CN113292234A - 钢化玻璃板的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于对平板玻璃板进行钢化的方法，其中，识别玻璃板的特性，并根据所识别的特性，调节钢化炉(1)的温度和/或玻璃板(G)的加热时间，调节温度调节单元(2)的空气喷射的吹气压力和/或吹气距离，在钢化炉中加热玻璃板，从钢化炉后的玻璃板的表面测量玻璃板达到的温度，并在钢化冷却单元中冷却玻璃板。在该方法中，基于测得的温度计算在钢化冷却期间玻璃板的厚度方向温度分布的变化，并且基于计算出的厚度方向温度分布的变化，计算出在钢化期间玻璃板中获得的残余应力分布，基于计算出的残余应力分布选择用于玻璃板钢化水平的参考变量，并将所选参考变量与预定阈值进行比较，在参考变量和阈值之间的比较满足预定标准的条件下，产生警报和/或发现玻璃板不符合安全玻璃的要求。
Description
技术领域
本发明的内容是一种对玻璃板进行钢化的方法。
背景技术
使用钢化炉来对玻璃板进行钢化是大家熟知的，其中将玻璃板加热至钢化温度。在所谓的辊式输送机上，玻璃板在钢化炉中的旋转的陶瓷辊上沿着一个方向上移动或来回移动。配备有辊式输送机的炉通常被称为辊式炉，其典型温度为，例如，680℃至700℃。玻璃板从钢化炉顺次并排移动，或以一块或多块玻璃板的各种玻璃负载的形式沿着辊式输送机传送到炉子后部的钢化冷却单元，在此用喷气嘴进行钢化冷却。通常，用于冷却的空气温度与工厂外部或内部的空气温度大致相同。吹风机或压缩机用于供给冷却空气。
代替辊式炉，可以使用基于喷气悬浮的炉，通常也称为喷气悬浮炉。在基于喷气悬浮技术的解决方案中，玻璃板在薄气垫的支撑下漂浮并且仅在其横向边缘的一处接触输送线辊或其他输送构件。可以将等效的空气悬浮技术应用于安装在炉子背面的钢化冷却装置中的钢化冷却单元。
进入钢化过程的玻璃板是所谓的浮法玻璃，其中内部应力分布足够低，以允许干净地切割玻璃板。浮法玻璃表面的压缩应力通常为1MPa到4MPa。当玻璃板弯曲时，在其凸表面上会形成张应力，浮法玻璃表面平均承受的张应力高达30MPa。在相对较小的负载下可以达到此极限，并且如果超过此极限，浮法玻璃很容易破裂。钢化过程的目的是充分提高浮法玻璃板的强度。
除了强度之外，钢化玻璃板的另一个期望的性能是玻璃板破裂时的安全性。未钢化的玻璃板会破碎成有割伤风险的大块。钢化玻璃板却会破碎成几乎无害的颗粒。
钢化过程中在玻璃板表面形成的压应力(硬化，即钢化水平)取决于玻璃在通过玻璃板的特性温度区域(大约600℃→500℃)冷却时的厚度方向温度曲线。通常，在钢化冷却中玻璃表面和中心厚度之间的温差约为100℃。玻璃板越薄，达到相同的上述温度差所需的冷却能力越强。在钢化期间，常形成呈抛物线形状的稳定厚度方向应力分布。玻璃板内部的稳定应力称为残余应力。图1显示了应力分布与玻璃厚度的关系。从图1可以看出，在玻璃表面，即在抛物线的端部，应力是压应力。在玻璃的中心，即在抛物线的中心，应力为拉应力。例如，对于厚度为4mm的玻璃板，在钢化期间达到至少约100MPa的表面压缩力，由此在玻璃中心的拉应力为约46MPa。中心层拉应力在此范围内的4mm玻璃板在碎裂时会破碎成符合安全玻璃标准要求的颗粒。钢化玻璃的破碎模式，即玻璃区域中颗粒的密度，特别取决于玻璃内的拉应力的大小。钢化玻璃颗粒的密度与残余应力(即钢化水平)之间的关系已在文献中被广泛研究。在出版物“Akeyoshi,K.和Kanai,E.，钢化玻璃的机械性能，1965年第七届国际玻璃会议论文集，论文编号为80”的图中，给出了玻璃面积为50x50mm的颗粒数与所测量的玻璃钢化水平的关系。从出版物中的图可以得出结论，随着玻璃板的变薄，获得相同颗粒数所需的残余应力会增加。在出版物“Lee,H.,Cho,S.,Yoon,K.andLee,J.，应力玻璃中的玻璃厚度和碎裂行为,《NewJournalofGlassandCeramics》，第116-212页”中，已经发现，当拉伸层的起始深度大于玻璃厚度的20％时，颗粒的密度急剧降低。因此，应力分布的形状也影响玻璃的碎裂。
当钢化玻璃板弯曲时，仅当消除在钢化过程中形成的玻璃板表面上的压应力时，拉应力才会开始在其凸表面上形成。例如，上述的厚度为4毫米的钢化玻璃板比未钢化玻璃板承受大约((100MPa+30MPa)/30MPa＝)4.3倍的弯曲。通常认为，钢化玻璃的强度比浮法玻璃板强3至4倍。
已经建立了许多标准来定义可以用作安全玻璃的钢化玻璃。根据标准EN12150-1，可以用作安全玻璃的钢化玻璃在用尖锐的钢制工具破碎时必须破碎成使得每个区域尺寸为50x50mm的玻璃，不包括破裂的部位和边缘条，必须具有下表中的颗粒计数。在颗粒计数中，将整个处于50×50mm区域内的颗粒数计为1，将部分在上述区域内的颗粒数计为一半。
表1：根据标准EN12150-1，在破碎的安全玻璃中允许的最低颗粒数。
