CN101708945B

CN101708945B - 铂金通道中实现熔融态玻璃黏度精确控制的方法

Info

Publication number: CN101708945B
Application number: CN2009100743179A
Authority: CN
Inventors: 宋金虎; 斯沿阳; 刘文泰; 李兆廷
Original assignee: Tunghsu Group Co Ltd
Current assignee: Beijing Yuanda Xinda Technology Co Ltd
Priority date: 2009-05-08
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2029-05-08
Also published as: CN101708945A

Abstract

本发明是在铂金通道中实现熔融态玻璃黏度精确控制的方法。用于TFT-LCD玻璃基板生产过程中的质量控制。具体的技术方案包括以下步骤：①按照工艺路线将铂金通道分区、段加装通电用法兰，②根据每段铂金通道所处的位置和电加热过程中所需最大电流量确定电功率；③将可控交流电压通过法兰加在每段铂金通道上；④选择匹配每个共用法兰上的配套的电流相序；⑤计算确定各区、段标准温度值区间，以及对应标准温度区间的铂金通道在该段的电流量区间，⑥设置一个对各段在线温度采样，对加载区、段电压实施闭环控制的管理电路。本方法可以保证熔融态玻璃进入成型工序的技术指标、节约能源，操作全自动。

Description

铂金通道中实现熔融态玻璃黏度精确控制的方法

技术领域

本发明涉及一种铂金通道中实现熔融态玻璃黏度精确控制的方法，借助于电加热温度控制的方法和设备在TFT-LCD玻璃基板生产中的应用。

背景技术

在TFT-LCD玻璃基板生产制程中，为了减少熔融态的玻璃液与耐火材料接触而导致的组份非均一性和气体夹杂物的产生，通常设置了铂金通道连接在熔解池与成型设备之间。铂金通道担负着对熔融态的玻璃液澄清、均化、搅拌和温度调节的功能。对TFT-LCD玻璃基板最后的成型和成型后的技术指标起着重要作用。铂金通道的各个区段中要熔融态玻璃黏度要求保持规范化的粘度，以实现其技术指标的规范特别是光学性能的优越性和各个方向上的一至性。与粘度指标对应变化的是铂金通道温度的周围的环境。

铂金通道的温度控制可以通过电加热***来实现。传统的电加热实施方式有间接加热法和直接加热法。直接加热法作为优选的电加热方法，具有热效率高、时滞小和易于控制等优点，成为行业主流电加热实现方法。该方法由于在低电压、大电流下工作，并且使用共用法兰和部分使用共用铂金通道段十分常见。现有的控制方法中对铂金通道的电加热控制中，仅仅考虑了满足常规热量耗散功率，没有考虑电加热回路的相序和共用法兰的载流量，从而设备是、热耗散的偏离。

发明内容

本发明的关键，是提供一种对熔融态TFT-LCD基板玻璃的黏度精确在线控制的方法。该方法包括通对铂金通道部件机构的改进，和对工作交流电施的控制，依据规范化的步骤，调整各回路电压相序、回路电流，最终保证工艺的对进入基板成型工序时的温度控制要求。

在铂金通道上安装的法兰，一般都是由一个以上的导电回路所共用。因而，法兰上通过的电流通常大于某一回路单独的电流。所以，法兰引出端的载流量要设计成能够承担其上通过的电流的能力。

针对每段铂金通道，进行热量收支计算，从而完成电加热功率计算。电加热功率计算，包含以下二个方面：升温时的功率、运行时的功率。以上计算要考虑***散失的热量、升温时***吸收的热量和运行时玻璃液带来或带走的热量。

在理想状态下，***升温时所需要的功率：

Figure DEST_PATH_RE-GSB00000587307500021

其中，P_升温：***升温时加于铂金通道上的电功率，kW；

c₁：铂金通道的比热，kcal/kg·℃；

m₁：铂金通道的质量，kg/h；

c₂：保温材料的比热，kcal/kg·℃；

m₂：保温材料的质量，kg；

ΔT：每小时上升的温度，℃；

Q_散热：运行时每小时散热量，W。

在理想状态下，***运行时所需要的功率：

Figure DEST_PATH_GA20181995200910074317901D00021

其中，P_运行：***运行时加于铂金通道上的电功率，kW；

c₃：玻璃液的比重，kcal/kg·℃；

m₃：每小时玻璃液的流量，kg；

ΔT：每小时上升的温度，℃；

Q_散热：运行时每小时散热量，W。

对于通道表面散热：

Q_表面＝ΔT×λ÷δ×S

其中，Q_表面：通道表面散热，W；

ΔT：每小时的温升，℃/h；

λ：保温材料的导热系数，W/m·K；

δ：保温材料的厚度，m；

S：***的散热面积，m²。

对于冷却水散热：

其中，Q_冷却水：冷却水散热，W；

C₄：冷却水的比热，kcal/kg·℃；

m₄：每小时冷却水的流量，kg/h；

ΔT：冷却水的入水-出水温差，℃。

根据铂金通道材料的电阻温度系数α及其在摄氏0度时的电阻率ρ₀，计算其在升温及工作温度状态下的电阻率ρ，公式如下：

ρ＝ρ₀×(1+αT)

