（材料加工工程专业论文）玻璃电熔窑内电场分布对温度场与流体场的关系的研究.pdf

玻璃电熔窑内电场分布对温度场与流体场的关系的研究摘要自从1 9 0 2 年德国弗尔克( v o e l k e r ) 利用离子高温导电取得玻璃电熔技术专利后，世界就揭开了玻璃电熔的第一页。随后，由于它独特明显的优越性，得到了迅速的发展。近年来，许多国家大量采用玻璃电熔技术( 即电能直接加热熔制) 生产特种玻璃，并逐渐推广到各品种的玻璃产品。相对于传统火焰窑来讲，它热效率高、生产能力大、产品质量好、窑体结构简单、自动控制水平较高，对环境几乎不造成影响，从能源和环保的要求看，极具发展前途。由于电熔窑炉的工作状况完全不同于传统燃料窑炉，人们对电熔窑炉的研究还远远不够，特别是电力进入玻璃液后是如何传导，对应的温度场如何建立，以及形成的流体场将可能对电力场产生何种反作用等许多问题还需要进行深入地研究。本课题就是围绕这个方面展开，研究的主要对象是四川某厂3 # 玻璃电熔窑，生产玻璃类型为硼硅酸盐玻璃，该窑采用了底插和水平两种电极布置方式相结合的形式，具有较强的代表性。实验通过运用物理模拟的方法，以相似理论为依据，根据窑炉的特点，选择了合适的相似准则和列应参数，按照对应的牯度温度曲线和导电率温度曲线，配置了以甘油、糖浆和l i c l 的混合溶液为模拟液。同时按i 1 0 的比例建立了物理实体模型，对窑内玻璃熔制过程进行了模拟研究。通过对模型内关键部位模拟液电势和温度的测量和对流体场的观测，分析了玻璃电熔窑内的电场分布、，温度场分布和流体场分布，同时结合实际运行窑炉中的实验数据为参考，互为补充，验证，找出电熔玻璃窑炉内电场分布对温度场和流体场的关系。在理论上丰富电力馈入的理论，通过模拟分析其优缺点，提供更合理的优化方案。并给新池窑方案设计和改造旧窑炉提供理论依据，使其最合理的利用电力资源。关键词：玻璃电熔技术，物理模拟，温度分布，电场分布，流体场s t u d yo nt h er e l a t i o no ft h ee l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o na n dt e m p e r a t u r ea n dl i q u i df i e l di nt h eg l a s se l e c t r i cm e l t i n gf u r n a c ew h e nv o e l k e r , ag e r m a n ，g o tt h ep a t e n to ft h eg l a s se l e c t r i cm e l t i n gt e c h n o l o g yi n1 9 0 2 i tl i f t e dt h ec u r t a i no l lg l a s sm e l t i n gb ye l e c t r i cp o w e r s u b s e q u e n t l yi th a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l yb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e a n dn o wg l a s se l e c t r i cm e l t i n gt e c h n o l o g yi su s e dt op r o d u c et h es p e c i a lt y p eg l a s si nm a n yf a c t o r i e si nt h ew o r l d i ti ss u i t a b l en e a r l yf o ra 1 1k i n d so fg l a s s ，r e l a t i v et oc o n v e n t i o n a lf l a m ef u r n a c e g l a s sm e l t i n gt e c h n o l o g yh a sm a n yv i r t u e s s u c ha sh i g h e rt h e r m a le f f i c i e n c y 、m o r eo u t p u t 、h i g h e rq u a l i t y 、s i m p l es t r u c t u r e 、h i g ha u t o m a t i o na n dl e s sp o l l u t i o n i th a sg o o df u t u r ef r o mt h ep o i n to f e 理黟s o u r c e sa n dp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t b u ti ti sv e r yd i f f e r e n tf r o mt h ef l a m ef