CN101795985B - 用于形成玻璃板的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种用来形成玻璃板的设备，所述设备包括用来支承玻璃熔体流的成形主体，所述成形主体具有基本垂直的成形面和倾斜的成形面。对所述垂直成形面的高度以及所述倾斜的成形面之间的角度进行选择，以尽可能减少构成所述成形主体的材料溶入玻璃熔体中的量，从而减少在成形主体上的重新结晶化。

Description

用于形成玻璃板的方法和设备
技术领域
本发明涉及用来形成玻璃板的设备，更具体来说涉及用来形成玻璃板的成形主体，其能够减少玻璃中固体夹杂物的量。
背景技术
熔合法是玻璃制造领域中用来制造玻璃板的一种基础技术。与浮法和狭缝拉制法之类的本领域已知的其它方法相比，所述熔合法制得的玻璃板的表面具有优良的平整度和光滑度。因此，在用于生产液晶显示器(LCD)的玻璃基板的制造中，熔合法变得特别重要。
Stuart M.Dockerty的共同转让的美国专利第3,338,696号和第3,682,609号中的主题是所述熔合法，具体来说是溢流下拉熔合法。如这些专利中所述，将玻璃熔体输送到被称为“等压槽(isopipe)”的形成于耐火材料主体中的凹槽之内。
在Dockerty的专利中描述了一个示例性的熔合下拉法，一旦达到稳态操作，玻璃熔体便从凹槽的顶部的两侧溢流，形成两块玻璃半板，这两块玻璃半板沿着等压槽的外表面向下流动，然后向内移动。两块玻璃半板在等压槽的底部或根部汇合，在此熔合在一起形成单块玻璃板。然后，将该单板输送至拉制设备，该设备通过从根部将该板拉离的速率来控制该板的厚度。拉制设备位于根部的下游足够远的位置，使单板在与该设备接触之前已经冷却。
成品玻璃板的外表面在该方法的任何阶段都不与等压槽外表面的任何部分接触。这些表面只与环境气氛接触。形成成品玻璃板的两块玻璃半板的内表面与等压槽接触，但是这些内表面在等压槽的根部熔合在一起，因此埋没到成品玻璃板体内。以这种方式，成品玻璃板可具有优异的外表面性能。
当玻璃熔体流入用于该熔合工艺的等压槽的凹槽中以及在其外表面上流动的时候，该等压槽经受高温和很大的机械负荷。为了能够耐受这样的高要求的条件，等压槽通常优选由等静压制的耐火材料块料制成(因此称为″等压-槽″)。具体来说，所述等压槽优选由等静压制的锆石耐火材料制成，即主要由ZrO2和SiO2组成的耐火材料。例如，所述等压槽可以由锆石耐火材料制成，其中ZrO2和SiO2的总量至少占该材料的95重量％，所述材料的理论组成为ZrO2·SiO2，或者等价地写作ZrSiO4。
用作LCD基板的平板玻璃的生产中造成损失的来源是由于玻璃在流入制造工艺所用的锆石等压槽中以及在该等压槽上流动时，使得玻璃中存在锆石晶体夹杂物(在本发明中称为″二次锆石晶体″或者″二次锆石缺陷″)。对于需要在较高温度下形成的对失透化比较敏感的玻璃来说，二次锆石晶体的问题更为严重。
形成在成品玻璃板中发现的锆石晶体的锆石来源于锆石等压槽的上部部分。具体来说，正是由于在等压槽的凹槽内以及等压槽外侧的上部壁(堰部)的温度和粘度之下，氧化锆(即ZrO2和/或Zr+4+2O-2)溶入玻璃熔体中，而最终产生这些缺陷。相对于等压槽的下部，上述部分处的玻璃的温度更高，粘度更低，这是因为当玻璃沿着等压槽流下的时候，其会发生冷却并变得更粘。
氧化锆在玻璃熔体中的溶解性和扩散性质会随着玻璃的温度和粘度而变化(也即是说，随着玻璃的温度降低、粘度增大，溶液中可以保持的氧化锆的量较少，扩散速率减小)。当玻璃接近等压槽的底部(根部)的时候，其中的氧化锆可能达到过饱和。因此，锆石晶体(即二次锆石晶体)会在锆石等压槽的底部(例如根部)成核并生长。最终这些晶体生长到足够的长度，断裂混入玻璃流中，在玻璃板的熔合线处或熔合线附近成为缺陷。
发明内容
在一个实施方式中，揭示了一种用来形成玻璃板的设备，其包括成形主体，所述成形主体具有倾斜的成形面，与所述倾斜的成形面相交的基本垂直的成形面，所述倾斜的成形面之间的角度小于42度。
在另一个实施方式中，揭示了一种形成玻璃板的方法，该方法包括提供玻璃熔体，使得玻璃熔体在包含晶体耐火材料的成形主体上流过，所述成形主体还包括倾斜的成形面以及与所述倾斜的成形面相交的基本垂直的成形面，对所述垂直的成形面的最大高度以及倾斜的成形面之间的角度进行选择，以尽可能减小玻璃熔体中溶解的耐火材料的浓度。