然后，根据电阻公式

R = ρ \times \frac{L}{S}

计算每段用于加热的铂金通道在升温及运行状态下的电阻值R。

根据公式P＝I²×R，将之前计算的P_升温和P_运行与在升温与运行时的该段铂金通道电阻R_升温和R_运行代入，即可分别计算出升温和运行状态下的电加热电流I_升温和I_运行。比较两个电流计算值的大小，取其中较大的一个，留出10％～50％的设计余量，并根据实验及实际运行数据进行必要的修正后的值I_设计作为该段铂金通道电加热电流设计值。根据此电流设计值即可确定用于电加热控制的变压器二次侧电流值。根据U＝I×R，可以确定基于I_设计的该段铂金通道上的最大电压，加上***电路上的电压损耗可以确定变压器二次侧的电压设计值U_设计。在此基础上，具有一般设计能力的电气设计人员可以按照一般设计方法进行电加热主回路的设计。

公共法兰电极的电流值与相序的分布有密切关系。对于使用移相方式进行电流控制的回路，对于公共电极的总电流I，根据不同的相序分布，有三种计算方法：

(1)对于以类似R-S、R-S相序分布的情况，公共电极的总电流I是加于两个回路电流的代数和，即I＝I₁+I₂或I＝I₁-I₂。

(2)对于以类似R-S、S-T相序分布的情况，公共电极的总电流I在两个回路可控硅完全导通时，等于加于两个回路电流的矢量和：

\overset{&RightArrow;}{I} = \overset{&RightArrow;}{I_{1}} + \overset{&RightArrow;}{I_{2}}

或

\overset{&RightArrow;}{I} = \overset{&RightArrow;}{I_{1}} - \overset{&RightArrow;}{I_{2}} .

(3)对于以类似R-S、S-T相序分布的情况，公共电极的总电流I的平方在两个回路可控硅导通角较小时，等于加于两个回路电流的平方和，

即I²＝I₁ ²+I₂ ²

形成第三种电流计算方法的原因是在于两个回路可控硅导通角较小时，二电流波形在时域上不相交，故无法按照标准正弦波电流的矢量运算法则进行计算。假设公共电极上电阻为R，则两个回路电流在其上产生的功率分别为

Figure 432945DEST_PATH_RE-GSB00000587307500031

和总功率P＝I²×R，而同时P＝P₁+P₂，故

I^{2} \times R = I_{1}^{2} \times R + I_{2}^{2} \times R,

I^{2} = I_{1}^{2} + I_{2}^{2} .

这样，对于两个串联的回路，作为不同相序设计的结果，我们有四种相序设计方案。从节省法兰材料的用量角度考虑，我们倾向于共用法兰电流最小的设计。但由于金属是热的良导体，加上法兰冷却水热量的散失，致使法兰安装处成为铂金通道的热量散失最大的地方。从稳定通道温度曲线，减少热量散失角度考虑，用共用法兰电流最大的设计较好。但无论哪种设计，均以在升温和运行中不会损坏或烧断法兰为基本原则。

对于搅拌、排气或供料的区段，存在T形铂金通道电加热情况，干路和支路共用一段铂金通道。该段共用铂金通道可以看作是共用法兰的延伸，因而可以适用上述法兰相序设计原则。同时，根据工艺条件对这段铂金通道温度的要求，来确定该处的相序布局。

电气控制回路的应当满足工艺要求，形式多样，根据现场和用户的应用习惯可以采用PAC、DCS、基于PLC的过程控制集中或独立管理电路设计。亦可通过工业以太网与工厂管理网相连。

功率调节器与可控变压器是实现电加热控制***的执行器件，通过铜排和软电线连接接于铂金通道的法兰，构成电加热的主回路部分。控制系统是由铂金通道电加热的控制回路与用于控制、操作与管理的程序与工作站组态组成。

