用于消除玻璃应力、尤其是电视显像管玻锥颈底处玻璃的玻璃应力的装置和方法

本发明涉及一种用于消除玻璃中应力、尤其是电视显像管玻锥颈底 处玻璃的玻璃应力的方法和装置。

通常用于消除玻璃应力的方法例如在由VEB德国原材料工业出版 社(莱比锡，1977年)出版的作者为Günther Nlle的论文“玻璃制造技术” 第180页以下中有详细描述。这种去应力冷却要么直接在成型之后进行， 要么在一个已经冷却的但还带有应力的为此还要再一次加热的玻璃中 进行。下面所采用的概念“上冷却温度”和“下冷却温度”在Günther Nlle 的上述论文第182页至183页，尤其是图127中作了定义。

上述概念由一条用于成型后被冷却的玻璃的冷却曲线得出。按照此 首先由Günther Nlle在上述论文中作出的定义，成型后的玻璃首先以第 一冷却速度vk1予以冷却，然后在冷却区域以第二速度vk2冷却，在更低 的冷却温度时则以第三冷却速度Vk3进行冷却。vk1是任意的并且可视技 术可行性而定，但也可能存在其他方面的限制，在形成应力时不存在什 么限制。

vk2可按如下公式得出： ${\upsilon }_{K2}=\frac{{\sigma }_{\mathrm{aK}}}{{\mathrm{\psi MS}}^2}$

其中σaK表示玻璃表面中的许可冷却应力。在下面的数值示例中， 对于一种碱-碱土-硅酸盐玻璃来说，假设上冷却温度为550℃，下冷 却温度为500℃，就会有下述材料特性常数：

E＝8·104Nmm-2

μ＝0.22

ρ＝2.4gcm3

λeff＝2.7Wm-1K-1(在冷却区)

λ＝0.9Wm-1K-1

c＝0.9kJ kg-1K-1

α＝10-5 K-1

Ψ＝1/3(形状系数)

玻璃的冷却模量按照公式 $M=\frac{\mathrm{\alpha Ec\rho }}{\lambda (1-\mu )}$

计算得到

MK＝0.8·1012N s K-1m-4

在冷却区内和低温时为

M0＝2.4·1012 N s K-1m-4

假如允许玻璃表面上的冷却应力σak＝1.5Nmm-2，对于一个板厚s＝ 6mm的板来说，则υk2＝9.4Kmin-1

在超过这个冷却速度时要考虑到会有不允许的较大的冷却应力。在 冷却区的宽度为50K时，要横度该区域大约需要5.3分钟。

υk2可选择得更大，因为在冷却区外的冷却速度对于冷却应力来说无 关紧要。人们只须注意，玻璃在冷却时不会由于瞬时应力而产生裂缝。 为此所允许的冷却速度同样可计算出： ${\upsilon }_{K3}={\upsilon }_{K2}+\frac{{\sigma }_a}{{\mathrm{\psi MS}}^2}$

其中σa可以理解成是最大许可瞬时应力。在冷却时该应力是一个拉 伸应力。因此必须将σa保持在抗拉强度之下，例如σa＝20N mm-2。

在玻璃厚度为6mm时，人们就考虑υk3≈40Kmin-1，亦即在低冷却温 度下的冷却时间大约为12分钟。

在超过该冷却温度时就要顾及到可能会发生冷却断裂。

为了消除已经冷却的玻璃的应力，将该玻璃首先重新加热到一个保 持温度，在该温度时应力例如立即减弱下来(instantan relaxieren)。

在Günther Nlle的上述论文中也曾指出，保持温度也可设定得更 低，即，也可设定在上冷却温度和下冷却温度之间。这样一来，为消除 应力所需的保持时间就变长。按照应力减弱动力学规律也相反地存在这 样的现象，即，在保持温度更高时，所需的保持时间就越短。与此相关 的内容可参见G.W.Scherer于1986年在Wiley发表的论文“Ralaxation in Glass and Composites”。

通过选择一个更高的保持温度，保持时间可愈发变得更短，直至达 到该保持温度和更高的温度时可实际上瞬间迅速地消除应力。这种方法 在Günther Nlle的上述论文中也有记述。为此，人们将玻璃加热到这个 保持温度，然后以一定的冷却速度将玻璃冷却到下冷却点，该冷却速度 可以是一个在Günther Nlle的方法中所提供的在高于该下冷却点的范 围内所采用的冷却速度。

但这种方法的缺点是，即便在更低的温度时也能实现迅速的应力消 除，在冷却过程前成型的玻璃制品却有可能发生形状改变。

此外，上述方法在所需时间方面也并未达到最佳。其原因在于：随 着保持温度的升高，所必需的附加冷却时间随之线形增长，而为去除玻 璃应力所必需的保持时间却没有按同样的程度或更大的程度变短。保持 时间基本上与温度成指数关系，从一定的温度起该保持时间很短，以致 进一步提高温度所导致的保持时间的缩短量要小于附加的冷却时间。

