TFT-LCD基板玻璃窑炉数值模拟

李青，龚国进

（1.东旭集团有限公司，河北石家庄050021；2.平板显示玻璃技术和装备国家工程实验室，河北石家庄050035）

TFT-LCD基板玻璃窑炉数值模拟

李青1,2，龚国进1,2

（1.东旭集团有限公司，河北石家庄050021；2.平板显示玻璃技术和装备国家工程实验室，河北石家庄050035）

基于对TFT-LCD基板玻璃窑炉复杂的结构和工艺的综合考虑，以配合料和玻璃液表面为中介，利用ANSYS软件对火焰空间和玻璃液空间分别进行模拟。模拟具有可靠的收敛标准，模拟结果与实际情况非常吻合。

TFT-LCD；玻璃基板；混合熔化熔窑；数值模拟；ANSYS

国内外对玻璃窑炉的研究方法不断进步，从最初的现场实测发展到物理、数学模型试验。物理模型试验是以相似理论为基础的研究方法[1]，利用几何上相似的物理模型进行模拟试验以获得生产操作及设计参数；数值模拟是利用计算机软件建立玻璃熔窑的模型并设定作业参数及边界条件。通常在数值模拟中将玻璃熔窑分为四个部分：火焰空间、玻璃池窑、配合料层和泡沫层，这四个部分之间都有相互的影响，全面考虑这四个部分以及它们之间的相互关系可以提高数值模拟的准确性。

利用模拟软件进行相关的工艺分析，研究整体的能量分布，温度分布以及流动情况，总结相关规律，并对现场存在的问题进行相应的解释，提供解决方案，以促进公司生产技术进步，提升产品质量，使TFT-LCD基板玻璃生产技术顺利国产化，具有很强的实用意义。

1 三维模型

TFT-LCD基板玻璃窑炉分为熔化池和澄清池两部分，这两部分上部分为水平纯氧火焰燃烧空间，下部分的玻璃液流动空间合在一起。熔化池有4组纯氧烧枪，分为内、外氧以及中间天然气，通过调整外氧比例来调整火焰长度，第5组烧枪使用空气作为燃烧的氧化剂。烟道出口均位于烧枪同侧，能够延长烟气在窑内的停留时间。

两部分的玻璃液流动按一个整体进行模拟，熔化池内有稳定的料山，泡界线。澄清池玻璃液仅有熔化池内一少半的高度，玻璃液出口在澄清池末端，处于中间深度位置，有助于过滤池底和液面杂质。熔化池内共有4组电极，每组3个电极，分为池底电极和2个侧电极。每组的2个侧电极电压相同，与池底电极形成电路。整体结构如图1所示。

2 模拟结果及分析

经过多次分析尝试，不断优化网格质量，最终模拟进展顺利，偏差达到软件默认条件，模拟结果与实际生产数据非常符合。利用ANSYSResult软件进行数据后处理，最终得到图形化的结果数据。

图1 窑炉各部分结构示意图

2.1 熔化池火焰空间

从图2（a）、（b）可以看出，只有单侧火焰燃烧，整体呈现中间火焰长，两侧短的布局，不均衡明显，既能突出热点，又有助于形成明显的山形温度梯度。火焰从单侧窑墙喷出，燃烧成为烟气后，由同侧2#、3#烧枪上方的烟道口排出。各个截面气体在流到另一侧墙壁前都形成了椭圆型的环流。距离烟道附近的气体受烟道影响较大，倾向于往烟道方向流动。气流的形状大小与喷枪速度间距以及烟道出口位置相互影响。由于第一组烧枪的火焰较短，形成的温度不均匀性偏大，但第二对烧枪少量弥补了其不均匀性。2#与3#速度烧枪最高，有助于在中间形成最高温度点，两侧速度最低。最后一对烧枪为常温空气助燃，整体来看速度均匀性非常好，有助于实现对后部玻璃液的均匀降温。

从图2（c）、（d）可以看出，烧枪附近是温度最高点，整个火焰区域温度较高。喷枪火焰最高温度2 950 K，火焰空间中大部分区域温度在1 900～2 200 K之间。前脸墙下方，常温的配合料在此处进入窑炉，配合料开始进行升温，1#烧枪主要功能是提升配合料温度。2#～4#烧枪火焰长度基本一样，使火焰空间的温度逐步提升，其他区域温度都比较均匀，整体形成一个山形温度制度，最高温度点在3#，4#火焰中间。第1支火焰受烟道影响产生偏斜，第5支烧枪气体速度较小，温度比其他地方低约1 000 K，对玻璃液进行强制冷却,低温气体由于密度小，向下以及向烟道口倾斜明显。

图2 熔化池火焰空间温度场、速度场分布图

2.2 澄清池火焰空间

澄清池整体结构如图3所示。澄清池共有5组纯氧烧枪，火焰长度和速度都基本一致，整体温度非常均匀，有助于维持玻璃液的高温状态，降低玻璃液的黏度，便于玻璃液内部气泡的溢出，对玻璃液进行高温澄清，温度在第三组烧枪后开始有少量的下降。火焰到达窑炉另一侧后，分成两股，分别向上和向下流动，形成两个近似半圆形的流动轨迹。