本发明所采用的技术方案包括以下步骤：

①按照工艺路线将铂金通道分区、段加装通电用法兰，

②根据每段铂金通道所处的位置和电加热过程中所需最大电流量确定电功率；

③将可控交流电压通过法兰加在每段铂金通道上；

④选择匹配每个共用法兰上的配套的电流相序；

⑤计算确定各区、段标准温度值区间，以及对应标准温度区间的铂金通道在该段的电流量区间，

⑥设置一个对各段在线温度采样，对加载区、段电压实施闭环控制的管理电路。

以上的方法可以实现对铂金通道中熔融态玻璃黏度精确控制，明显的降低能耗，有效的提高玻璃基板的质量，自动化程度高、操作简单。

附图说明

图1是铂金通道与安装于其上的法兰示意图。

图2是铂金通道的线性串联和T型连接示意图。

图3是铂金通道电加热管理电路的结构示意图。

图1所示是用于实施根据本发明铂金通道中的法兰及安装示意图。铂金通道1上安装有用于电加热连接的法兰。法兰结构中具有用于向铂金通道输送电流的电流导入内圈3和均流外圈4。有用于接线的电流导引端5。法兰与铂金通道相连处有用于焊接的翻边结构6。翻边结构6的内径略大于铂金通道外径。法兰可以设置冷却水管路的结构。

图2所示实施方式中铂金通道的涉及线性串联和T型连接的示意图。干路铂金通道7上安装有法兰9、法兰10和法兰11。支路铂金通道8安装于干路铂金通道7的法兰10和法兰11之间，与干路铂金通道7成直角T型连接。支路铂金通道8的端头安装有法兰12。每个法兰均有用于电流导入内圈14和均流外圈13的结构。

图3所示是用于实施方式中铂金通道电加热管理电路的功能结构框图。干路铂金通道15上安装有法兰17、法兰18和法兰19。支路铂金通道16的端头安装有法兰20。管理电路中的采样热电偶21安装于干路铂金通道15的法兰18与法兰19之间、支路热电偶22安装于支路铂金通道16上。管理电路中包括控制器23与功率调节器24、支路功率调节器25和配套的可控变压器26以及支路可控变压器27。同时还包括反馈至控制器23的热电偶21、热电偶22的信号线，接在可控变压器26至法兰18、法兰19间的铜排与软连接28与29将干路变压器26的输出连接至干路铂金通道负载。接于可控变压器27至法兰18、法兰20间的铜排与软连接30、31将支路可控变压器27的输出连接至支路铂金通道上。干路与支路共用法兰18。

具体实施方式

所述铂金通道是根据工艺条件进行划分区、段，并在各区端头加装通电用的法兰，各区之间采用法兰与法兰对接的连接方式，各区内通过加装分流法兰分为段，所有用于分段的不在端部的法兰和部分位于端部的法兰，至少为两个电加热回路所共用，同时流过至少两个回路的电流。

法兰的结构中包括均流外圈4，电流导入内圈3，用于焊接定位的翻边结构6，电流导引端5。

法兰结构中还包括冷却水通道，冷却水通道连接的是受管理电路调控的冷却水循环***。

以上所说的管理电路中包括配套的调压式功率调节器，将调控后的电压通过法兰加在对应区、段铂金通道上。

上述管理电路结构中包括：

①安装于铂金通道上的热电偶；

②用于电加热输出的功率调节器与可控变压器；

③连接在法兰与可控变压器的之间的铜排，或软连线；

④接受铂金通道上的热电偶的采样信号的，并存储有铂金通道各区、段的标准工艺参数的、设置了对采样信号进行比对处理后向功率调节器发出指令的管理软件的工业过程控制机。

本发明中的法兰结构中的均流外圈4采用钯、或镍材料制成，电流导入内圈3采用铂金制成，均流外圈4的内径是电流导入内圈3的内径的1.2～1.5倍，电流导入内圈3的厚度是安装处铂金通道管壁厚度的1-3倍，以上所说的法兰外圈的直径是法兰内圈外径的1.2～1.8倍、厚度与该法兰上通过的最大电流配套。

以上管理电路的结构④中的工业过程控制机是使用DCS、或PLC过程控制器、或PAC自动化过程控制器。

以上管理电路的结构④中的工业过程控制机为核心组成铂金通道整个***的控制电路单元、或组成铂金通道的某个区段相对独立的控制电路分单元。

下面给出具体的计算实施例

对于一段内径为200mm，长度为1m，厚度为1mm，由纯铂制成的铂金通道，如果其工作温度为1500℃，保温材料导热系数为1W/m·K，保温厚度为1m，保温外表面积为6m²，可计算平面散热量如下：

