TFT-LCD玻璃窯爐液流分析

岳凱 王宏路 張曉春 田旭 金昊 高多軍 趙雷

（蚌埠中光電科技有限公司 蚌埠 233030）

0 引言

液晶玻璃基板是新一代電子信息與顯示產(chǎn)業(yè)的重要關(guān)鍵戰(zhàn)略性基礎(chǔ)材料。2019年9月18日，中國(guó)首片具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的8.5代TFT-LCD玻璃基板的正式下線，標(biāo)志著我國(guó)沖破國(guó)外對(duì)液晶技術(shù)的壟斷，成為了全球第三個(gè)完全掌握高世代液晶玻璃基板生產(chǎn)技術(shù)的國(guó)家。液晶玻璃基板的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也更加白熱化，提質(zhì)增效有了更高的目標(biāo)和要求。

熔制是玻璃制造的核心流程，玻璃熔體流動(dòng)非常復(fù)雜，且對(duì)產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量有著直接影響，因此研究玻璃液的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)優(yōu)化窯爐的工藝參數(shù)、提高熔化效率、保證生產(chǎn)穩(wěn)定等參數(shù)對(duì)液晶玻璃制造有著重要意義。

1 玻璃液流的產(chǎn)生與分類

1.1 玻璃液流的產(chǎn)生機(jī)理

玻璃熔制過程中，受玻璃窯爐的加熱、耐火材料散熱等因素影響，玻璃液在池窯內(nèi)位置不同溫度不同，這就在不同部位形成了溫度差。由于溫度越高密度越小，從而造成了池窯不同部位玻璃液的密度差，進(jìn)而在靜壓差的作用下使玻璃液內(nèi)部產(chǎn)生了流動(dòng)。這種玻璃液內(nèi)部的流動(dòng)，也就是通常說的對(duì)流，不同部位玻璃液的溫度差越大，其對(duì)流越劇烈。

1.2 玻璃液流的分類

從窯爐內(nèi)玻璃液流的形成原因來分類，分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩種；從玻璃液的流動(dòng)方向來分類，分為縱向?qū)α骱蜋M向?qū)α鲀煞N。

1.2.1 自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流

自然對(duì)流也稱為熱對(duì)流，是由于窯爐各部位玻璃液的溫度差異導(dǎo)致的密度差，從而使玻璃液內(nèi)部產(chǎn)生靜壓差，引起玻璃液流動(dòng)。

強(qiáng)制對(duì)流也稱為生產(chǎn)流，是從投料口處不斷投配合料產(chǎn)生的推力和熔化好的玻璃液不斷進(jìn)入成形產(chǎn)生的拉力共同作用下，使窯爐內(nèi)的玻璃液沿一定方向產(chǎn)生的流動(dòng)。

1.2.2 縱向?qū)α骱蜋M向?qū)α?/p>

縱向?qū)α魇侵覆Ａб涸诟G爐縱向從熱點(diǎn)到投料口、熱點(diǎn)到成形（鉑金通道）存在的溫度差以及連續(xù)投料和出料共同作用下形成的兩大對(duì)流。

橫向?qū)α魇窃诟G爐寬度方向上的溫度不同造成的密度差引起的玻璃液流動(dòng)。

2 TFT-LCD窯爐的玻璃液流

TFT-LCD玻璃對(duì)品質(zhì)要求非常嚴(yán)苛，玻璃中不能有任何微米級(jí)的劃傷或缺陷。在TFT-LCD玻璃熔制過程中，窯爐的任務(wù)是將配合料熔化，玻璃液后續(xù)的澄清、均化、冷卻階段主要由鉑金通道完成。鉑金通道對(duì)氣泡、結(jié)石、條紋等缺陷有著決定性影響，但窯爐的熔制是否穩(wěn)定直接關(guān)系到鉑金通道熔制效果的好壞，而玻璃液流是否平衡、穩(wěn)定又直接關(guān)系到窯爐熔制效果的好壞。

2.1 TFT-LCD玻璃窯爐加熱模式

TFT-LCD玻璃是高硅、高鋁、無堿的硼硅酸鹽玻璃，熔化溫度高、黏度大，對(duì)熔化能量需求大。通常鉑金通道是從窯爐底部取玻璃液，采用單純火焰加熱不僅難以達(dá)到要求的熔化溫度，且會(huì)造成玻璃液表層溫度與底部溫度、窯爐中部溫度與兩側(cè)溫度差異大，影響其溫度的均勻性；此外，上部火焰加熱的過程中，玻璃液中的硼會(huì)在表層大量揮發(fā)，影響玻璃成分的均勻性，導(dǎo)致玻璃品質(zhì)難以達(dá)到要求。因此，TFT-LCD玻璃窯爐主要采用的是上部全氧燃燒加熱、玻璃中電加熱的火焰—電混合加熱窯爐。國(guó)內(nèi)常見的中小世代TFT-LCD玻璃窯爐加熱結(jié)構(gòu)如圖1所示。窯爐中純氧燒槍、電極采用對(duì)稱分布。

