玻璃退火窑的玻璃应力及退火制度问题

导读：玻璃的退火，是为了减少或消除玻璃在成形或热加工过程中产生的应力，提高玻璃使用性能的一种热处理过程。除玻璃纤维和薄壁小型空心制品外，几乎所有玻璃制品都需要进行退火。玻璃退火所用的热工设备称为退火窑。

一 、玻璃的应力及退火制度

1.玻璃中的热应力

①暂时应力

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。这种热应力称为暂时应力。

应该注意的是，虽然暂时应力可以自行消除，但在温度均衡之前，当暂时应力值超过玻璃的限强度时，玻璃同样会自行破裂，所以玻璃在脆性温度范围内的加热或冷却速度也不宜过快。玻璃暂时应力产生及消除示意如下图所示。

②应力

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，这种应力称为应力。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、膨胀系数及制品的厚度等。应力产生的原因如图2所示：

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玻璃中的应力须通过退火才能消除或减小。

2.玻璃的退火原理和退火温度

玻璃的退火，就是把具有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)来消除或减弱应力。应力松弛速度取决于玻璃温度，温度越高，松弛速度越快。因此，一个合适的退火温度范围玻璃获得良好退火质量的关键。

以保温3min能消除95%应力的温度为退火温度上限(或称高退火温度)，此时玻璃黏度为1012Pa•s 。以保温3min只能消除5%应力的温度为退火温度下限(称低退火温度)，此时玻璃黏度为1013.5 Pa•s。退火温度上限与下限一般相差50~150℃，此即为退火温度范围。高于退火温度上限时，玻璃会软化变形;低于退火温度下限时，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。

玻璃在退火温度范围内保温一段时间，以使原有的应力消除。之后要以适当的冷却速度冷却，以保证玻璃中不再产生新的应力，如果冷却速度过快，就有重新产生应力的可能。这在退火制度中用慢冷阶段保障。慢冷阶段须持续到低退火温度以下。

玻璃在退火温度以下冷却时，只会产生暂时应力，因此可以采用快冷，以节约时间和减少生产线长度，但也须控制一定的冷却速度。冷却过快时，可能会使产生的暂时应力大于玻璃本身的限强度而导致制品炸裂。

部分玻璃的退火温度如下所列：

窗玻璃：540~550℃

铅晶质玻璃：465~475℃

钠钙玻璃：530~560℃

无碱玻璃：660~680℃

硼硅质玻璃：520~530℃

玻璃退火时的加热温度越高，消除玻璃制品应力所需时间越短，但是慢冷所需时间越长。反之，如果加热温度过低，则消除应力的时间太长，慢冷时间则较短。所以实际上总是把加热温度选择在使总的退火时间短的温度。一般取加热温度较计算的高退火温度高5~7℃。

玻璃的退火温度与其化学组成密切相关，凡能降低玻璃黏度的成分，均能降低退火温度。如碱金属氧化物的存在能显著降低退火温度，其中Na2O的作用大于K2O、SiO2、caO和AL2O3对提高退火温度的作用。PbO和BaO则使退火温度降低，而PbO的作用比BaO的作用大。ZnO和MgO对退火温度的影响很小。含有B2O3 15%～20%的玻璃，其退火温度随着B2O3含量的增加而明显地提高。如果超过此含量时，则退火温度随着含量的增加而逐渐降低。

根据奥霍琴经验公式计算机算出黏度η=1012Pa•s时的温度，即玻璃的高退火温度。

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根据表2-8可知玻璃组成的高退火温度和组成氧化物含量变化1%时对退火温度的影响(表2-9)，计算玻璃的高退火温度。

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3.玻璃的退火制度

由退火原理可知，玻璃制品的退火过程须包括加热、保温、慢冷、快冷四个阶段。

①加热阶段本阶段的任务是将送入退火窑的玻璃制品加热到退火温度。加热速度应保证制品在加热过程中产生的暂时应力不超过玻璃本身的限强度，以防制品炸裂。若制品进入退火窑时的温度高于退火温度(使用高速成形机时往往会有这种情况)，则不需加热，反而需要尽快将其冷却到退火温度。

