玻璃成形中錫槽保護氣體的溫度場和速度場數學模擬研究

陳福

（秦皇島玻璃工業研究設計院有限公司 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、價格低廉，因此玻璃材料一直被廣泛應用于各行各業。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，國內外眾多公司都對超薄電子玻璃的熔化、成形、退火等進行深入的研究。

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。浮法玻璃工藝是現今應用最普遍的平板玻璃生產工藝，錫槽是玻璃成形區，作為浮法玻璃制造過程中的重要熱工設備，對其進行研究意義重大。采用浮法工藝技術生產超薄電子玻璃具有生產噸位大、玻璃原板寬度寬等優點，但是對玻璃的成形溫度、拉引速度、角度和溫度等參數需要進一步研究和優化，使之能與生產超薄電子玻璃相匹配，同時，由于玻璃表面的沾錫問題需要進行二次研磨拋光處理，增加了浮法工藝的裝備投資和運行成本，從而導致電子玻璃的總成品率的降低。

由于錫槽內溫度很高，會發生復雜的物理化學反應［1,2］，氧氣與錫反應生成錫的氧化物，使玻璃產生光畸變、沾錫等缺陷，因此在浮法玻璃成形過程中，會在錫槽內通入還原性保護氣體［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，保護氣體在錫槽中因受到溫度差及玻璃帶運動的影響，在錫槽內流動，影響玻璃質量和錫槽的溫度制度。因此，研究錫槽內保護氣體的溫度場及速度場的變化規律，有利于保證錫槽溫度制度的平衡，提高玻璃表面質量［4］。

文獻［5-7］對玻璃熔窯進行了模擬，文獻［8-11］對錫槽中的保護氣體及錫液流動狀態等也進行了模擬。通過建立錫槽三維模型，在錫槽頂部設置保護氣體進口，根據有限元模擬方法，運用計算機模擬軟件，研究玻璃錫槽中保護氣體溫度場和速度場的變化，對于超薄電子玻璃，由于其玻璃本身的黏度溫度特性，采用浮法工藝成形后會產生與普通浮法玻璃很多不一樣的性質，對整個成形空間的幾何參數、拉邊機參數、溫度、壓力、氣氛和錫液狀況等參數的要求也發生了明顯的改變，對數學模擬的重要性和緊迫性更強烈，期望通過數學模擬的方法［12,13］，為超薄電子玻璃的成形區研究設計提供借鑒和參考。

1 數學模型及計算方法

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，整個錫槽幾何模型按照進口寬、出口窄的結構設計，錫槽總長度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18對，拉邊機均簡化為圓柱形，對稱地安置于錫槽的兩側，根據保護氣體空間實際情況，適當對其進行簡化，構建的錫槽三維幾何模型如圖1所示。

本研究主要是對頂部通入的保護氣體在錫槽內流動情況的探究，因此只在錫槽頂部設置了一對進氣口，均為圓形入口，對稱布置于錫槽頂部兩側，取沿長度方向為x軸，寬度方向為y軸，高度方向為z軸。

圖1 錫槽頂部通氣示意圖

1.2 網格劃分

通過Solidworks軟件建立錫槽的三維數值模型后，導入到ICEM CFD中對其進行結構性網格劃分，整體網格劃分結果如圖2所示。將劃分好的網格導入至Fluent中，運用k-e湍流模型對保護氣體的流動過程進行描述，迭代收斂后用CFDPost軟件對其進行后處理分析。

圖2 網格劃分示意圖

2 模擬結果與分析

2.1 錫槽保護氣體溫度場分布

浮法成形中錫槽需要保護氣體對其進行保護，保護氣體的主要成分是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

在錫槽保護氣體空間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平面保護氣體溫度分布云圖

從圖3中可以看出，由于保護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，在保護氣體通入的狹小空間內溫度是逐步升高的，而保護氣體在錫槽內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。對比圖3（a）、（b）、（c）可以看出，上層保護氣體（即在z＝-0.2面上的保護氣體）整體溫度分布要低于靠近玻璃帶面上（即z＝-0.1和z＝-0.05面上的保護氣體）的保護氣體溫度，這是由于距離玻璃帶越遠，保護氣體得到的玻璃帶輻射熱量就越少，同時，隨著保護氣體在錫槽內逐步擴散，保護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

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

圖4 保護氣體溫度分布云圖

從圖4中可以看出，保護氣體通入錫槽前溫度為室溫，雖然在錫槽內的溫度有所升高，但其明顯低于錫槽內溫度，因此在通入保護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，因此產生了如圖4所示的溫度分布。

2.1.3z－x平面溫度場

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

圖5 保護氣體溫度分布云圖

從圖5中可看出，延玻璃帶運動的方向，保護氣體的溫度整體上呈逐步下降趨勢，只是在保護氣體進口位置，溫度降低幅度較大，這與保護氣體剛通入時的溫度過低有關。

2.2 速度場分布

錫槽中保護氣體主要是N2和H2的混合氣體，通入錫槽中對錫液進行保護，防止被氧化，保護氣體通入的速度影響著錫槽內部氣體分布、錫液被氧化程度、錫槽內部空間的溫度分布等參數，特別是超薄電子玻璃對錫槽參數的變化敏感，保護氣體的變化也會對超薄電子玻璃的生產和品質有較大的影響，會影響超薄電子玻璃的平整度，產生表面缺陷等問題。

錫槽保護氣體在x－y平面上的速度分布云圖如圖6所示。錫槽保護氣體在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平面保護氣體速度分布云圖

圖7 保護氣體在y－z平面速度分布云圖

圖8 保護氣體速度矢量圖

從圖6中可看出，當保護氣體通入錫槽后，即刻向四周擴散，保護氣體的速度逐漸減小，逐漸充滿整個錫槽空間，分布也越來越均勻。從圖7中可看出，保護氣體在噴入錫槽時的速度最大，在錫槽內的流動速度要小于其噴入時的速度，速度大小以進氣口為中心呈對稱分布。從圖8中可明顯看出，錫槽內的保護氣體從進氣口進入錫槽后，向錫槽下方空間擴散，同時也向兩側擴散。還可看出，垂直向下的箭頭最為密集，向兩側方向的箭頭較為稀疏，這也表示著保護氣體通入時的速度最大，向兩側擴散時速度減小，錫槽的保護氣體的速度場分布能夠根據超薄電子玻璃成形的需要進行調整，目的是滿足超薄電子玻璃的成形參數需求。

3 結論

根據超薄電子玻璃的成形特性，通過構建錫槽保護氣體空間模型，運用有限元模擬方法對保護氣體的溫度場及速度場進行研究，得到結論：

①建立了浮法玻璃錫槽保護氣體的三維數值模型，運用k-e方程來描述保護氣體的流動狀態和變化情況；

②錫槽內部上層保護氣體的整體溫度分布要低于靠近玻璃帶位置的保護氣體溫度；

③保護氣體從錫槽頂部通入后，向周圍擴散流動，通入時的速度最大，隨著保護氣體在錫槽中的擴散，其速度減小。