圖1 TFT-LCD玻璃窯爐加熱結(jié)構(gòu)

電加熱通常稱之為“電助熔”，原因是傳統(tǒng)平板玻璃窯爐以火焰加熱為主、電加熱為輔。而在TFT-LCD玻璃窯爐中，電加熱從“電助熔”變成了“電主熔”，電加熱產(chǎn)生的熱能占60%～70%，池底溫度高于或接近玻璃液表層溫度。

2.2 TFT-LCD玻璃液流分布

窯爐的類型、加熱配置決定了窯內(nèi)主要液流的分布，TFT-LCD玻璃窯爐液流亦分縱向液流與橫向液流。

2.2.1 縱向液流分布

與傳統(tǒng)平板玻璃窯爐相比，TFT-LCD玻璃窯爐的縱向液流相對(duì)簡(jiǎn)單一些，主要以熱點(diǎn)為界分為前后兩個(gè)回流，如圖2所示。

圖2 TFT-LCD玻璃窯爐縱向液流分布

配合料投入窯爐內(nèi)后不斷堆積下沉，同時(shí)大量吸收熱能進(jìn)入硅酸鹽形成階段。料堆周圍的玻璃液釋放熱量后溫度變低，密度變大，與其下方的玻璃液形成密度差，使玻璃液從料堆底部向下運(yùn)動(dòng)，成為自然對(duì)流，即圖2所示液流a。

熱點(diǎn)是窯爐縱向溫度曲線上溫度最高部位，玻璃液溫度升高，密度變小，使底部玻璃液不斷上浮，形成自然對(duì)流，即液流b、c。

玻璃液不斷進(jìn)入位于池窯末端底部鉑金通道，對(duì)池窯末端表層玻璃液形成一個(gè)向下的牽引力，使玻璃液向下運(yùn)動(dòng)，形成強(qiáng)制對(duì)流，即液流d。

液流a與液流b共同作用，形成一個(gè)完整的回流，即液流①；液流c與液流d共同作用，形成一個(gè)完整的回流，即液流②。

窯爐液流是一個(gè)整體的系統(tǒng)，各個(gè)液流會(huì)相互影響，如圖2所示，液流①與液流②合流后相互影響，液流①的一部分會(huì)參與到液流②中，液流②亦會(huì)分出一部分會(huì)參與到液流①中；此外，液流②在鉑金通道入口處會(huì)分出一部分（液流f）流入鉑金通道進(jìn)行后續(xù)精煉熔制，另一部分（液流e）繼續(xù)加入液流②進(jìn)行熔制，從而達(dá)到了投料與出料的物料平衡。

2.2.2 橫向液流分布分析

受池壁電極加熱與火焰加熱共同作用，TFTLCD玻璃窯爐比傳統(tǒng)平板玻璃窯爐的橫向液流相對(duì)復(fù)雜，如圖3所示。

圖3 TFT-LCD玻璃窯爐橫向液流分布

火焰在燃燒過程中，其外焰溫度是最高的。在火焰的熱輻射下，火焰端部下方附近的玻璃液溫度較高，在密度差作用下，底部玻璃液不斷受熱上浮，形成上升的自然流（液流h、液流i）。

電極周圍的電流密度較大，周圍的玻璃液獲得電能多，升溫速度快，在密度差作用下底部玻璃液不斷受熱上浮，形成上升的自然流（液流n、液流o）。

火焰、電極各自提供能量加熱引起的自然流在玻璃液表層相對(duì)運(yùn)動(dòng)、擠壓，同時(shí)底部玻璃液受上升的自然流牽引，形成了下沉的玻璃液流（液流j、液流k、液流m、液流l）。上浮與下沉的液流共同作用，形成了兩種不同成因的液流循環(huán)（液流③、液流④）；而這兩個(gè)液流循環(huán)由于火焰、電極對(duì)稱加熱的原因，在窯爐中線兩側(cè)各有一個(gè)循環(huán)液流。

2.3 玻璃液流在TFT-LCD玻璃生產(chǎn)中的意義

窯爐中的各種玻璃液流相互影響、相互依存，是貫穿于整個(gè)熔制過程的有機(jī)整體，一個(gè)達(dá)到液流平衡的玻璃液流系統(tǒng)，對(duì)玻璃的熔制有著重要的作用。液流平衡是指液流在處于特定環(huán)境條件下自身狀態(tài)保持穩(wěn)定的一種狀況。此狀態(tài)下，熱量供給、傳遞、散失相平衡，物料的投入與輸出相平衡，投料量與熔化能力相匹配，液流的方向和強(qiáng)度在空間和時(shí)間上基本穩(wěn)定。

