液晶基板玻璃生產用馬弗爐鋼結構冷卻工藝設計與仿真

鞏遵群 文超

摘要：液晶基板玻璃生產用馬弗爐鋼結構在高溫條件下工作會發生較大的變形。為此，采用了吹風冷卻的方法，降低鋼結構的變形量。同時，結合數值模擬方法，確定了風冷工藝的參數。仿真結果表明，當風速為15 m/s時，鋼結構的最大變形量降低了35.5%。

關鍵詞：馬弗爐;鋼結構;風冷

0 引言

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

1 馬弗爐鋼結構

1.1? ? 馬弗爐結構

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

1.2? ? 鋼結構高溫變形

馬弗爐鋼結構在工作中承受復雜的溫度場，同時又是一個框架結構，很難用數學方法計算變形量。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軟件建立鋼結構的三維幾何模型，然后將幾何模型導入FLUET軟件，選用高精度的六面體網格進行網格劃分，網格最小尺寸設置為15 mm，網格數量為126 988個，劃分結果如圖1所示。

鋼結構材料選用304不銹鋼，物理性能參數為彈性模量7.36 GPa，泊松比0.3，密度7.89 g/cm3。鋼結構在高溫下的變形量通過熱固耦合場計算。首先進行熱分析計算鋼結構的溫度場，然后計算鋼結構在溫度場作用下的應力應變大小，選擇基于壓力的隱式穩態求解器，采用SIMPLE算法進行計算，鋼結構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，馬弗爐鋼結構在高溫作用下，Y方向上發生向內凹的變形，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 冷卻工藝設計與仿真

工程上常見的冷卻方式有風冷和水冷兩種。其中水冷工藝由于水的換熱性能好，能夠有效降低鋼結構的溫度。但是水冷工藝相對復雜，鋼結構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，容易在水通道內壁上形成水垢，從而降低傳熱系數，造成冷卻能力下降。風冷的冷卻能力雖然相對弱一些，但是結構簡單，可靠性高，成本低廉。綜合考慮，本文選用風冷方式對鋼結構進行冷卻。

2.1? ? 冷卻參數

馬弗爐鋼結構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，風和鋼管內壁發生對流換熱，溫度升高，然后風從另一端排出，從而帶走熱量，降低鋼結構的溫度。熱量計算公式：

式中：Q為吸收的熱量;C為比熱容;m為介質的質量;t為變化的溫度。

由公式中可知，單位時間內從鋼管中通過的空氣質量越大，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口，二是選用較快的風速。根據鋼結構矩形鋼管的尺寸，每根鋼管一端設計2個直徑45 mm的入口，另一端設計2個直徑45 mm的出風口。結合數值模擬分析的方法，選取合理的風速。

2.2? ? 不同風速下鋼結構冷卻變形分析

鋼結構在吹風冷卻下變形，屬于較復雜的熱固流耦合問題，采用FLUENT軟件進行熱固流耦合場計算。首先導入鋼結構三維模型，考慮吹風條件，進行網格劃分，網格最小尺寸為8 mm，網格數量為3 026 652個。湍流模型采用K-ε標準模型，邊界條件設為速度入口、壓力出口。空氣初始溫度為22 ℃，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。不同風速下鋼結構的最大變形量如表1、圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著空氣流速的增大，鋼結構在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，成本也會相應增加，同時在排氣口會產生很大的噪聲。綜合考慮，本文選用風速為15 m/s較為合適。

風速15 m/s下鋼結構的變形云圖如圖4所示。 圖4表明，當風速為15 m/s時，鋼結構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 結語

馬弗爐鋼結構在高溫條件下工作時會發生較大變形，兩端向外膨脹，寬度方向上發生向內凹陷的變形。本文設計了風冷方式對鋼結構進行冷卻，結合數值模擬分析，選取合適的冷卻工藝，能有效減少馬弗爐鋼結構變形，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。