大型網(wǎng)帶式觸摸屏玻璃退火爐的研制

佘鵬程，鄧 斌，萬(wàn)喜新，郭 立

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長(zhǎng)沙 410111)

隨著電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，觸摸屏的應(yīng)用也日趨廣泛，近年來(lái)已在各種便攜式電子產(chǎn)品和通訊工具中得到廣泛應(yīng)用,從而推動(dòng)其向安全、環(huán)保、低成本的方向發(fā)展。玻璃制品在成型過(guò)程中，優(yōu)于經(jīng)受了劇烈的溫度變化，使內(nèi)外層產(chǎn)生溫度梯度，并且由于制品的形狀、厚度、受冷卻程度等的不同，引起制品中產(chǎn)生不規(guī)則的熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力能降低制品的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，也影響玻璃的光學(xué)均勻性，若應(yīng)力超過(guò)制品的極限強(qiáng)度，便會(huì)自行破裂。所以玻璃制品中存在不均勻的熱應(yīng)力是一項(xiàng)重要的缺陷。退火作為一種熱處理工藝，可使玻璃中存在的熱應(yīng)力盡可能地消除或減小至允許值，除玻璃纖維和薄壁小型空心制品外，幾乎所有的玻璃制品都需要進(jìn)行退火。玻璃退火，就是把具有永久應(yīng)力的玻璃制品重新加熱到玻璃內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)可以移動(dòng)的溫度，利用質(zhì)點(diǎn)的位移使應(yīng)力分散（稱為應(yīng)力松弛）來(lái)消除或減弱永久應(yīng)力。

本文詳細(xì)介紹了一種用于觸摸屏玻璃退火的大型網(wǎng)帶爐的設(shè)計(jì)方案，分析了設(shè)備加熱功率分布及溫度穩(wěn)定性保溫設(shè)計(jì)的計(jì)算。

1 退火爐設(shè)計(jì)要求

由退火原理可知，玻璃制品的退火過(guò)程必須包括加熱、保溫、慢冷、快冷四個(gè)階段。

（1）加熱階段。將送入退火爐的玻璃制品加熱到退火溫度；

（2）保溫階段。將玻璃制品在退火溫度下進(jìn)行保溫，以使制品各部分溫度均勻，并有足夠的時(shí)間進(jìn)行應(yīng)力松弛，消除玻璃中已有的永久應(yīng)力；

（3）慢冷階段。當(dāng)玻璃中原有的應(yīng)力消除后，由于溫度較高，在冷卻過(guò)程中將產(chǎn)生新的應(yīng)力，新生應(yīng)力的大小由冷卻速度控制。冷卻速度越慢，新生的永久應(yīng)力越小。因此，保溫后必須先進(jìn)行慢冷。慢冷速度的大小取決于玻璃制品所允許的永久應(yīng)力值，允許值大，冷卻速度可相應(yīng)加快；

（4）快冷階段。當(dāng)玻璃冷卻到應(yīng)變點(diǎn)溫度以下時(shí)，溫差只能產(chǎn)生暫時(shí)應(yīng)力，這時(shí)就可以在保證玻璃制品不因暫時(shí)應(yīng)力而破裂的前提下嗎，盡快冷卻，一直到出爐溫度為止。

設(shè)計(jì)要求玻璃退火工藝曲線如圖1所示。

2 設(shè)備研制

圖1 玻璃退火溫度曲線

本退火爐用于觸摸屏玻璃退火，可滿足不同玻璃溫度曲線要求，大批量生產(chǎn)，故采用連續(xù)網(wǎng)帶式退火爐，網(wǎng)帶爐適用性好，應(yīng)用面廣，退火質(zhì)量好，操作簡(jiǎn)便，能實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，壽命長(zhǎng)。

本設(shè)計(jì)退火爐由加熱爐體、冷卻爐體和傳送系統(tǒng)組成，加熱爐體包括升溫區(qū)、保溫區(qū)和慢冷區(qū)三種爐體，冷卻爐體用于觸摸屏玻璃的快速冷卻，傳送系統(tǒng)由上料部件、下料部件及網(wǎng)帶組成。網(wǎng)帶在爐體爐膛內(nèi)部均布的支撐輥的支撐下，攜帶工件平穩(wěn)勻速地通過(guò)各個(gè)溫區(qū)，完成升溫、恒溫、慢冷和快冷的過(guò)程。設(shè)備總體布局如圖2所示。

設(shè)備按從入口到出口的方向依次為上料部件、升溫區(qū)爐體、保溫區(qū)爐體、慢冷區(qū)爐體、快冷區(qū)爐體、下料部件，網(wǎng)帶貫穿整個(gè)設(shè)備形成一個(gè)循環(huán)。

圖2 網(wǎng)帶式觸摸屏玻璃退火爐

2.1 傳送系統(tǒng)

