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業的重要關鍵戰略性基礎材料。2019年9月18日，中國首片具有自主知識產權的8.5代TFT-LCD玻璃基板的正式下線，標志著我國沖破國外對液晶技術的壟斷，成為了全球第三個完全掌握高世代液晶玻璃基板生產技術的國家。液晶玻璃基板的市場競爭也更加白熱化，提質增效有了更高的目標和要求。

熔制是玻璃制造的核心流程，玻璃熔體流動非常復雜，且對產品的品質和產量有著直接影響，因此研究玻璃液的運動特性對優化窯爐的工藝參數、提高熔化效率、保證生產穩定等參數對液晶玻璃制造有著重要意義。

1 玻璃液流的產生與分類

1.1 玻璃液流的產生機理

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，進而在靜壓差的作用下使玻璃液內部產生了流動。這種玻璃液內部的流動，也就是通常說的對流，不同部位玻璃液的溫度差越大，其對流越劇烈。

1.2 玻璃液流的分類

從窯爐內玻璃液流的形成原因來分類，分為自然對流和強制對流兩種；從玻璃液的流動方向來分類，分為縱向對流和橫向對流兩種。

1.2.1 自然對流和強制對流

自然對流也稱為熱對流，是由于窯爐各部位玻璃液的溫度差異導致的密度差，從而使玻璃液內部產生靜壓差，引起玻璃液流動。

強制對流也稱為生產流，是從投料口處不斷投配合料產生的推力和熔化好的玻璃液不斷進入成形產生的拉力共同作用下，使窯爐內的玻璃液沿一定方向產生的流動。

1.2.2 縱向對流和橫向對流

縱向對流是指玻璃液在窯爐縱向從熱點到投料口、熱點到成形（鉑金通道）存在的溫度差以及連續投料和出料共同作用下形成的兩大對流。

橫向對流是在窯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。

2 TFT-LCD窯爐的玻璃液流

TFT-LCD玻璃對品質要求非常嚴苛，玻璃中不能有任何微米級的劃傷或缺陷。在TFT-LCD玻璃熔制過程中，窯爐的任務是將配合料熔化，玻璃液后續的澄清、均化、冷卻階段主要由鉑金通道完成。鉑金通道對氣泡、結石、條紋等缺陷有著決定性影響，但窯爐的熔制是否穩定直接關系到鉑金通道熔制效果的好壞，而玻璃液流是否平衡、穩定又直接關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到要求的熔化溫度，且會造成玻璃液表層溫度與底部溫度、窯爐中部溫度與兩側溫度差異大，影響其溫度的均勻性；此外，上部火焰加熱的過程中，玻璃液中的硼會在表層大量揮發，影響玻璃成分的均勻性，導致玻璃品質難以達到要求。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。國內常見的中小世代TFT-LCD玻璃窯爐加熱結構如圖1所示。窯爐中純氧燒槍、電極采用對稱分布。

圖1 TFT-LCD玻璃窯爐加熱結構

電加熱通常稱之為“電助熔”，原因是傳統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

與傳統平板玻璃窯爐相比，TFT-LCD玻璃窯爐的縱向液流相對簡單一些，主要以熱點為界分為前后兩個回流，如圖2所示。

圖2 TFT-LCD玻璃窯爐縱向液流分布

配合料投入窯爐內后不斷堆積下沉，同時大量吸收熱能進入硅酸鹽形成階段。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動，成為自然對流，即圖2所示液流a。

熱點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，形成自然對流，即液流b、c。

玻璃液不斷進入位于池窯末端底部鉑金通道，對池窯末端表層玻璃液形成一個向下的牽引力，使玻璃液向下運動，形成強制對流，即液流d。

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

窯爐液流是一個整體的系統，各個液流會相互影響，如圖2所示，液流①與液流②合流后相互影響，液流①的一部分會參與到液流②中，液流②亦會分出一部分會參與到液流①中；此外，液流②在鉑金通道入口處會分出一部分（液流f）流入鉑金通道進行后續精煉熔制，另一部分（液流e）繼續加入液流②進行熔制，從而達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玻璃窯爐比傳統平板玻璃窯爐的橫向液流相對復雜，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運動、擠壓，同時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（液流③、液流④）；而這兩個液流循環由于火焰、電極對稱加熱的原因，在窯爐中線兩側各有一個循環液流。

2.3 玻璃液流在TFT-LCD玻璃生產中的意義

窯爐中的各種玻璃液流相互影響、相互依存，是貫穿于整個熔制過程的有機整體，一個達到液流平衡的玻璃液流系統，對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境條件下自身狀態保持穩定的一種狀況。此狀態下，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，液流的方向和強度在空間和時間上基本穩定。

一個合理、平衡的玻璃液流系統，對玻璃熔制的促進作用主要表現在幾個方面：

（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，能夠在正確的時間、正確的區域內進行；

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

（3）通過玻璃液對流，加速存在溫度差的玻璃熔體進行熱交換，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）通過玻璃液對流，加速存在成分差異的玻璃熔體進行相互擴散，提高熔化質量，改善熔化好的玻璃液在成分上的均一性；