一個(gè)合理、平衡的玻璃液流系統(tǒng)，對(duì)玻璃熔制的促進(jìn)作用主要表現(xiàn)在幾個(gè)方面：

（1）可以保證玻璃在硅酸鹽和玻璃的形成、玻璃液的澄清和均化等熔制階段，能夠在正確的時(shí)間、正確的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行；

（2）保證提供給鉑金通道的玻璃液品質(zhì)是穩(wěn)定、合格的，避免熔化不良的玻璃液流入而影響玻璃品質(zhì)；

（3）通過玻璃液對(duì)流，加速存在溫度差的玻璃熔體進(jìn)行熱交換，提高窯爐的熔化效率，降低能耗，改善熔化好的玻璃液在溫度上的均一性；

（4）通過玻璃液對(duì)流，加速存在成分差異的玻璃熔體進(jìn)行相互擴(kuò)散，提高熔化質(zhì)量，改善熔化好的玻璃液在成分上的均一性；

（5）玻璃液流運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性，可以增強(qiáng)窯爐運(yùn)行工況在短時(shí)間內(nèi)對(duì)外部不良因素的抵抗能力，保證生產(chǎn)穩(wěn)定；

（6）在一定程度上減少玻璃液對(duì)窯爐的侵蝕，延長(zhǎng)窯爐使用壽命。

液流平衡是窯爐內(nèi)外諸多因素共同作用下形成的一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，是各個(gè)工藝參數(shù)調(diào)整、優(yōu)化的最終體現(xiàn)，任何因素的變化都可能打破原有平衡狀態(tài)，造成液流紊亂，影響玻璃品質(zhì)。

3 玻璃液流平衡的控制

對(duì)于玻璃液流平衡的控制，始終貫穿于日常生產(chǎn)的每個(gè)環(huán)節(jié)，其區(qū)別在于工藝人員是否有意識(shí)的調(diào)節(jié)控制。在對(duì)玻璃液流的平衡進(jìn)行控制時(shí)，必須了解玻璃液的流動(dòng)特性和影響液流的因素。

3.1 玻璃液的流動(dòng)特性

TFT-LCD玻璃的熔化溫度高，黏度大，其流動(dòng)特點(diǎn)與通常的流體有著很多差異。通過相關(guān)研究，結(jié)果表明：

（1）玻璃液流是典型的蠕動(dòng)流動(dòng)，玻璃液流動(dòng)過程中粘性力不僅大于浮升力，也遠(yuǎn)大于慣性力，自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流對(duì)玻璃液的驅(qū)動(dòng)力都比較小；

（2）熱過程對(duì)玻璃液流動(dòng)過程有非常強(qiáng)的影響，自然對(duì)流遠(yuǎn)大于強(qiáng)制對(duì)流對(duì)玻璃液流產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力，整個(gè)窯爐液流系統(tǒng)的混合液流以自然對(duì)流為主。

3.2 玻璃液流的影響因素

玻璃液流變化的影響因素有很多，如配合料、拉引量、燃燒狀態(tài)、電加熱等發(fā)生變化均會(huì)引起玻璃液流的改變。歸根結(jié)底，這些因素都是通過窯爐內(nèi)部溫度對(duì)液流的影響來體現(xiàn)的。

圖4 溫度場(chǎng)、電場(chǎng)和液流場(chǎng)關(guān)系圖

3.2.1 配合料對(duì)液流的影響

配合料經(jīng)加料機(jī)投入窯爐后，吸收大量的熱能，經(jīng)過一系列物理的、化學(xué)的和物理化學(xué)的作用形成玻璃。配合料的料方變更、原材料的批次更換、配合料水分與均勻度變化、加料量不穩(wěn)定或不均勻都會(huì)對(duì)既有的配合料熔化進(jìn)程造成不同程度的影響，這種影響會(huì)通過玻璃液溫度變化體現(xiàn)出來，從而導(dǎo)致液流的變化。

3.2.2 玻璃流量對(duì)液流的影響

正常生產(chǎn)中，玻璃流量與加料量處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。當(dāng)玻璃流量發(fā)生變化時(shí)，一方面加料量會(huì)跟隨玻璃流量的變化而變化，從而引起液流變化；另一方面，玻璃流量的變化會(huì)造成單位時(shí)間內(nèi)玻璃液所攜帶的熱量發(fā)生變化，打破窯爐溫度場(chǎng)的平衡，從而使液流發(fā)生改變。

