摘　要：介紹鋼化玻璃特性及生產(chǎn)工藝，探討了廚具(灶具、吸油煙機(jī)等)用鋼化玻璃自爆原因及解決方法。

關(guān)鍵詞：廚具　鋼化玻璃　自爆

Reasons and Solutions of Self-explosion of Toughened Glass for Kitchen Utensils

Abstract：The characteristics and production technology of toughened glass are introduced．The reasons and solutions of self-explosion of toughened glass for kitchen utensils such as cooking appliances and range hood are discussed．

Keywords：kitchen utensil；toughened glass；self-explosion

鋼化玻璃自爆一直困擾著鋼化玻璃生產(chǎn)廠家及選用鋼化玻璃的廚具(灶具、吸油煙機(jī)等)生產(chǎn)廠家。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)大部分鋼化玻璃生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的鋼化玻璃自爆率為0.3％～0.5％，個(gè)別廠家生產(chǎn)的鋼化玻璃自爆率還要高。本文針對(duì)廚具用鋼化玻璃(采用物理鋼化法生產(chǎn))的自爆原因及解決辦法進(jìn)行探討。

1　鋼化玻璃特性及生產(chǎn)工藝

①特性

鋼化玻璃具有抗彎強(qiáng)度高、抗沖擊強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好以及光潔、透明等特點(diǎn)。鋼化玻璃的抗彎強(qiáng)度是普通玻璃的3～5倍，抗沖擊強(qiáng)度是普通玻璃的5～10倍。鋼化玻璃在遇超強(qiáng)沖擊破壞時(shí)，碎片成分散細(xì)小顆粒狀，無(wú)尖銳棱角，因此又稱安全玻璃。鋼化玻璃耐驟冷驟熱性能比普通玻璃高2～3倍，一般可承受l50℃以上的溫差變化，有優(yōu)異的防熱炸裂性能。

②生產(chǎn)工藝

鋼化玻璃采用普通平板玻璃或浮法玻璃(稱為玻璃原片)加工處理而成，普通平板玻璃要求選用特選品或一等品，浮法玻璃要求選用優(yōu)等品或一級(jí)品。

目前，生產(chǎn)鋼化玻璃的工藝有物理鋼化法、化學(xué)鋼化法。物理鋼化法是將玻璃在鋼化爐內(nèi)加熱到低于軟化溫度，然后迅速送入冷卻裝置，用一定壓力的常溫氣流進(jìn)行淬冷。玻璃外層首先收縮硬化，由于玻璃的熱導(dǎo)率小，此時(shí)玻璃內(nèi)部仍處于高溫狀態(tài)，待玻璃內(nèi)部開始硬化時(shí)，已經(jīng)硬化的外層將阻止內(nèi)層的收縮，從而使得先硬化的外層產(chǎn)生壓應(yīng)力，后硬化的內(nèi)層產(chǎn)生張應(yīng)力。正是由于玻璃表面的這種壓應(yīng)力的存在，當(dāng)外力作用于該表面時(shí)，必須先抵消這部分壓應(yīng)力，這就大大提高了玻璃的機(jī)械強(qiáng)度。常見的建筑幕墻玻璃及廚具上的鋼化玻璃一般采用物理鋼化法生產(chǎn)。

化學(xué)鋼化法是將普通平板玻璃或浮法玻璃通過(guò)離子交換方法，將玻璃表面成分改變，使玻璃表面形成一層壓應(yīng)力層。

2　鋼化玻璃自曝原因及解決方法

鋼化玻璃自爆主要由自身應(yīng)力導(dǎo)致，采用物理鋼化工藝生產(chǎn)的鋼化玻璃表層存在壓應(yīng)力，內(nèi)層存在張應(yīng)力，使玻璃得以強(qiáng)化，任何打破應(yīng)力平衡的因素均將導(dǎo)致鋼化玻璃發(fā)生自爆。導(dǎo)致鋼化玻璃自爆的主要原因有：玻璃原片因素、加工因素、鋼化玻璃面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。

2．1　玻璃原片因素

由玻璃原片因素引起的鋼化玻璃自爆可分為兩種：一種是由玻璃原片中可見缺陷引起的自爆，例如砂粒等夾雜物、氣泡、缺口、崩邊、暗裂等；另一種是由玻璃原片中硫化鎳(NiS)雜質(zhì)膨脹引起的自爆。這是兩種不同類型的自爆，應(yīng)區(qū)別對(duì)待，采用不同方法來(lái)應(yīng)對(duì)和處理。前者一般目視可見，檢測(cè)相對(duì)容易，在生產(chǎn)中可控。后者主要由玻璃原片中微小的硫化鎳顆粒體積膨脹引發(fā)，無(wú)法目測(cè)檢驗(yàn)，在生產(chǎn)中不可控。在實(shí)際生產(chǎn)中，前者一般可以在安裝前剔除，后者因無(wú)法檢驗(yàn)而繼續(xù)存在，成為使用中鋼化玻璃自爆的主要原因。

