陳福

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司 秦皇島市 066004）

0 引言

玻璃能滿足不同用途的需求，且制造玻璃所需要的原料豐富、價(jià)格低廉，因此玻璃材料一直被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。而超薄電子玻璃作為特種玻璃，由于其具有高溫黏度大、玻璃的熔化澄清排泡困難、成形溫度高、玻璃攤平和保持橫向厚度差困難等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外眾多公司都對(duì)超薄電子玻璃的熔化、成形、退火等進(jìn)行深入的研究。

超薄電子玻璃主要成形方法有浮法、溢流法、狹縫下拉法和二次拉制法等。浮法玻璃工藝是現(xiàn)今應(yīng)用最普遍的平板玻璃生產(chǎn)工藝，錫槽是玻璃成形區(qū)，作為浮法玻璃制造過(guò)程中的重要熱工設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行研究意義重大。采用浮法工藝技術(shù)生產(chǎn)超薄電子玻璃具有生產(chǎn)噸位大、玻璃原板寬度寬等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)玻璃的成形溫度、拉引速度、角度和溫度等參數(shù)需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化，使之能與生產(chǎn)超薄電子玻璃相匹配，同時(shí)，由于玻璃表面的沾錫問(wèn)題需要進(jìn)行二次研磨拋光處理，增加了浮法工藝的裝備投資和運(yùn)行成本，從而導(dǎo)致電子玻璃的總成品率的降低。

由于錫槽內(nèi)溫度很高，會(huì)發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)［1,2］，氧氣與錫反應(yīng)生成錫的氧化物，使玻璃產(chǎn)生光畸變、沾錫等缺陷，因此在浮法玻璃成形過(guò)程中，會(huì)在錫槽內(nèi)通入還原性保護(hù)氣體［3］，一般為高純N2和H2的混合氣體，以防止錫液的氧化，確保錫液光亮潔凈。但是，保護(hù)氣體在錫槽中因受到溫度差及玻璃帶運(yùn)動(dòng)的影響，在錫槽內(nèi)流動(dòng)，影響玻璃質(zhì)量和錫槽的溫度制度。因此，研究錫槽內(nèi)保護(hù)氣體的溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)的變化規(guī)律，有利于保證錫槽溫度制度的平衡，提高玻璃表面質(zhì)量［4］。

文獻(xiàn)［5-7］對(duì)玻璃熔窯進(jìn)行了模擬，文獻(xiàn)［8-11］對(duì)錫槽中的保護(hù)氣體及錫液流動(dòng)狀態(tài)等也進(jìn)行了模擬。通過(guò)建立錫槽三維模型，在錫槽頂部設(shè)置保護(hù)氣體進(jìn)口，根據(jù)有限元模擬方法，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬軟件，研究玻璃錫槽中保護(hù)氣體溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的變化，對(duì)于超薄電子玻璃，由于其玻璃本身的黏度溫度特性，采用浮法工藝成形后會(huì)產(chǎn)生與普通浮法玻璃很多不一樣的性質(zhì)，對(duì)整個(gè)成形空間的幾何參數(shù)、拉邊機(jī)參數(shù)、溫度、壓力、氣氛和錫液狀況等參數(shù)的要求也發(fā)生了明顯的改變，對(duì)數(shù)學(xué)模擬的重要性和緊迫性更強(qiáng)烈，期望通過(guò)數(shù)學(xué)模擬的方法［12,13］，為超薄電子玻璃的成形區(qū)研究設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

1 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

1.1 模型的建立

選用拉引量為150 t/d高鋁電子浮法玻璃的錫槽模型，整個(gè)錫槽幾何模型按照進(jìn)口寬、出口窄的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，錫槽總長(zhǎng)度75 m，玻璃厚度為0.5 mm，玻璃原板寬2 300 mm，合格板寬1 900 mm，錫槽成形拉邊機(jī)18對(duì)，拉邊機(jī)均簡(jiǎn)化為圓柱形，對(duì)稱地安置于錫槽的兩側(cè)，根據(jù)保護(hù)氣體空間實(shí)際情況，適當(dāng)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，構(gòu)建的錫槽三維幾何模型如圖1所示。

本研究主要是對(duì)頂部通入的保護(hù)氣體在錫槽內(nèi)流動(dòng)情況的探究，因此只在錫槽頂部設(shè)置了一對(duì)進(jìn)氣口，均為圓形入口，對(duì)稱布置于錫槽頂部?jī)蓚?cè)，取沿長(zhǎng)度方向?yàn)閤軸，寬度方向?yàn)閥軸，高度方向?yàn)閦軸。

圖1 錫槽頂部通氣示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分

通過(guò)Solidworks軟件建立錫槽的三維數(shù)值模型后，導(dǎo)入到ICEM CFD中對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分，整體網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入至Fluent中，運(yùn)用k-e湍流模型對(duì)保護(hù)氣體的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行描述，迭代收斂后用CFDPost軟件對(duì)其進(jìn)行后處理分析。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 錫槽保護(hù)氣體溫度場(chǎng)分布

浮法成形中錫槽需要保護(hù)氣體對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，保護(hù)氣體的主要成分是N2和H2，一般N2含量90%～97%，H2含量3%～10%，主要作用是防止金屬錫液被氧化成氧化亞錫和氧化錫，而造成玻璃下表面的粘錫缺陷。

2.1.1x－y平面溫度場(chǎng)

在錫槽保護(hù)氣體空間x－y平面上，分別在截面z＝-0.2、z＝-0.1和z＝-0.05處，獲取保護(hù)氣體的溫度分布情況，溫度分布云圖如圖3所示。圖3中從左到右溫度逐漸升高。

