|
|
（来源：建筑玻璃与工业玻璃）
来源：建筑玻璃与工业玻璃
狭缝下拉法连续制备超薄玻璃工艺与装置解析
——基于1922年美国经典专利
田英良1,2，李佳昊1,2，刘正1,2
(1. 北京工业大学材料科学与工程学院，北京 100124；
2. 平板显示玻璃工艺技术国家工程研究中心，陕西 咸阳 712000)
摘要：1922年罗伯特・M・科尔发明的向下拉伸式狭缝法平板玻璃生产技术，是早期平板玻璃连续成型领域的经典创新。相较于传统向上拉伸狭缝法（弗克法），该技术在工艺与装置层面实现了显著优化。本文以美国专利（专利号1,550,428）为研究对象，系统地解析其工艺流程与核心装置模块的创新思路，深入地探讨技术创新点与工业设计逻辑。该专利技术通过可调节双唇板狭缝、同步夹持切割机构及梯度冷却系统的创新设计，实现了平板玻璃“成型-冷却-切割-退火”一体化连续生产，解决了传统间歇式生产中表面质量控制、变形预防、规格统一等关键问题。同时，各机构的可调节设计使得不同规格平板玻璃的柔性生产成为可能。该专利技术为后续平板玻璃制造技术发展奠定了重要基础，其创新构思为超薄玻璃、柔性玻璃的狭缝法生产提供了重要技术借鉴。
关键词：平板玻璃；狭缝法；连续成型；工艺装置；玻璃制造
0 引言
平板玻璃作为基础工业材料，其生产技术的革新是玻璃制造工业发展的重要标志，而连续化生产技术的突破更是推动平板玻璃工业化大规模生产的核心驱动力(6.320, 0.13, 2.10%)。1904年比利时人埃米尔·弗克发明的向上拉伸成型狭缝法，首次实现了平板玻璃的连续成型尝试，但在生产效率、产品规格适配性及表面质量控制方面仍存在诸多局限。
1922年罗伯特·M·科尔发明向下拉伸成型的平板玻璃狭缝法并申请美国专利（专利号1,550,428），该专利于1925年8月18日正式授权，由美国伊利玻璃公司受让。该技术在弗克狭缝法的基础上完成了颠覆性优化，创新设计了可调节宽度的双唇板狭缝、同步夹持切割机构与梯度冷却系统，首次实现了平板玻璃从熔融态到成品的全流程一体化连续生产，突破了传统玻璃制造的间歇式生产模式，成为早期平板玻璃连续成型技术的经典代表。
目前，关于早期平板玻璃连续成型技术的研究多聚焦于浮法玻璃技术的发展，对狭缝法的技术溯源与细节解析较为匮乏。本文基于1922年美国专利（专利号1,550,428）文件，从工艺流程、核心装置模块两个维度系统解读罗伯特狭缝法的技术原理与设计构思，探究其工业价值与设计逻辑，以期为理解早期平板玻璃制造技术的发展脉络提供参考，同时为当下超薄玻璃、柔性玻璃的狭缝法生产提供技术借鉴与思路启发。
1 狭缝法平板玻璃生产工艺流程
罗伯特狭缝法专利设备实现了平板玻璃从熔融玻璃到成品玻璃片的全流程连续自动化生产，整个工艺流程围绕“稳流成型、梯度冷却、同步夹持切割、平稳移送、连续退火”的核心逻辑展开，各工序衔接紧密、参数精准可控，有效保证了产品质量与生产连续性。本文遴选了四张具有代表性的结构示意图，如图1-图4所示。
图1 狭缝法平板玻璃生产装置整体结构
图2 狭缝法生产装置成型与切割区局部结构
图3 狭缝法生产装置冷却与移送区局部结构
图4 狭缝法生产装置出料槽、温控及浅池结构
注标引号名称
