CN112759234B - 一种玻璃基板溢流成型退火装置设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种玻璃基板溢流成型退火装置设计方法，将玻璃基板退火划分为六个基本流体特征：自由流动的熔体、高粘滞塑性体、弹塑性体、弹性体初态、过渡为完全弹性体和完全弹性体等；玻璃从熔融态冷却至常温，其物理特性连续渐变规律是退火理论的唯一依据，通过产线设计确定基板玻璃在成型退火装置的参数以及依据玻璃基板料方的粘温特性曲线确定的温度参数，分别分为了不同的区段，计算玻璃基板的退火速度h₀、玻璃基板牵引速度PR和成型退火装置中厚度形成区的长度L_δ、预退火区的长度的长度L₁、均热区的长度L₂、退火区的长度L₃和后续退火区的长度L₄及成型退火装置总长度L_W，实现了更精确、更高效、更低成本的溢流成型退火装置设计。

Description

一种玻璃基板溢流成型退火装置设计方法

技术领域

本发明涉及玻璃基板制造领域，具体为一种玻璃基板溢流成型退火装置设计方法。

背景技术

一般的TFT-LCD(薄膜晶体管显示器)、PDP(等离子体显示屏)等平板显示器制造领域所用的玻璃基板以溢流下拉的方式制造，在成型工序中将由玻璃熔化炉熔化了的玻璃液供给到熔融溢流下拉成型装置来制造。玻璃基板厚度均匀性、残余应力和翘曲的控制是特别重要的工艺技术之一，而且均与溢流成型退火装置设计与工艺管控相关。玻璃基板退火从一开始制品中并无热应力存在，但却有相当大的温度梯度存在(对平板玻璃横向尤甚)。均热区的作用是尽最大限度减小这个温度梯度。由于在均热区内温度高于玻璃化转变点温度T_g，热应力的松弛很快，故在边较慢冷却边均热的过程中因温度梯度减少所引起的热应力能得到松弛，为制品进入退火区后进一步减小温度梯度打下基础，所以退火过程中的均热段不是以消除应力为目的，而是以降低温度梯度实现均热为目的。

从α-S_i到P-S_i(如LTPS)的发展对玻璃基板的使用提出了极大的挑战。P-S_i涂层需要比α-S_i高得多的制程温度，约600～700℃。玻璃基板在此温度下必须具有良好热收缩(压缩)稳定性。热收缩(压缩)稳定性取决于玻璃料方组合物的固有粘温特性(以应变点表示)及玻璃基板的热历程(热历史)。压缩是最终客户的重要指标。玻璃液从溢流砖表面流过，在溢流砖两侧溢流面的根部汇聚粘合成玻璃带。玻璃带在重力和牵引力的作用下克服内摩擦粘滞阻力，厚度逐步减小至目标产品厚度。牵引辊位于装置下游足够远处，使玻璃带在牵拉时己经冷却并具有足够的刚性。溢流砖尖(根部)以下厚度分布与该段降温速度强关联(大约于软化点(成型操作下限)初步达致目标产品厚度)。

溢流下拉法综合制造成本降低方式包括提高产能和降低产线建设成本。1.加快牵拉速度提高产能(引出量)；2.提高板幅，设计更高世代的溢流成型退火装置，实现宽幅、大容量、兼容各种厚度玻璃基板产品的生产；3.缩短产线总体长度(如溢流砖根部与基片从玻璃带分离的垂直高度)。传统的统一比例放大法，能保障温度有足够的时间使最终基片具有相同的压缩。其缺陷是需要溢流砖根部到分离基片的位置之间具有更长的距离，占用了更多的资本投入。

根据对玻璃热历程的更新研究成果，玻璃按其冷却降温曲线经历粘性(自由流动、高粘滞塑性)、粘弹性(弹塑性、弹性体初态、亚刚体)和弹性(刚体)等玻璃态。对各玻璃态区段应用不同的比例规则，通过快速冷却减小粘性区距离，更慢冷却延长玻璃化和退火区时间，适当减小弹性区间隔，可以使成型装置基本保持现有物理外壳并改善应力、压缩等质量指标。

传统误区一：误把应力松弛当作应力消失，误将～10¹²Pa·s测得已显露的结构差所致的热应力当作是内应力的全部，以此确定退火区域10¹²～10¹⁶Pa·s。

传统误区二：用“熔体·粘滞塑性体·弹性体”三阶段说无法完全揭示退火阶段的机理；用“温差·应力松弛·内应力”无法精确解析玻璃退火机理。

为了克服传统理论误区，玻璃退火炉设计新理念是“退火、防炸、高效冷却、减少环境干扰和高水平的横向温控”，玻璃冷却速度是以“最慢·慢·快·更快”的程序进行。本发明从六个物理特性阶段、两个退火阶段和四种退火状态，得到玻璃退火炉设计的技术路线，用“温差·结构差·热应力”演绎来解析玻璃退火机理。根据六个物理特性阶段的假设可以建立玻璃退火理论，并指导退火炉设计和退火操作，结合使用平面应力概念，可分析玻璃带翘曲、炸裂和切割障碍的原因。论述玻璃退火炉必须以粘度(不能只用温度)作为物理特性的量纲，严格区分不可逆转的结构差与可逆转的结构差、退火阶段与后续退火阶段、玻璃退火起始点粘度的理论值与实际值、谨防变形退火与不变形退火、最佳、次佳、最次退火状态与后续退火状态、狭义的应力松驰现象与广义的应力松驰现象。

