微晶玻璃核化晶化炉热工制度的优化方法

摘要

本发明公开了一种微晶玻璃核化晶化炉热工制度的优化方法，包括以下步骤：1)各项实际热处理炉工艺参数的采集；2)模型的设计及计算；3)经过上述步骤，通过设定实际热处理炉工艺参数，计算出微晶玻璃面板制品在炉内任何位置的温度，从而确定微晶玻璃制品在核化段、晶化段的停留时间。采用本发明的方法能获得核化晶化的最佳工艺条件，最终实现微晶玻璃面板生产的低成本与节能降耗。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微晶玻璃核化晶化炉热工制度优化的方法，目的在于实现微晶玻璃面板生产的低成本与节能降耗。

背景技术

微晶玻璃由于具有优越的结构和性能，因此被广泛用于低成本的厨房用具、能抵抗高温冲击的蒸煮器皿等家用微晶玻璃产品等，已成为新一代家用消费品的代表。家用微晶玻璃面板类产品主要有平面光滑的烘箱盖及炉顶板、微波炉的加热盘和内部壳体、电磁炉灶面板或燃气灶的炉灶台面、防火门和炉壁窗口及各种炊具等。微晶玻璃面板作为电器配套的关键部件，其强度、热膨胀性、耐高温、耐冷热骤变、光泽度、细密度和使用后的色彩持久度等性能都直接决定了电器的性能及档次；而降低原料成本及能耗能提高面板的性价比和市场竞争力，并降低下游电器产品的生产成本。

在微晶玻璃面板生产工艺中，熔制和热处理(即核化晶化)是两个高温过程，也是面板生产中能源消耗最大的两个工序。其中，在LAS微晶玻璃的热处理工艺上，目前的热处理制度没有区分核化及晶化过程，直接在晶化隧道炉中进行热处理，温度大多在950℃～1050℃，停留时间10小时～12小时。根据玻璃晶化用隧道窑的热工计算方法估算，核化、晶化温度每增加50℃，核化、晶化时间每延长0.5小时，燃料消耗分别增加1.5％～2.5％和0.5％～1.5％。可见，优化热处理工艺已成为微晶玻璃面板生产中节能降耗的关键环节之一。

关于锂铝硅系玻璃陶瓷，在公开号CN 1306946A、1495144A、1054957A、1607191A、1333194A、1005710B、1486947A、1054957A、1597586A、专利号97104801.0等各个公报中，公开了锂铝硅系微晶玻璃及其制造方法。上述专利集中在控制晶粒尺寸、提高微晶玻璃的热膨胀系数、机械强度等性能方面，没有涉及微晶玻璃面板的节能降耗。分析认为，制造上述微晶玻璃时，没有涉及核化晶化炉热工制度优化的内容。另外，微晶玻璃面板的热处理工艺大多围绕微晶玻璃的结构及性能来确定，基本上没有考虑晶化炉的能源消耗，也未见热处理条件的优化与晶化炉热工制度的优化相结合来降低热处理过程能耗问题的报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种微晶玻璃核化晶化炉热工制度优化的方法，采用该方法能获得核化晶化的最佳工艺条件，最终实现微晶玻璃面板生产的低成本与节能降耗。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种微晶玻璃核化晶化炉热工制度的优化方法，包括以下步骤：

1)、各项实际热处理炉工艺参数的采集：

微晶面板的长宽高分别为：L、W、H；微晶面板进入炉子的速度V；微晶面板密度ρ、比热系数为c、热传导系数为λ、逐步校正系数Γ_内确定为0.8，而系统校正系数Γ_外确定为1；

