TFT-LCD玻璃窑炉液流分析

2021-06-07岳凯王宏路张晓春田旭金昊高多军赵雷

玻璃 2021年5期

岳凯王宏路张晓春田旭金昊高多军赵雷

（蚌埠中光电科技有限公司蚌埠 233030）

0 引言

液晶玻璃基板是新一代电子信息与显示产业的重要关键战略性基础材料。2019年9月18日，中国首片具有自主知识产权的8.5代TFT-LCD玻璃基板的正式下线，标志着我国冲破国外对液晶技术的垄断，成为了全球第三个完全掌握高世代液晶玻璃基板生产技术的国家。液晶玻璃基板的市场竞争也更加白热化，提质增效有了更高的目标和要求。

熔制是玻璃制造的核心流程，玻璃熔体流动非常复杂，且对产品的品质和产量有着直接影响，因此研究玻璃液的运动特性对优化窑炉的工艺参数、提高熔化效率、保证生产稳定等参数对液晶玻璃制造有着重要意义。

1 玻璃液流的产生与分类

1.1 玻璃液流的产生机理

玻璃熔制过程中，受玻璃窑炉的加热、耐火材料散热等因素影响，玻璃液在池窑内位置不同温度不同，这就在不同部位形成了温度差。由于温度越高密度越小，从而造成了池窑不同部位玻璃液的密度差，进而在静压差的作用下使玻璃液内部产生了流动。这种玻璃液内部的流动，也就是通常说的对流，不同部位玻璃液的温度差越大，其对流越剧烈。

1.2 玻璃液流的分类

从窑炉内玻璃液流的形成原因来分类，分为自然对流和强制对流两种；从玻璃液的流动方向来分类，分为纵向对流和横向对流两种。

1.2.1 自然对流和强制对流

自然对流也称为热对流，是由于窑炉各部位玻璃液的温度差异导致的密度差，从而使玻璃液内部产生静压差，引起玻璃液流动。

强制对流也称为生产流，是从投料口处不断投配合料产生的推力和熔化好的玻璃液不断进入成形产生的拉力共同作用下，使窑炉内的玻璃液沿一定方向产生的流动。

1.2.2 纵向对流和横向对流

纵向对流是指玻璃液在窑炉纵向从热点到投料口、热点到成形（铂金通道）存在的温度差以及连续投料和出料共同作用下形成的两大对流。

横向对流是在窑炉宽度方向上的温度不同造成的密度差引起的玻璃液流动。

2 TFT-LCD窑炉的玻璃液流

TFT-LCD玻璃对品质要求非常严苛，玻璃中不能有任何微米级的划伤或缺陷。在TFT-LCD玻璃熔制过程中，窑炉的任务是将配合料熔化，玻璃液后续的澄清、均化、冷却阶段主要由铂金通道完成。铂金通道对气泡、结石、条纹等缺陷有着决定性影响，但窑炉的熔制是否稳定直接关系到铂金通道熔制效果的好坏，而玻璃液流是否平衡、稳定又直接关系到窑炉熔制效果的好坏。

2.1 TFT-LCD玻璃窑炉加热模式

TFT-LCD玻璃是高硅、高铝、无碱的硼硅酸盐玻璃，熔化温度高、黏度大，对熔化能量需求大。通常铂金通道是从窑炉底部取玻璃液，采用单纯火焰加热不仅难以达到要求的熔化温度，且会造成玻璃液表层温度与底部温度、窑炉中部温度与两侧温度差异大，影响其温度的均匀性；此外，上部火焰加热的过程中，玻璃液中的硼会在表层大量挥发，影响玻璃成分的均匀性，导致玻璃品质难以达到要求。因此，TFT-LCD玻璃窑炉主要采用的是上部全氧燃烧加热、玻璃中电加热的火焰—电混合加热窑炉。国内常见的中小世代TFT-LCD玻璃窑炉加热结构如图1所示。窑炉中纯氧烧枪、电极采用对称分布。

图1 TFT-LCD玻璃窑炉加热结构

电加热通常称之为“电助熔”，原因是传统平板玻璃窑炉以火焰加热为主、电加热为辅。而在TFT-LCD玻璃窑炉中，电加热从“电助熔”变成了“电主熔”，电加热产生的热能占60%～70%，池底温度高于或接近玻璃液表层温度。