u r n a c e s o m ep h e n o m e n aa n dt h e o r i e sa b o u tt h eg l a s se l e c t r i cm e l t i n gf u r n a c ea r en o tu n c l e a r e s p e c i a l l yh o we l e c t r i cp o w e rt r a n s m i t sw h e ni te n t e r st h eg l a s sl i q u i d ，h o wi ti n f l u e n c e st h et e m p e r a t u r ef i e l da n dl i q u i df i e l da n dt h e i rr e a c t i o n s ot h i sp a p e rd e s c r i b e sag l a s se l e c t r i cm e l t i n gf u m a t t 七i ns i c h u a n i tp r o d u c e sb o r o s i l i c a t eg l a s s i ti sr e p r e s e n t a t i v eb yu s i n gb a s ev e r t i c a le l e c t r o d ea n dl e v e le l e c t r o d e ap h y s i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e d0 1 1t h eb a s i so f t h e o r yo fs i m i l a r i t y a n dm o d e ll i q u i di so b t a i n e da c c o r d i n gt ot e m p e r a t u r e - v i s c o s i t yc u r v ea n dt e m p e r a t u r e - r e s i s t a n c ec u r v eb yu s i n gg l y c e r i n 、s y r u pa n dl i t h i u mc h l o r i d e t h e nam o d e ls e ti sb u i l tb y1 1 0s c a l e o nt h eb a s i so f t h em e a s u r e m e n to f t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 、p o t e n t i a ld i s t r i b u t i o na n do b s e r v a t i o no nc u r r e n tp a t t e m s 。w ea n y s i st h eo u t c o m eo f t h em o d e la n dc o m p a r ew i t ht h ec o r r e s p o n d i n gp o i n t s d a t af r o mt h ea c t u a lg l a s se l e c t r i cm e l t i n gf u r n a c 2 ，d i s c u s st h er e l a t i o no f t h ee l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o na n dt e m p e r a t u r ea n dl i q u i df i e l di nt h eg l a s se l e c t r i cm e l t i n gf u r n a c e w ep o i n to u tt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e si ne l e c t r i cg l a s sf u r n a c e ，a tl a s tw eg i v eo u ts o m er u l e sa n da d v i s ew h e nb u i l d i n gam o d e lo raf u r n a c e ( j i a n gr u i ) m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n gs u p e r v i s e db yy a oj i a nk e yw o r d s ：g l a s se l e c t r i cm e l t i n gt e c h n o l o g y , p h y s i c a ls i m u l a t i o n ，t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，t h ee l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o n ，l i q u i dd i s t r i b u t i o n东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所里交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担学位论文作者签名：日期：护6 年三悫明薅胁东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于，不保密勾一躲荔夺日期：d 6 年h 如日指导教师签名日期：衫年2 月厶日东华大掌硕士学位论文第一章前言自从1 9 0 2 年德国弗尔克( v o e l k e r ) 利用离子高温导电取得玻璃电熔技术专利后，世界就揭开了玻璃电熔的第一页【”。随后，由于其独特明显的优越性，它得到了迅速的发展。玻璃电熔技术是指用电能直接加热熔制玻璃的一项先进技术，它克服了传统火焰燃烧所带来的诸多弊病，是国家科技成果重点推广计划项目。它是根据熔融玻璃离子的导电特性，利用焦尔效应，在玻璃液内部使电能转变成热能，从而熔制各种玻璃的特种技术，它的主要形式有全电熔炉、电助熔炉、料道电加热、局部电加热等，它和表层火焰加热熔制玻璃的方法相比，有许多优点：1 可以提高熔化率和热利用率。火焰窑的熔化率一般为1 5 2 t w d ，采用电熔技术后可达到2 5 3 5t m 2 d ，热利用率由2 5 4 0 提高到6 5 8 5 。2 能抑制有害气体排放，没有燃烧废气，明显节省挥发性原料，对环境污染极低，符合国家产业发展政策和可持续发展战略。3 全面提高玻璃质量，电加热比较稳定，容易控制，由于是玻璃内部加热，均化效果较好，也不会引入杂质，产品合格率大大提高。4 生产环境好，操作简单，劳动强度低，劳动生产率大大提高。5 电熔炉占地面积小，相应设备投资少，造价低，大修快。6 工艺操作容易控制，容易实现控制自动化。电熔炉结构简单，没有蓄热室等附属结构，施工周期短，上马快。7 出料量灵活，对于小型工艺性玻璃窑，可根据产量调节出料量。目前，玻璃电熔技术已经广泛适用于各种玻璃的熔制。如普通的钠钙器皿玻璃、瓶罐玻璃、电光源玻璃、光学玻璃到硼硅酸盐玻第1 页东华大掌硕士学位论文璃、乳白玻璃、颜色玻璃、玻璃棉、铅玻璃、铅晶质玻璃、无铅精质玻璃及微晶玻璃等。随着我国能源结构的不断改变和优化，矿物燃料的价格日趋上升，电的价格逐渐下降，再加上公众要求减少粉尘和有害气体对环境的污染以及对玻璃质量要求的提高，玻璃行业采用电熔技术已经是大势所趋，发展电熔炉具有极其重要的意义和广阔的发展前景【2 1 。1 1熔融玻璃的主要性质要了解玻璃电熔中的许多现象，就必须先了解熔融玻璃的性质，主要是指玻璃熔体的电导率、粘度等。它们是玻璃电熔化电气系统设计的重要依据，也是模拟试验中要重点考虑的对象3 1 。下面主要对熔融玻璃的特性作介绍。1 1 1 玻璃的导电性在室温下，玻璃是电的绝缘体，电导率约为1 0 1 3 1 0 1 5 q 1 c m - 1 ，介电强度约为3 1 0 3 1 1 0 5 、，之问。但是，当玻璃被加热时，其导电性能随着温度升高而明显增强。高温下玻璃熔体的导电属于离子导电，在玻璃网络结构中结合能力最弱的是碱金属离子( 网络调整剂) ，它们是电流的载体，在熔融状态下的玻璃电导率约为0 1 1 0 q 1 c m 一，完全变成了导体，虽然这时的电导率比金属小许多倍，但用作焦耳效应的发热体是足够的1 3 1 。下式给出了玻璃的电导率随温度变化的关系：l o g p “= 1 0 9 1 = h + 旦刚( 1 1 ) t1其中p 一玻璃的电阻率；盯一玻璃的电导率；t 一绝对温度； ，b与玻璃状态有关的常数。该公式在高温和低温时同样有效，适用于2 0 5 0 0 c 和1 0 0 0 1 4 5 0 两个范围。玻璃电阻率和电导率关系式为第2 页东华查兰! 主兰竺笙奎一p 一：上( 1 2 )p 。孑”由于在电熔化和电加热中研究的对象是高温液态玻璃，我们只研究温度在1 0 0 0 以上的玻璃的性质。高温下，除了温度影响电阻率外，玻璃熔体的导电性能和化学成分密切相关，其导电性是参与输送电流的离子数、电子的电荷数和离子迁移率的函数佛一玻璃电熔化的实践表明，决定玻璃液电阻率的首要因素是碱金属离子的含量，玻璃中常用的碱金属有n a 2 0 ，k 2 0 和l iz o 。它们对玻璃电阻率的影响决定于两个因素，即它们的离子半径和它们在网状结构中的键强。综合而言，钠离子对电阻率的影响为三者之最，而钠在玻璃中的使用亦比锂和钾更为普遍，从电熔化中电参数设计的角度出发，可以不拘泥于二价、三价离子的含量，只要抓住钾钠离子含量就可以满足电熔化中电参数设计的需要了嘲。图1 1 给出了不同组分玻璃的电阻率一温度曲线。