已知的问题是，对于钢化玻璃，在不破碎钢化玻璃的情况下无法看到玻璃是否会以安全的方式破裂以及玻璃的碎裂是否会满足安全玻璃标准的要求。打破大型且厚的玻璃产品是很昂贵的，因此通常使用专门用于测试的小型测试玻璃进行测试。在这种情况下，将相同厚度的测试玻璃添加到第一个生产系列的第一个玻璃负载中，然后故意将玻璃破碎，并检查其碎片是否满足安全玻璃标准的要求。如果是满足安全玻璃标准的要求，则玻璃负载中的所有玻璃均被判定是钢化安全玻璃。然后使用相同的钢化方法(即指示)对随后的玻璃负载进行钢化，假设所述钢化方法将把它们钢化成安全玻璃。然而，玻璃板和玻璃板中不同部分通常不被加热到完全相同的钢化温度，因为加热元件上的负载根据经过加热元件的玻璃的量变化，以及在较小的负载下的区域内，玻璃板将被加热更多。火炉中的某些加热元件也可能损坏，从而减缓了对经过它们的玻璃块的加热。此外，为确保均匀加热玻璃而采取的调节加热的措施可能会失败，并增加玻璃的温度差。通常，未装满的玻璃负载加热速度比装满的玻璃负载的加热速度快，而大型玻璃的加热速度则比小玻璃的加热速度慢。因此，确认测试玻璃是安全玻璃并不能确保生产系列中的所有玻璃都是安全玻璃。为了确保这一点，要求测试玻璃的颗粒数明显高于标准规定的颗粒数。即使采取这种措施，在所生产的玻璃中，也不能排除钢化玻璃以危险方式破碎的可能性。即使成功加热也不能保证。使用过低的吹气压力或过长的吹气距离，例如，由于操作员错误，可能会导致生产的玻璃不能成为符合安全玻璃标准的安全玻璃。在典型的质量控制协议中，每次玻璃质量和厚度变化时都必须对新的测试玻璃进行钢化，这在行业中的很多生产人员的生产中常见。因此，测试玻璃也带来了明显的增加成本。
有一些用于测量钢化玻璃残余应力的商用设备。商品名称为GASP的测量设备测量玻璃表面的压缩应力，商品名称为SCALP的测量设备测量玻璃的内部残余应力曲线。两种设备均基于由残余应力决定的激光的不同折射。但是，这两种设备仅适合在实验室中进行测量，因为用它们进行测量相对较慢，无法监视生产玻璃中的残余应力。在两种测量设备(GASP和SCALP)中，少量液体会滴在玻璃表面上，在GASP中是特殊油，而在SCALP中是特殊酒精。要使用的测量设备置于液体上方，并进行了调整，然后可以直接读取应力或者使用辅助表读取应力。装置的精度是令人满意的，即，可以以约5％的误差范围获得绝对应力。但是，使用该设备进行的测量很难自动化，并且该设备的使用不适合要从移动的玻璃中测量应力的测量。在专利申请CN107677402A中，已经公开了一种利用现有技术中已知的设备的方法。
在专利申请US2003/0076487中还讨论了测量钢化玻璃的应力。其中的目的是基于玻璃中偏振光的行为来测量玻璃的残余应力。在这种方法中，不需要触摸玻璃。
专利申请US2017/0221198A的方法通过自动分析钢化玻璃的颗粒图案来促进钢化玻璃的质量控制。在该方法中，对破碎的钢化玻璃进行照明和照相，并使用图像处理程序从照片中分析颗粒图案的相关细节。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，并提供一种用于对玻璃板进行钢化的方法，利用该方法可以在生产过程中监控玻璃板的质量，特别是玻璃板的钢化水平，，从而减少或防止钢化水平质量不足的潜在低质量的玻璃板进入市场。
该目的通过所附独立权利要求中描述的方法来实现。在从属权利要求中描述了本发明的优选实施例。
本发明基于基于玻璃板的残余应力分布确定玻璃板的碎裂模式。一旦知道了玻璃板的残余应力分布，特别是玻璃板的内部拉应力的大小，就可以根据标准EN12150-1确定玻璃板的颗粒数。
附图说明
现在将参照附图更详细地描述本发明，其中：
图1示出了应力分布与玻璃厚度的关系；
图2a示出了用于测量玻璃板温度的测量方法；
图2b示出了用于测量玻璃板温度的测量方法；
图3示出了根据本发明的第一实施例的钢化设备；
图4示出了根据本发明另一实施例的钢化设备；
图5示出了根据本发明实施例的钢化设备的框图；
图6示出了根据本发明实施例的方法的流程图。
具体实施方式
图3示出了根据本发明实施例的钢化设备。钢化设备20包括根据图3在玻璃板的行进方向上连续排列的钢化炉1和钢化冷却单元2。图3所示的钢化炉1配备有水平旋转辊。旋转辊形成输送线，即所谓的辊线。可替代地，可以使用具有悬浮喷气嘴的工作台(图3中未示出)。钢化设备还配备有安装在钢化炉和钢化冷却装置之间的输送线上方或下方的温度扫描仪5和高温计8。温度扫描仪5安装到钢化设备上使得温度扫描仪5可以在没有镜子的情况下通过其透镜看到在传送线上移动的玻璃板。根据基于玻璃的特性选择的钢化指示、钢化方法或类似的预定指示(其中，例如，定义了钢化炉的温度和在钢化炉中待钢化的玻璃板的加热时间)，在钢化炉中以预定速度沿相同方向或来回移动待加热的玻璃板G。钢化炉在输送线上的传送速度是可调的。加热后的玻璃板以传送速度W从钢化炉1移动至钢化冷却单元2，该传送速度W通常高于钢化炉1内的玻璃板的传送速度。通常，从钢化炉到钢化冷却单元的传送速度W在200mm/s至800mm/s之间的范围内。
