陳 鑫

(深圳市新旗濱科技有限公司,深圳 518000)

隨著近年來電子顯示技術的高速發(fā)展,手機及平板電腦等移動電子顯示設備飛快的更新?lián)Q代。高鋁玻璃由于輕量化的超薄尺寸、耐磨耐摔等優(yōu)異的強化性能在電子顯示行業(yè)得到了越來越多的應用。而作為電子顯示屏的蓋板玻璃,其超白通透的光學性能是一項較為關鍵的重要品質(zhì)指標,細化到表征顏色的透過率、色澤和光學均勻性的玻筋條紋、波紋度等指標,均有較為嚴格的控制標準以及檢測方法。

由于超薄玻璃其鋁含量較高的成分特點,其高溫粘度較大,相應在熔化澄清、成型退火等生產(chǎn)工藝過程中,工藝控制和操作難度比傳統(tǒng)的鈉鈣硅平板玻璃高出很多。而光學性能指標的改善,是要求整個生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的全過程控制,從原料的進料質(zhì)量、配料及輸送的均勻性、熔化澄清的液流均化、成型退火等全過程的系統(tǒng)性的精準控制和連續(xù)穩(wěn)定運行。對連續(xù)性的工業(yè)化大生產(chǎn),要按照精細化的控制理念進行控制。

1 玻璃顏色的指標及工藝控制要點

高鋁玻璃的主要生產(chǎn)厚度是0.3～1.5 mm。其雖然是超薄玻璃,但是對透過率及色澤要求更高。首先,高鋁玻璃的鐵含量要求在50 mg/kg以下,而常規(guī)建筑用浮法普白玻璃的鐵含量在800～1 200 mg/kg。幾種常見平板玻璃的鐵含量對比見表1。

表1 常見平板玻璃的鐵含量及透射比比較表

在玻璃顏色的工藝控制上,對原料的鐵含量、系統(tǒng)雜質(zhì)鐵的控制、配合料的氧化還原性、熔窯的火焰氣氛控制等幾個方面,高鋁玻璃的相應工藝控制指標要嚴格很多,其在顏色的穩(wěn)定性方面也更加敏感。

1.1 原料來料質(zhì)量及配料工序的嚴格要求

高鋁玻璃采用部分礦物原料,同時還采用部分化工原料;對成分、粒度、料性等都有明確的嚴格標準。

主要原料硅砂,除了SiO2、Al2O3成分要求,鐵含量要求在50 mg/kg以下。同時對粒度要求,除了常規(guī)的大顆粒要求0.8 mm以下(標準篩25目)全通過,超細粉在0.106 mm(140目以下)的比例嚴格控制在5%以下。同時對粒度級別分配也有要求,如粒度在25～30目之間,要求小于0.5%,粒度在120～140目之間的細顆粒,要求小于20%;對硅砂的重金屬含量、燒失量有要求,對采用新礦點的硅砂要進行監(jiān)測。

對原料的料性COD值(化學氧需要量)監(jiān)控非常重要。按照規(guī)范的檢測方法,需要長時間持續(xù)的跟蹤積累各種原料的料性數(shù)據(jù),并和生產(chǎn)中的工藝變化對比分析,尤其注意原料產(chǎn)地變化時檢測要加密。原料COD值的變化對顏色會產(chǎn)生較大的影響,尤其對于采用芒硝作為澄清劑的料性,對COD值要嚴格控制波動范圍。

對易吸水受潮結塊和容易分層的原料均需要采取相應的措施。

稱量精度要求動態(tài)精度1/1 000,靜態(tài)精度1/3 000;配合料均勻度要求大于95%,均方差要求小于0.1;配合料溫度、水分等相比普通浮法高一個等級;同時考慮各種原料的粒度水分等特點,對混合機的下料順序也要嚴格控制,減輕較重顆粒原料的底部沉積和超細粉原料的揮發(fā)量。

對原料輸送系統(tǒng)控制系統(tǒng)磨損鐵及雜質(zhì)的鐵要嚴格控制,要求整個原料的系統(tǒng)磨損鐵要在10 mg/kg以下,采取所有斗提內(nèi)襯PE板、碎玻璃斗堆場增加PE板、硅砂庫及所有原料倉內(nèi)襯PE板,輸送皮帶托輥改成螺旋式回程托輥等措施,采取強磁除鐵設備等。

