CN105574280A - 玻璃电熔窑工作模拟方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种玻璃电熔窑工作模拟方法及其应用，所述玻璃电熔窑工作模拟方法基于fluent软件，包括如下步骤：建立玻璃液几何模型，划分网格，电极面与附近相邻绝缘的耐火材料区域划出明显的分界线，以便添加电场模块；根据生产实际情况，设置边界条件，其中电极面添加电压边界条件；模拟玻璃液的温度场、流动场和电场，得到炉窑内不同区域的玻璃液温度场分布、空间火焰温度场分布和速度场分布情况；初始玻璃液面温度分布采用山形温度制度，最终曲线根据模拟耦合并经曲线拟合得出，利用用户自定义函数导入计算；玻璃液随温度变化的电导率曲线、粘度曲线和导热系数事先进行测量，通过自定义函数导入模型。本发明低成本解析电熔窑工作原理。
Description
技术领域
本发明涉及玻璃电熔窑原理技术领域，尤其涉及一种玻璃电熔窑工作模拟方法及其应用。
背景技术
TFT(ThinFilmTransistor，薄膜晶体管)式显示屏是各类笔记本电脑和台式机上的主流显示设备，因此TFT液晶玻璃基板需求量较大。制备TFT液晶玻璃基板的通常炉型为5-30吨/天，TFT液晶玻璃基板的厚度一般为0.3mm-0.7mm，是一种高强高硬材料，成分中不含碱，玻璃熔化温度不低于在1580℃，不含铁等着色粒子，无色高透过率，高温电导率很低。在液晶玻璃基板制程中，窑炉熔化池是对玻璃进行熔化的设备。火焰燃烧能够熔化配合料,加热熔化池上部玻璃液的温度，电熔进一步提高玻璃内部温度。
在常规玻璃生产越来越过剩的时代,利用电熔窑炉生产特种玻璃是一种大的趋势，但是电熔窑炉生产难度很大，存在大量无法生产出合格产品的电熔窑炉。随着计算流体力学(CFD)和电子计算机技术的发展，利用数值模拟的方法对玻璃窑炉进行仿真研究正越来越受到人们的重视，也取得了很大的进步，利用数值模拟的方法，对玻璃窑炉生产工艺进行优化也正在被越来越多的人研究，特别是进行电熔窑炉的数值模拟正越来越受到重视。
分析研究TFT玻璃电熔窑的设计原理以及工艺运行原理，原来都是工艺人员长期经验的积累，需要经历在生产线上长期的实践才能摸索出来,摸索其间一搬都没有良品，具有很大的资金成本和时间成本。
在工程应用中要确定合适的炉型和最优化窑炉的能量分配方式并不是个简单的问题，还需要根据窑炉类型、温度场分布等条件进行分析计算。
通常进行玻璃电熔窑数学模拟，都需要依靠国外的相关公司，他们都有自己设计的专业软件。采用国外的软件培训麻烦，软件成本高，服务成本也高，应用范围小，并且有大量不成熟的地方，用户之间缺少交流。另外一些公司直接购买服务，提供模型和边界条件，让国外专业模拟公司进行相应的模拟，通常需要经过好几轮的模拟，每一次都应经过报价，谈判等程序，时间长，程序复杂，交流也不方面，成本也非常高昂。大部分的公司基本不做模拟，对相关熔窑的原理掌握很少，全靠实践经验积累，需要长时间的摸索，许多电熔窑炉长期无法正常生产。
目前也有应用fluent软件进行玻璃熔窑燃烧空间数学模拟，但是效果不太理想，不能满足TFT液晶玻璃基板的高要求。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种玻璃电熔窑工作模拟方法及其应用，主要目的是低成本解析电熔窑工作原理。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
一方面，本发明实施例提供了一种玻璃电熔窑工作模拟方法，所述方法基于fluent软件，包括如下步骤：
