钢化玻璃自爆原因分析及预防处理措施＊

孟秀华 庞晓光

（1.河北建材职业技术学院，河北秦皇岛 066004；2.中国建筑材料检验认证中心，北京 100024）

0.引言

玻璃是人们日常生活中不可或缺的材料，易碎这个缺点限制了玻璃的应用领域。经过钢化处理的玻璃因其机械强度提高而成为安全玻璃，拓展了玻璃的应用范围，但钢化玻璃自爆问题给生产企业和用户都造成了经济损失，人们对其安全性提出了质疑，钢化玻璃自爆问题亟待得到彻底解决。

1.钢化玻璃自爆原因分析

1.1 玻璃原片中的硫化镍造成钢化玻璃自爆

目前研究认为钢化玻璃自爆的主要原因是玻璃原片内存在非玻璃体的硫化镍结石，直径在0.09mm～0.24mm之间，平均粒径0.15mm的硫化镍结石最容易引起自爆。硫化镍结石有两种存在形式，即高温型的α相和低温型的β相，两种形式随着温度的变化可以相互转化，并伴随体积变化。

所谓钢化玻璃是将普通退火玻璃重新加热到软化点以上，再经过急冷得到表面形成均匀压应力，中间形成张应力的玻璃，其强度提高到普通退火玻璃的5倍左右。玻璃板在钢化炉内经过加热和急冷两个阶段完成钢化过程，在加热阶段温度升至600℃以上，硫化镍转变为高温型的α相，随后玻璃板进入急冷阶段，一部分高温型的α相因突然降温未能转化为低温型的β相，则被冻结在钢化玻璃中。室温环境下α相硫化镍趋向于转变为β相，并伴随着2%～4%的体积膨胀，造成玻璃内部产生较大的局部张应力，在硫化镍晶体周围形成微裂纹并不断扩展，从而导致钢化玻璃自爆[1]。要预防钢化玻璃自爆，必须消除玻璃中的硫化镍结石，首先要找到硫和镍的来源。硫化镍来源于玻璃原片，原片玻璃主要来源于浮法玻璃生产线、平拉、格法等生产线（平拉和格法玻璃所占比例很少）。

（1）金属镍的来源。在原片玻璃生产过程中，硅砂、砂岩、长石、石灰石、白云石等天然矿物原料可能含有金属镍而被引入到玻璃中；原料加工中尤其是破碎和粉磨设备的耐磨部件、混合机等设备的磨损，造成少量的金属镍进入配合料中；熔窑熔化中投料机在高温环境下工作，采用耐热合金钢部件也是镍的来源之一；锡槽成型中使用的拉边机机头是耐热合金钢，也可能引入金属镍。总之镍主要来源于玻璃原料和接触原料及玻璃液的机械设备。（2）硫的来源。在原片玻璃中硫主要来源于原料和燃料，玻璃原料中的天然矿物原料会含有少量的硫，作为澄清剂的芒硝是含硫原料，如果不能完全分解也是硫的来源；玻璃液熔化所用的燃料有重油、煤气、天然气、煤焦油、石油焦等，石油和煤中含有大量的硫，也随着燃料进入熔窑而引入到玻璃液中；在浮法玻璃生产线的过渡辊台使用二氧化硫改善玻璃表面质量，因密封不良会有少量的硫进入锡槽，造成锡槽的硫污染，从而引入到玻璃中。总之硫主要来源于原料和燃料。

1.2 钢化过程中温度不均造成自爆

钢化玻璃又称为淬火玻璃。它是将普通平板玻璃在钢化炉内通过急热和急冷使玻璃表面形成压应力，内部形成张应力，而提高玻璃的机械强度和热稳定性，是一种广泛使用的安全玻璃。钢化玻璃一旦破碎则形成均匀的小碎块，不易伤人。玻璃钢化炉分为前端的加热区和后部的淬冷区两部分。玻璃在钢化炉内加热和急冷过程中应该确保受热均匀产生均匀的热应力。加热系统采用电热丝布置在加热炉的顶部，由于电热丝的布置问题或电热丝长时间使用造成表面氧化变脆，甚至烧熔断裂，导致钢化炉炉体内温度不均，使被钢化的玻璃板受热不均；其次钢化炉内的若干个温度控制区，一旦温度控制系统发生故障，温度检测不准，炉体内局部温度失去控制，也会造成玻璃加热的不均匀。玻璃板加热到软化点温度以上后被输送到淬冷区，淬冷区采用风栅设计，冷却风从上下两个表面对玻璃板强制吹风淬冷，如果风栅局部堵塞造成吹风不均匀，导致玻璃板冷却不均。加热和淬冷过程的受热不均都会使玻璃产生不均匀热应力，这些热应力不超过玻璃的承受能力则玻璃不会破碎，但用户在使用过程中因温度变化、外力作用等就会使钢化玻璃自爆[2]。

