快速加熱水平鋼化玻璃技術(shù)

何宏安

［索奧斯（廣東）玻璃技術(shù)股份有限公司，廣東 佛山 528308］

0 引言

現(xiàn)階段，我國(guó)乃至于全球的鋼化爐生產(chǎn)廠家，都在將其重點(diǎn)放置在創(chuàng)新工藝方法，以盡最大的可能保障玻璃加熱的均勻性。在進(jìn)行鋼化玻璃加熱時(shí)，使用到的加熱熱源主要?jiǎng)澐譃閮深?，分別是氣體燃料和電加熱。電加熱使用較為廣泛，而電加熱依照其加熱方式的差異性，又劃分為3 種類型，分別是傳導(dǎo)加熱、對(duì)流加熱和輻射加熱。

1 鋼化爐加熱方式

1.1 傳導(dǎo)加熱

在玻璃傳導(dǎo)加熱中，其技術(shù)原理主要表現(xiàn)在兩個(gè)層面：①輻射加熱和對(duì)流加熱可以把熱量直接傳遞到玻璃層的表面，隨后借助傳導(dǎo)作用，直接把熱量傳遞到內(nèi)層。②玻璃可以借助于陶瓷輥傳輸，在爐內(nèi)進(jìn)行反復(fù)運(yùn)動(dòng)，陶瓷輥道可以將底部的加熱元件輻射進(jìn)行全方位的吸收，進(jìn)而提高爐內(nèi)溫度。同時(shí)通過熱傳導(dǎo)的模式，直接把熱量傳遞到玻璃表層，而玻璃也會(huì)發(fā)揮出一定的冷卻陶瓷輥?zhàn)饔?。若是在進(jìn)行裝片時(shí)，不同規(guī)格的玻璃按照統(tǒng)一的方式來展開排布，則會(huì)導(dǎo)致玻璃個(gè)別區(qū)域陶瓷輥溫度相對(duì)較低，而無玻璃的地方陶瓷輥溫度將會(huì)得到進(jìn)一步的提升，因此導(dǎo)致鋼化玻璃加熱出現(xiàn)了較為明顯的熱變效應(yīng)，加熱位置不夠均勻。而想要解決這一問題，其最佳解決辦法則是在進(jìn)行裝片時(shí)，依照鏡面、對(duì)稱、交叉的方式來進(jìn)行放片，也就是不同規(guī)格的玻璃需要對(duì)其放片的位置進(jìn)行周期性的變換，以確保陶瓷棒可以獲得同樣的冷卻效果，此時(shí)便不會(huì)出現(xiàn)熱邊效應(yīng)。但需有關(guān)人員注意的是，當(dāng)鋼化玻璃內(nèi)部的硫化鎳膨脹時(shí)，會(huì)對(duì)鋼化玻璃的表面產(chǎn)生一定的影響。在這個(gè)過程中，玻璃中的硫化鎳分子會(huì)被加熱到較高的溫度，在這一溫度下，硫化鎳分子會(huì)與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)并生成硫化物，然后硫化鎳分子會(huì)開始膨脹。這將導(dǎo)致玻璃表面出現(xiàn)細(xì)小的裂紋和許多小氣泡。當(dāng)玻璃內(nèi)部開始出現(xiàn)小氣泡時(shí)，這些小氣泡一旦破裂就會(huì)產(chǎn)生肉眼可見的裂痕。但是由于這些裂縫非常細(xì)小，所以很容易被忽視[1]。