2.2 TFT-LCD玻璃液流分布

窑炉的类型、加热配置决定了窑内主要液流的分布，TFT-LCD玻璃窑炉液流亦分纵向液流与横向液流。

2.2.1 纵向液流分布

与传统平板玻璃窑炉相比，TFT-LCD玻璃窑炉的纵向液流相对简单一些，主要以热点为界分为前后两个回流，如图2所示。

图2 TFT-LCD玻璃窑炉纵向液流分布

配合料投入窑炉内后不断堆积下沉，同时大量吸收热能进入硅酸盐形成阶段。料堆周围的玻璃液释放热量后温度变低，密度变大，与其下方的玻璃液形成密度差，使玻璃液从料堆底部向下运动，成为自然对流，即图2所示液流a。

热点是窑炉纵向温度曲线上温度最高部位，玻璃液温度升高，密度变小，使底部玻璃液不断上浮，形成自然对流，即液流b、c。

玻璃液不断进入位于池窑末端底部铂金通道，对池窑末端表层玻璃液形成一个向下的牵引力，使玻璃液向下运动，形成强制对流，即液流d。

液流a与液流b共同作用，形成一个完整的回流，即液流①；液流c与液流d共同作用，形成一个完整的回流，即液流②。

窑炉液流是一个整体的系统，各个液流会相互影响，如图2所示，液流①与液流②合流后相互影响，液流①的一部分会参与到液流②中，液流②亦会分出一部分会参与到液流①中；此外，液流②在铂金通道入口处会分出一部分（液流f）流入铂金通道进行后续精炼熔制，另一部分（液流e）继续加入液流②进行熔制，从而达到了投料与出料的物料平衡。

2.2.2 横向液流分布分析

受池壁电极加热与火焰加热共同作用，TFTLCD玻璃窑炉比传统平板玻璃窑炉的横向液流相对复杂，如图3所示。

图3 TFT-LCD玻璃窑炉横向液流分布

火焰在燃烧过程中，其外焰温度是最高的。在火焰的热辐射下，火焰端部下方附近的玻璃液温度较高，在密度差作用下，底部玻璃液不断受热上浮，形成上升的自然流（液流h、液流i）。

电极周围的电流密度较大，周围的玻璃液获得电能多，升温速度快，在密度差作用下底部玻璃液不断受热上浮，形成上升的自然流（液流n、液流o）。

火焰、电极各自提供能量加热引起的自然流在玻璃液表层相对运动、挤压，同时底部玻璃液受上升的自然流牵引，形成了下沉的玻璃液流（液流j、液流k、液流m、液流l）。上浮与下沉的液流共同作用，形成了两种不同成因的液流循环（液流③、液流④）；而这两个液流循环由于火焰、电极对称加热的原因，在窑炉中线两侧各有一个循环液流。

2.3 玻璃液流在TFT-LCD玻璃生产中的意义

窑炉中的各种玻璃液流相互影响、相互依存，是贯穿于整个熔制过程的有机整体，一个达到液流平衡的玻璃液流系统，对玻璃的熔制有着重要的作用。液流平衡是指液流在处于特定环境条件下自身状态保持稳定的一种状况。此状态下，热量供给、传递、散失相平衡，物料的投入与输出相平衡，投料量与熔化能力相匹配，液流的方向和强度在空间和时间上基本稳定。

一个合理、平衡的玻璃液流系统，对玻璃熔制的促进作用主要表现在几个方面：

（1）可以保证玻璃在硅酸盐和玻璃的形成、玻璃液的澄清和均化等熔制阶段，能够在正确的时间、正确的区域内进行；

（2）保证提供给铂金通道的玻璃液品质是稳定、合格的，避免熔化不良的玻璃液流入而影响玻璃品质；

（3）通过玻璃液对流，加速存在温度差的玻璃熔体进行热交换，提高窑炉的熔化效率，降低能耗，改善熔化好的玻璃液在温度上的均一性；

（4）通过玻璃液对流，加速存在成分差异的玻璃熔体进行相互扩散，提高熔化质量，改善熔化好的玻璃液在成分上的均一性；

（5）玻璃液流运动过程中产生的惯性，可以增强窑炉运行工况在短时间内对外部不良因素的抵抗能力，保证生产稳定；

（6）在一定程度上减少玻璃液对窑炉的侵蚀，延长窑炉使用寿命。

液流平衡是窑炉内外诸多因素共同作用下形成的一个动态平衡，是各个工艺参数调整、优化的最终体现，任何因素的变化都可能打破原有平衡状态，造成液流紊乱，影响玻璃品质。

3 玻璃液流平衡的控制

对于玻璃液流平衡的控制，始终贯穿于日常生产的每个环节，其区别在于工艺人员是否有意识的调节控制。在对玻璃液流的平衡进行控制时，必须了解玻璃液的流动特性和影响液流的因素。