发明内容

针对现有技术中玻璃退火炉的设计在传统理论中存在误区的问题，本发明提供一种玻璃基板溢流成型退火装置设计方法，克服传统理论的误区、实现溢流法成型更精确、更高效、更低成本的退火，特别适合于大容量(引出量)、宽板幅、薄型化玻璃基板成型退火装置精细化设计，也适用于LTPS玻璃基板成型退火装置对性能的精细化设计。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种玻璃基板溢流成型退火装置设计方法，包括如下步骤：

步骤1，通过产线设计确定基板玻璃在成型退火装置的参数；

步骤2，根据玻璃基板料方的粘温特性曲线确定溢流砖尖温度T_i、玻璃基板的理论退火起始点温度T_T、膨胀软化点温度T_d、实际退火起始点温度T_a、应变点温度T_st、退火炉出口温度T_o；

步骤3，根据玻璃的热力学、动力学特征将成型退火装置划分为不同的功能区段，包括厚度形成区、预退火区、均热区、退火区和后续退火区；

步骤4，根据不同的功能区段计算得到玻璃基板的退火速度h₀、玻璃基板牵引速度PR和成型退火装置中厚度形成区的长度L_δ、预退火区的长度的长度L₁、均热区的长度L₂、退火区的长度L₃和后续退火区的长度L₄及成型退火装置总长度L_W。

优选的，步骤1中通过产线设计确定基板玻璃的参数包括基板玻璃在产线的引出量Q、玻璃基板平均引板宽度L、玻璃基板产品宽度W、玻璃基板的目标厚度δ。

优选的，步骤2中溢流砖尖温度T_i设置对应粘度η_i、玻璃基板的理论退火起始点温度T_T设置对应粘度η_T＝10⁸Pa·s、膨胀软化点温度T_d设置对应粘度η_d＝10¹¹Pa·s、实际退火起始点温度T_a设置对应粘度η_a＝10¹²Pa·s、应变点为退火下限的温度T_st设置对应粘度η_st＝10^13.5Pa·s、退火炉出口温度T_o；其中，溢流砖尖温度T_i对应的粘度η_i＝10^3.8Pa·s～10^4.2Pa·s；退火炉出口温度T_o＝300℃～500℃。

优选的，步骤3中，在成型退火炉装置的不同功能区段中厚度形成区的温度区间为T_i～T_T、预退火区的温度区间为T_T～T_d、均热区的温度区间为T_d～T_a、退火区的温度区间为T_a～T_st和后续退火区的温度区间为T_st～T_o。

进一步的，成型退火炉装置的不同功能区段中厚度形成区的降温差ΔT_δ＝T_T-T_i，预退火区的降温差ΔT₁＝T_d-T_T，均热区的降温差ΔT₂＝T_a-T_d，退火区的降温差ΔT₃＝T_st-T_a，后续退火区的降温差ΔT₄＝T_o-T_st。

优选的，步骤4中，玻璃基板的退火速度h₀的计算方法包括如下步骤：

L1，计算玻璃基板的结构应力σ_s：

其中，α_U为膨胀软化点温度T_d的线热膨胀系数，α_g为玻璃化转变点温度T_g的线热膨胀系数，

为导温系数，λ为玻璃基板导热系数，ρ为玻璃基板密度，C_p为玻璃基板比热容，μ为泊松比；E为杨氏模量；h₀为玻璃基板的退火速度，δ为玻璃基板目标厚度，ψs为考虑了松弛因素时残留结构应力增长系数；其中物性参数λ、ρ、C_p、μ、E对应的温度为应变点温度T_st；

L2，计算松弛因素时残留结构应力增长系数ψ_s；

其中，h₀为玻璃基板的退火速度；

L3，计算玻璃基板的反向温差应力σ_T；

其中，α为玻璃基板的线热膨胀系数，

为导温系数，λ为玻璃基板导热系数，ρ为玻璃基板密度，C_p为玻璃基板比热容，μ为泊松比；E为杨氏模量；h₀为玻璃基板降温速率，δ为玻璃基板目标厚度，α_T为动态温度条件下温差应力的松弛因子中未松弛部分的比例因子；物性参数λ、ρ、C_p、μ、E对应的温度为应变点温度T_st；当溢流成型直接退火时，α_T＝0；

L4，计算厚度为δ的玻璃基板的许用应力Δn；

Δn＝B×(σ_T+σ_s)；

其中，Δn为厚度为δ的玻璃基板的许用应力，B为玻璃基板的光弹系数；σ_s为玻璃基板的结构应力；σ_T为玻璃基板的反向温差应力；

L5，通过结合L1、L2、L3和L4的计算公式得到玻璃基板的退火速率h₀。

优选的，步骤4中，计算成型退火装置玻璃基板的牵引速度PR；

其中，Q为基板玻璃在产线的引出量，L为玻璃基板平均引板宽度，ρ为玻璃基板的密度，δ为玻璃基板的目标厚度。

优选的，步骤4中，成型退火装置厚度形成区长度L_δ的计算方法包括如下步骤：

S1，计算牵引辊的牵引力F_PR；

其中，：T_P为牵引辊扭矩，I_P为牵引辊极惯性矩，D为牵引辊直径，δ为玻璃基板的目标厚度；

S2，计算成型退火装置厚度形成区的长度L_δ

其中，η_i为溢流砖尖的根部粘度，Q为基板玻璃在产线的引出量，L为玻璃基板平均引板宽度，d是玻璃带离开溢流砖根部的厚度，F_PR为牵引辊牵引力，δ为玻璃基板的目标厚度；

