第期王传辉浮法玻璃退火的热应力及其分析为了简化问题我们先讨论初始温度梯度为零的状态参见图没有应力处于低于应变点的内外均匀温度下比如假定有一块玻璃板最初℃现将玻璃板双面均匀冷却由于玻璃导热性差温度梯度将发生明显的变化该例中不再为零处于纵向张应力之下外层因温度急剧下降收缩得比内部大但这种收缩倾向受到内层阻碍不得自由缩小到它的正常值而处于拉伸状态因而即处于与玻璃板表面平行的所有方向的张应力之下与此同时最里层受到外层的压缩而处于压应力状态沿玻璃板厚度应力从表面张应力连续变化为中间的压应力并在表面以下一定距离的某一层出现无应力层即中性层现在让玻璃板保持温度梯度不变继续匀速冷却这过程中暂时应力状态亦保持不变当玻璃板冷却接近环境温度这时表层温度基本停止下降而温度较高的内层将继续降温并随着体积收缩随着温度梯度回复为零新产生的应力与冷却初期形成温度梯度所产生的应力大小相等方向相反互相抵消玻璃就不再存在暂时应力了在上述讨论中如果初始温度梯度不为零见图那么在冷却过程中只要温度梯度不变就不会产生暂时应力见图见图化时才会产生暂时应力〔只有当冷却速度变化导致温度梯度变〕而在温度梯度变为零时如环境温度下均热所产生的应力则是永久应力了〔见图“〕如果片面认为暂时应力随温度梯度存在而存“、二月在随温度梯度消失而消失”那么对照上述图暂时应力讨论这种提法至少是不准确的’目日目‘“。’日目目图之间的关系为。。’、、、初始温度梯度不为零的暂时应力假设在玻璃板的两个表面上具有一定冷却速率和相同的热传导则热应力与冷却速率长兮于二入一拜一式中。—弹性模量一膨胀系数入—导热系数© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
洛阳工业高等专科学校学报拌第卷一泊松比按式—板厚的一半—所测点的距离—可计算出玻璃板在冷却过程中板中心和板表面的热应力冷却速率板中心为压应力入。一拌板表面为张应力入一拌温差△△与冷却速率关系为入上述公式可以看出板表面应力是板中心应力的两倍当冷却速率时或温度达到均一时△应力消失永久应力玻璃在温度梯度消失时残留的热应力称为永久应力又称残余应力为了分析玻璃板如何产生永久应力我们设定玻璃板处于明显高于应变点的某一温度下开始冷却形成稳定的温度梯度时玻璃还相当的软见图在应力〔“”应力得以完全松驰玻璃内外层尚不存〕当继续冷却经过应变点后无热应力时仍会保持某种稳定的温度梯度〔见图〕也就是初始温度梯度玻璃表面匀速冷却到环境温度后初始温度梯度就逐渐消失了初始温度消失的过程使玻璃外表面产生纵向压应力中间产生张应力这种应力即是永久见图应力〔图〕由此可见永久应力的起因和大小都决定于初始温度梯度而永久应力的现象只有在没有温度梯度时均热状态下存在为了讨论问题方便上述图图图示出的模型均是指玻璃厚度方向温度差所形成的端面应力只要将厚度理解为玻璃带宽度玻璃带横向温差所致的平面应力状态的分析与上文所述完全相似此处不再赘述’。。目日。。‘。”目曰「别’·卜目目目图从上面公式‘、永久应力可知在冷却过程中温度梯度的大小是产生热应力的主要原因冷却速率越小温度梯度越小产生的应力也就越小另外热应力的产生与应力松驰有关如果在一定© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第期王传辉浮法玻璃退火的热应力及其分析温度下松驰速度很慢以致热应力得不到消散则在任何冷却速率和温度梯度下玻璃不会产生永久应力反之松驰速度很快热应力得以消散则玻璃产生的永久应力就很大永久应力的数值根据应力松驰情况为成入一拼浮法玻璃退火中的热应力浮法玻璃的退火是一个复杂的工艺过程只有暂时应力如图或根本没有暂时应力如所描述的情况图的两种极限情况下都不可能存在由图浮法玻璃的退火接近于图可知玻璃带在℃左右开始退火冷却到环境温度以前玻璃中的热应力实际上只考虑暂时应力这是第一阶段当玻璃表面接近环境温度并使温度梯度逐渐消失的过程是第二阶段在这一阶段暂时应力消失保留下来的是永久应力“第一阶段的暂时应力在以往的文献中更多地被称作合应力并表达为下式”诊式中宕,—永久应力—暂时应力君—仔细分析一下表达式诊合应力是不准确的浮法玻璃冷却到环境温度以前必定存在着温度梯度表达式中考虑残余应力是没有意义的所谓合应力仅是暂时应力“”换言之暂时应力和永久应力不可能同时存在在第一阶段热应力此处是暂时应力的状态不仅和所处方位的温度梯度