足生产质量的前提下降低能耗，一年下来节约的资金将相当可观，我们退火窑的节能途径有：要根据气候的变化适当地在行瓶车上加保温罩，以提高制品的入窑温度，一般以转弯处不粘度为宜。对一些小制品或小化妆品瓶可将七区、六区以至于五区循环风机关掉，因为这样既可以保证制品出窑的温度（小制品需要冷喷时有温度要求，一般冷喷处温度不能低于1000c）也不需要通过提高前三区

15、的温度来达到出窑的温度，同时由于停止了部分循环风，也减少了外界冷风的入窑。待转产时要适当地降低退火窑前三区温度以减少能耗，也要等瓶子出冷却区以后将循环风机关掉，瓶子出一区关掉一区，待生产后瓶子入一区开一区循环风机，但注意前三个加热区不能因降低设定温度而将循环风机关掉。七、玻璃应力的检测1、检测应力的工具：有应力仪（或偏光显微镜）、电阻应力仪和光弹仪和超声检测等，可以根据制品对应力的要求及制品的大小来选择。2、应力仪的工作原理：当偏光进入了有应力的玻璃后，分解为振动平面互相垂直的两个光，即自然光和非自然光，两种光在玻璃中的前进速度有快慢之分，这种快慢的程度与制品的应力性能有关。如果玻璃是以张应力为主，则自然光在玻璃中行进速度大于非自然光的速度，如果玻璃是以压应力为主，则自然光在玻璃中行进速度小于非自然光的速度。无应力的玻璃制品就没有这种现象。当玻璃有应力后，玻璃的各向同性的性质发生了变化，产生了双折射现象，其折射值可按光通过玻璃的快慢速度来加以区分，这种快慢程度差叫光差。3、玻璃制品的应力分类：玻璃制品的应力有张应力和压应力之分，对我们产品有影响的或导致产品破裂的主要是张应力，而压应力是我们有时希望有的，均匀分布的压应力可以提高制品的机械强度，如玻璃钢化处理，就是人们为了改变玻璃应力的分布，使之表面产生均匀的压应