图3所示的钢化冷却单元2配备有水平旋转辊3。这些旋转辊形成玻璃板输送线，该玻璃板输送线可以是与钢化炉中的输送线类似的输送线。输送机通过钢化冷却单元提供。钢化冷却单元2还配备有在输送线的上方和下方设置的空气冷却箱4。空气冷却箱4配备有吹气孔7，冷却空气作为空气射流从吹气孔7朝玻璃板G释放。吹气孔7通常是圆形的孔。在空气冷却箱4中，吹气孔7通常以连续的排的形式安置在空气冷却箱的方向上。吹气孔7也可以具有其他形状，例如狭缝。通过改变吹气压力Δp和/或吹气距离H来调节从空气冷却箱释放的冷却空气射流的冷却能力。吹气压力，即空气冷却箱内部压力与环境压力之间的压力差，是由空气冷却箱4内部的压力传感器6测量。
当钢化炉1是喷气悬浮炉时，旋转辊3或喷气悬浮台及其传送部件在钢化冷却单元2中通常相对于垂直于玻璃板G的运动方向的水平方向处于稍微倾斜的位置。
钢化过程中，玻璃(例如，厚度为3毫米)的每个部分必须进行钢化冷却至少约3秒钟。例如，在600mm/s的钢化冷却传送速度下，这将需要长度至少为1800mm的直通型钢化冷却单元。在直通式钢化冷却装置中，玻璃板仅在一个方向上以传送速度W移动通过强化冷却装置。所谓的摆动钢化冷却装置通常比允许的最长玻璃负载长度长约1m。因此，玻璃负载整体以传送速度W移动到钢化冷却单元中。当玻璃负载的前端到达钢化冷却单元的另一端时，玻璃负载会回头。此后，玻璃负载在钢化冷却单元2中来回移动，直到完成钢化冷却，通常还完成了最终的冷却。在钢化冷却中，将玻璃板从钢化温度冷却至约450℃的温度，并且在最终冷却中，从该温度冷却至约50℃的温度。最终冷却不会影响玻璃的残余应力。
图4示出了根据本发明的另一实施例的钢化设备。在该实施例中，温度扫描仪5已经安装在钢化冷却单元的底部，使得温度扫描仪可以通过镜子9看到在传送线上移动的玻璃板G，该镜子9以一定角度安装在温度扫描仪镜头的前面，并与镜头保持一定距离。图3和4所示的底部温度扫描仪的问题在于其光学表面的污染。布满灰尘的镜头或镜子可能会干扰测量和/或导致读数不准确。然而，为了防止光学表面的污染，温度扫描仪5可以配备有自动的透镜或镜子清洁设备，该设备吹和/或擦拭干净其表面上的污垢和灰尘。测量玻璃板顶表面温度的高温计8的数据用于连续校准温度扫描仪5。每当未涂覆的玻璃G进入其测量半径时，它就玻璃板的实际温度给出准确的信息。在上述校准中，将该读数与来自玻璃板上相应测量位置的底部温度扫描仪5的读数进行比较，以及底部温度扫描仪的设置，例如反射镜9的反射系数，根据该比较而改变。
图5示出了根据本发明实施例的钢化设备的框图。在图5中，示出了该方法中钢化设备线的组装零件和主要数据流的组成部分。图5示出了钢化炉1，在其前面是装载台13，在该装载台13上放置有待钢化的玻璃负载，即玻璃板或多个玻璃板，以及钢化冷却单元2，在它后面的是一个卸货台14，从卸货台将钢化玻璃板举到玻璃架上。钢化线控制单元11通常位于邻近装载台的起点的位置。在图5中，警报装置12位于卸货台14的末端附近。警报装置12可以是诸如警告灯、蜂鸣器或显示终端。为了清楚地描述数据流，在图5中示出了计算单元10的位置。通常，计算单元10位于与控制单元11相同的空间中，或者甚至位于玻璃厂外部设置的所谓的云服务器上。
在计算单元10中，针对玻璃负载的至少一个玻璃板，优选地针对每个玻璃板，计算钢化水平。钢化水平包括玻璃板表面的压应力、内部最高的拉应力或整个厚度方向的残余应力分布。玻璃板的热性能和机械性能是用于计算的初始数据，该计算被编程到计算单元所使用的计算程序中。因此，在对玻璃板进行钢化之前已经知道了这些性能。计算中使用的玻璃或玻璃负载的特定主要特性，用于计算的初始数据，是玻璃板厚度L、钢化冷却单元中的时间ttc，玻璃板的钢化温度场Ti,y-z以及通过玻璃板表面的冷却空气射流获得的传热系数h。传热系数h尤其取决于空气射流的吹气压力Δp。玻璃板的厚度L通常在3mm至19mm的范围内，并且几乎总是在2mm至25mm的范围内。
图6示出了根据本发明实施例的流程图。在图6的第一步中，识别要钢化的玻璃板的属性，其中最重要的是玻璃板厚度L。玻璃板厚度L由用户输入到控制单元11中，例如，由操作员17，并基于识别出的玻璃板特性，确定钢化指令，即加热参数配置有关值的指令，例如钢化炉的温度和玻璃板加热时间，通过这些指令在钢化炉中对玻璃板进行钢化，以及冷却参数配置有关值的指令，例如在钢化冷却单元中的吹气压力和吹气距离，通过这些指令玻璃板将会被冷却，以及玻璃板从钢化炉到钢化冷却单元的输送速度S和/或冷却时间ttc是多长时间。可以使用例如键盘18或无线应用程序进行数据输入，然后通过它们将数据传送到钢化设备。可替代地，可以自动识别关于玻璃板特性的信息，例如，可以从玻璃板厚度自动测量装置读取关于厚度的信息，从该玻璃板厚度自动测量装置将读取的信息传送到控制单元11。在选择玻璃板的钢化指令时，即加热和钢化的冷却参数配置，操作员还将有关玻璃板类型的信息输入控制单元。玻璃板可以是普通透明玻璃类型的玻璃，也可以是另一种类型的玻璃：未涂覆的玻璃、涂覆的选择性玻璃或涂覆有另一种涂层的玻璃。玻璃板的类型也是一种属性，其特别影响加热参数配置，但通常也影响冷却参数配置。此外，基于玻璃板的类型，计算单元10将在步骤P1中从其材料特性库中选择正确的玻璃板热特性和在步骤P2中选择正确的机械材料特性。关于玻璃板，特别是玻璃板的每个部分，在钢化冷却单元中的停留时间ttc的信息可以从控制系统11传送到计算单元10。在其最简单的形式中，ttc＝S/W，其中，S是钢化冷却单元的长度(常数)，W是传送速度。在上述的摆动温度冷却单元中，停留时间ttc的计算仅稍微复杂些。停留时间也可以通过诸如光电管来测量。
