高鋁硼硅酸鹽玻璃用鉑金通道加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄭權(quán)， 李赫然， 李瑞佼， 王麗紅

(1.東旭集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050021；2. 平板顯示玻璃技術(shù)和裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050035)

0 引 言

電加熱屬于節(jié)能環(huán)保型加熱方式，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。目前，在TFT-LCD(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display薄膜晶體管液晶顯示器)基板玻璃生產(chǎn)制程中，用于熔融玻璃的窯爐，以電和氣加熱相結(jié)合[1-3]形式來實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃液的熔融；用于成形所需的馬弗爐、定形爐和退火爐的加熱同樣以電加熱的形式[4]來實(shí)現(xiàn)對(duì)其溫度的控制，進(jìn)而控制基板玻璃的品質(zhì)；連接窯爐與成形設(shè)備，用于玻璃液澄清、均化的鉑金通道[5]，也采取電加熱形式來實(shí)現(xiàn)對(duì)各區(qū)段溫度的加熱和溫度控制，以控制玻璃液粘度，滿足生產(chǎn)所需。

電加熱通過調(diào)功器與變壓器結(jié)合，以溫度檢測(cè)系統(tǒng)反饋檢測(cè)溫度，結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)鉑金通道的準(zhǔn)確加熱。通常鉑金通道的加熱形式及效率會(huì)因加熱溫度和鉑金通道本體結(jié)構(gòu)的不一樣而有所不同，其溫度控制精度直接影響半成品玻璃的品質(zhì)。目前，鉑金通道中電加熱方式為直接加熱與間接加熱同時(shí)使用[6]。鉑金是一種貴金屬材料[7]，對(duì)其所施加的電壓和電流均有著嚴(yán)格要求。傳統(tǒng)鉑金通道電加熱系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上存在缺陷，一方面為了保證生產(chǎn)正常，變壓器在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)留有較大的電壓和電流設(shè)計(jì)余量，造成變壓器檔位不合適，電能利用率降低；另一方面，在高溫條件下，傳統(tǒng)焊接熱電偶特性，在高溫環(huán)境下，會(huì)逐步氧化，溫度檢測(cè)失真，加熱回路紊亂，無法滿足對(duì)鉑金通道各區(qū)段溫度進(jìn)行精確控制。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，電加熱中變壓器和熱電偶的設(shè)計(jì)在不斷改進(jìn)[8]，設(shè)計(jì)適合鉑金通道電加熱系統(tǒng)所用的變壓器及熱電偶成為亟待解決的問題。

1 鉑金通道各區(qū)段作用及溫度要求

鉑金通道是基板玻璃生產(chǎn)過程中重要組成部分，主要負(fù)責(zé)將窯爐送來的經(jīng)熔化后富含氣泡的玻璃液進(jìn)行高溫澄清、均化、攪拌、冷卻后出送至成形區(qū)域[9-10]。鉑金通道采用鉑銠合金制成，根據(jù)功能不同，分為澄清段、攪拌段、冷卻段和供料段，其中受溫度影響較大的區(qū)段為澄清段和供料段，其溫度變化將影響最終玻璃品質(zhì)。

澄清段由冷卻法蘭和通道主管道構(gòu)成，主要起到玻璃液澄清、除泡的作用。澄清段通道本體的加熱借助兩側(cè)法蘭接電，引入電流流過通道，自身電阻產(chǎn)生熱能對(duì)鉑金本體進(jìn)行直接加熱。澄清段是鉑金通道溫度最高的區(qū)域，也是成品玻璃內(nèi)部鉑金顆粒缺陷主要形成的區(qū)域[11-12]。高鋁硼硅酸鹽玻璃液澄清溫度約1 550 ℃～1 700 ℃，而鉑金熔點(diǎn)約1 774 ℃，因此，精確控制此段溫度，減少溫度波動(dòng)和溫度梯度產(chǎn)生，延長澄清段鉑金通道壽命，提高最終玻璃制品的品質(zhì)。

供料段溫度在1 300 ℃～1 200 ℃之間，主要作用為控制玻璃液流量，對(duì)流量調(diào)整、控制，同時(shí)避免揮發(fā)冷凝的結(jié)石污染玻璃液，因此精確設(shè)定此段溫度，改變此區(qū)段的溫度梯度，可有效降低此類缺陷的產(chǎn)生。

所以，設(shè)計(jì)合理的鉑金通道電加熱控制系統(tǒng)是保證對(duì)通道各區(qū)段溫度精確控制的必要條件。溫度控制系統(tǒng)通過S型和B型熱電偶測(cè)量鉑金通道不同區(qū)段的溫度，并將測(cè)量溫度值與工藝設(shè)計(jì)值相比較。若存在偏差則由PLC(Programmable Logic Controller，即可編程邏輯控制器)通過PID(Proportion Integration Differentiation，即標(biāo)志碼傳輸包)算法對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行處理，然后輸送給調(diào)功器，調(diào)節(jié)功率大小，改變加熱溫度，使鉑金通道的溫度值接近或等于要求的溫度值。電加熱系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 鉑金通道電加熱溫度控制回路

