数学模拟在优化玻璃熔制质量中的应用分析

数学模拟在优化玻璃熔制质量中的应用分析

冯正君,1  ,赵岩,2 ,石林杰,3,庞宝贵4 ,杜飞5 ,周烨豪,6

河北视窗玻璃有限公司  河北省廊坊市  065000

摘要：玻璃池窑是玻璃工厂中十分重要的热工设备，原料需要在池窑内熔制成玻璃之后才能通过多种成型措施制成产品。玻璃熔制质量的提高能够有效减少玻璃缺陷，对玻璃纤维生产连续性的影响。因此，优化玻璃熔制质量的过程中应用数学模拟，深入研究并了解窑炉中流场、砂粒溶解、气泡生长情况，并合理优化窑炉中玻璃液的温度梯度，玻璃液流分布，从而有效提高玻璃熔制质量。

关键词：数学模拟；玻璃熔制质量；应用

池窑拉丝生产工作中的窑炉熔制、纤维成型、漏板设计等多个领域广泛运用数学模拟技术，为池窑拉丝生产线设计和优化调整提供科学有效的理论依据，同时为其提供相适应的优化和完善方向，进一步提高玻璃纤维连续的高质量生产作业，减少玻璃缺陷。

1玻璃池窑生产现状

本文主要针对某池窑生产中存在连续性玻璃缺陷，应用GFM玻璃窑炉模拟软件合理进行数学模拟，合理创建玻璃和燃烧模型，基于现有窑炉能量分布，明确窑炉能量布局优化模拟方向，综合分析玻璃液质量指数，同时对其进行实际生产应用，验证数学模拟在优化玻璃熔制质量中的应用效果，有效解决窑炉玻璃缺陷的问题。

某玻璃池窑在生产玻璃纤维时，存在部分漏板具有透辉石、硅灰石等低温析晶断头，大部分漏板发生无杂质断头，同时发生一定程度的玻璃缺陷，呈现出极强的连续性、重复性特点，对玻璃纤维连续生产作业带来较大影响，大大降低玻璃生产质量和品质，是该玻璃池窑高质量、高效率生产中急需解决的难题[1]。

2玻璃熔制质量优化中数学模拟的具体应用

2.1数学模型建立

GFM玻璃窑炉模拟软件内的数学模型主要包含玻璃、燃烧模型，针对窑炉中能量分布对于玻璃液流向、质量带来的影响进行深入研究。但是，由于玻璃液流动过程中具有较强的复杂性，便于计算，可以将其当作牛顿不可压缩流体，同时忽视配合料熔化中的化和反应形成气泡对于流体传热、流动带来的影响。模拟计算过程中将玻璃液当作层流、喘流为火焰空间气体。创建玻璃池窑、火焰空间的三维几何模型需要将现有窑炉能量分布当作基准，应用多种方案进行全方位研究。

2.2数学建模对比分析

应用GFM玻璃窑炉模拟软件构建数学模型，和窑炉现场相适应的运行模型，获得窑炉空间、玻璃质量和流场的默认数据，同时针对窑炉空间燃气、电助熔能量分布进行改变，并模拟计算多种窑炉模型，选择最佳组合窑炉空间燃气和电助熔能量布置方案[2]。

第一，速度场。通常情况下，对于拉丝成型生产过程中，持续取用玻璃液形成的拉力、投料推力作用，促进熔窑中的玻璃液流动当作生产流，而热对流主要是在熔窑内由于玻璃液温度差出现的玻璃液流动，同时在玻璃池窑内产生作用，促进玻璃液在对流过程中形成相对稳定的玻璃液取层，对于玻璃池窑拉丝生产工作的安全可靠性具有十分关键的作用。因此，详细分析在多种燃气比例中的玻璃液速度场分布趋势，在最优组合能量分布模拟中增加窑炉投料区燃气流量，其流速加快，而澄清区玻璃液流速相对较均匀，增强玻璃液取层的稳定性。

第二，温度场。窑炉运行过程中，玻璃液温度吸收供给主要包含火焰空间对其的辐射和对流传热；电助熔对其电能传输，其占据总能量大约20%。针对窑炉现有能量分布模拟和最优组合能力分布模拟方案进行详细对比分析，后者燃气高于前者10Nm3/h，电助熔高70kw，同时根据数学模拟结果进行分析，发现燃烧空间投料区温度较高，其他位置两个模拟方案的温度几乎一致。