应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都提出本发明的实施方式，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明了本发明的示例性实施方式，并与说明书一起用来说明本发明的原理和操作。
附图说明
图1是根据本发明一个实施方式的用来形成玻璃板的成形主体的侧视图。
图2是图1的成形主体的截面图，显示了倾斜的成形面之间的角度。
图3显示了随着倾斜的成形面之间的角度以及垂直的成形面的高度的减小，对成形面上的温度曲线的影响的示图(沿着成形表面向上或向下)。
图4是对于两种等压槽根部的角度，溶解在玻璃熔体中的等压槽的材料的浓度重量百分比减去该材料的饱和浓度重量百分比％的差值随着与等压槽的成形面之间距离的变化关系图。
图5是本发明的成形主体的另一个实施方式，其包括多对倾斜的成形面。
图6是显示以高于饱和浓度的量溶于玻璃熔体中的等压槽材料的浓度随着与等压槽距离变化的关系图。
具体实施方式
在本发明的用来制备玻璃板的熔合下拉法中，在熔炉中使得形成玻璃的前体(配料)熔化，形成熔融原料，或玻璃熔体，然后使其在成形主体上流动，以形成玻璃板。通常该成形主体包括上部成形面，以及与所述上部成形面相交的倾斜成形面。所述倾斜成形面在所述成形主体的底部或根部汇合。所述上部成形面通常基本上是垂直而平行的。
成形主体或等压槽的设计必须考虑许多互相竞争的因素。将熔融的原料引入成形主体中的凹槽内，其侧面由坝(堰)限制。必须在足够低的粘度、即足够高的温度下将熔融原料引入成形主体，使得玻璃熔体能够均匀地溢流过堰的顶部。然后使得熔融原料沿着成形主体的外部成形面(包括倾斜的成形面)流下，流到主体的底部。所述倾斜成形面之间的角度必须不会大到足以因为重力而使得玻璃与等压槽相分离。
另一方面，离开成形主体的底部或根部的熔融原料必须具有足够高的粘度(处于足够低的温度)，以使得熔融的原料能够成功地下拉，而且粘度不会过低，以至于熔融原料的粘度低于其液相线粘度，在低于液相线粘度的情况下，会造成玻璃熔体结晶化。
另外，所述成形主体应当能够耐受瞬时加热条件(例如升温或冷却)下的应力而不会使得成形主体受到破坏，能够耐受由于成形主体的质量以及长时间高温操作造成的成形主体的下垂或蠕变。
如果从成形主体溢流的玻璃熔体在沿着成形面下降的过程中在高温下保持过久，成形主体所包含的材料可能会被溶解，然后在成形主体较冷的部分(例如根部)重新结晶化。晶体会生长到一定程度，然后发生破碎，夹带在玻璃流中，在最终玻璃产品中形成缺陷。本发明力图通过限制溶入玻璃熔体中的成形主体材料的量以减少晶体重新生长的程度。
图1和图2显示了根据本发明一个实施方式用来制造玻璃板的成形主体或等压槽10。等压槽10包括用来通过入口14接收来自供应源(未显示)的玻璃熔体的凹槽12，限制凹槽12的堰16，18，垂直成形面20，22和倾斜的成形面24，26。垂直成形面20，22分别沿着过渡线或突变线28、30与倾斜的成形面24、26相交。倾斜的成形面24，26以角度α设置，在等压槽的底部或根部32相交。垂直成形面20，22优选基本平行。等压槽10具有长度L和总体高度H。根部32和突变线28、30之间的垂直距离为h，而突变线与堰16、18的顶部之间的距离为h’，h’的值在最大值h’最大和最小值h’最 小之间变化。因此，H在最大值H最大和最小值H最小之间变化。
通过入口14将玻璃熔体34送入等压槽10，然后玻璃熔体在堰16、18的顶部从等压槽10溢流，例如在垂直成形面20、22的顶部溢流，然后作为两股独立的物流沿着成形面20，22以及24，26流下。所述两股玻璃流在根部32重新合并或熔合形成玻璃板36，玻璃板36被牵拉设备(表示为牵拉辊38)向下牵拉。等压槽10通常由锆石或氧化铝之类的陶瓷耐火材料组成。优选将等压槽10包容在外壳40之内，所述外壳40中包括在其中垂直设置的加热元件42，用来控制等压槽成形表面上玻璃熔体的温度。