圖2 PLC溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，PLC采用西門子PLCS7-417H冗余過程控制系統(tǒng)，以可編程控制器為核心，DCS工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為人機(jī)交互界面，配置各種I/O專用信號(hào)模塊和通訊模塊，將鉑金通道現(xiàn)場(chǎng)電偶溫度信號(hào)變送傳輸至PLC，通過PLC調(diào)整控制調(diào)功器輸出功率，通過增加或減小回路加熱功率，調(diào)節(jié)鉑金通道溫度內(nèi)部玻璃液溫度達(dá)到工藝要求的溫度值。PLC溫度控制圖如圖2所示。

2 鉑金通道加熱系統(tǒng)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)

鉑金通道的溫度檢測(cè)系統(tǒng)是電加熱系統(tǒng)中重要組成部分，對(duì)實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制有重要作用。在鉑金通道加熱過程中，通過測(cè)量設(shè)備得到通道的實(shí)時(shí)溫度。在反饋程序控制下，調(diào)節(jié)相應(yīng)的調(diào)功器開度，通知加熱電流，調(diào)整對(duì)通道的加熱，使通道溫度滿足工藝要求。

鉑金通道按照不同的溫度區(qū)域和功能分別有B型和S型(R型)熱電偶。B型和S型熱電偶都屬于貴金屬熱電偶，其材料以鉑、銠兩種金屬為主，測(cè)試溫度范圍為0～1 800 ℃，極大的適應(yīng)了生產(chǎn)溫度的變化。但在1 000 ℃以上高溫環(huán)境中，銠比鉑更易揮發(fā)，測(cè)量的溫度值會(huì)產(chǎn)生誤差，測(cè)量值通常比實(shí)際值偏小[13]。

圖3 穿透式熱電偶示意圖

為了實(shí)現(xiàn)精確控制通道溫度，降低貴金屬熱電偶老化，采用在鉑金通道上增加一個(gè)穿透鉑金管壁的非焊接式熱電偶。此結(jié)構(gòu)由一氧化鋁套管和一個(gè)B型熱電偶組成，通過溫度計(jì)算公式，計(jì)算通道各區(qū)段玻璃液的真實(shí)溫度，與測(cè)試的實(shí)際溫度進(jìn)行比較，然后對(duì)各數(shù)據(jù)控制值進(jìn)行修改、補(bǔ)充，達(dá)到精確控制溫度目的。具體示意圖如圖3所示。

圖4 鉑金通道溫度檢測(cè)原理圖

用于溫度控制的熱電偶信號(hào)經(jīng)變送后，通過隔離器分成兩路信號(hào)輸出。一路通過柜內(nèi)DCS AI模塊采集，一路以4 mA～20 mA信號(hào)送至各調(diào)功柜面板溫度顯示表。用于監(jiān)視的熱電偶信號(hào)經(jīng)變送后，通過柜內(nèi)DCS AI模塊采集。當(dāng)熱電偶發(fā)生故障或損壞時(shí)，DCS系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警，提醒操作人員及時(shí)進(jìn)行加熱模式的切換，以保證加熱負(fù)載的安全。鉑金通道的溫度檢測(cè)原理如圖4所示。

3 鉑金通道中的電加熱系統(tǒng)

為滿足上述各區(qū)段溫度要求，鉑金通道電加熱系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，基于變壓器的適配結(jié)構(gòu)、鉑金通道加熱模式及鉑金通道法蘭的結(jié)構(gòu)，將變壓器設(shè)置為兩類三規(guī)則，分別在變壓器的原邊或副邊使用抽頭結(jié)構(gòu)，通過組合抽頭，調(diào)整變壓器輸出的電壓，進(jìn)而精確控制鉑金負(fù)載的溫度。具體的方法為：根據(jù)鉑金通道的結(jié)構(gòu)、溫度等設(shè)計(jì)要求對(duì)于各區(qū)段的適配變壓器分成兩大類三種規(guī)格，鉑金通道電加熱設(shè)計(jì)的計(jì)算基礎(chǔ)公式[14]如下：

(1)根據(jù)使用材料的標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度系數(shù)表，由公式ρ2=ρ1×[1+α(Τ2-Τ1)]，計(jì)算設(shè)備在工作溫度Τ2下的電阻率值ρ2，其中：ρ1表示溫度為Τ1下的電阻率；α表示常溫狀態(tài)下鉑金材料的電阻溫度系數(shù)；Τ1表示溫度為0 ℃；Τ2表示設(shè)備的工作溫度；ρ2表示在不同溫度Τ2狀態(tài)下的電阻率。

(2)根據(jù)電阻的計(jì)算公式R鉑金=ρ2×L/S，可以計(jì)算出鉑金在工作溫度下的電阻R，其中：ρ2表示在溫度Τ2狀態(tài)下的電阻率；L表示導(dǎo)體的長度；S表示導(dǎo)體截面積。

(3)根據(jù)材料特性及使用的溫度，選擇鉑金材料在從常溫升溫至工作溫度時(shí)的電流密度J，J=1 A/mm～20 A/mm2，進(jìn)而計(jì)算在工作狀態(tài)下鉑金通道上產(chǎn)生的最大工作電流I最大=S×J；最大工作電壓U最大=I最大×R=S×J×R；最大功率P最大=U2/R。

