浮法超薄玻璃的光學(xué)性能指標(biāo)改善

陳 鑫

(深圳市新旗濱科技有限公司,深圳 518000)

隨著近年來(lái)電子顯示技術(shù)的高速發(fā)展,手機(jī)及平板電腦等移動(dòng)電子顯示設(shè)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(qiáng)化性能在電子顯示行業(yè)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。而作為電子顯示屏的蓋板玻璃,其超白通透的光學(xué)性能是一項(xiàng)較為關(guān)鍵的重要品質(zhì)指標(biāo),細(xì)化到表征顏色的透過率、色澤和光學(xué)均勻性的玻筋條紋、波紋度等指標(biāo),均有較為嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)以及檢測(cè)方法。

由于超薄玻璃其鋁含量較高的成分特點(diǎn),其高溫粘度較大,相應(yīng)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(xué)性能指標(biāo)的改善,是要求整個(gè)生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的全過程控制,從原料的進(jìn)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(zhǔn)控制和連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)連續(xù)性的工業(yè)化大生產(chǎn),要按照精細(xì)化的控制理念進(jìn)行控制。

1 玻璃顏色的指標(biāo)及工藝控制要點(diǎn)

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(duì)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(duì)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(duì)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(gè)方面,高鋁玻璃的相應(yīng)工藝控制指標(biāo)要嚴(yán)格很多,其在顏色的穩(wěn)定性方面也更加敏感。

1.1 原料來(lái)料質(zhì)量及配料工序的嚴(yán)格要求

高鋁玻璃采用部分礦物原料,同時(shí)還采用部分化工原料;對(duì)成分、粒度、料性等都有明確的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。

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(shí)對(duì)粒度要求,除了常規(guī)的大顆粒要求0.8 mm以下(標(biāo)準(zhǔn)篩25目)全通過,超細(xì)粉在0.106 mm(140目以下)的比例嚴(yán)格控制在5%以下。同時(shí)對(duì)粒度級(jí)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(xì)顆粒,要求小于20%;對(duì)硅砂的重金屬含量、燒失量有要求,對(duì)采用新礦點(diǎn)的硅砂要進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

對(duì)原料的料性COD值(化學(xué)氧需要量)監(jiān)控非常重要。按照規(guī)范的檢測(cè)方法,需要長(zhǎng)時(shí)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(duì)比分析,尤其注意原料產(chǎn)地變化時(shí)檢測(cè)要加密。原料COD值的變化對(duì)顏色會(huì)產(chǎn)生較大的影響,尤其對(duì)于采用芒硝作為澄清劑的料性,對(duì)COD值要嚴(yán)格控制波動(dòng)范圍。

對(duì)易吸水受潮結(jié)塊和容易分層的原料均需要采取相應(yīng)的措施。

稱量精度要求動(dòng)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(gè)等級(jí);同時(shí)考慮各種原料的粒度水分等特點(diǎn),對(duì)混合機(jī)的下料順序也要嚴(yán)格控制,減輕較重顆粒原料的底部沉積和超細(xì)粉原料的揮發(fā)量。

對(duì)原料輸送系統(tǒng)控制系統(tǒng)磨損鐵及雜質(zhì)的鐵要嚴(yán)格控制,要求整個(gè)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(chǎng)增加PE板、硅砂庫(kù)及所有原料倉(cāng)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(qiáng)磁除鐵設(shè)備等。

在配合料的輸送過程以及料倉(cāng)內(nèi),需采取一定的措施控制和杜絕混合料結(jié)團(tuán)、分層、飛散等情況,如采用氣錘、振動(dòng)電機(jī)等。對(duì)碎玻璃粒徑需要嚴(yán)格控制,尤其避免碎玻璃細(xì)粉結(jié)團(tuán)情況;對(duì)碎玻璃覆蓋率嚴(yán)格控制偏差小于1～2 m。

1.2 熔化溫度及氣氛對(duì)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(xué)價(jià)態(tài)不同,其著色能力差異很大。氧化亞鐵的著色能力較強(qiáng),氧化鐵的著色能力稍弱。同時(shí)采用硫酸鹽作為澄清劑的情況較多,硫酸鈉的分解對(duì)氣氛有一定要求,并會(huì)影響到亞鐵的比例,繼而對(duì)玻璃顏色產(chǎn)生相應(yīng)的變化。還有一些生產(chǎn)線,會(huì)使用一些脫色劑來(lái)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(gè)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(guān)。

在熔化過程中,助燃風(fēng)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(yīng)Fe3+增加,玻璃顏色會(huì)偏黃一點(diǎn)(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(duì)比,亞鐵比低的玻璃透過率更高。根據(jù)這一特點(diǎn),生產(chǎn)中要求對(duì)應(yīng)的工藝控制方法,對(duì)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(diǎn)的煙氣殘氧含量;而對(duì)于建筑幕墻玻璃基片,其由Fe2+著的偏藍(lán)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(duì)低一些的煙氣殘氧含量。

熔化熱點(diǎn)溫度的高低也對(duì)玻璃的亞鐵比有影響。對(duì)比實(shí)際生產(chǎn)中的數(shù)據(jù),熱點(diǎn)位置小爐腿的手測(cè)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(shuō)明亞鐵比有提高。