按照不同的生产工艺，玻璃制品的退火分为一次退火和二次退火。制品在成形后立即进行退火的，称为一次退火。制品冷却后再进行退火的，称为二次退火。无论是一次退火还是二次退火，玻璃制品进入退火炉时，都须把制品加热到退火温度。在加热过程中玻璃表面产生压应力，内层产生张应力。此时加热升温速度可以相应地快些。但考虑到玻璃制品厚度的均匀性、制品的大小、形状及退火炉中温度分布的均匀性等因素，都会影响加热升温速度。为了起见，一般技术玻璃取大加热升温速度的15%～20 %，即采用20/a2～30/a2(℃/min)加热升温速度。光学玻璃制品要求更严，加热升温速度小于5/a2(℃/min)。其中，n为玻璃制品的厚度，单位为cm(实心制品为其厚度的1/2)。

②保温阶段将制品在退火温度下进行保温，使制品各部分温度均匀，并消除玻璃中固有的内应力。在此阶段中要确定退火温度和保温时间。退火温度可根据玻璃的化学组成计算出高退火温度。生产中常用的退火温度较高退火温度低20～30℃，作为退火保温温度。

当退火温度确定后，保温时间可按玻璃制品大允许应力值进行计算:

③慢冷阶段 当玻璃中的原有应力消除后，由于温度较高，在冷却过程中将产生新的应力，新生应力的大小由冷却速度控制。冷却速度越慢，新生的应力越小。因此，保温后须行慢冷。慢冷速度的大小取决于玻璃制品所允许的应力值，允许值大，冷却速度可相应加快。慢冷速度可按式(2-54)计算：

④快冷阶段 当玻璃冷却到应变点温度以下时，温差将只能产生暂时应力。这时就可以在保证玻璃制品不因暂时应力而破裂的前提下，尽快冷却，一直到出窑温度为止。一般玻璃的大冷却速度为

在实际生产中都采用较低的冷却速度。对于一般玻璃取此值的15%～20%，光学玻璃取5%以下。

玻璃的退火过程可用图2-27的退火曲线表示。

由此可见，制定玻璃的退火制度，就是确定高退火温度、低退火温度、保温时间；加热速度 和冷却速度 。

二、玻璃退火制度时的有关问题

制定退火制度时还应注意以下几个问题。

①退火炉内温度分布不均的影响

目前一般使用的退火炉断面温度分布是不够均匀的，从而使制品的温度也不均匀。为此，设计退火曲线时，对慢冷速度要取比实际所允许的应力值低的数值，一般取允许应力值的1/2进行计算。

②不同制品在同一退火炉内的退火问题

化学组成相同、厚度不同的制品在同一退火炉内退火时，退火温度应按壁厚小的制品来确定，以免薄的制品变形多;加热和冷却速度则按壁厚大的制品来确定，以保证厚壁制品不致因热应力造成破裂。

化学组成不同的制品在同一退火炉内退火时，应选择退火温度低的玻璃制品作为保温温度。同时采取延长保温时间的措施。

③制品固有应力的影响

快速加热时，除按温差计算暂时应力以外，还应估计固有的影响。

④制品的厚度和形状的影响

制品壁愈厚，在升温和冷却过程中内外层温度梯度愈大，在退火温度范围内，厚壁制品保温温度愈高，在冷却时其黏弹性应力松弛愈快，制品的应力也就愈大。形状复杂的制品应力容易集中，因此它和厚壁制品一样应采用偏低的保温温度，适当延长保温时间。加热和冷却速度都应较慢。

⑤分相对制品的影响

如派来克斯类硼硅酸盐玻璃，在退火温度范围内会发生分相，玻璃的性质发生改变。为了避免这种现象，退火温度不能过高，退火时间也不宜过长，同时要尽力避免重复退火。