快速加热水平钢化玻璃技术

何宏安

［索奥斯（广东）玻璃技术股份有限公司，广东 佛山 528308］

0 引言

现阶段，我国乃至于全球的钢化炉生产厂家，都在将其重点放置在创新工艺方法，以尽最大的可能保障玻璃加热的均匀性。在进行钢化玻璃加热时，使用到的加热热源主要划分为两类，分别是气体燃料和电加热。电加热使用较为广泛，而电加热依照其加热方式的差异性，又划分为3 种类型，分别是传导加热、对流加热和辐射加热。

1 钢化炉加热方式

1.1 传导加热

在玻璃传导加热中，其技术原理主要表现在两个层面：①辐射加热和对流加热可以把热量直接传递到玻璃层的表面，随后借助传导作用，直接把热量传递到内层。②玻璃可以借助于陶瓷辊传输，在炉内进行反复运动，陶瓷辊道可以将底部的加热元件辐射进行全方位的吸收，进而提高炉内温度。同时通过热传导的模式，直接把热量传递到玻璃表层，而玻璃也会发挥出一定的冷却陶瓷辊作用。若是在进行装片时，不同规格的玻璃按照统一的方式来展开排布，则会导致玻璃个别区域陶瓷辊温度相对较低，而无玻璃的地方陶瓷辊温度将会得到进一步的提升，因此导致钢化玻璃加热出现了较为明显的热变效应，加热位置不够均匀。而想要解决这一问题，其最佳解决办法则是在进行装片时，依照镜面、对称、交叉的方式来进行放片，也就是不同规格的玻璃需要对其放片的位置进行周期性的变换，以确保陶瓷棒可以获得同样的冷却效果，此时便不会出现热边效应。但需有关人员注意的是，当钢化玻璃内部的硫化镍膨胀时，会对钢化玻璃的表面产生一定的影响。在这个过程中，玻璃中的硫化镍分子会被加热到较高的温度，在这一温度下，硫化镍分子会与空气中的氧发生反应并生成硫化物，然后硫化镍分子会开始膨胀。这将导致玻璃表面出现细小的裂纹和许多小气泡。当玻璃内部开始出现小气泡时，这些小气泡一旦破裂就会产生肉眼可见的裂痕。但是由于这些裂缝非常细小，所以很容易被忽视[1]。

1.2 辐射加热

在炉内的高温加热环境中，加热元件将会辐射出特定波长的射线，该辐射线将会直接转移到玻璃和炉内保温材料表面，随后二者通过加热之后，就会产生辐射热辐射，此时反射到玻璃的表面。而这一部分的辐射热量，一部分将会被玻璃所吸收，另外一部分又会被反射。一般情况下，透明的玻璃反射率可以保持在6%～8%，剩下的可以综合玻璃表面的实际情况以及黑度所吸收。玻璃在热辐射吸收能力的好坏上，主要是决定于黑度情况：①颜色较深的水平钢化玻璃吸收能力相对较好，在对这类玻璃进行制作和生产加工时，加热时间以及加热的温度相较于其他玻璃设定要更低。②透明玻璃，透明玻璃的吸收能力相较于着色玻璃来说要较弱，但是比镀膜玻璃要更好，在加热时间和加热温度的设定上将普通标准作为参照指标即可。③镀膜玻璃，由于镀膜玻璃的反射效率较高，吸收能力较差，一般情况下在进行加热时，可以进行低温的长时间加热，比较有代表性的如low-e 玻璃。在加热时间上可以延长到55～60s/mm，同时对对流加热强度进行进一步的调整，提高对流加热强度。若是某类波长的辐射线辐射到玻璃表面之后并未被玻璃所吸收，则代表着玻璃针对这类波长的辐射线为透明，若是辐射线无法全部透过玻璃，则代表着玻璃针对该类波长的辐射线保持半透明。若是辐射线被玻璃所全部吸收，则代表着玻璃针对这类波长的辐射线为不透明。在对玻璃进行加热的过程中，加热炉炉膛的温度设定有着非常重要的作用。主要是由于温度存在差异，加热元件的辐射线波长也会有所不同。若是加热温度可以保持在600℃，辐射照度的最大值及对应的波长则是3.56μm 玻璃，这类波长的辐射线是半透明，玻璃表层可以吸收这种辐射，随后借助于传导作用，直接把热量传递到内层，加热速度较慢；若是加热时温度保持在700℃，辐射波中则有着大量的辐射线，概率辐射线为2.5μm，玻璃的内层可以对这类辐射线进行吸收，加热速度较快，因此钢化炉内部温度可以保持在700℃左右；若是加热炉的内部温度超过900℃，辐射照度的最大值波长则小于2.56μm，此时辐射线将会透过玻璃，难以被吸收，因此如果加热炉的温度设定超过标准及要求，同时在800℃以上时，则会导致出现大量的资源浪费[2]。