對(duì)于現(xiàn)有浮法玻璃制造工藝，不可避免會(huì)有硫化鎳夾雜。在浮法玻璃生產(chǎn)線安裝階段，熔窯鋼結(jié)構(gòu)焊接將產(chǎn)生大量鎳化合物，在玻璃原片制造過(guò)程中鎳化合物與燃料及混配料(生產(chǎn)浮法玻璃的原料)中的硫形成硫化鎳。硫化鎳是一種晶體，存在兩種晶相：高溫相a-硫化鎳、低溫相b-硫化鎳，晶相轉(zhuǎn)變溫度為379℃。浮法玻璃在鋼化爐內(nèi)加熱時(shí)，由于加熱溫度遠(yuǎn)高于晶相轉(zhuǎn)變溫度，硫化鎳全部轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷叵?/span>a-硫化鎳。在隨后的淬冷過(guò)程中，a-硫化鎳來(lái)不及轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>b-硫化鎳，被凍結(jié)在鋼化玻璃中。在室溫環(huán)境下，a-硫化鎳是不穩(wěn)定的，有逐漸相變?yōu)?/span>b-硫化鎳的趨勢(shì)，這種相變最長(zhǎng)會(huì)持續(xù)幾年，并伴隨著2％～4％的體積膨脹。當(dāng)體積膨脹到足以打破原有鋼化玻璃的應(yīng)力平衡時(shí)，將導(dǎo)致鋼化玻璃自爆。由硫化鎳雜質(zhì)引起的鋼化玻璃自爆見圖1。自2002年起，廚具鋼化玻璃面板已廣泛采用防爆膜(網(wǎng))工藝，即使鋼化玻璃自爆后仍附著在防爆膜(網(wǎng))上，不僅保證了使用者的安全，而且為鑒別自爆原因提供了完整的實(shí)物。

由硫化鎳雜質(zhì)引起的鋼化玻璃自爆起爆點(diǎn)(鋼化玻璃裂紋成放射狀，均有起爆點(diǎn))位于鋼化玻璃中部，起爆點(diǎn)位置有兩小塊多邊形組成的類似兩片蝴蝶翅膀的圖案(稱為蝴蝶斑)，仔細(xì)觀察兩小塊多邊形公用邊(蝴蝶的軀干部分)，應(yīng)有肉眼可見的黑色小顆粒(硫化鎳結(jié)石)。若起爆點(diǎn)位于玻璃邊緣，一般是由于鋼化玻璃未經(jīng)過(guò)倒角磨邊處理或邊緣有缺口、崩邊、暗裂，造成應(yīng)力集中，裂紋逐漸發(fā)展造成的。

防止硫化鎳雜質(zhì)造成自爆的方法是對(duì)鋼化玻璃進(jìn)行均質(zhì)處理，均質(zhì)處理是公認(rèn)的解決鋼化玻璃自爆問(wèn)題的有效方法。均質(zhì)處理是采用均質(zhì)爐將鋼化玻璃再次加熱并保溫一定時(shí)間，使硫化鎳在鋼化玻璃出廠前完成晶相轉(zhuǎn)變，使得有自爆傾向的鋼化玻璃在出廠前破碎。

2．2　加工因素

①冷加工缺陷

由于玻璃屬于脆性材質(zhì)，冷加工(開孔、切割等)過(guò)的邊緣易存在一些細(xì)微的缺口、崩邊和不易察覺(jué)的暗裂，易存在冷加工缺陷的位置如灶具鋼化玻璃面板的燃燒器位置(方形或圓形)、開關(guān)旋鈕孔位置。在隨后的鋼化過(guò)程中存在冷加工缺陷的部分玻璃原片將出現(xiàn)自爆，而在鋼化過(guò)程中未出現(xiàn)自爆的在使用過(guò)程中仍易自爆。為降低冷加工缺陷導(dǎo)致的自爆，應(yīng)提高玻璃原片的冷加工精度，選用滿足精度要求的工具，消除加工過(guò)程中的振動(dòng)，對(duì)開孔、切割邊緣進(jìn)行倒角(圓)處理，并在開孔、切割、倒角(圓)等工序中采用水冷卻，防止局部過(guò)熱。