1–玻璃熔窑，2–出料口，3–供料道，4-纵梁，5-横梁，6-中心十字块，7–料道底板，8–鼻形砖，9-主闸板，10-可更换的盖板，11-绞盘，12-钢缆，13–调节闸板，14–调节闸板的尖锐唇缘，15-手轮，16-侧框架支架，17-金属板，18-金属侧壁，19-流体循环管，20-循环箱（温度控制），21-侧壁纵向通道，22-燃烧器，23-燃烧产物逸出通道，24-唇板（鼻形砖出料前缘），25-唇板的杆状延伸部，26-螺旋压缩弹簧，27-轴承，28-调节螺母，29-杆状延伸部的电气连接件，30-配对唇板（形成制板狭缝），31-横向垫块（承载配对唇板），32-金属板（十字块31顶面），33-手拧丝杠，34-横梁（固定在底座梁外端），35-十字块31内的通道（延续21），36-燃烧器22的支管，37-温度调节装置，38–底板7与纵梁4之间的空间，39-支撑底座梁的螺杆，40-固定下部结构梁，41、42-导向杆（槽结构垂直移动），43-金属板（熔炉前端与槽配合处），44-中空冷却件（玻璃板两侧），45-带螺纹杆（冷却件44），46-支架（固定序号8/序号31），47-螺母（冷却件调节），50-台车，51-台车的安装框架，52-摆动连杆，53-花篮螺栓装置，54-立柱（台车后侧），55-立柱54的顶部延伸件，56-立柱（台车前侧），57-立柱56的顶部延伸件，58-基板（安装立柱56），59-调节机构（基板58与台车），60-横轴（连接前后立柱组），61-链轮（横轴60上），62-横轴（连接立柱顶部延伸件），63-链轮（横轴62上），64-链轮链条，65-螺旋压缩弹簧（张紧链条），66-立柱的凸台，67-调节丝杠，68–夹持与横向切割杆，69-纵向切割肋（在序号68上），70-锯齿状或粗糙夹持面（在序号68上），71-冷却框架（导向链条/玻璃板），72-驱动轴，73-电机，74-摩擦式边缘夹持与导向装置（玻璃板段），75-支架（承载76，台车下侧），76-夹持件（相对的摩擦式玻璃板边缘），77-拉伸弹簧（压紧夹持件76），80-横轴（台车下侧），81-轴承支架（支撑横轴80），82-框架臂（横轴80两端），83-轴（连接框架臂82），84-电机（用于驱动轴83），85-链轮（装在轴83上），86-链条（连接链轮85和链轮87），87-链轮（框架臂82下端短轴），88-支撑件（装在了链条86上），89-压缩弹簧（与支撑件88与链条86相关），90-钢缆（框架臂82下端），91-绞盘（台车支撑框架51后端），92-链轮链条（用于玻璃板输送），93-退火炉，94-带垂直槽的玻璃板导向件（装在链条92上），95-导向轨（支撑链条92）
图中部件编号与专利原文保持一致，便于对照理解。其核心工作流程如下：
1.1 玻璃液导流与调控
如图1、图4所示，熔融玻璃从玻璃熔窑1经出料口2流入供料道3，在供料道前端设置主闸板9后，在供料道末端设置调控闸板13，完成初步温降与压力稳定，消除熔窑出料带来的流态波动；图4中，玻璃在鼻形砖8处通过内置控温机构实现玻璃液全宽度方向的温度均化，保证玻璃流态稳定，为后续平板玻璃连续成型奠定基础。
1.2 狭缝连续成型
在图2、图4中，经温度调控的熔融玻璃，流经加热唇板24与配对唇板30构成的可调节宽度狭缝，沿成型部件向下流动形成连续玻璃带。唇板持续加热可有效防止玻璃与成型部件黏连，保证玻璃带表面光滑度与成型精度，可调节狭缝则能适配不同厚度玻璃带的成型需求。
1.3 玻璃带梯度冷却
图2中，成型后的玻璃带先经中空冷却元件44完成初步冷却定型，使软化状态玻璃带快速固化，避免后续工序中发生变形；随后玻璃带流经冷却框架71进行强化冷却，进一步提升玻璃带的固化程度，同时冷却框架为后续切割机构提供精准导向，实现冷却与导向功能一体化，如图2、图3所示。