(4)根據(jù)公式R銅排=L×0.005 Ω/m計(jì)算銅排的電阻值，其中L表示銅排長度，銅排接觸電阻R接觸=0.001 Ω/處，通過現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際安裝情況，變壓器的二次側(cè)電阻總計(jì)為R總=R銅排+R鉑金+R接觸。

(5)輸出電壓U2等于銅排電壓、接觸電壓與鉑金電壓之和，變壓器二次側(cè)電壓在此基礎(chǔ)上乘以系數(shù)1.1做校準(zhǔn)，變壓器的功率P=U二次側(cè)×I最大。

(6)根據(jù)電氣設(shè)計(jì)的原則，變壓器設(shè)計(jì)功率應(yīng)大于鉑金電加熱功率，調(diào)功器電流應(yīng)大于變壓器電流，調(diào)功器功率大于變壓器功率，從而可以得到加熱用調(diào)功器與變壓器的技術(shù)參數(shù)。

本設(shè)計(jì)中，針對(duì)直接電加熱變壓器，設(shè)置變壓器為A1和A2兩種規(guī)格，其輸出電流大小的設(shè)計(jì)是按最大值Imax和1/2Imax進(jìn)行設(shè)計(jì)，變壓器結(jié)構(gòu)采用原邊側(cè)抽頭結(jié)構(gòu)，并同時(shí)配備檔位切換開關(guān)；

對(duì)于間接電加熱變壓器，設(shè)計(jì)副邊具有6-10組降壓線圈，借助于移相式功率調(diào)節(jié)器串聯(lián)組合與間接加熱用鉑金絲或鉑金板匹配形成間接加熱裝置。具體設(shè)計(jì)值如下。

3.1 直接加熱

為滿足鉑金通道負(fù)載所需，在設(shè)計(jì)直接電加熱變壓器的時(shí)候，選擇變壓器為單相干式隔離型，變壓器鐵芯磁通密度必須小于或等于1.3 T/cm2，其變壓器一側(cè)電壓安裝無負(fù)荷手動(dòng)檔位切換開關(guān)，二次輸出電壓的改變通過一次側(cè)檔位的切換實(shí)現(xiàn)，根據(jù)鉑金通道不同溫度要求，設(shè)計(jì)6 000 A和3 000 A兩種規(guī)格電流，滿足各區(qū)段溫度，設(shè)計(jì)了3個(gè)原邊繞組，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)原邊電壓檔位分別為760 V，507 V，380 V，副邊線圈的輸出電壓是10 V。當(dāng)供電電壓是380 V，在副邊可得到5 V、7.5 V和10 V三個(gè)不同的輸出電壓，通過上述P=U二次側(cè)×I最大計(jì)算公式得出變壓器的輸出功率在60%～90%區(qū)間，滿足生產(chǎn)需求。具體的電路圖如圖5所示。

圖5 直接加熱變壓器電路圖

通過以上設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)對(duì)鉑金通道直接加熱，測(cè)量精度控制在±0.03%。

3.2 間接加熱

用于間接加熱的變壓器采用變壓器二次側(cè)抽頭的結(jié)構(gòu)，二次側(cè)分成幾種不同的輸出電壓模式，設(shè)計(jì)原邊為380 V供電，副邊電流為30 A，根據(jù)上述計(jì)算公式及鉑金通道不同加熱溫度要求，得出副邊電壓抽頭的檔位為0 V、10 V、25 V、40 V、60 V。通過副邊不同抽頭組合，可以得到10 V、15 V、20 V、25 V、30 V、35 V、40 V、50 V、60 V九個(gè)檔位，變壓器輸出功率在60%～90%區(qū)間，以滿足對(duì)鉑金通道壁的間接加熱，滿足加熱工藝要求。具體電路圖如圖6所示。

圖6 間接加熱變壓器電路圖

兩類加熱形式以直接加熱形式為主，間接加熱輔助直接加熱，用于對(duì)不規(guī)則區(qū)域的通道位置進(jìn)行加熱，兩種形式共同作用，控制鉑金通道溫度，滿足生產(chǎn)工藝要求。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)利用抽頭結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)加熱變壓器為兩類三規(guī)格形式，減少變壓器規(guī)格，輸出多種電壓，對(duì)可實(shí)現(xiàn)功率適配選擇調(diào)整在變壓器滿載負(fù)荷的60%～90%區(qū)間輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉑金通道的精確加熱。采用非焊接式熱電偶，在鉑金通道徑向穿過一個(gè)套管，在套管中設(shè)置熱電偶，實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃液溫度的準(zhǔn)確檢測(cè)，測(cè)量精度達(dá)±0.03%。該加熱系統(tǒng)避免溫度波動(dòng)產(chǎn)生鉑金缺陷，提高了基板玻璃的生產(chǎn)良率。本系統(tǒng)可適用大部分貴金屬加熱系統(tǒng)中，尤其對(duì)我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高世代液晶基板玻璃技術(shù)攻關(guān)具有重要的借鑒意義。

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