2)、模型的设计及计算：

a、假设炉子的长度为L，等分为n段，所述n值可设、但必须满足小于15；每一段的距离La都是相同的，并且段内的温度是线性分布的；每个线性区间设有一个测温点；

b、设定进入炉内的制品部分长为X，此时制品的温度为T，当制品再往前运动了Δx距离时，假设制品升温Δt，当微晶玻璃面板制品移动到第一个场景，即制品未完全进入炉内时，根据制品前端位置，计算出在以后的移动Δx距离时，制品的吸热量Q_总，并计算出制品升高的温度Δ；取步长Δx的值为0.001米，当制品每移动一个步长，X＝X+Δx，T＝T+Δt，可以根据X的位置计算出制品温度T；

c、设定进入制品头部距离区间左端为X，此时制品的温度为T，当制品再往前运动了Δx距离时，假设制品升温Δt；当微晶玻璃面板制品移动第二个场景，即制品处于炉子一个线性区间内时，计算出在以后的移动Δx距离时，制品的吸热量Q_总，由此也能计算出制品升高的温度Δt；取步长Δx的值为0.001米，当制品每移动一个步长，X＝X+Δx，T＝T+Δt，由此，可以根据X的位置计算出制品温度T；

d、设定进入制品头部距离左边区间左端为X，此时制品的温度为T，当制品再往前运动了Δx距离时，假设制品升温Δt；当微晶玻璃面板制品移动第三个场景，即制品处于炉子两个线性区间内时，计算出在以后的移动Δx距离时，制品的吸热量Q_总，也能计算出制品升高的温度Δt；取步长Δx的值为0.001米，当制品每移动一个步长，X＝X+Δx，T＝T+Δt，由此，可以根据X的位置计算出制品温度T；

e、根据上述计算程序步骤，给出所需的制品与炉子的所有参数，制品的温度与它所处的位置成函数关系T＝Γ_外f(X)；只要给出位置X，就可以得到它的温度T；

3)、经过上述步骤，通过设定实际热处理炉工艺参数，计算出微晶玻璃面板制品在炉内任何位置的温度，从而确定微晶玻璃制品在核化段、晶化段的停留时间。

采用本发明的方法，对于不同的玻璃制品，根据各自的核化晶化最佳工艺参数，优化制品的运动速度和升温速度，调整核化晶化炉的加热段，控制各段的长度、温度，经过结构和性能优化，达到核化晶化炉的最佳制度匹配，最终实现微晶玻璃面板生产的低成本与节能降耗。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是制品刚开始进入炉子时的示意图；

图2是制品离开炉子时的示意图；

图3是第一个场景，即制品未完全进入炉内时的示意图；

图4是第二个场景，即制品处于炉子一个线性区间内时的示意图；

图5是第三个场景，即制品处于炉子两个线性区间内时的示意图；

图6是本发明的计算流程框图。

具体实施方式

本发明的微晶玻璃核化晶化炉热工制度的优化方法，具体是通过以下的技术方案来实现的：

(1)假设条件：

①制品具有长方体形状，并且长宽高可测；

②整个制品是均匀的，每个部分的各种物理性能都一致；

③核化晶化炉可以均匀的等分为n段(n值可设，但小于15)，每一段的距离都是相同的，并且段内的温度是线性分布的；

④制品的长度小于炉子等分后每一段的长度；

⑤制品进入核化晶化炉后，制品的表面温度与接触的炉内空气温度相同；

⑥由于制品是在一个相对密封的环境里，制品的传热方式只考虑传导传热，不计辐射或对流传热；

⑦制品为无孔隙固体材料，制品的整体温度一致；

⑧制品进入核化晶化炉的运动速度恒定。

(2)模型及计算机软件：

①使用条件

此模型及软件用于计算制品在核化晶化炉内加热的温度。它从制品的头部刚开始进入炉子开始计算，当制品头部要离开炉子时，终止计算。制品刚开始进入炉子示意图如图1所示，制品离开炉子示意图如图2所示。

②参数设定

制品的长宽高分别为：L、W、H，制品进入炉子的速度V，密度ρ，比热系数为c，热传导系数为λ。

炉子的等分后每一段的长度为La。

③场景分析

制品在进入炉子的过程可以分为三个场景。

A第一个场景为制品未完全进入炉内时，具体如图3所示：

可以设定进入炉内的制品部分长为X，此时制品的温度为T，当制品再往前运动了Δx距离时，假设制品升温Δt。

(其中Q_总是制品运动Δx过程中的吸热量，M是制品质量，C是比热)

M＝L*W*H*ρ(其中L、W、H分别为制品长宽高，ρ是密度)