1.4 玻璃带夹持与切割
在图2、图3中，链轮链条64带动夹持与横向切割杆68与玻璃带保持同步向下移动，首先对玻璃带进行全宽度夹持，消除玻璃带自重带来的拉伸应力，随后按预定间隔完成切割，形成规格一致的玻璃片。整个夹持切割过程无移位、无变形、无崩边，有效保证了玻璃片的尺寸精度与边缘质量。
1.5 减速精准移送
切割后的玻璃片在自重作用下滑落，经摩擦式边缘夹持与导向装置74减缓下落速度，避免高速下落导致的碰撞破损；同时由支撑件88精准托举玻璃片下部边缘，按预定速度实现竖向平稳移送，保证玻璃片的位置精准性，如图3所示。
1.6 水平输送与退火
经竖向移送的玻璃片精准落入连接在传输链子上的导游垂直槽的玻璃板导向件94中，由间歇式传输链输送至退火炉93内，完成全流程退火处理，如图1、图3所示。通过退火消除玻璃片在成型、切割过程中产生的内应力，提升玻璃的机械强度与热稳定性，最终形成合格的平板玻璃成品。
2 狭缝法生产平板玻璃的关键核心装置
罗伯特狭缝法的技术创新核心体现在各核心装置的模块化设计与协同配合，整套装置分为玻璃液调控与导流模块、玻璃成型模块、玻璃冷却模块、玻璃夹持与切割模块、玻璃片移送与减速模块、玻璃片输送与退火模块六大核心模块，各模块均采用可调节、高适配性设计，同时实现了功能一体化与设备通用性的双重目标，各模块的结构设计与工作原理如下：
2.1 玻璃液调控与导流模块
玻璃液调控与导流模块是保证熔融玻璃稳流、温度均化的关键，为后续成型工序提供稳定的玻璃液原料，主要由玻璃熔窑与出料基础结构、流量调控机构、导流面温控与防冷黏结构、出料槽竖向调节与密封配合四部分组成，如图1、图4所示。
熔融玻璃从玻璃熔窑1经出料口2流入供料道3。玻璃熔窑1为玻璃熔化和保温腔体，熔融玻璃在液柱压力与重力共同作用下经出料口2流至供料道3，供料道槽底整体向前向下倾斜，有效降低玻璃液流动阻力；供料道安装在水平底座纵梁4上，由丝杆39支撑实现整体竖向调节，通过调节供料道相对于熔窑内玻璃液面的高度，改变流入供料道的玻璃流深度与液柱压力，配合鼻形砖8的竖向收窄结构，助力玻璃液成流。流量与压力调控机构通过主闸板9的竖向移动实现玻璃流量粗调，可更换盖板10延伸形成的调节闸板13通过手轮15与丝杆机构实现竖向精准调节，与供料道构成的调控腔实现玻璃液温降与压力精调。
导流面温控与防冷黏结构是该模块的创新点，鼻形砖8内部设流体循环管19与循环箱20，可根据玻璃流温度分布实现局部升温或降温，保证全宽度温度均化；供料道侧壁设纵向侧壁加热通道21和燃烧器22加热抵消了玻璃液快速冷却，有效防止玻璃液黏连；所有与熔融玻璃接触的金属部件均采用镍铬合金、铂铑贵金属等高耐耐热材料，保证高温工况下的结构稳定性。供料道由丝杆39支撑实现竖向调节，通过多根导杆导向保证调节平稳，后端贴覆金属板43实现密封与防磨损，料道底板7下方的温度调节装置37实现玻璃流的梯度降温，使玻璃温度精准匹配成型工艺要求。
2.2 玻璃板成型模块
玻璃板成型模块是实现平板玻璃连续成型与厚度调控的核心，核心设计为加热唇板与可调节宽度狭缝结构，同时制定了严格的成型表面质量控制原则，有效保证玻璃带的表面质量与成型精度，如图2、图4所示。