以玻璃热工窑炉为原型建立玻璃液几何模型，划分网格，所述模型和网格中，电极面与相邻绝缘的耐火材料区域划出分界线，以便添加电场模块；
根据生产实际情况，对接触玻璃液的各部位设置边界条件，其中电极面添加电压边界条件；
模拟玻璃液的温度场、流动场和电场，得到炉窑内不同区域的玻璃液温度场分布、空间火焰温度场分布和速度场分布情况；
初始玻璃液面温度分布采用山形温度制度，最终曲线根据模拟耦合并经曲线拟合得出，利用用户自定义函数导入计算；玻璃液随温度变化的电导率曲线、粘度曲线和导热系数事先进行测量，通过自定义函数导入模型。
作为优选，玻璃液采取k-ε模型湍流模型，辐射传热采用DO模型，电加热采用电磁模型。
作为优选，使用ANSYSICEM-CFD划分网格。
作为优选，玻璃液边界条件设定如下：玻璃液入口类型为速度入口类型，出口为压力出口类型；玻璃液面温度分布采用山形温度制度，依据经验及工艺要求制定数据，之后通过热耦合逐步改变，利用曲线拟合工具进行拟合，得到热流量分布函数，用UDF(用户自定义函数)给出；壁面采用热流边界条件；电极采用指定电压边界条件。
作为优选，壁面采用恒温边界条件，温度为1800K。
作为优选，玻璃液入口的质量流入口速度330kg/h；出口为压力出口，压力为20000pa。
作为优选，依据TFT窑炉玻璃液最高温度不低于1580℃的要求，制定了玻璃液最高温度在1590±10℃，依据山型温度制度以及窑炉的特点,最高温度定在窑炉2/3位置处，依据火焰空间现场测定数据进行料山泡沫线，玻璃液表面温度的边界条件设定。
作为优选，泡界线位于热点前10cm。
另一方面，本发明实施例提供了一种上述实施例所述的玻璃电熔窑工作模拟方法在优化窑炉设计和/或优化玻璃生产工艺中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明实施例的本发明使用一种常规的软件fluent，实现专业软件同样的功能。以数值模拟为手段，结合玻璃液的性质，以及生产实际经验，更好的研究TFT玻璃电熔窑的基本原理。本发明要解决的技术问题是使用一种常规软件，提供一种通过计算机数值模拟的方法,研究TFT玻璃电熔窑的基本原理的方法，优化温度场和玻璃液的流场分布。得出一种可靠的窑炉设计优化依据，可靠的玻璃窑炉能量的分配方法，以及日常的工艺控制原则，能够提高能量利用率，节省玻璃生产成本,降低工艺控制难度。本发明的有益成果就是投资少、成本低、可靠性强、易于操作。
附图说明
图1为本发明实施例的流程示意图。
图2为本发明实施例玻璃液空间模型及网格三维图。
图3为本发明实施例的玻璃液空间电极截面温度分布图。
图4为本发明实施例的玻璃液空间电极截面速度分布图。
图5为本发明实施例的玻璃液空间电极截面速度矢量分布图。
图6为本发明实施例的玻璃液空间中截面温度分布图。
图7为本发明实施例的玻璃液空间中截面速度分布图。
图8为本发明实施例的玻璃液空间中截面速度矢量分布图。
图9为本发明实施例的玻璃液三维空间流线图。
图10为本发明实施例的玻璃液三维空间电流密度分布图。
图11为本发明实施例的玻璃液三维空间电场强度分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
图1为本发明实施例的玻璃电熔窑工作模拟方法及其应用的流程示意图。参见图1，玻璃电熔窑工作模拟方法，该模拟方法基于fluent软件，包括如下步骤：
以玻璃热工窑炉为原型建立玻璃液几何模型，划分网格，所述模型和网格中，电极面与相邻绝缘的耐火材料区域划出分界线，以便添加电场模块；
