許世清 武林雨 孫亞明 佟連杰 劉世民

（1. 燕山大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 秦皇島 066004；2. 河北省超白功能玻璃材料技術(shù)創(chuàng)新中心（河北南玻） 廊坊 065605；3. 宜昌南玻光電玻璃有限公司 宜昌 443007）

0 引言

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，產(chǎn)品更新周期愈來愈短，企業(yè)對(duì)新技術(shù)的需求更加迫切，而以有限元/有限體積為基礎(chǔ)的工程仿真技術(shù)是提升產(chǎn)品質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的一項(xiàng)有效手段，廣泛使用于機(jī)械制造、材料加工、航空航天、汽車和科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域。

在玻璃行業(yè)，由于玻璃生產(chǎn)過程中高溫和封閉的特殊性，很難直接對(duì)內(nèi)部的液流和物理性能進(jìn)行直接測(cè)量，在此背景下，工程仿真在玻璃行業(yè)的應(yīng)用技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。它具有靈活多變、速度快、費(fèi)用省等許多優(yōu)點(diǎn)，可以克服現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與物理模型的一些不足，越來越受到國(guó)內(nèi)外行業(yè)研究人員的重視。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提高以及仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，能夠?qū)?shí)際生產(chǎn)線進(jìn)行理論性的指導(dǎo)以及對(duì)投產(chǎn)前期設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)。工程仿真不會(huì)受真實(shí)生產(chǎn)條件的約束，可以通過對(duì)大幅度工藝參數(shù)調(diào)整的工藝進(jìn)行仿真，甚至對(duì)極端條件實(shí)現(xiàn)計(jì)算，進(jìn)而預(yù)測(cè)研究對(duì)象的變化趨勢(shì)；同時(shí)還能暴露出原系統(tǒng)中隱藏的細(xì)節(jié)問題，使問題能夠及時(shí)解決。

1 工程仿真在玻璃行業(yè)中的應(yīng)用

1.1 火焰空間

在浮法玻璃的生產(chǎn)過程中，一般分為橫火焰和馬蹄焰兩種窯爐結(jié)構(gòu)，但不論是哪種結(jié)構(gòu)，其在物料和玻璃液上部進(jìn)行燃燒時(shí)，發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的燃燒氣體產(chǎn)物。而對(duì)于火焰空間而言，最受關(guān)注的是溫度和氣流的分布。通過工程仿真的方式能夠直觀的看到火焰空間內(nèi)部任意位置的溫度分布和氣流流動(dòng)狀況，并且通過對(duì)燃料和助燃?xì)怏w的調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度、氣流和尾氣排放的調(diào)控和優(yōu)化。圖1為浮法熔窯中火焰空間的工程仿真分析。圖1（a）為火焰空間網(wǎng)格劃分后的模型圖，圖1（b）為空間各小爐中心截面和火焰空間底部截面氣流的矢量圖。

圖1 浮法熔窯中火焰空間的工程仿真分析

1.2 窯內(nèi)玻璃液流的工程仿真分析與驗(yàn)證

1.2.1 窯內(nèi)主體液流的工程仿真分析與驗(yàn)證

目前，在解決大型池窯熔化玻璃的過程中，由于玻璃液在高溫狀態(tài)下的高黏度和低流速特性以及對(duì)應(yīng)窯型結(jié)構(gòu)及其輔助措施的特殊性，使得玻璃液流的合理流動(dòng)特征還有很多尚未清晰的科學(xué)問題。為了實(shí)現(xiàn)熔化的高效節(jié)能和玻璃液均化穩(wěn)定的雙重目標(biāo)，就必須掌握熔融的浮法玻璃液在熔窯中的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。

采用工程仿真的手段，可以明確在一定條件下窯內(nèi)玻璃液流的溫度、流速等相關(guān)分布狀態(tài)，同時(shí)還可以獲得窯內(nèi)液流的流動(dòng)規(guī)律以及相關(guān)的能耗情況。通過對(duì)窯內(nèi)液流流動(dòng)狀態(tài)的分析，可以明確液流的合理性，并通過對(duì)相關(guān)工藝參數(shù)的微調(diào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)液流的調(diào)控和優(yōu)化。

