基板玻璃铂金通道装备寿命研究.pdf

全国性建材科技期刊一一玻璃2024年第4期总第3 9 1 期基板玻璃铂金通道装备寿命研究长期以来制约基板产能效率和寿命进一步提升的因素之一。随着生产工艺的不断成熟化，线体复制水王梦龙1 2 行徐剑1 2 林杨威1-2俞超1 2王苍龙1 2（1.彩虹显示器件股份有限公司咸阳712000;2.平板显示玻璃工艺技术国家工程研究中心咸阳7 1 2 0 0 0）摘要基于铂合金材料高温氧化原理，通过对停运线体的系统性解析，结合铂金通道基本结构和运行工艺特点，开展寿命失效问题的关联性调查与分析，明确了通道失效的核心区域位于澄清段的法兰根部本体附近，并通过大量数据的采集与比对，建立起了通道本体失效断裂的多变量数学关系式，不仅可以实现对在线装备基体衰减状态及剩余寿命的实时评测与估算，也为后续线体更长寿命的设计提供支持。关键词氧化挥发；侵蚀；极限电流；损耗速率中图分类号：TQ171文献标识码：A文章编号：1 0 0 3-1 9 8 7（2 0 2 4）0 4-0 0 1 2-0 5Lifetime Analysis of Substrate Glass Platinum Channel EquipmentWANG Menglong,XU Jian,YANG Weil,YU Chao,WANG Canglong(1.Caihong Display Devices Company Limited,Xianyang 712000,China;2.National Engineering Research Center of Flat Display Glass Technology,Xianyang 712000,China)Abstract:Based on the principle of high-temperature oxidation of platinum rhodium alloy materials,asystematic analysis was conducted on the shutdown line body,combined with the basic structure andoperating process characteristics of platinum channels,to investigate and analyze the correlation betweenlife failure issues.It was determined that the core area of channel failure is located near the flange root ofthe clarification section.Through the collection and comparison of a large amount of line body analysis data,a multivariate mathematical relationship between channel equipment failure and fracture was established,not only can real-time evaluation of the attenuation status and remaining lifespan of online equipment beachieved,but it also provides support for the design of longer lifespan of subsequent line bodies.Key Words:oxidative volatilization,erosion,limiting current,loss rate0引言在基板玻璃技术的发展过程中，热端装备的设计与研发起到了决定性作用，其主要原因是热端装备的设计和制造难度较大，需要综合工艺能力、结构可靠性、高温持久性、材料表面稳定性以及成本控制等多方面因素，铂金通道装备属其中典型代表，由于行业面窄、技术保密性高等特点，难以直接借鉴相关理论和成果，技术发展多遇瓶颈，成为平的不断标准化，用于研究解析铂金通道技术问题的基础平台已日趋完善。在此基础上系统开展包括装备功能、材料、工艺原理等多方面的理论性研究，并结合多线体的制安与停线拆解，逐步明确了制约铂金通道寿命的核心问题及相关原理，并围绕其成果分析推导出可用于在线装备寿命评价与估算的系列数学公式，有效解决了运行线体寿命状态无基金项目：陕西省厅市联动重点项目课题资助2 0 2 2 GD-TSLD-02作者简介：王梦龙（1 9 9 2-），男，本科，工程师，主要从事铂金通道装备的设计开发与研究工作。12图1 澄清段法兰根部本体氧化挥发照片研究与综述法量化监测的技术难题，同时为新线体的寿命设计提供了重要的理论支撑。