加热唇板24为核心成型部件，安装在鼻形砖8出料前缘，横截面为弧形且下边缘呈薄刃状，使玻璃液沿刃口顺畅向下流动；唇板作为电阻元件通过通电加热，可有效防止玻璃黏连，其唇板的杆状延伸部25通过螺旋压缩弹簧26施加持续张紧力，避免高温与玻璃流冲击导致的唇板变形，保证成型精度。针对不同厚度玻璃带的成型需求，设计了双板调宽式狭缝结构，以唇板24为一侧壁，配对唇板30为另一侧壁，形成可调节狭缝，通过手拧丝杠33带动横向垫块31水平移动，实现狭缝宽度的精准调节；横向垫块31内侧的锥形结构与金属板32形成浅料池，使玻璃液稳流后再经狭缝成型，避免流态紊乱导致的成型缺陷，同时浅料池区域由燃烧器22的支管36加热，保证池内玻璃液始终处于熔融流动状态。
成型表面质量控制遵循核心原则：玻璃带离开成型工位前，与其表面接触的最后一个成型部件必须保持加热状态，通过高温避免冷黏、划痕等缺陷；若对表面精度要求较低，可取消调节闸板13与配对唇板30，使玻璃流顶面无部件接触，简化设备结构的同时满足基础生产需求。
2.3 玻璃冷却模块
玻璃冷却模块采用梯度冷却设计，分为近成型工位的初步冷却与切割区的强化冷却，同时实现冷却与切割导向的功能一体化，有效提升冷却效率与设备集成度，由中空冷却元件44与冷却框架71两部分组成，如图2、图3所示。
中空冷却元件44安装在唇板正下方的玻璃带两侧，长度与玻璃带宽度一致，为中空结构且内表面贴近玻璃带，通过内部循环冷却介质的辐射换热实现玻璃带的快速初步冷却，使软化状态玻璃带实现快速定型，避免后续夹持切割时的变形；中空冷却元件44通过带螺纹杆45与螺母47实现向内或向外微调，可适配不同宽度玻璃带，保证玻璃带的冷却均匀性。
冷却框架71作为切割区的核心部件，兼具强化冷却与精准导向双重作用，其为中空结构且内置循环冷却介质，内表面设计为沟槽或波纹状增大散热面积，改进型框架还可通过通孔喷射蒸汽实现强制冷却，冷却效率大幅提升；冷却框架与玻璃带平行设置，为切割链轮链条64与带有夹持功能的横向切割杆68提供精准导向，保证切割机构与玻璃带的相对位置稳定，同时防止切割杆中部弯曲，确保全宽度切割精度；冷却框架与立柱采用刚性及滑动的自适应连接方式，可自动补偿切割链条的松弛量，保证链条始终处于张紧状态。
2.4 玻璃夹持与切割模块
玻璃夹持与切割模块是实现玻璃带精准切割、避免变形的关键，创新设计了同步移动的链条式夹持切割机构，实现玻璃带夹持与切割的一体化操作，同时可通过多维度调控保证玻璃带的成型稳定性，主要由夹持切割驱动基础结构与带有夹持与横向切割杆68组成，如图2、图3所示。
夹持切割驱动基础结构以可升降台车50为载体，通过花篮螺栓装置53实现台车升降调节，适配不同成型高度；由台车后侧立柱54与台车前侧立柱56构成立柱组，后侧立柱可沿台车横向调节，前侧立柱可实现横向与纵向双向调节，适配不同宽度玻璃带与切割高度需求；前后立柱通过横向轴连接并设置链轮，链轮间绕设的链轮链条64由螺旋压缩弹簧65保持张紧，通过电机73与蜗轮蜗杆机构实现两侧链条的同步驱动，分段式花键横向轴可随立柱横向调节，实现宽度自适应匹配。
以夹持与横向切割杆68为核心部件，按预定间隔设置在链轮链条64上，实现夹持和切割的一体化操作：两侧切割杆相对运动时，先通过锯齿状粗糙夹持面70对玻璃带全宽度牢固夹持，再通过中部的纵向切割肋69完成咬切或切断，夹持与切割动作无缝衔接，避免切割时玻璃带移位或崩边。针对不同生产需求，设计了两种改进型结构：剪切式切割杆通过结构优化形成剪切力，切割面更平整；分离式夹持切割杆在切割点上下两侧分别设置专用夹持杆与切割杆，提升夹持稳定性与切割精度，适用于厚玻璃带切割。
