浮法玻璃一窯兩線數(shù)學模擬及生產(chǎn)應用

引言當前浮法玻璃生產(chǎn)線正在面臨的問題：既要保證排放符合國家和地方的相關標準，同時還要滿足目前多變的多品種市場需求。大噸位的浮法玻璃熔窯能夠提高熱量的利用率、節(jié)約能耗、降低排放，而一窯多線的生產(chǎn)方式則能夠滿足多品種的市場需求，因此，大型浮法玻璃熔窯的一窯多線生產(chǎn)是目前平板玻璃產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整的一種優(yōu)選方法。本文以窯內(nèi)熔融玻璃液作為研究對象，采用三維多物理場耦合的工程仿真方式，對一窯兩線浮法玻璃熔窯內(nèi)玻璃液的流動規(guī)律進行分析，并對窯型結構及相關輔助設施進行優(yōu)化，完成不同支線玻璃液的選擇性分配和調(diào)控技術，從而實現(xiàn)了不同支線抽取不同品質(zhì)的玻璃液用于成形，進而實現(xiàn)一窯多品種的生產(chǎn)。一窯兩線特點一窯兩線的生產(chǎn)方式并不陌生，大多使用在傳統(tǒng)的垂直引上和壓延玻璃的生產(chǎn)過程中。浮法工藝一窯兩線的生產(chǎn)對液流的要求較高，同時還需要兼顧工程施工和操作的可行性。（1）一窯兩線工藝優(yōu)點。兩條支線共用一個熔化澄清部，節(jié)省了再建熔化部的空間和資金。

通過對液流的合理分配和調(diào)控，可以實現(xiàn)不同支線生產(chǎn)不同厚度品種和等級的產(chǎn)品，柔性制造，且能夠縮短過渡期。通過不同支線對玻璃液的分流，降低了工作部稀釋風的用量，節(jié)約風機的載荷，降低了能耗。減少了廢氣排放的總量，減輕了脫硫脫硝的負擔，解決了污染物排放問題。（2）一窯兩線生產(chǎn)難點。窯型結構設計：因為兩條支線共用一個熔化部，兩條支線的液流互相制約，互相影響，設計不合理會影響所有支線。輔助設施匹配性：鼓泡、卡脖水包和攪拌器是浮法玻璃生產(chǎn)中常用的助熔與強制均化的輔助設施，如果各設施使用不當，輕則影響玻璃質(zhì)量，重則影響窯爐壽命。支線結構設計：各支線之間的間距、長短、寬窄等因素不單影響著玻璃液的質(zhì)量，還會對后續(xù)的成形、退火和冷加工造成一定影響。

