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        液晶基板玻璃生產(chǎn)用馬弗爐鋼結(jié)構(gòu)冷卻工藝設(shè)計(jì)與仿真

        2020-08-31 05:42:24鞏遵群文超
        機(jī)電信息 2020年20期
        關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu)

        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(huì)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(shí),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(shí),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(gè)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(guò)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(zhǎng)期工作在300~1 000 ℃高溫下,其鋼結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)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(zhǎng)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??蚣軆?nèi)部為保溫磚及發(fā)熱元件,實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(huì)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(duì)位置,從而影響基板玻璃的質(zhì)量。因此,需要設(shè)計(jì)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(chǎng),同時(shí)又是一個(gè)框架結(jié)構(gòu),很難用數(shù)學(xué)方法計(jì)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(gè),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(guò)熱固耦合場(chǎng)計(jì)算。首先進(jìn)行熱分析計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng),然后計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)在溫度場(chǎng)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(jì)算,鋼結(jié)構(gòu)在高溫下的變形云圖如圖2所示。

        通過(guò)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(shí),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(jì)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(duì)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(zhǎng)時(shí)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(duì)弱一些,但是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性高,成本低廉。綜合考慮,本文選用風(fēng)冷方式對(duì)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(duì)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(jì)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(shí)間內(nèi)從鋼管中通過(guò)的空氣質(zhì)量越大,帶走的熱量就越多,降溫效果也越好?;谝陨显?,我們采取兩個(gè)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(jì)2個(gè)直徑45 mm的入口,另一端設(shè)計(jì)2個(gè)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(chǎng)計(jì)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(gè)。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(guò)高的流速,成本也會(huì)相應(yīng)增加,同時(shí)在排氣口會(huì)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(shí),鋼結(jié)構(gòu)Y方向上的最大變形量為12.102 mm,對(duì)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(yǔ)

        馬弗爐鋼結(jié)構(gòu)在高溫條件下工作時(shí)會(huì)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(jì)了風(fēng)冷方式對(duì)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(zhǎng)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(jiǎn)介:鞏遵群(1985—),男,山東濟(jì)寧人,碩士研究生,研究方向:超薄電子玻璃及柔性玻璃。

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