液晶基板玻璃生产用马弗炉钢结构冷却工艺设计与仿真

巩遵群 文超

摘要：液晶基板玻璃生产用马弗炉钢结构在高温条件下工作会发生较大的变形。为此，采用了吹风冷却的方法，降低钢结构的变形量。同时，结合数值模拟方法，确定了风冷工艺的参数。仿真结果表明，当风速为15 m/s时，钢结构的最大变形量降低了35.5%。

关键词：马弗炉;钢结构;风冷

0 引言

液晶玻璃基板是构成液晶显示器件的一个基本部件，也是电子信息显示产业的关键材料。马弗炉是基板玻璃生产过程中的关键成型设备，直接决定基板玻璃的厚度、宽度、翘曲变形等表面成型质量。马弗炉长期工作在300～1 000 ℃高温下，其钢结构不可避免地会发生膨胀变形。因此，控制钢结构变形量，能够有效保证基板玻璃的质量，延长马弗炉使用寿命。

1 马弗炉钢结构

1.1    马弗炉结构

基板玻璃生产用马弗炉主要包括成型元件、保温砖结构及钢结构。其中钢结构为框架梁式焊接结构，采用矩形钢管焊接而成，材料一般选用耐高温的304不锈钢。框架内部为保温砖及发热元件，实际生产过程中，工作在300～1 000 ℃的高温下。在这种高温下，钢结构不可避免地会发生膨胀变形。如果这种变形量不能控制在一定范围内，将影响内部其他元件的相对位置，从而影响基板玻璃的质量。因此，需要设计合理的冷却方式，以有效减少马弗炉钢结构在高温下的变形量。

1.2    钢结构高温变形

马弗炉钢结构在工作中承受复杂的温度场，同时又是一个框架结构，很难用数学方法计算变形量。本文采用FLUENT软件模拟其在高温工作条件下的变形情况。首先采用CREO软件建立钢结构的三维几何模型，然后将几何模型导入FLUET软件，选用高精度的六面体网格进行网格划分，网格最小尺寸设置为15 mm，网格数量为126 988个，划分结果如图1所示。

钢结构材料选用304不锈钢，物理性能参数为弹性模量7.36 GPa，泊松比0.3，密度7.89 g/cm3。钢结构在高温下的变形量通过热固耦合场计算。首先进行热分析计算钢结构的温度场，然后计算钢结构在温度场作用下的应力应变大小，选择基于压力的隐式稳态求解器，采用SIMPLE算法进行计算，钢结构在高温下的变形云图如图2所示。

通过仿真模拟分析可以看出，马弗炉钢结构在高温作用下，Y方向上发生向内凹的变形，最大变形量为18.832 mm。同时，Z方向上往两端膨胀变形，两端部向外的最大膨胀量为9.26 mm。

2 冷却工艺设计与仿真

工程上常见的冷却方式有风冷和水冷两种。其中水冷工艺由于水的换热性能好，能够有效降低钢结构的温度。但是水冷工艺相对复杂，钢结构使用矩形钢管焊接而成，这就要求焊缝间不得有气孔等。此外，马弗炉长时间工作，容易在水通道内壁上形成水垢，从而降低传热系数，造成冷却能力下降。风冷的冷却能力虽然相对弱一些，但是结构简单，可靠性高，成本低廉。综合考虑，本文选用风冷方式对钢结构进行冷却。

2.1    冷却参数

马弗炉钢结构四周框架采用矩形钢管焊接而成。在钢管一端送入室温的冷却风，风和钢管内壁发生对流换热，温度升高，然后风从另一端排出，从而带走热量，降低钢结构的温度。热量计算公式：

式中：Q为吸收的热量;C为比热容;m为介质的质量;t为变化的温度。

由公式中可知，单位时间内从钢管中通过的空气质量越大，带走的热量就越多，降温效果也越好。基于以上原因，我们采取两个措施，一是选用更大的送风口，二是选用较快的风速。根据钢结构矩形钢管的尺寸，每根钢管一端设计2个直径45 mm的入口，另一端设计2个直径45 mm的出风口。结合数值模拟分析的方法，选取合理的风速。

2.2    不同风速下钢结构冷却变形分析

钢结构在吹风冷却下变形，属于较复杂的热固流耦合问题，采用FLUENT软件进行热固流耦合场计算。首先导入钢结构三维模型，考虑吹风条件，进行网格划分，网格最小尺寸为8 mm，网格数量为3 026 652个。湍流模型采用K-ε标准模型，边界条件设为速度入口、压力出口。空气初始温度为22 ℃，压力为0.8 MPa，空气流速分别为5 m/s、7.5 m/s、10 m/s、12.5 m/s、15 m/s。不同风速下钢结构的最大变形量如表1、图3所示。

从图3中可以看出，随着空气流速的增大，钢结构在Y方向和Z方向上的最大变形量逐渐降低。这表明空气流速越高，降温效果越好，但是过高的流速，成本也会相应增加，同时在排气口会產生很大的噪声。综合考虑，本文选用风速为15 m/s较为合适。

风速15 m/s下钢结构的变形云图如图4所示。 图4表明，当风速为15 m/s时，钢结构Y方向上的最大变形量为12.102 mm，对比图2中没有冷却的情况下降低了35.5%;Z方向上的最大变形量为6.252 9 mm，相比没有冷却情况下降低了32.5%。

3 结语

马弗炉钢结构在高温条件下工作时会发生较大变形，两端向外膨胀，宽度方向上发生向内凹陷的变形。本文设计了风冷方式对钢结构进行冷却，结合数值模拟分析，选取合适的冷却工艺，能有效减少马弗炉钢结构变形，长度方向上的最大变形量可降低32.5%，宽度方向上的最大变形量可降低35.5%。

收稿日期：2020-07-05

作者简介：巩遵群（1985—），男，山东济宁人，硕士研究生，研究方向：超薄电子玻璃及柔性玻璃。