上面列出了一些与炉子加热参数配置有关的控制变量。该方法基于测量出的钢化炉加热结果，即玻璃板的温度，确定玻璃板的钢化水平。钢化温度是在加热之后，玻璃板进入钢化冷却之前测量的。如果要增加对随后的玻璃负载的加热，例如基于计算出的钢化水平，那么，例如，增加炉子的加热时间。与增加加热时间相比，提高钢化炉的温度水平是稍微慢一些的控制手段。钢化炉的温度也可以本地调节，因为钢化炉配备了可单独调节的矩阵状加热电阻器场。在配备有对流加热元件的钢化炉中，也可以通过改变热风的吹气压力或吹气时间来调节加热。玻璃板的尺寸(长度和宽度)是通常会影响加热参数配置的特性。玻璃板的尺寸通常几乎不会影响冷却参数配置。
通过玻璃板表面的冷却空气射流获得的传热系数h是计算钢化水平时必不可少的信息。确定它的最佳方法是通过测量。传热系数可以例如通过在钢化冷却单元中冷却加热的厚铜板来测量。因此，铜内部的温度传感器将产生一条冷却曲线，根据该冷却曲线可以相对精确地确定传热系数。有关此类测量的更多信息，请参见出版物Rantala,M 2015,HeatTransfer Phenomena in Float Glass Heat Treatment Processes.Tampere Universityof Technology.Publication,Volume 1355,Tampere University of Technology.(Rantala，M2015，浮法玻璃热处理工艺中的传热现象。坦佩雷工业大学。坦佩雷工业大学出版物1355卷。)。在不同的吹气压力和吹气距离下对铜进行冷却的一系列测量提供了足够的信息可用于与吹气压力和吹气距离有关的传热系数的制表。因此，计算单元将从表格中(直接或通过从最接近的列表值进行插值)确定玻璃顶面和底面的传热系数h(值可以不同，上表面hu和下表面hl)，基于由压力传感器6(在玻璃上方和下方的喷嘴外壳中)测得的吹气压力Δp和设置的吹气距离H(由操作员使用控制单元11选择)。钢化冷却单元还可以包括用于测量吹气距离H的测量装置，由此计算单元10从吹气距离测量装置15接收吹气距离H。通常，当在部署时校准了控制吹气距离的设备时，吹气距离H的设定值与实际吹气距离紧密对应。通常，吹气压力为10Pa至20000Pa，具体取决于玻璃厚度。上述压力范围的下限通常用于厚度为19mm的玻璃板，压力范围的上限压力用于厚度为3mm的玻璃板。通常，吹气距离，即，气孔和玻璃板之间的最短距离为10mm至40mm，取决于玻璃板的厚度。传热系数h也可以基于文献中发现的基于测量的相关方程来确定。方程中的变量是吹气压力和吹气距离。此外，还需要有关系统尺寸的信息(气孔直径、气孔之间的距离等)。然而，可以使用与本发明的钢化冷却单元很不同的系统来定义相关方程。因此，相关方程的精度可能不足。代替上述测量方法，可以使用流体动力学的数值模型(CFD)来对传热系数制表(与Δp和H有关)，只要通过至少一些上述测量结果确认建模的准确性即可。通常，h＝40W/(m2K)的传热系数足以对厚度为19mm的玻璃板进行钢化，而h＝650W/(m2K)的传热系数足以对厚度为3mm的玻璃板进行钢化，但这是否足够还取决于玻璃板的钢化温度。但是，通常，传热系数在40W/(m2K)至650W/(m2K)之间的范围内。通常，当要钢化的玻璃的厚度改变时，调节吹气压力Δp和吹气距离H以改变传热系数h。通常仅改变吹气压力，以及在某些情况下仅改变吹气距离就足够了。当要增加传热系数时，增加吹气压力。当要增加传热系数时，缩短吹气距离。
在钢化设备部署期间仔细部署吹风机并确定吹风机曲线，从而在计算钢化水平时减少了对测量的吹气压力Δp的需求。基于吹风机曲线，可以基于吹风机叶轮转速来确定吹气压力，并且由操作员设定的吹气压力与实际吹气压力紧密对应。因此，计算单元10可以将操作者在控制单元11中设置的值用作吹气压力Δp。在一个优选的解决方案中，计算单元10从压力传感器6接收吹气压力信息。
在根据图6的优选方案中，从玻璃板G的两侧测量吹气压力，因为例如当吹气来自不同的吹风机时，顶部和底部吹风的吹气压力可能发生显著变化。在这种情况下，压力测量装置在顶部和底部测量吹气压力(Δpu，Δpl)。此外，吹气距离可以显著变化，因此，在优选的方案中，它们也从玻璃板的两侧测量。因此，距离测量装置测量顶部和底部的吹气距离(Hu，H1)。
在图6中，在计算单元中确定传热系数的方法(上文描述了该方法的不同替代方法)，根据吹气压力Δpu和吹气距离Hu确定顶部的传热系数hu，并且基于吹气压力Δpl和吹气距离H1确定底部的传热系数hi。
计算单元还将需要有关钢化空气温度Tair的信息。可以使用典型的25℃的工厂车间温度，尤其是在钢化吹风机的吸气入口位于工厂内部的情况下。钢化空气温度也可能根据季节和天气而显著变化，从而使用测得的温度可以提高计算的准确性。在一个优选的解决方案中，该信息由控制单元10从吸气入口处或吹风机管道中的温度传感器16接收，如图6所示。
