高铝硼硅酸盐玻璃用铂金通道加热系统的设计

2018-01-12郑权李赫然李瑞佼王丽红

电气自动化 2017年5期

郑权，李赫然，李瑞佼，王丽红

(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)

0 引言

电加热属于节能环保型加热方式，广泛应用于各行各业。目前，在TFT-LCD(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display薄膜晶体管液晶显示器)基板玻璃生产制程中，用于熔融玻璃的窑炉，以电和气加热相结合[1-3]形式来实现对玻璃液的熔融；用于成形所需的马弗炉、定形炉和退火炉的加热同样以电加热的形式[4]来实现对其温度的控制，进而控制基板玻璃的品质；连接窑炉与成形设备，用于玻璃液澄清、均化的铂金通道[5]，也采取电加热形式来实现对各区段温度的加热和温度控制，以控制玻璃液粘度，满足生产所需。

电加热通过调功器与变压器结合，以温度检测系统反馈检测温度，结合实现对铂金通道的准确加热。通常铂金通道的加热形式及效率会因加热温度和铂金通道本体结构的不一样而有所不同，其温度控制精度直接影响半成品玻璃的品质。目前，铂金通道中电加热方式为直接加热与间接加热同时使用[6]。铂金是一种贵金属材料[7]，对其所施加的电压和电流均有着严格要求。传统铂金通道电加热系统在设计上存在缺陷，一方面为了保证生产正常，变压器在设计时会留有较大的电压和电流设计余量，造成变压器档位不合适，电能利用率降低；另一方面，在高温条件下，传统焊接热电偶特性，在高温环境下，会逐步氧化，温度检测失真，加热回路紊乱，无法满足对铂金通道各区段温度进行精确控制。随着技术的不断发展，电加热中变压器和热电偶的设计在不断改进[8]，设计适合铂金通道电加热系统所用的变压器及热电偶成为亟待解决的问题。

1 铂金通道各区段作用及温度要求

铂金通道是基板玻璃生产过程中重要组成部分，主要负责将窑炉送来的经熔化后富含气泡的玻璃液进行高温澄清、均化、搅拌、冷却后出送至成形区域[9-10]。铂金通道采用铂铑合金制成，根据功能不同，分为澄清段、搅拌段、冷却段和供料段，其中受温度影响较大的区段为澄清段和供料段，其温度变化将影响最终玻璃品质。

澄清段由冷却法兰和通道主管道构成，主要起到玻璃液澄清、除泡的作用。澄清段通道本体的加热借助两侧法兰接电，引入电流流过通道，自身电阻产生热能对铂金本体进行直接加热。澄清段是铂金通道温度最高的区域，也是成品玻璃内部铂金颗粒缺陷主要形成的区域[11-12]。高铝硼硅酸盐玻璃液澄清温度约1 550 ℃～1 700 ℃，而铂金熔点约1 774 ℃，因此，精确控制此段温度，减少温度波动和温度梯度产生，延长澄清段铂金通道寿命，提高最终玻璃制品的品质。

供料段温度在1 300 ℃～1 200 ℃之间，主要作用为控制玻璃液流量，对流量调整、控制，同时避免挥发冷凝的结石污染玻璃液，因此精确设定此段温度，改变此区段的温度梯度，可有效降低此类缺陷的产生。

所以，设计合理的铂金通道电加热控制系统是保证对通道各区段温度精确控制的必要条件。温度控制系统通过S型和B型热电偶测量铂金通道不同区段的温度，并将测量温度值与工艺设计值相比较。若存在偏差则由PLC(Programmable Logic Controller，即可编程逻辑控制器)通过PID(Proportion Integration Differentiation，即标志码传输包)算法对偏差信号进行处理，然后输送给调功器，调节功率大小，改变加热温度，使铂金通道的温度值接近或等于要求的温度值。电加热系统示意图如图1所示。

图1 铂金通道电加热温度控制回路

图2 PLC温度控制系统结构图

其中，PLC采用西门子PLCS7-417H冗余过程控制系统，以可编程控制器为核心，DCS工业控制计算机为人机交互界面，配置各种I/O专用信号模块和通讯模块，将铂金通道现场电偶温度信号变送传输至PLC，通过PLC调整控制调功器输出功率，通过增加或减小回路加热功率，调节铂金通道温度内部玻璃液温度达到工艺要求的温度值。PLC温度控制图如图2所示。

2 铂金通道加热系统的温度检测系统

铂金通道的温度检测系统是电加热系统中重要组成部分，对实现温度的精确控制有重要作用。在铂金通道加热过程中，通过测量设备得到通道的实时温度。在反馈程序控制下，调节相应的调功器开度，通知加热电流，调整对通道的加热，使通道温度满足工艺要求。

铂金通道按照不同的温度区域和功能分别有B型和S型(R型)热电偶。B型和S型热电偶都属于贵金属热电偶，其材料以铂、铑两种金属为主，测试温度范围为0～1 800 ℃，极大的适应了生产温度的变化。但在1 000 ℃以上高温环境中，铑比铂更易挥发，测量的温度值会产生误差，测量值通常比实际值偏小[13]。

图3 穿透式热电偶示意图

为了实现精确控制通道温度，降低贵金属热电偶老化，采用在铂金通道上增加一个穿透铂金管壁的非焊接式热电偶。此结构由一氧化铝套管和一个B型热电偶组成，通过温度计算公式，计算通道各区段玻璃液的真实温度，与测试的实际温度进行比较，然后对各数据控制值进行修改、补充，达到精确控制温度目的。具体示意图如图3所示。

