CN103253857A - 薄玻璃热钢化生产方法与设备 - Google Patents
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Abstract
本发明是玻璃厚度为2mm~3mm,太阳能电池、太阳能反射镜面、LED显示器面板和真空玻璃等用的薄玻璃的热钢化方法和设备。发明采用精准-均匀加热和液氮急冷-风栅缓冷的钢化方法和设备,实现薄玻璃的热钢化。薄玻璃热钢化设备主要有玻璃加热部、淬冷部和计算机中心控制系统三大部分组成。发明了使用液氮作为玻璃钢化淬冷冷源,大幅度地降低冷却介质的温度,急速冷却加热到钢化温度的薄玻璃,然后风栅缓冷,使薄钢化玻璃到达所需的钢化度。本发明精准-均匀加热、环齿形石英陶瓷辊等技术以提高薄钢化玻璃的平整度。薄钢化玻璃的抗弯强度可以达到原片玻璃的4~8倍,即抗弯强度在200MPa~400MPa以上、抗冲击强度提高5~10倍;平整度满足使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及薄玻璃的热钢化生产方法与设备,特别是玻璃厚度为2mm~3mm,用于太阳能电池、太阳能反射镜面、LED显示器面板和真空玻璃等薄玻璃的热钢化方法和设备。
背景技术
玻璃是脆性材料,强度不高、易碎,而且碎片锋利,伤害性强。为此,玻璃科技人员在研究玻璃的微观结构和性质后,发明了把玻璃进行淬火处理,使玻璃表面产生永久性残余压应力,提高了玻璃强度、抗急冷急热性和减少其伤害性。这种玻璃称为热钢化玻璃(tempered glass),其生产方法称为玻璃的热钢化(thermal-tempering)。
近年来快速发展的太阳能电池、太阳能反射镜面、LED显示器面板和真空玻璃等高科技产品,都希望采用厚度2~3mm的热钢化玻璃。而目前的工业生产技术和设备,无法生产厚度小于3mm的热钢化玻璃。薄玻璃的热钢化技术与设备的发明也很少,仅有的几件,例如CN 200810156023《3.2mm钢化玻璃加工方法》、CN 200810156025《4.0mm钢化玻璃加工方法》等,难以实现厚度2mm~3mm薄玻璃的钢化。薄玻璃钢化的主要困难是热玻璃的淬冷技术与设备。同样的冷却速率,玻璃越薄,淬冷造成的玻璃外层与内层之间的温差越小,玻璃钢化形成的永久残余应力越小,钢化玻璃的强度、抗急冷急热性等都要低。近年来,陆续公开了提高冷却速度的一些专利技术。例如,1)通过改进风栅、提高风压来增加冷却速度的CN200620072383、CN200810156023、CN200810156025、CN201020285038和CN02118592等;2)用水或硅油等液体为冷却介质的CN201110116462、CN92100022.7、CN200810150826和CN03817018等;3)用高导热固体冷却介质的CN 200610064917、CN95102791、CN200510018007等。这些发明各有特点,但是并没有很好的解决加热到钢化温度的薄玻璃急冷问题。例如,加大风压来增加冷却速率易使玻璃变形;液体冷却易污染玻璃表面,而且设备复杂;用固体介质急冷更不易达到良好、均匀地急速冷却的目的。
另一方面,提高钢化玻璃的平整度一直是钢化工艺和设备的难题。主要原因是:目前的技术与设备没有直接测量和控制玻璃的实际加热温度、玻璃钢化温度等参数的确定很不精确所致。例如,“Tamglass公司的钢化炉是按每毫米玻璃加热时间40秒设计的,…玻璃钢化炉温:10mm厚玻璃为695℃~700℃、8mm为700℃~705℃、5~6mm为705℃~710℃…。”但是,各个工厂生产的浮法玻璃的组成、色度各不相同,粘度曲线、软化点有所差异,玻璃的实际厚度与标明的公称厚度有一定的误差,所需加热热量不同。目前的玻璃钢化方法和设备,导致玻璃的实际温度往往显著的超过软化点,而且加热温度均匀性差、部分区域超温严重、玻璃表面与内部温差大,玻璃板发生变形、翘曲是不可避免的。