1影响通道寿命的关键因素1.1高高温氧化外部挥发铂金通道在玻璃的制造过程中主要承担着澄清排泡、搅拌均化以及引出量精密调控等工艺职能，由于其长期运行于1 2 0 0 以上的高温高湿环境，最高区域温度更是达到1 6 0 0 以上，这对于材料的抗高温性能提出了极大地挑战。目前的通道装备普遍采用铂合金材料制成，尽管其热力学性能优异，但长时间的持续高温作用，加剧了基体材料的氧化挥发和疲劳蠕变现象，随着状态不断恶化最终导致局部区域的破损和断裂。为有效抑制铂金在高温下的氧化和挥发问题，常通过在材料表面增加一层致密的保护涂层来进行改善。由于澄清段的结构特性，存在加热回路的法兰部件以及为其预留的膨胀空间，因此针对根部本体的密封填充工艺较主段存在差异，即主段采用密封较好的冷态填充法而法兰根部采用膨胀后的热态填充法，热态填充法由于高温作业以及空间狭小，难以达到等效于主段的冷态填充效果，因此，在后续生产过程中法兰根部本体区域的氧化挥发也常较主段更为严重（图1），这也是后期澄清回路变形破损甚至断裂的主要因素之一。1.2高温玻璃液内部侵蚀铂金通道基体材料的氧化和损耗不仅体现在外部，其内部与玻璃液接触区域同样存在着复杂的氧化侵蚀和铂的溶解反应。据文献1，铂合金材料在高温玻璃液中的溶解首先是利用物理溶解氧气后被氧化、形成离子，或是在还原性气氛当中，与金属胶状或硅等玻璃成分在合金化状态下溶解的，如图2 所示的原理示意图，1 6 0 0 以上的高温环境促使固溶体中的铂原子活跃性增强，被激活和迁移的几率增加，由于Rh原子相较于Pt原子所出现的震荡反应更为强烈，且随着通道内层Rh的不断溶解，外层的Rh原子会向内层定向扩散，形成的富集层，这也是装备后期本体强度衰减的原因之一。PPP?Rh?PtPtP?Rh)?h图2 铂佬合金在玻璃液中的反应机理Pt?Rh氧化物（再分解）玻璃液合金化Si（低熔点）SiSi还原性单质溶解13全国性建材科技期刊一一玻璃1.3极限电流条件铂金通道的加热方式主要分为直接加热和间接加热两种，其基本原理均是将电能转化为铂金材料自身的焦耳热能，再经传导或辐射的方式作用于玻璃液，其中高温区多采用铂金本体自导电的直接加热方式。铂金通道装备基于各段功能设计管径和长度，结合功率设计电载荷与壁厚。铂佬合金材料每平方毫米所允许通过的最大电流约8A，因此在实际运行过程中所加载的电流必须小于当前铂金管道截面所能承载的最大电流，若超过或趋于最大电流将因过载而导致局部薄弱区域的异常高温和熔断。从理论设计结合实践经验表明，铂金通道的极限电流必须高于日常运行值的3 0%以上，才能确保在各类异常情况下工艺的安全裕度。实际运行过程更为复杂，材料本身还存在持续的氧化和挥发损耗问题，致使铂金管道截面积不断缩减，即实时状态下所允许通过的最大电流也在随之减小，此现象在澄清段法兰根部区域尤为突出。如图3 所示，通道寿命衰减的实质为电流承载极限的不断减小，直至接近本体实际的加载电流值，最终导致回路的熔断失效。2024年第4期月总第3 9 1 期数学原理公式。2.1澄清段法兰根部损耗速率在明确影响铂金通道寿命的基本因素及内在关联性后，进一步开展针对停线后通道的系统解析研究，重点分析铂金本体壁厚的损耗规律。经过系统多点位的实际测量与汇总，发现运行3 年的铂金通道其澄清主段大部分区域壁厚减小约30%，而法兰根部本体区域的壁厚减小达到了50%左右。如图4所示，从拆解的澄清主段照片中可以看出，本体外表面光滑完好，无明显挥发和结晶现象，这充分说明当前通道所采用的外表面涂覆技术对基体材料高效的保护能力。90008000V/婴审70006000500040000图3 通道极限电流与实际加载电流的关系2通道损耗速率的研究基于上述理论的研究，明确了影响铂金通道寿命的主要因素及问题点，而针对这些因素与实际工艺之间存在的关联性关系，还需进一步分析结构数据的变化规律，探究并推导出寿命体系的14图4澄清主段外表面本体照片极限电流综合澄清结构、工艺以及壁厚检测数据分析加载电流可得，澄清主段本体所损耗的3 0%壁厚，应主要来源于内部的氧化侵蚀，且从理论上讲内部的氧化侵蚀在澄清段各区域基本相同，因此分析法兰112运行时间/年345根部本体所损耗的50%壁厚，应分为内部玻璃液侵蚀的3 0%和法兰根部区域特有的外部氧化挥发的2 0%两部分，两者共同作用导致澄清段法兰根部本体相较于主段更严重的损耗现象。2.2损耗速率与断裂分析通过对停线通道的专项解析，部分特定线体澄清段法兰根部所存在的内外损耗速率可以经过测算得知，这将作为后续运行线体的基准参数使用，并结合众多变量进一步换算形成通用型公式。