S3，计算玻璃带离开溢流砖根部的厚度d；

其中，ηi为溢流砖尖(根部)粘度，Q为设计产线玻璃引出量，L为玻璃基板平均引板宽度，ρ为玻璃基板的密度，g为重力加速度，ε为经验系数，ε＝0.5～0.8。

优选的，步骤4中，计算成型退火装置预退火区的长度L₁、均热区的长度L₂、退火区的长度L₃和后续退火区的长度L₄；

计算成型退火装置预退火区的长度L₁：

其中，ΔT₁＝T_d-T_T为预退火区的降温差，h₀为玻璃基板的退火速度，PR为玻璃基板的牵引速度，K₁为修正因子，预退火区K₁＝1；

计算成型退火装置均热区的长度L₂：

其中，ΔT₂＝T_a-T_d＝T_g-T_d为均热区的降温差，h₀为玻璃基板降温速率，PR为玻璃基板的牵引速度，K₁为修正因子，一般均热区K₂＝1；

计算成型退火装置均热区的长度L₃：

其中，ΔT₃＝T_st-T_a为退火区的降温差，h₀为玻璃基板降温速率，PR为玻璃基板的牵引速度，K₃为修正因子，一般退火区K₃＝1；

计算成型退火装置均热区的长度L₄：

其中，ΔT₄＝T_o-T_st为后续退火区的降温差，h₀为玻璃基板降温速率，PR为玻璃基板的牵引速度，K₄为修正因子；由于后续退火区仅增加暂时应力，在安全应力范围内可适当加快退火速度以减小退火装置长度，一般后续退火区1＜K₄＜3.5。

优选的，步骤4中，计算成型退火装置的总长度L_W：

L_W＝L_δ+L₁+L₂+L₃+L₄；

其中，L_δ为厚度形成区的长度；L₁为预退火区的长度、L₂为均热区的长度、L₃为退火区的长度；L₄为后续退火区的长度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种玻璃基板溢流成型退火装置设计方法，将玻璃基板退火划分为六个基本流体特征：自由流动的熔体、高粘滞塑性体、弹塑性体、弹性体初态、过渡为完全弹性体和完全弹性体等；玻璃从熔融态冷却至常温，其物理特性连续渐变规律是退火理论的唯一依据，传统理论“熔体·粘滞塑性体·弹性体”并未完整地揭示其规律，用“温差·结构差·热应力”演绎来解析玻璃退火机理更完整，通过产线设计确定基板玻璃在成型退火装置的参数以及依据玻璃基板料方的粘温特性曲线确定的温度参数，分别分为了不同的区段，以此来计算玻璃基板的退火速度h₀、玻璃基板牵引速度PR和成型退火装置中厚度形成区的长度L_δ、预退火区的长度的长度L₁、均热区的长度L₂、退火区的长度L₃和后续退火区的长度L₄及成型退火装置总长度L_W，克服了传统理论的误区，实现了更精确、更高效、更低成本的溢流成型退火装置设计。

附图说明

图1为本发明中溢流系统结构示意图；

图2为本发明中溢流下拉结构示意图；

图3为本发明中残留结构应力增长系数；

图4为本发明中成型退火炉设计示意图。

图中：1-溢流砖；2-溢流槽；3-玻璃液供料装置；4-溢流砖根部；5-成型玻璃基板；6-玻璃基板下拉方向；W-玻璃基板宽度；L-玻璃基板引板宽度。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

根据图1所示，溢流系统由溢流砖1和玻璃液供料装置3连接构成。溢流砖1内开设有溢流槽2，溢流砖1的底部为溢流砖根部4；在玻璃基板以熔融溢流的方式制造时，在成型工序中将由玻璃熔化炉熔化了的玻璃液供给到熔融溢流成型装置中的玻璃液供料装置3，并沿溢流槽2通过溢流砖1两侧溢流，从溢流砖根部4以下形成玻璃基板。

根据图2所示，引板作为玻璃基板的成型基础，在玻璃基板下拉成型的过程中，成型玻璃基板5沿玻璃基板下拉方向6向下运行。图中W为玻璃基板宽度，L为玻璃基板引板宽度。

根据图3所示，为考虑了松弛因素时残留结构应力增长系数ψ_s与冷却速率的关系。一般情况下ψ_s可表示如下：

其中，T_g≈T_a为玻璃化转变点温度，近似为实际退火起始点T_a退火上限温度对应粘度η_a＝10¹²Pa·s。通常连续冷却时，温差应力和结构应力在趋向应变点退火下限温度T_st对应粘度η_st＝10^13.5Pa·s时就不再发生变化，此时ψ_s达到最大值，即：

ψ_s有以下几个特点：(1)ψ_s是温度的函数；(2)ψ_s随冷却速度h的降低而变小，当h→0时ψ_s→0。当h≈0.1℃/min，ψ_s已接近于0；(3)ψ_s随h增大而趋近于1。当h＞100℃/min，ψ_s已接近于1。

本发明提供了一种玻璃基板溢流成型退火装置设计方法，包括如下步骤：

步骤1，通过产线设计确定基板玻璃在成型退火装置的参数；

步骤2，根据玻璃基板料方的粘温特性曲线确定溢流砖尖温度T_i、玻璃基板的理论退火起始点温度T_T、膨胀软化点温度T_d、实际退火起始点温度T_a、应变点温度T_st、退火炉出口温度T_o；

