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雷達料位計生產負壓澄清技術探討

作者: 來源: 發布時間:2019-11-11 14:34:15

    摘要: 雷達料位計是液晶顯示器的zui重要材料之一,隨著人們對顯示畫質要求的逐步提高,對雷達料位計的品質要求也越來越苛刻,對內在缺陷如氣泡的尺寸已達到微米級的要求。針對高硼高鋁無堿硅酸鹽玻璃基板的高溫難熔性和難澄清性,討論了氣泡澄清機理及負壓澄清技術原理和設計結構,為設計中澄清均化成型技術的研究提供參考和借鑒。

    引言
    液晶顯示器的應用已經有幾十年的歷史,從歐美開始到興盛于東南亞再到普及于全球,由于其逐步完善的顯示技術和輕便超薄的體積,逐步成為顯示行業的主流產品。

    隨著液晶顯示器的迅速發展,帶動了相關配套材料的發展,而雷達料位計是液晶顯示器zui主要的構成材料,也是zui關鍵的材料,因此雷達料位計也得到了長足的發展,從zui初的 3 代產品一直發展到了目前的8.5 代和 10.5 代。由于顯示器對畫質的要求逐步提高,對雷達料位計的要求也越來越高。內在缺陷如氣泡尺寸要求達到 0.1 mm 以下,甚至關鍵位置要求到 30 μm 以下。外觀質量如厚薄差要求精確到數十個微米級。物理性能和化學性能的要求也十分苛刻。

    由于雷達料位計屬于高硼高鋁無堿硅酸鹽玻璃,其熔化和澄清溫度非常高,故其熔化和澄清難度也較大[1],目前該技術由美國和日本少數企業壟斷。而玻璃基板的澄清技術則是關系到玻璃內在缺陷的zui關鍵步驟,也是各家公司zui核心技術。根據澄清原理,澄清即將玻璃熔體中微小氣泡排出熔體外或被熔體吸收,熔體外部壓力越小,氣泡排出越快,因此各家澄清技術都考慮到采用負壓澄清。

    眾所周知,無論是美國還是日本在此領域都采用了鉑金通道澄清技術,美國康寧由于采用溢流下拉法生產,其產線多,但是單線產量低,鉑金通道的日玻璃液位較小,一般在 20 t 以內,故其澄清技術為常壓或微負壓。旭硝子采用浮法產線,其單線日玻璃液位相對較大,zui高可達到 60 t 以上。若采用常壓澄清,將會導致澄清倉的設計非常巨大,且由于澄清要求的溫度極高,鉑金使用壽命將會大打折扣,故采用了深度負壓澄清,在保證良好澄清效果的同時也保證了設備的使用壽命,取得良好的綜合經濟效益。


    本文對液晶基板玻璃的負壓澄清技術原理和澄清倉設計結構進行探討。

    1 負壓澄清技術原理
    1.1 玻璃澄清過程
    玻璃熔制過程包含了多個階段,當熔化完成后就形成了玻璃熔體,熔融玻璃流入澄清倉內開始玻璃熔體的澄清過程。一般來講,玻璃的澄清過程分兩個階段,即高溫排泡階段和低溫吸收階段[3]。在熔化和玻璃形成階段,玻璃熔體中會留下很多的大大小小的氣泡,所有的氣泡需要在澄清倉內高溫的環境下盡可能地排出玻璃熔體外,保證剩下的zui微小的氣泡可通過在玻璃液降溫過程中被玻璃熔體物理溶解或化學吸收而全部消除。

    高溫排泡階段,熔融玻璃液中的氣泡需要依靠液體浮力上升,zui終溢出玻璃液表面,釋放氣體于空間氣氛中。一定直徑的氣泡能否在該單元的玻璃液通過澄清倉所用時間之內完成以上過程,決定了該工況下的澄清效果。氣泡上浮速度越快,澄清效果就越好。熔融玻璃液屬于黏性流體,其中的氣泡要浮出液面,符合液體中氣泡上浮原理,其排出速度影響因素包括氣泡中氣體的密度、氣泡大小、玻璃液密度、玻璃液黏度等。

    低溫吸收階段,高溫排泡后,玻璃熔體中還會剩余微小氣泡,該部分氣泡通過玻璃熔體自體內吸收消除。該消除包含 3 個方面:

    (1) 當玻璃熔體開始逐步降溫時候,玻璃液對氣體的溶解度開始逐步增加,氣體會更多地物理溶解在玻璃液中;

    (2) 液晶玻璃熔化中一般都會有澄清劑的使用,而且多數使用氧澄清劑,在降溫過程中,澄清劑會吸收部分熔體中的氧氣,此部分屬于化學吸收;