研究与综述(1)内部损耗基于图5进一步得出铂金外壁损耗速率与工经分析澄清本体内部的损耗主要与玻璃液的艺温度的拟合公式：黏度及流速有关，根据玻璃液黏温曲线可知，当温V,=6 x 1-37 xc度在1 6 0 0 以上时，5的差异导致黏度的变化式中：V铂金外壁的损耗速率，mm/d；相对较小，因此可将铂金内壁损耗速率与流速的关T-系等效为线性关系，得到内部损耗速率的公式为：e(1)综上，决定通道寿命的澄清段法兰根部本体的总损耗速率V的公式为：式中：V铂金内壁的损耗速率，mm/d;Vo解析线体的基准流速，mm/s;Vo-I解析线体的基准损耗速率，mm/d;V一一玻璃液的实时流速，mm/s。公式（1）中铂金管道内玻璃液的实时流速v可由流量与密度换算得出：10*DV=9元dp式中：D玻璃液流量，kg/h;P玻璃液密度，g/cm;d一铂金管内径，mm。（2）外部损耗经分析铂金外壁的氧化挥发速率主要与温度和密封性有关，目前关于澄清段法兰根部的填充密封工艺未做调整，因此可以确定铂金外壁的损耗速率主要与工艺温度有关。经过线体解析对带有表面涂层的本体在不同工艺温度下的外部壁厚损耗量进行测算拟合，建立了外壁挥发速率与工艺温度的曲线关系，见图5。0.500(P/u)/0.4000.3000.2000.1000.0001520图5温度-挥发速率曲线(3)铂金管道的运行温度，；数学常数。V=V,+V,3寿命估算和设计文中所述的每平方毫米铂金可通过的最大安全电流为8 A左右，基于此可以得出铂金管道实际运行电流所对应的最小通过面积，即危险截面积：（2)式中：Sm危险截面积，mm；铂金管道实际运行电流，A。设定铂金管道的内径d作为基准面保持不变，通过危险截面积S可计算出危险壁厚：Smm=Ttm(d+tmm)式中：tn危险壁厚，mm;d铂金管内径，mm。结合新通道的设计壁厚与危险壁厚可得出壁厚的允许损耗量：At=t-tmin式中：t一设计壁厚，mm;t 一壁厚的允许损耗量，mm。综上，可得出铂金管道的寿命公式：tN=V15701620温度/(4)S(5)min81670式中：N一一铂金管道的寿命，d；V一一总损耗速率，mm/d。若通道运行过程中存在N、N2、N多个不15(6)（7)(8)损耗分为内部玻璃液侵蚀和外部挥发两部分，针对内部玻璃液侵蚀明确了黏度和流速对其的影全国性建材科技期刊一一玻璃同阶段的工艺生产过程，可进一步采用分段叠加的方式进行估算，其公式为：N=N,+N,+N.4实际应用案例通过文中所建立的寿命模型算法，可以实现对运行线体剩余寿命的系统估算，4条运行线体寿命估算结果见表1。表1 运行线体寿命估算结果线体1基准流速/（mm/s）0.95基准内损耗速率/0.000210.000210.000210.00021(mm/d)流量/(kg/h)内损耗速率/（mm/d）温度/外损耗速率/（mm/d）运行电流/A失效壁厚/mm设计壁厚/mm估算寿命/d实际寿命/d以上按照寿命模型方法所估算的结果与实际情况尽管有一定偏差，但完全可以满足现阶段生产计划要求，通过分析可以基本明确偏差主要来自于部分边界条件的简化设定以及线体后期实际存在的其他突发性状况。通过此方法对主要参数进行确定后采用逆向核算的思路同样可以开展延长新线体的寿命设计工作，为基板玻璃装备的产业化发展起到了重要的支撑作用。2024年第4期总第3 9 1 期5结语（9)铂金通道长期在高温下运行必然存在基体材料的氧化和挥发问题，受外表面涂层和填充料的双重保护，各主段的大部分区域挥发损耗基本可控，而对填充相对薄弱的法兰根部本体区域，特别是温度较高的澄清段法兰根部区域，其外表面挥发较为严重，这也是导致铂金通道回路断裂甚至寿命终结的主要原因。通过研究澄清段法兰根部本体区域的壁厚损耗规律，得出该区域基体的230.950.95100010000.00030.0003165016400.0002850.0001800.0002850.000180450042000.580.541.501.50148118521450187440.95120012000.00040.000416501640450042000.580.541.701.701625197816351902响，针对外部挥发拟合出了温度-挥发速率曲线。根据失效机理推导出了寿命与结构、工艺变量之间的数学关系式，该套公式具备寿命状态在线估算和新线体寿命设计两大主要功能，并已在产业中成熟应用，效果显著。随着澄清段法兰根部本体区域结构和工艺的不断优化，铂金通道寿命问题将会由原本的薄弱项转移至其他区域或随机分散点，这将会触及整个铂金通道装备的技术壁垒，也是未来需要进一步探讨的技术发展方向。参考文献1 李柳强,王小萍.无碱玻璃液中的铂金属的溶解现象J显示器件技术,2 0 1 0（1）：2 4-2 7.【2 】黎鼎鑫主编.贵金属材料学M.长沙：中南工业大学出版社,1 9 9 1.3 Gilman J J.The Art and Science of Growing CrystalsM.NewYork:Wiley,1963.【4】谢自能.铂的高温行为J.贵金属，1 9 8 2（0 2）：46-57.5张俊善.材料的高温变形与断裂M.北京：科学出版社，2007.16