图4 铂金通道温度检测原理图

用于温度控制的热电偶信号经变送后，通过隔离器分成两路信号输出。一路通过柜内DCS AI模块采集，一路以4 mA～20 mA信号送至各调功柜面板温度显示表。用于监视的热电偶信号经变送后，通过柜内DCS AI模块采集。当热电偶发生故障或损坏时，DCS系统就会报警，提醒操作人员及时进行加热模式的切换，以保证加热负载的安全。铂金通道的温度检测原理如图4所示。

3 铂金通道中的电加热系统

为满足上述各区段温度要求，铂金通道电加热系统在设计时，基于变压器的适配结构、铂金通道加热模式及铂金通道法兰的结构，将变压器设置为两类三规则，分别在变压器的原边或副边使用抽头结构，通过组合抽头，调整变压器输出的电压，进而精确控制铂金负载的温度。具体的方法为：根据铂金通道的结构、温度等设计要求对于各区段的适配变压器分成两大类三种规格，铂金通道电加热设计的计算基础公式[14]如下：

(1)根据使用材料的标准电阻温度系数表，由公式ρ2=ρ1×[1+α(Τ2-Τ1)]，计算设备在工作温度Τ2下的电阻率值ρ2，其中：ρ1表示温度为Τ1下的电阻率；α表示常温状态下铂金材料的电阻温度系数；Τ1表示温度为0 ℃；Τ2表示设备的工作温度；ρ2表示在不同温度Τ2状态下的电阻率。

(2)根据电阻的计算公式R铂金=ρ2×L/S，可以计算出铂金在工作温度下的电阻R，其中：ρ2表示在温度Τ2状态下的电阻率；L表示导体的长度；S表示导体截面积。

(3)根据材料特性及使用的温度，选择铂金材料在从常温升温至工作温度时的电流密度J，J=1 A/mm～20 A/mm2，进而计算在工作状态下铂金通道上产生的最大工作电流I最大=S×J；最大工作电压U最大=I最大×R=S×J×R；最大功率P最大=U2/R。

(4)根据公式R铜排=L×0.005 Ω/m计算铜排的电阻值，其中L表示铜排长度，铜排接触电阻R接触=0.001 Ω/处，通过现场的实际安装情况，变压器的二次侧电阻总计为R总=R铜排+R铂金+R接触。

(5)输出电压U2等于铜排电压、接触电压与铂金电压之和，变压器二次侧电压在此基础上乘以系数1.1做校准，变压器的功率P=U二次侧×I最大。

(6)根据电气设计的原则，变压器设计功率应大于铂金电加热功率，调功器电流应大于变压器电流，调功器功率大于变压器功率，从而可以得到加热用调功器与变压器的技术参数。

本设计中，针对直接电加热变压器，设置变压器为A1和A2两种规格，其输出电流大小的设计是按最大值Imax和1/2Imax进行设计，变压器结构采用原边侧抽头结构，并同时配备档位切换开关；

对于间接电加热变压器，设计副边具有6-10组降压线圈，借助于移相式功率调节器串联组合与间接加热用铂金丝或铂金板匹配形成间接加热装置。具体设计值如下。

3.1 直接加热

为满足铂金通道负载所需，在设计直接电加热变压器的时候，选择变压器为单相干式隔离型，变压器铁芯磁通密度必须小于或等于1.3 T/cm2，其变压器一侧电压安装无负荷手动档位切换开关，二次输出电压的改变通过一次侧档位的切换实现，根据铂金通道不同温度要求，设计6 000 A和3 000 A两种规格电流，满足各区段温度，设计了3个原边绕组，对应设计原边电压档位分别为760 V，507 V，380 V，副边线圈的输出电压是10 V。当供电电压是380 V，在副边可得到5 V、7.5 V和10 V三个不同的输出电压，通过上述P=U二次侧×I最大计算公式得出变压器的输出功率在60%～90%区间，满足生产需求。具体的电路图如图5所示。

图5 直接加热变压器电路图

通过以上设计是实现对铂金通道直接加热，测量精度控制在±0.03%。

3.2 间接加热

用于间接加热的变压器采用变压器二次侧抽头的结构，二次侧分成几种不同的输出电压模式，设计原边为380 V供电，副边电流为30 A，根据上述计算公式及铂金通道不同加热温度要求，得出副边电压抽头的档位为0 V、10 V、25 V、40 V、60 V。通过副边不同抽头组合，可以得到10 V、15 V、20 V、25 V、30 V、35 V、40 V、50 V、60 V九个档位，变压器输出功率在60%～90%区间，以满足对铂金通道壁的间接加热，满足加热工艺要求。具体电路图如图6所示。

图6 间接加热变压器电路图

两类加热形式以直接加热形式为主，间接加热辅助直接加热，用于对不规则区域的通道位置进行加热，两种形式共同作用，控制铂金通道温度，满足生产工艺要求。

4 结束语

本设计利用抽头结构，设计加热变压器为两类三规格形式，减少变压器规格，输出多种电压，对可实现功率适配选择调整在变压器满载负荷的60%～90%区间输出，实现对铂金通道的精确加热。采用非焊接式热电偶，在铂金通道径向穿过一个套管，在套管中设置热电偶，实现对玻璃液温度的准确检测，测量精度达±0.03%。该加热系统避免温度波动产生铂金缺陷，提高了基板玻璃的生产良率。本系统可适用大部分贵金属加热系统中，尤其对我国自主知识产权的高世代液晶基板玻璃技术攻关具有重要的借鉴意义。

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