该模块的工艺价值体现在多维度调控：切割杆与玻璃带同步移动，抵消玻璃带自重下坠带来的拉伸变形；移动速度可与玻璃液自然流速匹配或适度调节，保证生产连续性；全宽度夹持保证玻璃带张力均匀，避免翘曲偏斜；切割时上下两侧同步夹持，防止玻璃片单侧受力变形。
2.5 玻璃片移送与减速模块
切割后的玻璃片处于固化状态但仍易破损，玻璃片移送与减速模块通过摩擦减速与弹性支撑的协同设计，实现玻璃片的平稳减速与精准竖向移送，避免碰撞、划伤与破损，由摩擦式边缘夹持与导向装置74和下边缘支撑移送机构组成，如图3所示。
摩擦式边缘夹持与导向装置74设置在玻璃片两侧，由支架75与夹持件76构成，夹持件由拉伸弹簧77弹性抵接，与玻璃片边缘柔性接触，在实现重力减速与竖向导向的同时避免表面划伤；夹持件上部进料端呈喇叭口状，提升设备容错性，即使玻璃片轻微偏斜也能顺利进入导向通道，支架可横向调节，适配不同宽度玻璃片。
下边缘支撑移送机构通过电机84驱动横轴80，带动链条86同步转动，链条上的弹性支撑件88由压缩弹簧89连接，实现与玻璃片的柔性托举；支撑件动作时机与玻璃片切割释放精准匹配，在玻璃片上端被释放的同时托举其下边缘，有效防止下落破损；链条移动速度可按需调节，精准控制玻璃片竖向移送速度，框架臂82为可调节结构，便于链条张紧与设备检修，钢缆90与绞盘91可实现玻璃板的接入或送出，提升设备操作便利性。
2.6 玻璃片输送与退火模块
玻璃片输送与退火模块实现了玻璃片的精准水平输送与连续退火处理，是消除玻璃内应力、保证成品质量的最后关键工序，同时实现了输送与退火的工艺无缝衔接，由水平输送机构与退火工艺配合系统组成，如图1、图3所示。
水平输送机构以链轮链条92为核心，沿退火炉93长度方向水平移动，装在链条92上的带竖向槽玻璃板导向件94按成组对位布置，实现玻璃片的竖向精准定位，防止输送过程中倾倒、滑动和移位；导向轨95支撑链条92，链条沿导向轨移动，保证链条移动平稳；采用间歇或步进式移动方式，使带垂直槽的玻璃板导向件94精准对位玻璃片的接收位置并静止，直至玻璃片落入，保证玻璃片接收的精准性。
输送与退火工艺配合遵循连续化、自动化原则。玻璃片由弹性支撑件88精准送入带垂直槽的玻璃板导向件94后，由导向件保持竖向定位，玻璃板随链条92匀速移动，连续输送至退火炉93内；在炉内完成全流程退火处理，彻底消除玻璃在成型、切割过程中产生的内应力，提升玻璃的机械强度与热稳定性，避免成品玻璃自爆；从玻璃片落入导向件到退火出料，整个过程无人工干预，既提升了生产效率，又保证了产品质量的一致性。
3 技术创新点与工业价值
3.1 核心技术创新点
1922年罗伯特发明的向下拉伸式狭缝法，相较于早期向上拉伸狭缝法，实现了多维度的技术创新，核心创新点可归纳为工艺与装置两大层面：
工艺层面，首次实现了平板玻璃“成型-冷却-切割-退火”的全流程一体化连续生产，突破了传统间歇式生产的局限；创新采用梯度冷却工艺，实现玻璃带从软化状态到固化的精准温度调控，提升冷却效率与成型稳定性；设计了同步夹持切割工艺，使切割动作与玻璃带移动同步，抵消自重拉伸应力，解决了切割过程中的变形、崩边问题；实现了工艺参数的精准调控，可根据生产需求调节玻璃带厚度、切割规格、移送速度等，适配不同产品需求。