可见，Δt与Q_总成正比关系，其他变量为已知量。

制品的总吸热量是前端吸热及两个侧面、顶底面吸热量的总和(忽略后端放热)。

Q_总＝2*Q_侧+Q_前+Q_顶+Q_底

其中：

Q_顶＝Q_底＝q₁F₁τ(q₁为单位时间单位面积的吸热量，F₁吸热表面积，τ吸热时间)

F₁＝X*W，τ＝Δx/V。

而根据长方形物体的热力学方程：

$q_1=\frac{\lambda }{{\delta }_1}{\mathrm{\Delta T}}_1$(其中λ是导热系数，δ₁是传热距离，ΔT₁是两个传热面之间的温度差)传热系数λ已知，由于顶部与底部都吸热，所以传热距离δ₁＝H/2，由于炉内温度是线性分布的，所以可以计算X位置温度t_x＝t₀+X*(t₁-t₀)/La，而制品表面的平均温度计算可得T_1均＝(t₀+t_x)/2，制品表面与制品内部的温度差ΔT₁＝T_1均-T。

Q_侧＝q₂F₂τ(q₂为单位时间单位面积的吸热量，F₂吸热表面积，τ吸热时间)

其中：F₂＝X*H，τ＝Δx/V。而根据长方形物体的热力学方程：

$q_2=\frac{\lambda }{{\delta }_2}{\mathrm{\Delta T}}_2$(其中λ是导热系数，δ₂是传热距离，ΔT₂是两个传热面之间的温度差)

传热系数λ已知，由于两个侧面都吸热，所以传热距离δ₂＝W/2，由于炉内温度是线性分布的，所以可以计算X位置温度t_x＝t₀+X*(t₁-t₀)/La，而制品表面的平均温度计算可得T_2均＝(t₀+t_x)/2，制品表面与制品内部的温度差ΔT₂＝T_2均-T。

Q_前＝q₃F₃τ(q₃为单位时间单位面积的吸热量，F₃吸热表面积，τ吸热时间)

其中：F₂＝W*H，τ＝Δx/V。而根据长方形物体的热力学方程：

$q_3=\frac{\lambda }{{\delta }_3}{\mathrm{\Delta T}}_3$(其中λ是导热系数，δ₃是传热距离，ΔT₃是两个传热面之间的温度差)

传热系数λ已知，传热距离δ₃＝X，由于炉内温度是线性分布的，所以可以计算X位置温度t_x＝t₀+X*(t₁-t₀)/La，制品表面与制品内部的温度差ΔT₃＝t_x-T。

由于计算存在假设条件，所以与实际不可避免存在误差，所以在吸热过程中引入一个系统循环内校正系数Γ_内，则

由以上计算可知，只要知道制品前端位置，就能计算出在以后的移动Δx距离时，制品的吸热量Q_总，由此也能计算出制品升高的温度Δt。用计算机模拟制品在炉内的加温过程，只要步长Δx足够小，那么模拟的结果值将很精确。取步长Δx的值为0.001米，当制品每移动一个步长，X＝X+Δx，T＝T+Δt，由此，可以根据X的位置计算出制品温度T。

B第二个场景为制品处于炉子一个线性区间内，具体如图4所示：

可以设定进入制品头部距离区间左端为X，此时制品的温度为T，当制品再往前运动了Δx距离时，假设制品升温Δt。

(其中Q_总是制品运动Δx过程中的吸热量，M是制品质量，C是比热，Γ_内是校正系数)

M＝L*W*H*ρ(其中L、W、H分别为制品长宽高，ρ是密度)

Δt与Q_总成正比关系，其他变量为已知量。

制品的总吸热量是前后端吸热及两个侧面、顶底面吸热量的总和(忽略后端放热)。

Q_总＝2*Q_侧+Q_前+Q_后+Q_顶+Q_底

其中：Q_顶＝Q_底＝q₁F₁τ(q₁为单位时间单位面积的吸热量，F₁吸热表面积，τ吸热时间)

F₁＝L*W，τ＝Δx/V。而根据长方形物体的热力学方程：

$q_1=\frac{\lambda }{{\delta }_1}{\mathrm{\Delta T}}_1$(其中λ是导热系数，δ₁是传热距离，ΔT₁是两个传热面之间的温度差)

