CN102976597B - 一种钢化玻璃冷却方法及钢化炉冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种钢化玻璃冷却方法及钢化炉冷却系统，包括向钢化炉送入空气的风机、集风箱及送风通道，还包括在该集风箱或送风通道上安装的一个盛放液氮的液氮罐，在玻璃淬冷阶段，在风机送入空气的同时向与风机相连的集风箱内短时间注入液氮经历一个骤冷过程，使集风箱内形成空气与气化液氮的混合冷却介质，并使该混合冷却介质通过送风通道被送入钢化炉中淬冷钢化炉内的高温玻璃。本发明可大幅度降低玻璃风钢化中传统冷却介质空气的温度，并减少风机装机容量，以此可用于钢化厚度小于3mm的浮法玻璃或生产过钢化玻璃。

Description

一种钢化玻璃冷却方法及钢化炉冷却系统

技术领域：

本发明属于玻璃钢化领域，具体涉及一种钢化玻璃的冷却系统及方法。

背景技术：

钢化玻璃的产品已广泛使用在建筑、航空、汽车、轮船、机车、电子显示器件等众多领域。钢化玻璃自1870年在法国获得第一项专利始，于十九世纪获得数项专利，并于1892年在工业上得以应用。之后发展了平钢化玻璃、弯钢化玻璃等一系列产品，至二十世纪八十年代，随着玻璃新品种的增加，钢化玻璃制造工业进行了新产品的开发和研究，在建筑节能窗的低辐射玻璃钢化，汽车玻璃的大型及异性玻璃钢化等都有长足的进展。

物理钢化玻璃是在玻璃表面形成压应力层，使它增加一个预应力来提高玻璃强度，目前广泛应用的是快速风冷却钢化(简称风钢化)法。

风钢化是将玻璃加热至玻璃化转变温度(T_g)以上80℃，利用空气作为冷却介质，快速将玻璃表面热量带走，外层玻璃冷却较快，而玻璃中心是由外层玻璃通过热传导冷却，因此玻璃中心相对于玻璃外层冷却的较慢，于是通过这个过程在玻璃外层与中心部分产生了内应力，而玻璃的抗压强度是其抗拉强度的十倍以上，通过内应力的引入，增加了玻璃的抗拉强度，使玻璃的强度得以提高。通常情况下，钢化玻璃强度比普通退火玻璃的强度高4-6倍，热急冷稳定性可由150℃左右提高至280-320℃。

钢化玻璃的强度主要取决于内应力的大小，与玻璃的钢化温度，冷却速率有关。一般情况下，钢化温度为600-680℃，冷却介质为室温空气，由空气在热玻璃表面流动带着热量，冻结玻璃表面，因此，冷却能力在一定程度上影响钢化玻璃的钢化度，进而影响钢化玻璃的强度及破碎后碎片粒度。钢化度增加，玻璃的抗弯强度和抗冲击强度增加。然而，鉴于风钢化使用的冷却介质为空气，而空气本身的温度与热容导致其制冷能力有限，即使增大风压也不能应用于钢化薄玻璃（如厚度小于等于3mm的玻璃）及特殊需求的过钢化玻璃。同时增大风压意味着增大风机容量，耗电量急速增加，成本大幅度提高。

发明内容：

本发明目的之一是提供一套新的钢化炉冷却系统。

本发明钢化炉冷却系统，用于对钢化玻璃进行冷却，包括向钢化炉送入空气的风机、集风箱及送风通道，在该集风箱或送风通道上安装一个盛放液氮的液氮罐，液氮罐有阀口与集风箱连接，且该阀口装有与风机启动联机的电磁阀。

本发明目的在于提供一种钢化玻璃的冷却方法，通过利用上述对物理钢化炉冷却系统的特殊设计，降低冷却介质的温度，减少普通钢化玻璃生产时风机的装机容量，并适于生产薄层钢化玻璃或过钢化玻璃。

本发明钢化玻璃冷却方法，是在玻璃淬冷阶段，使用风机向钢化炉送入空气，包括在风机送入空气的同时向与风机相连的集风箱内短时间注入液氮的骤冷过程，使集风箱内形成空气与气化液氮的混合冷却介质，并使该混合冷却介质通过送风通道被送入钢化炉中淬冷钢化炉内的高温玻璃。

