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硼硅酸盐玻璃具有热膨胀系数小、化学稳定性好、耐热性优良等特点,随着其在显示器玻璃、光电玻璃基板、耐火玻璃等领域的广泛应用,对平板硼硅酸盐玻璃的生产技术提出了更高的要求。
微型浮法技术的引入使高效量产高质量的平板硼硅酸盐玻璃成为可能,其中的退火环节是消除玻璃板中的残余应力和光学不均匀性、保证玻璃成品率的关键工艺。本文采用数值模拟的方法对硼硅酸盐玻璃的退火制度进行了研究,论文主要包括两大部分,退火模型的建立和模拟结果的分析,其中针对影响模拟准确性的硼硅酸盐玻璃弛豫也展开了分析讨论。
首先采用热膨胀仪测得玻璃样品升温过程中的热膨胀曲线,以TNM模型为基础计算结构弛豫的最优拟合参数。由于两个不同温度下保温不同时间的硼硅酸盐玻璃样品得到了完全相同的结构弛豫参数(Tr=830K,x=0.89,H=200kJ/mol,τr=200s,β=0.55),说明该方法对玻璃的分相并非十分敏感。应力弛豫的测量则受分相温度的影响十分明显,本文结合微区模型和聚集模型对硼硅酸盐玻璃中的富硅相进行了研究,建立了假想微区模型。以(τs=50.27s,β=0.5)作为未分相时的应力弛豫参数,加入了假想微区模型所引入的幂律项后成功修正了高温下其与实测弛豫函数在t>τ0'时的偏差。
由于硼硅酸盐玻璃较小的玻璃态、液态热膨胀系数,本文制定的退火流程包括单区冷风间接冷却、敞开自然对流换热和冷风直接换热工艺,退火模型又包括传热模型和玻璃的粘弹体模型。间接冷却区内采用等效黑度法建立玻璃板与冷却风间的间接换热模型,进入自然冷却阶段则看作恒温水平壁在大空间的自然对流换热问题,在考虑玻璃带内辐射换热的基础上建立厚度方向上的一维热传导模型并将其作为计算纵向温度场的递推公式,耦合Muki粘弹性平板模型后得到玻璃板端面应力分布。
通过对模型进行数值求解,待定的退火工艺参数可从以下几个方面确定:
(1)为了使分相缩减时间最小化,需保证间接冷却区入口温度所对应的缩减时间温度函数尽可能的小,同时该温度下玻璃还必须达到不变形粘度值,所以较为合适的入口温度为625℃。
(2)间接冷却区的出口温度也是玻璃带进入自然对流换热阶段时的温度,其对玻璃板内的残余应力、即时应力及结构应力突变均有很大影响。出口温度越低,板边即时张应力和结构应力突变的值也越小,而残余应力大小则不光与出口温度相关,在均采用标准冷却区的情况下当出口温度为420℃时残余应力最小。
(3)间接冷却区内冷风顺流工艺和冷风逆流工艺在对冷却风量和“临界区长”的影响上差别不大,但是采用冷风逆流工艺时无论是即时应力还是残余应力均要比采用冷风顺流工艺时的小。
所以最后确定的退火流程为玻璃带于625℃进入长度为8m的退火窑间接冷却区,至温度为420℃时离开间接冷却区进入自然对流冷却阶段,随后再通过冷风直接换热快速降至室温。