離線Low-E鍍膜生產(chǎn)線真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅松松,張超群

(中國建材國際工程集團(tuán)有限公司,蚌埠 233018)

離線Low-E鍍膜生產(chǎn)線真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅松松,張超群

(中國建材國際工程集團(tuán)有限公司,蚌埠 233018)

真空系統(tǒng)是離線Low-E鍍膜生產(chǎn)線的基礎(chǔ),其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響鍍膜質(zhì)量。該文通過對離線Low-E鍍膜生產(chǎn)線真空系統(tǒng)的分析,得出相關(guān)真空系統(tǒng)最佳配置方案及設(shè)計(jì)方法。

Low-E鍍膜; 真空系統(tǒng); 真空設(shè)計(jì)

Low-E鍍膜玻璃由于其具有優(yōu)良的光學(xué)性能和節(jié)能效果,加之在國家綠色節(jié)能政策的引導(dǎo)下,近年來得到大力的發(fā)展,廣泛地用于建筑及汽車的擋風(fēng)玻璃,但更多的與普通玻璃組合成中空玻璃使用,既保護(hù)膜層又增加隔熱效果,低輻射鍍膜中空玻璃是目前公認(rèn)的節(jié)能效果最佳的建筑用玻璃[1]。Low-E鍍膜玻璃性能的優(yōu)劣取決于鍍膜生產(chǎn)線的好壞,離線鍍膜生產(chǎn)線相比在線鍍膜生產(chǎn)線具有生產(chǎn)的鍍膜玻璃質(zhì)量穩(wěn)定可靠、成品率高以及膜系多樣化的優(yōu)點(diǎn)[2],占有國內(nèi)Low-E鍍膜的絕大部分市場。離線Low-E鍍膜是通過磁控濺射原理,在真空環(huán)境中用荷能粒子去轟擊靶材,從而引起靶材表面原子沉積在玻璃表面的鍍膜工藝[3]。其中,真空環(huán)境是磁控濺射鍍膜的基礎(chǔ),同時(shí)影響著鍍膜質(zhì)量。所以,想要生產(chǎn)出性能優(yōu)良的鍍膜玻璃產(chǎn)品的基礎(chǔ)是性能穩(wěn)定可靠的真空系統(tǒng)。

1 離線Low-E鍍膜生產(chǎn)線真空系統(tǒng)分析

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

離線Low-E鍍膜生產(chǎn)線一般采用7段式,即進(jìn)片鎖室(C1)、進(jìn)片緩沖室(C2)、進(jìn)片過渡室(C3)、鍍膜室(C4)、出片過渡室(C5)、出片緩沖室(C6)和出片鎖室(C7)。

進(jìn)/出片室(C1/C7):位于鍍膜腔體的兩端,兩端分別和大氣與緩沖室相連,起進(jìn)片和出片的作用。氣壓在每個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)在大氣和真空狀態(tài)之間不斷交換,本底真空度可達(dá)1×10-2mbar,工作壓強(qiáng)為0.4 mbar,屬于低真空范圍。

緩沖室(C2/C6):兩端分別和進(jìn)/出片室和過渡室相連,主要起進(jìn)/出片室和工藝鍍膜室之間的過渡連接作用。其氣壓介于進(jìn)/出片室和過渡室之間,本底真空度可達(dá)1×10-5mbar,工作壓強(qiáng)為2×10-3mbar,屬于中高真空范圍。

過渡室(C3/C5):主要起玻璃從高速到低速進(jìn)入鍍膜室和玻璃從低速到高速離開鍍膜室的過渡銜接作用,與鍍膜室(C4)相通,且過渡室內(nèi)部由于隔板的作用,使得氣壓成階梯狀降低。