步骤3，根据玻璃的热力学、动力学特征将成型退火装置划分为不同的功能区段，包括厚度形成区、预退火区、均热区、退火区和后续退火区；

步骤4，根据不同的功能区段计算得到玻璃基板的退火速度h₀、玻璃基板牵引速度PR和成型退火装置中厚度形成区的长度L_δ、预退火区的长度的长度L₁、均热区的长度L₂、退火区的长度L₃和后续退火区的长度L₄及成型退火装置总长度L_W。

其中步骤1中通过产线设计确定基板玻璃的参数包括基板玻璃在产线的引出量Q、玻璃基板平均引板宽度L、玻璃基板产品宽度W、玻璃基板的目标厚度δ。

步骤2中溢流砖尖温度T_i设置对应粘度η_i、玻璃基板的理论退火起始点温度T_T设置对应粘度η_T＝10⁸Pa·s、膨胀软化点温度T_d设置对应粘度η_d＝10¹¹Pa·s、实际退火起始点温度T_a设置对应粘度η_a＝10¹²Pa·s、应变点为退火下限的温度T_st设置对应粘度η_st＝10^13.5Pa·s、退火炉出口温度T_o；其中，溢流砖尖温度T_i对应的粘度η_i＝10^3.8Pa·s～10^4.2Pa·s；本发明溢流砖尖温度T_i对应的粘度优选η_i＝10⁴Pa·s；退火炉出口温度T_o＝300℃～500℃；本发明退火炉出口温度优选T_o＝400℃。

步骤3中，在成型退火炉装置的不同功能区段中厚度形成区的温度区间为T_i～T_T、预退火区的温度区间为T_T～T_d、均热区的温度区间为T_d～T_a、退火区的温度区间为T_a～T_st和后续退火区的温度区间为T_st～T_o，其中成型退火炉装置的不同功能区段中厚度形成区的降温差ΔT_δ＝T_T-T_i，预退火区的降温差ΔT₁＝T_d-T_T，均热区的降温差ΔT₂＝T_a-T_d，退火区的降温差ΔT₃＝T_st-T_a，后续退火区的降温差ΔT₄＝T_o-T_st，如图4所示。

步骤4中，玻璃基板的退火速度h₀的计算方法包括如下步骤：

L1，计算玻璃基板的结构应力σ_s：

其中，α_U为膨胀软化点温度T_d的线热膨胀系数，α_g为玻璃化转变点温度T_g的线热膨胀系数，

为导温系数，λ为玻璃基板导热系数，ρ为玻璃基板密度，C_p为玻璃基板比热容，μ为泊松比；E为杨氏模量；h₀为玻璃基板的退火速度，δ为玻璃基板目标厚度，ψ_s为考虑了松弛因素时残留结构应力增长系数；其中物性参数λ、ρ、C_p、μ、E对应的温度为应变点温度T_st；

L2，计算松弛因素时残留结构应力增长系数ψ_s；

其中，h₀为玻璃基板的退火速度；

L3，计算玻璃基板的反向温差应力σ_T；

其中，α为玻璃基板的线热膨胀系数，

为导温系数，λ为玻璃基板导热系数，ρ为玻璃基板密度，C_p为玻璃基板比热容，μ为泊松比；E为杨氏模量；h₀为玻璃基板降温速率，δ为玻璃基板目标厚度，α_T为动态温度条件下温差应力的松弛因子中未松弛部分的比例因子；物性参数λ、ρ、C_p、μ、E对应的温度为应变点温度T_st；当溢流成型直接退火时，α_T＝0；

L4，计算厚度为δ的玻璃基板的许用应力Δn；

Δn＝B×(σ_T+σ_s)；

其中，Δn为厚度为δ的玻璃基板的许用应力，B为玻璃基板的光弹系数；σ_s为玻璃基板的结构应力；σ_T为玻璃基板的反向温差应力；

L5，通过结合L1、L2、L3和L4的计算公式得到玻璃基板的退火速率h₀。

步骤4中，计算成型退火装置玻璃基板的牵引速度PR；

其中，Q为基板玻璃在产线的引出量，L为玻璃基板平均引板宽度，ρ为玻璃基板的密度，δ为玻璃基板的目标厚度。

步骤4中，成型退火装置厚度形成区长度L_δ的计算方法包括如下步骤：

S1，计算牵引辊的牵引力F_PR；

其中，：T_P为牵引辊扭矩，I_P为牵引辊极惯性矩，D为牵引辊直径，δ为玻璃基板的目标厚度；

S2，计算成型退火装置厚度形成区的长度L_δ

其中，η_i为溢流砖尖的根部粘度，Q为基板玻璃在产线的引出量，L为玻璃基板平均引板宽度，d是玻璃带离开溢流砖根部的厚度，F_PR为牵引辊牵引力，δ为玻璃基板的目标厚度；

S3，计算玻璃带离开溢流砖根部的厚度d；

其中，η_i为溢流砖尖(根部)粘度，Q为设计产线玻璃引出量，L为玻璃基板平均引板宽度，ρ为玻璃基板的密度，g为重力加速度，ε为经验系数，ε＝0.5～0.8，本发明中ε＝0.65。

步骤4中，计算成型退火装置预退火区长度L₁、均热区L₂、退火区L₃和后续退火区L₄；

计算成型退火装置预退火区的长度L₁：

其中，ΔT₁＝T_d-T_T为预退火区的降温差，h₀为玻璃基板的退火速度，PR为玻璃基板的牵引速度，K₁为修正因子，预退火区K₁＝1；

计算成型退火装置均热区的长度L₂：

其中，ΔT₂＝T_a-T_d＝T_g-T_d为均热区(玻璃化转变区)的降温差，h₀为玻璃基板降温速率，PR为玻璃基板的牵引速度，K₁为修正因子，一般均热区K₂＝1；

