鋼化玻璃與硫化鎳的探討

　　作者：信義玻璃工程(東莞)有限公司 黃華義
摘要：鋼化玻璃引起的“自爆”主要來自浮法玻璃本體中夾雜的硫化鎳（Nis），為了降低鋼化玻璃的自爆幾率，目前國內較有規模的公司已采取了有效的工藝處理、檢測方法來減少未來更多自爆的問題，綜合了對硫化鎳進一步的了解，采用新標準進行均質處理來降低鋼化玻璃自爆的方法。

關鍵詞：鋼化玻璃、自爆、硫化鎳、均質處理
近幾年來,國內媒體時有傳出鋼化玻璃自爆的事件,其中主要是自爆后碎片在散落的過程對街上行走的人群造成輕微的傷害為主。鋼化玻璃的自爆問題一直環繞著人們恐懼的思想理念，在人們不了解的情況下， “自爆”的字眼更被誤認為空中炸彈、玻璃癌癥。其實鋼化玻璃自爆并沒有想象中的可怕，鋼化玻璃潛在的自爆問題一直倍受人們的關注，發展中國家的專家都試著采用有效手段遏制它的發生。原先在工廠內做引爆處理采用德國標準 DIN 18516:1990，但結果自爆率還是沒有得到有效的控制。因此，隨著EN 14179：2005標準的推出,不但縮短了加工時間，其中更加有效的降低因硫化鎳造成自爆的可能性,更驗證了它的引爆破損測試的可行性。

1 均質處理
玻璃深加工企業在完成鋼化處理后增加均質處理，有效的降低自爆的幾率。

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1.1 均質循環過程包括加熱、恒溫、和冷卻三個階段見圖二。

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T 玻璃在任何點的溫度，℃ d 周邊溫度
t 時間，小時 a 加熱階段
1 第一片玻璃達到280℃ b 恒溫階段
2 最后一片玻璃達到280℃ c 冷卻階段
1.2加熱階段
加熱階段開始于所有玻璃裝進均質爐與周邊溫度開始接觸，當最后一片玻璃達到280℃時結束。達到此溫度的時間在校準程序中確定。此時間取決于均質爐的尺寸、處理玻璃的數量、玻璃之間的間隔和加熱系統的加熱能力。

備注1
玻璃間隔和加熱速率應加以控制，使玻璃因熱應力的破碎減少到最小化。

為促進有效加熱，爐內空氣溫度可以超過320℃。然而，玻璃表面溫度不可超過320℃。玻璃表面溫度超過300℃的時間應最小化。

備注2
當玻璃溫度超過300℃時，應注意確保玻璃特性沒有明顯改變。

1.3恒溫階段
恒溫階段開始于所有玻璃的表面溫度達到280℃。持續時間為2小時。

為確保玻璃表面溫度在整個恒溫階段中保持在290±10℃的范圍內，均質爐需要精準操控。

1.4冷卻階段
冷卻階段開始于最后一片達到280℃的玻璃在結束恒溫290±10℃2 個小時后。在此階段玻璃溫度應冷卻到環境溫度。

冷卻階段可以在爐內空氣溫度達到70℃時結束。

備注：冷卻速率應加以控制，使玻璃因熱應力的破碎減少到最小化。

1.5均質處理系統
1.5.1均質爐
均質爐應使用強制對流加熱，利用不受限制的空氣循環使每一片玻璃受熱。若有玻璃破損，氣流不可受到阻擋。爐體內的氣流應和玻璃表面平行。

備注
空氣進出口應設計成能確保玻璃碎片不會對其造成阻塞。

1.5.2玻璃擺放
玻璃應垂直或水平擺放。玻璃不可固定或采用夾緊裝置夾住，應確保可以自由移動。

備注
垂直意為真正垂直或與任何垂直面相差15°。

玻璃間距會影響氣流、熱量交換和加熱時間。玻璃之間不可接觸。

1.5.3玻璃間隔
玻璃之間應采用一種不影響氣流的方式進行隔開。間隔物本身也應不阻礙氣流。

2 硫化鎳的來源
2.1浮法生產線的安裝過程中，熔窯內鎳化合物的潔凈度目前沒有受到更多浮法玻璃生產企業的關注，其中主要有熔窯內鋼結構焊接過后遺留下的焊頭、焊渣。理性的講，一個接縫在焊接時會產生上百個甚至上萬個小的鎳化合物也是很正常的，其實這也是直接影響整個窯爐產出浮法玻璃含鎳量。表面看一片完好的鋼化玻璃也許就因為含有大于60μm的硫化鎳而縮短它的使用壽命。

