離線Low-E鍍膜生產線真空系統設計

羅松松,張超群

(中國建材國際工程集團有限公司,蚌埠 233018)

離線Low-E鍍膜生產線真空系統設計

羅松松,張超群

(中國建材國際工程集團有限公司,蚌埠 233018)

真空系統是離線Low-E鍍膜生產線的基礎,其設計的優劣直接影響鍍膜質量。該文通過對離線Low-E鍍膜生產線真空系統的分析,得出相關真空系統最佳配置方案及設計方法。

Low-E鍍膜; 真空系統; 真空設計

Low-E鍍膜玻璃由于其具有優良的光學性能和節能效果,加之在國家綠色節能政策的引導下,近年來得到大力的發展,廣泛地用于建筑及汽車的擋風玻璃,但更多的與普通玻璃組合成中空玻璃使用,既保護膜層又增加隔熱效果,低輻射鍍膜中空玻璃是目前公認的節能效果最佳的建筑用玻璃[1]。Low-E鍍膜玻璃性能的優劣取決于鍍膜生產線的好壞,離線鍍膜生產線相比在線鍍膜生產線具有生產的鍍膜玻璃質量穩定可靠、成品率高以及膜系多樣化的優點[2],占有國內Low-E鍍膜的絕大部分市場。離線Low-E鍍膜是通過磁控濺射原理,在真空環境中用荷能粒子去轟擊靶材,從而引起靶材表面原子沉積在玻璃表面的鍍膜工藝[3]。其中,真空環境是磁控濺射鍍膜的基礎,同時影響著鍍膜質量。所以,想要生產出性能優良的鍍膜玻璃產品的基礎是性能穩定可靠的真空系統。

1 離線Low-E鍍膜生產線真空系統分析

1.1 設備結構

離線Low-E鍍膜生產線一般采用7段式,即進片鎖室(C1)、進片緩沖室(C2)、進片過渡室(C3)、鍍膜室(C4)、出片過渡室(C5)、出片緩沖室(C6)和出片鎖室(C7)。

進/出片室(C1/C7):位于鍍膜腔體的兩端,兩端分別和大氣與緩沖室相連,起進片和出片的作用。氣壓在每個生產節拍內在大氣和真空狀態之間不斷交換,本底真空度可達1×10-2mbar,工作壓強為0.4 mbar,屬于低真空范圍。

緩沖室(C2/C6):兩端分別和進/出片室和過渡室相連,主要起進/出片室和工藝鍍膜室之間的過渡連接作用。其氣壓介于進/出片室和過渡室之間,本底真空度可達1×10-5mbar,工作壓強為2×10-3mbar,屬于中高真空范圍。

過渡室(C3/C5):主要起玻璃從高速到低速進入鍍膜室和玻璃從低速到高速離開鍍膜室的過渡銜接作用,與鍍膜室(C4)相通,且過渡室內部由于隔板的作用,使得氣壓成階梯狀降低。

鍍膜室(C4):工藝鍍膜的腔室,其本底真空度可達＜5×10-6mbar,工作壓強為3×10-3mbar,屬于高真空范圍。

大氣與進/出片鎖室(C1/C7)之間,進/出片鎖室(C1/C7)與緩沖室(C2/C6)之間、緩沖室(C2/C6)與過渡室(C3/C5)之間均設置有真空閥板將不同功能的腔室的真空度分開,并配備有獨立的抽真空系統。由于過渡室和鍍膜段之間無真空閥板,故可共用一套真空系統。Low-E鍍膜玻璃表面是由5層以上不同材料的膜層組成,玻璃基板在鍍膜段需經過多種靶材的濺射沉積,各磁控濺射室由于靶材和氣氛都不相同,為避免相鄰濺射鍍膜井位氣氛互串,采用在不同靶材濺射鍍膜井位之間加裝氣體隔離裝置且配有相應的分子泵能很好的起到氣體隔離的作用。

1.2 真空系統的組成

真空系統是用來獲得具有一定真空度要求的抽氣系統。離線Low-E鍍膜生產線真空系統由以下幾部分組成:

1)真空獲得設備:用來獲得一定真空度的各種真空泵,如旋片泵、羅茨泵、干式螺桿泵、磁懸浮分子泵等。

2)真空閥門:用來改變氣流方向以及隔斷或者接通真空管路的真空系統元件,包括角閥、蝶閥等。

3)真空管路:抽真空的通道,多采用不銹鋼無縫鋼管。

4)真空測量元件:用來測量各級精度真空度的真空元件,同時測量信號用來參與系統控制,包括皮拉尼規、電離規、電容薄膜規、真空開關等。

5)真空密封元件:采用O型圈和雙層密封條的靜密封形式以及磁流體的動密封形式。

6)真空捕集器:用以捕集腔室內部的水分子和油分子,利用低溫(-135℃)使之凝結在冷凝盤管表面。

7)控制系統:主要由控制柜、控制系統、電源柜、PLC與工控機、上位監控機以及光電開關等組成;控制系統采用可編程控制器進行現場整體控制。工業控制計算機對鍍膜生產線的工藝過程進行系統控制。

8)外圍附件:如冷卻水、壓縮空氣、真空檢漏設備等,用于為真空系統提供服務。真空系統具體組成結構如圖1所示。

由圖1可見,除C3、C4、C5三段腔室共用一套真空系統外,其余各段腔室都有獨立的真空系統。每套真空系統都有獨立的控制程序,可通過終端控制設備進行單獨的控制。同時,終端控制電腦可實時顯示真空系統運行狀態,且具有報警和聯鎖保護功能。

2 真空系統設計

離線Low-E鍍膜玻璃生產線真空系統包括低真空系統(進/出片室)、中高真空系統(緩沖室)以及高真空系統(鍍膜室)。一般低真空系統采用機械泵或者機械前級泵+羅茨泵組成的串聯系統給真空室排氣,中真空系統采用機械前級泵+羅茨泵組成的串聯系統進行抽真空,中高真空系統和高真空系統一般主泵選用分子泵、串聯羅茨泵+機械泵組成的真空泵抽系統進行抽氣。

2.1 設計流程和注意事項

離線Low-E鍍膜生產線真空系統的設計按照以下程序進行[4]:

1)真空室已知參數的確定和放氣總量的計算。

2)確定真空室的有效抽速。

3)選泵和配泵。

4)真空系統的結構設計:包括選擇合適的真空閥門、管道和測量元件等。

5)繪制真空系統裝配圖。

以上幾條是真空系統設計中不可缺少的,但在真空系統設計的過程中還應注意以下幾個問題:

1)真空泵抽設備和真空腔室之間以及各級真空泵之間的連接管道應盡量做到抽氣管路短、管道流導大,且管道直徑不小于泵口直徑;同時需要考慮安裝和檢修的方便。

2)防止泵的震動對真空系統的影響,需在相應的管道和泵以及和腔體連接處加裝波紋管,同時需注意真空泵支腳的固定,以防振動引起真空泵的偏移。

3)便于檢修和檢漏,實際的生產過程中會經常檢漏,為快速準確的找到漏點,應避免真空接頭的密集布置并盡量減少接頭的數量。

4)真空系統應盡量避開水源,防止濺水造成的損壞,尤其注意真空測量元件應遠離水源。5)真空系統的設計在保證排氣可靠穩定的前提下,需做到拆卸維修容易、操作方便以及較高的互換性。6)從泵排出的氣體應盡量引出車間,尤其是鍍膜段排出的氣體中含有金屬粉塵,對人體有一定的危害。7)電氣控制要做到系統內的聯鎖保護,一旦出現故障要求能夠盡量保護設備,尤其對貴重件的保護,如分子泵。

8)外圍配套裝置的穩定可靠,尤其是真空泵冷卻系統以及壓縮空氣系統穩定可靠的服務。一旦停水、停氣將直接造成真空泵的停機或者真空閥門的關閉,最終導致整個真空系統的停機故障,給生產帶來較大的麻煩和損失。

2.2 設計計算舉例

現以進/出片室真空系統的設計進行舉例說明,其余類同。

2.2.1 進出片室已知參數

真空室容積:2 m3,真空室及內置物表面積:100 m2,預計抽空時間:60 s,起始壓強:1 013 mbar,終止壓強:0.4 mbar,本底壓強:4×10-2mbar。真空室內表面放氣率與結構材料、溫度、壓強和抽氣時間有關,一般采用經驗數值:5×10-7mbar·s-1·cm-2。

2.2.2 主泵的選型計算

由于進/出片室工作壓強從大氣壓到0.4 mbar循環變化,極限真空為4×10-2mbar,屬于低真空抽氣階段,同時要求該主泵具有耐大氣沖擊的能力,此階段抽氣通常用羅茨泵來完成。

