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玻璃噴霧鋼化工藝研究

2022-12-27 02:42石發(fā)祥趙聚龍劉風肖段潤澤
硅酸鹽通報 2022年11期
關鍵詞:鋼化鋼化玻璃噴霧

石發(fā)祥,趙聚龍,劉風肖,段潤澤,田 亮

(河北工業(yè)大學能源與環(huán)境工程學院,河北省熱科學與能源清潔利用技術重點實驗室,天津 300401)

0 引 言

隨著科學技術的發(fā)展和建筑裝飾行業(yè)的進步,玻璃已由過去的單一功能向多功能、安全性、環(huán)保性發(fā)展。鋼化玻璃因力學性能優(yōu)異、熱穩(wěn)定性強、安全性高,成為現階段應用廣泛的玻璃制品[1]。傳統(tǒng)鋼化玻璃的生產過程是將玻璃加熱至接近玻璃的軟化溫度(650~700 ℃),然后通過冷卻設備在熱玻璃兩側同時施加空氣,使熱玻璃迅速冷卻,玻璃的內外層將產生溫度梯度,導致玻璃表面產生壓應力,內層產生張應力[2-4]。壓應力與張應力平衡時,玻璃表面的抗拉伸性能和強度有所提高,其中強度提高了3~5倍,表面壓應力約為中心張應力的2倍,在厚度方向上,兩者呈二次拋物線分布[5-7]。這兩種應力的產生和分布是溫度變形被凍結的結果,其大小主要取決于在轉變溫度以上玻璃的冷卻速率[8]。因此,控制玻璃淬火過程中的溫度是非常重要的。

目前,我國鋼化玻璃行業(yè)迅猛發(fā)展,年產量約5億m2,耗電量約26億kW·h[9]。在傳統(tǒng)的風冷鋼化設備中,冷卻過程能耗大,約占整個鋼化設備能耗的60%~80%,同時這種工藝噪聲污染很大,設備成本也相對較高[10]。針對上述問題,采用傳熱效果更強的噴霧來替代噴氣進行淬冷鋼化,霧化介質為水,理論上可以減少能耗。

噴霧冷卻作為一種高效的冷卻方式廣泛應用在許多工業(yè)領域,且在玻璃鋼化應用中有巨大的潛力。但由于玻璃特殊的性質,噴霧淬冷工藝技術難度大,相關的研究,尤其是試驗研究并不多見。Ohkubo和Nishio[11]對小尺寸熱玻璃一側進行瞬態(tài)噴霧冷卻回火試驗,結果表明,采用噴霧冷卻可以制備低成本且不斷裂的薄鋼化玻璃。Sozbir和Yao[12-13]認為噴霧冷卻試驗中整體的對流傳熱系數分為空氣射流傳熱系數和細水霧傳熱系數兩個部分,其中細水霧傳熱系數隨著空氣流速和液體質量通量的增加而增大。在玻璃鋼化的冷卻過程中添加水霧以減少高壓空氣的消耗,噴霧作用時間依次為0.2 s、0.6 s、1.0 s,結果表明在噴氣過程中加入短暫的噴霧可以改善玻璃鋼化效果,降低能耗。Lee等[14]、Garciamoreno等[15]、潘海[16]等將研究重點放在液滴和玻璃熱表面之間沒有直接接觸的情況進行回火,試驗中液滴在空氣射流的裹挾下參與玻璃冷卻,既利用液滴蒸發(fā)的汽化潛熱提高玻璃的冷卻速率,又增大了玻璃的鋼化強度,節(jié)約了能耗。但是Garciamoreno等[15]的試驗中冷卻表面為黃銅板而非玻璃板。鄒韶睿[17]指出,水霧作為冷卻介質,能夠大大降低鋼化薄玻璃制備所需的能耗,但并未通過試驗論證,僅僅停留在理論層面。本課題組[10,18]利用氣動霧化噴嘴產生均勻噴霧,實現了40 mm×20 mm×5 mm的小尺寸玻璃全程噴霧淬冷鋼化,試驗結果表明:噴霧距離越小,鋼化效果越好;在相同噴霧條件下,玻璃厚度越大,鋼化效果越好。