本发明要解决的技术问题在于提供一种较现有技术有所改进的消 除玻璃应力的方法及装置。

从这样一个温度开始进行优化，即，在该温度时为消除应力所需的 保持时间和提高到能实现应力迅速消除的最低温度所产生的附加冷却 时间相等，其中，目标参数是提高到一个更高温度所需的附加冷却时间 与在这更高温度时的保持时间之和。人们以此方式找到了一个最佳的保 持温度。冷却可随后这样进行：先将玻璃加热到该保持温度，并保持该 温度恒定直至应力消除，然后按照已公知的例如由Günther Nlle提供的 冷却速度对玻璃进行冷却。一般而言，原本在上冷却温度需耗费10至 15分钟的应力消除过程可减少到只需很少的几(约1-5)分钟，而且这几 分钟包括在该保持温度时消除应力所需时间和从该保持温度冷却到该 上冷却温度所需的附加冷却时间。

这种方法的实施前提是，可非常迅速和非常精确地调节到保持温 度。特别优选的是该调节时间在秒量级范围内。

按照本发明，可借助一个滞后时间很短的过程控制器或调节回路实 现对温度的迅速和精确的调节。该过程控制器或调节回路以一个由一些 红外线发射器构成的加热设备的功率作为调节参数。

对于迅速控制或调节到所期望的温度起决定作用的是系统应有很 小的热滞后时间。在计算滞后时间时，人们可简化地将这个系统看作象 一个电子技术中的“电阻电容元件(RC-Glied)”那样，其中，在此情形 下的电压相当于温度，在此情形下的电流则相当于热流。

热阻R是加热元件和退火件(Glühgut)之间的温差与热流之商。将所 述加热元件发出的热流除以退火件的加热速率就得到了热容C。在理想 情况下，即，当所有的热流只被退火件吸收而未发生对杂散热容的加热 时，前面求得的热容就仅仅是玻璃或退火件的热容。当杂散热容被一同 加热时，就要用本身的加热速率与退火件的加热速率之商来对其加权。

按照本发明，通过选择高温红外线发射器作为加热元件，热阻R可 比较低。按照斯蒂芬-玻尔茨曼辐射定律，在两个相互对照的平坦表面 之间的净热辐射流密度由下式得出：

j＝σ·ε1·ε2·(T14-T24)/(ε1+ε2-ε1ε2)

其中σ是斯蒂芬-玻尔茨曼常数，ε1及T1是其中一个表面的发射率 及温度，ε2及T2是其中另一个表面的发射率及温度。

在一次近似时有下式：

j＝σ·ε1·ε2·4·((T1+T2)/2)3·(T1-T2)/(ε1+ε2-ε1ε2)

所述热辐射流密度在这个近似公式中与两个表面之间的温差成正 比，其中该正比系数不是一个常数，而是与平均温度(T1+T2)/2的三次方 有关。按照上述对于热阻R的定义，整个热流J(J＝j·A，其中A为两个 表面的面积尺寸)的公式为J＝(T1-T2)/R。从这个关于j的近似公式中可 得出这样的比例关系R～1/((T1+T2)/2)3，也就是说，热阻R与平均温度 的三次方成反比。

从前面所提出的观点可知，当人们选择特别高温的加热元件时，热 阻以及进而系统的滞后时间可保持特别低。这是因为特别高温的加热元 件会导致高的平均温度并进而导致一个低的热阻。因此特别有利的是采 用短波红外线发射器，这可以通过在一个密封的其中充有作为保护气体 的卤素化合物的石英玻璃管中安设螺旋形钨丝来实现。其温度可高达大 约3000℃。随着温度升高，热辐射射线的频谱分布会向更短波长的方向 转移，此时退火件在此更短的波长时所吸收的射线会比在更长的波长时 所吸收的射线更少。为了补偿这一效应，优选在一个辐射腔室中进行红 外线照射，在该腔室中，红外线在不同的角度下多次来回反射穿过玻璃。 关于在一个辐射腔室中进行红外线加热可参见德国实用新型说明书 DE-U-29905385，在本申请中完全接收了该实用新型所公开的内容。

为了将杂散热容的影响减至最小，既可以将属于杂散热容的热容保 持得很小，也可以尽可能地阻止杂散热容接收红外线。后面这一点可以 这样来实现，即，使加热炉壁保持很低的发射率，也就是说将其设计成 能强烈反射。

由红外线辐射腔室壁面反射的和/或散射的红外线量优选占到照射 到该壁面上的红外射线的50％以上。

特别优选的是，由壁面反射的和/或散射的红外线优选占到照射到该 壁面上的红外射线的90％以上，尤其是98％以上。

此外，采用一个红外线辐射腔室的特别优点还在于，当采用一种能 强烈反射的材料来制成腔室壁时就能得到一种高品质Q的共振腔。该共 振腔只有很少的损失并因此可保证有高的能量利用率。