1)粗算主泵抽速 大多數真空泵的抽速都隨其入口壓強的變化而變化,尤其是機械真空泵,由于進/出口室屬低真空室,且排氣量大,可將泵的抽速看做近似常抽速。

根據經驗公式可求得主泵對真空室出口所造成的有效抽速為

其中:Se為主泵對真空室出口所造成的有效抽速(L/s);V為真空室的容積(L);t為抽到終止壓力所需的時間(s);P1′為抽氣開始時真空室內的壓強(Pa);P2″為抽氣結束時真空室內的壓強(Pa);Pu為真空室內的極限壓強。

將進/出片室各參數代入式(1)計算

由于選泵前真空室出口到主泵入口間的管道未知,其流導也未知,故主泵的抽速無法計算。此時,可用經驗公式計算其中:Ks為主泵到真空室出口的抽速損失系數。

當主泵到真空室之間不采用捕集器時,Ks=1.3～1.4。選取Ks=1.4,代入式(2)計算得:

由于隨著壓力的變化,實際羅茨泵的抽速會受到一定的影響,不可能以滿抽速運行,故其最大抽速必定大于1 335.6 m3/h。據泵廠家選型樣本,可定出主泵抽速在2 000 m3/h左右為宜。

2)驗算抽氣時間 進/出片室抽氣時間可按低真空近似常抽速時計算

由于羅茨泵隨著壓力的變化,抽速在不斷的變化,故實際抽空時間要稍大于40 s,但我們要求的抽空時間是60 s,所以存在15 s左右的余量可作為快速抽空儲備。圖2為通過軟件分析計算得出的進/出口室泵抽速率曲線,從圖2中可以看出配備主泵抽速在2 000 m3/h時,從大氣狀態抽到0.4 mbar的時間為45 s,這和我們上述計算結果一致。

3)前級泵的配置 羅茨泵作為主泵時,前級泵的抽速可根據以下經驗公式選取

其中:S1為羅茨泵的抽速,m3/h;S2為機械泵作為前級泵的抽速,m3/h。

將羅茨泵的抽速S1代入式(4)計算,得:S2=(0.1～0.5)×2 000=200～1 000(m3/h)。

由于進出口室壓強是從大氣壓到幾十帕的范圍,其排氣量很大。前級泵在經過低真空管道時抽速要損失,且羅茨泵對氣體的壓縮比較小,故前級機械泵需要選擇較大的抽速。

2.3 真空系統配置圖

根據上述的步驟和方法,我們最終得出離線Low-E鍍膜生產線真空系統布置圖(60 s方案)如圖3所示。

進出片室:750的旋片泵+2001的羅茨泵+真空規、閥門、管道等(各2組)。

緩沖室:300的旋片泵+1001的羅茨泵+2臺2300的分子泵(并聯)+真空規、閥門、管道等(各1組)。

鍍膜段:630的干泵+2臺2001的羅茨泵(并聯)+若干臺2300的分子泵(并聯)+真空規、閥門、管道等。

3 結 語

真空系統設計的好壞是離線Low-E鍍膜生產線能否生產出優質鍍膜玻璃的重要影響因素。該文通過對離線Low-E鍍膜生產線真空系統的分析和設計計算,得出一套完整的離線Low-E鍍膜生產線真空系統配置方案(60 s方案),并找出一套真空系統設計方法,為后續真空系統的設計提供了參考。

[1] 張義武,劉志海.Low-E玻璃現狀及趨勢[J].玻璃,2012,39(3):38-40.

[2] 劉欣向.在線與離線Low-E玻璃的比較和選擇[J].玻璃,2004,31(6):60-62.

[3] 漢斯·瓊徹·格雷瑟.大面積玻璃鍍膜[M].董 強,譯.上海:上海交通大學出版社,2006.

[4] 張以忱.真空系統設計[M].北京:冶金工業出版社,2013.

Vacuum System Design of Off-line Low-E Coating Line

LUO Song-song,ZHANG Chɑo-qun
(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Bengbu 233018,China)

Vacuum system is the basis of off-line Low-E coating line,its design directly affects the quality of coating.This paper finds the best configuration scheme and design method by the analysis of vacuum system of off-line Low-E coating line.

Low-E coating; vacuum system; vacuum design

2014-06-23.

羅松松(1983-),工程師.E-mail:luoss@ctiec.net

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.010