不同收縮段寬度條件下硼硅酸鹽玻璃全電熔窯的模擬研究

0引言硼硅酸鹽玻璃具有優(yōu)異的化學(xué)耐久性、氣密性和強度，是藥品包裝的理想材料。利用全電熔窯的方式生產(chǎn)藥用包材可以減少硼揮發(fā)，提高熔窯效率，避免排放污染，在藥品包材生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。藥用管制瓶生產(chǎn)分兩步進(jìn)行：玻璃原料被熔窯熔化，結(jié)合丹納法或維絡(luò)法成形為玻管，隨后冷卻到室溫狀態(tài)；再通過火焰重新加熱玻管，利用機械工具將玻管重塑為所需包材的種類及尺寸（西林瓶、注射器、安瓿瓶等）。因此，玻管質(zhì)量直接影響藥用包材的質(zhì)量。本研究采用有限元法對全電熔窯收縮段寬度對熔融玻璃液循環(huán)過程的影響作系統(tǒng)分析。1基本數(shù)學(xué)模型、生產(chǎn)工況及材料屬性（1）基本數(shù)學(xué)模型研究對象為全電熔玻璃熔窯，其結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。全電熔窯的網(wǎng)格劃分采用邊長為50mm的四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為1587658。圖1（b）為全電熔窯在不同收縮段寬度下的模型，收縮和擴大程度均在收縮段的外接圓直徑值基礎(chǔ)上進(jìn)行改變。圖1全電熔玻璃熔窯結(jié)構(gòu)圖（a）和不同收縮段寬度模型（b）2結(jié)果與分析（1）全電熔窯不同截面的溫度分布圖2為熔窯中不同截面的溫度分布。圖2（a）為不同截面的空間位置，截取位置是圖2（b）一對電極組的中截面和圖2（c）相鄰電極對的中截面。圖2熔窯中不同截面的溫度分布（2）全電熔窯不同截面的速度矢量分布圖3顯示了熔窯中不同截面的速度矢量分布。圖3（a）是截面的空間位置，（b）、（c）、（d）顯示了在不同方向觀察到的截面速度矢量分布。圖3熔窯中不同截面的速度矢量分布如圖3（b）所示，其為Y

方向（熔窯深度方向）的分速度矢量圖，Y

軸正方向為正值，負(fù)方向為負(fù)值。在電極組正上方空間為上升流，中心位置為下降流，相鄰電極組的空隙位置為下降流。圖3（c）和（d）為相鄰電極組中截面和電極組所在中截面的速度矢量圖，在中心附近投入的玻璃物料粒子會聚到主熔化區(qū)中心，并流向Y

軸的負(fù)方向。到達(dá)收縮段后，開始向X

軸的正方向和負(fù)方向流動，一部分液流沿左右側(cè)壁面向Y

軸的正方向流動。向上流動的玻璃液在收縮段和中層電極附近位置與向下流動的玻璃液匯聚（圖3（c）中的方框）。其匯聚后沿著Z軸的正方向或負(fù)方向流動。另外一部分液流在收縮段形成底部環(huán)流。通過電極組所在中截面的速度矢量圖（圖3（d））可看出，在該截面存在明顯的窯內(nèi)環(huán)流，玻璃液隨著該環(huán)流在電極正上方位置向上流動，混雜著剛剛投入的玻璃生料向中心匯聚并向收縮段流動，進(jìn)而形成了窯內(nèi)上下大環(huán)流。綜上所述，電熔窯內(nèi)共存在三個環(huán)流，分別為電極處螺旋循環(huán)、收縮段底部循環(huán)和熔窯上下循環(huán)。（3）全電熔窯的流線特點圖4顯示了不同方向觀察遠(yuǎn)離流液洞位置投入玻璃物料的流線特點。如圖4（a）所示，靠近壁面的部分物料先參與電極處螺旋循環(huán)之后參與熔窯上下循環(huán)和收縮段底部循環(huán)，最后經(jīng)過流液洞流出熔窯；靠近中心附近投入的物料先通過熔窯上下循環(huán)流動到電極附近位置參與電極處螺旋循環(huán)，之后參與熔窯上下循環(huán)和收縮段底部循環(huán)后流出熔窯。其中主熔區(qū)的循環(huán)流動（電極處螺旋循環(huán)和熔窯上下循環(huán)）速度較快，在收縮段的循環(huán)速度較慢，主熔區(qū)的循環(huán)速度是收縮段循環(huán)的約100倍。如圖4（b）所示，收縮段循環(huán)主要由兩種循環(huán)組成，分別為收縮段壁面環(huán)流和收縮段底部直流。圖4不同方向觀察遠(yuǎn)離流液洞位置投入玻璃物料的流線特點（4）不同收縮段寬度的全電熔窯循環(huán)特點圖5顯示了不同收縮段寬度的全電熔窯循環(huán)特點。從圖5中方框位置可看出，隨著收縮段寬度逐漸減小，收縮段壁面環(huán)流逐漸減弱，而收縮段底部直流逐漸增強，當(dāng)?shù)撞渴湛s段縮小400mm時，收縮段壁面環(huán)流幾乎消失，收縮段環(huán)流僅存在收縮段底部直流。收縮段壁面環(huán)流的循環(huán)路徑明顯長于底部直流，且玻璃液循環(huán)速度相近，收縮段壁面環(huán)流的均化及澄清時間明顯長于底部直流。圖5不同收縮段寬度的全電熔窯循環(huán)特點3結(jié)論本研究采用有限元法對全電熔窯在不同收縮段寬度下的熔化過程進(jìn)行了系統(tǒng)分析，具體直觀地展示了全電熔窯內(nèi)熔融玻璃液的溫度分布及循環(huán)方式，結(jié)果表明，全電熔窯的主熔化區(qū)玻璃液循環(huán)方式為：電極處螺旋循環(huán)和熔窯上下大循環(huán)，輔熔化區(qū)玻璃液主要為兩種循環(huán)模式：收縮段壁面環(huán)流和收縮段底部