装置层面，创新设计了可调节宽度的双唇板狭缝结构，如图2、图4所示，实现不同厚度平板玻璃的柔性生产，调节精度高、操作便捷；研发了同步链条式夹持切割一体化机构，如图2、图3所示，兼具夹持、支撑和切割功能，同时实现了宽度与高度的自适应调节；采用功能一体化设计，图中的冷却框架兼具强化冷却与切割导向功能，简化设备布局、提升集成度；所有与熔融玻璃接触的部件均采用高耐热材料，关键运动部件设置张紧、导向结构，保证高温工况下的设备稳定性与使用寿命；整套装置的各模块均实现水平、竖向可调节设计，设备通用性强，大幅降低了不同规格产品的生产切换成本。
3.2 玻璃工业技术价值
该技术作为早期平板玻璃连续成型技术的经典代表，其专利附图完整呈现了技术的结构设计逻辑，具有重要的工业价值与深远的技术影响。在平板玻璃工业生产层面，实现了连续化、自动化生产，大幅提升了生产效率与产品质量一致性，解决了传统间歇式生产中规格不统一、表面质量差、生产效率低等关键问题；柔性生产与通用化设备设计，降低了企业的生产投入与产品切换成本，适配工业化大规模生产与多规格产品定制需求，推动了平板玻璃制造工业的产业化发展。
在技术发展层面，该技术为后续平板玻璃制造技术的创新奠定了重要基础，其梯度冷却、同步夹持、一体化生产的设计理念，被后续的浮法玻璃、压延玻璃、溢流法等技术借鉴与发展；可调节成型结构、柔性托举移送、精准温压调控等设计构思，为当前的超薄玻璃、柔性玻璃的狭缝法生产提供了重要的技术参考，对现代特种玻璃生产仍具有实际的指导意义。
同时，该技术的设计逻辑也为装备制造领域提供了启发，模块化设计、功能一体化、参数可调节、高适配性的设计思路，可应用于其他无机非金属材料的连续成型装备研发，具有广泛的技术拓展价值。
4 结论
本文结合1922年罗伯特·M·科尔发明的向下拉伸式狭缝法平板玻璃生产技术，基于美国专利号1,550,428的原文内容，系统解析了其工艺流程与六大核心装置模块的设计原理，深入探讨了技术创新点与工业价值，得出以下结论：
1）该专利技术的工艺流程紧密围绕“稳流-成型-冷却-切割-移送-退火”核心逻辑展开，专利附图完整呈现了各工序的装置衔接关系，实现了平板玻璃从熔融态到成品的全流程连续自动化生产，各工序衔接紧密、参数精准可控，有效保证了产品质量与生产连续性，解决了传统间歇式生产的核心痛点。
2）该专利技术整套装置采用模块化设计，六大核心模块协同配合，专利附图清晰标识了各模块的核心部件与配合关系，各模块均实现了可调节、高适配性设计，同时融入功能一体化创新，如冷却框架兼具冷却与导向功能、夹持切割杆兼具夹持与切割功能，既简化了设备布局，又提升了设备通用性与操作便利性。
3）该专利技术的核心创新体现在工艺与装置两大层面，工艺上实现了一体化连续生产、梯度冷却、同步夹持切割的创新应用；装置上研发了可调节双唇板狭缝、同步链条式夹持切割机构等核心部件，所有与熔融玻璃接触的部件均采用金属基高耐热材料，关键运动部件设置张紧、导向结构，保证了高温工况下的设备稳定性与使用寿命。
4）该专利作为百年前平板玻璃连续成型技术的经典代表，其结构设计为技术落地提供了清晰路径，推动了玻璃制造工业从间歇式向连续化、产业化的转型。其设计理念与技术构思为后续平板玻璃制造技术发展奠定了基础，同时为超薄玻璃、柔性玻璃的狭缝法生产提供了重要技术借鉴，也为其他无机非金属材料连续成型装备研发提供了设计启发。
参考文献
[1] ROBERT M. CORL. Manufacture of Sheet Glass, US1550428[P]. 1922-10-12.
（来源：转载自《玻璃》2026年第3期）
新浪合作大平台期货开户 安全快捷有保障
责任编辑：孙同怀
|
|
发表于 