鍍膜室(C4):工藝鍍膜的腔室,其本底真空度可達(dá)＜5×10-6mbar,工作壓強(qiáng)為3×10-3mbar,屬于高真空范圍。

大氣與進(jìn)/出片鎖室(C1/C7)之間,進(jìn)/出片鎖室(C1/C7)與緩沖室(C2/C6)之間、緩沖室(C2/C6)與過渡室(C3/C5)之間均設(shè)置有真空閥板將不同功能的腔室的真空度分開,并配備有獨(dú)立的抽真空系統(tǒng)。由于過渡室和鍍膜段之間無真空閥板,故可共用一套真空系統(tǒng)。Low-E鍍膜玻璃表面是由5層以上不同材料的膜層組成,玻璃基板在鍍膜段需經(jīng)過多種靶材的濺射沉積,各磁控濺射室由于靶材和氣氛都不相同,為避免相鄰濺射鍍膜井位氣氛互串,采用在不同靶材濺射鍍膜井位之間加裝氣體隔離裝置且配有相應(yīng)的分子泵能很好的起到氣體隔離的作用。

1.2 真空系統(tǒng)的組成

真空系統(tǒng)是用來獲得具有一定真空度要求的抽氣系統(tǒng)。離線Low-E鍍膜生產(chǎn)線真空系統(tǒng)由以下幾部分組成:

1)真空獲得設(shè)備:用來獲得一定真空度的各種真空泵,如旋片泵、羅茨泵、干式螺桿泵、磁懸浮分子泵等。

2)真空閥門:用來改變氣流方向以及隔斷或者接通真空管路的真空系統(tǒng)元件,包括角閥、蝶閥等。

3)真空管路:抽真空的通道,多采用不銹鋼無縫鋼管。

4)真空測量元件:用來測量各級精度真空度的真空元件,同時(shí)測量信號用來參與系統(tǒng)控制,包括皮拉尼規(guī)、電離規(guī)、電容薄膜規(guī)、真空開關(guān)等。

5)真空密封元件:采用O型圈和雙層密封條的靜密封形式以及磁流體的動密封形式。

6)真空捕集器:用以捕集腔室內(nèi)部的水分子和油分子,利用低溫(-135℃)使之凝結(jié)在冷凝盤管表面。

7)控制系統(tǒng):主要由控制柜、控制系統(tǒng)、電源柜、PLC與工控機(jī)、上位監(jiān)控機(jī)以及光電開關(guān)等組成;控制系統(tǒng)采用可編程控制器進(jìn)行現(xiàn)場整體控制。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)對鍍膜生產(chǎn)線的工藝過程進(jìn)行系統(tǒng)控制。

8)外圍附件:如冷卻水、壓縮空氣、真空檢漏設(shè)備等,用于為真空系統(tǒng)提供服務(wù)。真空系統(tǒng)具體組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可見,除C3、C4、C5三段腔室共用一套真空系統(tǒng)外,其余各段腔室都有獨(dú)立的真空系統(tǒng)。每套真空系統(tǒng)都有獨(dú)立的控制程序,可通過終端控制設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)的控制。同時(shí),終端控制電腦可實(shí)時(shí)顯示真空系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),且具有報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)功能。

2 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

離線Low-E鍍膜玻璃生產(chǎn)線真空系統(tǒng)包括低真空系統(tǒng)(進(jìn)/出片室)、中高真空系統(tǒng)(緩沖室)以及高真空系統(tǒng)(鍍膜室)。一般低真空系統(tǒng)采用機(jī)械泵或者機(jī)械前級泵+羅茨泵組成的串聯(lián)系統(tǒng)給真空室排氣,中真空系統(tǒng)采用機(jī)械前級泵+羅茨泵組成的串聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空,中高真空系統(tǒng)和高真空系統(tǒng)一般主泵選用分子泵、串聯(lián)羅茨泵+機(jī)械泵組成的真空泵抽系統(tǒng)進(jìn)行抽氣。

2.1 設(shè)計(jì)流程和注意事項(xiàng)

離線Low-E鍍膜生產(chǎn)線真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)按照以下程序進(jìn)行[4]:

1)真空室已知參數(shù)的確定和放氣總量的計(jì)算。

2)確定真空室的有效抽速。

3)選泵和配泵。

4)真空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):包括選擇合適的真空閥門、管道和測量元件等。

5)繪制真空系統(tǒng)裝配圖。

以上幾條是真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可缺少的,但在真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中還應(yīng)注意以下幾個(gè)問題:

1)真空泵抽設(shè)備和真空腔室之間以及各級真空泵之間的連接管道應(yīng)盡量做到抽氣管路短、管道流導(dǎo)大,且管道直徑不小于泵口直徑;同時(shí)需要考慮安裝和檢修的方便。

2)防止泵的震動對真空系統(tǒng)的影響,需在相應(yīng)的管道和泵以及和腔體連接處加裝波紋管,同時(shí)需注意真空泵支腳的固定,以防振動引起真空泵的偏移。

3)便于檢修和檢漏,實(shí)際的生產(chǎn)過程中會經(jīng)常檢漏,為快速準(zhǔn)確的找到漏點(diǎn),應(yīng)避免真空接頭的密集布置并盡量減少接頭的數(shù)量。

4)真空系統(tǒng)應(yīng)盡量避開水源,防止濺水造成的損壞,尤其注意真空測量元件應(yīng)遠(yuǎn)離水源。5)真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在保證排氣可靠穩(wěn)定的前提下,需做到拆卸維修容易、操作方便以及較高的互換性。6)從泵排出的氣體應(yīng)盡量引出車間,尤其是鍍膜段排出的氣體中含有金屬粉塵,對人體有一定的危害。7)電氣控制要做到系統(tǒng)內(nèi)的聯(lián)鎖保護(hù),一旦出現(xiàn)故障要求能夠盡量保護(hù)設(shè)備,尤其對貴重件的保護(hù),如分子泵。

8)外圍配套裝置的穩(wěn)定可靠,尤其是真空泵冷卻系統(tǒng)以及壓縮空氣系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的服務(wù)。一旦停水、停氣將直接造成真空泵的停機(jī)或者真空閥門的關(guān)閉,最終導(dǎo)致整個(gè)真空系統(tǒng)的停機(jī)故障,給生產(chǎn)帶來較大的麻煩和損失。

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算舉例

現(xiàn)以進(jìn)/出片室真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行舉例說明,其余類同。

2.2.1 進(jìn)出片室已知參數(shù)

真空室容積:2 m3,真空室及內(nèi)置物表面積:100 m2,預(yù)計(jì)抽空時(shí)間:60 s,起始壓強(qiáng):1 013 mbar,終止壓強(qiáng):0.4 mbar,本底壓強(qiáng):4×10-2mbar。真空室內(nèi)表面放氣率與結(jié)構(gòu)材料、溫度、壓強(qiáng)和抽氣時(shí)間有關(guān),一般采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)值:5×10-7mbar·s-1·cm-2。

2.2.2 主泵的選型計(jì)算

由于進(jìn)/出片室工作壓強(qiáng)從大氣壓到0.4 mbar循環(huán)變化,極限真空為4×10-2mbar,屬于低真空抽氣階段,同時(shí)要求該主泵具有耐大氣沖擊的能力,此階段抽氣通常用羅茨泵來完成。

1)粗算主泵抽速 大多數(shù)真空泵的抽速都隨其入口壓強(qiáng)的變化而變化,尤其是機(jī)械真空泵,由于進(jìn)/出口室屬低真空室,且排氣量大,可將泵的抽速看做近似常抽速。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可求得主泵對真空室出口所造成的有效抽速為

其中:Se為主泵對真空室出口所造成的有效抽速(L/s);V為真空室的容積(L);t為抽到終止壓力所需的時(shí)間(s);P1′為抽氣開始時(shí)真空室內(nèi)的壓強(qiáng)(Pa);P2″為抽氣結(jié)束時(shí)真空室內(nèi)的壓強(qiáng)(Pa);Pu為真空室內(nèi)的極限壓強(qiáng)。

將進(jìn)/出片室各參數(shù)代入式(1)計(jì)算

由于選泵前真空室出口到主泵入口間的管道未知,其流導(dǎo)也未知,故主泵的抽速無法計(jì)算。此時(shí),可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算其中:Ks為主泵到真空室出口的抽速損失系數(shù)。

