CN107056036B - 一种超薄玻璃物理钢化方法及其设备系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超薄玻璃物理钢化方法及其设备系统，首先将超薄玻璃在加热炉中加热至软化温度，通过移动系统将加热后的玻璃移动至垂直于冲击射流板位置处，之后在气雾两相阵列射流冲击下进行冷却，通过调整射流板和玻璃之间的高度以及空气的入口流速和液滴的质量分数等参数，使得通过阵列射流孔入射出的气雾两相流在到达玻璃表面之前发生完全气化，主要通过液滴的气化潜热以及空气的对流换热来对玻璃表面进行快速冷却，以达到急冷的目的，然后急冷之后的玻璃通过破碎之后的颗粒数来判断是否达到完全钢化。该方法简单，易于操作，并且易于量化，重复性高，钢化效果好，在钢化玻璃的制造领域具有很好的发展意义。

Description

一种超薄玻璃物理钢化方法及其设备系统

技术领域

本发明属于钢化玻璃制造领域，涉及一种超薄玻璃物理钢化方法及其设备系统。

背景技术

器件的薄型化是一个发展趋势，相应地市场对超薄玻璃的需求日益上升，如平板显示器、OLED照明以及太阳能电池等领域。但超薄化也带来了显而易见的弊端，那就是力学强度的降低，这给超薄玻璃的实际应用带来了巨大的阻碍。相对于化学钢化，物理钢化稳定，但要实现超薄玻璃的物理钢化，还存在困难。物理钢化主要是通过对高温玻璃进行快速冷却，导致玻璃表面急剧收缩产生压应力，玻璃内层形成张应力。超薄玻璃的钢化程度取决于冷却介质的冷却强度，冷却强度越高，玻璃的内应力越大，钢化程度越高。目前，玻璃钢化的急冷过程主要是采用射流冲击换热的方式。常用的冷空气射流冲击钢化，需要利用压缩泵产生高速气流，需要消耗大量的电能，而且很难实现超薄玻璃的物理钢化。另外，玻璃厚度越薄，钢化需要的急冷时间越短，所需射流空气流速越大，会对玻璃表面平整度造成影响。为此，需要寻找冷却效率更高的换热增强方式来实现薄玻璃的完全物理钢化。

文献[H.Ohkubo,S.Nishio,Mist Cooling for Thermal Tempering of Glass[J].1988,54(501):1163-1169；N.Sozbir,Y.W.Chang,S.C.Yao,Experimentalinvestigation of water mist cooling for glass tempering.At Sprays,2004,14(3):191-210；N.Sozbir,S.C.Yao,Spray mist cooling heat transfer in glass temperingprocess[J].Heat and Mass Transfer,2016:1-13.]利用分段冷却方式对不同厚度(2.1-4.9mm)玻璃进行钢化实验研究，先是喷嘴喷出的水雾在极短时间对玻璃进行冷却，当玻璃表面温度低于Leidenfrost温度之后，改换成空气进行冷却。急冷过程中的水雾冷却，主要利用的是雾流在膜沸腾条件下高的换热率，该方法能够有效地降低玻璃钢化急冷过程中能源的消耗以及冷却过程中所需要的空气量[N.Sozbir,Y.W.Chang,S.C.Yao,Experimentalinvestigation ofwater mist cooling for glass tempering.At Sprays,2004,14(3):191-210.]。但这种冷却方式，水雾冷却时间控制精度要求很高，很难实现大规模生产。而且这种喷嘴喷雾冷却的方式，在加热表面上会存在换热不均匀[W.L.Cheng,Q.N.Liu,R.Zhao.et al.Experimental investigation ofparameters effect on heat transferof spray cooling[J].Heat and Mass Transfer,2010,46(8):911-921.]。表面温度非均匀性会照成玻璃中应力分布不均匀，从而导致玻璃易破碎。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中水雾冷却时间控制精度要求很高、难实现大规模生产、表面温度非均匀性会造成玻璃中应力分布不均匀，从而导致玻璃易破碎的技术问题，提供一种超薄玻璃物理钢化方法及其设备系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种超薄玻璃物理钢化方法，包括：

(1)将超薄玻璃在加热系统中加热至软化温度；

(2)通过移动系统将加热后的超薄玻璃移动至垂直于冲击射流板位置处；

(3)所述超薄玻璃在气雾两相阵列射流冲击下进行急速冷却，制得钢化超薄玻璃。

作为本发明的一个优选的实施例，步骤(1)中所述加热系统为加热炉，加热温度为873-963K，加热时间为5-10分钟。

作为本发明的一个优选的实施例，步骤(3)之前还包括步骤：调整冲击射流板和超薄玻璃之间的距离、空气入口流速和液滴的质量分数，使得通过气雾两相阵列的射流孔射出的气雾两相阵列射流在到达超薄玻璃表面之前发生完全气化。

