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作者:林志強 (2014-07-10);推薦:徐業良(2015-12-16)

附註:本文為102學年度元智大學機械工程研究所林志強碩士論文「量子玻管燒結封口最佳化」第三章。

第三章 以三種氣體燃燒作燒結封口實驗與分析

本章增加低壓風於混合氣體中進行燃燒實驗,與第二章的兩種混合氣體氣體最佳化值作一比較首先概述加入低壓風的優缺點與實驗目的,接著說明實驗流程與方法,最後以實驗結果作溫度與低壓風關係圖作分析將其結果與上章結論作比較,並討論何者為此規格玻管的燒結封口最佳化流量設計值

3.1    混合氣加入低壓風的優缺點

由第二章的實驗可知,由燃料丙烷與助燃氣體氧氣所組成的兩種混合氣點燃後可以進行玻管的燒結封口作業,然兩種體混合燃燒所產生的火焰缺點為外焰尾端會有向上飄逸的情況,此時的燃燒溫度會產生較大的震盪幅度。此種火焰的不穩定性應用在大尺寸的材料加工可較被忽略,但運用在小尺寸材料加工且外型及尺寸有一定限制時,容易造成製程上的不穩定。例如運用於顯示器背光模組發光組件的CCFL(冷陰極燈管),其最大的外徑僅在5~8mm左右,早期從事此種小尺寸背光燈管的燒結封口作業也是僅使用丙烷與氧氣,後發現有此一缺點後加入了低壓風空氣,對火焰溫度不穩定性有明顯改善。

3-1為加入低壓風前後火焰外觀的改變。低壓風的優點為有效抑制火外焰尾端向上飄逸的情況利用壓縮空氣將火焰向外帶出此時火焰的長度會增加且尾端較切齊於中心線上由於外焰被集中後在被加工物位置點上有減少熱量流失及幫助溫度上升的特性且溫度較為穩定更有助於丙烷及氧氣供給量的降低;缺點則為低壓風的流量有一定的限制若在大於一定混合氣比例會導致火焰被吹熄因此本章的實驗除了加上低壓風來作燒結封口實驗外也一併將低壓風的流量限制作一討論。

3-1 火焰於低壓風加入前後比較

3.2    實驗目的

本章實驗為探討混合氣加入低壓風後對玻管燒結溫度的影響,並找出最佳化值流量,同時針對此流量所花費的成本與穩定性與第二章實驗作比較。本章實驗的設計需求同第二章如下

(1)       設計需求一降低燃料成本

維持降低燃料成本的訴求,加入低壓風後成本如式(1)

                     (1)

(2)       設計需求二無不良品產出

無不良品產出為生產製造的基本需求。同規格材質的玻管在燒結封口時熔融的溫度是相同的僅加入低壓風後對丙烷與氧氣的流量有所影響但其良品的溫度可行區間維持不變是故可行區間溫度同於第二章實驗2所得到

加入低壓風實驗仍應滿足此兩設計需求除探討三種混合氣體在溫度可行區間的流量關係與成本外並另再對三種混合氣體火焰與第二章二種氣體火焰的溫度穩定作靈敏度之穩定性分析為本章的實驗目的

3.3    實驗流程與方法

本章實驗流程方法說明如下

(1)       以兩種混合氣體最佳化流量參數為實驗流量起始值開啟低壓風

利用第二章實驗所求得的兩種混合氣體最佳化流量值fC3H8=43 ml/minfO2=165 ml/min作為本章實驗的起始數值,再開啟低壓風逐步向上增加搜尋玻管受熱溫度的良品可行區間。搜尋實驗的方法分別調整流量搜尋此處僅變動fC3H8fAir兩個變數fO2維持不變以往生產經驗中得知加入低壓風後會幫助溫度的提升,但值得注意的是兩種混合氣體最佳化流量值fC3H8=43 ml/minfO2=165 ml/min的溫度由第二章的圖2-13成本函數切線交點為860°C是該溫度可行區間的下限溫度,也就是說再追加低壓風流量燃燒後溫度只會上升再將流量往上調整已無意義,因此把fC3H8的流量向下調整搜尋低流量之fC3H8可達溫度可行區間又可兼具設計需求一之降低燃料成本需求。此外如表2-2實驗所示可以發現同為1 ml/min之流量增加fC3H8對溫度幫助的效益遠比增加fO2來得大又因fO2的燃料成本為fC3H84.5因此實驗不變動fO2的流量選擇變動fC3H8的流量做實驗搜尋