以上研究都證明了噴霧鋼化玻璃這一技術在制備鋼化玻璃上是可行的,但并沒有詳細分析比較兩種鋼化方法的能耗差異。因此,本研究在同一個試驗臺上開展風冷鋼化玻璃與噴霧鋼化玻璃試驗,對比鋼化效果;再逐步提高霧載分數,分析霧載分數對玻璃破碎顆粒數、能耗以及冷卻時間的影響規(guī)律。

1 實 驗

玻璃淬冷是鋼化工藝的一個重要環(huán)節(jié),基本要求是快速而均勻的冷卻,使玻璃外層最終呈壓應力狀態(tài)內層呈張應力狀態(tài)。采用直徑1 mm的圓孔噴嘴對玻璃進行風冷鋼化和噴霧鋼化試驗,圓孔噴嘴垂直對稱布置在熱玻璃的兩側,噴嘴孔距玻璃表面200 mm。根據射流理論[19],在射流沖擊傳熱中,射流能量和冷卻能力沿射流軸向產生衰減和擴散,即噴距增大時,射流沖擊的有效作用面積增大,而有效沖擊力不一定增大。因此,無論是風冷鋼化還是噴霧鋼化都需要確定最佳噴距使玻璃表面完全被覆蓋。鋼化冷卻玻璃試驗系統(tǒng)如圖1所示,由紅外熱像儀、加熱爐、空氣壓縮機、水罐、氣罐、玻璃支架、氣動噴嘴、管路和閥門等組成。

圖1 玻璃淬冷試驗設備系統(tǒng)圖

為了測得玻璃淬冷時的溫度,在試驗開始前,將紅外熱像儀[20-21]垂直布置在100 ℃玻璃的一側,玻璃表面貼有熱電偶,調整紅外熱像儀的參數,直到熱像儀測量的溫度與熱電偶的溫度相等。試驗時,出爐的玻璃溫度在630 ℃左右波動,因此將630 ℃作為玻璃的鋼化溫度[7]。當玻璃進入冷卻裝置中進行淬冷,開始計時,并對玻璃表面駐點處的溫度進行實時監(jiān)測,獲得不同工況下駐點處的降溫曲線。

在本試驗條件下,將玻璃放入700 ℃的馬弗爐中加熱10 min。將加熱至軟化溫度的玻璃從馬弗爐中迅速取出,避免熱玻璃在進入冷卻裝置前因過度冷卻造成測溫誤差。將兩個孔徑為1 mm的氣動霧化噴嘴相對,于玻璃兩側對稱布置,對玻璃進行垂直冷卻。氣動霧化噴嘴利用空氣對水進行霧化,該噴嘴霧化效果好,速度和粒徑分布均勻[22-24],霧化形成的微液滴作用在高溫玻璃的兩側,迅速汽化,快速冷卻熱玻璃表面。風冷鋼化玻璃試驗在噴霧冷卻的基礎上,將噴嘴的水路關閉,只開放氣路,讓高速空氣直接從噴孔噴出作用于熱玻璃表面,這種方式保證了噴氣與噴霧試驗的可比性。

試驗完成后,需對玻璃進行應力測試,表面應力儀檢測[25]和觀察鋼化玻璃的碎片狀態(tài)是目前判斷玻璃鋼化程度的重要手段。鋼化玻璃破碎后的碎片呈放射狀分布,在放射中心有兩塊形似蝴蝶翅膀的玻璃塊,俗稱“蝴蝶斑”[26-27]。隨著鋼化程度的提高,玻璃的表面應力和內應力也隨之增大,表面應力的增大增加了玻璃破碎后的碎片數目,而內應力的增大使得玻璃碎片尺寸變小[26]。Shutov等[28]研究了鋼化玻璃破碎后的碎片形狀和數量;Yazc[29]在三角形陣列排布下的冷卻風柵中進行玻璃回火,利用碎片的數量和形狀來衡量玻璃的回火質量。研究表明,鋼化程度越高,碎片數越多,碎片尺寸越小。因此,本研究中使用逃生錘敲擊鋼化玻璃表面中心點,觀察有無“蝴蝶斑”碎片和放射狀條紋;利用鋼化玻璃破碎后的顆粒大小、數目和分布趨勢來量化玻璃的鋼化程度。