1.3 对流加热

现阶段在进行水平钢化玻璃对流加热时主要划分为以下两种形式。

（1）将辐射加热作为核心的辐射对流加热，在这种加热炉中，内部安装有热平衡管，在热平衡管安装上也分为两种不同的形式，分别是热平衡管保持和加热螺丝方向的垂直，另外一种则是保持平行。在这种加热炉中，可以在两段加热丝结合的下方位置，在热平衡管开出直径为1mm 左右的小孔，孔的方向保持相反，孔的间距保持在120mm 左右，同时保持和相邻螺丝之间间距的相同。基于炉孔中喷出的压缩空气可以在经过上部加热元件处理之后，直接辐射到玻璃的表面，最终形成对流加热。而这种镀膜玻璃，尤其是以low-e 玻璃为代表，带来的加热效果更为突出。由于镀膜玻璃本身的膜面反射率相对较高，在热辐射吸收能力上相对较差，这就会导致玻璃加热过程难以达到均衡，下部的加热速度相对于上面来说要更快，玻璃也可以在炉中变为o型，出现了严重的形变问题，只有在中部位置接触陶瓷棒，才可以弥补玻璃中部由于光学变形所带来的制造缺陷问题。对这一问题进行解决，其主要办法便是在玻璃上表面增强对流加热，以确保玻璃上层和下层加热的高度均匀。在热平衡压缩空气压力和吹气时间的设计上，需要进行独立设计，但是这种加热模式在对流加热量的总加热量占比上在1/5 左右，最终带来的对流加热效果不够突出。

（2）将对流加热作为核心的对流辐射加热。在这种加热炉的设置上，需要在加热炉的上方和下方安装高温对流循环风机，以强制对流加热为主，炉膛的上部和下部需要经过特殊设计，并安装风道和喷灌，借助于高温对流风机，以实现高温气体在炉膛中的密闭化循环，并借助于喷嘴直接将其吹到玻璃上，实现了炉膛上表面、下表面对流加热风量的自动化调节，实现了玻璃基于变频调速条件下的快速均匀加热。在这种加热模式中，对流加热热量总占比为80%～85%，借助对流加热，保障了加热过程的快速且均匀。具体来说，在玻璃加热上，其优势表现为：钢化玻璃的加热时间进一步缩短，相较于传统的加热办法，其生产效率可以提高40%，对于低辐射玻璃来说，生产效率可以提高到50%。同时，炉温设置较低，只需要保持在680～685℃即可，对于传统将辐射加热作为核心的钢化炉加热办法，其温度设置可以降低20℃，而针对其他厚度要求不同的玻璃，炉温设置也无须做出多余的调整，因此，生产制造加工的品种更换速度较快，生产效率较高。除此之外，由于炉温设置较低，加热速度较快，加热过程较为均匀，可以从根源上降低玻璃的炉膛内变形问题，对于缓解钢化玻璃的光学变形具有非常重要的现实作用。

2 快速加热工艺的探讨

2.1 提高辐射的效率

在进行水平钢化玻璃加热升温时，加热元件是其中的热源供给，因此玻璃是否可以对辐射热量进行最短时间的快速吸收，是影响最终快速加热玻璃效果的核心所在。在明确玻璃钢化温度的条件下，辐射热的波长主要取决于辐射光红外线的电加热丝的温度，因此将在最短的时间内实现水平钢化玻璃的快速升温，则需要确保红外线波长处于最大辐射照度之内，即2.7～4.5μm。如此一来，才可以尽最大的限度，提高光辐射的使用效率[3]。因此，在优化辐射效率时，需要对辐射波长进行精准管控，具体来说，在进行辐射波长控制时，分为以下策略。

（1）控制好热源的温度。想要保障辐射源保持在特定温度条件之下，则需要确保温度的对应波长范围可以达到玻璃吸收的最大值，因此需要对加热源温度进行针对性地管控，从本质上来说，就是对加热丝的电流和负载电压进行控制。在进行电加热元件功率控制时，需要对其动态调节，在使用功率可调节方式之后，电加热丝在持续进行加热之后，辐射源的温度将会获得短时间内的快速增高，辐射波长也将会超出玻璃可以吸收的最大范围，此时则可以对电加热丝的功率进行调整，电加热丝的温度也会下降，辐射光波长得到了进一步的管控，改善了玻璃的辐射效率。