在计算钢化水平的方法中，使用在炉子之后和钢化冷却开始之前用温度扫描仪从玻璃板测量的温度场Ti,y-z，该信息从温度扫描仪5传递至计算单元10。在一个优选方案中，温度扫描仪从玻璃板的底表面测量温度。还优选的是，玻璃板的顶表面的温度用高温计测量，该温度计的读数用于连续校准底部温度扫描仪。顶部的温度扫描仪也可以用于连续校准温度扫描仪，但是使用高温计的成本较低。
图2a和2b示出了根据本发明的测量玻璃板中的温度的方法。如图2a所示，使用温度扫描仪测量的温度场由小像素组成，其尺寸取决于扫描仪的属性。每个像素都有自己的测量温度Ti,y-z。在最简单的解决方案中，整个玻璃负载中的像素的平均温度，即整个玻璃负载的平均温度Tm,loading，被例如计算单元的计算程序选择，作为玻璃板测量的钢化温度Tmea。在一个优选的解决方案中，在图2a中，玻璃板内所有像素的平均温度，即整个玻璃板的平均温度Tm，被例如计算单元的计算程序选择，作为玻璃板的测量的钢化温度Tmea。如图2b所示，玻璃板也可以分成较小的子部分，其中子部分的参考温度Tm，Y-Z是其中像素的平均温度。子部分的大小通常约为4x4cm至30x30cm。该子部分的尺寸可以取决于玻璃板的尺寸，并且不必是正方形的。在计算平均值时，可以从像素温度中滤除看起来不正确的值。选择参考温度Tm，Y-Z中的最小值Tm，Y-Z，min作为玻璃板的测定钢化温度Tmea。以上述方式，针对玻璃负载中的每个玻璃板，选择代表玻璃板的测量的钢化温度Tmea(＝Tm,loading或Tm或Tm，Y-Z，min)。还可以以其他方式基于温度扫描仪的测量数据选择钢化温度。温度选择必须基于通常由Tmea表示的温度扫描仪测量数据，这一点至关重要。因此，计算单元的温度数据分析程序从由温度扫描仪测量的温度场Ti,y-z中确定代表玻璃板的测量的钢化温度Tmea，该钢化温度由计算单元的钢化水平计算程序用作玻璃板钢化温度T0。
温度扫描仪也可以位于玻璃上方，在这种情况下，它可以测量玻璃顶面的表面温度场。但是，对于顶面发射率低(选择的，即低辐射玻璃)且未知的顶面上具有涂层的玻璃，无法进行从顶部进行的测量。在优选的解决方案中，用底部的温度扫描仪测量温度。
在一些连续的钢化设备中，玻璃板顺序地并且在大致相同的位置移动跨越线宽。在这种情况下，可以使用一个或至少几个高温计相当全面地测量玻璃温度。一台高温计在玻璃移动的方向沿一条线测量玻璃温度。在最简单的解决方案中，温度扫描仪是高温计或其他以可比较方式测量玻璃温度的测量设备。在这种情况下，代表玻璃板的测得的钢化温度Tmea是沿玻璃运动方向的一条或多条线中的玻璃的平均温度。在优选的解决方案中，用测量玻璃负载中每个玻璃的整个表面积的温度的温度扫描仪测量温度。
在计算单元中计算玻璃温度的程序根据能量方程式(1)确定钢化冷却期间玻璃厚度方向温度分布T(x，t)的变化：
其边界条件为等式(2)和(3)：
其中T＝温度，L＝玻璃板的厚度，k＝玻璃的导热率，ρ＝玻璃的密度，cp＝玻璃的比热容。
此外，玻璃板(或玻璃板的子部分)的初始温度T(x，0)＝T0。例如以上述方式，玻璃板的钢化温度T0是由温度扫描仪从玻璃板的表面测量并从玻璃板的测量温度场确定的钢化温度Tmea。钢化温度可以考虑温度扫描仪5和钢化冷却单元之间的玻璃板的自然冷却ΔTm。从温度扫描仪到钢化冷却单元的停留时间通常为0.1s到0.7s，具体取决于输送线的传送速度。因此，T0＝Tmea-ΔTm，其中Tmea是基于温度扫描仪测量的玻璃板温度。ΔTm在0至10℃之间。在玻璃板的厚度L上进行计算。在玻璃的上表面，厚度方向坐标x＝0，在下表面x＝L。
在传热研究中，求解能量方程是一个普遍的问题，文献中对此提出了几种解决方案，除了上述参考文献(Rantala2015)之外，例如还有在以下出版物中：Field,R.E.andViskanta,R.,Measurement and prediction of the dynamic temperaturedistributions in soda-lime glass plates,Journal of American Ceramic Society,vol.73,7,pp.2047-2053,1990；Gardon,R.,Calculation of temperature distributionin glass plates undergoing heat treatment,Journal of American CeramicSociety,vol.41,6,pp.200-209,1958；Siedow,N.,Lochegnies,D.,Grosan,T.and Romero,E.,Application of a New Method for Radiative Heat Transfer to Flat GlassTempering,Journal of American Ceramic Society,vol.88,8,pp.2181-2187,2005.