宅pc ；一陡、。人更兮。一k。、dl、 东华大掌硕士学位论文从图中可以看出：a ) 所有玻璃对温度都呈现负阻特性，即电阻率随着温度的升高而降低，并随着温度的升高这种变化趋势逐渐平缓。b ) 不同组分的玻璃在同一温度下的电阻率存在极大的差异，差值大于1 0 倍以上。c ) 不同组分的玻璃的电阻率对温度的变化斜率不同。即随着温度变化，不同玻璃的电阻率变化的强烈的程度不一样。特别是当钾钠含量在6 以下的玻璃，其电阻率一温度曲线较为陡峻。由于玻璃被加热及熔融后，会出现热的不稳定情况。这给电熔化输入电力带来了波动，为反映这种特性，我们把电阻率一温度曲线和切线之间的夹角称为失调角6 1 。当失调角愈大，在电熔化或电加热中对电压控制的范围要求越宽。否则，温度升高后，电阻减小使电流变大，功率亦随之变大，温度越来越高。反之，温度降低，电阻变大使电流减小，功率亦随之变小，温度越来越低。因此，一般电熔化或电加热的输电设备都配有恒流控制或恒功率控制。某些情况下也使用开环控制【7 】o1 1 2 玻璃的粘度粘度是玻璃的一个重要性质，它不但和玻璃生产的所有阶段( 熔制、澄清、成形和退火) 有着密切联系，并对玻璃的导电性能也有直接影响，作为荷电体的离子的运动速度主要决定于粘度。这里有两层含义，一是同种玻璃中粘度随温度升高而变小时，电导率随之增大。二是不同玻璃在同一温度条件下，一般总是粘度小的玻璃比粘度大的玻璃的电导率大i s 。粘度分动力粘度和运动粘度，动力粘度表示为，单位是泊 p 或厘泊 c p ，运动粘度表示为y ，单位是斯笃克 m s ，二者的关系是y ：尝嘲( 1 3 )d第4 页东华大学硕士学位论文式中：q 为液体密度( k g m 3 )图1 2 给出了几种不同类型的玻璃的粘度一温度曲线，、| |、。、|m | iili、总除一f i )、l 【)图1 2玻璃的粘度温度曲线州f i g1 ，2v i s c o s i t y t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fm o t e ng l a s s( 1 ) 8 8 7 0 ( 2 ) 0 0 8 0 ( 3 ) p y r e x7 7 4 0 “) v y c o r7 9 0 0 ( 5 ) f q玻璃的粘度取决于其化学成分，各种氧化物对粘度值的影响决定于原来玻璃的组成和温度范围，在多数情况下，不取决于往玻璃中引入的该种氧化物的数量，即玻璃粘度与组成的关系不是加和性的。氧化物对玻璃粘度的影响可定性表示如下，碱性氧化物，氧化硼和氧化钡能使粘度降低，氧化硅，氧化铝，氧化锆则能使粘度提高【4 】。1 2当前国内外对玻璃窑炉研究的发展情况玻璃窑炉是玻璃生产过程中最重要的热工设备。配合料入窑后，经过一系列复杂的物理、化学、传热、传质等变化熔化成质量符合要求的均匀一致的玻璃液，以供成型。熔窑各部分的结构形式和几何尺寸、窑体所用的耐火材料、窑炉的作业制度和操作情况以及外部环境等因素都会对内部熔化过程产生重要影响，进而影响玻璃的产质量和熔化能耗。设计一个运行性能优良、可控性好的熔窑是玻璃熔窑设计师追求的重要目标，单凭经验进行设计难以达到这一目标。因此，探索窑炉内部过程的规律，研究窑炉结构、尺寸与第5 页东华大学硕士学位论文熔化过程的关系一直很受研究者的重视【。从上世纪2 0 年代中期开始，一些实验研究者开始在实际窑炉上利用耐火浮子、放射性元素等作测定示踪物，对窑炉中玻璃液的流动进行测定，或在窑炉冷修时通过观察耐火材料的侵蚀痕迹来判断窑炉中玻璃液的流动情况。这种方法称为现场实测法，目前仍广泛采用的玻璃窑炉热平衡测算就属于其中的一种。通过对窑炉进行现场调查和实测，获得温度、压力、流量等数据和资料，然后根据热工理论进行热平衡计算，从而系统判断窑炉运行情况，为改进窑炉操作、优化窑炉设计提供依据【1 1 1 。现场实测法直接以玻璃窑炉为研究对象，具有直观、贴切实际情况等优点。但由于生产中的窑炉处于高温熔制的封闭状态，因此很难对窑炉内部情况进行全面、细致的实测和观察。因此在进行实际测定的同时，某些实验研究者开始探索在缩小的模型上进行研究，导致了玻璃窑炉模拟实验技术的建立和发展。玻璃窑炉模拟技术就是运用数学模拟和物理模拟手段来揭示熔窑中玻璃液的流动历史和温度历史，并进一步预报玻璃液的澄清质量和均化质量的技术。物理模拟又称模型试验，即在一个与熔窑原型相似的小尺寸模型中，利用一种与高温玻璃液性质相似的模拟液，在接近室温的条件下进行试验，模型中也有进料、出料、加热与冷却、严格控制炉温曲线和引出量。有鼓泡和电助熔时还需严格控制鼓泡参数和电功率分配【1 2 】。数学模拟又称数值模拟或计算机仿真，它根据流体力学和传热原理对玻璃熔窑建立数学模型( 一组根据质量守恒、动量守恒和能量守恒原理建立的微分方程组和相应的定解条件) ，运用计算机求解来获得该熔窑内玻璃液的流动和传热状况的有关信息【1 3 l 。