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汽车钢化玻璃生产过程中的温控工艺探讨

      0 引言
 
      作为最常用的安全玻璃的一种形式,钢化玻璃有着无与伦比的优势:它的强度是普通玻璃的4-5倍,抗折弯度是普通玻璃的3-5倍,抗冲击强度是普通玻璃的5-10倍。另外,钢化玻璃破坏也呈无锐角的小碎片,耐急冷急热性质较之普通玻璃有2-3倍的提高,一般可承受150%以上的温差变化,对防止热炸裂有明显的效果。
 
      温度控制是钢化玻璃生产的核心部分,它对产品的质量有极其重要的影响。要想掌控钢化玻璃的生产工艺, 首先必须对温控工艺有详细的了解和掌握。物理钢化玻璃的工艺过程可以简单的概括为将玻璃加热到一定的温度,然后迅速冷却,以增加玻璃的机械性能与热稳定性。其原理是:将玻璃在加热炉内加热到低于软化温度,然后迅速送入冷却装置,用一定压力的常温气流进行淬冷,玻璃外层首先收缩硬化,由于玻璃的导热系数小,这时玻璃内部仍处于高温状态,等待玻璃内部开始硬化时,已经硬化的外层将阻止内层的收缩,从而使先硬化的外层产生压应力,后硬化的内层产生张应力,正是由于玻璃表面的这种压应力的存在,当外力作用于该表面时,首先必须抵消这部分压应力,这就大大提高了玻璃的机械强度,因此,钢化工艺的控制实际上也就是对加热工艺和冷却工艺的控制。下面笔者就结合自己的工作经验,对其中关于加热的相关问题进行浅显的分析。 
   
      1 汽车钢化玻璃几种不同的加热方式
 
      因炉体结构、玻璃品种、玻璃升温速度要求不同而需要采用一种为主或多种组合加热方法。
   
      1.1 角窗玻璃加热
 
      生产角窗玻璃的加热炉结构见图1。炉体内上部、下部和侧面均设置电热丝,每组炉丝可独立调节温度,炉体分为三区,每区中间有隔断,能够单独控温保温,升温曲线如下图4所示。炉腔的上部电热丝用不锈钢板覆盖,增加辐射传热的均匀性,玻璃上表面辐射加热,下表面胎框传热和辐射传热。因成型胎吸收部分热能,下部温度设定高于上部20-30℃。 
   
      1.2 侧窗玻璃加热
 
      生产侧窗玻璃的加热炉结构前后不同,该加热炉分10个区。炉体内上部、下部、侧面均设置电热丝,上部增加轴流风机强制对流加热玻璃,这种对流加热方式的主要目的是使玻璃均匀受热,同时减少陶瓷辊传输玻璃时产生的辊子印。各分区之间有隔断,每个分区独立设定、调节温度,升温曲线。因强制对流作用,炉上部的空气向下吹造成上部的热量流失,上部温度设定比正常高20℃ 。
 
      1.3 后窗玻璃加热
 
      生产后窗玻璃的加热炉见图3。炉体上部呈半圆拱形,上部电热丝按炉体形状设置,底部电热丝覆盖不锈钢板,由炉丝加热钢板,再由钢板产生热辐射加热玻璃,与炉丝直接加热相比,具有以下优点:①钢板表面积大,其辐射远比炉丝直接辐射加热玻璃更均匀;②钢板作为蓄能元件,里面储存了巨大的能量,可以源源不断地向玻璃提供其所需要的热量,保证炉温尽可能均匀、波动小;③加热效率高,储存热量大。该炉的1区、2区各安装2个强制对流器,加热方式为辐射加热加对流加热,对流器主要是使炉内的温度场更均匀,同侧窗对流加热直接作用于玻璃还有区别。如果采用的结构,不利于热空气的对流,因后窗面积较大,同侧窗玻璃一样采用辊道方式传输玻璃。 
   