(2)       良品溫度可行區間實驗與紀錄

(3)       繪製溫度與低壓風流量關係圖

單就低壓風對於溫度的影響繪製關係圖並標註已知溫度可行區間860~890°C

(4)       三種混合氣體最佳化流量參數分析

以實驗結果圖形來分析與探討出三種混合氣體的最佳化流量值

3.4    實驗條件

方法同於第二章實驗條件僅流量起始條件變更為如下,:丙烷(fC3H8)43 ml/min

A.        氧氣(fO2)165 ml/min

B.         低壓風(fAir)0 ml/min

3.5    實驗結果與分析

fC3H8的流量值分別以2 ml/min 向下作遞減及fAir流量值由0~300 ml/min50 ml/min作一區間分析實驗得到的結果如表3-1所示

3-1. 溫度區間搜尋實驗(3)

項目

1

2

3

4

5

6

7

fC3H8

37

37

37

37

37

37

37

fO2

165

165

165

165

165

165

165

fAir

0

50

100

150

200

250

300

溫度範圍值

773~790

791~806

820~834

837~847

856~861

872~877

0

溫度級距

17

15

14

10

5

5

0

溫度平均值

782

796

826

845

858

874

熄滅

不良率

100%

100%

100%

100%

80%

0%

100%

流量比例

1:4.5:0

1:4.5:1.4

1:4.5:2.7

1:4.5:4

1:4.5:5.4

1:4.5:6.8

1:4.5:8.1

fAir 佔百分比

0.0%

19.8%

33.1%

42.6%

49.8%

55.0%

59.8%

項目

8

9

10

11

12

13

14

fC3H8

39

39

39

39

39

39

39

fO2

165

165

165

165

165

165

165

fAir

0

50

100

150

200

250

300

溫度範圍值

805~825

816~832

835~847

854~864

873~879

885~889

0

溫度級距

20

16

12

10

6

4

0

溫度平均值

813

826

841

861

877

887

熄滅

不良率

100%

100%

100%

50%

0%

30%

100%

流量比例

1:4.2:0

1:4.2:1.3

1:4.2:2.6

1:4.2:3.9

1:4.2:5.1

1:4.2:6.4

1:4.2:7.7

fAir 佔百分比

0.0%

19.7%

32.9%

42.4%

49.5%

55.1%

59.2%

項目

15

16

17

18

19

20

21

fC3H8

41

41

41

41

41

41

41

fO2

165

165

165

165

165

165

165

fAir

0

50

100

150

200

250

300

溫度範圍值

836~856

846~858

860~872

883~893

897~903

909~915

915~921

溫度級距

20

12

12

10

6

6

6

溫度平均值

845

852

868

887

901

912

917

不良率

100%

100%

10%

20%

0%

0%

0%

流量比例

1:4:0

1:4:1.2

1:4:2.4

1:4:3.7

1:4:4.9

1:4:6.1

1:4:7.3

fAir 佔百分比

0.0%

19.5%

32.7%

42.1%

49.3%

54.8%

59.3%

項目

22

23

24

25

26

27

28

fC3H8

43

43

43

43

43

43

43

fO2

165

165

165

165

165

165

165

fAir

0

50

100

150

200

250

300

溫度範圍值

850~867

867~880

887~902

904~916

923~931

928~936

935~942

溫度級距

17

13

15

12

8

8

7

溫度平均值

862

875

897

912

927

933

938

不良率

40%

0%

70%

100%

100%

100%

100%

流量比例

0.0

1:3.8:1.2

1:3.8:2.3

1:3.8:3.5

1:3.8:4.7

1:3.8:5.8

1:3.8:6.9

fAir 佔百分比

0.0%

19.4%

32.5%

41.9%

49.0%

54.6%

59.1%

項次以流量的高低依序排列可以發現在加入低壓風以後發生了以下幾個變化

(1)       第二章兩種混合氣體最佳化值產生了40 %的不良品

第二章再推論出最佳化流量值後在此項次22實驗得到了驗證原依等高線圖形之切點理想流量產生的溫度應在860°C但出現了40%的不良品而且其溫度最低出現在850°C溫度的變化級距有17°C其原因在於未加入低壓風時的中性焰外焰是呈些許向上飄逸情況此種火焰在燒結玻管時導致溫度的變化量大而變得不穩定因此可以說明理論最佳化流量值在溫度可行區間下限邊界時並不是一個很穩定的流量值。為了避免產生不良品而造成鉅大的成本損失,應將最佳化流量值定位在於一個「強健」的設計而並非在於一個「最小值」的設計

(2)       低壓風的流量值所占比例越大則溫度變化溫度變化的級距越小

由每一個項次來作觀察可以發現,在未添加低壓風時的溫度變化級距最高有20°C但隨著低壓風的逐步添加溫度變化級距開始縮小由項次26在低壓風添加比例最低於49.0 %時溫度變化縮減至10°C以下而觀察fC3H837394143 ml/min時以37 ml/min的項次56溫度變化級距最小在低壓風所佔比例49.8 %時只有5°C且平均溫度值為實驗項目裡同比例的fAir中最低。由此數據可知低壓風所佔的流量百分比比例在49%以上時溫度變化較小且較穩定在溫度越高的流量組合(如fC3H8: 43 ml/minfO2: 165 ml/minfAir: 0~300 ml/min)時溫度變化的級距越大