（5）玻璃液流運動過程中產生的慣性，可以增強窯爐運行工況在短時間內對外部不良因素的抵抗能力，保證生產穩定；

（6）在一定程度上減少玻璃液對窯爐的侵蝕，延長窯爐使用壽命。

液流平衡是窯爐內外諸多因素共同作用下形成的一個動態平衡，是各個工藝參數調整、優化的最終體現，任何因素的變化都可能打破原有平衡狀態，造成液流紊亂，影響玻璃品質。

3 玻璃液流平衡的控制

對于玻璃液流平衡的控制，始終貫穿于日常生產的每個環節，其區別在于工藝人員是否有意識的調節控制。在對玻璃液流的平衡進行控制時，必須了解玻璃液的流動特性和影響液流的因素。

3.1 玻璃液的流動特性

TFT-LCD玻璃的熔化溫度高，黏度大，其流動特點與通常的流體有著很多差異。通過相關研究，結果表明：

（1）玻璃液流是典型的蠕動流動，玻璃液流動過程中粘性力不僅大于浮升力，也遠大于慣性力，自然對流和強制對流對玻璃液的驅動力都比較??；

（2）熱過程對玻璃液流動過程有非常強的影響，自然對流遠大于強制對流對玻璃液流產生的驅動力，整個窯爐液流系統的混合液流以自然對流為主。

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、電加熱等發生變化均會引起玻璃液流的改變。歸根結底，這些因素都是通過窯爐內部溫度對液流的影響來體現的。

圖4 溫度場、電場和液流場關系圖

3.2.1 配合料對液流的影響

配合料經加料機投入窯爐后，吸收大量的熱能，經過一系列物理的、化學的和物理化學的作用形成玻璃。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、加料量不穩定或不均勻都會對既有的配合料熔化進程造成不同程度的影響，這種影響會通過玻璃液溫度變化體現出來，從而導致液流的變化。

3.2.2 玻璃流量對液流的影響

正常生產中，玻璃流量與加料量處于動態平衡狀態。當玻璃流量發生變化時，一方面加料量會跟隨玻璃流量的變化而變化，從而引起液流變化；另一方面，玻璃流量的變化會造成單位時間內玻璃液所攜帶的熱量發生變化，打破窯爐溫度場的平衡，從而使液流發生改變。

3.2.3 燃燒狀態對液流的影響

燃料燃燒產生熱能是玻璃熔制的能量來源之一?；鹧娴拈L度、剛度、氣氛，燃料供應的穩定性，燃料分布的配比等都會影響窯爐內部的溫度分布，破壞現有的溫度梯度，就會導致玻璃液流的變化。

3.2.4 電加熱對液流的影響

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電發熱。電極將電能輸入玻璃液中，玻璃液發熱會引起玻璃液溫度場的變化，溫度場的變化又會引起玻璃液流的變化；溫度場的變化會使玻璃液電阻發生變化，引起電場分布變化，進而引起玻璃液流的變化；玻璃液流的變化也會使溫度場發生變化，從而影響電場的變化。

TFT-LCD玻璃窯爐內溫度場、電場和液流場相互作用、相互影響，如圖4所示。

3.2.5 窯爐散熱條件對液流的影響

窯爐保溫、冷卻風量等散熱條件的變化均會破壞窯爐內的溫度場，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

自然對流是玻璃液流的主要驅動力，而溫度差是引起自然對流的根本原因；各種因素對玻璃液流造成影響，主要是通過玻璃液溫度變化來體現的。因此，控制玻璃液流平衡的關鍵在于窯爐溫度的穩定，尤其是池底溫度的穩定。

在實際生產中，如何通過玻璃生產中的“四大穩”和“四小穩”保持窯爐溫度的穩定來達到玻璃液流平衡，需要注意的是，TFT-LCD玻璃對氣泡、條紋等缺陷的管控非常嚴格，穩定生產優質的TFT-LCD玻璃必須在“四大穩”和“四小穩”的基礎上把精細管理做到極致，從原材料入廠檢測到配合料的配置完成、從配合料投入爐前料倉到入爐、從窯爐的控制手法到鉑金通道流量控制等各個環節以及各環節間的銜接方式都需要不斷細化，每個環節都要精益求精。

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

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

（2）窯爐散熱條件。外界環境變化對任何窯爐都會造成影響，對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，因玻璃液流而產生的熔化質量變化對其他玻璃品質的影響可能是微乎其微的，但對品質要求極其嚴格的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，必須對生產車間的環境（溫度、壓力）進行嚴格的控制，盡可能地維持窯爐、鉑金通道、成形的環境恒定，才能為熱端的穩定運行打好基礎。

4 結語

玻璃液流的變化情況是窯爐工況的最終體現；液流的平衡是玻璃穩產的基礎，液流的合理分布是高產前提。玻璃液流的控制在TFT-LCD玻璃生產中是一項長期性的工作，需要以精益求精理念不斷去探索總結、細化、優化，不斷去挑戰提質增效這個長久課題。