鞏遵群 文超

摘要：液晶基板玻璃生產(chǎn)用馬弗爐鋼結(jié)構(gòu)在高溫條件下工作會發(fā)生較大的變形。為此，采用了吹風(fēng)冷卻的方法，降低鋼結(jié)構(gòu)的變形量。同時，結(jié)合數(shù)值模擬方法，確定了風(fēng)冷工藝的參數(shù)。仿真結(jié)果表明，當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時，鋼結(jié)構(gòu)的最大變形量降低了35.5%。

關(guān)鍵詞：馬弗爐;鋼結(jié)構(gòu);風(fēng)冷

0 引言

液晶玻璃基板是構(gòu)成液晶顯示器件的一個基本部件，也是電子信息顯示產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵材料。馬弗爐是基板玻璃生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵成型設(shè)備，直接決定基板玻璃的厚度、寬度、翹曲變形等表面成型質(zhì)量。馬弗爐長期工作在300～1 000 ℃高溫下，其鋼結(jié)構(gòu)不可避免地會發(fā)生膨脹變形。因此，控制鋼結(jié)構(gòu)變形量，能夠有效保證基板玻璃的質(zhì)量，延長馬弗爐使用壽命。

1 馬弗爐鋼結(jié)構(gòu)

1.1? ? 馬弗爐結(jié)構(gòu)

基板玻璃生產(chǎn)用馬弗爐主要包括成型元件、保溫磚結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)。其中鋼結(jié)構(gòu)為框架梁式焊接結(jié)構(gòu)，采用矩形鋼管焊接而成，材料一般選用耐高溫的304不銹鋼。框架內(nèi)部為保溫磚及發(fā)熱元件，實際生產(chǎn)過程中，工作在300～1 000 ℃的高溫下。在這種高溫下，鋼結(jié)構(gòu)不可避免地會發(fā)生膨脹變形。如果這種變形量不能控制在一定范圍內(nèi)，將影響內(nèi)部其他元件的相對位置，從而影響基板玻璃的質(zhì)量。因此，需要設(shè)計合理的冷卻方式，以有效減少馬弗爐鋼結(jié)構(gòu)在高溫下的變形量。

1.2? ? 鋼結(jié)構(gòu)高溫變形

馬弗爐鋼結(jié)構(gòu)在工作中承受復(fù)雜的溫度場，同時又是一個框架結(jié)構(gòu)，很難用數(shù)學(xué)方法計算變形量。本文采用FLUENT軟件模擬其在高溫工作條件下的變形情況。首先采用CREO軟件建立鋼結(jié)構(gòu)的三維幾何模型，然后將幾何模型導(dǎo)入FLUET軟件，選用高精度的六面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格最小尺寸設(shè)置為15 mm，網(wǎng)格數(shù)量為126 988個，劃分結(jié)果如圖1所示。

鋼結(jié)構(gòu)材料選用304不銹鋼，物理性能參數(shù)為彈性模量7.36 GPa，泊松比0.3，密度7.89 g/cm3。鋼結(jié)構(gòu)在高溫下的變形量通過熱固耦合場計算。首先進(jìn)行熱分析計算鋼結(jié)構(gòu)的溫度場，然后計算鋼結(jié)構(gòu)在溫度場作用下的應(yīng)力應(yīng)變大小，選擇基于壓力的隱式穩(wěn)態(tài)求解器，采用SIMPLE算法進(jìn)行計算，鋼結(jié)構(gòu)在高溫下的變形云圖如圖2所示。

通過仿真模擬分析可以看出，馬弗爐鋼結(jié)構(gòu)在高溫作用下，Y方向上發(fā)生向內(nèi)凹的變形，最大變形量為18.832 mm。同時，Z方向上往兩端膨脹變形，兩端部向外的最大膨脹量為9.26 mm。