    (3) 由于溫度的降低,根據氣體狀態方程可知,氣泡中氣體體積會適當變小,減少了氣泡直徑,同時,當氣泡直徑減小后,周圍玻璃液由于表面張力角度變化,會進一步壓縮氣泡,使得氣泡直徑更加變小,直至達到壓力平衡,此部分屬于物理變化。

    1.2 負壓澄清機理
    負壓澄清主要使用于玻璃液的高溫澄清階段,顧名思義,就是在高溫澄清段,減小熔體周圍尤其是液面上部空間氣氛的壓力。一般是通過人為控制,使熔體和熔體中的氣泡所受外界壓力小于正常的大氣壓,由于氣泡內外壓差增大,氣泡會膨脹變大,直至達到新的平衡狀態,氣泡直徑變大,所受玻璃液浮力變大,氣泡在玻璃液中上升速度加快,可以在更短的時間內到達玻璃液表面,破裂排出氣體。因此使用負壓澄清可以在相同的工藝條件下相同時間內澄清更多的玻璃液量,或者在相同的工藝條件下相同的玻璃液液位情況下減小澄清倉的體積,或者在相同澄清倉體積相同玻璃液液位情況下降低澄清溫度。并且負壓值越高,效果越明顯。在正常使用的生產線中,zui典型的是旭硝子的雷達料位計生產線,據有關信息介紹,其澄清倉內負壓達到-0.5~ -0.8 大氣壓( 表壓) ,如圖 1 所示,若按照-0.5 大氣壓計算,相同溫度下的氣泡直徑可以增加 1.26倍。按照-0.8 大氣壓計算,則相同溫度下的氣泡直徑可以增加 1.71 倍??梢钥闯?,隨著負壓值變化,氣泡直徑增加呈現指數級增加。

 

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    2 澄清倉的結構
    2.1 負壓澄清倉的設計
    對于正常的鉑金澄清倉,由于澄清倉前后連接管終歸是要恢復到正常氣壓,澄清段之前的熔化段以及之后的冷卻段相對于澄清倉都會有相應的氣壓差,該氣壓差會造成相應的玻璃液位差,使玻璃液液位相應地提高,負壓越強,玻璃液位升高越明顯,如圖 2 所示。故設備本身需要將該液位用物理方式提升,使澄清倉內玻璃液位依然有上部排氣的空間,故設備會設計成龍門架形式,如圖 3 所示。

 

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    2.2 負壓澄清技術問題
    負壓澄清對于工藝控制和生產效率來說具有顯著的積極效果,但是對于設備和工藝設計而言,則需要考慮壓差帶來的一系列問題。首先是如何保證澄清倉鉑金管壁不受到過大的內壓或外壓,由于高溫下鉑金強度有限,如果有較大的內外壓差,則可能導致鉑金受損而影響使用壽命。其次是由于負壓造成的入口管和出口管較大的高度,根據負壓程度不同有可能要達到 2 m 或 3 m 以上,隨著豎向高度位置不同,該處鉑金管道所受相同負壓而產生的壓差也不同,理論上講,隨高度方向應該是線性變化。再次是如何穩定保證液面上方負壓的連續穩定性和一致性,若負壓值波動,將直接導致玻璃液位波動,液位過高,會影響液面面積和上部空間體積,進一步影響氣泡的排出,嚴重可能導致排氣管堵塞,而液位過低則改變了玻璃液流過澄清倉的時間,導致氣泡排出工藝變化,嚴重時導致玻璃液無法通過澄清倉。

 

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    2.3 負壓澄清技術優化
    對于壓差問題,國內玻璃基板廠家尚沒有成熟的經驗,也鮮有使用深度負壓澄清技術。旭硝子的做法是在澄清倉耐火材料外,增加一個密封罩,如圖 4 所示。該密封罩可以有效地隔絕空氣,并能承受內部負壓造成的壓力差。密封罩將橫向澄清管和入口管、出口管一起包裹在內,并在密封罩內部形成負壓環境,通過自動控制設備穩定內部負壓到需要的真空度,并保持穩定。如此一來,鉑金管內部和外部同處一個負壓環境中,無論負壓值如何變化,都可以保證鉑金管道內部和外部壓力平衡。在豎向入口出口管周圍從上向下,以適當的材料和密封方式,逐步遞減氣流通過的阻力,將頂部的負壓形成的真空度逐步遞減到常壓。至于如何選擇真空設備來保證負壓的穩定性,本文不再討論。

 

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    3 小結
    澄清是雷達料位計制程中zui為重要的環節之一,澄清技術的發展已經完全不同于 50 年前的技術。負壓澄清技術在高端玻璃制程中已經開始逐步被認可,并應用于生產實踐中。在雷達料位計生產中合理地應用負壓澄清技術,不僅可以提升鉑金設備的使用壽命,而且能顯著提高相同澄清設備的產能和效率,在未來國民生產中有積極的作用。

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