本傳送系統(tǒng)主要由機(jī)架、不銹鋼網(wǎng)帶、雙離合變速機(jī)構(gòu)和主動(dòng)輪、張緊輪、配重輥、入口從動(dòng)輪、支撐輥、導(dǎo)向軸承機(jī)構(gòu)、出口從動(dòng)輪、返回托輥等組成，如圖3所示，其功能是將放置在不銹鋼網(wǎng)帶上的玻璃制品從爐頭輸送至爐尾，在爐膛內(nèi)經(jīng)過(guò)升溫、保溫、慢冷、快冷工藝段達(dá)到退火消除玻璃內(nèi)應(yīng)力的目的。

圖3 傳送系統(tǒng)

電機(jī)采用三相交流電機(jī)，電機(jī)輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器與輸出軸相連，輸出軸上安裝兩套鏈輪，每套分別輸出到離合器的兩側(cè)，這樣構(gòu)成了雙離合變速機(jī)構(gòu)，離合器左側(cè)的減速比為2:1，對(duì)應(yīng)工藝運(yùn)行速度；離合器右側(cè)的減速比為1:2，對(duì)應(yīng)測(cè)溫運(yùn)行速度。通過(guò)電氣控制來(lái)決定離合器的輸出端，這樣可以很方便的隨時(shí)切換，滿足相應(yīng)的速度需求。在這之后，還有一個(gè)減速機(jī)，再加上一套鏈傳動(dòng)單元連接主動(dòng)輪，便實(shí)現(xiàn)了大減速比的要求。主動(dòng)輪表層包絡(luò)橡膠層，增大其與網(wǎng)帶接觸的摩擦力，另外在主動(dòng)輪的兩側(cè)有張緊輪，調(diào)節(jié)彈簧張緊裝置，可以改變張緊輪與主動(dòng)輪的距離，增加或者減小包角，即接觸面積，也能起到增加或者減小摩擦力的效果，在網(wǎng)帶運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)合適的張緊力，使網(wǎng)帶穩(wěn)定平移輸送。通過(guò)變頻調(diào)速器改變電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的頻率來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)帶速連續(xù)可調(diào)。

2.2 加熱爐體

爐體是鏈?zhǔn)酵嘶馉t的核心部分,為整個(gè)退火過(guò)程提供所需的溫度場(chǎng)和形成退火曲線。加熱爐體爐體包括升溫區(qū)、保溫區(qū)和慢冷區(qū)三種爐體，保溫區(qū)和慢冷區(qū)爐體結(jié)構(gòu)相同，升溫區(qū)爐體則在保溫區(qū)爐體結(jié)構(gòu)上增加一套熱風(fēng)循環(huán)裝置，該裝置可以在升溫初始過(guò)程中提高溫場(chǎng)均勻性，同時(shí)隔斷外界氣體對(duì)爐膛內(nèi)熱場(chǎng)的影響。

圖4 是升溫區(qū)爐體截面結(jié)構(gòu)示意圖，由機(jī)架、馬弗、保溫棉、熱偶、加熱管、熱風(fēng)循環(huán)裝置等組成。

圖4 升溫區(qū)爐體截面示意圖

整臺(tái)設(shè)備加熱爐體共計(jì)12 節(jié)，分為24個(gè)溫區(qū)，分布不同功率的加熱管。加熱管對(duì)稱于網(wǎng)帶布置在馬弗爐膛的上下，可對(duì)工件兩面同時(shí)加熱，不同溫區(qū)段采用不同的加熱功率，是為了確保工藝曲線提供所需的工藝溫度能力。加熱管采用不銹鋼電阻絲，螺旋分布纏繞在陶瓷管表面。同時(shí)為了避免與機(jī)殼的短路，伸出馬弗爐膛的加熱絲引出端從中空陶瓷管的中間通過(guò)，并連接到接線柱上。馬弗爐膛采用雙層馬弗結(jié)構(gòu)，由不銹鋼板折彎焊接成型。

爐體設(shè)計(jì)最高工作溫度700℃，升溫時(shí)間4 h，保溫時(shí)間2 h，加熱總功率計(jì)算如下：

保溫功率：Ps=8×A0.9Q1.55

安裝功率：Pm=4×Ps/t0.5

式中：A為爐膛內(nèi)表面積(m2)；

Q為爐子工作溫度(×10-3℃)；

t為升溫時(shí)間(h)；

爐子總安裝功率：

考慮到系統(tǒng)熱損耗及網(wǎng)帶工件攜帶熱量，設(shè)備總體安裝功率設(shè)計(jì)為1 080 kW，分24個(gè)溫區(qū)。

為提高爐體溫度均勻性和穩(wěn)定性，在馬弗四周鋪設(shè)高鋁纖維板作為保溫材料，高鋁纖維純度高，不會(huì)在高溫下對(duì)加熱工件產(chǎn)生摻雜影響。

保溫棉隔熱層厚度計(jì)算及校驗(yàn):

