鋼化玻璃自爆原因分析及預(yù)防處理措施＊

孟秀華 龐曉光

（1.河北建材職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北秦皇島 066004；2.中國(guó)建筑材料檢驗(yàn)認(rèn)證中心，北京 100024）

0.引言

玻璃是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡牟牧?，易碎這個(gè)缺點(diǎn)限制了玻璃的應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過鋼化處理的玻璃因其機(jī)械強(qiáng)度提高而成為安全玻璃，拓展了玻璃的應(yīng)用范圍，但鋼化玻璃自爆問題給生產(chǎn)企業(yè)和用戶都造成了經(jīng)濟(jì)損失，人們對(duì)其安全性提出了質(zhì)疑，鋼化玻璃自爆問題亟待得到徹底解決。

1.鋼化玻璃自爆原因分析

1.1 玻璃原片中的硫化鎳造成鋼化玻璃自爆

目前研究認(rèn)為鋼化玻璃自爆的主要原因是玻璃原片內(nèi)存在非玻璃體的硫化鎳結(jié)石，直徑在0.09mm～0.24mm之間，平均粒徑0.15mm的硫化鎳結(jié)石最容易引起自爆。硫化鎳結(jié)石有兩種存在形式，即高溫型的α相和低溫型的β相，兩種形式隨著溫度的變化可以相互轉(zhuǎn)化，并伴隨體積變化。

所謂鋼化玻璃是將普通退火玻璃重新加熱到軟化點(diǎn)以上，再經(jīng)過急冷得到表面形成均勻壓應(yīng)力，中間形成張應(yīng)力的玻璃，其強(qiáng)度提高到普通退火玻璃的5倍左右。玻璃板在鋼化爐內(nèi)經(jīng)過加熱和急冷兩個(gè)階段完成鋼化過程，在加熱階段溫度升至600℃以上，硫化鎳轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷匦偷摩料?，隨后玻璃板進(jìn)入急冷階段，一部分高溫型的α相因突然降溫未能轉(zhuǎn)化為低溫型的β相，則被凍結(jié)在鋼化玻璃中。室溫環(huán)境下α相硫化鎳趨向于轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，并伴隨著2%～4%的體積膨脹，造成玻璃內(nèi)部產(chǎn)生較大的局部張應(yīng)力，在硫化鎳晶體周圍形成微裂紋并不斷擴(kuò)展，從而導(dǎo)致鋼化玻璃自爆[1]。要預(yù)防鋼化玻璃自爆，必須消除玻璃中的硫化鎳結(jié)石，首先要找到硫和鎳的來源。硫化鎳來源于玻璃原片，原片玻璃主要來源于浮法玻璃生產(chǎn)線、平拉、格法等生產(chǎn)線（平拉和格法玻璃所占比例很少）。

（1）金屬鎳的來源。在原片玻璃生產(chǎn)過程中，硅砂、砂巖、長(zhǎng)石、石灰石、白云石等天然礦物原料可能含有金屬鎳而被引入到玻璃中；原料加工中尤其是破碎和粉磨設(shè)備的耐磨部件、混合機(jī)等設(shè)備的磨損，造成少量的金屬鎳進(jìn)入配合料中；熔窯熔化中投料機(jī)在高溫環(huán)境下工作，采用耐熱合金鋼部件也是鎳的來源之一；錫槽成型中使用的拉邊機(jī)機(jī)頭是耐熱合金鋼，也可能引入金屬鎳。總之鎳主要來源于玻璃原料和接觸原料及玻璃液的機(jī)械設(shè)備。（2）硫的來源。在原片玻璃中硫主要來源于原料和燃料，玻璃原料中的天然礦物原料會(huì)含有少量的硫，作為澄清劑的芒硝是含硫原料，如果不能完全分解也是硫的來源；玻璃液熔化所用的燃料有重油、煤氣、天然氣、煤焦油、石油焦等，石油和煤中含有大量的硫，也隨著燃料進(jìn)入熔窯而引入到玻璃液中；在浮法玻璃生產(chǎn)線的過渡輥臺(tái)使用二氧化硫改善玻璃表面質(zhì)量，因密封不良會(huì)有少量的硫進(jìn)入錫槽，造成錫槽的硫污染，從而引入到玻璃中。總之硫主要來源于原料和燃料。