當(dāng)主泵到真空室之間不采用捕集器時(shí),Ks=1.3～1.4。選取Ks=1.4,代入式(2)計(jì)算得:

由于隨著壓力的變化,實(shí)際羅茨泵的抽速會受到一定的影響,不可能以滿抽速運(yùn)行,故其最大抽速必定大于1 335.6 m3/h。據(jù)泵廠家選型樣本,可定出主泵抽速在2 000 m3/h左右為宜。

2)驗(yàn)算抽氣時(shí)間 進(jìn)/出片室抽氣時(shí)間可按低真空近似常抽速時(shí)計(jì)算

由于羅茨泵隨著壓力的變化,抽速在不斷的變化,故實(shí)際抽空時(shí)間要稍大于40 s,但我們要求的抽空時(shí)間是60 s,所以存在15 s左右的余量可作為快速抽空儲備。圖2為通過軟件分析計(jì)算得出的進(jìn)/出口室泵抽速率曲線,從圖2中可以看出配備主泵抽速在2 000 m3/h時(shí),從大氣狀態(tài)抽到0.4 mbar的時(shí)間為45 s,這和我們上述計(jì)算結(jié)果一致。

3)前級泵的配置 羅茨泵作為主泵時(shí),前級泵的抽速可根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式選取

其中:S1為羅茨泵的抽速,m3/h;S2為機(jī)械泵作為前級泵的抽速,m3/h。

將羅茨泵的抽速S1代入式(4)計(jì)算,得:S2=(0.1～0.5)×2 000=200～1 000(m3/h)。

由于進(jìn)出口室壓強(qiáng)是從大氣壓到幾十帕的范圍,其排氣量很大。前級泵在經(jīng)過低真空管道時(shí)抽速要損失,且羅茨泵對氣體的壓縮比較小,故前級機(jī)械泵需要選擇較大的抽速。

2.3 真空系統(tǒng)配置圖

根據(jù)上述的步驟和方法,我們最終得出離線Low-E鍍膜生產(chǎn)線真空系統(tǒng)布置圖(60 s方案)如圖3所示。

進(jìn)出片室:750的旋片泵+2001的羅茨泵+真空規(guī)、閥門、管道等(各2組)。

緩沖室:300的旋片泵+1001的羅茨泵+2臺2300的分子泵(并聯(lián))+真空規(guī)、閥門、管道等(各1組)。

鍍膜段:630的干泵+2臺2001的羅茨泵(并聯(lián))+若干臺2300的分子泵(并聯(lián))+真空規(guī)、閥門、管道等。

3 結(jié) 語

真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞是離線Low-E鍍膜生產(chǎn)線能否生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)鍍膜玻璃的重要影響因素。該文通過對離線Low-E鍍膜生產(chǎn)線真空系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)計(jì)算,得出一套完整的離線Low-E鍍膜生產(chǎn)線真空系統(tǒng)配置方案(60 s方案),并找出一套真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,為后續(xù)真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考。

[1] 張義武,劉志海.Low-E玻璃現(xiàn)狀及趨勢[J].玻璃,2012,39(3):38-40.

[2] 劉欣向.在線與離線Low-E玻璃的比較和選擇[J].玻璃,2004,31(6):60-62.

[3] 漢斯·瓊徹·格雷瑟.大面積玻璃鍍膜[M].董 強(qiáng),譯.上海:上海交通大學(xué)出版社,2006.

[4] 張以忱.真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2013.

Vacuum System Design of Off-line Low-E Coating Line

LUO Song-song,ZHANG Chɑo-qun
(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Bengbu 233018,China)

Vacuum system is the basis of off-line Low-E coating line,its design directly affects the quality of coating.This paper finds the best configuration scheme and design method by the analysis of vacuum system of off-line Low-E coating line.

Low-E coating; vacuum system; vacuum design

2014-06-23.

羅松松(1983-),工程師.E-mail:luoss@ctiec.net

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.010