3.2.3 燃燒狀態(tài)對(duì)液流的影響

燃料燃燒產(chǎn)生熱能是玻璃熔制的能量來源之一。火焰的長(zhǎng)度、剛度、氣氛，燃料供應(yīng)的穩(wěn)定性，燃料分布的配比等都會(huì)影響窯爐內(nèi)部的溫度分布，破壞現(xiàn)有的溫度梯度，就會(huì)導(dǎo)致玻璃液流的變化。

3.2.4 電加熱對(duì)液流的影響

電加熱的原理是通過電極給玻璃液施加電壓，高溫熔融的玻璃液導(dǎo)電發(fā)熱。電極將電能輸入玻璃液中，玻璃液發(fā)熱會(huì)引起玻璃液溫度場(chǎng)的變化，溫度場(chǎng)的變化又會(huì)引起玻璃液流的變化；溫度場(chǎng)的變化會(huì)使玻璃液電阻發(fā)生變化，引起電場(chǎng)分布變化，進(jìn)而引起玻璃液流的變化；玻璃液流的變化也會(huì)使溫度場(chǎng)發(fā)生變化，從而影響電場(chǎng)的變化。

TFT-LCD玻璃窯爐內(nèi)溫度場(chǎng)、電場(chǎng)和液流場(chǎng)相互作用、相互影響，如圖4所示。

3.2.5 窯爐散熱條件對(duì)液流的影響

窯爐保溫、冷卻風(fēng)量等散熱條件的變化均會(huì)破壞窯爐內(nèi)的溫度場(chǎng)，影響玻璃液溫度分布，改變玻璃液流狀況。

3.3 玻璃液流平衡的控制

自然對(duì)流是玻璃液流的主要驅(qū)動(dòng)力，而溫度差是引起自然對(duì)流的根本原因；各種因素對(duì)玻璃液流造成影響，主要是通過玻璃液溫度變化來體現(xiàn)的。因此，控制玻璃液流平衡的關(guān)鍵在于窯爐溫度的穩(wěn)定，尤其是池底溫度的穩(wěn)定。

在實(shí)際生產(chǎn)中，如何通過玻璃生產(chǎn)中的“四大穩(wěn)”和“四小穩(wěn)”保持窯爐溫度的穩(wěn)定來達(dá)到玻璃液流平衡，需要注意的是，TFT-LCD玻璃對(duì)氣泡、條紋等缺陷的管控非常嚴(yán)格，穩(wěn)定生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的TFT-LCD玻璃必須在“四大穩(wěn)”和“四小穩(wěn)”的基礎(chǔ)上把精細(xì)管理做到極致，從原材料入廠檢測(cè)到配合料的配置完成、從配合料投入爐前料倉(cāng)到入爐、從窯爐的控制手法到鉑金通道流量控制等各個(gè)環(huán)節(jié)以及各環(huán)節(jié)間的銜接方式都需要不斷細(xì)化，每個(gè)環(huán)節(jié)都要精益求精。

此外，需要引起重視的還有：環(huán)境管控。TFT-LCD玻璃窯爐通常都比較小，對(duì)外界環(huán)境變化的抵抗力較差，其中最突出的兩點(diǎn)就是窯壓和窯爐散熱條件。

（1）窯壓。窯壓是“四小穩(wěn)”之一，它的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致窯內(nèi)工況的一系列變化，其中就包括玻璃液流變化。而窯壓是窯內(nèi)氣體壓力與生產(chǎn)車間大氣壓之差，所以要通過盡可能地保證生產(chǎn)車間大氣壓的穩(wěn)定來減少影響窯壓的因素。

（2）窯爐散熱條件。外界環(huán)境變化對(duì)任何窯爐都會(huì)造成影響，對(duì)TFT-LCD玻璃窯爐而言，其液流較其他大、中型窯爐的液流小得多，更易被影響。另一方面，因玻璃液流而產(chǎn)生的熔化質(zhì)量變化對(duì)其他玻璃品質(zhì)的影響可能是微乎其微的，但對(duì)品質(zhì)要求極其嚴(yán)格的TFT-LCD玻璃很可能是致命的。這就要求，TFT-LCD玻璃窯爐的窯爐散熱條件要盡可能保持恒定。

因此，必須對(duì)生產(chǎn)車間的環(huán)境（溫度、壓力）進(jìn)行嚴(yán)格的控制，盡可能地維持窯爐、鉑金通道、成形的環(huán)境恒定，才能為熱端的穩(wěn)定運(yùn)行打好基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

玻璃液流的變化情況是窯爐工況的最終體現(xiàn)；液流的平衡是玻璃穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)，液流的合理分布是高產(chǎn)前提。玻璃液流的控制在TFT-LCD玻璃生產(chǎn)中是一項(xiàng)長(zhǎng)期性的工作，需要以精益求精理念不斷去探索總結(jié)、細(xì)化、優(yōu)化，不斷去挑戰(zhàn)提質(zhì)增效這個(gè)長(zhǎng)久課題。