1.2 鋼化過程中溫度不均造成自爆

鋼化玻璃又稱為淬火玻璃。它是將普通平板玻璃在鋼化爐內(nèi)通過急熱和急冷使玻璃表面形成壓應(yīng)力，內(nèi)部形成張應(yīng)力，而提高玻璃的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，是一種廣泛使用的安全玻璃。鋼化玻璃一旦破碎則形成均勻的小碎塊，不易傷人。玻璃鋼化爐分為前端的加熱區(qū)和后部的淬冷區(qū)兩部分。玻璃在鋼化爐內(nèi)加熱和急冷過程中應(yīng)該確保受熱均勻產(chǎn)生均勻的熱應(yīng)力。加熱系統(tǒng)采用電熱絲布置在加熱爐的頂部，由于電熱絲的布置問題或電熱絲長(zhǎng)時(shí)間使用造成表面氧化變脆，甚至燒熔斷裂，導(dǎo)致鋼化爐爐體內(nèi)溫度不均，使被鋼化的玻璃板受熱不均；其次鋼化爐內(nèi)的若干個(gè)溫度控制區(qū)，一旦溫度控制系統(tǒng)發(fā)生故障，溫度檢測(cè)不準(zhǔn)，爐體內(nèi)局部溫度失去控制，也會(huì)造成玻璃加熱的不均勻。玻璃板加熱到軟化點(diǎn)溫度以上后被輸送到淬冷區(qū)，淬冷區(qū)采用風(fēng)柵設(shè)計(jì)，冷卻風(fēng)從上下兩個(gè)表面對(duì)玻璃板強(qiáng)制吹風(fēng)淬冷，如果風(fēng)柵局部堵塞造成吹風(fēng)不均勻，導(dǎo)致玻璃板冷卻不均。加熱和淬冷過程的受熱不均都會(huì)使玻璃產(chǎn)生不均勻熱應(yīng)力，這些熱應(yīng)力不超過玻璃的承受能力則玻璃不會(huì)破碎，但用戶在使用過程中因溫度變化、外力作用等就會(huì)使鋼化玻璃自爆[2]。

2.預(yù)防鋼化玻璃自爆的措施

2.1 控制玻璃原片中硫和鎳的引入量

鋼化玻璃自爆的主要原因是硫化鎳結(jié)石所致，鋼化玻璃企業(yè)應(yīng)該選用優(yōu)質(zhì)的不含鎳的玻璃原片。對(duì)于原片玻璃生產(chǎn)企業(yè)盡量控制玻璃礦物原料中鎳金屬含量，凡是接觸原料、配合料的設(shè)備部件選用高質(zhì)量的合金部件，減少部件的磨損引入金屬鎳；對(duì)于硫的控制，選用低硫燃料，配合料中芒硝含率不能過高，一般控制在2.5%以下，同時(shí)加入相應(yīng)的碳粉，確保硫澄清充分發(fā)揮作用，熔窯的前區(qū)控制成還原氣氛，保證碳粉的還原作用。過渡輥臺(tái)處的二氧化硫管要置于2#過渡輥以后，盡量遠(yuǎn)離錫槽，確保二氧化硫不進(jìn)入錫槽。硫和鎳的引入得到控制，則不會(huì)在玻璃中形成硫化鎳結(jié)石。

2.2 改進(jìn)玻璃配方減少硫化鎳的形成

硫化鎳是導(dǎo)致了鋼化玻璃自爆的主要原因，金屬鎳無(wú)論是在玻璃原料中還是玻璃機(jī)械帶入都是極為微量的，如果嚴(yán)加控制徹底消除鎳元素的引入，則會(huì)大大增加生產(chǎn)成本，且玻璃缺陷自動(dòng)檢測(cè)儀也很難精確檢測(cè)低于0.2mm的點(diǎn)缺陷，試圖通過質(zhì)量檢測(cè)剔除含有硫化鎳的玻璃幾乎不可能。目前有研究結(jié)果表明在玻璃原料中加入少量硫酸鋅或硝酸鋅，通過它們的強(qiáng)氧化作用，將玻璃中的硫化物氧化成硫酸鹽，而溶解于玻璃液中，則不會(huì)產(chǎn)生硫化鎳結(jié)石，就不會(huì)造成鋼化玻璃的自爆。這個(gè)方法有待實(shí)踐繼續(xù)探索研究。