传热系数λ已知，由于顶部与底部都吸热，所以传热距离δ₁＝H/2，由于炉内温度是线性分布的，所以可以计算前端位置温度t_H＝t_K+X*(t_K+1-t_K)/La，后端位置温度t_T＝t_K+(X-L)*(t_K+1-t_K)/La而制品表面的平均温度计算可得T_1均＝(t_H+t_T)/2，制品表面与制品内部的温度差ΔT₁＝T_1均-T。

Q_侧＝q₂F₂τ(q₂为单位时间单位面积的吸热量，F₂吸热表面积，τ吸热时间)其中：F₂＝L*H，τ＝Δx/V。而根据长方形物体的热力学方程：

$q_2=\frac{\lambda }{{\delta }_2}{\mathrm{\Delta T}}_2$(其中λ是导热系数，δ₂是传热距离，ΔT₂是两个传热面之间的温度差)

传热系数λ已知，由于两个侧面都吸热，所以传热距离δ₂＝W/2，由于炉内温度是线性分布的，所以可以计算前端位置温度t_H＝t_K+X*(t_K+1-t_K)/La，后端位置温度t_T＝t_K+(X-L)*(t_K+1-t_K)/La而制品表面的平均温度计算可得T_2均＝(t_H+t_T)/2，制品表面与制品内部的温度差ΔT₂＝T_2均-T。

Q_前＝q₃F₃τ(q₃为单位时间单位面积的吸热量，F₃吸热表面积，τ吸热时间)其中：F₃＝W*H，τ＝Δx/V。而根据长方形物体的热力学方程：

$q_3=\frac{\lambda }{{\delta }_3}{\mathrm{\Delta T}}_3$(其中λ是导热系数，δ₃是传热距离，ΔT₃是两个传热面之间的温度差)

传热系数λ已知，传热距离δ₃＝L/2，由于炉内温度是线性分布的，所以可以计算前端位置温度t_H＝t_K+X*(t_K+1-t_K)/La，制品表面与制品内部的温度差ΔT₃＝t_H-T。

Q_后＝q₄F₄τ(q₄为单位时间单位面积的吸热量，F₄吸热表面积，τ吸热时间)其中：F₄＝W*H，τ＝Δx/V。而根据长方形物体的热力学方程：

$q_4=\frac{\lambda }{{\delta }_4}{\mathrm{\Delta T}}_4$(其中λ是导热系数，δ₄是传热距离，ΔT₄是两个传热面之间的温度差)

传热系数λ已知，传热距离δ₄＝L/2，由于炉内温度是线性分布的，所以可以计算前端位置温度t_T＝t_K+(X-L)*(t_K+1-t_K)/La，制品表面与制品内部的温度差ΔT₄＝t_T-T。

由以上计算可知，只要知道制品前端位置，就能计算出在以后的移动Δx距离时，制品的吸热量Q_总，由此也能计算出制品升高的温度Δt。用计算机模拟制品在炉内的加温过程，只要步长Δx足够小，那么模拟的结果值将很精确。取步长Δx的值为0.001米，当制品每移动一个步长，X＝X+Δx，T＝T+Δt，由此，可以根据X的位置计算出制品温度T。

C第三个场景为制品处于炉子两个线性区间内，具体如图5所示：

可以设定进入制品头部距离左边区间左端为X，此时制品的温度为T，当制品再往前运动了Δx距离时，假设制品升温Δt。

(其中Q_总是制品运动Δx过程中的吸热量，M是制品质量，C是比热，Γ_内是校正系数)

M＝L*W*H*ρ(其中L、W、H分别为制品长宽高，ρ是密度)

Δt与Q_总成正比关系，其他变量为已知量。

制品的总吸热量是前后端吸热及两个侧面、顶底面吸热量的总和(忽略后端放热)。

Q_总＝2*Q_侧+Q_前+Q_后+Q_顶+Q_底

其中：

Q_顶＝Q_底＝q₁F₁τ+q₂F₂τ(q₁、q₂分别为在制品在左区间与右区间单位时间单位面积的吸热量，F₁、F₂分别为左右区间吸热表面积，τ吸热时间)