图3 澄清池火焰空间温度场、速度场分布图

2.3 玻璃液空间

从图4（a）、（b）可以看出，在熔化池内料山，泡界线稳定的情况下，电势线分布规律明显，以电极为中心，电压分布非常均匀，说明单侧火焰形成的温度不均匀性不明显。电极附近电流密度最大，电极面附近越往后电流密度越大，与玻璃液温度趋势一致。电功率主要分布在电极附近，其他位置分布均匀。

从图4（c）、（d）、（e）可以看出，图中温度按照高低分区，由于常温配合料在1#电极之间位置加入窑炉，电极附近温度最低，同时，前两个电极附近温差很小，越往后电极附近温度差越大，这些主要受配合料的覆盖面积影响。电极横截面X方向比Y方向大一个数量级，说明电极产生的横向温度非常均匀，由电极形成的横向环流很小。

图4 熔化池玻璃液流动空间电场、速度场分布图

从图5（a）、（b）可以看出，图中温度按照高低进行分段分区，由于1#烧枪燃气量较少，同时常温配合料在此处加入窑炉，受配合料的覆盖面积影响，前两个电极附近温差很小，越往后电极附近温度差越大。高温澄清池池内玻璃液深度只有300 mm，上下温差小，玻璃液温度更容易升高，气泡更容易溢出。熔化池电流调整时，电极的电流是向整个熔化池流动，不管增加那个电极的电流时，其电流都是主要流向后部高温区，前区电流很少。

从图5（c）、（d）可以看出，玻璃液在配合料区有一最大环流，前面料山下流动很慢，在热点后玻璃液自上而下流向流液洞。在流液洞玻璃液速度很快，由于各股玻璃液流动方向不同，玻璃液会逐步变得更均匀，经计算此处没有回流；在澄清池中部，由于温度在此处开始下降，有一个小环流，之后速度很小。

图5 玻璃液流动空间温度场、速度场分布图

3 结论

本论文对TFT-LCD基板玻璃窑炉火焰空间和玻璃液流动空间为研究对象，利用ANSYS软件对混合熔化窑炉进行了仿真模拟，对相关的温度场、流场、电场分布规律进行了研究。通过对比电阻、温度等数据，以及国内文献中物理数学模拟的相关结果[2-4]，数学模拟与相关窑炉数据吻合较好，得到的主要结论如下：

（1）窑炉使用混合熔化方法，熔化的能量分配比例不同，以天然气燃烧反应作为熔化的主要能量，电场占总能量的25%左右，利用电助熔提升玻璃温度，进而提高玻璃质量；窑炉有稳定的料山，泡沫线，他们对整体电功率的分布影响非常大，具有放大效应，一个小的变化就可以对整体玻璃流动规律产生重要影响，有时影响是灾难性的。

（2）窑炉具有单独的高温澄清池，池内玻璃液较浅，上下温差小，玻璃液温度更容易升高，气泡更容易溢出，大幅提升了澄清质量。

（3）火焰空间和玻璃液空间都形成了标准的山形温度曲线，具有明显热点，均位于窑炉2/3处。山形温度制度形成了熔化池内外两个环流，内环流从热点流向加料口，是由液面上纯氧燃烧与电场共同形成的温度最高点与配合料的熔化下降流共同形成，外环流则是由热点下方的上升流与出口的生产流共同形成。内环流流速较大，是玻璃液的主流。

（4）各对电极的作用：1#、2#对配合料进行熔化并澄清，电功率最高，受电流影响最大；3#强化热点，从而强化大回流；对于池底温度来说，3#池底热电偶处温度最高，电流密度最大，调整电流其影响也最大，这是其他池底温度与3#不同步的主要原因；4#高温澄清，以利于玻璃的二次均化，强制窑炉中未熔化好的玻璃液回流，从而避免未熔化好的玻璃液进入通道，产生气泡、结石、条纹等玻璃缺陷。

[1]陈泽敬，郭印诚，滕建中，等.玻璃熔窑设计过程中的数学与物理模拟[J].天津城市建设学报,2002（4）：223—227.

[2]庞建，田英良，孙诗兵，等.玻璃电熔窑内液流状况物理模拟研究[C]//2009国际先进玻璃熔制技术研讨会论文集.上海∶中国硅酸盐学会,2009.

[3]李海龙，封福明，王浩鹏，等.日熔化量15 t全电熔窑的数值模拟[C]//2011年全国玻璃科学技术年会.杭州∶中国硅酸盐学会,2011.

[4]王刚，杨国洪，张峰，等.基于GFM软件的玻璃窑炉数值模拟[J].成阳师范学院学报,2015,30(4)∶49-52.

Numerical Simulation of TFT-LCD Substrate G lass Kiln

LIQing1,2,GONG Guojin1,2
（1.TUNGHSU Group Co.,Ltd,Shijiazhuang 050021,China;2.National Engineering Laboratory of Flat Panel Display Glass Technology and Equipment,Shijiazhuang 050035,China）

Considering the comprehensive consideration of complicated structure and process of TFTLCD substrate glass furnace,withmaterial and liquid glass surface as themedium,the ANSYS software was respectively used to simulate the flame space and the glass space.The simulation had a reliable convergence criterion,and the simulation resultswere accurate very well.

TFT-LCD；substrate glass；mixedmelting furnace；numerical simulation；ANSYS

TQ171.6

A

1001-6988（2016）05-0011-03

2016-05-25

国家科技支撑计划（2013BAE03B02）

李青（1965—），女，教授级高工，研究方向为机械设计.