计算成型退火装置均热区的长度L₃：

其中，ΔT₃＝T_st-T_a为退火区的降温差，h₀为玻璃基板降温速率，PR为玻璃基板的牵引速度，K₃为修正因子，一般退火区K₃＝1；

计算成型退火装置均热区的长度L₄：

其中，ΔT₄＝T_o-T_st为后续退火区的降温差，h₀为玻璃基板降温速率，PR为玻璃基板的牵引速度，K₄为修正因子；由于后续退火区仅增加暂时应力，在安全应力范围内可适当加快退火速度以减小退火装置长度，一般后续退火区1＜K₄＜3.5，本发明中K₄＝2.5。

步骤4中，计算成型退火装置的总长度L_W：

L_W＝L_δ+L₁+L₂+L₃+L₄；

其中，L_δ为厚度形成区的长度；L₁为预退火区的长度、L₂为均热区的长度、L₃为退火区的长度；L₄为后续退火区的长度。

退火阶段(10⁸～10^13.5Pa·s)由温差所致的不可逆转的结构差(a)与粘度、经历时间和温差大小有关；“正向位移”作结构调整所减小的结构差(b)与粘度和经历时间有关，而与温差大小无关；剩余的结构差(c)只与粘度有关，而与经历时间、温差大小以及是“正向位移”还是“乱向位移”(非均匀的温度场)都无关，粘度决定了剩余的结构差是作部分的隐含还是作全部隐含。

显露(可测量)的结构差(剩余结构差)(a-b-c)，对应的应力包括温差应力(由温度差所致)和膨胀差应力(由膨胀差所致)。由温差产生了粘度差、膨胀差和密度差，反映结构调整产生的不可逆转结构差(a)对应的应力包括温差应力(由温度差所致)和膨胀差应力(由膨胀差所致)。随着粘度剧增，导热系数随温降略有减小，使温差应力相应增加，即便冷却速度不变，不可逆转的结构差不减反增。由结构基团或分子位移引起的结构调整减小的结构差(b)随着粘度剧增使位移活度锐减，使该结构差明显地减小。由微分变形而隐含(测不到)的结构差(剩余结构差)(c)不同于结构调整，它丝毫不能减小结构差，只是暂时性的隐含而已。随着粘度剧增使微分变形活度锐减，使该结构差明显地减小。

根据新的理论研究成果，将玻璃基板退火划分为六个基本流体特征：

1.自由流动的熔体阶段，粘度范围：10^0.8829～10⁴Pa·s。对应熔融溢流下拉法的熔化溢流区：从熔化、澄清、均化到溢流砖尖(根部)。热力学、动力学特征：自由流动，10^0.8829Pa·s是玻璃的熔化粘度；10⁴Pa·s是接近溢流砖尖玻璃熔体的粘度。

2.高粘滞塑性体阶段，粘度范围：10⁴～10⁸Pa·s。对应熔融溢流下拉法的厚度形成区：从溢流砖尖(根部)经厚度区到理论退火点。热力学、动力学特征：位移活度很大，结构调整疾速进行。10⁴Pa·s是接近溢流砖尖玻璃熔体的粘度；10⁸Pa·s是玻璃理论退火的起点粘度，驰豫时间τ₀开始由0转变为τ₀＞0(大约数秒)。虽有温差却不产生结构差，玻璃中无应力场存在。

3.弹塑性体阶段，粘度范围：10⁸～10¹¹Pa·s(谨防变形退火，最佳退火状态)。对应熔融溢流下拉法的预退火区：从理论退火点到膨胀软化点(变形点)。热力学、动力学特征：结构基团位移和分子位移。狭义的应力松弛现象是该阶段的典型特征，结构调整减小的结构差b加上隐含的结构差c等于由温差所致的结构差a，显露的结构差为0，即完全应力消散效应。

4.弹性体初态阶段，粘度范围：10¹¹～10¹²Pa·s(谨防变形退火，次佳退火状态)。对应熔融溢流下拉法的均热(GTTR：玻璃化转变)区：从膨胀软化点(变形点)到实际退火点。热力学、动力学特征：结构基团位移趋向于分子位移。粘度剧增使位移活度和微分变形活度锐减。由于导热系数随温降略有减小，温差相应增加，即便冷却速度不变，a不减反增。大约10¹²Pa·s时，剩余的结构除部分隐含外，已能测到热应力被显露的份额。狭义的应力松弛现象最终被广义的应力松弛现象所取代，内应力半隐半显，即不完全的应力消散效应。

5.过渡为完全弹性体(亚刚体)阶段，粘度范围：10¹²～10^13.5Pa·s(不变形退火，最次退火状态)。对应熔融溢流下拉法的应力控制区：实际退火上限到理论退火下限。热力学、动力学特征：分子位移。位移和微分变形随粘度进一步剧增而趋向于衰竭，此时b≈0，c≈0。虽然尚未达到应力与应变成正比并遵循虎克定律的程度，但已呈现出亚刚体的特征。

6.完全弹性体(刚体)阶段，粘度范围：10^13.5～Pa·s(后续退火)。对应熔融溢流下拉法的后续退火区：理论退火下限经实际退火下限10^17.5Pa-s至室温以下。热力学、动力学特征：质点震动。粘度为10^13.5Pa.s时，b＝0，c＝0，即广义的应力松弛现象湮灭，应力与应变成正比并遵循虎克定律。结构差全部显露，直至均一的室温，不再改变，为永久应力。粘度大于10^13.5Pa.s时，温差只产生可逆转的结构差，因为已无微分变形，该结构差是完全显露，由此所致的随温度均一而消失的热应力称为暂时应力。暂时应力消失之前，与永久应力在矢量重合处相叠加。当单种应力或叠加应力超过玻璃的抗拉强度时会发生炸裂。