第三，电场分布。玻璃液局部温度受到其中电场分布的较大影响，当电场相对集中的情况下，造成玻璃液局部温度显著提高，出现窑炉内部的湍流，并且对澄清区玻璃液的均匀性产生不利影响。针对两个模拟方案进行对比分析，应用电压分布有效代替功率分布，获得论证结果是窑炉现有能量分布模拟方案内的电压集中在每组的第1#、3#两根电极上；最优组合能量分布模拟方案内的电压主要沿着窑炉横截面中心互相均匀对称的位置进行分布，同时最优组合能量分布模拟方案内电压值较高、电助熔对于玻璃做的功率相比较高，为窑炉中玻璃液的流动提供有利的条件。

2.3网格划分、边界条件建立

应用GFM玻璃窑炉模拟软件内的CAD软件，针对建立的模型合理进行网格划分，在X和Y方向上的网格大小设置为0.08m ,Z方向网格大小为0.06m，同时结合窑炉中运行的各项参数合理设置GFM玻璃窑炉模拟软件内的各项参数，如配合料湿度和投入量、玻璃液流出量等。另外，电助熔中的各个分区电极电压、电功率输入（如表1所示），玻璃表面流的边界条件等[3]。

表1电助熔边界条件

3实践应用分析

3.1玻璃液质量

窑炉数学模拟过程中，一般情况下选用砂粒溶解、气泡增长、混合、熔化和均化指数等多种参数，代表玻璃液的质量。例如，砂粒溶解指数主要代表1毫米砂粒养着无质量粒子的轨迹溶解次数；气泡增长指数主要代表气泡与无质量粒子进行相遇的详细轨迹；均化指数代表1厘米的条纹被稀释的次数。对比分析窑炉数学模拟方案的过程中，针对这几项参数进行比较，当各项指数越大的情况下，代表模拟方案的澄清均化效果较佳，玻璃质量更加稳定。因此，针对池窑原有能量分布模拟方案和最优组合能量分布模拟方案进行对比分析，后者的砂粒溶解数、气泡增长数、混合和均化指数相对较高，在模拟运行过程中获得的玻璃质量更佳，有效减少玻璃缺陷，在提升玻璃纤维生产连续性方面具有非常重大的现实意义。

因此，在优化玻璃熔制质量的过程中，相关人员要详细分析现有池窑生产中存在的各项问题和玻璃生产缺陷问题，从而选择相适应的数学模拟软件进行数学模拟，创建相适应的模型，对窑炉能量布局进行针对性的优化，并合理优化火焰空间中气流场、玻璃液流和玻璃温度梯度的具体分布。

3.2生产运用

针对某大型窑炉生产进行研究和分析中，合理应用GFM窑炉数学模拟软件对其能量分布开展模拟研究，掌握窑炉生产中发生的连续性和重复性缺陷问题，并根据相关要求和生产需求，针对性调整窑炉中电助熔、燃气能量分布，适当转变窑炉池低玻璃液的各项参数，有效减少玻璃缺陷，提高玻璃产量和质量。结合上述针对窑炉原有能量分布模拟方案和最优组合能力分布模拟方案的对比分析和论证结果进行分析，后者在玻璃熔制质量提升中具有十分重要的作用，从而对于某大型窑炉进行优化和调整，以最优组合能量分布模拟方案为参考依据，针对池窑拉丝生产线的1区电助熔变压器、窑炉碹顶喷枪进行改进升级，合理调整窑炉投料区燃气流量、电助熔功率，针对池窑拉丝生产线优化前后3个月的生产信息数据进行全方位统计和对比分析，明显发现优化后的池窑拉丝作业安全稳定性较高，有效减少断头数量在41%之上，产品质量和产量得到显著的提升。

结语：窑炉运行过程中合理应用数学模拟这种可靠的先进技术手段，对于燃烧空间、电助熔功率进行合理设计与调整，不断改进和优化玻璃流场，全面提高玻璃产品质量，同时能够有效减少生产成本，迅速提高玻璃质量，获得更多社会和经济效益。

参考文献：

[1]杨风波,解玉芹,杜加宝. 数学模拟在优化玻璃熔制质量中的研究与应用[J]. 玻璃纤维,2023(2):13-17.

[2]潘鹏飞. 熔石英玻璃激光辅助车削过程的数值模拟与实验研究[D]. 湖北:华中科技大学,2021.

[3]韩大河. 玻璃纤维窑炉玻璃液流场数学模拟研究[J]. 玻璃,2021,48(11):20-25.