液氮注入集风箱内的骤冷时间不超过玻璃淬冷阶段时间，骤冷时间一般为10s。

骤冷过程空气与液氮混合比例为100m³空气：10~40升液氮。

液氮全部注入集风箱实现骤冷后，还包括所述风机持续送入空气数十秒的过程。

控制风机送风速度在10m³/s，所述混合冷却介质进入钢化炉的送风速度在12m³/s。

混合冷却介质进入钢化炉的温度从室温降低30℃以上，优选控制在4~-50℃。

所述钢化玻璃冷却方法，针对厚度6mm普通玻璃进行钢化，进行以下操作：在玻璃淬冷阶段，风机以10m³/s的送风速度向集风箱中送入空气，同时将10-40L（优选20L）液氮注入集风箱中，在10秒钟内注完，使液氮与风箱中流动空气混合并气化，随着气流进入送风通道并以12m³/s的速度进入钢化炉，钢化炉进风口温度下降至4~-50℃（20L液氮注入时为-20℃），完成骤冷过程；风机继续以原送风速度持续送入空气40-50s，完成淬冷阶段过程；由风机按原送风速度送入空气缓冷3分钟，将玻璃从钢化炉中取出得普通钢化玻璃。

所述钢化玻璃冷却方法，针对厚度3mm或以下薄层玻璃或厚度12mm的玻璃进行钢化，进行以下操作：玻璃淬冷阶段，风机以10m³/s的送风速度向集风箱中送入空气，同时将20L液氮注入集风箱中，在10秒钟内注完，使液氮与风箱中流动空气混合并气化，随着气流进入送风通道并以12m³/s的速度进入钢化炉，钢化炉进风口温度下降至-20℃，完成骤冷过程；风机继续以原送风速度持续送入空气40-50s，完成淬冷阶段过程；由风机按原送风速度送入空气缓冷3分钟，将玻璃从钢化炉中取出获得薄层钢化玻璃。

以上所述钢化玻璃冷却方法生产得到的3mm或以下薄层钢化玻璃或12mm厚过钢化玻璃也为本发明的发明内容。所述薄层钢化玻璃的玻璃强度达到普通钢化要求；所述过钢化玻璃表面平均应力达270MPa，90%的玻璃碎裂粒度小于4mm。

本发明通过设计物理钢化设备的风冷却系统和方法，在钢化炉风冷却系统中配备低温液氮输入系统，液氮温度为零下196℃，通过把低温液氮引入到风冷却系统，液氮气化，与空气混合，降低了冷却介质的温度，实验表明，在获得同样的钢化度的情况下，冷却介质温度降低30℃，可降低空气压力15％。低温液氮在送风系统的引入，不仅可以减小风机装机容量及运行成本，而且降低冷却气体的温度能有效的提高玻璃钢化度，不仅可使钢化玻璃的强度明显提高，而且可钢化普通风钢化不可钢化的3mm以下的平板玻璃及特殊需求的过钢化度玻璃。

附图说明：

图1为本发明钢化炉冷却系统构成图。

图2为本发明实施例3生产的过钢化玻璃碎裂效果照片。

具体实施方式：

本发明提供一种新型的钢化玻璃冷却方法及钢化炉冷却系统。在常规的钢化系统中，风机通过集风箱和送风通道将作为冷却介质的空气直接送入钢化炉玻璃淬冷部分，参见图1所示。本发明的改进是：继续参见图1所示，在风路上，集风箱上面位置安装一个能够盛放液氮的罐体，液氮罐与集风箱之间通过一个阀口连接，由电磁阀控制阀口的开合，电磁阀与风机启动联机。

操作中，首先，在液氮罐中注入液氮，封闭液氮罐，当钢化炉中淬冷玻璃阶段启动后，风机开始工作，此时电磁阀打开液氮罐阀口将液氮加入到集风箱中，与风机所送空气（通常为室温空气）混合，混合中液氮被气化，体积瞬间膨胀约1000倍，液氮气化成低温氮气与风机提供的空气共同形成冷却介质，通过送风通道送入钢化炉对高温玻璃淬冷（骤冷过程）。具体可以是在淬冷阶段开始5s后打开电磁阀，向进风系统加入液氮，10s后液氮全部加入完成骤冷过程。该骤冷过程中，从以下几方面提高系统的冷却能力：1.液氮与空气混合，液氮气化，吸收气化潜热，降低冷却介质温度；2.低温氮气与空气混合，降低冷却介质的温度；3.气体体积膨胀做功吸热，降低冷却介质温度；4.增大了进风压力，增加冷却风量。淬冷阶段结束后，关闭电磁阀，向集风箱停止送入液氮，此时单独由风机提供空气缓冷。