1.2 輻射加熱

在爐內(nèi)的高溫加熱環(huán)境中，加熱元件將會(huì)輻射出特定波長(zhǎng)的射線，該輻射線將會(huì)直接轉(zhuǎn)移到玻璃和爐內(nèi)保溫材料表面，隨后二者通過加熱之后，就會(huì)產(chǎn)生輻射熱輻射，此時(shí)反射到玻璃的表面。而這一部分的輻射熱量，一部分將會(huì)被玻璃所吸收，另外一部分又會(huì)被反射。一般情況下，透明的玻璃反射率可以保持在6%～8%，剩下的可以綜合玻璃表面的實(shí)際情況以及黑度所吸收。玻璃在熱輻射吸收能力的好壞上，主要是決定于黑度情況：①顏色較深的水平鋼化玻璃吸收能力相對(duì)較好，在對(duì)這類玻璃進(jìn)行制作和生產(chǎn)加工時(shí)，加熱時(shí)間以及加熱的溫度相較于其他玻璃設(shè)定要更低。②透明玻璃，透明玻璃的吸收能力相較于著色玻璃來說要較弱，但是比鍍膜玻璃要更好，在加熱時(shí)間和加熱溫度的設(shè)定上將普通標(biāo)準(zhǔn)作為參照指標(biāo)即可。③鍍膜玻璃，由于鍍膜玻璃的反射效率較高，吸收能力較差，一般情況下在進(jìn)行加熱時(shí)，可以進(jìn)行低溫的長(zhǎng)時(shí)間加熱，比較有代表性的如low-e 玻璃。在加熱時(shí)間上可以延長(zhǎng)到55～60s/mm，同時(shí)對(duì)對(duì)流加熱強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整，提高對(duì)流加熱強(qiáng)度。若是某類波長(zhǎng)的輻射線輻射到玻璃表面之后并未被玻璃所吸收，則代表著玻璃針對(duì)這類波長(zhǎng)的輻射線為透明，若是輻射線無法全部透過玻璃，則代表著玻璃針對(duì)該類波長(zhǎng)的輻射線保持半透明。若是輻射線被玻璃所全部吸收，則代表著玻璃針對(duì)這類波長(zhǎng)的輻射線為不透明。在對(duì)玻璃進(jìn)行加熱的過程中，加熱爐爐膛的溫度設(shè)定有著非常重要的作用。主要是由于溫度存在差異，加熱元件的輻射線波長(zhǎng)也會(huì)有所不同。若是加熱溫度可以保持在600℃，輻射照度的最大值及對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)則是3.56μm 玻璃，這類波長(zhǎng)的輻射線是半透明，玻璃表層可以吸收這種輻射，隨后借助于傳導(dǎo)作用，直接把熱量傳遞到內(nèi)層，加熱速度較慢；若是加熱時(shí)溫度保持在700℃，輻射波中則有著大量的輻射線，概率輻射線為2.5μm，玻璃的內(nèi)層可以對(duì)這類輻射線進(jìn)行吸收，加熱速度較快，因此鋼化爐內(nèi)部溫度可以保持在700℃左右；若是加熱爐的內(nèi)部溫度超過900℃，輻射照度的最大值波長(zhǎng)則小于2.56μm，此時(shí)輻射線將會(huì)透過玻璃，難以被吸收，因此如果加熱爐的溫度設(shè)定超過標(biāo)準(zhǔn)及要求，同時(shí)在800℃以上時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)大量的資源浪費(fèi)[2]。

1.3 對(duì)流加熱

現(xiàn)階段在進(jìn)行水平鋼化玻璃對(duì)流加熱時(shí)主要?jiǎng)澐譃橐韵聝煞N形式。

（1）將輻射加熱作為核心的輻射對(duì)流加熱，在這種加熱爐中，內(nèi)部安裝有熱平衡管，在熱平衡管安裝上也分為兩種不同的形式，分別是熱平衡管保持和加熱螺絲方向的垂直，另外一種則是保持平行。在這種加熱爐中，可以在兩段加熱絲結(jié)合的下方位置，在熱平衡管開出直徑為1mm 左右的小孔，孔的方向保持相反，孔的間距保持在120mm 左右，同時(shí)保持和相鄰螺絲之間間距的相同。基于爐孔中噴出的壓縮空氣可以在經(jīng)過上部加熱元件處理之后，直接輻射到玻璃的表面，最終形成對(duì)流加熱。而這種鍍膜玻璃，尤其是以low-e 玻璃為代表，帶來的加熱效果更為突出。由于鍍膜玻璃本身的膜面反射率相對(duì)較高，在熱輻射吸收能力上相對(duì)較差，這就會(huì)導(dǎo)致玻璃加熱過程難以達(dá)到均衡，下部的加熱速度相對(duì)于上面來說要更快，玻璃也可以在爐中變?yōu)閛型，出現(xiàn)了嚴(yán)重的形變問題，只有在中部位置接觸陶瓷棒，才可以彌補(bǔ)玻璃中部由于光學(xué)變形所帶來的制造缺陷問題。對(duì)這一問題進(jìn)行解決，其主要辦法便是在玻璃上表面增強(qiáng)對(duì)流加熱，以確保玻璃上層和下層加熱的高度均勻。在熱平衡壓縮空氣壓力和吹氣時(shí)間的設(shè)計(jì)上，需要進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，但是這種加熱模式在對(duì)流加熱量的總加熱量占比上在1/5 左右，最終帶來的對(duì)流加熱效果不夠突出。