在配合料的輸送過程以及料倉內(nèi),需采取一定的措施控制和杜絕混合料結團、分層、飛散等情況,如采用氣錘、振動電機等。對碎玻璃粒徑需要嚴格控制,尤其避免碎玻璃細粉結團情況;對碎玻璃覆蓋率嚴格控制偏差小于1～2 m。

1.2 熔化溫度及氣氛對玻璃顏色的影響

玻璃中的顏色主要是玻璃成分中鐵的著色引起,而鐵的化學價態(tài)不同,其著色能力差異很大。氧化亞鐵的著色能力較強,氧化鐵的著色能力稍弱。同時采用硫酸鹽作為澄清劑的情況較多,硫酸鈉的分解對氣氛有一定要求,并會影響到亞鐵的比例,繼而對玻璃顏色產(chǎn)生相應的變化。還有一些生產(chǎn)線,會使用一些脫色劑來追求玻璃的顏色“純正”,即控制玻璃顏色的色度值(L*、a*、b*)在一個較小范圍內(nèi),而脫色劑的作用同樣和熔化的溫度及氣氛有關。

在熔化過程中,助燃風比例較高,火焰氣氛偏氧化的氣氛利于玻璃中的Fe2+降低,相應Fe3+增加,玻璃顏色會偏黃一點(色度值b*增大);但由于Fe3+的著色能力相比Fe2+的著色能力弱,在同樣鐵含量的玻璃對比,亞鐵比低的玻璃透過率更高。根據(jù)這一特點,生產(chǎn)中要求對應的工藝控制方法,對于追求更高的可見光透過率、更高的光伏轉(zhuǎn)換效率的光伏玻璃,其在熔化火焰氣氛上多是控制稍高一點的煙氣殘氧含量;而對于建筑幕墻玻璃基片,其由Fe2+著的偏藍色玻璃幕墻具有更好的視覺效果,在熔化火焰氣氛上就要控制相對低一些的煙氣殘氧含量。

熔化熱點溫度的高低也對玻璃的亞鐵比有影響。對比實際生產(chǎn)中的數(shù)據(jù),熱點位置小爐腿的手測紅外儀溫度在1 550 ℃和1 590 ℃,玻璃顏色b*值變化增加近0.1,說明亞鐵比有提高。

熔窯冷卻部的稀釋風用量以及熱風槍風火量也會對玻璃顏色有一定影響,尤其是采用脫色劑的生產(chǎn)線,冷卻部甚至錫槽的風火量及氣氛變化都會帶來顏色的變化。

2 玻筋條紋、波紋度的特征及工藝控制改善方向

玻璃的光學性能指標,除了透過率、色澤(色度值)等顏色指標外,光學均勻性是更重要的一項。而玻璃光學均勻性的指標有玻筋條紋和波紋度,其在工藝控制上的難度更大。

2.1 玻筋及條紋

玻筋是平板玻璃中條紋的表現(xiàn)形式,是檢查玻璃板光學均勻性的最常用指標。在國標《GB11614—2022平板玻璃》中,光學變形是衡量玻筋情況好壞的質(zhì)量指標,2 mm厚度薄玻璃的光學變形角要求≥50°;而對超薄玻璃由于其應用行業(yè)的高標準,對光學變形的檢測角度達到75°的大角度要求,即對斑馬條紋檢測變形的要求是標準12 mm的條紋,經(jīng)過強光光源在75°的照射下,條紋變形在(12±2)mm以下;如圖1、圖2所示。

玻筋及條紋的形成機理是玻璃成分粘度的不均勻,導致在玻璃拉引方向形成條帶狀宏觀變形缺陷。其粘度不均勻的成因主要有兩個方面:

1)化學成分上的不均勻,主要來自于熔化澄清均化階段。具體原因有原料成分粒度的穩(wěn)定性、配合料的均勻性、熔化玻璃液流的均化效果等,以及在成分變化的玻璃液分層等方面;2)物理上由于玻璃液的溫度不均勻所造成的粘度差異。來自熔窯的熔化澄清部及冷卻部的液流紊亂,橫向溫度差及上下層溫度差所造成的參與成型流的粘度不均勻;在錫槽成型高溫區(qū)域的橫向溫度差異,以及縱向冷卻速率不一致等原因產(chǎn)生的粘度差都會造成光線的折射透射不均勻,形成玻筋條紋。

