TFT-LCD基板玻璃窯爐數(shù)值模擬

李青，龔國進

（1.東旭集團有限公司，河北石家莊050021；2.平板顯示玻璃技術和裝備國家工程實驗室，河北石家莊050035）

TFT-LCD基板玻璃窯爐數(shù)值模擬

李青1,2，龔國進1,2

（1.東旭集團有限公司，河北石家莊050021；2.平板顯示玻璃技術和裝備國家工程實驗室，河北石家莊050035）

基于對TFT-LCD基板玻璃窯爐復雜的結(jié)構(gòu)和工藝的綜合考慮，以配合料和玻璃液表面為中介，利用ANSYS軟件對火焰空間和玻璃液空間分別進行模擬。模擬具有可靠的收斂標準，模擬結(jié)果與實際情況非常吻合。

TFT-LCD；玻璃基板；混合熔化熔窯；數(shù)值模擬；ANSYS

國內(nèi)外對玻璃窯爐的研究方法不斷進步，從最初的現(xiàn)場實測發(fā)展到物理、數(shù)學模型試驗。物理模型試驗是以相似理論為基礎的研究方法[1]，利用幾何上相似的物理模型進行模擬試驗以獲得生產(chǎn)操作及設計參數(shù)；數(shù)值模擬是利用計算機軟件建立玻璃熔窯的模型并設定作業(yè)參數(shù)及邊界條件。通常在數(shù)值模擬中將玻璃熔窯分為四個部分：火焰空間、玻璃池窯、配合料層和泡沫層，這四個部分之間都有相互的影響，全面考慮這四個部分以及它們之間的相互關系可以提高數(shù)值模擬的準確性。

利用模擬軟件進行相關的工藝分析，研究整體的能量分布，溫度分布以及流動情況，總結(jié)相關規(guī)律，并對現(xiàn)場存在的問題進行相應的解釋，提供解決方案，以促進公司生產(chǎn)技術進步，提升產(chǎn)品質(zhì)量，使TFT-LCD基板玻璃生產(chǎn)技術順利國產(chǎn)化，具有很強的實用意義。

1 三維模型

TFT-LCD基板玻璃窯爐分為熔化池和澄清池兩部分，這兩部分上部分為水平純氧火焰燃燒空間，下部分的玻璃液流動空間合在一起。熔化池有4組純氧燒槍，分為內(nèi)、外氧以及中間天然氣，通過調(diào)整外氧比例來調(diào)整火焰長度，第5組燒槍使用空氣作為燃燒的氧化劑。煙道出口均位于燒槍同側(cè)，能夠延長煙氣在窯內(nèi)的停留時間。

兩部分的玻璃液流動按一個整體進行模擬，熔化池內(nèi)有穩(wěn)定的料山，泡界線。澄清池玻璃液僅有熔化池內(nèi)一少半的高度，玻璃液出口在澄清池末端，處于中間深度位置，有助于過濾池底和液面雜質(zhì)。熔化池內(nèi)共有4組電極，每組3個電極，分為池底電極和2個側(cè)電極。每組的2個側(cè)電極電壓相同，與池底電極形成電路。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 模擬結(jié)果及分析

經(jīng)過多次分析嘗試，不斷優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量，最終模擬進展順利，偏差達到軟件默認條件，模擬結(jié)果與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)非常符合。利用ANSYSResult軟件進行數(shù)據(jù)后處理，最終得到圖形化的結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖1 窯爐各部分結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 熔化池火焰空間

從圖2（a）、（b）可以看出，只有單側(cè)火焰燃燒，整體呈現(xiàn)中間火焰長，兩側(cè)短的布局，不均衡明顯，既能突出熱點，又有助于形成明顯的山形溫度梯度。火焰從單側(cè)窯墻噴出，燃燒成為煙氣后，由同側(cè)2#、3#燒槍上方的煙道口排出。各個截面氣體在流到另一側(cè)墻壁前都形成了橢圓型的環(huán)流。距離煙道附近的氣體受煙道影響較大，傾向于往煙道方向流動。氣流的形狀大小與噴槍速度間距以及煙道出口位置相互影響。由于第一組燒槍的火焰較短，形成的溫度不均勻性偏大，但第二對燒槍少量彌補了其不均勻性。2#與3#速度燒槍最高，有助于在中間形成最高溫度點，兩側(cè)速度最低。最后一對燒槍為常溫空氣助燃，整體來看速度均勻性非常好，有助于實現(xiàn)對后部玻璃液的均勻降溫。

從圖2（c）、（d）可以看出，燒槍附近是溫度最高點，整個火焰區(qū)域溫度較高。噴槍火焰最高溫度2 950 K，火焰空間中大部分區(qū)域溫度在1 900～2 200 K之間。前臉墻下方，常溫的配合料在此處進入窯爐，配合料開始進行升溫，1#燒槍主要功能是提升配合料溫度。2#～4#燒槍火焰長度基本一樣，使火焰空間的溫度逐步提升，其他區(qū)域溫度都比較均勻，整體形成一個山形溫度制度，最高溫度點在3#，4#火焰中間。第1支火焰受煙道影響產(chǎn)生偏斜，第5支燒槍氣體速度較小，溫度比其他地方低約1 000 K，對玻璃液進行強制冷卻,低溫氣體由于密度小，向下以及向煙道口傾斜明顯。

圖2 熔化池火焰空間溫度場、速度場分布圖

2.2 澄清池火焰空間

澄清池整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。澄清池共有5組純氧燒槍，火焰長度和速度都基本一致，整體溫度非常均勻，有助于維持玻璃液的高溫狀態(tài)，降低玻璃液的黏度，便于玻璃液內(nèi)部氣泡的溢出，對玻璃液進行高溫澄清，溫度在第三組燒槍后開始有少量的下降?；鹧娴竭_窯爐另一側(cè)后，分成兩股，分別向上和向下流動，形成兩個近似半圓形的流動軌跡。