2.2 原料也是一個不可忽視的問題，浮法玻璃的成份有石英砂（硅砂）、純堿、芒硝、白云石、長石（鉀長石、鈉長石）、石灰石、助熔劑、澄清劑、著色劑、碎玻璃等，主要在硅砂、白云石、長石中也發現了微量的鎳質成份。

3.自爆的原理
3.1鋼化玻璃生產過程：

玻璃中含有硫化鎳結晶物，NiS(硫化鎳)在379℃時有一相變過程，從高溫狀態的α-NiS晶系轉變為低溫狀態β-NiS晶系時，體積膨脹2%~4%，且表面粗糙。如果這些雜質是在鋼化玻璃張應力區內，則體積膨脹就可能引起自發炸裂。

潛在自爆的鋼化玻璃主要是硫化鎳階段性轉變速度非常慢，硫化鎳的晶相轉變主要在產生高溫和低溫變化時，富鎳體在高溫時慢慢的膨脹，當溫度慢慢的冷卻時，由于含鎳質體與玻璃體的膨脹系數具有較大的差別，造成本體帶有應力的玻璃承受不了硫化鎳在板心向外的擠壓，浮法玻璃在生產退火時溫度是均勻逐漸慢慢的冷卻，但是在鋼化過程中玻璃出風柵后快速需要高速的均勻冷卻，兩者之比，前者是因為玻璃體的應力沒有達到自爆區域的臨界點，所以不會產生自爆的現象，而后者主要在于玻璃的兩個外表面是同步冷卻，在沒有得到相變時就已經被完全的包在玻璃體中，但這樣仍然無法擺脫日后硫化鎳的自爆，這種狀態一般持續幾年后因環境溫度的變化致使玻璃破裂。鋼化玻璃的制造和硫化鎳的不穩定性，主要是玻璃在鋼化爐內來回的擺動并均勻的加熱， 當加熱到680℃—720℃鋼化溫度時快速的到風柵冷卻，在高風壓提高強度高張力時，硫化鎳的張力在邊緣造成裂紋的擴大，當裂紋擴大到壓應力無法均衡時就會破裂，也就是我們在加熱后進行冷卻時玻璃會裂的原因之一，硫化鎳在38℃以上的高溫環境下突然引起的驟冷也會造成自爆 圖片附件:圖八.jpg 40.67K
現象，硫化鎳在SEM掃描電鏡下狀態：（見圖七圖八）

3.離線無損檢測的優勢
為了杜絕工程完工后鋼化玻璃自爆給業主或發展商留下的負面影響，幕墻公司可在產品的基礎上增加20%—30%之間的價格要求玻璃深加工商采用EN 14179：2005標準進行均質處理，雖然均質處理不是法規中強制性的做法，但為了更好的防止自爆，也可以購買離線的檢測設備在工地進行測試,從而減少因自爆造成的搭架、拆卸、補片、安裝而帶來高額的費用。

4.硫化鎳引起自爆的區分
鋼化玻璃因硫化鎳而引起的自爆會在局部產生放射性裂紋，如果玻璃破碎后仍留在框內，則在破碎的起點處可以比較容易找到一個“8”字形或“蝴蝶斑”圖案的特征,從自爆后的玻璃碎片中會產生的 “蝴蝶斑”，以傾斜45°的角度看，很容易在玻璃的板心看到一個較小的黑點置于“蝴蝶”中，正處于裂紋相交之間。

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結束語
鋼化玻璃中硫化鎳引起自爆的原因主要取決于環境溫度引起張應力的相變，為了降低和防止鋼化玻璃硫化鎳引起的自爆,浮法玻璃生產企業可以采取有效的在線識別檢測技術、深加工企業則在內部進行均質處理、離線檢測等方法來降低自爆幾率,為了鋼化玻璃在未來得到更好的應用, 鋼化玻璃的預防自爆技術更加值得進一步的去了解。

參考文獻:

[1]EN 14179：2005 《Glass in building —Heat soaked thermallytoughened soda limesilicate safety glass—Part 1: Definition and description》(S)
[2]The Achille Heel of a Wonderful Material: Toughened Glass PicaMS Dr Last review: January, 2006(J)