      2 加热过程中快速达到玻璃钢化温度的注意事项
 
      钢化温度对产品质量有重要的影响。钢化时温度不合适会对对钢化玻璃的质量产生一系列的影响,如玻璃碎块过大、玻璃弯曲、玻璃辊道痕、玻璃下表面白道、玻璃表面麻点、玻璃在冷却时的破碎等。如何使玻璃快速达到要求的温度,在加热的过程中我们要注意三个方面的问题。 
   
      2.1避免电炉内某个区域的热量消耗超过加热效果 
   
      这就是要避免出现电炉的超负荷现象,这里所说的电炉超负荷不是指电炉里玻璃占有的面积,而是指玻璃厚度、加热温度与加热时间的关系,在正常的操作 情况下,在电炉中央加热元件的加热区域内,总有玻璃在吸热,在电炉的这个区域内一直有玻璃存在,如果电炉内某个区域的热消耗超过加热效果,这个区域内的温度就开始下降,一直下降到温度平衡为止,所以电炉一旦出现超负荷现象,就会引起玻璃在冷却段的破碎。 
   
      2.2厚度不同的汽车钢化玻璃要求的加热温度不同 
   
      要钢化的玻璃越薄,加热的温度就要越高,玻璃越厚,加热的温度就越低。操作人员要明白电炉温度与加热时间的相互关系以及电炉温度对厚薄不同的玻璃变化值,所以在钢化玻璃工艺方面,不能明确指出哪种温度设定最好,温度的选择在很大在程度上决定于原片玻璃的质量和操作人员所调整的工艺参数。在实际生产中对加热温度的调整,主要通过对加热时间的调整来实现对加热温度的控制,加热时间的基本的计算方法每一名操作人员都应当掌握。基本的计算方法时每毫米厚度的玻璃约为40-50秒,如果玻璃上有钻孔、开洞、开槽,加热时间要在此的基础之上增加1.5%-2.5%。下面笔者举一个控制炉温的例子,来诠释加热温度和加热时间。
 
      以我公司为例,假如我们在生产钢化3.5mm的玻璃,加热温度为420℃,加热时间140s,要使玻璃从加热炉到急冷室的温度提高10℃,有两种方法可以使之实现:第一种方法,是将电炉温度提高100C;第二种方法是增加加热时间,电炉的温度保持不变。注意:玻璃温度接近钢化温度前的加热速度较慢,我们要了解这样一个基本的原则:如果电炉的的温度设定变化了几度,我们也要使玻璃的加热温度同样也变化相同的温度,就要改变加热时间±t秒,才能使玻璃从电炉里出来的温度在±t秒的时间内保持不变。
 
      另外,玻璃的板面越大,加热的时间应相对长一些,反之,相应的缩短。 
   
      2.3 一般上部加热温度要高于下部 
   
      加热系统测得的底部温度并不是辊子温度,而是钢化炉底部加热元件补偿辊子玻璃吸收的热量后的平均温度。由于这个原因,所测得的温度一般较高,比所测得的上部温度要高一些,所以一般情况下,上部加热要比下部加热的温度设定要高一些。 
   
      3 必须实现玻璃表面各个部分的均匀加热
 
      玻璃的钢化成功与否主要取决于玻璃板温度最低的地方,玻璃要实现钢化首先必须达到钢化温度,所以必须实现玻璃表面各个部分的均匀加热,我们必须对玻璃在电炉内的加热方式有所了解。我们知道,玻璃在电炉内的加热主要有:传导、辐射、对流三种方式。传导加热主要是水平钢化炉内炉陶瓷辊的热量传给玻璃的过程,传导加热只发生在玻璃下表面。玻璃下表面比上表面多了一种热量获取途径,这在水平钢化炉中不可避免地会使玻璃表面产生上下温差;对流加热主要是电炉内的热平衡利用压缩空气或循环风机的搅动将热空气吹向玻璃表面的热传递过程;辐射加热是指钢化炉内电加热丝通电产生的热量,直接辐射到玻璃 表面,或将热量传递到辐射板上,再由它辐射到欲被加热的玻璃上的加热过程。了解炉内的加热方式后,在实际生产当中,我们才能在加热的不同阶段采用不同的控制温度策略。如何使玻璃尽量做到均匀加热,我们要注意以下几个方面:
 
