一種降低玻璃自爆率的鋼化工藝

鋼化玻璃在無(wú)直接機(jī)械外力作用下發(fā)生的自動(dòng)性炸裂叫做鋼化玻璃的自爆，根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，普通鋼化玻璃的自爆率在1~3‰左右。自爆是鋼化玻璃固有的特性之一。

擴(kuò)大產(chǎn)生自爆的原因很多，簡(jiǎn)單地歸納以下幾種：

①玻璃質(zhì)量缺陷的影響

A、玻璃中有結(jié)石、雜質(zhì)，氣泡：玻璃中有雜質(zhì)是鋼化玻璃的薄弱點(diǎn)，也是應(yīng)力集中處。特別是結(jié)石若處在鋼化玻璃的張應(yīng)力區(qū)是導(dǎo)致炸裂的重要因素。

結(jié)石存在于玻璃中，與玻璃體有著不同的膨脹系數(shù)。玻璃鋼化后結(jié)石周圍裂紋區(qū)域的應(yīng)力集中成倍地增加。當(dāng)結(jié)石膨脹系數(shù)小于玻璃，結(jié)石周圍的切向應(yīng)力處于受拉狀態(tài)。伴隨結(jié)石而存在的裂紋擴(kuò)展極易發(fā)生。

B、玻璃中含有硫化鎳結(jié)晶物

硫化鎳夾雜物一般以結(jié)晶的小球體存在，直徑在0.1—2㎜。外表呈金屬狀，這些雜夾物是NI3S2，NI7S6和NI—XS，其中X=0—0.07。只有NI1—XS相是造成鋼化玻璃自發(fā)炸碎的主要原因。

已知理論上的NIS在379。C時(shí)有一相變過(guò)程，從高溫狀態(tài)的a—NIS六方晶系轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏貭顟B(tài)B—NI三方晶系過(guò)程中，伴隨出現(xiàn)2.38%的體積膨脹。這一結(jié)構(gòu)在室溫時(shí)保存下來(lái)。如果以后玻璃受熱就可能迅速出現(xiàn)a—B態(tài)轉(zhuǎn)變。如果這些雜物在鋼化玻璃受張應(yīng)力的內(nèi)部，則體積膨脹會(huì)引起自發(fā)炸裂。如果室溫時(shí)存在a—NIS，經(jīng)過(guò)數(shù)年、數(shù)月也會(huì)慢慢轉(zhuǎn)變到B態(tài)，在這一相變過(guò)程中體積緩慢增大未必造成內(nèi)部破裂。

C、玻璃表面因加工過(guò)程或操作不當(dāng)造成有劃痕、炸口、深爆邊等缺陷，易造成應(yīng)力集中或?qū)е落摶Ａё员?/p>

②鋼化玻璃中應(yīng)力分布不均勻、偏移

玻璃在加熱或冷卻時(shí)沿玻璃厚度方向產(chǎn)生的溫度梯度不均勻、不對(duì)稱。使鋼化制品有自爆的趨向，有的在激冷時(shí)就產(chǎn)生“風(fēng)爆”。如果張應(yīng)力區(qū)偏移到制品的某一邊或者偏移到表面則鋼化玻璃形成自爆。

③鋼化程度的影響，實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)鋼化程度提高到1級(jí)/㎝時(shí)自爆數(shù)達(dá)20—25%。由此可見(jiàn)應(yīng)力越大鋼化程度越高，自爆量也越大。

鋼化玻璃自爆解決方案

1、降低鋼化玻璃的應(yīng)力值

鋼化玻璃中應(yīng)力的分布是鋼化玻璃的兩個(gè)表面為壓應(yīng)力，板芯層處于張應(yīng)力，在玻璃厚度上應(yīng)力分布類似拋物線。玻璃厚度的中央是拋物線的頂點(diǎn)，即張應(yīng)力最大處；兩側(cè)接近玻璃兩表面處是壓應(yīng)力；零應(yīng)力面大約位于厚度的1/3處。通過(guò)分析鋼化急冷的物理過(guò)程，可知鋼化玻璃表面張力和內(nèi)部的最大張應(yīng)力在數(shù)值上有粗略的比例關(guān)系，即張應(yīng)力是壓應(yīng)力的1/2～1/3.國(guó)內(nèi)廠家一般將鋼化玻璃表面張力設(shè)定在100MPa左右，實(shí)際情況可能更高一些。鋼化玻璃自身的張應(yīng)力約為32MPa～46MPa，玻璃的抗張強(qiáng)度是59MPa～62MPa，只要硫化鎳膨脹產(chǎn)生的張力在30MPa，則足以引發(fā)自爆。若降低其表面應(yīng)力，相應(yīng)地會(huì)降低鋼化玻璃本身自有的張應(yīng)力，從而有助于減少自爆的發(fā)生。