有关而且和此处玻璃板经过不同的热历史产生相应的初始温度梯度有关本质上退火某时刻玻璃板某处的温度梯度与相应的初始温度梯度的差别程度反映了此时暂时应力的大小和方向如两种温度梯度一致则不存在热应力热应力分析实际玻璃在退火中沿玻璃带厚度方向表面横向和表面纵向无论是在转变温度范围内形成的初始温度梯度还是在应变温度以下的温度梯度变化都会在相应的方向上产生热应力可见热应力的状况非常复杂其性质张应力还是压应力大小和方向与受力点位置温度应变点前后的热历史都有关系由于玻璃带表面横向温差所导致的平面应力破坏性最大我们对该种平面应力做一些定性分析图给出了沿玻璃板横向的永久应力分布示意图受力位置是轴和玻璃板的交线图是受力位置在转变温度范围内形成的初始温度梯度在环境温度下均温以后随着温度梯度消失玻璃板中部形成张应力靠近两横边处形成压应力为了对永久应力有更形象的描述图长度代表应力的大小图给出了永久应力的分布。示出了受力位置各点所受应力的方向各对箭头的所分析的受力位置沿退火窑移动到任何方位和时刻都有相应的暂时应力我们不妨设受力位置的初始温度梯度为零那么受力位置在应变点以下某时刻的实际温度梯度完全用于产生暂时应力图给出了玻璃板横向温差所致的暂时应力分布图© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
洛阳工业高等专科学校学报第卷科洲蟹、’向劝一张应力二压应力区获亚少压应力二胜区二张应力区月七土再一一护下夕「气滚三一洲压应力区中性层初始温度梯度永久应力分布永久应力方向图玻璃板横向的永久应力玻璃带拉引方向可不,,温度厂一一一压应力尸」张应力区盯一下二压应力区宽毛入一气上厂尸一几二一一一张应力区中性层实际温度梯度暂时应力分布。暂时应力方向图玻璃板横向的暂时应力设初始温度梯度为零比较图和图两种应力的方向都与温度差的方向横向相垂直即应力的方向都沿着玻璃带的纵向不同的是当温度梯度都为中间高两边低时暂时应力和环境温度下的永久应力的指向在同一受力点正好相反为了减小残余应力必须减小初始温度梯度减小初始温度梯度最简单的方法是降低冷却速度但这会增加退火时间须要加长退火窑尤其是浮法工艺的拉引速度本身就很大所以这并不是好办法生产中我们希望用尽量短的退火窑生产出残余应力尽可能小的玻璃这只有通过制订最佳退火工艺规范才能达到目的为此可以通过对形成残余应力机理的分析理清玻璃从锡槽出口温度至应变温度的退火过程中哪一段温度范围对形成残余应力影响大哪一段温度范围影响小这样就可控制那些对形成残余应力影响大的温度范围内冷却速度要慢而对影响小的温度范围可适当加快冷却速度对于暂时应力当退火结后它就自行消失所以原则上在玻璃不会炸裂的前提下应变点后的退火过程中应尽量加快冷却速度结论为了正确分析暂时应力和永久应力的形成机理和差别本文提出了“初始温度梯度”的概念所谓初始温度梯度是指玻璃退火冷却经过应变点以后某温度下玻璃内部不存在热应力时的温度梯度初始温度梯度将决定环境温度下永久应力的状态通过对暂时应力和永久应力的形成过程的分析提出两种应力不可能同时存在在应变点以下当玻璃内部处于均温时只可能存在永久应力当玻璃存在温度不均匀时只可能存在暂时应力暂时应力只和实际温度梯度与初始温度梯度的差值有关如果两者相同暂时应力消失下转第页© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
洛阳工业高等专科学校学报第卷千焦千克玻璃液吨蚌埠浮法窑保温后热耗降低了热效率提高了年节油。威海六机窑保温后燃耗下降了热效率提高淄博六机窑保温后热效率由左右提高到达到国内较先进指标年节油吨总之除以上所述节能及降低燃耗的方法外还有窑体使用优质耐火材料窑体采用鼓泡装设分隔设备电辅助加热等技术都是提高熔化率和降低产品单位能耗的有效手段上接第页通过对热应力的分析为制订最佳退火规范提供了理论依据指出对残余应力形成影响大的温度范围冷却速度要慢而对残余应力形成影响小的温度范围则可适当加快冷却速度参考文献〔美〕西北轻工业学院主编」等编《玻璃的退火和钢化》中国建筑工业出版社《玻璃工艺学》轻工业出版社郊秉章等《玻璃》一© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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