2 理論計算

2.1 霧載分數

試驗時,通過調節(jié)水的體積流量計來控制參與冷卻水霧的濃度。因此,本研究選擇一個無量綱參數(霧載分數f)表征冷卻時水霧的濃度,定義為水的質量流量與空氣質量流量的比值[30],計算如式(1)所示。

(1)

式中:wl和wg分別為水和空氣的質量流量,kg/h;ρl為水的密度,kg/m3;ρg為空氣的密度,kg/m3;Ql為水的體積流量,m3/h;Qg為空氣的體積流量,m3/h。

2.2 空氣壓縮機做功的理論計算

試驗中所需的壓縮空氣由螺桿空氣壓縮機產生,壓縮機額定電機功率為37 kW,額定體積流量為6.3 m3/min,額定工作壓力為0.8 MPa。電效率和富裕系數分別為94.7%和1.15。如果直接使用壓縮機產生的壓縮空氣,由于壓力波動,流量將不連續(xù),為了獲得穩(wěn)定流量的壓縮空氣,試驗選用容量為5 m3的壓縮空氣罐,且在壓縮空氣進入冷卻裝置前安裝氣體壓力調節(jié)閥。生產1 kg壓縮空氣做功W計算如式(2)所示。

(2)

式中:n為壓縮過程中的多變指數,1.25;Rg為空氣的氣體常數,287 J/kg·K,T1為大氣溫度,300 K;p2為壓縮機產生的絕對壓力,0.9 MPa;p1為大氣壓力,0.1 MPa。計算得到單位質量氣體的壓縮功為273.20 kJ/kg。

因此,生產單位質量的壓縮空氣所消耗的電量Ee計算如式(3)所示,計算得到壓縮單位質量氣體的能耗為7.59×10-2kW·h/kg。

(3)

2.3 能耗統(tǒng)計

對同一工況進行5次試驗,記錄每次工況空氣和水的流量計數據及每塊玻璃鋼化所需的冷卻時間。試驗中水由壓縮空氣壓入噴嘴,所以壓縮空氣耗量包括兩部分:即噴嘴尾部的空氣耗量和驅動水進入噴嘴的空氣耗量。其中每秒鐘噴嘴尾部的空氣耗量m1計算如式(4)所示。

(4)

式中:ρ2為25 ℃、大氣壓下空氣的密度,1.169 1 kg/m3。

每秒鐘驅動水進入噴嘴的空氣耗量m2計算如式(5)所示。

(5)

式中:ρ3為25 ℃、0.7 MPa下空氣的密度,8.183 7 kg/m3。

單次試驗時每秒鐘噴嘴總的空氣耗量M計算如式(6)所示。

M=m1+m2

(6)

因此,統(tǒng)計期內不同工況下每次試驗的能耗計算如式(7)所示。

Eij=Ee×Mij×tij

(7)

式中:Eij為工況i下第j次試驗消耗的電能,kW·h;Ee為生產1 kg壓縮空氣消耗的電量,kW·h/kg;tij為工況i下第j次試驗的用時,s。

工況i下平均每塊玻璃的能耗Eid計算如式(8)所示。

(8)

3 玻璃碎片計數

用透明的膠帶完成鋼化玻璃的固定,用逃生錘敲擊玻璃表面中心點進行破碎。對碎片拍照,為避免主觀因素影響玻璃碎片計數的統(tǒng)計,本文利用ImageJ圖像處理軟件進行碎片數目的處理。處理流程如圖2所示,包含4個步驟:

(1)將原始圖像導入到ImageJ軟件中,如圖2(a)所示;

(2)將原始圖像轉換為灰度圖像,增加圖像對比度,此時的圖像只有亮度差別,而沒有顏色差別,如圖2(b)所示;