又其中：F₁＝(La+L-X)*W，F₂＝(X-L)*W，τ＝Δx/V。而根据热力学方程：

$q_1=\frac{\lambda }{{\delta }_1}{\mathrm{\Delta T}}_1$$q_2=\frac{\lambda }{{\delta }_2}{\mathrm{\Delta T}}_2$(其中λ是导热系数，δ₁、δ₂是传热距离，ΔT₁、ΔT₂是两个传热面之间的温度差)

传热系数λ已知，由于顶部与底部都吸热，所以传热距离δ₁＝δ₂＝H/2，由于炉内温度是线性分布的，所以可以计算前端位置温度t_H＝t_K+1+(X-La)*(t_K+2-t_K+1)/La，后端位置温度t_T＝t_K+(X-L)*(t_K+1-t_K)/La，从而制品在左右两个区间内的表面平均温度计算可得T_1均＝(t_T+t_K+1)/2，T_2均＝(t_H+t_K+1)/2，制品表面与制品内部的温度差ΔT₁＝T_1均-T，ΔT₂＝T_2均-T。

Q_侧＝q₃F₃τ+q₄F₄τ(q₃、q₄分别为在制品在左区间与右区间单位时间单位面积的吸热量，F₃、F₄分别为左右区间吸热表面积，τ吸热时间)

其中：F₃＝(La+L-X)*W，F₄＝(X-L)*W，τ＝Δx/V。而根据热力学方程：

$q_3=\frac{\lambda }{{\delta }_3}{\mathrm{\Delta T}}_3$$q_4=\frac{\lambda }{{\delta }_4}{\mathrm{\Delta T}}_4$(其中λ是导热系数，δ₃、δ₄是传热距离，ΔT₃、ΔT₄是两个传热面之间的温度差)，传热系数λ已知，由于顶部与底部都吸热，所以传热距离δ₃＝δ₄＝W/2，由于炉内温度是线性分布的，所以可以计算前端位置温度t_H＝t_K+1+(X-La)*(t_K+2-t_K+1)/La，后端位置温度t_T＝t_K+(X-L)*(t_K+1-t_K)/La，从而制品在左右两个区间内的表面平均温度计算可得T_3均＝(t_T+t_K+1)/2，T_4均＝(t_H+t_K+1)/2，制品表面与制品内部的温度差ΔT₃＝T_3均-T，ΔT₄＝T_4均-T。

Q_前＝q₅F₅τ(q₅为单位时间单位面积的吸热量，F₅吸热侧面积，τ吸热时间)

其中：F₅＝W*H，τ＝Δx/V。而根据长方形物体的热力学方程：

$q_5=\frac{\lambda }{{\delta }_5}{\mathrm{\Delta T}}_5$(其中λ是导热系数，δ₅是传热距离，ΔT₅是两个传热面之间的温度差)

传热系数λ已知，传热距离δ₅＝X-La，由于炉内温度是线性分布的，所以可以计算前端位置温度t_H＝t_K+1+(X-La)*(t_K+2-t_K+1)/La，制品表面与制品内部的温度差ΔT₅＝t_H-T。

Q_后＝q₆F₆τ(q₆为单位时间单位面积的吸热量，F₆吸热侧面积，τ吸热时间)

其中：F₆＝W*H，τ＝Δx/V。而根据长方形物体的热力学方程：

$q_6=\frac{\lambda }{{\delta }_6}{\mathrm{\Delta T}}_6$(其中λ是导热系数，δ₆是传热距离，ΔT₆是两个传热面之间的温度差)传热系数λ已知，传热距离δ₆＝La+L-X，由于炉内温度是线性分布的，所以可以计算后端位置温度t_T＝t_K+(X-L)*(t_K+1-t_K)/La，制品表面与制品内部的温度差ΔT₄＝t_T-T。

由以上计算可知，只要知道制品前端位置，就能计算出在以后的移动Δx距离时，制品的吸热量Q_总，由此也能计算出制品升高的温度Δt。用计算机模拟制品在炉内的加温过程，只要步长Δx足够小，那么模拟的结果值将很精确。取步长Δx的值为0.001米，当制品每移动一个步长，X＝X+Δx，T＝T+Δt，由此，可以根据X的位置计算出制品温度T。