Q_平面＝ΔT ×λ÷δ×S

＝1500×1÷1×6＝9000W

如果每个法兰每小时冷却水流量是300kg，出、进水温差是10℃，则每个法兰冷却水热量散失为：

= 1 \times 300 \times 10 \times \frac{1000}{860}

= 3488 W

假如该段铂金通道如图3中法兰18～法兰19间情况，由于法兰18被两个回路所共用，故该段铂金通道冷却水散热相当于1.5个法兰冷却水的量。所以，Q_冷却水＝1.5×3488＝5232W。

Q＝Q_平面+Q_冷却水

＝9000+5232＝14232W

铂金通道的质量：

m₁＝ρ₁×V₁＝21.45×10³×0.2×3.1416×0.001×1

＝13.48kg

铂金的比热c₁＝0.0314kcal/kg·℃。如果保温材料的质量m₂＝1000kg，比热c₂＝0.39kcal/kg·℃，每小时温升20℃，则升温功率：

Figure DEST_PATH_GA20181995200910074317901D00051

= \frac{(0.0314 \times 13.48 + \frac{2}{2} \times 0.39 \times 1000) \times 20}{860} + \frac{14232}{2 \times 1000}

= 4.54 + 7.12 = 11.66 kW

如果玻璃每小时的流量是333.3kg，玻璃的比热是0.24kcal/kg·℃，每小时最大温升为20℃，则运行功率：

= \frac{333.3 \times 0.24 \times 20}{860} + \frac{14232}{1000}

= 16.09 kW

留出一定的功率余量，加热功率选择20kW。

铂金在1500℃下的电阻率为ρ＝53.2μΩ·cm，其电阻如下：

R = ρ \times \frac{L}{S} \times 10^{- 5} = 53.2 \times 1000 \div (200 \times 3.1416 \times 1) \times 10^{- 5}

由公式P＝I²×R＝8.467×10^-4Ω

可得：20,000＝I²×0.0008467

I＝4860.2A

变压器二次侧设计5000A。

铂金上电压U＝I×R＝4860.2×0.0008467＝4.12V。

留出***电路压降余量，变压器二次侧电压设计8.0V。

若支路电流设计3000A，共用法兰18上采用矢量运算，那么：

Figure DEST_PATH_GA20181995200910074317901D00061

Figure DEST_PATH_GA20181995200910074317901D00062

Figure DEST_PATH_GA20181995200910074317901D00063

由以上计算可知，由于电压相序的合理选择，共用法兰18上通过的电流并没有比独立法兰19上通过的电流更大，因而共用法兰18不必采用更大尺寸的设计。

Claims

1.一种铂金通道中实现熔融态玻璃黏度精确控制的方法，该方法包括以下步骤：

①所述铂金通道是根据工艺条件进行划分区、段，并在各区端头加装通电用的法兰，各区之间采用法兰与法兰对接的连接方法，各区内通过加装分流法兰分为段，所有用于分段的不在端部的法兰和部分位于端部的法兰，至少为两个电加热回路所共用，同时流过至少两个回路的电流，

③将可控交流电压通过法兰加在每段铂金通道上；

④选择匹配每个共用法兰上的配套的电流相序；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于法兰的结构中包括均流外圈(4)，电流导入内圈(3)，用于焊接定位的翻边结构(6)，电流导引端(5)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于法兰结构中还包括冷却水通道，冷却水通道连接的是受管理电路调控的冷却水循环***。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于管理电路中包括配套的调压式功率调节器，将调控电压通过法兰加在对应区、段铂金通道上。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于管理电路结构中包括：

①安装于铂金通道上的热电偶；

②用于电加热输出的功率调节器与可控变压器；

③连接在法兰与可控变压器的之间的铜排，或软连线；

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于法兰结构中的均流外圈(4)采用钯、或镍材料制成，电流导入内圈(3)采用铂金制成，均流外圈(4)的内径是电流导入内圈(3)的内径的1.2～1.5倍，电流导入内圈(3)的厚度是安装处铂金通道管壁厚度的1-3倍，以上所说的法兰外圈的直径是法兰内圈外径的1.2～1.8倍、厚度与该法兰上通过的最大电流配套。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于结构④中的工业过程控制机是使用DCS、或PLC过程控制器、或PAC自动化过程控制器。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于结构④中的工业过程控制机为核心组成铂金通道整个***的控制电路单元、或组成铂金通道的某个区段相对独立的控制电路分单元。