②熱加工

熱加工引起的鋼化玻璃自爆主要原因是：鋼化爐加熱、冷卻不均勻；過(guò)度鋼化；均質(zhì)爐內(nèi)鋼化玻璃疊放間距不夠，造成單片玻璃受熱不均。

造成鋼化爐加熱、冷卻不均勻的主要原因?yàn)椋?span lang="EN-US">a．局部發(fā)熱絲燒斷，造成局部溫度不均勻；b．鋼化爐無(wú)熱平衡裝置，造戒爐體溫度不均勻；c．因維修保養(yǎng)不善，風(fēng)柵段(用于輸送淬冷空氣)局部出現(xiàn)風(fēng)嘴堵塞現(xiàn)象，造成玻璃冷卻不均；d．玻璃原片擺放超出淬冷空氣冷卻范圍，造成玻璃冷卻不均。

鋼化爐加熱溫度過(guò)高或加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)以及冷卻強(qiáng)度過(guò)大，均易造成玻璃原片的過(guò)度鋼化。過(guò)度鋼化玻璃不僅抗沖擊強(qiáng)度低，也很容易發(fā)生自爆，破碎后顆粒度很小。

由以上分析可知，為避免熱加工引起的鋼化玻璃自爆，應(yīng)控制鋼化爐、均質(zhì)爐的工藝參數(shù)，加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)，合理擺放玻璃。另外，經(jīng)鋼化后的玻璃不宜再進(jìn)行開孔、倒角(圓)等處理，否則會(huì)破壞已形成的應(yīng)力結(jié)構(gòu)，使鋼化玻璃自爆概率增大。

2．3　鋼化玻璃面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

①開孔設(shè)計(jì)不合理

廚具設(shè)計(jì)人員對(duì)鋼化玻璃特性不十分了解，往往造成鋼化玻璃面板孔設(shè)計(jì)不合理。如：開孔位置距邊角過(guò)近、倒角過(guò)小、開孔過(guò)多、方形孔直角抹圓半徑過(guò)小等，這些都易使鋼化玻璃出現(xiàn)自爆。某廠家開發(fā)的一款歐式吸油煙機(jī)的煙管基座為方形，與之配套的鋼化玻璃面板方形開孔直角處雖采取了抹圓處理，但圓弧半徑僅為3mm。在運(yùn)送過(guò)程中，多次出現(xiàn)玻璃面板自爆情況，跌落試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鋼化玻璃面板的起爆點(diǎn)位于方孔直角處，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免抹圓半徑過(guò)小的直角開孔設(shè)計(jì)。

②未考慮玻璃的熱脹冷縮

某廠家生產(chǎn)的4眼、5眼燃?xì)庠罹?，鋼化玻璃面板面積、灶具底盒較大，用戶反饋?zhàn)员矢摺＝?jīng)測(cè)試，當(dāng)鋼化玻璃面板表面溫度達(dá)到100℃以上時(shí)，鋼化玻璃面板兩頭略微翹起，向中間折彎，最終從中間開孔處破裂，出現(xiàn)自爆。分析原因，主要是由于鋼化玻璃受熱后膨脹，由于鋼化玻璃面板與底盒膨脹率不同，加之鋼化玻璃面板兩側(cè)固定，鋼化玻璃面板膨脹后向中間形成擠壓，最終導(dǎo)致在中間開孔部位破裂。

因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮灶具鋼化玻璃面板與底盒膨脹率的差異，并避免支架、炊具重量直接或間接地作用于鋼化玻璃面板上，并在鋼化玻璃面板與底盒之間增設(shè)支撐。

③弧形結(jié)構(gòu)

弧形鋼化玻璃面板的應(yīng)力分布遠(yuǎn)不如平板鋼化玻璃面板均勻，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免弧形鋼化玻璃面板直接承重。

④鋼化玻璃面板邊緣設(shè)計(jì)

有些生產(chǎn)廠家為追求外觀效果，或?yàn)闈M足鋼化玻璃面板邊緣與鋁框的配合，將鋼化玻璃面板邊緣設(shè)計(jì)成斜邊結(jié)構(gòu)。厚度為8mm的玻璃原片，經(jīng)斜邊加工后邊緣處厚度減薄4～6mm。鋼化后邊緣處的應(yīng)力比較集中，增大了鋼化玻璃自爆概率。對(duì)于厚度為8mm的鋼化玻璃面板，若邊緣采用斜邊結(jié)構(gòu)，減薄量不應(yīng)超過(guò)2mm。

3　結(jié)語(yǔ)

鋼化玻璃廣泛應(yīng)用于廚具行業(yè)，安全性應(yīng)引起高度重視，預(yù)防自爆技術(shù)值得進(jìn)一步研究。

本文作者：張建海  劉文博  陳軍

作者單位：中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院

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