作为本发明的一个优选的实施例，所述冲击射流板和超薄玻璃之间的距离小于或者等于一倍的射流孔的直径。

作为本发明的一个优选的实施例，所述冲击射流板至超薄玻璃表面之间的间距为1-5mm，所述空气入口流速为30-96m/s，所述液滴的直径为5-20微米，所述液滴的质量分数低于10％。

作为本发明的一个优选的实施例，步骤(2)中所述冲击射流板是由顺排圆形阵列射流孔组成，每个射流孔的直径为5-8mm，相邻两个射流孔之间的间距为5-10mm，所述冲击射流板的尺寸为200*100mm-400*200mm。

作为本发明的一个优选的实施例，步骤(3)中所述超薄玻璃在气雾两相阵列射流冲击下进行急速冷却包括：液滴通过喷嘴和转换头的组合进入到空气流的管道中，气雾两相阵列射流通过高速的空气流将离散相液滴携带进入混合仓，经混合之后从冲击射流板射出至超薄玻璃上。

作为本发明的一个优选的实施例，所述空气流的管道的外壁包裹有一层保温层。

本发明解决其技术问题所采用的技术设备系统是：一种超薄玻璃物理钢化设备系统，包括：加热系统、移动系统、对称式的射流冲击系统和气雾两相流产生装置，对称式的射流冲击系统包括冲击射流板，所述冲击射流板通过移动系统与所述加热系统连接，所述气雾两相流产生装置连接所述冲击射流板，超薄玻璃经所述加热系统加热软化后，由所述移动系统运至所述冲击射流板，所述气雾两相流产生装置所制得的气雾两相流通过所述冲击射流板冲击至超薄玻璃表面。

作为本发明的一个优选的实施例，所述超薄玻璃物理钢化设备系统还包括用于调整超薄玻璃和冲击射流板之间的间距的调整装置。

本发明的有益效果是：方法简单，易于操作，重复性高，钢化效果好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1是本发明中的一种超薄玻璃物理钢化设备系统的结构示意图。

其中：1为压缩机、2为储气罐、3为针阀、4为流量计、5为转换头、6为喷嘴、7为气雾两相流产生装置、8为射流孔、9为射流板、10为加热炉、11为调整装置。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

请参阅图1，图1是本发明中的一种超薄玻璃物理钢化设备系统的结构示意图。如图1所示，本发明是对称式玻璃钢化结构，包括加热系统，移动系统，对称式的射流冲击系统，气雾两相流产生装置，玻璃和冲击板之间间距的调整装置11组成，可以物理钢化出超薄玻璃。

玻璃厚度为小于等于2mm，玻璃加热需要高温较快速，通过加热炉10进行加热达到软化温度，873-963K，所需的加热时间为5-10分钟。

之后玻璃通过移动系统中的导轨进入到预先设定的射流冲击的位置，而后通过两侧的圆形阵列射流进行冲击冷却。在本步骤中，玻璃到达指定位置的需要较短的时间，为的是防止在运动过程中玻璃的热量的自然散失。以及在运动过程中需要玻璃的平稳，可采用一与导轨相连的支架，将玻璃的上侧固定在其上，在支架的外侧附加一层外框，既可以减少运动过程中热量的散失，又可以防止运动过程中玻璃的炸裂所对人造成的伤害。

气体射流通过压缩机1产生，经由压缩机1之后到达储气罐2，之后通过针阀3控制气体的流量大小，气体雷诺数控制在10000-30000，相对于圆管直径为5mm时，管中的空气流速为30-96m/s。空气射流孔8的温度的改变是通过添加的冰块数目来进行控制的，可以实现283K-303K之间的射流温度的改变，为了更好地保持这一低温射流入口效果，在空气流的管道外侧包裹一层保温层，最大限度的降低热量的损失。

两相射流中的液滴通过精细雾化喷嘴6产生，所产生的液滴直径为5-20微米，通过雾化喷嘴6之后产生的液滴通过一个转换头5通入空气管道中。空气管道开有一小孔将液滴通入其中，利用高速的空气流将通入的微小液滴携带走，形成气雾流，即液滴(雾流质量分数大约为1-10％)悬浮在空气流中。

气雾两相射流在通过气雾两相流产生装置7的冲击混合之后通过射流板冲击到玻璃表面进行冷却。冲击射流板9是由顺排圆形阵列射流组成的，圆形孔射流孔8的直径为5-8mm，射流孔8与射流孔8之间的间距为5-10mm，射流板9的尺寸为200*100mm-400*200mm。

