喷雾钢化玻璃技术的研究进展及验证

与化学钢化和物理钢化方法相比，喷雾钢化玻璃具有节能降耗、降低噪音和降低成本等一系列优点。但由于喷雾本身的复杂性，其换热机理与喷气淬冷钢化不同，受多种因素的限制，所以实现喷雾淬冷钢化有着很大的技术难度。本文对几种钢化玻璃技术进行了分析和比较，尤其对喷雾钢化技术进行了详细的探讨，并在此基础上通过试验验证了喷雾钢化的可行性。喷雾淬冷玻璃具有节能降耗、降低噪音和降低成本等一系列优点，SozbirN开展了多喷嘴的喷雾淬冷钢化玻璃试验，采用的是喷气淬冷过程中加入喷雾的方式，证明了加入喷雾的有效性和喷雾淬冷钢化的可行性。但真正实现玻璃喷雾钢化在理论上和技术上还存在一定的难度，本文对喷雾淬冷钢化过程的影响因素进行综述与分析。（1）钢化过程的影响因素：温度梯度决定了玻璃内部的应力分布，应力在厚度方向的分布决定了钢化的成败，而应力沿钢化玻璃表面的二维分布则决定了其钢化质量。在风冷过程中，喷嘴排布的间距、高度、风压、风量之间匹配不合理会导致玻璃在钢化过程中炸裂或钢化后的玻璃表面出现风斑。图1给出了玻璃表面传热分布，可见玻璃表面的热传递非常不均匀，并且玻璃的残余应力也不均匀。由此可见，钢化玻璃最终的应力分布与冷却过程有关，因此若想获得质量好的钢化玻璃，就要对淬冷过程进行研究，改善换热系数均匀性。图1玻璃表面传热分布图（2）喷雾冷却影响因素：喷雾冷却是钢化过程中的影响因素之一。SozbirN在喷雾淬冷钢化玻璃试验中发现，在整个淬冷过程中，喷雾时间越长，钢化效果越好，针对2mm的薄玻璃，喷雾时间仅控制在0.2s，且绝大部分冷却时间仍然是喷气淬冷。由其公布的数据图2所示，其液雾粒径分布在9～63mm的区间内，跨度较大且分布不均匀，雾滴的不均匀直接影响玻璃表面换热系数分布的不均匀，并且雾滴均匀性对热表面温度均匀性的影响最大。图2喷嘴喷雾图像及液滴尺寸分布喷嘴数目是影响喷雾均匀性的主要因素之一。与单喷嘴相比，多喷嘴喷雾液滴速度和粒径分布更均匀。如图3所示，模拟比较了同一喷嘴不同压力下的雾化效果，压力为8MPa时，雾化效果最好。因此，采用多喷嘴结构、大的雾化压力和工质流量有利于多喷嘴协同工作时的液滴均匀分布，使热表面均匀冷却。图3不同雾化压力场模拟图喷雾淬冷过程中有关喷嘴间距和喷雾高度方面，如图4所示，可见喷嘴距离越小，浓度越均匀。因此，换热系数分布与喷嘴排布形式和喷雾高度相关，采用小的喷雾间距和最佳喷雾高度使热表面均匀有效率的冷却。图4喷雾干涉示意图由此可见，在喷雾冷却过程中，喷雾淬冷钢化的换热系数很大，需要找到相互合理匹配的喷嘴个数、喷嘴间距、雾化压力、工质流量、喷雾高度和气液比，以保证喷嘴的雾化特性，保证玻璃热表面均匀冷却。本文通过试验的手段研究了小尺寸平板玻璃在气动雾化淬冷的条件下的钢化的情况，证实了喷雾淬冷钢化玻璃的可行性。（1）试验装置及过程：所用试验装置如图5所示，由加热炉（马弗炉）、气泵、水罐、玻璃支架、气动喷嘴、管路和阀门组成。图5喷雾钢化冷却玻璃系统试验图（2）结果与讨论：首先是喷嘴与玻璃之间的距离对钢化效果的影响，将喷雾的流量设置为0.0246kg/min，采用425mm、325mm和225mm三种不同的喷雾距离（喷嘴到玻璃表面的距离）对玻璃进行喷雾淬冷，最后用钉子敲击玻璃的中心位置。工况见表1。各工况玻璃破碎情况见图6、图7和图8。表1玻璃不同喷嘴间距淬冷时的工况图6工况1玻璃破碎图图7工况2玻璃破碎图图8工况3玻璃破碎图从图6、图7、图8中可以看出，工况1未钢化成功，工况2属于半钢化，工况3属于完全钢化。从工况1到工况3，碎片面积逐渐减小，且分布越来越均匀，钢化效果越来越好。可见，在本文试验条件下，喷雾距离越小，钢化效果越好。其次是玻璃厚度对钢化效果的影响，玻璃破碎情况如图9所示。工况4与工况3情况对比见表2。图9工况4玻璃破碎图表2玻璃不同厚度淬冷时的工况如图8、图9所示，在相同喷雾距离下，5mm厚度的玻璃破碎情况与4mm厚度的玻璃破碎情况相比，碎片率要高，钢化效果更好。由此可见，在相同喷雾条件下，玻璃厚度越大，钢化效果越好。基于目前国内外相关研究结果，对钢化过程中的影响因素和喷雾冷却影响因素进行综述与分析，得出钢化玻璃的最终的应力分布与冷却过程有关，所以需要对钢化过程进行深入研究，但由于喷雾冷却本身的复杂性和玻璃材质的特殊性，利用试验结果对其建立经验模型可能是一种更加符合实际的方法；在喷雾过程中，需要找到相互合理匹配的喷嘴个数、喷