（2）间接加热。在控制热辐射波长时，还可以通过间接加热的方式，使用遮热板来达成其加热目标。但是需要有关工作人员注意的是，作为遮热板的材料，需要达到以下要求：①需要在处于900℃的高温环境之下，不可以出现变形。②可以吸收2.76μm 以下的波长最大辐射照度的材料结构。因此，将遮热板作为热源来进行结构的间接加热，在进行加热时，需要发出高温密集短波，长光遮光板需要在最短的时间内，尽最大的可能吸收2.76μm 以下的波长红外线，以确保本身的温度也可以在短时间内快速升高。而其他的波长红外线，则需要借助于遮热板来辐射到玻璃。与此同时，遮热板本身温度升高之后，可以将其作为辐射的源头，发出红外线波长，以确保玻璃可以在最短的时间内获得最大值的辐射能量。由于在整个过程中，电加热丝可以进行管控，因此，只需保障电加热丝和遮热板二者之间的温度差，便可以确保遮热板在辐射波长上得到全方位的管控。

2.2 增大辐射面积

（1）加大上部的加热功率。基于水平钢化炉的结构便可以了解到，玻璃在进行加热时，辐射加热的热量供给来源源自上部的加热元件，因此在确保加热总功率维持不变的条件下，对上部电加热功率进行增大，对下部加热功率进行减少，便可以使得单位时间内加热辐射热量全面提高，玻璃可以吸收的热量也得到了进一步地加大。如此一来，便可以对加热效率进行进一步的管控，使得加热时间全方位缩短。

（2）可以加大下部输送的辊道间距。在加大下部输送辊道间距的过程中，可以进一步减少炉内输送到的遮热面积，让下部的加热元件可以获得更多的辐射热量，进而使得加热玻璃效果更好，从根源上减少加热的时间。另外，考虑到玻璃的波形弯曲度，生产薄片玻璃的设备，我们也要兼顾陶瓷棒辊间距不能太大。

（3）运用双室炉。运用二段炉的技术原理是：在500℃的高温环境之下，先对玻璃进行预热处理，此时的辐射光波长维持在3.5μm 以内。在这样的范围内，玻璃可以获得最大的吸收值，让玻璃可以在最短的时间内吸收到更多的辐射热量，进而达到其预热的温度，让玻璃进入加热炉之后，可以达到其所需的钢化温度要求。在预热炉中，玻璃可以获得较为稳定地加热，以尽最大的限度吸收热量，实现短时间内的快速升温。相较于单段炉，可以从根源上缩短加热时间，减少玻璃的热量损耗。

（4）可以增大加热元件的辐射面积。在使用间接加热电加热元件时，可以全方位增大其内外加热的表面积，使得热元件的辐射面积得到扩大，再增大单位面积玻璃辐射光强度，便可以使得玻璃换热量得到提升，进而改善了加热效率。

2.3 设置强制对流

在加热炉中设置强对流，可以使得空气流速加快，温度升高，进而优化空气的流动状态，尽最大的可能改善电路的对流加热综合效率。而基于降低成本投入这一角度入手分析，进一步提高空气流速也代表着将会促使空压机压力增大，综合电路本身的加热特点，对冷空气进行全方位预热，可以使得空气温度上升，减少加热时间，减少成本投入。可在炉内压缩空气管的吹风管，尽量保障空间间隔结构较小，以确保加热炉中的空气可以产生湍流，而不是原有的层流，进一步优化对流换热的综合水平。以上为比较常见的外气流强制模式，还有一种市场上也非常流行的内置式风机对流方式，也是一种可以快速提高玻璃加热速度，而且可以生产更高端玻璃品质的钢化玻璃对流设备[4]。

3 结语

综上所述，在进行水平钢化玻璃生产制造时，温度控制为其中的主要环节，将会对最终的玻璃制造产品质量带来直接影响。为弥补在进行钢化玻璃生产制造时存在的加热不均和形变问题，需要加强对快速加热工艺的进一步探讨和研究，可围绕提高辐射效率、增大辐射面积、设置强对流，确保可以在最短的时间内快速加热，缩短加热时间，保障钢化玻璃的综合生产质量。