(3)調節(jié)合適的閾值進行圖像分割,最大限度地分離圖像的背景和前景,使裂紋痕跡變得明顯,此時圖像為黑白二值圖,如圖2(c)所示;

(4)對黑白二值圖中玻璃碎片進行計數,如圖2(d)所示。由于原始圖像中膠帶痕跡過多、裂紋邊緣模糊等客觀因素,圖像處理結果存在一定誤差。將軟件運行結果與實際圖像進行比較以校正碎片數量。

圖2 ImageJ軟件圖像處理過程

4 結果與討論

分析時將風冷鋼化玻璃的霧載分數定義為0,在此基礎上提高霧載分數,依次為0.61、0.92、1.53,并對每個工況做5次試驗,用統(tǒng)計學方法處理試驗數據,得到不同工況下玻璃碎片數目、能耗和冷卻時間的平均值和標準差。這樣可以有效減少隨機誤差的影響,提高試驗分析的準確度。四種工況參數如表1所示。

表1 鋼化玻璃冷卻時不同霧載分數的工況

圖3為不同工況下玻璃表面駐點溫度的降溫曲線,隨著霧載分數的增加,玻璃的降溫速率增大。這是因為霧載分數越大,更多的噴霧作用于熱玻璃表面,對流換熱效率越高。

圖3 不同工況下玻璃表面駐點溫度的降溫曲線

4.1 霧載分數對鋼化程度的影響

我國鋼化玻璃標準要求,當鋼化玻璃的表面應力大于90 MPa時,50 mm×50 mm面積內的碎片可達到40粒;當表面應力為110 MPa時,50 mm×50 mm面積內的碎片可達到60~70粒。玻璃中內應力的大小與分布的均勻程度是鋼化程度的重要特征。宏觀上利用破碎后鋼化玻璃顆粒的尺寸及均勻程度來表征、檢驗、考核玻璃的鋼化程度和玻璃中應力分布的均勻程度[31]。

圖4為不同工況下的玻璃破碎圖,圖5統(tǒng)計了不同工況下玻璃的平均顆粒數。風冷鋼化時,玻璃破碎后的平均顆粒數為101個;噴霧鋼化時,當霧載分數為0.61、0.92、1.53時,平均顆粒數分別為110個、120個、148個比風冷鋼化時增加8.91%、18.81%、145.54%。結果表明,隨著霧載分數的提高,玻璃破碎后的顆粒數目增多,碎片減小且分布更均勻。相應的玻璃內能增大,鋼化程度提高。這是因為霧載分數的增加使得玻璃的冷卻強度增大,玻璃表面熱流密度的提高促使玻璃內外的溫度梯度增大,進而鋼化玻璃的表面壓應力提高,這與Shutov等[7]和田純祥[31]得出的結論一致。鋼化玻璃的顆粒數目隨霧載分數的增大而增加,霧載分數越大,鋼化程度越高。

圖4 不同工況下的玻璃破碎圖

圖5 不同工況下玻璃的平均顆粒數

圖6為普通玻璃和不同工況下鋼化玻璃厚度方向上的應力分布圖,p代表普通玻璃。結果表明:隨著霧載分數的增加,鋼化玻璃表面應力增大。風冷鋼化時,鋼化玻璃表面應力為90.7 MPa;當霧載分數為0.61、0.92、1.53時,玻璃表面應力分別為101.7 MPa、108.0 MPa、125.1 MPa比風冷鋼化時增加12.12%、19.07%、37.93%。表面壓應力的存在使得玻璃能夠承受更高程度的外部載荷,這是因為壓應力抑制了玻璃表面微裂紋的擴展,進而提高玻璃的抗彎曲強度和安全性能。霧載分數越大,生成的表面壓應力越大,鋼化程度越高。在本試驗條件下,霧載分數存在極限值,當霧載分數為1.54時,玻璃因冷卻速率過大,表面的瞬態(tài)拉伸應力超過極限值而破碎無法完成鋼化。