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTMC1048中規(guī)定鋼化玻璃的表面應(yīng)力范圍為大于69MPa；半鋼化（熱增強(qiáng)）玻璃為24MPa～52MPa.幕墻玻璃標(biāo)準(zhǔn)BG17841則規(guī)定為半鋼化應(yīng)力范圍24<δ≤69MPa.我國(guó)今年3月1日實(shí)施的新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB15763.2-2005《建筑用安全玻璃第2部分：鋼化玻璃》要求其表面應(yīng)力不應(yīng)小于90MPa.這比此前老標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的95MPa降低了5MPa，有利于減少自爆。

2、使玻璃的應(yīng)力均勻一致

鋼化玻璃的應(yīng)力不均，會(huì)明顯增大自爆率，已經(jīng)到了不容忽視的程度。應(yīng)力不均引發(fā)的自爆有時(shí)表現(xiàn)得非常集中，特別是彎鋼化玻璃的某具體批次的自爆率會(huì)達(dá)到令人震驚的嚴(yán)重程度，且可能連續(xù)發(fā)生自爆。其原因主要是局部應(yīng)力不均和張力層在厚度方向的偏移，玻璃原片自身質(zhì)量也有一定的影響。應(yīng)力不均會(huì)大幅降低玻璃的強(qiáng)度，在一定程度上相當(dāng)于提高了內(nèi)部的張應(yīng)力，從而自爆率提高了。如果能使鋼化玻璃的應(yīng)力均勻分布，則可有效降低自爆率。

3、熱浸處理（HST）

熱浸解釋。熱浸處理又稱均質(zhì)處理，俗稱“引爆”。熱浸處理是將鋼化玻璃加熱到290℃±10℃，并保溫一定時(shí)間，促使硫化鎳在鋼化玻璃中快速完成晶相轉(zhuǎn)變，讓原本使用后才可能自爆的鋼化玻璃人為地提前破碎在工廠的熱浸爐中，從而減少安裝后使用中的鋼化玻璃自爆。該方法一般用熱風(fēng)作為加熱的介質(zhì)，國(guó)外稱作“HeatSoakTest”，簡(jiǎn)稱HST，直譯為熱浸處理。

熱浸難點(diǎn)。從原理上看，熱浸處理既不復(fù)雜，也無(wú)難度。但實(shí)際上達(dá)到這一工藝指標(biāo)非常不易。研究顯示，玻璃中硫化鎳的具體化學(xué)結(jié)構(gòu)式有多種，如Ni7S6、NiS、NiS1.01等，不但各種成分的比例不等，而且可能摻雜其他元素。其相變快慢高度依賴于溫度的高低。研究表明，280℃時(shí)的相變速率是250℃時(shí)的100倍，因此必須確保爐內(nèi)的各塊玻璃經(jīng)歷同樣的溫度制度。否則一方面溫度低的玻璃因保溫時(shí)間不夠，硫化鎳不能完全相變，減弱了熱浸的功效。另一方面，當(dāng)玻璃溫度太高時(shí)，甚至?xí)鹆蚧嚹嫦蛳嘧儯斐筛蟮碾[患。這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致熱浸處理勞而無(wú)功甚至適得其反。熱浸爐工作時(shí)溫度的均勻性是如此的重要，而三年前多數(shù)國(guó)產(chǎn)熱浸爐熱浸保溫時(shí)爐內(nèi)的溫差甚至達(dá)到60℃，國(guó)外引進(jìn)爐存在30℃左右的溫差也不少見(jiàn)。所以有的鋼化玻璃雖經(jīng)熱浸處理，自爆率依然居高不下。

新標(biāo)準(zhǔn)將更有效。實(shí)際上，熱浸工藝和設(shè)備也一直在不斷地改進(jìn)中。德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN18516在90年版中規(guī)定的保溫時(shí)間為8小時(shí)，而prEN14179-1：2001（E）標(biāo)準(zhǔn)則將保溫時(shí)間降到了2小時(shí)。新標(biāo)準(zhǔn)下熱浸工藝的效果十分顯著，并且有明確的統(tǒng)計(jì)性技術(shù)指標(biāo)：熱浸后可降到每400噸玻璃一例自爆。另一方面，熱浸爐也在不斷地改進(jìn)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，加熱均勻性也得到了明顯提高，基本可以滿足熱浸工藝的要求。例如南玻集團(tuán)熱浸處理的玻璃，自爆率達(dá)到了歐洲新標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)，在12萬(wàn)平米的廣州新機(jī)場(chǎng)超大工程中表現(xiàn)極為滿意。

盡管熱浸處理不能保證絕對(duì)不發(fā)生自爆，但確實(shí)降低了自爆的發(fā)生，實(shí)實(shí)在在地解決了困擾工程各方的自爆問(wèn)題。所以熱浸是世界上一致認(rèn)可的徹底解決自爆問(wèn)題的最有效方法。

研究鋼化玻璃的自爆，是為了尋求更好的解決方法。比較不同解決方法的效果和可靠性，是為了進(jìn)一步降低自爆率，減小自爆引起的損失。綜合上述分析比較，結(jié)合工程玻璃實(shí)際情況，提出幾點(diǎn)建議僅供參考。