从图2可以看到，垂直成形面20，22大体平行于内部马弗炉壁44，46，而这些内部马弗炉壁被加热元件42加热。一般来说，沿着垂直成形面20、22流下的玻璃熔体的温度是基本恒定的。另一方面，倾斜的成形面24、26是倾斜的，暴露于等压槽下方较冷的温度。也即是说，所述倾斜的或汇合的成形面的取向具有水平分量和垂直分量。因此，玻璃熔体在沿着倾斜的成形面下降的同时被冷却。所得的温度与等压槽上位置的关系图类似于图3的曲线50，图中显示在垂直成形面上的温度基本恒定(从堰的顶部到突变线-部分50a)，在沿着等压槽从突变线向着根部向下移动的过程中，温度大体上成线性降低-部分50b。
已经发现长时间处于高温条件会导致等压槽所含的材料溶入玻璃熔体中。因此，通过减小垂直成形面的高度，可以减少溶入玻璃熔体中的等压槽材料的量，由此可以减少可能从玻璃熔体流沉淀出来的材料的量。
不希望限于任何特定的理论，认为通过减小玻璃熔体必须通过的垂直成形面的距离可以缩短玻璃熔体接触存在于等压槽顶部的高温的时间。由此，使得等压槽材料溶入玻璃熔体中的时间较短，因此在等压槽的较冷区域(例如根部32附近)可以沉淀出来的等压槽材料较少。
与此同时，仅仅减小垂直成形面的高度可能导致等压槽总体高度减小。人们不希望总体高度减小，这是因为在此情况下，等压槽更容易发生下垂。因此，希望在不减小等压槽自身的总体高度H的情况下减小垂直成形面的高度。这可以通过减小倾斜成形面之间的角度α来完成。假定等压槽的堰之间的宽度W固定，则随着垂直成形面的高度h’变小，角度α变小以保持等压槽的总高度H。
通过减小倾斜成形面之间的角度还得到的另外的优点，即减小等压槽的总质量，由此得到减小的下垂，在温度瞬间变化(例如升温和冷却)的过程中由热引发的应力较小。
参见图2，通过减小角度α能够使得倾斜成形面24，26向内移动到24’，26’所示的位置。因此，突变线28，30分别向上移动到28’，30’所示的位置，h’减小，除去了过量的等压槽材料。这可以结合图3以及曲线52设想温度的变化。如图所示，尽管曲线52的起始温度和最终温度与曲线50相同，但是曲线52表示的总体温度曲线更为扁平(更接近线性)，在新确定的突变线的温度更低。也即是说，堰顶部(例如垂直成形面顶部)之间的温度曲线-部分52a-的温度降低速度比部分50a更大，突变线和根部之间的曲线50的部分(部分52b)的温度变化小于对应的50b。较佳的是，角度α小于42度。较佳的是，α约小于35度，优选小于30度。
图4显示了一种等压槽的模拟数据，该等压槽的长度约为295厘米，在等压槽入口端的总体最大高度H最大为100厘米。假定在等压槽上的流速约为1500磅/小时。曲线54表示角度α为42度的等压槽，其堰顶部的温度为1246℃，突变线温度为1238℃，根部温度为1181.5℃，而曲线56表示相同的等压槽，但是其倾斜成形面之间的角度α为30度，其堰顶部的温度为1242℃，突变线温度为1238℃，根部温度为1181.5℃。纵轴是由溶于玻璃熔体的氧化锆的量(C)减去玻璃熔体中氧化锆的饱和浓度(Cs)得到的差值，用来表示晶体生长倾向。图4显示了当根部的角度从42度减小到30度的时候，预期由溶解的氧化锆重结晶形成锆石的趋势降低。例如，在与等压槽的成形面相距20微米的位置，在角度为42度时，特定温度下氧化锆浓度C减去氧化锆饱和浓度Cs所得的差值约为0.05重量％，而当该角度为30度时，该浓度差值约为0.046重量％。从图4可以很清楚地看出，当倾斜成形面之间的角度从42度减小到30度的时候，溶解的氧化锆的峰值向内移动，更靠近等压槽的成形面。这说明在更小的角度之下，使得晶体生长在更接近等压槽表面处发生延迟。因此，可以阻止晶体生长到超过特定的长度，所述晶体发生破碎并夹带在玻璃熔体流中的可能性降低。
下表列出了示例性的等压槽近似的α和h’最大的值，所述示例性等压槽的最大整体高度H最大约为97.8厘米，宽度W约为28厘米。等压槽的长度超过254厘米。
Figure GPA00001043155900071
在图5所示的另一个实施方式中，显示了成形主体(等压槽)60的横截面图，该主体60包括凹槽62，堰64，66，第一对倾斜成形面68，70以及第二对倾斜成形面72，74。所述第二对倾斜成形面72，74在等压槽的底部处的根部76相交。根据图4所示的实施方式，所述第一对倾斜成形面68，70之间形成角度β。较佳的是，角度β小于42度。第二成形面72，74与第一成形面68，70相交，第二成形面72，74之间形成角度θ。等压槽60可以包括与第一对倾斜的成形面68、70相交的垂直成形面78，80。