发明人通过大量的实验证明，在淬冷阶段，骤冷过程液氮的加入量与送风量之间的关系是100m³空气：10~40升液氮，对应的，可降低冷却介质温度30℃以上（31~85℃），而钢化强度可提升30MPa以上（32~109MPa）。在达到同样钢化强度时，风机送风量可降低10~30%。

以下继续结合实施例和实验例详述本发明。

实施例1：生产普通钢化玻璃

本实施例对比普通钢化及利用本发明冷却系统钢化效果。

样品：6mm玻璃，相同的玻璃对应标号分在2组中，共有12块玻璃分为2组进行检测，进行普通风冷钢化强度与本发明液氮冷却钢化玻璃强度试验，并对结果进行对比；

钢化条件及操作：

某小型钢化炉，风机装机容量为30KW，夏季钢化炉进风口温度35℃。在钢化炉风机后部集风箱上部位置装设体积为20升的液氮罐，在风冷却启动前加满液氮，密封。玻璃淬冷阶段开始5秒后，开启电磁阀打开液氮罐阀口，液氮在10秒钟内全部注入集风箱中，使之与风箱中流动空气(未注入液氮时的风机送风速度为10m³/S)混合并气化，随着气流进入风道并从喷嘴喷出进入钢化炉，由于液氮气化体积膨胀，此时瞬间混合冷却风速增至12m³/S，进风口温度由原来的35℃下降至零下20℃，此时完成淬冷阶段的骤冷过程；待液氮全部注入后，持续送风（空气，送风速度为10m³/S）40秒后（将液氮罐中液氮排空），关闭电磁阀，继续送风10秒，关淬冷风机，完成整个淬冷阶段。淬冷阶段结束后，此时由风机按原低功率状态送风速度（10m³/S）提供空气缓冷3分钟时间，将玻璃样品从钢化炉中取出用于检测。

检测：使用偏光镜应力仪对不同淬冷条件下钢化玻璃的强度进行检测，数据见表1。

表1：6mm钢化玻璃强度

样品	普通风冷钢化玻璃强度	样品	(风冷+液氮冷却）钢化玻璃强度
				1	121MPa	1＃	168MPa
2	117MPa	2＃	183MPa
				3	125MPa	3＃	188MPa
4	130MPa	4＃	190MPa
				5	129MPa	5＃	192MPa
6	135MPa	6＃	192MPa

从表1数据可看出，使用本发明加入液氮冷却钢化后，钢化玻璃的强度明显提高。

实施例2：生产薄层钢化玻璃

对于较薄的玻璃，如3mm玻璃，由于玻璃较薄，很难在玻璃内部形成有效的应力层，因此，普通风钢化方法对3mm玻璃效果不明显，一般不采用风钢化。

本实施例利用本发明方法和普通钢化方法钢化对应的3mm玻璃样品。

钢化条件及操作同实施例1，其中，风机送风速10m³/S，液氮注入量20升，10s注完；钢化炉进风口混合冷却介质温度为零下20℃，混合冷却风速为12m³/秒。

检测：同实施例1，偏光镜应力仪测量获得数据见表2。

表2：3mm钢化玻璃强度

样品	普通风冷钢化玻璃强度	（风冷+液氮冷却）钢化玻璃强度
			1	78MPa	98Mpa
2	75MPa	111M Pa
			3	86MPa	125MPa
4	64MPa	99MPa
			5	68MPa	118MPa
6	71MPa	117MPa

注：3mm玻璃钢化前强度为60MPa。

从表2中可看出，加入液氮冷却钢化后，可钢化3mm平板玻璃，玻璃强度达到普通钢化要求；而普通风冷后玻璃强度提高不明显，不能实现玻璃钢化。

实施例3：生产过钢化玻璃

本申请中，过钢化玻璃指的是针对12mm玻璃，在玻璃原片强度的基础上通过物理钢化过程获得额外强度超过105MPa以上的钢化玻璃。普通风钢化方法由于设备冷却能力不足因而不能生产过钢化玻璃。