圖2是對(duì)能夠流出熔窯的各流層的玻璃液與窯內(nèi)各環(huán)流的分布特征對(duì)應(yīng)情況、各環(huán)流的流量分布情況以及與條紋圖像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系的驗(yàn)證性研究結(jié)果。通過對(duì)熔窯出口處各層液流所占比例的分析，獲得當(dāng)前生產(chǎn)條件下液流的均勻性，并與條紋圖像進(jìn)行相互印證。

圖2 熔窯出口各層玻璃液的來源及其與條紋圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系 ［1］

1.2.2 不同成分玻璃液在窯內(nèi)的分配與差異

對(duì)于一個(gè)平板玻璃熔窯而言，為了適應(yīng)多變的市場(chǎng)需求，經(jīng)常會(huì)對(duì)產(chǎn)品的顏色和品種進(jìn)行切換。對(duì)于厚度品種的變化，一般情況下都是拉引量不變，通過調(diào)整錫槽拉邊機(jī)的參數(shù)來進(jìn)行調(diào)控，因此，熔窯內(nèi)的液流不會(huì)產(chǎn)生太大的變化，但對(duì)于顏色品種的變化，一般是通過增加著色劑或控制原料中鐵離子含量來進(jìn)行的調(diào)控。對(duì)于這類品種的變化，涉及到了玻璃液本體性能上的改變，進(jìn)而在導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、黏度等相關(guān)物理參數(shù)上發(fā)生了變化，導(dǎo)致整體液流在窯內(nèi)流動(dòng)趨勢(shì)的變化，見圖3。

圖3 普白（a）和超白（b）條件下窯內(nèi)中心截面溫度分布云圖

圖3為相同熔窯及工藝條件下，普白浮法與超白浮法玻璃在窯內(nèi)中心截面溫度分布云圖的對(duì)比。從圖3中可以看出，整體玻璃液面的溫度變化趨勢(shì)基本一致，主要的不同在于隨窯深方向溫度梯度的變化。超白條件下玻璃液溫度隨窯深變化溫差梯度較大而普白較小，即超白玻璃配方條件對(duì)應(yīng)玻璃液的傳熱性能更好，因此對(duì)應(yīng)池底的溫度會(huì)有明顯升高。通過工程仿真的計(jì)算，能夠獲取超白相對(duì)于普白玻璃液池底處溫度的差異，進(jìn)而為窯爐耐火材料的選擇提供科學(xué)的參考依據(jù)。

圖4為普白和超白條件下支線液流的來源分布圖。

圖4 普白和超白條件下主線和支線液流的來源分布

從支線液流的來源分析，普白和超白的流動(dòng)方式也基本相近，區(qū)別在于：超白條件下支線出口的中間靠上部分液流是由熔化部和卡脖直接提供，屬于第一第二循環(huán)的液流，而在邊部以及靠下部分玻璃液是由通路兩側(cè)與池壁長(zhǎng)時(shí)間接觸的液流以及部分主線工作部的回流，屬于第三循環(huán)的液流。因此對(duì)于普白支線液流，均勻性較好的液流在上層及中部，均勻性較差的液流在下層及邊部。在普白條件下，支線玻璃液的來源中由熔化部和卡脖直接提供的液流較少，主要由通路邊部以及主線工作部的第三環(huán)流區(qū)提供，因此對(duì)于超白支線液流，其上下層及中部與邊部均勻性的差異不大。

對(duì)于不同成分玻璃液在相同熔窯中的液流變化及分布規(guī)律，可以通過工程仿真的方式明確直觀的獲得，并且在掌握其主體相關(guān)規(guī)律后，通過對(duì)工藝參數(shù)的匹配性微調(diào)，便可以為不同成分玻璃液在轉(zhuǎn)變過程中提供有價(jià)值、有科學(xué)依據(jù)的參考。

1.3 相關(guān)輔助設(shè)施的仿真與優(yōu)化

為了在熔窯中獲得更好的玻璃液質(zhì)量，提高其熔化和均化效果，一般會(huì)在窯內(nèi)施加相關(guān)的輔助設(shè)施，其中包括熔化區(qū)輔助電極、鼓泡、冷卻水包與攪拌。鼓泡有干式和水冷式；水包有插入式和潛入式；攪拌有垂直和水平，相對(duì)于不同的輔助設(shè)施，還對(duì)應(yīng)著不同的工藝參數(shù)，如位置、深度、轉(zhuǎn)速、氣量等。通過工程仿真的方式能夠直觀獲取相關(guān)輔助設(shè)施對(duì)玻璃液的作用效果，進(jìn)而對(duì)相關(guān)的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到輔助設(shè)施之間以及輔助設(shè)施與玻璃液流之間的最佳匹配。圖5為不同輔助設(shè)施條件下的仿真效果。