2.2 波紋度定義及檢測

超薄電子玻璃的微觀波紋度是指玻璃上下表面一種介于粗糙度和宏觀表面幾何形狀偏差之間的表面不平整程度,是具有較小間距和微小峰谷的微觀幾何形狀偏差。波紋度的波峰(最大值)和波谷(最小值)體現(xiàn)了玻璃表面一定周期的高低起伏,是影響超薄電子玻璃光學性能的重要因素之一。

目前國外先進超薄玻璃和國內(nèi)某廠的波紋度控制標準情況如表2所示。

表2 國際廠家和國內(nèi)生產(chǎn)線在不同厚度超薄玻璃的波紋度標準

超薄電子玻璃生產(chǎn)線微觀波紋度的檢測方法是采用觸針式粗糙度儀進行離線抽檢。選取一定規(guī)格的玻璃檢測試樣,放置在水平工作平臺上,并沿垂直拉引方向掃描約150 mm。掃描產(chǎn)生的電阻信號通過傳感器變成電信號,在記錄儀上自動記錄下來,從而把玻璃表面的不平整以高低起伏的曲線表現(xiàn)出來,再由計算機自動進行微觀波紋度的計算和分析,自動測出微觀波紋度的數(shù)值。

2.3 熔化工藝控制方向

改善玻璃的光學均勻性,在熔化工藝原理上就是提高玻璃液的成分及粘度的均勻性。溫度制度方面的合理溫差形成穩(wěn)定的玻璃液對流,通過鼓泡、攪拌等外力促進玻璃液的對流均化,通過合理的卡脖水包深度和流道深度來選取質(zhì)量最好的玻璃液面層流進入成型。

工藝溫度制度穩(wěn)定、熔窯溫度場及液流穩(wěn)定對改善玻筋及條紋非常重要。

熔窯作為一個大型的熱工綜合體,其窯內(nèi)的玻璃液流動既有縱向的對流,也有橫向的對流。圖3為某生產(chǎn)線窯爐模擬的表層玻璃液的流動及溫度場示意圖,圖4為縱向液流及溫度場示意圖。

窯內(nèi)玻璃液的對流,在窯爐結構確定的情況下,和熔化工藝制度的設定、前后各小爐熱負荷的分配、熱點與投料口及澄清部合理的溫差、投料方式及橫向投料速比的配置、窯爐壓力、熱點溫度的高低等工藝配置參數(shù)有關。池底溫度則為最具有衡量窯內(nèi)液流穩(wěn)定性的代表。通過生產(chǎn)中的實際數(shù)據(jù)檢驗,對于高鋁玻璃,對池底溫度的波動要求在2 ℃/周的范圍內(nèi),有利于達到較好的玻筋條紋狀態(tài)。

配置鼓泡及攪拌器可通過外力帶動玻璃液的對流均化有效改善光學性能。

鼓泡器在熔化縱向的位置很重要,如圖4所示玻璃液流動示意,鼓泡設置于池玻璃液的上升拐點位置和表層玻璃液流的泉涌位置之間。鼓泡帶動玻璃液的翻騰作用和熔化工藝制度的玻璃液表層泉涌區(qū)重合,最有利于加大玻璃液的對流均化作用。

鼓泡器在橫向上配置的間距,要考慮到玻璃液翻騰的泡暈的大小。行業(yè)里眾多窯爐積累的經(jīng)驗間距在800～1 000 mm左右;兩側距離池壁的距離稍大,應注意避免鼓泡玻璃液翻騰對池壁的沖刷,同時也要避免間隙過大造成較多邊部的玻璃液沒有經(jīng)過鼓泡而進入成型流。

鼓泡器的高度和鼓泡流量的大小對鼓泡液流的翻騰作用影響也較大。鑒于高鋁玻璃粘度大的特性,鼓泡位置選取較為靠近池底的位置。較大的鼓泡流量(2～5 L/min)有利于玻璃液的均化,但需注意可能不利于玻璃液中氣泡缺陷的消除。