2.预防钢化玻璃自爆的措施

2.1 控制玻璃原片中硫和镍的引入量

钢化玻璃自爆的主要原因是硫化镍结石所致，钢化玻璃企业应该选用优质的不含镍的玻璃原片。对于原片玻璃生产企业尽量控制玻璃矿物原料中镍金属含量，凡是接触原料、配合料的设备部件选用高质量的合金部件，减少部件的磨损引入金属镍；对于硫的控制，选用低硫燃料，配合料中芒硝含率不能过高，一般控制在2.5%以下，同时加入相应的碳粉，确保硫澄清充分发挥作用，熔窑的前区控制成还原气氛，保证碳粉的还原作用。过渡辊台处的二氧化硫管要置于2#过渡辊以后，尽量远离锡槽，确保二氧化硫不进入锡槽。硫和镍的引入得到控制，则不会在玻璃中形成硫化镍结石。

2.2 改进玻璃配方减少硫化镍的形成

硫化镍是导致了钢化玻璃自爆的主要原因，金属镍无论是在玻璃原料中还是玻璃机械带入都是极为微量的，如果严加控制彻底消除镍元素的引入，则会大大增加生产成本，且玻璃缺陷自动检测仪也很难精确检测低于0.2mm的点缺陷，试图通过质量检测剔除含有硫化镍的玻璃几乎不可能。目前有研究结果表明在玻璃原料中加入少量硫酸锌或硝酸锌，通过它们的强氧化作用，将玻璃中的硫化物氧化成硫酸盐，而溶解于玻璃液中，则不会产生硫化镍结石，就不会造成钢化玻璃的自爆。这个方法有待实践继续探索研究。

2.3 钢化玻璃均质处理

解决钢化玻璃自爆最有效的方法是均质处理。均质处理是在均质炉中进行的，均质过程分为加热、恒温和冷却3个阶段。首先将钢化玻璃重新加热到290℃±10℃，并保温2h左右，玻璃中如果含有在钢化中未来得及转变为β相的α相硫化镍，在此过程中完成晶相转变，发生体积膨胀，在均质炉内破碎，让今后在用户使用过程中可能自爆的玻璃在玻璃厂内提前破碎。这种钢化后再次热处理的方法,即为钢化玻璃均质处理。企业多年的实践发现硫化镍280℃ 时的相变速率是250℃ 时的100倍，因此均质炉内最关键的是控制各处温度均匀一致，使每片玻璃的每个部位都处于相同的温度。否则温度过高的部位，硫化镍会由β相逆向转变为α相，而温度低的部位α相硫化镍又不能完全转变为β相。因此均质炉内温度不均匀，过高或过低都会导致均质处理失效[3]。

2.4 改进均质炉保温性能

钢化均质炉均质效果差的原因之一是保温效果差，保温效果差的原因有保温材料质量不过关或者是均质炉使用时间过长保温材料失效，还有炉体外壳所用耐热钢材料质量差在高温下变形导致炉体密封不严，以及炉门、各个管道保温不好或是连接处密封不严造成热量损失，导致均质炉内温度不均。因此必须对上述问题全面处理才能保证炉体内的工作温度均匀稳定，降低热量损耗，提高热效率，达到高质量的均质效果。

某公司的均质炉经过几年的使用炉体保温效果下降，一些部位的钢结构变形，造成密封不严。为了提高均质效果，课题组决定对炉体进行改造。首先，检查各部位钢结构，按照设备图纸要求严格进行测量，更换高质量的耐热钢材料，保证均质炉在使用过程中不变形。其次，清除原保温棉，更换新采购的保温棉，并保证填实塞紧；然后，检查炉门密封性，更换炉门密封棉；最后，检查炉顶风管保温材料发现有大量脱落，重新更换加装，减少裸露风管的热量损失，并对风管连接部位加强保温。

2.5 提高均质炉温度控制精度

均质炉温度控制精确度极为关键，温度控制不准，造成炉内玻璃温度不均。电控柜增设加热系统的检测功能，监控三相电流是否平衡来判断熔断器、固态继电器、加热管有无损坏情况，保证设备的正常运行。达到精确测定和调节温度的目的。

3.结语

钢化玻璃自爆的主要原因是玻璃内含有硫化内结石，防止钢化玻璃自爆的措施归纳为：（1）采购优质的玻璃原片进行钢化；（2）原片生产企业严格控制玻璃中的硫和镍的含量；（3）对钢化玻璃进行均质化处理；（4）改进均质炉保证均质效果。