本实施例利用本发明方法钢化一组样品12mm玻璃，进行过钢化玻璃生产。

钢化条件及操作同实施例1，其中，风机送风速100m³/S，液氮注入量20升，10s注完；钢化炉进风口混合冷却介质温度为零下-20℃，混合冷却风速为12m³/秒。

检测：用偏光镜应力仪对过钢化玻璃的表面应力进行检测，表面应力值即为玻璃的钢化强度；

将钢化玻璃置于不锈钢槽底部，用合金尖嘴锤头敲击玻璃，钢化玻璃即碎裂为细小的颗粒，通过不同目数的筛子对玻璃碎片筛量，检验玻璃的碎裂指标。

检测结果列于表3：

表312mm钢化玻璃指标检测结果

结果表明，对于12mm厚玻璃，通过本发明液氮辅助淬冷工艺，玻璃表面平均应力可达270MPa，较普通风冷钢化玻璃强度增加120MPa；玻璃碎裂粒度：90%的玻璃碎裂粒度小于4mm，而普通风冷钢化玻璃仅有10%的玻璃能达到<9mm的碎裂粒，图2显示了本发明生产的过钢化玻璃形态，可直观显示玻璃碎裂性能，玻璃破碎成较细小的颗粒（为了便于观察，钢化玻璃碎裂前用透明胶带包裹）。综合检测结果说明本发明可以生产过钢化玻璃。

实施例4：优化骤冷过程

本实施例针对6mm厚玻璃，调整空气与液氮配比工艺，考察玻璃钢化情况。

钢化操作同实施例1，钢化条件及结果见表4：

表4：不同液氮辅助淬冷工艺的钢化效果

表4数据表明，使用液氮辅助淬冷工艺，液氮的加入量在100m³空气：10~40升液氮范围内，可降低冷却介质温度30℃以上（表列数据31~85℃），可使玻璃钢化强度提升30MPa以上（表列数据32~109MPa）。

实施例5：骤冷过程对风机容量影响

本实施例针对6mm厚玻璃，生产同样程度的钢化玻璃（如钢化玻璃平均强度130MPa），风机送风功率的与液氮加入量的关系情况。

钢化操作同实施例1，钢化条件变化见表5：

表5：

工艺参数及检测	比较样	样品5	样品6	样品7
					风机功率（KW）	30	27	24	20
风机送风速（m3/s）	10	9	7.8	6.3

液氮量（L）-		5	10	20
					液氮注入时间（s）-		10	10	10
送风口温度（℃）	35	13	-5	-20
					混合冷却风速(m3/s)	10	9.4	8.6	7.8
淬冷阶段时间(s)	65	65	65	65
					空气总量（m3）	650	585	507	409.5
钢化玻璃强度(MPa）	130	132	131	132

实验表明，在获得同样的钢化度的情况下，随着液氮量的增加，风机的功率逐渐降低，由此可以说明液氮的加入能够达到节能的效果。

以下对本发明设计的钢化炉冷却系统经济性及节能效果进行比较。

钢化玻璃的强度可以通过表面应力仪测定，对于厚度相同的玻璃，表面应力相同表示钢化度相同。玻璃钢化通过钢化炉对玻璃的加热及冷却实现，钢化炉的冷却能力是体现钢化效果的一个重要因素，相似的冷却效能可获得相似的钢化度。基于以上机理，以不同冷却系统达到玻璃相同钢化度进行比较。

比较针对原有的6mm浮法玻璃，风机功率为30KW的钢化炉，在夏季可达到平均130MPa的钢化度的生产过程。采用本发明风冷配合液氮冷却钢化过程，风机功率为24KW，在液氮投入量为10升时，夏季可达到平均131MPa的钢化度。因此，玻璃若要达到相当的钢化度，设计钢化炉时，采用本发明风冷配合液氮冷却工艺时可选用额定功率较小的风机，可直接节约设备购置成本；另外，在保证原有冷却能力的前提下，通过使用液氮冷却引入进风系统，可降低风机风压，节约风机运行所消耗的电能。

以上结合实施例对本发明做了详细分析。相对于现有技术，本发明有以下优点：

1.增大系统的冷却能力，可钢化3mm以下的平板玻璃。对于普通的钢化炉，很少用在3mm以下的平板玻璃的钢化，原因是由于玻璃很薄，风钢化过程中，空气在玻璃表面形成的冷量很快从玻璃表面传输至中部，而作为冷却工质的室温空气，其冷却能力有限，很难在薄玻璃中间层与表面层之间建立有效温差而冻结表面高温结构，即单靠增大风压很难在薄玻璃内部形成有效的应力层。本发明在进气系统中加入了低温液氮，低温液氮与空气混合，极大的降低了冷却工质的温度，大大的提高了冷却工质与高温玻璃之间的热交换能力，使薄玻璃也可实现风钢化。

2.减小冷却风机的装机容量，冷却风机成本在整个钢化炉成本中占重要比例(40-60%)，通过在进风系统中引入液态氮，液态氮与空气混合而气化，体积膨胀约一千倍，因此可为淬冷提供额外的高风压，同时，液氮气化吸收气化潜热，进一步降低制冷介质的温度，因此，在同等冷却量的情况下，设计钢化炉时，可选用额定功率较小的风机，节约设备购置成本。