圖3 澄清池火焰空間溫度場、速度場分布圖

2.3 玻璃液空間

從圖4（a）、（b）可以看出，在熔化池內(nèi)料山，泡界線穩(wěn)定的情況下，電勢線分布規(guī)律明顯，以電極為中心，電壓分布非常均勻，說明單側(cè)火焰形成的溫度不均勻性不明顯。電極附近電流密度最大，電極面附近越往后電流密度越大，與玻璃液溫度趨勢一致。電功率主要分布在電極附近，其他位置分布均勻。

從圖4（c）、（d）、（e）可以看出，圖中溫度按照高低分區(qū)，由于常溫配合料在1#電極之間位置加入窯爐，電極附近溫度最低，同時，前兩個電極附近溫差很小，越往后電極附近溫度差越大，這些主要受配合料的覆蓋面積影響。電極橫截面X方向比Y方向大一個數(shù)量級，說明電極產(chǎn)生的橫向溫度非常均勻，由電極形成的橫向環(huán)流很小。

圖4 熔化池玻璃液流動空間電場、速度場分布圖

從圖5（a）、（b）可以看出，圖中溫度按照高低進行分段分區(qū)，由于1#燒槍燃氣量較少，同時常溫配合料在此處加入窯爐，受配合料的覆蓋面積影響，前兩個電極附近溫差很小，越往后電極附近溫度差越大。高溫澄清池池內(nèi)玻璃液深度只有300 mm，上下溫差小，玻璃液溫度更容易升高，氣泡更容易溢出。熔化池電流調(diào)整時，電極的電流是向整個熔化池流動，不管增加那個電極的電流時，其電流都是主要流向后部高溫區(qū)，前區(qū)電流很少。

從圖5（c）、（d）可以看出，玻璃液在配合料區(qū)有一最大環(huán)流，前面料山下流動很慢，在熱點后玻璃液自上而下流向流液洞。在流液洞玻璃液速度很快，由于各股玻璃液流動方向不同，玻璃液會逐步變得更均勻，經(jīng)計算此處沒有回流；在澄清池中部，由于溫度在此處開始下降，有一個小環(huán)流，之后速度很小。

圖5 玻璃液流動空間溫度場、速度場分布圖

3 結(jié)論

本論文對TFT-LCD基板玻璃窯爐火焰空間和玻璃液流動空間為研究對象，利用ANSYS軟件對混合熔化窯爐進行了仿真模擬，對相關的溫度場、流場、電場分布規(guī)律進行了研究。通過對比電阻、溫度等數(shù)據(jù)，以及國內(nèi)文獻中物理數(shù)學模擬的相關結(jié)果[2-4]，數(shù)學模擬與相關窯爐數(shù)據(jù)吻合較好，得到的主要結(jié)論如下：

（1）窯爐使用混合熔化方法，熔化的能量分配比例不同，以天然氣燃燒反應作為熔化的主要能量，電場占總能量的25%左右，利用電助熔提升玻璃溫度，進而提高玻璃質(zhì)量；窯爐有穩(wěn)定的料山，泡沫線，他們對整體電功率的分布影響非常大，具有放大效應，一個小的變化就可以對整體玻璃流動規(guī)律產(chǎn)生重要影響，有時影響是災難性的。

（2）窯爐具有單獨的高溫澄清池，池內(nèi)玻璃液較淺，上下溫差小，玻璃液溫度更容易升高，氣泡更容易溢出，大幅提升了澄清質(zhì)量。

（3）火焰空間和玻璃液空間都形成了標準的山形溫度曲線，具有明顯熱點，均位于窯爐2/3處。山形溫度制度形成了熔化池內(nèi)外兩個環(huán)流，內(nèi)環(huán)流從熱點流向加料口，是由液面上純氧燃燒與電場共同形成的溫度最高點與配合料的熔化下降流共同形成，外環(huán)流則是由熱點下方的上升流與出口的生產(chǎn)流共同形成。內(nèi)環(huán)流流速較大，是玻璃液的主流。

（4）各對電極的作用：1#、2#對配合料進行熔化并澄清，電功率最高，受電流影響最大；3#強化熱點，從而強化大回流；對于池底溫度來說，3#池底熱電偶處溫度最高，電流密度最大，調(diào)整電流其影響也最大，這是其他池底溫度與3#不同步的主要原因；4#高溫澄清，以利于玻璃的二次均化，強制窯爐中未熔化好的玻璃液回流，從而避免未熔化好的玻璃液進入通道，產(chǎn)生氣泡、結(jié)石、條紋等玻璃缺陷。

[1]陳澤敬，郭印誠，滕建中，等.玻璃熔窯設計過程中的數(shù)學與物理模擬[J].天津城市建設學報,2002（4）：223—227.

[2]龐建，田英良，孫詩兵，等.玻璃電熔窯內(nèi)液流狀況物理模擬研究[C]//2009國際先進玻璃熔制技術研討會論文集.上?！弥袊杷猁}學會,2009.

[3]李海龍，封福明，王浩鵬，等.日熔化量15 t全電熔窯的數(shù)值模擬[C]//2011年全國玻璃科學技術年會.杭州∶中國硅酸鹽學會,2011.

[4]王剛，楊國洪，張峰，等.基于GFM軟件的玻璃窯爐數(shù)值模擬[J].成陽師范學院學報,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

國家科技支撐計劃（2013BAE03B02）

李青（1965—），女，教授級高工，研究方向為機械設計.