熔窯冷卻部的稀釋風(fēng)用量以及熱風(fēng)槍風(fēng)火量也會(huì)對(duì)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(fēng)火量及氣氛變化都會(huì)帶來(lái)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(xué)性能指標(biāo),除了透過率、色澤(色度值)等顏色指標(biāo)外,光學(xué)均勻性是更重要的一項(xiàng)。而玻璃光學(xué)均勻性的指標(biāo)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(xué)均勻性的最常用指標(biāo)。在國(guó)標(biāo)《GB11614—2022平板玻璃》中,光學(xué)變形是衡量玻筋情況好壞的質(zhì)量指標(biāo),2 mm厚度薄玻璃的光學(xué)變形角要求≥50°;而對(duì)超薄玻璃由于其應(yīng)用行業(yè)的高標(biāo)準(zhǔn),對(duì)光學(xué)變形的檢測(cè)角度達(dá)到75°的大角度要求,即對(duì)斑馬條紋檢測(cè)變形的要求是標(biāo)準(zhǔn)12 mm的條紋,經(jīng)過強(qiáng)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(jī)理是玻璃成分粘度的不均勻,導(dǎo)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(gè)方面:

1)化學(xué)成分上的不均勻,主要來(lái)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(lái)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(huì)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(cè)

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(xué)性能的重要因素之一。

目前國(guó)外先進(jìn)超薄玻璃和國(guó)內(nèi)某廠的波紋度控制標(biāo)準(zhǔn)情況如表2所示。

表2 國(guó)際廠家和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)線在不同厚度超薄玻璃的波紋度標(biāo)準(zhǔn)

超薄電子玻璃生產(chǎn)線微觀波紋度的檢測(cè)方法是采用觸針式粗糙度儀進(jìn)行離線抽檢。選取一定規(guī)格的玻璃檢測(cè)試樣,放置在水平工作平臺(tái)上,并沿垂直拉引方向掃描約150 mm。掃描產(chǎn)生的電阻信號(hào)通過傳感器變成電信號(hào),在記錄儀上自動(dòng)記錄下來(lái),從而把玻璃表面的不平整以高低起伏的曲線表現(xiàn)出來(lái),再由計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行微觀波紋度的計(jì)算和分析,自動(dòng)測(cè)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(xué)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(duì)流,通過鼓泡、攪拌等外力促進(jìn)玻璃液的對(duì)流均化,通過合理的卡脖水包深度和流道深度來(lái)選取質(zhì)量最好的玻璃液面層流進(jìn)入成型。

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

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

窯內(nèi)玻璃液的對(duì)流,在窯爐結(jié)構(gòu)確定的情況下,和熔化工藝制度的設(shè)定、前后各小爐熱負(fù)荷的分配、熱點(diǎn)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(diǎn)溫度的高低等工藝配置參數(shù)有關(guān)。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(shí)際數(shù)據(jù)檢驗(yàn),對(duì)于高鋁玻璃,對(duì)池底溫度的波動(dòng)要求在2 ℃/周的范圍內(nèi),有利于達(dá)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(dòng)玻璃液的對(duì)流均化有效改善光學(xué)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(dòng)示意,鼓泡設(shè)置于池玻璃液的上升拐點(diǎn)位置和表層玻璃液流的泉涌位置之間。鼓泡帶動(dòng)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(duì)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(yàn)間距在800～1 000 mm左右;兩側(cè)距離池壁的距離稍大,應(yīng)注意避免鼓泡玻璃液翻騰對(duì)池壁的沖刷,同時(shí)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(jìn)入成型流。

鼓泡器的高度和鼓泡流量的大小對(duì)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(duì)于超薄玻璃窯爐,是較為重要的促進(jìn)玻璃液均化的手段。相對(duì)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(duì)循環(huán)水的質(zhì)量要求較高。在實(shí)際生產(chǎn)過程中,相關(guān)的數(shù)據(jù)表明,在玻璃液的深度方向,最高溫度點(diǎn)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(jìn)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(jìn)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(duì)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(jié)構(gòu)更加平緩,流道的玻璃液流在200～250 mm的深度較為合理。在設(shè)計(jì)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(jìn)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(diǎn)如下:

成型溫度場(chǎng)的控制要精細(xì),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(jī)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(chǎng)利于玻璃液充分的攤平和拋光;拉邊機(jī)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(jī)間距要小,控制拉邊機(jī)較小的角度及速差配置,避免單個(gè)拉邊機(jī)的急速拉薄。常規(guī)浮法的拉邊機(jī)間距有的生產(chǎn)線達(dá)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(jī)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(lái)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(duì)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(fēng)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(duì)拉邊機(jī)到末對(duì)拉邊機(jī)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(yùn)行。

3 結(jié) 語(yǔ)

光學(xué)性能是高鋁超薄玻璃在電子顯示行業(yè)應(yīng)用的重要品質(zhì)指標(biāo),而光學(xué)性能指標(biāo)的改善要求整個(gè)生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的全過程精細(xì)化控制?？偨Y(jié)生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),嚴(yán)格監(jiān)測(cè)原料的COD值控制雜質(zhì)含量、精細(xì)控制配和料的均方差等指標(biāo)、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(xì)穩(wěn)定控制熔化的溫度場(chǎng)、穩(wěn)定窯內(nèi)的玻璃液對(duì)流、采用鼓泡和攪拌的強(qiáng)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(jìn)入成型利于玻筋條紋的有效改善。對(duì)錫槽成型的電加熱精細(xì)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(jī)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(xué)性能,穩(wěn)定達(dá)到電子顯示的高標(biāo)準(zhǔn)要求。