本发明人已申请的CN 201110042162.8,发明了生产超平钢化玻璃精确加热技术方法和设备,包括每批玻璃的钢化参数测定、主加热室/精细均化加热室、玻璃表面温度精确实时测量控制技术、石英玻璃管红外加热器等,这些技术可以有效地提高钢化玻璃的平整度,在薄玻璃的热钢化方法和设备中应该继续采用。但由于薄玻璃更容易在加热过程中变形,对于薄玻璃热钢化生产,上述技术需要进一步的改进和提高。例如,研究发现,加热元件的被动控制方式和玻璃进出引起温度波动和反应滞后,影响玻璃的精准-均匀加热;目前使用的圆棒或圆管形石英陶瓷辊妨碍钢化炉下部加热器与玻璃之间的辐射传热、石英陶瓷辊面与玻璃的大量接触,会造成玻璃温度不均匀。这都是影响薄玻璃钢化平整度不良的重要原因,必须加以解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种薄玻璃热钢化生产方法和装置,用于生产厚度为2~3mm,强度、抗急冷急热性和平整度等符合技术标准、满足使用要求的热钢化玻璃。
本发明的具体内容是:
(1)本发明采用精准-均匀加热和液氮急冷-风栅缓冷的钢化方法和设备实现薄玻璃的热钢化。
(2)本发明的薄玻璃热钢化设备主要有玻璃加热部、液氮-风栅淬冷部和计算机中心控制系统三大部分组成。
(3)为实现玻璃的精准-均匀加热,本发明薄玻璃钢化设备的加热部在CN 201110042162.8发明的精确控制-实时测温加热技术的基础上,对精准-均化加热室的发热元件采用稳定控温技术,即在石英玻璃管红外加热器外表面布置温度传感器,与计算机-可控硅调功器组成稳定控温系统,保证石英玻璃管红外加热器的稳定辐射加热,克服加热元件被动控制方式和玻璃进出引起温度波动和反应滞后的问题。
(4)发明了环齿形石英陶瓷辊,用以取代目前广泛使用的圆棒形(或圆管形)石英陶瓷辊,环齿形石英陶瓷辊的材质和加工精度与目前的圆棒形或圆管形石英陶瓷辊相同,仅把圆棒形制成环齿形石英陶瓷辊,长辊上制有上部窄下部宽的环形齿,斜度为10°~15°。齿面宽度为10~20mm、齿间间距为100~200mm、齿高为环齿形石英陶瓷辊根径之比为1∶2~1∶1。环齿形石英陶瓷辊减少石英陶瓷辊对玻璃下部加热器与玻璃间的辐射传热的屏蔽作用1/4~1/3,减少石英陶瓷辊与玻璃的接触面积90%,显著降低石英陶瓷辊对玻璃温度均匀性的影响。
(5)本发明采用液氮急冷-风栅缓冷二步法淬火方法和设备使薄玻璃到达所需的钢化度。加热到钢化温度的热玻璃,首先采用液氮-气化淬冷方法和装置,加大初始阶段急冷换热速率,使热玻璃表面层迅速冷却硬化,保持高温时的微观松弛结构。然后使用低压风机-风栅缓冷的第二次冷却方法和设备,玻璃在外表面急冷硬化后继续缓慢冷却,使内部玻璃尽可能的收缩硬化,从而增加玻璃内外部分的结构差异,提高玻璃的永久性残余应力。
本发明的理论根据是:
(1)玻璃钢化是把玻璃加热到高于转变点Tg、低于并接近软化点Tf的恰当的钢化温度时(玻璃的转变点Tg为相应于粘度logη=13泊的温度,软化点Tf为相应于粘度logη=7.6泊的温度),用冷却介质骤冷,使其表面产生永久性残余压应力,提高玻璃强度的技术。玻璃的温度过高时会发生软化变形,过低时玻璃的钢化程度不够,甚至在急冷过程中碎裂,因此玻璃的精准-均匀加热是玻璃钢化的关键。特别是薄玻璃更易在加热时软化变形,所以必须改变目前玻璃钢化仅仅控制炉温和加热时间的技术和设备,采用本发明的实际测量/控制玻璃温度、精准-均匀加热技术和设备才能生产平整度良好的薄钢化玻璃。
(2)加热到钢化温度的热玻璃,急冷速度越快、玻璃表面层硬化的越快,越能保持高温松弛结构状态,后期冷却速度慢可以使玻璃内部更好的调整、收缩成稳定的常温结构状态,两者的结构差越大,应变越大、永久性残余应力越大,钢化玻璃的强度越高。
从传热理论可知:薄玻璃的冷却速率(Q)正比于给热系数(a)和温差,
Q∝a·ΔT (J/m2·s)
式中:a-给热系数
ΔT-冷却介质与玻璃间的温差
以往的发明,为了提高冷却速率都是采用提高给热系数(a)的技术途径,例如提高风压、用液体和固体冷却介质等。
本发明是采用提高冷却介质与被冷却玻璃间的温差(ΔT)的技术途径,首次在玻璃深加工领域使用液氮作为玻璃钢化淬冷冷源,大幅度地降低冷却介质的温度,提高热的薄玻璃初始冷却速率,急冷淬火,达到提高薄玻璃钢化程度的目的。另外,热的薄玻璃移至缓冷风栅中缓慢冷却,不仅降低薄玻璃钢化使用液氮的数量,更有利于提高薄钢化玻璃的强度、抗急冷急热性、碎片状态等性能。