圖3 x－y平面保護(hù)氣體溫度分布云圖

從圖3中可以看出，由于保護(hù)氣體在通入錫槽前溫度為室溫，錫槽空間具有一定的溫度，超薄電子玻璃的錫槽入口一般為1 300 ℃左右，在保護(hù)氣體通入的狹小空間內(nèi)溫度是逐步升高的，而保護(hù)氣體在錫槽內(nèi)的整體溫度分布情況為玻璃帶入口端溫度高，隨著距入口端距離的加大溫度逐漸降低。對(duì)比圖3（a）、（b）、（c）可以看出，上層保護(hù)氣體（即在z＝-0.2面上的保護(hù)氣體）整體溫度分布要低于靠近玻璃帶面上（即z＝-0.1和z＝-0.05面上的保護(hù)氣體）的保護(hù)氣體溫度，這是由于距離玻璃帶越遠(yuǎn)，保護(hù)氣體得到的玻璃帶輻射熱量就越少，同時(shí)，隨著保護(hù)氣體在錫槽內(nèi)逐步擴(kuò)散，保護(hù)氣體的溫度逐漸升高，與錫槽的整體溫度制度相一致。

2.1.2y－z平面溫度場(chǎng)

取進(jìn)氣口所在的平面，在y－z平面上截取的錫槽保護(hù)氣體空間的溫度分布云圖如圖4所示。

圖4 保護(hù)氣體溫度分布云圖

從圖4中可以看出，保護(hù)氣體通入錫槽前溫度為室溫，雖然在錫槽內(nèi)的溫度有所升高，但其明顯低于錫槽內(nèi)溫度，因此在通入保護(hù)氣體的位置處其溫度最低，而底部氣體與玻璃帶相接觸，故其溫度最高，因此產(chǎn)生了如圖4所示的溫度分布。

2.1.3z－x平面溫度場(chǎng)

取進(jìn)氣口所在的位置，在z－x平面上截取的錫槽保護(hù)氣體空間的溫度分布云圖如圖5所示。

圖5 保護(hù)氣體溫度分布云圖

從圖5中可看出，延玻璃帶運(yùn)動(dòng)的方向，保護(hù)氣體的溫度整體上呈逐步下降趨勢(shì)，只是在保護(hù)氣體進(jìn)口位置，溫度降低幅度較大，這與保護(hù)氣體剛通入時(shí)的溫度過(guò)低有關(guān)。

2.2 速度場(chǎng)分布

錫槽中保護(hù)氣體主要是N2和H2的混合氣體，通入錫槽中對(duì)錫液進(jìn)行保護(hù)，防止被氧化，保護(hù)氣體通入的速度影響著錫槽內(nèi)部氣體分布、錫液被氧化程度、錫槽內(nèi)部空間的溫度分布等參數(shù)，特別是超薄電子玻璃對(duì)錫槽參數(shù)的變化敏感，保護(hù)氣體的變化也會(huì)對(duì)超薄電子玻璃的生產(chǎn)和品質(zhì)有較大的影響，會(huì)影響超薄電子玻璃的平整度，產(chǎn)生表面缺陷等問(wèn)題。

錫槽保護(hù)氣體在x－y平面上的速度分布云圖如圖6所示。錫槽保護(hù)氣體在y－z平面上的速度分布云圖及速度矢量圖分別如圖7~圖8所示。

圖6 x－y平面保護(hù)氣體速度分布云圖

圖7 保護(hù)氣體在y－z平面速度分布云圖

圖8 保護(hù)氣體速度矢量圖

從圖6中可看出，當(dāng)保護(hù)氣體通入錫槽后，即刻向四周擴(kuò)散，保護(hù)氣體的速度逐漸減小，逐漸充滿整個(gè)錫槽空間，分布也越來(lái)越均勻。從圖7中可看出，保護(hù)氣體在噴入錫槽時(shí)的速度最大，在錫槽內(nèi)的流動(dòng)速度要小于其噴入時(shí)的速度，速度大小以進(jìn)氣口為中心呈對(duì)稱分布。從圖8中可明顯看出，錫槽內(nèi)的保護(hù)氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入錫槽后，向錫槽下方空間擴(kuò)散，同時(shí)也向兩側(cè)擴(kuò)散。還可看出，垂直向下的箭頭最為密集，向兩側(cè)方向的箭頭較為稀疏，這也表示著保護(hù)氣體通入時(shí)的速度最大，向兩側(cè)擴(kuò)散時(shí)速度減小，錫槽的保護(hù)氣體的速度場(chǎng)分布能夠根據(jù)超薄電子玻璃成形的需要進(jìn)行調(diào)整，目的是滿足超薄電子玻璃的成形參數(shù)需求。

3 結(jié)論

根據(jù)超薄電子玻璃的成形特性，通過(guò)構(gòu)建錫槽保護(hù)氣體空間模型，運(yùn)用有限元模擬方法對(duì)保護(hù)氣體的溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)進(jìn)行研究，得到結(jié)論：

①建立了浮法玻璃錫槽保護(hù)氣體的三維數(shù)值模型，運(yùn)用k-e方程來(lái)描述保護(hù)氣體的流動(dòng)狀態(tài)和變化情況；

②錫槽內(nèi)部上層保護(hù)氣體的整體溫度分布要低于靠近玻璃帶位置的保護(hù)氣體溫度；

③保護(hù)氣體從錫槽頂部通入后，向周圍擴(kuò)散流動(dòng)，通入時(shí)的速度最大，隨著保護(hù)氣體在錫槽中的擴(kuò)散，其速度減小。