3.对于某些特殊情况，当有需求生产过钢化玻璃时，就需要钢化炉提高更高的冷却能力，而通过液氮引入冷却系统，在不必增大风机装机容量的情况下，安装一套液氮注入系统后，即可使原有的设备具备更高的冷却能力。

4.节约风机用电成本，淬冷时，风机提供高风压，瞬间功率很大。如果在进风系统引入液氮后，在保证原有冷却能力的前提下，可降低风机风压，节约风机运行消耗电能。

本发明提供一种钢化玻璃的冷却系统和方法，通过对物理钢化炉冷却系统的特殊设计，与当前通用的风钢化炉相比，可大幅度降低玻璃风钢化中传统冷却介质——空气的温度，并减少风机装机容量，以此可用于钢化厚度小于3mm的浮法玻璃或生产过钢化玻璃。

Claims (6)

1.一种3mm或以下薄层钢化玻璃或6mm厚的普通钢化玻璃或12mm厚过钢化玻璃的冷却方法，其特征在于，用钢化炉冷却系统，在玻璃淬冷阶段，使用风机向钢化炉送入空气；

所述钢化炉冷却系统，用于对钢化玻璃进行冷却，包括依次连接的向钢化炉送入空气的一个风机、一个集风箱及送风通道，在该集风箱或送风通道上安装一个盛放液氮的液氮罐，液氮罐有阀口与集风箱连接，且该阀口装有与风机启动联机的电磁阀；

所述玻璃淬冷阶段为在风机送入空气的同时向与风机相连的集风箱内短时间注入液氮的骤冷过程，使集风箱内形成空气与气化液氮的混合冷却介质，并使该混合冷却介质通过送风通道被送入钢化炉中淬冷钢化炉内的高温玻璃；

液氮注入集风箱内的骤冷时间不超过玻璃淬冷阶段时间，骤冷时间为10s；

骤冷过程空气与液氮混合比例为100m³空气：10～40升液氮；

液氮全部注入集风箱实现骤冷后，还包括所述风机持续送入空气数十秒的过程；

控制风机送风速度在10m³/s，所述混合冷却介质进入钢化炉的送风速度在12m³/s；

混合冷却介质进入钢化炉的温度从室温降低30℃以上。

2.根据权利要求1所述钢化玻璃冷却方法，其特征在于，混合冷却介质进入钢化炉的温度控制在4～-50℃。

3.根据权利要求2所述钢化玻璃冷却方法，其特征在于，针对厚度6mm普通玻璃进行钢化，进行以下操作：在玻璃淬冷阶段，风机以10m³/s的送风速度向集风箱中送入空气，同时将10-40L液氮注入集风箱中，在10秒钟注完，使液氮与风箱中流动空气混合并气化，随着气流进入送风通道并以12m³/s的速度进入钢化炉，钢化炉进风口温度下降至4～-50℃，完成骤冷过程；风机继续以原送风速度持续送入空气40-50s，完成淬冷阶段过程；由风机按原送风速度送入空气缓冷3分钟，将玻璃从钢化炉中取出得普通钢化玻璃。

4.根据权利要求3所述钢化玻璃冷却方法，其特征在于，在玻璃淬冷阶段，风机以10m³/s的送风速度向集风箱中送入空气，同时将20L液氮注入集风箱中，在10秒钟注完，使液氮与风箱中流动空气混合并气化，随着气流进入送风通道并以12m³/s的速度进入钢化炉，钢化炉进风口温度下降至-20℃，完成骤冷过程。

5.根据权利要求2所述钢化玻璃冷却方法，其特征在于，针对厚度3mm或以下薄层玻璃或厚度12mm的玻璃进行钢化，进行以下操作：玻璃淬冷阶段，风机以10m³/s的送风速度向集风箱中送入空气，同时将20L液氮注入集风箱中，在10秒钟注完，使液氮与风箱中流动空气混合并气化，随着气流进入送风通道并以12m³/s的速度进入钢化炉，钢化炉进风口温度下降至-20℃，完成骤冷过程；风机继续以原送风速度持续送入空气40-50s，完成淬冷阶段过程；由风机按原送风速度送入空气缓冷3分钟，将玻璃从钢化炉中取出获得钢化玻璃。

6.权利要求5所述钢化玻璃冷却方法生产得到的12mm厚过钢化玻璃；所述过钢化玻璃表面平均应力达270MPa，90％的玻璃碎裂粒度小于4mm。