（2）將對(duì)流加熱作為核心的對(duì)流輻射加熱。在這種加熱爐的設(shè)置上，需要在加熱爐的上方和下方安裝高溫對(duì)流循環(huán)風(fēng)機(jī)，以強(qiáng)制對(duì)流加熱為主，爐膛的上部和下部需要經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，并安裝風(fēng)道和噴灌，借助于高溫對(duì)流風(fēng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)高溫氣體在爐膛中的密閉化循環(huán)，并借助于噴嘴直接將其吹到玻璃上，實(shí)現(xiàn)了爐膛上表面、下表面對(duì)流加熱風(fēng)量的自動(dòng)化調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了玻璃基于變頻調(diào)速條件下的快速均勻加熱。在這種加熱模式中，對(duì)流加熱熱量總占比為80%～85%，借助對(duì)流加熱，保障了加熱過程的快速且均勻。具體來說，在玻璃加熱上，其優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：鋼化玻璃的加熱時(shí)間進(jìn)一步縮短，相較于傳統(tǒng)的加熱辦法，其生產(chǎn)效率可以提高40%，對(duì)于低輻射玻璃來說，生產(chǎn)效率可以提高到50%。同時(shí)，爐溫設(shè)置較低，只需要保持在680～685℃即可，對(duì)于傳統(tǒng)將輻射加熱作為核心的鋼化爐加熱辦法，其溫度設(shè)置可以降低20℃，而針對(duì)其他厚度要求不同的玻璃，爐溫設(shè)置也無須做出多余的調(diào)整，因此，生產(chǎn)制造加工的品種更換速度較快，生產(chǎn)效率較高。除此之外，由于爐溫設(shè)置較低，加熱速度較快，加熱過程較為均勻，可以從根源上降低玻璃的爐膛內(nèi)變形問題，對(duì)于緩解鋼化玻璃的光學(xué)變形具有非常重要的現(xiàn)實(shí)作用。

2 快速加熱工藝的探討

2.1 提高輻射的效率

在進(jìn)行水平鋼化玻璃加熱升溫時(shí)，加熱元件是其中的熱源供給，因此玻璃是否可以對(duì)輻射熱量進(jìn)行最短時(shí)間的快速吸收，是影響最終快速加熱玻璃效果的核心所在。在明確玻璃鋼化溫度的條件下，輻射熱的波長(zhǎng)主要取決于輻射光紅外線的電加熱絲的溫度，因此將在最短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)水平鋼化玻璃的快速升溫，則需要確保紅外線波長(zhǎng)處于最大輻射照度之內(nèi)，即2.7～4.5μm。如此一來，才可以盡最大的限度，提高光輻射的使用效率[3]。因此，在優(yōu)化輻射效率時(shí)，需要對(duì)輻射波長(zhǎng)進(jìn)行精準(zhǔn)管控，具體來說，在進(jìn)行輻射波長(zhǎng)控制時(shí)，分為以下策略。

（1）控制好熱源的溫度。想要保障輻射源保持在特定溫度條件之下，則需要確保溫度的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍可以達(dá)到玻璃吸收的最大值，因此需要對(duì)加熱源溫度進(jìn)行針對(duì)性地管控，從本質(zhì)上來說，就是對(duì)加熱絲的電流和負(fù)載電壓進(jìn)行控制。在進(jìn)行電加熱元件功率控制時(shí)，需要對(duì)其動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，在使用功率可調(diào)節(jié)方式之后，電加熱絲在持續(xù)進(jìn)行加熱之后，輻射源的溫度將會(huì)獲得短時(shí)間內(nèi)的快速增高，輻射波長(zhǎng)也將會(huì)超出玻璃可以吸收的最大范圍，此時(shí)則可以對(duì)電加熱絲的功率進(jìn)行調(diào)整，電加熱絲的溫度也會(huì)下降，輻射光波長(zhǎng)得到了進(jìn)一步的管控，改善了玻璃的輻射效率。

（2）間接加熱。在控制熱輻射波長(zhǎng)時(shí)，還可以通過間接加熱的方式，使用遮熱板來達(dá)成其加熱目標(biāo)。但是需要有關(guān)工作人員注意的是，作為遮熱板的材料，需要達(dá)到以下要求：①需要在處于900℃的高溫環(huán)境之下，不可以出現(xiàn)變形。②可以吸收2.76μm 以下的波長(zhǎng)最大輻射照度的材料結(jié)構(gòu)。因此，將遮熱板作為熱源來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的間接加熱，在進(jìn)行加熱時(shí)，需要發(fā)出高溫密集短波，長(zhǎng)光遮光板需要在最短的時(shí)間內(nèi)，盡最大的可能吸收2.76μm 以下的波長(zhǎng)紅外線，以確保本身的溫度也可以在短時(shí)間內(nèi)快速升高。而其他的波長(zhǎng)紅外線，則需要借助于遮熱板來輻射到玻璃。與此同時(shí)，遮熱板本身溫度升高之后，可以將其作為輻射的源頭，發(fā)出紅外線波長(zhǎng)，以確保玻璃可以在最短的時(shí)間內(nèi)獲得最大值的輻射能量。由于在整個(gè)過程中，電加熱絲可以進(jìn)行管控，因此，只需保障電加熱絲和遮熱板二者之間的溫度差，便可以確保遮熱板在輻射波長(zhǎng)上得到全方位的管控。

