用于控制熔管下垂的方法 【技术领域】
本发明涉及平板玻璃生产中使用的熔管，更具体地说，涉及用于控制该种管子在使用期间出现下垂的技术。背景技术
熔化过程是生产平板玻璃的玻璃制造工艺中使用的基本技术之一。例如，参见Varshneya，Arun K.所著《无机玻璃的基础原理》(学术出版社有限公司，波士顿，1994年)第20章、第4.2节、第534-540页的“平板玻璃”。与本技术领域中已知的其它过程相比，例如悬浮和狭槽拉制过程，熔化过程生产的玻璃板的表面具有较高的平整度和光滑度。由此，熔化过程在液晶显示器(LCD)制造中使用的玻璃基片的生产中变得尤其重要。
熔化过程，更具体地说，溢出式下拉熔化过程(overflow downdraw fusionprocess)是授予Stuart M.Dockerty的普通转让型美国专利No.3,338,696和3,682,609的主题，本文将援引这些专利的内容作为参考。图1示出了这些专利的过程的示意图。如其中所示，系统包括一供应管9，该供应管将熔化地玻璃提供给形成在耐火体13中的一收集凹槽11，该耐火体被称作溢出式下拉熔管，或更简单地称作“熔管”。
一旦实现稳态运行，熔化的玻璃从供应管通过凹槽，然后自两侧溢出凹槽顶部，因而形成两块向下流动、然后沿熔管的外表面向内流动的玻璃。两块片材在管子的底部或根部15相遇，并在该处共同熔合成单块玻璃。然后将单块玻璃进给到拉制设备(由箭头17示意性地表示)，该拉制设备通过从根部拉离片材的速率来控制片材的厚度。拉制设备最好位于根部下游，以使单块片材在与设备相接触之前冷却并变硬。
从图1中可以看到，在该过程的任何阶段中，最终的平板玻璃的外表面不会接触熔管的外部表面的任何部分。相反地，这些表面只遇到周围大气。形成最终片材的两个半块片材的内表面确实与管子接触，但这些内表面在管子的根部处熔合在一起，并因而埋在最终的片材本体中。以该种方式，可以获得具有较高性能的最终片材的外表面。
从上述可明显看出，熔管13对于熔化过程的成功来说是十分关键的。更具体地说，由于管子的几何形状的变化会影响过程的总体成功，因此熔管的尺寸稳定性十分重要。不幸的是，使用熔管的条件易受到尺寸变化的影响。
因而，熔管必须在升高到大约1000℃以上的温度下运行。此外，在溢出式下拉熔化过程的情况下，管子必须在升高的温度下运行，并同时支承其自重以及溢出其诸侧的和凹槽11中的熔化玻璃的重量，并且在其被拉伸时支承至少一些通过熔融的玻璃传回管子的张力。根据待生产的平板玻璃的宽度，管子可以具有1.5米或更长的未支承长度。
为满足这些要求的条件，熔管13由多种高性能耐火材料制成。例如，熔管由均衡加压的耐火材料块制成，因而有时被称作“均匀管(iso-pipe)”。更具体地说，已经使用均衡加压的锆石耐火材料来形成用于熔化过程的均匀管。
即使具有这种高性能的材料，实际上，熔管也会出现限制其使用寿命的尺寸变化。更具体地说，这种管子出现下垂，以使管子的未支承长度的中央相对于其外部支承端下降。本发明与控制这种下垂有关。现有技术的说明
Overman在美国专利No.3,437,470中揭示了一种具有纵向延伸孔的熔管，该孔形成在管体中，用以接纳一支承杆。支承杆用作一杠杆，其一端受到一个向上的力，而另一端作为一枢轴。支承杆围绕熔管的中央接触孔的上壁，并通过该种接触将一个向上的力施加于管子。
日本专利公报No.11-246230示出了Overman专利的变型，该变型又在熔管的本体中形成一个纵向延伸孔，用以接纳一支承杆。在该情况下，支承杆并不枢转，而是配合，并将一个向上的力基本沿其整个长度施加于孔的上壁。根据该专利公报，支承杆必须由这样一种材料制成，其杨氏模量和抗弯强度大于生产熔管所用材料的杨氏模量和抗弯强度。
这些方法具有以下基本问题，即熔管中的孔减弱了管子的强度，使其更加倾向于下垂，并且会在使用熔管的要求的环境条件下导致其它问题，例如裂纹形成。如同下面将详细讨论的那样，本发明通过施加外力来实现下垂控制，并因而不需要牺牲管子的完整性。发明内容