玻璃和射流板9之间的间距可以调节，冲击射流板9和玻璃之间的距离控制在小于等于一倍的圆形射流孔8的直径，射流板9到玻璃表面之间的间距一般为1-5mm。为了实现较小距离之间的精确控制，也可以在两侧的移动滑块上添加一个游标卡尺来精确调整所移动的距离。

通过对称射流对玻璃表面进行冷却降温，当玻璃表面温度从963K降低到473K的时候则可以认为玻璃的急冷过程完成了。

通过对急冷之后的玻璃进行破碎，对其进行数粒子数目来判断玻璃的物理钢化程度。

下面介绍一个具体的实施方案。

实施例1：

玻璃厚度2mm，尺寸100mm×70mm，加热至873K。

在单侧单孔气雾两相射流下冲击冷却，空气射流的雷诺数为30000，其入口温度为303K，圆形射流孔8的直径为5mm，射流板9到玻璃表面之间的距离分别为1mm和2mm，通过单孔射流出口时的空气速度为96.85m/s。

在气雾两相中液滴的质量分数为5％和10％，液滴的直径为5-20微米之间。

通过单孔两相射流之后玻璃表面温度在5s之后平均温度在液滴质量分数为10％时的时候玻璃表面温度为为612K，特别是在驻点区温度更低；液滴质量分数为5％时的时候玻璃表面温度为为637K。

通过上面的分析可以看出在空气流中加入离散的液滴可以提高冷却速率，通过增加孔的个数，可以实现超薄玻璃所需的极短的急冷时间从而实现钢化。

	玻璃厚度	钢化程度	雾流使用时间(s)
				F.Monnoyer	6mm	完全钢化	0s
H.Yazici	4mm	完全钢化	0s
				H.Ohkuba	3.90mm	完全钢化	1.5s
N.Sozbir	2.8mm	半钢化	0.5s
				N.Sozbir	2.1mm	半钢化	0.2s
本发明	1.8-2mm	完全钢化	3-4s

所属领域内的普通技术人员应该能够理解的是，本发明的特点或目的之一在于：本发明所述的超薄玻璃物理钢化方法及其设备系统，首先将超薄玻璃在加热炉中加热至软化温度，通过移动系统将加热后的玻璃移动至垂直于冲击射流板位置处，之后在气雾两相阵列射流冲击下进行冷却，通过调整射流板和玻璃之间的高度以及空气的入口流速和液滴的质量分数等参数，使得通过阵列射流孔入射出的气雾两相流在到达玻璃表面之前发生完全气化，主要通过液滴的气化潜热以及空气的对流换热来对玻璃表面进行快速冷却，以达到急冷的目的，然后急冷之后的玻璃通过破碎之后的颗粒数来判断是否达到完全钢化。该方法简单，易于操作，并且易于量化，重复性高，钢化效果好，在钢化玻璃的制造领域具有很好的发展意义。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种超薄玻璃物理钢化方法，其特征在于，包括：

(1)将超薄玻璃在加热系统中加热至软化温度；

(2)通过移动系统将加热后的超薄玻璃移动至垂直于冲击射流板位置处，其中，所述冲击射流板是由顺排圆形阵列射流孔组成，每个射流孔的直径为5-8mm，相邻两个射流孔之间的间距为5-10mm，所述冲击射流板的尺寸为200*100mm-400*200mm；

(3)调整冲击射流板和超薄玻璃之间的距离，所述冲击射流板至超薄玻璃表面之间的间距为1-5mm，所述冲击射流板和超薄玻璃之间的距离小于或者等于一倍的射流孔的直径，调整空气入口流速和液滴的质量分数，所述空气入口流速为30-96m/s，所述液滴的直径为5-20微米，所述液滴的质量分数低于10％，使得通过气雾两相阵列的射流孔射出的气雾两相阵列射流在到达超薄玻璃表面之前发生完全气化，所述超薄玻璃在气雾两相阵列射流冲击下进行急速冷却，制得钢化超薄玻璃。

2.根据权利要求1所述的超薄玻璃物理钢化方法，其特征在于，步骤(1)中所述加热系统为加热炉，加热温度为873-963K，加热时间为5-10分钟。

3.根据权利要求1所述的超薄玻璃物理钢化方法，其特征在于，步骤(3)中所述超薄玻璃在气雾两相阵列射流冲击下进行急速冷却包括：液滴通过喷嘴和转换头的组合进入到空气流的管道中，气雾两相阵列射流通过高速的空气流将离散相液滴携带进入混合仓，经混合之后从冲击射流板射出至超薄玻璃上。

4.根据权利要求3所述的超薄玻璃物理钢化方法，其特征在于，所述空气流的管道的外壁包裹有一层保温层。