工藝參數(shù)匹配性：各支線冷卻部的稀釋風量，若設計或調(diào)整不當，可能會引起玻璃液的流道溫度偏差，造成生產(chǎn)困難。液流調(diào)控技術在一窯兩線生產(chǎn)方式中的應用（1）一窯兩線結構的選擇。一窯兩線，即一個熔窯對應兩條生產(chǎn)線，在熔窯處產(chǎn)生分支，而分支的方式一般有兩種，一種為對稱型，另一種為非對稱型，如圖1所示。兩種不同的生產(chǎn)方式，其液流的分配方式也各有特點。如圖1（a）的對稱型結構，在此結構下玻璃液在經(jīng)過卡脖之后在橫通路附近開始分流，并且以對稱的分流方式分配給左右兩條支線，這種生產(chǎn)方式在理想狀態(tài)下，兩支線的玻璃液品質(zhì)相同，在生產(chǎn)中只能實現(xiàn)厚度的差異化，對于產(chǎn)品質(zhì)量等級而言無太大差異，并且在實際生產(chǎn)過程中，如果在通路附近存在橫向溫差，便會引起左右兩支線均勻性的波動，左側的生產(chǎn)問題可能會在右側的支線產(chǎn)品中體現(xiàn)，如果對窯內(nèi)玻璃液的流動和分配方式了解不足，則很容易造成誤判；而圖1（b）的非對稱型結構，主線（與熔窯在同一中心線）和支線（分支的一條線）玻璃液的分配方式不同，更容易實現(xiàn)不同支線不同等級產(chǎn)品的差異化生產(chǎn)。圖1一窯兩線生產(chǎn)方式示意圖（2）一窯兩線窯型液流規(guī)律分析。模型的X方向為熔窯的長度方向，Y方向為熔窯的寬度方向，Z方向為熔窯的高度方向。模型采用六面體網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格大小為100mm×100mm×50mm，總網(wǎng)格數(shù)量為：623865個。圖2初始模型仿真計算結果分析從圖2（a）中能夠流出熔窯的玻璃液來源分析可以看出，一窯兩線窯型下玻璃液的分配情況，主線和支線液流有明顯的差別：對于主線，出口玻璃液的來源均由主體熔化部和卡脖的前進流直接提供，并且提供的區(qū)域近似屬于主體熔窯和卡脖左側（遠離支線一側），從熔窯內(nèi)各循環(huán)的流動情況分析，該部分液流主要是由主體熔窯的第一和第二循環(huán)流提供。這兩部分環(huán)流的液流均勻性相較好，因此對應主線的玻璃液均勻性較好。對于支線，出口玻璃液的來源為主體熔窯的卡脖一側位置玻璃液的分流，并且該分流在偏轉向通路結構再流向支線時，由于經(jīng)過幾次直角方向的反折，導致玻璃液流一部分沿通路和支線中心流向出口，該部分玻璃液均勻性與主線相近，均是由第一和第二環(huán)流提供，因此均勻性較好，而另一部分液流會緊貼通路和支線工作部的池壁流向出口，這部分液流由于長時間與通路和支線池壁接觸，與池壁耐火材料之間有較長時間的交代反應，并且在支線工作部也會有部分螺旋流（第三循環(huán)流）參與流出，進而其均勻性相對較差。這樣的流動是窯型結構所限定，因此整體支線流出熔窯的玻璃液均勻性與主線相比要差。從圖2（b）各環(huán)流流量的分布可以看出，由于支線的分流作用，導致主線和支線存在不同的流量分配，主線的液流分配與單線的流量分配相似，而支線的液流分配可以明顯看出，提供的液流基本都作為成形流流出熔窯。從流量分配情況可以看出，主線液流的穩(wěn)定性要高于支線。（3）一窯兩線窯型結構優(yōu)化。由于一窯兩線的結構與單線不同，在結構設計中要充分考慮工藝和工程等多方面的問題。圖3為一窯兩線工藝布置簡圖。圖3中不同的字母代表著不同位置處的距離。其中L為主線和支線工作部中心線之間的間距，如果L過大，則由主線工作部分支的通路長度變長，玻璃液流向支線后的溫降增大，導致支線玻璃液溫度太低，不能滿足后續(xù)的成形，或者需要額外增加加熱裝置來滿足成形溫度；如果L過小，雖然會降低支線玻璃液的溫降，但后續(xù)成形過程中主線和支線錫槽的間距L3不足，則會影響相鄰兩錫槽一側拉邊機的操作空間，增加玻璃液成形難度。經(jīng)過優(yōu)化的玻璃窯爐內(nèi)液流主線和支線各自液流的分配情況如圖4所示。圖3一窯兩線工藝布置示意圖圖4窯內(nèi)液流主線和支線各自液流的分配情況從圖4中可以看出，能夠流出主線出口的玻璃液主要來自于卡脖處的上層前進流層，還有一部分來源于主線工作部的螺旋式前進的第三循環(huán)流；能夠流出支線出口處的玻璃液，主要分為兩個部分：第一部分來源于熔窯左側靠近卡脖胸墻處的部分玻璃液，這部分液流流至主線工作部后，經(jīng)過多次的循環(huán)，最終到達支線流出熔窯，因此該部分玻璃液主要為第三循環(huán)液流；第二部分來源于熔窯右側的部分上層和下層前進流，該部分液流中的上層前進流，經(jīng)過一定程度的偏轉后，能夠直接流出支線出口，而下層前進流則會貼近卡脖、通路及支線工作部的壁面螺旋式的前進，最終流出支線出口。研究成果在浮法玻璃生產(chǎn)線上的應用與驗證2015年，河北南玻玻璃有限公司對其900t/d單線進行一窯兩線的技術改造。完成了該生產(chǎn)線的窯型結構及其相關輔助設施（水包、攪拌、鼓泡）的優(yōu)化。生產(chǎn)線正式投產(chǎn)之后，將主線和支線生產(chǎn)出的玻璃產(chǎn)品階段性取樣，同時也為生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的產(chǎn)品質(zhì)量問題來源提供了準確的判斷和定位，通過針對性地微調(diào)，實現(xiàn)了對工藝過程的監(jiān)控和調(diào)整，保證穩(wěn)定生產(chǎn)。圖5為一窯兩線主線和支線同時生產(chǎn)6mm普白品種玻璃時所采集到的條紋圖像。圖6為一窯兩線主線生產(chǎn)2mm，支線生產(chǎn)15mm超白品種玻璃時所采集到的條紋圖像。通過對比可以明顯看出，主線的整體條紋要明顯好于支線。主線條紋線條較少，并且整體規(guī)律均是在整個板寬方向上平行分布，只有下層的部分區(qū)域存在條紋紊亂區(qū)，但相對而言紋路較淺，且第一、第二環(huán)流對應的液流在流出玻璃液的總量中所占的比例較大，說明在該條紋采集時的這段時間內(nèi)，主線整體的液流均勻性分布較好；支線條紋與主線相比紋路較亂，并且顏色較深，且第一、第二環(huán)流對應液流所占比例與第三環(huán)流相近，說明支線的均勻性和穩(wěn)定性相對于主線要差。圖5一窯兩線主線和支線生產(chǎn)6mm玻璃產(chǎn)品的條紋圖像圖6一窯兩線主線2mm和支線15mm玻璃產(chǎn)品的條紋圖像該項目運用基于工程仿真的液流調(diào)控技術指導技改，在保證科學施工的條件下節(jié)省了大量經(jīng)費，并且實現(xiàn)了產(chǎn)品升級目標。在厚度方面：主線玻璃產(chǎn)品厚度范圍為1.3~6mm，支線玻璃產(chǎn)品厚度范圍為3~20mm，通過主線和支線的相互配合，能夠在大跨度的厚度范圍區(qū)間靈活調(diào)整；在品種方面，通過對生產(chǎn)線的技術改造，實現(xiàn)差異化生產(chǎn)與市場競爭力提高，在原有建筑玻璃市場領域的基礎上，進入電子玻璃領域，完成對家電面板、光學AG鍍膜、安防及儀器儀表面板、汽車風擋、太陽能光伏、熒光屏等產(chǎn)業(yè)領域的布局，擺脫了常規(guī)建筑型浮法玻璃的制造困境，完成了戰(zhàn)略性升級轉型，經(jīng)濟效益顯著提高。結語浮法熔窯內(nèi)的玻璃液流是決定玻璃產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵環(huán)節(jié)，任何相關的輔助措施都是為玻璃液提供服務。采用基于三維工程仿真的液流調(diào)控技術，探明了一窯兩線浮法熔窯熔制過程玻璃