(3)       火焰熄滅

當低壓風流量添加到在某個比例時會導致火焰熄滅因此針對熄滅的流量作一整理與補充實驗如表3-2所示

3-2. 熄滅流量整理

熄滅流量整理

項目

1

2

3

4

fC3H8

37

39

41

43

fO2   

165

165

165

165

fAir

300

300

330

340

流量比例

1:4.5:8.1

1:4.2:7.7

1:4:8

1:3.8:7.9

fAir 佔百分比

59.8%

59.2%

61.6%

62.0%

補充了項次34的實驗獲得了以fC3H837394143 ml/minfO2 ml/minfAir添加熄滅流量整理。由表中可以看到fAir的所佔總流量百分比約在59 %以上時有導致火焰熄滅的情況發生,因此由此實驗結果建議低壓風的流量添加應不得大於總流量百分比59%

由此實驗結果可以整理出,火焰混合氣添加低壓風於燒結封口作業時的流量合適添加範圍為

(4)       繪製溫度與低壓風流量關係圖

由表3-1的結果繪製溫度與低壓風流量關係圖fC3H8fO2fAir的流量分為四個群組將群組內的fAir流量為X玻管受熱溫度為Y再將良品溫度可行區間以紅線標示範圍。如圖3-2所示

3-2. 溫度與低壓風流量關係圖

(5)       三種混合氣體最佳化流量參數分析

在良品溫度可行區間範圍內可以先觀察到A為無低壓風時最佳化流量值(fC3H8: 43 ml/minfO2: 165 ml/minfAir: 0 ml/min)溫度平均值為862°C位於可行區間下限40%的不良率此點的值並非強健的最佳化流量值。強健的最佳化流量值應在溫度可行區間的中間位置,而不趨近於區間範圍的上下限、且無不良品產生,因此在藍線群組內以點B (fC3H8: 43 ml/minfO2: 165 ml/minfAir: 50 ml/min)優於點A但又觀察到綠線群組內的點C (fC3H8: 39 ml/minfO2: 165 ml/minfAir: 200 ml/min)同樣為強健的最佳化設計點,點B與點C流量於玻管受熱溫度皆在良品溫度可行區間範圍的中間值為了比較兩點值何者為最佳化流量設計值在此做了下面兩點比較

A.        首先帶入設計需求一的降低燃料成本需求式(1)計算比較

        B成本

    C成本

結果為點B的成本少於點Cml/min 0.0295以設計需求一來說點B優於點C

B.         溫度差異級距比較

由表3-1可以看到點B的溫度變化級距為13°CC的溫度變化級距為6°C關鍵在於由(2)的結論中低壓風的流量建議應在49%以上溫度變化差異較小由於溫度變化級距差異過大將有可能使玻管受熱溫度不穩定而有產生不良品的風險在故以溫度差異級距穩定性來考量為點C優於點B

總結以上兩點一個強健的最佳化設計點應將設計穩定度考量優先於成本考量因為每支此規格的量子玻管成本約為100若產生不良品的損失成本將遠大於浪費的氣體流量成本因此最終還是以穩定性的表現選擇點C (fC3H8: 39 ml/minfO2: 165 ml/minfAir: 200 ml/min)做為強健的最佳化設計流量

3.6    成本效益分析

最後將第二章的結果與本章的最佳化強健設計流量成本與優缺點作整理於表3-3

3-3. 流量值成本效益與優缺點分析

 

fC3H8  (ml/min)

fO2
(ml/min)

fAir
(ml/min)

總成本
(
)

節省成本

優缺點

兩種氣體
最佳化最小值流量

43

165

0

11.16

18.2%

溫度不穩定
有產生不良品風險

三種氣體
最佳化強健型流量

39

165

200

11.22

17.8%

溫度穩定
不易產生不良品

三種氣體
經驗參數流量

37

204

132

13.65

0%

成本太高

雖然最小值的流量設計為減少一氣體且最節省燃料成本,但溫度差異級距過大而造成不穩定有不良品產生,因此在玻管尺寸規格: 2.8 mm(寬)´1.6 mm(厚)´ 0.4 mm(管壁厚)´1000 mm()的產品製作中選擇三種混合氣體的最佳化強健設計流量fC3H8: 39 ml/minfO2: 165 ml/minfAir: 200 ml/min為最佳化流量設計此最佳化設計流量統一導入在產線流量設定上優點為可節省17.8%的成本與縮短操作人員調整時間及無不良品產生將可幫助公司大幅的提升產能稼動率與毛利率