設(shè)爐體導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.25 W/m.℃，爐體外表面溫度tw=55℃，環(huán)境溫度t0=25℃，

取爐殼與環(huán)境的熱交換系數(shù)α=45.36 W/m.℃，爐體馬弗內(nèi)表面溫度t1=800℃，

則估算爐體保溫層厚度：

實(shí)際確定的爐墻耐火保溫隔熱層材料為：

第一層高鋁纖維板，δ1=60 mm，導(dǎo)熱系數(shù)λ1=0.18 W/m.℃；

第二層高鋁纖維板，δ2=60 mm，導(dǎo)熱系數(shù)λ2=0.18 W/m.℃；

第三層金屬爐殼，δ3=3 mm；

各層交界面溫度為：t2、t3，爐體保溫棉總厚度：δ=120 mm，考慮到熱量上升效應(yīng)，馬弗頂部保溫棉厚度為170 mm。

計(jì)算爐體保溫層熱損失：

由以上計(jì)算結(jié)果可知，爐體耐火保溫隔熱層材料的選用合適。

2.3 冷卻爐體

網(wǎng)帶式退火爐的冷卻包括網(wǎng)帶本身的冷卻和工件退火后的快速冷卻，它是通過(guò)空氣、水、熱交換器和自然冷卻實(shí)現(xiàn)的。在經(jīng)過(guò)慢冷區(qū)爐體后，工件玻璃已經(jīng)冷卻到了應(yīng)變點(diǎn)溫度以下，溫差只能產(chǎn)生暫時(shí)應(yīng)力，這時(shí)就可以在保證玻璃制品不因暫時(shí)應(yīng)力而破裂的前提下，盡快冷卻，一直到出爐溫度為止。

在快速冷卻過(guò)程中，沒(méi)有慢冷區(qū)的輔助加熱，純粹的一個(gè)降溫過(guò)程。在工件冷卻爐體內(nèi)，馬弗的上方安放有離心風(fēng)機(jī)，離心風(fēng)機(jī)風(fēng)向朝下，即對(duì)著工件和金屬網(wǎng)帶的方向，馬弗的下方安裝有水冷散熱器，內(nèi)部有循環(huán)流動(dòng)的冷卻水。在離心風(fēng)機(jī)作用下，馬弗爐膛內(nèi)的熱空氣攜帶工件的熱量一起向下運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)水冷散熱器時(shí)，大量的熱量在于水冷壁接觸的過(guò)程中以熱交換的形式帶走，熱空氣的溫度大大降低。經(jīng)過(guò)降溫的熱空氣流不會(huì)散失到環(huán)境中，它經(jīng)過(guò)外圍管道重新循環(huán)回到離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)腔中，開始另一個(gè)循環(huán)過(guò)程。

3 工藝測(cè)試

本設(shè)計(jì)觸摸屏玻璃退火爐完成裝配調(diào)試后，我們對(duì)馬弗爐膛內(nèi)溫度均勻性進(jìn)行了測(cè)試，根據(jù)工件放置有效空間形狀，選取中下、中中、中上、左中四個(gè)位置為溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖5所示，將4根熱偶固定在相應(yīng)位置，在爐體升溫達(dá)到設(shè)定溫度并穩(wěn)定后，將5根熱偶跟隨網(wǎng)帶從入口進(jìn)入爐體，實(shí)時(shí)檢測(cè)爐膛內(nèi)不同溫區(qū)的溫度。

設(shè)備溫度按圖6曲線設(shè)定每個(gè)溫區(qū)溫度。

設(shè)定網(wǎng)帶運(yùn)動(dòng)速度10 m/h，4個(gè)位置熱偶實(shí)時(shí)檢測(cè)整個(gè)爐體溫度，升溫區(qū)中下位熱偶因?yàn)闄z測(cè)時(shí)設(shè)定最高溫度為220℃，當(dāng)檢測(cè)溫度超出設(shè)定值時(shí)，出現(xiàn)溫度無(wú)限大現(xiàn)象，后將設(shè)定值增大后檢測(cè)正常。

圖5 溫度檢測(cè)點(diǎn)位置圖

圖6 溫度設(shè)定曲線

由溫度曲線可知，本設(shè)計(jì)退火爐在保溫區(qū)爐膛截面溫度均勻性在±2℃以內(nèi)，溫度穩(wěn)定性在±1℃以內(nèi)，超出設(shè)計(jì)爐膛截面溫度均勻性±6℃要求，滿足工藝生產(chǎn)。

4 結(jié)論

目前，本設(shè)計(jì)觸摸屏玻璃退火爐已在生產(chǎn)線上使用，效果良好，達(dá)到了設(shè)備要求。本傳送系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、運(yùn)行效率高，溫度均勻性、穩(wěn)定性好，操作方便，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，達(dá)到了大批量觸摸屏玻璃退火溫度曲線及均勻性要求。

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