圖6 玻璃厚度方向上的應力分布圖

4.2 霧載分數對冷卻能耗的影響

在本試驗條件下,玻璃的冷卻能耗主要來源于壓縮空氣的消耗。一方面,霧載分數的增加減少了高壓空氣的使用;另一方面,更多的液滴參與玻璃的換熱,加強了液滴對玻璃表面的擾動和沖刷,玻璃表面的傳熱速率增加,冷卻時間減少。因此,空氣壓縮機所做的功和消耗的電量降低。圖7統(tǒng)計了不同工況下的平均能耗。

風冷鋼化時,每塊玻璃的平均冷卻能耗為0.004 28 kW·h;噴霧鋼化時,當霧載分數為0.61、0.92、1.53時,平均能耗分別為0.003 21 kW·h、0.002 75 kW·h、0.001 89 kW·h,分別降低25.06%、35.60%、55.74%。結果表明,鋼化玻璃的能耗隨霧載分數的增加而減少。觀察圖7和圖5發(fā)現,雖然工況2下的增加霧載分數使得鋼化玻璃的能耗減少,平均顆粒數比工況1下的平均顆粒數增長了8.91%,但在圖4中可以看出兩種工況下的玻璃碎片大小與分布大體相同,這表明與風冷鋼化相比,噴霧鋼化只需少量質量通量的噴霧參加玻璃淬冷鋼化便可達到類似的鋼化程度,減少了鋼化過程中高壓空氣的使用量,節(jié)約了能耗。對于噴霧鋼化玻璃而言,消耗的能量主要用于工質水離開噴嘴時發(fā)生復雜的氣泡撕裂和破碎過程,其次是黏性力耗功和膨脹冷卻功,最小的是克服表面張力耗功和噴霧動能耗功。其中,噴霧動能耗功用來淬冷熱玻璃。因此,可以通過提高噴霧動能耗功的占比來提高噴霧玻璃淬冷時的能量利用效率。

圖7 不同工況下的平均能耗

4.3 霧載分數對冷卻時間的影響

在玻璃鋼化過程中,冷卻速率和冷卻時間是影響鋼化玻璃質量的關鍵因素。玻璃的鋼化冷卻時間包括急冷鋼化時間和自然冷卻時間[32-33],急冷鋼化時間是指熱玻璃出爐進入冷卻區(qū)開始到玻璃完成急冷的時間,在這段時間內,玻璃內外溫度梯度較大,是玻璃應力形成的時間,決定了玻璃的鋼化質量;自然冷卻時間是指玻璃完成急冷鋼化后自然冷卻至室溫的時間。

圖8為不同工況下的平均冷卻時間。風冷鋼化時,玻璃的平均冷卻時間為102 s;噴霧鋼化時,當霧載分數為0.61、0.93、1.53時,平均冷卻時間分別為92.4 s、79.2 s、54.0 s比風冷鋼化時減少9.41%、22.35%、47.06%。結果表明,隨著霧載分數的增加,玻璃的冷卻時間減少,這是因為更多的噴霧參與淬冷鋼化,提高了液滴汽化潛熱的利用率和玻璃與冷卻介質之間的對流換熱系數,玻璃表面的熱流密度增大,冷卻速率增大。

圖8 不同工況下的平均冷卻時間

5 結 論

(1)霧載分數的提高,增加了鋼化玻璃破碎后的顆粒數目,提高了鋼化玻璃均勻程度,即鋼化玻璃的顆粒數目隨霧載分數的增加而提高。

(2)與風冷鋼化相比,噴霧鋼化只需少量質量通量的噴霧便可達到類似的鋼化程度;鋼化玻璃的冷卻能耗隨霧載分數的增大而減少。

(3)隨著霧載分數的提高,玻璃的冷卻強度增加,冷卻速率增大,冷卻時間減少,即玻璃的冷卻時間隨霧載分數的增大而減少。

(4)霧載分數越大,玻璃鋼化程度越高,節(jié)能效果越顯著。但是,霧載分數不宜過大,過大的霧載分數會導致熱玻璃表面的瞬態(tài)拉伸應力超過極限值而在噴霧中破碎。

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