角度θ优选小于角度β。角度β可以例如小于42度，优选小于35度，更优选小于25度，优选小于20度。较佳的是，图4的实施方式中，可以在特定的垂直距离下使得与根部相邻的倾斜成形面之间具有较小的角度。例如，对于给定的成形主体高度(根部和堰顶部之间的距离)以及给定的成形主体最大宽度(一个堰的外侧与相对的堰的外侧之间的距离)，与根部相邻的倾斜成形面之间的角度可以小于仅采用一对倾斜的成形面的情况。
图6显示了模拟数据，其中显示了在等压槽的成形面上流动的玻璃熔体中溶解的等压槽材料浓度的示例性限制，具体来说显示了沿等压槽的长度在中点取的构成等压槽的锆石的浓度。假定玻璃熔体的流速为1500磅/小时，温度范围(顶部至底部)约为1243-1125℃。曲线图显示两条曲线82、84划分出三个区。
在导致第I区中的氧化锆浓度的条件下(曲线82之内)操作等压槽可以安全操作，发生晶体破碎的机会极小。也即是说，从图4可以看到，X-轴可以看作超过饱和浓度的特定溶解的等压槽材料浓度下，等压槽上晶体生长的最大长度。通过图示说明，当C-Cs浓度差为0的时候，曲线82显示最大晶体长度为70微米。超过70微米的时候，溶解的等压槽材料不足以提供晶体生长。当等于和低于70微米的时候，发现晶体破碎导致的麻烦较少。
在第III区的条件下进行操作会得到不希望的性能。在第III区(曲线84以外)进行操作会提供足够的溶解的等压槽材料的浓度，晶体生长可能超过安全长度，即晶体可以很容易破碎并夹杂在玻璃熔体之中。最后，在第II区内的操作(曲线82和84之间)显示出介于第I区和第III区之间的性能。
应当强调，本发明上述实施方式、特别是任意“优选的”实施方式仅仅是可能实现的实施例，仅表示用来清楚理解本发明的原理。可以在基本上不偏离本发明的精神和原理的情况下，对本发明的上述实施方式进行许多的改变和调整。所有这些调整和改变都包括在本文中，包括在本发明和说明书的范围之内，受到所附权利要求书的保护。

Claims (10)

1.一种用于形成玻璃板的设备，该设备包括：
成形主体，其包含：
基本垂直的成形面；
与所述基本垂直成形面相交的第一对倾斜成形面；
与所述第一对倾斜成形面相交的第二对倾斜成形面；
所述第一对倾斜成形面之间的角度小于42度。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述垂直成形面的最大高度h’最大小于60厘米。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述成形主体的长度至少为265厘米。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二对倾斜成形面之间的角度小于所述第一对倾斜成形面之间的角度。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述第二对倾斜成形面在所述成形主体的底部相交。
6.如权利要求4所述的设备，其特征在于，第二对倾斜成形面之间的角度小于42度。
7.一种形成玻璃板的方法，该方法包括：
提供玻璃熔体；
使得所述玻璃熔体在成形主体上溢流，所述成形主体包含基本垂直的成形面；与所述基本垂直成形面相交的第一对倾斜成形面；与所述第一对倾斜成形面相交的第二对倾斜成形面；和
对所述垂直形成面的最大高度以及第二对倾斜成形面之间的角度进行选择，以尽可能减小玻璃熔体中溶解的耐火材料的浓度。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述垂直成形面的最大高度小于60厘米。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一对倾斜成形面之间的角度小于42度。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二对倾斜成形面之间的角度小于所述第一对倾斜成形面之间的角度。
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