等式中要求的玻璃的热材料特性是密度ρ、比热容cp和热导率k。它们是众所周知的，并已在计算程序中提供给计算单元。玻璃的这些和辐射特性在图6中用P1表示。
在等式中，qr，u是玻璃和环境之间向上(向下qr，l)的净辐射热流。在上面提到的出版物中已经公开了确定它的方法，并且已经公开了确定它的方法所需的玻璃辐射特性。
术语qc，u和qc，l是通过钢化冷却单元的空气射流在玻璃的顶面和底面实现的对流冷却功率，由等式qc,u＝hu[Tair-T(0,t)]和qc,l＝hl[Tair-T(L,t)]计算。在等式中，Hu和hl是玻璃顶面和底面的对流传热系数。上面介绍了确定它们的三种替代技术。重要的是，必须与吹气压力和吹气距离相关地将传热系数制表或以方程式将传热系数列出。因此，计算单元能够基于所测量的吹气压力和距离以足够的精度来确定它们。在等式中，Tair是钢化空气的温度。底面的边界条件中还包括术语qct，它考虑了从玻璃(在玻璃与滚筒之间的接触点)传递到滚筒的热量。通常，导热性差的细绳已经绕在钢化冷却装置的旋转辊上。在这种情况下，接触传热的影响可以四舍五入为qct＝0。
利用能量方程式(1)，计算在时间间隔0≤t≤ttc期间玻璃板的厚度方向温度分布T(x，t)的变化，其中ttc是玻璃板(玻璃中的点)在钢化冷却中的停留时间。通常，基于玻璃板的传送速度和钢化冷却单元的长度，以上述方式获得。但是，计算周期ttc必须足够长以使玻璃板的整个厚度的温度下降到温度极限ttcend以下。该温度以下的冷却不再影响玻璃板上形成的残余应力分布，即钢化程度。因此，时间ttc是玻璃板已经冷却到温度极限ttcend以下的时间。典型的温度极限ttcend＝450℃。如果在时间间隔0≤t≤ttc内对流传热系数(hu，hl)的值发生变化，则将在计算中予以考虑。
作为能量方程式(1)的解，在钢化冷却时间(0–ttc)上，玻璃板或玻璃板的子部分的厚度方向温度分布T(x，t)在时间间隔Δt处获得。时间间隔Δt在0.001s与2s之间的范围内,它取决于玻璃厚度。在玻璃厚度L上以间隔Δx的密度获得温度分布。厚度间隔Δx为(0.01–0.2)L。然后，将从能量方程式(1)计算出的温度分布T(x，t)用于计算玻璃板的残余应力。根据以下公式计算在钢化过程中在玻璃板上达到的钢化水平：
初始条件为σij(x，0)＝0时，借助于由能量方程式(1)计算出的温度分布T(x，t)计算出由冷却引起的由热伸长率εth(x，t)导致的载荷：
εth(x,t)＝(αl-αg)(Tf(x,t)-Tf(x,0))+αg(T(x,t)-T(x,0))
在热伸长率方程中，虚拟温度Tf通过温度分布T(x，t)和材料参数Mp来计算：
应力场必须满足一般平衡条件：
和
求解玻璃的钢化应力，即上述等式，是玻璃力学研究中的常见问题，在例如以下出版物中讨论过：Aronen,A 2012,Modelling of Deformations and Stresses in GlassTempering.Tampere University of Technology.Publication,Volume.1036,TampereUniversity of Technology；Nielsen,J.H.,2009,Tempered Glass–Bolted Connectionsand Related Problems,Ph.D.thesis,DTU Civil Engineering,Lyngby,Denmark；Carrè,H.,1996,Numerical Simulation of Soda-Lime Silicate Glass Tempering,Journal dePhysique IV,vol.6,no.1,pp.175-185.