液氮的沸点是77.35K(-196℃),沸点下的气化热为202.76kJ/kg,每公斤液氮可气化成794升低温氮气。氮气的定压热容Cp 25℃=1.038kJ/(kg·k)。空气中氮气含量约78.5%,资源非常丰富。工业制氧的副产品之一是液氮,作为低温制冷冷源性价比高,是非常优秀的急冷冷源,在超导、生物工程、制药、航空和航天等高科技领域大量使用。在玻璃深加工领域使用液氮气化物为冷却介质,没有技术障碍和经济问题,对环境没有任何危害。
本发明的有益效果:
薄钢化玻璃的抗弯强度可以达到原片玻璃的4~8倍,即抗弯强度在200MPa~400MPa以上、抗冲击强度提高5~10倍;平整度可以满足太阳能电池、太阳能反射镜面、LED显示器面板和钢化真空玻璃等高科技产品的使用要求。
另外,利用本发明的技术和设备,生产的薄钢化玻璃作为原片用于夹层玻璃,可以降低钢化夹层玻璃的重量,扩大使用范围。而且由于薄钢化玻璃的平整度好,可以成倍的减少中间层PVB胶片的用量,降低钢化夹层玻璃的成本。
附图说明
附图1为薄玻璃热钢化设备示意图,附图2为环齿形石英陶瓷辊示意图。附图1中,A-放片台、B-主加热室、C-精准-均化加热室、D-液氮-淬冷系统、E-缓冷风栅和F-取片台和G-计算机中心控制系统。附图中,1-玻璃原片、2-输送系统、3-环齿形石英陶瓷辊、4-石英玻璃管红外加热器、5-精密红外辐射测温仪、6-热像仪、7-液氮气化装置和8-缓冷风机。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。
根据订货要求,对每批将要钢化的薄玻璃取样,在实验室中,使用专用玻璃钢化参数测定装置,精确测定粘度-温度曲线、软化点和制定钢化工艺控制参数,输入计算机中心控制系统(G)。
把经过冷加工(磨边、打孔等)的薄玻璃原片(1),放到生产超平钢化玻璃设备的放片台(A)上。计算机中心控制系统(G)根据预定程序,启动输送系统(2)把玻璃送入主加热室(B),并摆动。石英玻璃管红外加热器(4)把玻璃(1)从室温加热到比预定的玻璃钢化温度低20℃~40℃(即565℃~605℃)。
计算机中心控制系统(G)启动环齿形石英陶瓷辊(3)把经预热的玻璃送入精准-均化加热室(C)并进行摆动。石英玻璃管红外加热器(4),在温度传感器-可控硅调功器-计算机中心控制系统(G)的控制下,对玻璃(1)进行精准-均匀加热,使用精密红外辐射测温仪(5)和热像仪(6),实时监测玻璃(1)的实际温度。当玻璃被加热到预定的钢化温度(585℃~645℃)等钢化参数时,计算机中心控制系统(G)发出指令,环齿形石英陶瓷辊(4)把玻璃输送到液氮-气化淬冷系统(D)中。计算机中心控制系统(G)启动液氮气化装置(7),把液氮气化的低温氮气与空气的混合低温气体(-150℃~-100℃)送入风栅,把热玻璃急速淬冷10~30秒,完成玻璃表面层的硬化,随即把玻璃送至缓冷风栅(E),启动缓冷风机(8),把玻璃逐渐冷却到50℃以下,薄钢化玻璃被进入取片台(F),完成薄玻璃的热钢化过程。
Claims (6)
1.一种薄玻璃热钢化方法和设备,其特征是:采用精准-均匀加热和液氮急冷-风栅缓冷的钢化方法和设备,实现薄玻璃的热钢化。
2.根据权利要求1所述的薄玻璃热钢化方法和设备,其特征是:薄玻璃热钢化设备主要有玻璃加热部、淬冷部和计算机中心控制系统三大部分组成。
3.根据权利要求1所述的薄玻璃热钢化方法和设备,其特征是:精准-均化加热室的发热元件采用稳定控温技术,即在石英玻璃管红外加热器外表面布置温度传感器,与计算机-可控硅调功器组成稳定控温系统,保证石英玻璃管红外加热器的稳定辐射加热,克服加热元件被动控制方式和玻璃进出引起温度波动和反应滞后的问题。
4.根据权利要求1所述的薄玻璃热钢化方法和设备,其特征是:使用环齿形石英陶瓷辊改善玻璃的加热均匀性。
5.根据权利要求1所述的薄玻璃热钢化方法和设备,其特征是:采用液氮为急冷冷源,急速冷却加热到钢化温度的薄玻璃的方法和设备。
6.根据权利要求1所述的薄玻璃热钢化方法和设备,其特征是:热的薄玻璃在采用液氮急冷后再用风栅缓冷冷却的方法和设备。
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PB01 | Publication | ||
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C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130821 |