2 冷卻工藝設(shè)計與仿真

工程上常見的冷卻方式有風(fēng)冷和水冷兩種。其中水冷工藝由于水的換熱性能好，能夠有效降低鋼結(jié)構(gòu)的溫度。但是水冷工藝相對復(fù)雜，鋼結(jié)構(gòu)使用矩形鋼管焊接而成，這就要求焊縫間不得有氣孔等。此外，馬弗爐長時間工作，容易在水通道內(nèi)壁上形成水垢，從而降低傳熱系數(shù)，造成冷卻能力下降。風(fēng)冷的冷卻能力雖然相對弱一些，但是結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，成本低廉。綜合考慮，本文選用風(fēng)冷方式對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻。

2.1? ? 冷卻參數(shù)

馬弗爐鋼結(jié)構(gòu)四周框架采用矩形鋼管焊接而成。在鋼管一端送入室溫的冷卻風(fēng)，風(fēng)和鋼管內(nèi)壁發(fā)生對流換熱，溫度升高，然后風(fēng)從另一端排出，從而帶走熱量，降低鋼結(jié)構(gòu)的溫度。熱量計算公式：

式中：Q為吸收的熱量;C為比熱容;m為介質(zhì)的質(zhì)量;t為變化的溫度。

由公式中可知，單位時間內(nèi)從鋼管中通過的空氣質(zhì)量越大，帶走的熱量就越多，降溫效果也越好。基于以上原因，我們采取兩個措施，一是選用更大的送風(fēng)口，二是選用較快的風(fēng)速。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)矩形鋼管的尺寸，每根鋼管一端設(shè)計2個直徑45 mm的入口，另一端設(shè)計2個直徑45 mm的出風(fēng)口。結(jié)合數(shù)值模擬分析的方法，選取合理的風(fēng)速。

2.2? ? 不同風(fēng)速下鋼結(jié)構(gòu)冷卻變形分析

鋼結(jié)構(gòu)在吹風(fēng)冷卻下變形，屬于較復(fù)雜的熱固流耦合問題，采用FLUENT軟件進(jìn)行熱固流耦合場計算。首先導(dǎo)入鋼結(jié)構(gòu)三維模型，考慮吹風(fēng)條件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格最小尺寸為8 mm，網(wǎng)格數(shù)量為3 026 652個。湍流模型采用K-ε標(biāo)準(zhǔn)模型，邊界條件設(shè)為速度入口、壓力出口?？諝獬跏紲囟葹?2 ℃，壓力為0.8 MPa，空氣流速分別為5 m/s、7.5 m/s、10 m/s、12.5 m/s、15 m/s。不同風(fēng)速下鋼結(jié)構(gòu)的最大變形量如表1、圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著空氣流速的增大，鋼結(jié)構(gòu)在Y方向和Z方向上的最大變形量逐漸降低。這表明空氣流速越高，降溫效果越好，但是過高的流速，成本也會相應(yīng)增加，同時在排氣口會產(chǎn)生很大的噪聲。綜合考慮，本文選用風(fēng)速為15 m/s較為合適。

風(fēng)速15 m/s下鋼結(jié)構(gòu)的變形云圖如圖4所示。 圖4表明，當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時，鋼結(jié)構(gòu)Y方向上的最大變形量為12.102 mm，對比圖2中沒有冷卻的情況下降低了35.5%;Z方向上的最大變形量為6.252 9 mm，相比沒有冷卻情況下降低了32.5%。

3 結(jié)語

馬弗爐鋼結(jié)構(gòu)在高溫條件下工作時會發(fā)生較大變形，兩端向外膨脹，寬度方向上發(fā)生向內(nèi)凹陷的變形。本文設(shè)計了風(fēng)冷方式對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻，結(jié)合數(shù)值模擬分析，選取合適的冷卻工藝，能有效減少馬弗爐鋼結(jié)構(gòu)變形，長度方向上的最大變形量可降低32.5%，寬度方向上的最大變形量可降低35.5%。

收稿日期：2020-07-05

作者簡介：鞏遵群（1985—），男，山東濟寧人，碩士研究生，研究方向：超薄電子玻璃及柔性玻璃。