2.3 鋼化玻璃均質(zhì)處理

解決鋼化玻璃自爆最有效的方法是均質(zhì)處理。均質(zhì)處理是在均質(zhì)爐中進(jìn)行的，均質(zhì)過程分為加熱、恒溫和冷卻3個(gè)階段。首先將鋼化玻璃重新加熱到290℃±10℃，并保溫2h左右，玻璃中如果含有在鋼化中未來得及轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪嗟摩料嗔蚧?，在此過程中完成晶相轉(zhuǎn)變，發(fā)生體積膨脹，在均質(zhì)爐內(nèi)破碎，讓今后在用戶使用過程中可能自爆的玻璃在玻璃廠內(nèi)提前破碎。這種鋼化后再次熱處理的方法,即為鋼化玻璃均質(zhì)處理。企業(yè)多年的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)硫化鎳280℃ 時(shí)的相變速率是250℃ 時(shí)的100倍，因此均質(zhì)爐內(nèi)最關(guān)鍵的是控制各處溫度均勻一致，使每片玻璃的每個(gè)部位都處于相同的溫度。否則溫度過高的部位，硫化鎳會(huì)由β相逆向轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?，而溫度低的部位α相硫化鎳又不能完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪唷Ｒ虼司|(zhì)爐內(nèi)溫度不均勻，過高或過低都會(huì)導(dǎo)致均質(zhì)處理失效[3]。

2.4 改進(jìn)均質(zhì)爐保溫性能

鋼化均質(zhì)爐均質(zhì)效果差的原因之一是保溫效果差，保溫效果差的原因有保溫材料質(zhì)量不過關(guān)或者是均質(zhì)爐使用時(shí)間過長(zhǎng)保溫材料失效，還有爐體外殼所用耐熱鋼材料質(zhì)量差在高溫下變形導(dǎo)致爐體密封不嚴(yán)，以及爐門、各個(gè)管道保溫不好或是連接處密封不嚴(yán)造成熱量損失，導(dǎo)致均質(zhì)爐內(nèi)溫度不均。因此必須對(duì)上述問題全面處理才能保證爐體內(nèi)的工作溫度均勻穩(wěn)定，降低熱量損耗，提高熱效率，達(dá)到高質(zhì)量的均質(zhì)效果。

某公司的均質(zhì)爐經(jīng)過幾年的使用爐體保溫效果下降，一些部位的鋼結(jié)構(gòu)變形，造成密封不嚴(yán)。為了提高均質(zhì)效果，課題組決定對(duì)爐體進(jìn)行改造。首先，檢查各部位鋼結(jié)構(gòu)，按照設(shè)備圖紙要求嚴(yán)格進(jìn)行測(cè)量，更換高質(zhì)量的耐熱鋼材料，保證均質(zhì)爐在使用過程中不變形。其次，清除原保溫棉，更換新采購(gòu)的保溫棉，并保證填實(shí)塞緊；然后，檢查爐門密封性，更換爐門密封棉；最后，檢查爐頂風(fēng)管保溫材料發(fā)現(xiàn)有大量脫落，重新更換加裝，減少裸露風(fēng)管的熱量損失，并對(duì)風(fēng)管連接部位加強(qiáng)保溫。

2.5 提高均質(zhì)爐溫度控制精度

均質(zhì)爐溫度控制精確度極為關(guān)鍵，溫度控制不準(zhǔn)，造成爐內(nèi)玻璃溫度不均。電控柜增設(shè)加熱系統(tǒng)的檢測(cè)功能，監(jiān)控三相電流是否平衡來判斷熔斷器、固態(tài)繼電器、加熱管有無(wú)損壞情況，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。達(dá)到精確測(cè)定和調(diào)節(jié)溫度的目的。

3.結(jié)語(yǔ)

鋼化玻璃自爆的主要原因是玻璃內(nèi)含有硫化內(nèi)結(jié)石，防止鋼化玻璃自爆的措施歸納為：（1）采購(gòu)優(yōu)質(zhì)的玻璃原片進(jìn)行鋼化；（2）原片生產(chǎn)企業(yè)嚴(yán)格控制玻璃中的硫和鎳的含量；（3）對(duì)鋼化玻璃進(jìn)行均質(zhì)化處理；（4）改進(jìn)均質(zhì)爐保證均質(zhì)效果。