圖5 不同輔助設(shè)施條件下的仿真效果［2-3］

1.4 錫槽內(nèi)玻璃液成形及保護(hù)氣體分布的工程仿真與優(yōu)化

玻璃液離開熔窯進(jìn)入錫槽后，受到錫液的浮拋和拉邊機(jī)的牽引作用而逐漸成形。在此過程中，玻璃液在唇磚處的流淌、攤開、玻璃帶的拉薄以及保護(hù)氣體的分布情況等，對(duì)后續(xù)產(chǎn)品的厚薄差、波紋度、滲錫量以及表觀質(zhì)量等方面有直接的影響。通過工程仿真的方式可以對(duì)相關(guān)工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，保證玻璃產(chǎn)品的成形工藝制度穩(wěn)定。

圖6為玻璃液流經(jīng)唇磚到達(dá)錫液面過程中的攤開過程，以及玻璃液在流淌過程中的分析與驗(yàn)證。通過對(duì)不同工藝條件和尺寸設(shè)計(jì)下玻璃液的工程仿真過程，可以對(duì)當(dāng)前條件下主流玻璃液和濕背流的流動(dòng)分配狀態(tài)，及其對(duì)后續(xù)成形過程的影響進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，同時(shí)也可以對(duì)唇磚與濕背磚的寬度比例、唇磚高度、形狀等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為穩(wěn)定的成形和退火提供前提條件。

圖6 玻璃液流經(jīng)唇磚的攤開過程以及玻璃液在流淌過程中的分析與驗(yàn)證［4-5］

圖7為錫槽內(nèi)部空間保護(hù)氣體的分區(qū)分配圖。通過工程仿真的計(jì)算可以明確錫槽空間內(nèi)部保護(hù)氣體中，N2和 H2的分布和流動(dòng)狀態(tài)，判斷當(dāng)前狀態(tài)下保護(hù)氣體分布是否合理，并且可以通過對(duì)空間和水包的調(diào)整，優(yōu)化氣體的分布情況，進(jìn)而優(yōu)化玻璃的滲錫量，減少錫液氧化后對(duì)玻璃帶底部的劃傷，提高玻璃產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

圖7 錫槽內(nèi)保護(hù)氣體的分區(qū)分配與優(yōu)化［6］

1.5 玻璃退火過程與應(yīng)力的工程仿真與優(yōu)化

玻璃帶在完成成形過程離開錫槽后，將會(huì)進(jìn)入退火窯進(jìn)行應(yīng)力的消除。對(duì)于常規(guī)厚度的退火過程而言，由玻璃帶入到退火窯中的熱量充足，因此需要足夠的窯內(nèi)風(fēng)管的冷卻風(fēng)對(duì)玻璃帶進(jìn)行降溫，進(jìn)而調(diào)控應(yīng)力；然而對(duì)于超薄玻璃而言，本身蓄熱能力差，帶入到退火窯中的熱量不足，為了保證合適的退火工藝，則需要在退火窯內(nèi)安置大量的電加熱來對(duì)溫度進(jìn)行精密調(diào)控。

采用工程仿真的方式，將退火窯的工藝參數(shù)作為邊界條件進(jìn)行計(jì)算，可以獲得退火窯內(nèi)玻璃帶以及加熱/散熱裝置的溫度分布情況，退火窯空間的氣體流動(dòng)情況，以及溫度分布下所對(duì)應(yīng)的玻璃帶應(yīng)力分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃韌性的調(diào)制，進(jìn)而提高冷端切裁良率和產(chǎn)品的韌性。圖8為退火窯端面的溫度和氣流分布情況，以及玻璃帶在退火窯A/B區(qū)的端面應(yīng)力分布情況。

圖8 退火窯端面的溫度和氣流分布以及玻璃帶在退火窯A/B區(qū)的端面應(yīng)力分布［7-8］

2 結(jié)語

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，企業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量性能提升的需求更加迫切，而工程仿真技術(shù)是提升產(chǎn)品質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的一項(xiàng)有效手段，同時(shí)也是對(duì)玻璃生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行深度認(rèn)識(shí)和改善工藝過程非常實(shí)用和有效的技術(shù)手段。