作为反射红外线的材料例如可以是下列材料中的一种或多种组合：

Al2O3；BaF2；BaTiO3；CaF2；CaTiO3；

MgO·3.5Al2O3；MgO，SrF2；SiO2；

SrTiO3；TiO2；铝基轴承合金；尖晶石；堇青石；堇青石-烧结玻 璃陶瓷

下面借助附图所示实施方式对本发明予以详细说明，附图中：

图1为按照本发明带有辐射腔室的用于消除玻璃应力的装置的原理 性结构图；

图2表示由Morgan Matroc公司在德国Troisdorf生产的Sintox Al 型烧结氧化铝陶瓷在红外线波长范围的光谱辐亮度曲线，该烧结氧化铝 陶瓷在近红外线波长区域内的辐亮度系数＞98％；

图3表示按照现有技术用于消除一个电视显像管玻锥颈底处玻璃中 应力的温度特性曲线；

图4表示在一个红外线辐射腔室中消除一个电视显像管玻锥颈底处玻 璃中应力的温度特性曲线；

图5也表示在一个红外线辐射腔室中消除一个电视显像管玻锥颈底处 玻璃中应力的温度特性曲线，但该红外线辐射腔室被封闭。

在图1中示出本发明装置的一个带有一红外线辐射腔室的实施方 式。利用该装置可实施本发明的方法，但本发明并不局限于该装置。

图1中示出的加热设备包括许多设置在一个反射器3下方的红外线 发射器1。利用该反射器3可以从上侧对所述为消除应力有待加热及冷 却的玻璃5、尤其是电视显像管玻锥颈底处玻璃进行加热。由这些红外线 发射器1发出的红外线穿透在此波长区域内基本上透明的玻璃5并撞击到 一块由强反射或强散射材料制成的支撑板7上。作为这种材料特别适合采 用铝基轴承合金(Quarzal)，它能反射照射到其上的红外线的约90％。作为其 替代材料，也可选择采用高纯度的烧结Al2O3，它在支撑板7厚度足够的情 况下具有约98％的辐亮度系数。玻璃5借助例如铝基轴承合金或Al2O3条9 支撑在该支撑板7上。玻璃下侧的温度可借助一个设置在一支撑板7的孔 11中的高温计13来测量。所测得的温度被传递给一个控制/调节单元15。 该控制/调节单元15籍此控制包含有红外线发射器1的加热设备。这些红外 线发射器1优选是短波红外线发射器，其色温在2000℃-3000℃之间。

壁10可以和反射器3以及支撑板7一起相应地用一种反射材料， 例如铝基轴承合金或Al2O3制成，并由此构成一个高质量的红外线辐射腔 室。

在图2中示出一种在红外区域内具有高反射率的壁材料(例如由 Morgan Matroc公司在德国Troisdorf生产的Sintox Al型烧结氧化铝陶瓷) 的光谱辐亮度曲线，其在近红外线波长区域内的辐亮度系数＞98％。

下面借助一些实施例对本发明方法予以详细说明。

实施例1：

电视显象管玻锥1V在一个工艺循环中按照传统的方式方法借助电马 弗炉来消除应力。

消除应力分为五个步骤，其温度特性曲线在图3中示出。

起始温度：365℃

步骤1：在56秒内加热到550℃

步骤2：在550℃上保持56秒

步骤3：在56秒内冷却到525℃

步骤4：在56秒内冷却到500℃

步骤5：在56秒内冷却到485℃

整个过程耗时280秒。

所达到的弗瑞德值(Friedelwert)为：

长轴：玻锥颈底部分15°F

      抛物线29°F

短轴：玻锥颈底部分21°F

      抛物线26°F

实施例2：

电视显象管玻锥39V在一个优化的工艺循环和一个包含有滞后时间短 的红外线照射元件的加热设备中消除应力。

消除应力分为三个步骤，其温度特性曲线在图4中示出。

起始温度：365℃

步骤1：在56秒内加热到560℃

步骤2：在560℃上保持30秒

步骤3：在85秒内冷却到450℃

整个过程耗时171秒，相对于未采用红外线发射器作为加热元件的实 施例1中传统工艺循环的过程时间缩短了大约40％。

所达到的弗瑞德值(Friedelwert)为：

长轴：玻锥颈底部分16°F

      抛物线13°F

短轴：玻锥颈底部分20°F

      抛物线23°F

实施例3：

电视显象管玻锥52V在一个优化的工艺循环和一个包含有滞后时间短 的红外线照射元件的加热设备中消除应力。除此之外，在加热和温度保持 期间，该红外线加热炉的上部开口封闭。这样的措施是用于阻止冷空气沿 玻锥颈部穿过加热炉腔室产生对流。由此在加热炉内可实现更佳的温度均 匀性。在冷却时则重新去除对于上部开口的封闭，以便保证有足够的冷却 速率。

消除应力分为三个步骤，其温度特性曲线在图5中示出。

起始温度：365℃

步骤1：在56秒内加热到560℃

步骤2：在560℃上保持30秒

步骤3：在85秒内冷却到450℃

整个过程耗时171秒，相对于未采用红外线发射器作为加热元件的实 施例1中传统工艺循环的过程时间缩短了大约40％。

所达到的弗瑞德值(Friedelwert)为：

长轴：玻锥颈底部分07°F

      抛物线12°F

短轴：玻锥颈底部分15°F

      抛物线16°F

本发明第一次提供了能将消除玻璃应力的过程时间明显缩短的装置和 方法。