玻璃从熔融态冷却至常温，其物理特性连续渐变规律是退火理论的唯一依据。传统理论“熔体(粘性)·粘滞塑性体(粘弹性)·弹性体”并未完整地揭示其规律。更新研究表明，玻璃按其冷却降温曲线经历粘性(自由流动、高粘滞塑性)、粘弹性(弹塑性、弹性体初态、亚刚体)和弹性(刚体)等玻璃态，用“温差·结构差·热应力”演绎来解析玻璃退火机理更完整。

根据最新的理论研究成果，退火阶段是由谨防变形退火(η_T～η_PPa·s)和不变形退火(η_P～10^13.5Pa·s)两个小阶段组成的。按照退火效率，区分为3种退火状态，分别与3个物理特性阶段相对应。η_T＝10⁸Pa·s为理论退火起始粘度，η_P≈10¹²Pa·s为实际退火起始粘度。

以下示例说明本发明玻璃基板溢流成型退火装置设计方法，包括以下步骤：

一、玻璃基板平均引板宽度L通过式(3)来计算，即：

L＝a×W；

其中，a为引板系数，1.20≤a≤1.25，W为玻璃基板产品宽度。生产设计上一般取上限值最佳，即α＝1.25。

二、计算成型退火装置的退火速率h₀

玻璃基板的退火速度h₀的计算方法包括如下步骤：

L1，计算玻璃基板的结构应力σ_s：

其中，α_U为膨胀软化点温度T_d的线热膨胀系数，α_g为玻璃化转变点温度T_g的线热膨胀系数，

为导温系数，λ为玻璃基板导热系数，ρ为玻璃基板密度，C_p为玻璃基板比热容，μ为泊松比；E为杨氏模量；h₀为玻璃基板的退火速度，δ为玻璃基板目标厚度，ψ_s为考虑了松弛因素时残留结构应力增长系数；其中物性参数λ、ρ、C_p、μ、E对应的温度为应变点温度T_st；

L2，计算松弛因素时残留结构应力增长系数ψ_s；

其中，h₀为玻璃基板的退火速度；

L3，计算玻璃基板的反向温差应力σ_T；

其中，α为玻璃基板的线热膨胀系数，

为导温系数，λ为玻璃基板导热系数，ρ为玻璃基板密度，C_p为玻璃基板比热容，μ为泊松比；E为杨氏模量；h₀为玻璃基板降温速率，δ为玻璃基板目标厚度，α_T为动态温度条件下温差应力的松弛因子中未松弛部分的比例因子；物性参数λ、ρ、C_p、μ、E对应的温度为应变点温度T_st；当溢流成型直接退火时，α_T＝0；

L4，计算厚度为δ的玻璃基板的许用应力Δn；

Δn＝B×(σ_T+σ_s)；

其中，Δn为厚度为δ的玻璃基板的许用应力，B为玻璃基板的光弹系数；σ_s为玻璃基板的结构应力；σ_T为玻璃基板的反向温差应力；

L5，通过结合L1、L2、L3和L4的计算公式得到玻璃基板的退火速率h₀。

三、计算成型退火装置玻璃基板的牵引速度PR；

其中，Q为基板玻璃在产线的引出量，L为玻璃基板平均引板宽度，ρ为玻璃基板的密度，δ为玻璃基板的目标厚度。

四、成型退火装置厚度形成区长度L_δ的计算方法包括如下步骤：

S1，计算牵引辊的牵引力F_PR；

其中，：T_P为牵引辊扭矩，I_P为牵引辊极惯性矩，D为牵引辊直径，δ为玻璃基板的目标厚度；

S2，计算成型退火装置厚度形成区的长度L_δ

其中，η_i为溢流砖尖的根部粘度，Q为基板玻璃在产线的引出量，L为玻璃基板平均引板宽度，d是玻璃带离开溢流砖根部的厚度，F_PR为牵引辊牵引力，δ为玻璃基板的目标厚度；

S3，计算玻璃带离开溢流砖根部的厚度d；

其中，η_i为溢流砖尖(根部)粘度，Q为设计产线玻璃引出量，L为玻璃基板平均引板宽度，ρ为玻璃基板的密度，g为重力加速度，ε为经验系数，ε＝0.5～0.8。

五、计算退火区各区段的长度

根据玻璃基板料方的粘温特性曲线，确定溢流砖尖温度T_i(对应粘度η_i)、玻璃基板的理论退火起始点温度T_T(对应粘度η_T＝10⁸Pa·s)、膨胀软化点温度T_d(对应粘度η_d＝10¹¹Pa·s)、实际退火起始点温度T_a(对应粘度η_a＝10¹²Pa·s)、应变点(退火下限)温度T_st(对应粘度η_st＝1013.5Pa·s)、退火炉出口温度To；

根据玻璃的热力学、动力学特征在成型退火炉装置的不同功能区段中厚度形成区的温度区间为T_i～T_T、预退火区的温度区间为T_T～T_d、均热区的温度区间为T_d～T_a、退火区的温度区间为T_a～T_st和后续退火区的温度区间为T_st～T_o；