应力方程式中的伸长率是流体静力学伸长率
和偏向伸长率εij。等式中所需的玻璃的机械材料特性是与时间和温度有关的压缩模量K和剪切模量G以及热膨胀系数α1和αg。它们例如从上述参考文献Aronen 2012中众所周知，并且已经在计算程序中提供给计算单元。玻璃板的机械性能在图6中用P2表示。
作为计算的结果，获得玻璃板的厚度方向残余应力分布σ(x)，即，在玻璃厚度上的厚度间隔处的应力σ值。残余应力分布决定了玻璃的钢化水平。在对玻璃板进行钢化时，强度的提高尤其由玻璃表面的残余应力来表示，即，值σ(0)或σ(L)中的较小者。当玻璃板破裂时，钢化玻璃板的安全性(例如，按照标准EN12150-1计算的颗粒数)尤其取决于玻璃中心厚度x＝0，5L处的拉应力(0，5L)。
基于计算出的残余应力分布，选择玻璃的钢化水平的参考变量。参考变量基于计算的玻璃厚度方向残余应力分布σ(x)。在优选情况下，参考变量是在玻璃的中心厚度处的残余应力，即σ(0，5L)。参考变量也可以是玻璃表面的残余应力，即σ(0)或σ(L)，或者是平均值的类型，或者是根据残余应力分布σ(x)计算出的一些其他残余应力值。残余应力参考变量的一般符号为σcal。玻璃中心厚度处的残余应力，即σ(0，5L)，也可以根据标准EN12150-1转换为玻璃颗粒数，并用作参考变量。例如，可以根据上述参考文献Akeyoshi 1965中发布的结果图像进行更改，其中对于几种不同的玻璃厚度，已经提出了与应力σ(0，5L)有关的颗粒数。来自结果图像的信息可以提供给计算单元，例如通过使用多项式拟合。申请人对应力σ(0，5L)与颗粒数量之间关系的了解是基于文献的基础，也是申请人收集的大量研究结果。在研究中，对大量各种厚度的玻璃进行了钢化，使用上述SCALP测量设备测量了它们的σ(0，5L)值，并根据标准EN12150-1对玻璃进行了颗粒计数测定。参考变量的通用符号为CV，覆盖了值σcal和基于其确定的粒子数Ncal。
参考变量CV的值用于确保将玻璃负载的玻璃成功地钢化处理成安全玻璃。操作者基于在警报装置12的显示器上显示的玻璃的参考变量CV或由警报装置12给出的警报来进行监视。上述选项之间的区别在于，在前者中，操作员能够基于参考变量CV(例如σ(0，5L))断定钢化玻璃是否为安全玻璃。在后者中，通过计算单元得出结论，从而基于警报装置给出的警报，发现玻璃板不符合安全玻璃的要求。当在报警设备显示屏上显示参考变量CV的值时，可以使用前者。在后面的内容中会更多地讨论后者。
基于计算出的残余应力分布，选择玻璃板钢化水平的参考变量CV，然后将其与预定的警报极限值AV进行比较。在参考变量和警报极限值之间的比较满足预定标准的情况下，计算单元创建警报并将警报消息A发送给警报装置。预定标准可以是参考变量和警报极限值之间的偏差。例如，参考变量与标准警报极限值的偏差或参考变量与另一预定警报极限值的偏差。例如，如果计算出的参考变量CV的值小于警报极限AV的值，则可以创建警报。在本发明的上下文中，警报极限值也可以被称为阈值。
警报极限AV已被编程到计算单元中。例如，如果参考变量为应力σ(0，5L)，则警报极限值为45MPa。例如，警报极限值为60个粒子，如果参考变量根据EN12150-1的粒子计数为至少40个粒子。通过将参考变量与警报极限值进行比较，可以获得有关玻璃板是否满足安全玻璃标准要求的信息。优选地，颗粒计数的警报极限比标准EN12150-1(和表1)中提出的最小值(例如40)高至少50％，例如60，当玻璃厚度为4mm至12mm时。通常，当玻璃厚度为3.8mm或更大时，警报极限值在50到80个颗粒之间。通常，当玻璃厚度小于3.8mm时，警报极限值在25到50个颗粒之间。优选地，应力σ(0，5L)警报极限值足够高，基于此应力σ(0，5L)，与通过标准EN12150-1的最低要求相比，玻璃中至少要多形成50％以上的颗粒。通常，当玻璃厚度为3mm至4mm时，警报极限σ(0，5L)值在45MPa至60MPa(拉应力)之间的范围内。通常，当玻璃厚度为5mm到8mm时，警报极限σ(0，5L)值在35MPa到55MPa之间。通常，当玻璃厚度为10mm-19mm时，警报极限σ(0，5L)值在30MPa到45MPa之间。当参考变量是玻璃表面的残余应力，即σ(0)或σ(L)时，警报极限通常为70MPa到110MPa(压应力)，或者是上述提到的警报极限σ(0，5L)的绝对值的1.8倍。
当警报设备通过光、声音、颜色或在显示屏幕上显示的消息发出警报时，玻璃负载或玻璃负载中至少一块玻璃板的参考变量低于警报极限。优选的是，显示屏识别这些玻璃板，使得在玻璃负载的玻璃板中容易找到它们。基于此，钢化生产线操作员可以从生产的玻璃中取出引起警报的玻璃板。这些玻璃板的标准安全性测试提供了信息，通过这些信息可以完善上述确保钢化玻璃板安全性的方法。基于此信息，可以减小警报极限和标准最小值之间的差异。
通过使用该计算程序，可以在显示终端上标示玻璃负载或该玻璃负载中的任何玻璃板是否不属于安全玻璃或是否属于安全玻璃，例如通过颜色说明。例如，可以通过显示终端上显示的玻璃负载图案上的颜色(例如红色)来发出警报，指示存在不符合安全玻璃标准的安全玻璃。该计算程序还可以，例如在显示终端上，使用预选的颜色标示参考变量的级别。例如，绿色表示玻璃板或玻璃负载是安全玻璃。例如，黄色表示玻璃板或玻璃可能是安全玻璃。例如，红色表示玻璃板或玻璃负载不是安全玻璃。上述使用三种颜色需要设置两个极限阈值AV，即阈值AV1和AV2。因此，例如将参考变量高于上阈值AV2的玻璃板视为安全玻璃，而参考变量CV低于下阈值AV1的玻璃板视为不合格安全玻璃。参考变量CV在AV1和AV2之间的玻璃板被认为可能是安全玻璃。计算程序还可以用颜色指示参考变量的级别。例如，可以通过将为每种玻璃选择的参考变量CV放置在玻璃板温度扫描仪图像或指示玻璃板边界的其他图案的顶部，并以预定颜色将其高亮显示来执行此操作。预定颜色可以是例如红色、黄色和绿色。例如，如果参考变量值在49MPa到50MPa之间，并且该范围内的参考变量可以用作安全玻璃，则可以由用户选择的颜色(例如绿色)显示在温度扫描仪图像中。