根据生产实际情况，对接触玻璃液的各部位设置边界条件，其中电极面添加电压边界条件；
模拟玻璃液的温度场、流动场和电场，得到炉窑内不同区域的玻璃液温度场分布、空间火焰温度场分布和速度场分布情况；
初始玻璃液面温度分布采用山形温度制度，最终曲线根据模拟耦合并经曲线拟合得出，利用用户自定义函数导入计算；玻璃液随温度变化的电导率曲线、粘度曲线和导热系数事先进行测量，通过自定义函数导入模型。
本发明实施例通过常规的软件fluent实现专业软件同样的功能。在模拟的基础上逐步优化设计方案，调整总能量以及能量分配，以及各边界条件的形状位置，最终确定达到合适的工艺制度所需的总能量以及能量分布。通过改变窑炉容积，电极所在位置，能量分布，优化窑炉设计。本发明实施例投资少、成本低、可靠性强、易于操作。
作为上述实施例的优选，玻璃液采取k-ε模型湍流模型，辐射传热采用DO模型，电加热采用电磁模型。网格使用ANSYSICEM-CFD划分。玻璃液边界条件设定如下：玻璃液入口类型为速度入口类型，出口为压力出口类型；玻璃液面温度分布采用山形温度制度，依据经验及工艺要求制定数据，之后通过热耦合逐步改变，利用曲线拟合工具进行拟合，得到热流量分布函数，用UDF(用户自定义函数)给出；壁面采用热流边界条件；电极采用指定电压边界条件。
下面以一条TFT5代的玻璃热工窑炉为例对本发明实施例的模拟方法及效果进一步说明。
几何模型
以该玻璃电熔炉为原型，使用ANSYSDM等三维软件建立玻璃液的几何模型，利用ANSYSICEM-CFD进行网格化分，局部地区进行网格细化，网格质量达到正常计算的要求，约有500万个网格。在模型以及网格和边界条件中，电极面与其他壁面需要有明显的分界线,电极面添加电压边界条件。玻璃液空间及网格划分如图2所示。
数学模型
玻璃液采取k-ε模型湍流模型，辐射传热采用DO模型，电加热采用隐藏的电磁模型。
边界条件设置
玻璃液边界条件：
(1)玻璃液入口依据玻璃质量流入口，速度330kg/h；
(2)出口为压力出口，压力为20000pa；
(3)玻璃液面条件：玻璃液面温度分布采用山形温度制度，根据实际测量数据，用UDF给出。
(4)电极采用指定电压边界条件，数值如下表1所示。
表1
| 名称 | 1#左 | 1#右 | 2#左 | 2#右 | 3#左 | 3#右 | 4#左 | 4#右 |
| 电压 | -345 | 345 | -370 | 370 | -340 | 340 | -350 | 350 |
(5)壁面采用恒温边界条件，温度为1800K。
总能量以及能量分配分析原则
依据TFT窑炉玻璃液最高温度不低于1580℃的要求，制定了玻璃液最高温度在1590±10℃，依据山型温度制度以及窑炉的特点,最高温度定在窑炉2/3位置处，依据火焰空间现场测定数据进行料山泡沫线，玻璃液表面温度的边界条件设定。图3为本发明实施例的玻璃液空间电极截面温度分布图。图4为本发明实施例的玻璃液空间电极截面速度分布图。图5为本发明实施例的玻璃液空间电极截面速度矢量分布图。图6为本发明实施例的玻璃液空间中截面温度分布图。图7为本发明实施例的玻璃液空间中截面速度分布图。图8为本发明实施例的玻璃液空间中截面速度矢量分布图。图9为本发明实施例的玻璃液三维空间流线图。图10为本发明实施例的玻璃液三维空间电流密度分布图。图11为本发明实施例的玻璃液三维空间电场强度分布图。