      3.1加热过程中要做好升温控制
 
      玻璃刚进入炉体时,炉体内原有的热平衡状态突然被打破,会引起炉温的急剧下降,下降幅度在20-100℃之间,所以在玻璃加热的前半段,玻璃在升温的过程中,最容易出现各点升温不均的现象,此时如果增加对流加热的方式, 开启上、下部热平衡,通过炉内的高温执风循环系统,将炉内高温空气进行热风循环,可有效地解决玻璃各点温差大的问题。在加热后半段,随着玻璃温度的上升,炉温也逐步趋向设定值,玻璃各点温度差不明显,应以提高加热速度为主,可关闭各个热平衡,直到玻璃温度与设定的炉温一致,加热过程也就宣告结束。 
   
      3.2玻璃边部与中部的升温控制
 
      玻璃在外部环境温度一致的情况下,玻璃边部与热介质接触表面积大,而对辐射热的反射小,造成吸热效率相对中部快,即玻璃边部温升快。特别是特大片玻璃,玻璃边部与中部的温差更明显,玻璃中部与边缘的温差过大会引起玻璃边缘的凸凹现象。如果遇到这种现象,我们可以从两个方面着手进行控制,一方面可以提高炉体内的热平衡压力,增加热对流,从而调整炉内的热平衡来减小大面积玻璃中部与边缘的温度差距,另一方面可以适当延长玻璃的加热时间,从而也能减小玻璃中部与边缘的温差。 
   
      3.3玻璃上下表面的温差控制
 
      要避免玻璃上、下表面温差对玻璃钢化效果的影响。玻璃从加热阶段进入急冷段位时,如果玻璃的上面温度比下面温度高,会引起玻璃前后两端向上弯曲;如果玻璃上面的温度比下面的温度低,会引起玻璃中间向上凸起。 
   
      3.4 玻璃的放片布置对均匀加热影响很大
 
      玻璃在放片台的布置也很重要。放片的合理布置主要是为了保证电炉内纵向和横向负载的均匀性,也就是说,每炉玻璃的放片布置以及各炉的间隙时间要均匀。我们要明白从加热炉到急冷室过程中的温度规律,必须弄清玻璃板布置所取决的因素:当玻璃沿电炉前后移动时,玻璃边缘邻近的辊子所处的区域容易过热,这种现象在两块玻璃之间的辊子表面上也容易发生。在实际的生产当中,如果玻璃板在钢化炉内一直以相同的放片布置向前运动,各个辊子温差就相对的明显,结果放片位置一变化,玻璃就会在加热炉内弯形或者在急冷室里破碎。
 
      为了得到最好的钢化效果,我们要记住放片时的注意事项:为了避免纵向玻璃板间的空隙导致辞电炉的温度过高,放片台上玻璃板摆放的越合理,越容易保持辊子温度一致性,也就是说放片时纵向出现间隙,下一次放片时要补上这个空隙。另外,在比较长的纵向空隙(大于等于二分之一)内放下一炉的玻璃,其不良效果要比在整个纵向长度内放玻璃明显得多,这是因为这个温度高的空隙在加热一开始就受到了影响,要有充分的时间才能使温度均衡下来。 
      
      4 结束语 
   
      汽车玻璃钢化过程是以完善的加热技术和冷却技术为基础,钢化过程一个步骤的改进会促使其它步骤的改进,只有整体提高二者才意味着更高的生产率。要获得高质量的玻璃,就必须使钢化过程十分精准地保持整个玻璃进行对称的热传递。对流加热的优点在于可以加速对冷玻璃的均匀热传递,通过金属板导向辐射,为玻璃均匀加热提供了条件,在玻璃加热的最后阶段,加热玻璃最有效的方法是热辐射,使玻璃整体保持在成型和淬冷前所需高温的稳定状态 。
 
      同时,作为一名钢化工艺人员,我们要拥有正确的质量观念,养成良好的工作习惯,在实际的生产当中还要注重加热控制经验的总结,以此来不断提高生产水平,这样才能持续实现高品质的产品质量。 
 

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