该方法可用于确保根据各种玻璃板厚度和玻璃板类型将玻璃负载成功钢化成安全玻璃。因此，例如，当计算出的钢化水平(CV)接近警报极限(AV)时，并且当满足预定标准时，钢化炉的选定温度和/或加热时间，即输送线速度，被重新调整。分别地，当所计算的钢化水平接近警报极限时，当满足预定标准时，可以重新调整钢化冷却单元中的空气喷嘴的选择的吹气压力和/或吹气距离。如果检测到钢化水平与警报极限之间的偏差，则钢化设备的钢化炉控制系统可以自动增加/减少炉中玻璃板的加热时间，或建议增加/减少玻璃板加热时间。此外，如果检测到钢化水平和警报极限之间的偏差，则钢化设备的钢化冷却单元控制系统可以自动建议调节玻璃板冷却喷嘴的吹气压力和/或吹气距离。
对于本领域技术人员显而易见的是，本发明不限于本文描述的解决方案，而是可以在由权利要求书设定的范围内以多种方式来应用本发明的想法。
Claims (14)
1.一种使用钢化设备对玻璃板进行钢化并在生产过程中监测钢化玻璃板质量的方法，该方法包括：
识别所述玻璃板的特性；
根据识别的特性，调整钢化炉(1)的温度和/或玻璃板(G)的加热时间，调整钢化冷却单元(2)的空气喷嘴的吹气压力和/或吹气距离；
在钢化炉中加热玻璃板；
在所述钢化炉之后在玻璃板表面处测量所述玻璃板达到的温度；
在钢化冷却单元中冷却所述玻璃板；
其特征在于，在所述方法中，在与钢化设备(20)连接的计算单元(11)中：
根据测得的玻璃板的温度，计算钢化冷却过程中所述玻璃板的厚度方向温度分布的变化，并基于计算出的厚度方向温度分布的变化来计算钢化过程中所述玻璃板中产生的残余应力分布；
基于计算出的残余应力分布，选择玻璃板的钢化水平参考变量，在显示终端(12)上显示钢化水平参考变量，和/或将所选参考变量与预定阈值进行比较，以及在参考变量和阈值之间的比较满足预定标准的条件下，创建警报和/或检测不符合安全玻璃标准的玻璃板，将警报和/或检测所述玻璃板不符合安全玻璃标准的信息呈现到显示终端(12)上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定标准是所述参考变量与所述阈值之间的偏差。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当满足预定标准时，重新调节所述钢化炉(1)的温度和/或加热时间。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当满足预定标准时，重新调节所述钢化冷却单元(2)的空气喷嘴的吹气压力和/或吹气距离。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考变量与所述玻璃板的颗粒数成比例。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢化水平参考变量是在玻璃板的中心厚度处计算出的残余应力分布，σ(0，5L)，或基于其计算的玻璃板的颗粒数Ncal。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从玻璃负载的整个表面测量所述玻璃负载达到的温度，并且从测得的温度场(Ti，y-z)中，选择温度场内所有测量点的平均值作为玻璃负载的玻璃板的测量钢化温度(Tmea)。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述玻璃板的整个表面测量所述玻璃板达到的温度，并且从测得的温度场(Ti，y-z)中，选择温度场或其子部分内的测量点的平均值作为玻璃板的测量钢化温度(Tmea)。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃板的表面通过空气射流冷却，其对流冷却功率(qc，u和qc，l)由等式qc,u＝hu[Tair-T(0,t)]和qc,l＝hl[Tair-T(L,t)]计算。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，测量的吹气压力(pu，pl)被用作用于计算对流传热系数(hu，hl)的初始数据。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，测量的吹气距离(Hu，H1)被用作用于计算对流传热系数(hu，hl)的初始数据。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，测量的空气喷射温度Tair用于计算所述玻璃板表面的对流冷却功率。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述玻璃板的底面测量所述玻璃板达到的温度。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阈值被设置为比根据安全玻璃标准(EN12150-1)的玻璃破碎所需的阈值高至少2MPa。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210824 |