2.2 增大輻射面積

（1）加大上部的加熱功率。基于水平鋼化爐的結(jié)構(gòu)便可以了解到，玻璃在進(jìn)行加熱時(shí)，輻射加熱的熱量供給來源源自上部的加熱元件，因此在確保加熱總功率維持不變的條件下，對(duì)上部電加熱功率進(jìn)行增大，對(duì)下部加熱功率進(jìn)行減少，便可以使得單位時(shí)間內(nèi)加熱輻射熱量全面提高，玻璃可以吸收的熱量也得到了進(jìn)一步地加大。如此一來，便可以對(duì)加熱效率進(jìn)行進(jìn)一步的管控，使得加熱時(shí)間全方位縮短。

（2）可以加大下部輸送的輥道間距。在加大下部輸送輥道間距的過程中，可以進(jìn)一步減少爐內(nèi)輸送到的遮熱面積，讓下部的加熱元件可以獲得更多的輻射熱量，進(jìn)而使得加熱玻璃效果更好，從根源上減少加熱的時(shí)間。另外，考慮到玻璃的波形彎曲度，生產(chǎn)薄片玻璃的設(shè)備，我們也要兼顧陶瓷棒輥間距不能太大。

（3）運(yùn)用雙室爐。運(yùn)用二段爐的技術(shù)原理是：在500℃的高溫環(huán)境之下，先對(duì)玻璃進(jìn)行預(yù)熱處理，此時(shí)的輻射光波長(zhǎng)維持在3.5μm 以內(nèi)。在這樣的范圍內(nèi)，玻璃可以獲得最大的吸收值，讓玻璃可以在最短的時(shí)間內(nèi)吸收到更多的輻射熱量，進(jìn)而達(dá)到其預(yù)熱的溫度，讓玻璃進(jìn)入加熱爐之后，可以達(dá)到其所需的鋼化溫度要求。在預(yù)熱爐中，玻璃可以獲得較為穩(wěn)定地加熱，以盡最大的限度吸收熱量，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的快速升溫。相較于單段爐，可以從根源上縮短加熱時(shí)間，減少玻璃的熱量損耗。

（4）可以增大加熱元件的輻射面積。在使用間接加熱電加熱元件時(shí)，可以全方位增大其內(nèi)外加熱的表面積，使得熱元件的輻射面積得到擴(kuò)大，再增大單位面積玻璃輻射光強(qiáng)度，便可以使得玻璃換熱量得到提升，進(jìn)而改善了加熱效率。

2.3 設(shè)置強(qiáng)制對(duì)流

在加熱爐中設(shè)置強(qiáng)對(duì)流，可以使得空氣流速加快，溫度升高，進(jìn)而優(yōu)化空氣的流動(dòng)狀態(tài)，盡最大的可能改善電路的對(duì)流加熱綜合效率。而基于降低成本投入這一角度入手分析，進(jìn)一步提高空氣流速也代表著將會(huì)促使空壓機(jī)壓力增大，綜合電路本身的加熱特點(diǎn)，對(duì)冷空氣進(jìn)行全方位預(yù)熱，可以使得空氣溫度上升，減少加熱時(shí)間，減少成本投入?？稍跔t內(nèi)壓縮空氣管的吹風(fēng)管，盡量保障空間間隔結(jié)構(gòu)較小，以確保加熱爐中的空氣可以產(chǎn)生湍流，而不是原有的層流，進(jìn)一步優(yōu)化對(duì)流換熱的綜合水平。以上為比較常見的外氣流強(qiáng)制模式，還有一種市場(chǎng)上也非常流行的內(nèi)置式風(fēng)機(jī)對(duì)流方式，也是一種可以快速提高玻璃加熱速度，而且可以生產(chǎn)更高端玻璃品質(zhì)的鋼化玻璃對(duì)流設(shè)備[4]。

3 結(jié)語

綜上所述，在進(jìn)行水平鋼化玻璃生產(chǎn)制造時(shí)，溫度控制為其中的主要環(huán)節(jié)，將會(huì)對(duì)最終的玻璃制造產(chǎn)品質(zhì)量帶來直接影響。為彌補(bǔ)在進(jìn)行鋼化玻璃生產(chǎn)制造時(shí)存在的加熱不均和形變問題，需要加強(qiáng)對(duì)快速加熱工藝的進(jìn)一步探討和研究，可圍繞提高輻射效率、增大輻射面積、設(shè)置強(qiáng)對(duì)流，確?？梢栽谧疃痰臅r(shí)間內(nèi)快速加熱，縮短加熱時(shí)間，保障鋼化玻璃的綜合生產(chǎn)質(zhì)量。