通过多次的耦合分析可以看出，总能量是决定料山以及泡沫线位置的主要影响因素，能量越高，料山以及泡沫线越短，玻璃熔化的一个重要要求就是泡沫线不能超过热点，否则玻璃质量就会严重恶化。泡界线距离热点越远，玻璃质量就越好，工艺带越宽，能够经得起较大的波动，但同时所需能量就越多。通过数学模拟结合实际情况，确定泡界线位于热点前10cm左右。根据这些限制原则，逐步优化设计方案，调整总能量以及能量分配，以及各边界条件的形状位置，最终确定达到合适的工艺制度所需的总能量以及能量分布。通过改变窑炉容积，电极所在位置，能量分布，优化窑炉设计。
模拟结果分析应用
通过对不同的总能量以及能量分布一次进行模拟逐步进行优化，ANSYSCFD-POST,进行结果的处理，对比分析设计及生产进行工艺进行优化后得出的模拟结果，依据玻璃窑炉设计的热点位置，出料量，最高温度点位置及数值要求，进行相应的模拟，在满足所有条件的情况下，得出了最终所需要总能量以及能量分布，既希望得到的最好的方案，并应用到生产实际，解决了生产中对电极对地电压偏差大，总能量低，池底温度却偏高等大量问题，无砷基板玻璃良品率实现零的突破，成功实现了产品的大批量供应，目前公司生产的基板玻璃占据国内产量的90％。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.玻璃电熔窑工作模拟方法，所述方法基于fluent软件，其特征在于，包括如下步骤：
以玻璃热工窑炉为原型建立玻璃液几何模型，划分网格，所述模型和网格中，电极面与相邻绝缘的耐火材料区域划出分界线，以便添加电场模块；
根据生产实际情况，对接触玻璃液的各部位设置边界条件，其中电极面添加电压边界条件；
模拟玻璃液的温度场、流动场和电场，得到炉窑内不同区域的玻璃液温度场分布、空间火焰温度场分布和速度场分布情况；
初始玻璃液面温度分布采用山形温度制度，最终曲线根据模拟耦合并经曲线拟合得出，利用用户自定义函数导入计算；玻璃液随温度变化的电导率曲线、粘度曲线和导热系数事先进行测量，通过自定义函数导入模型。
2.根据权利要求1所述的玻璃电熔窑工作模拟方法，其特征在于，玻璃液采取k-ε模型湍流模型，辐射传热采用DO模型，电加热采用电磁模型。
3.根据权利要求1所述的玻璃电熔窑工作模拟方法，其特征在于，使用ANSYSICEM-CFD划分网格。
4.根据权利要求1所述的玻璃电熔窑工作模拟方法，其特征在于，玻璃液边界条件设定如下：玻璃液入口类型为速度入口类型，出口为压力出口类型；玻璃液面温度分布采用山形温度制度，依据经验及工艺要求制定数据，之后通过热耦合逐步改变，利用曲线拟合工具进行拟合，得到热流量分布函数，用用户自定义函数给出；壁面采用热流边界条件；电极采用指定电压边界条件。
5.根据权利要求4所述的玻璃电熔窑工作模拟方法，其特征在于，壁面采用恒温边界条件，温度为1800K。
6.根据权利要求5所述的玻璃电熔窑工作模拟方法，其特征在于，玻璃液入口的质量流入口速度330kg/h；出口为压力出口，压力为20000pa。
7.根据权利要求1所述的玻璃电熔窑工作模拟方法，其特征在于，依据TFT窑炉玻璃液最高温度不低于1580℃的要求，制定了玻璃液最高温度在1590±10℃，依据山型温度制度以及窑炉的特点,最高温度定在窑炉2/3位置处，依据火焰空间现场测定数据进行料山泡沫线，玻璃液表面温度的边界条件设定。
8.根据权利要求7所述的玻璃电熔窑工作模拟方法，其特征在于，泡界线位于热点前10cm。
9.权利要求1-8任一项所述的玻璃电熔窑工作模拟方法在优化窑炉设计和/或优化玻璃生产工艺中的应用。
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