设计中溢流砖尖温度T_i对应的粘度η_i＝10^3.8Pa·s～10^4.2Pa·s；退火炉出口温度T_o＝300℃～500℃。厚度形成区的降温差ΔT_δ＝T_T-T_i，预退火区的降温差ΔT₁＝T_d-T_T，均热区的降温差ΔT₂＝T_a-T_d，退火区的降温差ΔT₃＝T_st-T_a，后续退火区的降温差ΔT₄＝T_o-T_st。

计算成型退火装置预退火区的长度L₁、均热区的长度L₂、退火区的长度L₃和后续退火区的长度L₄；

计算成型退火装置预退火区的长度L₁：

其中，ΔT₁＝T_d-T_T为预退火区的降温差，h₀为玻璃基板的退火速度，PR为玻璃基板的牵引速度，K₁为修正因子，预退火区K₁＝1～2.5；

计算成型退火装置均热区的长度L₂：

其中，ΔT₂＝T_a-T_d＝T_g-T_d为均热区(玻璃化转变区)的降温差，h₀为玻璃基板降温速率，PR为玻璃基板的牵引速度，K₁为修正因子，一般均热区K₂＝1；

计算成型退火装置均热区的长度L₃：

其中，ΔT₃＝T_st-T_a为退火区的降温差，h₀为玻璃基板降温速率，PR为玻璃基板的牵引速度，K₃为修正因子，一般退火区K₃＝1；

计算成型退火装置均热区的长度L₄：

其中，ΔT₄＝T_o-T_st为后续退火区的降温差，h₀为玻璃基板降温速率，PR为玻璃基板的牵引速度，K₄为修正因子；由于后续退火区仅增加暂时应力，在安全应力范围内可适当加快退火速度以减小退火装置长度，一般后续退火区1＜K₄＜3.5。

移动的玻璃带从温度T_i冷却至T_T，其热能损失速率Q_H(单位：J/S＝W)为：

Q_H＝Q×C_p×(T_i-T_T)＝Q×C_p×ΔT；

其中，Q为基板玻璃在产线的引出量；C_p是玻璃的比热容；T_i为溢流砖尖温度；T_T为玻璃基板的理论退火起始点温度；ΔT_δ＝T_T-T_i厚度形成区L_δ的降温差；

平均热通量

为：

其中，W为玻璃基板的宽度；L_δ为玻璃带厚度形成区的长度；Q为基板玻璃在产线的引出量；C_p是玻璃的比热容；T_i为溢流砖尖温度；T_T为玻璃基板的理论退火起始点温度；ΔT_δ＝T_T-T_i厚度形成区L_δ的降温差。

其它功能区段玻璃带降温的热能损失速率Q_H和平均热通量

计算方法与上述热能损失速率Q_H和平均热通量

的计算方法类同。

本发明提供一种玻璃基板溢流成型退火装置设计方法，将玻璃基板退火划分为六个基本流体特征：自由流动的熔体、高粘滞塑性体、弹塑性体、弹性体初态、过渡为完全弹性体(亚刚体)和完全弹性体(刚体)等。玻璃从熔融态冷却至常温，其物理特性连续渐变规律是退火理论的唯一依据。传统理论“熔体(粘性)·粘滞塑性体(粘弹性)·弹性体”并未完整地揭示其规律，用“温差·结构差·热应力”演绎来解析玻璃退火机理更完整。根据最新的理论研究成果，退火阶段是由谨防变形退火(η_T～η_PPa·s)和不变形退火(η_P～10^13.5Pa·s)两个小阶段组成的。按照退火效率，区分为3种退火状态，分别与3个物理特性阶段相对应。η_T＝10⁸Pa·s为理论退火起始粘度，η_P≈10¹²Pa·s为实际退火起始粘度。基于以上理论基础，本发明运用最新的研究成果，克服了传统理论的误区，实现了更精确、更高效、更低成本的溢流成型退火装置设计。

Claims (5)

1.一种玻璃基板溢流成型退火装置设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，通过产线设计确定基板玻璃在成型退火装置的参数；

步骤2，根据玻璃基板料方的粘温特性曲线确定溢流砖尖温度T_i、玻璃基板的理论退火起始点温度T_T、膨胀软化点温度T_d、实际退火起始点温度T_a、应变点温度T_st、退火炉出口温度T_o；

步骤3，根据玻璃的热力学、动力学特征将成型退火装置划分为不同的功能区段，包括厚度形成区、预退火区、均热区、退火区和后续退火区；

步骤4，根据不同的功能区段计算得到玻璃基板的退火速度h₀、玻璃基板牵引速度PR和成型退火装置中厚度形成区的长度L_δ、预退火区的长度L₁、均热区的长度L₂、退火区的长度L₃和后续退火区的长度L₄及成型退火装置总长度L_W；

玻璃基板的退火速度h₀的计算方法包括如下步骤：

L1，计算玻璃基板的结构应力σ_s：

其中，α_U为膨胀软化点温度T_d的线热膨胀系数，α_g为玻璃化转变点温度T_g的线热膨胀系数，

为导温系数，λ为玻璃基板导热系数，ρ为玻璃基板密度，C_p为玻璃基板比热容，μ为泊松比；E为杨氏模量；h₀为玻璃基板的退火速度，δ为玻璃基板目标厚度，ψ_s为考虑了松弛因素时残留结构应力增长系数；其中物性参数λ、ρ、C_p、μ、E对应的温度为应变点温度T_st；