在卡脖采用攪拌器,尤其對于超薄玻璃窯爐,是較為重要的促進玻璃液均化的手段。相對于水平攪拌的形式,垂直攪拌的效果更好一些;攪拌耙有魚叉式和八字形兩種;需要特別注意攪拌器對循環(huán)水的質(zhì)量要求較高。在實際生產(chǎn)過程中,相關的數(shù)據(jù)表明,在玻璃液的深度方向,最高溫度點和最好的玻璃液質(zhì)量并不是表層玻璃液,而是液面線以下200 mm深的玻璃液層流?？ú彼纳疃扔绊懙饺刍窟M入冷卻部的表層流流量,以及冷卻部底層的玻璃液回流量;流道玻璃液的深度決定了進入成型的玻璃液層流;圖5為卡脖水包液流的示意圖,流道區(qū)域的玻璃液流示意見圖6。

對于更加注重質(zhì)量的高鋁超薄玻璃,相比普通浮法及壓延線窯爐的水包壓入深度,超薄線熔窯的卡脖水包壓入深度只有其不到一半的深度;流道池底結構更加平緩,流道的玻璃液流在200～250 mm的深度較為合理。在設計階段就要考慮合適的卡脖水包的壓入深度以及流道的玻璃液深度以選取質(zhì)量較好的表層玻璃液以下200 mm左右的層流進入錫槽成型。

2.4 錫槽成型工藝控制方向

改善薄玻璃的玻筋條紋及波紋度,錫槽成型的工藝原理上,就是減少玻璃液的橫向溫度差,平緩的拉薄成型定型,避免在縱向上的不均勻降溫。主要的工藝控制點如下:

成型溫度場的控制要精細,尤其是拉薄成型區(qū)的橫向溫度分區(qū)控制。優(yōu)化錫槽電加熱分布,電加熱裝機功率從中間至邊部逐步升高,改善錫槽橫向溫差。

優(yōu)化錫槽溫度制度,玻璃液的溫度每下降1 ℃,其黏度就上升4%;相比普通浮法高出近100 ℃的流道溫度,升高前端溫度場利于玻璃液充分的攤平和拋光;拉邊機1#的位置,距離錫槽入口4～4.5 m左右,控制玻璃液在錫槽入口充分的攤平拋光。

拉邊機間距要小,控制拉邊機較小的角度及速差配置,避免單個拉邊機的急速拉薄。常規(guī)浮法的拉邊機間距有的生產(chǎn)線達到2 m,而超薄玻璃的間距一般在1 m以內(nèi)。配置較多的拉邊機數(shù)量,控制成型后區(qū)的溫降速率,避免玻璃板在收縮段前的快速收縮帶來的波紋度變差。在成型區(qū),安裝使用邊部浸沒式擋旗,利于減緩錫槽錫液對流和橫向溫差。出口端溫度優(yōu)化改善表面平整度,避免波紋度突高。

底殼冷卻風管增加開度調(diào)節(jié)閥,調(diào)節(jié)閥門開度保證底殼溫度的均衡;選擇合適的錫液深度,在錫槽入口較深的錫液深度有利于玻璃板的攤平拋光。自首對拉邊機到末對拉邊機的區(qū)域,是錫槽玻璃厚度的成型區(qū)域。錫液深度較淺有利于厚度的快速成型,但較淺的錫液深度不利于成型的安全穩(wěn)定運行。

3 結 語

光學性能是高鋁超薄玻璃在電子顯示行業(yè)應用的重要品質(zhì)指標,而光學性能指標的改善要求整個生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的全過程精細化控制。總結生產(chǎn)中的經(jīng)驗教訓,嚴格監(jiān)測原料的COD值控制雜質(zhì)含量、精細控制配和料的均方差等指標、控制熔化溫度及火焰氣氛是控制玻璃透過率及色澤的有效手段。精細穩(wěn)定控制熔化的溫度場、穩(wěn)定窯內(nèi)的玻璃液對流、采用鼓泡和攪拌的強制均化措施、通過卡脖水包深度和流道玻璃液深度、選取液面線以下200 mm的玻璃液層流進入成型利于玻筋條紋的有效改善。對錫槽成型的電加熱精細分區(qū),較深的前區(qū)錫液深度和成型區(qū)較淺的錫液深度,配置小間距的拉邊機平緩拉薄成型,采用擋旗等輔助措施能夠有效改善波紋度,改善玻璃的光學性能,穩(wěn)定達到電子顯示的高標準要求。