鉴于先前所述，本发明的一个目的是提供用于控制熔管下垂的方法。更具体地说，本发明提供了用于减少熔管下垂率的方法，尤其是管子的中心区域中的下垂率(通常在该处可以观察到最大的下垂量)。
为了实现以上目的，本发明提供了一种用于减少熔管(13)的下垂率的方法，该方法包括将相同且相反的轴向力(F)施加于管子的端部区域(23)的诸部分，以使轴向力在管子的中间区域中产生一弯曲力矩，该力矩的指向与该区域的重力下垂相反。
较佳的是，通过识别用于管子的一中性轴线或平面(例如，通过管子结构的计算机模拟)，并将诸部分定位在该轴线或平面下方，以便选择施加轴向力的端部区域的诸部分。
在本发明的特定较佳实施例中，施加于管子的一端的轴向力是主动力(例如，来自一气缸、一个或多个弹簧或类似装置或诸装置的结合)，而施加于另一端的轴向力是反作用力(例如，由固定该端所产生的力)。
实际上，与不使用本发明的管子相比，本发明可以使熔管的下垂率至少减少25％。作为减少下垂的结果，可使管子的使用寿命至少增加三分之一(33％)。
本发明的附加特征和优点将在下面的详细叙述中阐明，本技术领域的技术人员将从该说明中容易地明白或通过如本文所述的本发明的实际中认识到其中的一部分。应当理解的是，前面的概述和随后的详细叙述都仅作为本发明的示范，并试图提供一个概貌或框架用以理解本发明所要求的本质和特征。
所包括的附图便于更深入地理解本发明，结合在本说明书中并构成该说明书的一部分。附图图示了本发明的多个方面，并与说明书一起用于解释本发明的原理和操作。附图说明
图1是图示在用于制造平板玻璃的溢出式下拉熔化过程中使用的熔管的示意结构的示图。
图2是图示本发明的用于控制下垂的偏心轴向力的示意图。具体实施方式
如同上面所讨论的那样，在用于制造平板玻璃的溢出过程中，热玻璃流入形成在熔管13中的一凹槽11，然后流过凹槽顶部(堰坝顶部)，并且向下流过管子的诸侧到达管子的根部15，其在该处被引出成为平板玻璃。
由于过程运行时的高温，管子的材料易于蠕变。因而，管子在重力作用下不断地下垂。最后，下垂达到精加工玻璃的质量和/或尺寸不在规格范围内的一位置，需要停止使用管子并进行更换。因此，最好减少管子的下垂率，并藉此延长其使用寿命。
本发明通过使用轴向力来实现下垂的减少，该轴向力在管子的端部施加有利的力矩，该力矩可以减少由于重力而产生的管子下垂。图2是所施加的轴向力和相应管子的几何形状的示意图。在该图中，管子13在其端部由支承件21支承，并且具有一中性轴线19。中性轴线是在管子13基于其质量分布、其温度分布及其材料随温度变化的性质经受弯曲时不会伸长或压缩的轴线。换句话说，如果管子13在没有图2的轴向力、但所有其它条件相同的情况下经受弯曲的话，中性轴线是不会伸长或压缩的轴线。
中性轴线实际上是一中性面。例如，参见Snyder等人所著《工程力学：静力学和材料强度》(McGraw-Hill，纽约，1973年)第349-350页。然而，由于熔管13通常且最好相对于一通过根部15的纵向垂直平面(在下文中称为“前平面”对称，并且由于本发明的控制下垂的轴向力最好也相对于该平面对称，因此为便于说明，在此根据位于前平面中的中性轴线来讨论本发明。当然，应予理解的是，这些术语在本发明的说明书中不打算也不应当被解释为以任何方式限制本发明。
如图2所示，在中性轴线19下方相距H处将轴向力F施加于熔管13。因此，轴向力在管子的端部产生大小为FH的端部力矩。这些力矩的指向使其减少管子在重力作用下的下垂趋势。由轴向力产生的力矩不能消除所有的管子变形，但如同以下对比示例所述，适当地选择F和H将显著延长管子的使用寿命。