L2，计算松弛因素时残留结构应力增长系数ψ_s；

其中，h₀为玻璃基板的退火速度；

L3，计算玻璃基板的反向温差应力σ_T；

其中，α为玻璃基板的线热膨胀系数，

为导温系数，λ为玻璃基板导热系数，ρ为玻璃基板密度，C_p为玻璃基板比热容，μ为泊松比；E为杨氏模量；h₀为玻璃基板的退火速度，δ为玻璃基板目标厚度，α_T为动态温度条件下温差应力的松弛因子中未松弛部分的比例因子；物性参数λ、ρ、C_p、μ、E对应的温度为应变点温度T_st；当溢流成型直接退火时，α_T＝0；

L4，计算厚度为δ的玻璃基板的许用应力Δn；

Δn＝B×(σ_T+σ_s)；

其中，Δn为厚度为δ的玻璃基板的许用应力，B为玻璃基板的光弹系数；σ_s为玻璃基板的结构应力；σ_T为玻璃基板的反向温差应力；

L5，通过结合L1、L2、L3和L4的计算公式得到玻璃基板的退火速度h₀；

计算成型退火装置玻璃基板的牵引速度PR；

其中，Q为基板玻璃引出量，L为玻璃基板平均引板宽度，ρ为玻璃基板的密度，δ为玻璃基板的目标厚度；

成型退火装置厚度形成区长度L_δ的计算方法包括如下步骤：

S1,计算牵引辊的牵引力F_PR；

其中，T_P为牵引辊扭矩，I_P为牵引辊极惯性矩，D为牵引辊直径，δ为玻璃基板的目标厚度；

S2，计算成型退火装置厚度形成区的长度L_δ

其中，η_i为溢流砖尖的根部粘度，Q为基板玻璃引出量，L为玻璃基板平均引板宽度，d是玻璃带离开溢流砖根部的厚度，F_PR为牵引辊牵引力，δ为玻璃基板的目标厚度；

S3,计算玻璃带离开溢流砖根部的厚度d；

其中，η_i为溢流砖尖的根部粘度，Q为基板玻璃引出量，L为玻璃基板平均引板宽度，ρ为玻璃基板的密度，g为重力加速度，ε为经验系数，ε＝0.5～0.8；

计算成型退火装置预退火区的长度L₁、均热区的长度L₂、退火区的长度L₃和后续退火区的长度L₄；

计算成型退火装置预退火区的长度L₁：

其中，ΔT₁＝T_d-T_T为预退火区的降温差，h₀为玻璃基板的退火速度，PR为玻璃基板的牵引速度，K₁为修正因子，预退火区K₁＝1；

计算成型退火装置均热区的长度L₂：

其中，ΔT₂＝T_a-T_d＝T_g-T_d为均热区的降温差，h₀为玻璃基板的退火速度，PR为玻璃基板的牵引速度，K₂为修正因子，均热区K₂＝1；

计算成型退火装置均热区的长度L₃：

其中，ΔT₃＝T_st-T_a为退火区的降温差，h₀为玻璃基板的退火速度，PR为玻璃基板的牵引速度，K₃为修正因子，退火区K₃＝1；

计算成型退火装置均热区的长度L₄：

其中，ΔT₄＝T_o-T_st为后续退火区的降温差，h₀为玻璃基板的退火速度，PR为玻璃基板的牵引速度，K₄为修正因子；由于后续退火区仅增加暂时应力，在安全应力范围内适当加快退火速度以减小退火装置长度，后续退火区1<K₄<3.5；

计算成型退火装置的总长度L_W：

L_W＝L_δ+L₁+L₂+L₃+L₄；

其中，L_δ为厚度形成区的长度；L₁为预退火区的长度、L₂为均热区的长度、L₃为退火区的长度；L₄为后续退火区的长度。

2.根据权利要求1所述的一种玻璃基板溢流成型退火装置设计方法，其特征在于，步骤1中通过产线设计确定基板玻璃的参数包括基板玻璃引出量Q、玻璃基板平均引板宽度L、玻璃基板产品宽度W、玻璃基板的目标厚度δ。

3.根据权利要求1所述的一种玻璃基板溢流成型退火装置设计方法，其特征在于，步骤2中溢流砖尖温度T_i设置对应粘度η_i、玻璃基板的理论退火起始点温度T_T设置对应粘度η_T＝10⁸Pa·s、膨胀软化点温度T_d设置对应粘度η_d＝10¹¹Pa·s、实际退火起始点温度T_a设置对应粘度η_a＝10¹²Pa·s、应变点为退火下限的温度T_st设置对应粘度η_st＝10^13.5Pa·s、退火炉出口温度T_o；其中，溢流砖尖温度T_i对应的粘度η_i＝10^3.8Pa·s～10^4.2Pa·s；退火炉出口温度T_o＝300℃～500℃。

4.根据权利要求1所述的一种玻璃基板溢流成型退火装置设计方法，其特征在于，步骤3中，在成型退火炉装置的不同功能区段中厚度形成区的温度区间为T_i～T_T、预退火区的温度区间为T_T～T_d、均热区的温度区间为T_d～T_a、退火区的温度区间为T_a～T_st和后续退火区的温度区间为T_st～T_o。

5.根据权利要求4所述的一种玻璃基板溢流成型退火装置设计方法，其特征在于，成型退火炉装置的不同功能区段中厚度形成区的降温差ΔT_δ＝

T_T-T_i，预退火区的降温差ΔT₁＝T_d-T_T，均热区的降温差ΔT₂＝T_a-T_d，退火区的降温差ΔT₃＝T_st-T_a，后续退火区的降温差ΔT₄＝T_o-T_st。

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