3.1 玻璃液的流动特性

TFT-LCD玻璃的熔化温度高，黏度大，其流动特点与通常的流体有着很多差异。通过相关研究，结果表明：

（1）玻璃液流是典型的蠕动流动，玻璃液流动过程中粘性力不仅大于浮升力，也远大于惯性力，自然对流和强制对流对玻璃液的驱动力都比较小；

（2）热过程对玻璃液流动过程有非常强的影响，自然对流远大于强制对流对玻璃液流产生的驱动力，整个窑炉液流系统的混合液流以自然对流为主。

3.2 玻璃液流的影响因素

玻璃液流变化的影响因素有很多，如配合料、拉引量、燃烧状态、电加热等发生变化均会引起玻璃液流的改变。归根结底，这些因素都是通过窑炉内部温度对液流的影响来体现的。

图4 温度场、电场和液流场关系图

3.2.1 配合料对液流的影响

配合料经加料机投入窑炉后，吸收大量的热能，经过一系列物理的、化学的和物理化学的作用形成玻璃。配合料的料方变更、原材料的批次更换、配合料水分与均匀度变化、加料量不稳定或不均匀都会对既有的配合料熔化进程造成不同程度的影响，这种影响会通过玻璃液温度变化体现出来，从而导致液流的变化。

3.2.2 玻璃流量对液流的影响

正常生产中，玻璃流量与加料量处于动态平衡状态。当玻璃流量发生变化时，一方面加料量会跟随玻璃流量的变化而变化，从而引起液流变化；另一方面，玻璃流量的变化会造成单位时间内玻璃液所携带的热量发生变化，打破窑炉温度场的平衡，从而使液流发生改变。

3.2.3 燃烧状态对液流的影响

燃料燃烧产生热能是玻璃熔制的能量来源之一。火焰的长度、刚度、气氛，燃料供应的稳定性，燃料分布的配比等都会影响窑炉内部的温度分布，破坏现有的温度梯度，就会导致玻璃液流的变化。

3.2.4 电加热对液流的影响

电加热的原理是通过电极给玻璃液施加电压，高温熔融的玻璃液导电发热。电极将电能输入玻璃液中，玻璃液发热会引起玻璃液温度场的变化，温度场的变化又会引起玻璃液流的变化；温度场的变化会使玻璃液电阻发生变化，引起电场分布变化，进而引起玻璃液流的变化；玻璃液流的变化也会使温度场发生变化，从而影响电场的变化。

TFT-LCD玻璃窑炉内温度场、电场和液流场相互作用、相互影响，如图4所示。

3.2.5 窑炉散热条件对液流的影响

窑炉保温、冷却风量等散热条件的变化均会破坏窑炉内的温度场，影响玻璃液温度分布，改变玻璃液流状况。

3.3 玻璃液流平衡的控制

自然对流是玻璃液流的主要驱动力，而温度差是引起自然对流的根本原因；各种因素对玻璃液流造成影响，主要是通过玻璃液温度变化来体现的。因此，控制玻璃液流平衡的关键在于窑炉温度的稳定，尤其是池底温度的稳定。

在实际生产中，如何通过玻璃生产中的“四大稳”和“四小稳”保持窑炉温度的稳定来达到玻璃液流平衡，需要注意的是，TFT-LCD玻璃对气泡、条纹等缺陷的管控非常严格，稳定生产优质的TFT-LCD玻璃必须在“四大稳”和“四小稳”的基础上把精细管理做到极致，从原材料入厂检测到配合料的配置完成、从配合料投入炉前料仓到入炉、从窑炉的控制手法到铂金通道流量控制等各个环节以及各环节间的衔接方式都需要不断细化，每个环节都要精益求精。

此外，需要引起重视的还有：环境管控。TFT-LCD玻璃窑炉通常都比较小，对外界环境变化的抵抗力较差，其中最突出的两点就是窑压和窑炉散热条件。

（1）窑压。窑压是“四小稳”之一，它的波动会导致窑内工况的一系列变化，其中就包括玻璃液流变化。而窑压是窑内气体压力与生产车间大气压之差，所以要通过尽可能地保证生产车间大气压的稳定来减少影响窑压的因素。

（2）窑炉散热条件。外界环境变化对任何窑炉都会造成影响，对TFT-LCD玻璃窑炉而言，其液流较其他大、中型窑炉的液流小得多，更易被影响。另一方面，因玻璃液流而产生的熔化质量变化对其他玻璃品质的影响可能是微乎其微的，但对品质要求极其严格的TFT-LCD玻璃很可能是致命的。这就要求，TFT-LCD玻璃窑炉的窑炉散热条件要尽可能保持恒定。

因此，必须对生产车间的环境（温度、压力）进行严格的控制，尽可能地维持窑炉、铂金通道、成形的环境恒定，才能为热端的稳定运行打好基础。