用于F和H的特定值将取决于熔管的特定几何形状、管子的热分布、管子材料随温度变化的特性、由管子承载的玻璃载荷、通过平板玻璃的拉伸传回到管子的力以及支承管子的位置21和端部区域23施加轴向力的部分。实际上，在受到这些力和管子在使用期间会经受的温度时，最好进行熔管的有限元计算机模拟以寻找出F和H的候选值。例如，使用可购得的由ANSYS公司(技术路275号，Canonsburg，宾夕法尼亚州15317，美国)出售的ANSYS软件来进行所述模拟。(ANSYS软件也可用来确定用于复杂熔管形状的中性轴线的位置。)
在进行该模拟的过程中，最好通过以下形式的幂定律公式来表示组成熔管的材料的蠕变率(即，ϵ.=dϵ/dt,]]>式中是应变，t是时间)：ϵ.=Aσnexp(Q/T),]]>
式中，T是温度，σ是施加的应变，而A、n和Q是材料的相关常数。参见Kingery等人所著《陶瓷入门(第二版)》(John Wiley & Sons，纽约，1976年)第704-767页的“塑性变形、粘性流和蠕变”，尤其是等式14.9。
除了对熔管的下垂模拟以外，同样重要的是，模拟由于施加控制下垂的轴向力所引起的材料蠕变而导致的管子轴向压缩。该轴向压缩还表示熔管几何形状的变化，并因而对精加工玻璃的质量和/或尺寸产生不利影响。实际上，需要选择控制下垂的轴向力，以便在减少下垂与不导致过度轴向压缩之间取得平衡。
一旦完成模拟过程，就可以在使用条件下在实际熔管上测试F和H候选值，并根据观察到的管子性能适当地作调整。可以使用多种产生力的技术来施加轴向力，一种较佳的技术是在管子一端使用气缸，而另一端保持固定。一个或多个弹簧(单独或与气缸相结合)也可用于该目的。
尽管在实施本发明之前用计算机模拟是较佳的，但如果希望的话，可以完全凭借实验来确定适于在不过度产生轴向压缩的情况下减少下垂的轴向力的数量和位置。
在不以任何方式对其进行限制的情况下，通过以下示例将更完整地叙述本发明。
对比示例
在施加和未施加控制下垂的轴向力的情况下，在使用条件下测试由均衡加压的锆石构成的溢出式下拉熔管。
在这些试验中，熔管相对于前平面对称，控制下垂的力也相对于该平面对称。特别地，控制下垂的力在管子的端部处大致均匀地施加于相应区域，其中心位于前平面。
使用气缸将力施加于管子的一端，另一端保持固定。由气缸产生的力的数量大约为33000牛顿，并且以中性轴线下方约12厘米的一点作为中心。管子的相对端的固定中心位于中性轴线下方的相同距离处。施加于管子端部的力矩因而各为约4000牛顿·米。使用一测力仪来监控施加于管子的力的数量。或者，可以通过在施力序列中插入一已知弹簧常数的弹簧并使用一LVDT(线性可变差动变压器)来确定弹簧的长度和施加于管子的力，从而对该力进行监控。
已经发现，使用控制下垂的力会导致管子中心处的下垂率减少约80％。由于施加了轴向力，可以观察到管子的某些轴向压缩，但该压缩不会明显影响管子的使用寿命。相反地，已经发现使用控制下垂的力可使使用寿命增加约400％。
尽管已经叙述和图示了本发明的特定实施例，应予理解的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出修改。例如，尽管熔管最好不包括一用于内部支承杆的孔(参见上面讨论的美国专利No.3,437,470和日本专利公报No.11-246230)，但具有这种孔的熔管也将从控制下垂的轴向力中获益，因而，如果希望的话，本发明可以与这种管子一起使用。
类似地，尽管已经根据具有图1和图2所示的通用型构造的单根熔管讨论并图示了本发明，但本发明也可以与具有多种其它构造和/或由不止一种成分构成的熔管一起使用。沿着这些相同的线索，尽管主要根据相对于前平面对称的熔管和控制下垂的力来讨论本发明，但使用本文所讨论的原理，可以用缺乏对称性的管子和/或控制下垂的力来实施本发明。
本技术领域的普通技术人员从本文的揭示中可以清楚不背离本发明的范围和精神的多种其它修改。以下的权利要求书将覆盖本文陈述的特定实施例以及该些修改、变化和等价物。