由于实际的环境与模拟环境还是具有一定的差异，所以软件不仅提供一个系统循环内部修正系数Γ_内，参与每一个步长循环计算，还提供了一个外部修正系数Γ_外，上述分析可知，温度与位置成某一函数关系T＝f(X)，现对温度修正T＝Γ_外f(X)，Γ_外可设。

④综合分析

由算法分析可知，只要能给出所需的制品与炉子的所有参数，则制品的温度与它所处的位置成函数关系T＝Γ_外f(X)。只要给出位置，就可以得到它的温度。

(3)热处理参数确定

模拟计算时，微晶玻璃制品以专利号为ZL 200510061240.3的含氟磷玻璃陶瓷为例。

A比热：工业上实用玻璃比热的计算，主要采用以下公式计算平均比热C_p的经验公式：

C_p＝∑f_iC_i

式中：C_p-平均比热，f_i-组分i的重量分数。C_i-为计算系数。经计算，ZL200510061240.3玻璃陶瓷平均比热C_p为823.05J/kg·K。

B导热系数：玻璃陶瓷的导热系数采用巴里赫尔公式计算：

λ_p＝∑f_iK_i

式中：λ_p-平均比热，f_i-组分i的重量分数。K_i-为计算系数。经计算，ZL200510061240.3玻璃陶瓷平均导热系数为2.331J/m·s·K。

C核化晶化炉：核化晶化炉共长60米，有16个测温点，均等分段。

D制品尺寸：根据多层堆码的要求，确定玻璃的长、宽、高等尺寸。

E体积密度：经检测，ZL200510061240.3玻璃陶瓷为2.5×10³kg/m³。

F运动速度：根据核化晶化时间工艺参数，确定玻璃在炉内的停留时间，并就此计算出玻璃陶瓷的运动速度。一般设定停留时间为12h，即运动速度为0.00139m/s。

G其他参数：由于在传热方式中忽略了辐射传热和对流传热，只考虑传导传热，所以将逐步校正系数确定为0.8，而系统校正系数确定为1。

(4)计算过程

计算过程如图6所示。

(5)热工制度优化结果

经过模型计算或模拟，得到核化晶化炉的热工制度：

(1)从模拟计算看出，尺寸为0.3×0.3×0.2m³的制品在炉内25～35m之间的温度分布在610～760℃之间，根据运动速度5m/h，制品在25～35m的停留时间为2小时，温度正好留在核化期间，这一阶段进行玻璃的核化。可见，对于ZL 200510061240.3玻璃陶瓷来说，核化段的温度偏高，时间偏长。

(2)在40～50m之间的温度达到840～887℃，根据运动速度5m/h，制品在40～50m的停留时间为2小时，温度正好留在晶化期间，这一阶段进行玻璃的晶化。可见，对于ZL 200510061240.3玻璃陶瓷来说，对于含AB玻璃来说比较适宜。

(3)从制品尺寸对温度影响的模拟分析看出，制品在高度上温度变化大于在宽度上的变化，那么在设计多层堆码时，应充分控制层数对制品温度的影响，目前现场的制品在截向上多排并行，已充分利用了宽度上制品温度变化不敏感这一特点。

(4)制品在炉内的运动速度一方面与制品的核化晶化时间有关，即根据不同的玻璃制品决定不同的运动速度，另一方面，与升温速度有关，运动速度快，升温速度就慢，制品温度降低，可能导致无法完成晶化过程，而且过快的升温速度使玻璃形成温度梯度而产生太高应力，导致玻璃破裂；过慢的速度则导致核化晶化过程中晶体过分长大，影响结构和性能，而且降低生产效率，提供成本。所以，采用5m/h的运动速度，使玻璃升温速度达到3℃/min是比较适宜的。

分析认为，对于不同的玻璃制品，根据各自的核化晶化最佳工艺参数，优化制品的运动速度和升温速度，调整核化晶化炉的加热段，控制各段的长度、温度，经过结构和性能优化，达到核化晶化炉的最佳制度匹配。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。