1 9 3 2 年，f l i n t 和l y l e t l 4 1 用水、植物油和石蜡作模拟液，观察模拟液密度随温度变化而产生的对流效应，他们用金属作了一个简单的炉子模型，在模型上开了一玻璃窗口来观察流场，用有色的示踪物显示液流运动并测量表面温度，获得了对热驱动流的定性了第6 页东华大掌硕士掌位论文解。虽然该模型没有按相似准则来确定参数，但仍然提供了一系列有关玻璃液在熔化池、流液洞和澄清区域流动的物理图象，他们是最早采用模拟技术来研究玻璃窑炉的研究者。19 3 3 年s c h i l d ij s 在按比例缩小的模型中，以甘油为模拟液。并考虑了r c 、g r 准数和热力相似准则s t 和p r 准数来进行了模拟试验，壁面为平板玻璃，液面上方配置电加热元件，并将模拟结果与熔窑冷修给出了有关液流的照片并作出了相应的比较；并进一步把这些结果与熔窑冷修时拍摄的耐火砖表面带有磨损细条纹的照片做了比较。尽管该模型并没有考虑边界条件的相似，但它详尽全面的研究工作至今仍为模拟工作提供了有益的指导。1 9 5 6 年m i c h a e l s 1 6 】以r e 、g r 和p r 准则为相似条件，对熔窑进行了模拟，然而m i c h a e l s 忽略了窑墙散热损失及玻璃液流量的影响，他提出，如模拟液是足够粘性的( 事实上，这是玻璃的明显特征之一) ，贝0 可将g r 和p r 合并为一个准则。1 9 5 7 年k r u s z e w s k i l l 7 1 在一个比例为1 2 0 的模型中，用甘油为模拟液，以g a 准则为相似条件，研究了玻璃液的流动。进入6 0 年代，玻璃窑炉物理模型试验得到了进一步的发展。1 9 6 1 年c j r e e n n e 1 8 1 提出了实验测定实际窑炉的温度场，然后利用该数据通过量纲分析来建立一个物理模型，用该模型研究窑池玻璃液的对流。但是该文并没有给出具体的实验过程。1 9 6 8 年，s a f a i e h 1 9 1 研究了玻璃液中的鼓泡，他采用量纲分析，增加了f r 准数，并与原来的p r 数、r e 和g r 数一起构成了相似准数。但他没有考虑尺寸对鼓泡的影响，并忽略了玻璃液表面的辐射及出料量。作为物理模型与数值模型相结合使用的第一例，他以g a 和g r 准则为相似条件，以加入氯化锂的甘油为模拟液( 加氯化锂的目的在于提高模拟液的导电率) ，模拟了玻璃电熔炉。1 9 6 9 年，捷克学者s t a n e k 建立了电熔玻璃熔窑的物理模型，他在k r u s z e w s k i 提出的g a 准则基础上增加了g r 准则。值得特别提到的是：在甘油中加入胶状的氯化锂导电介质，配制成模型液，使得模型液导电系数随温度变化的规律与实际玻璃液完全相似。他第7 页东华大学硕士掌位论文的工作奠定了电熔玻璃窑物理模拟的基础【2 0 l 。进入7 0 年代和8 0 年代以后，物理模型试验的理论和方法已经确定，这段时期针对不同的熔窑操作过程和结构参数进行了相应试验。1 9 7 6 年，b a n s a l 在第3 7 界玻璃年会上回顾了物理模型的发展。他采用方程无因次方法推出了1 3 个相似准数：指出在严格的模型相似准则无法满足时，可采用放宽的模型相似准数。他还讨论了大p r 准数的近似、g a 准数的不恰当、n u 准数与环境温度间的转换、电力准则及投料口边界条件的问题，并对使用不同准则的组合进行模型试验可能造成的误差范围作出了定量估计。他指出由模型液物理性质对温度的关系所导致的误差主要反映在p r 准数、电力准数、n u 准数和p e 准数上。这种放宽对模型准则的限性而牺牲一定实验精度的折衷方法不会影响模拟完整性，不失为一种有效的措施。1 9 8 3 年h r m a 采用与b a n s a l 相似的模拟条件研究电熔玻璃窑。他指出配合料化学反应及气泡的浮升力会影响玻璃液对流【2 l 】。在国内，从2 0 世纪7 0 年代末许多专家和学者开始进行玻璃熔窑模型实验技术研究。原华东化工学院、原上海建材学院、清华大学等单位相继建立了类型不同的玻璃熔窑的模型试验台，逐步形成了一批从事模型试验的研究队伍。1 9 7 8 年，周志豪、郑达德【2 2 】对全电熔玻璃池窑进行了物理模型研究，他们运用相似原理建立了全电熔玻璃池窑的物理模型，测定了窑内模拟液体的温度分布，讨论了电极配置、窑炉结构尺寸等对温度、速度分布的影响。他们还进行了玻璃液分隔装置对浮法窑冷却部降温效果的模拟实验，物理模拟实验的结果表明：分隔装置的冷却效果以卡脖处池底抬高为最佳。1 9 8 3 年，陈伍珍和宁伟【2 3 佣物理模拟的方法研究了不同搅拌器对消除玻璃液条纹的影响，并找到了最佳搅拌方案。1 9 9 3 年，于云林例等对玻璃熔窑火焰空间进行了物理模拟研究，实现了模型与原型的湍流流动相似。通过改变小炉和喷枪等的几何参数，气流速度等物理参数，研究火焰空间流动和传热问题，为确定最佳设计，改造操作方案提供了依据。1 9 9 9 年，清华大学的郭印诚、滕树龙对横火焰第8 页东华大学硕士学位论文玻璃窑炉燃烧空间内的流动，燃烧及辐射传热等进行了模拟研究。2 0 0 3 年，苍利民采用数学模拟方法，研究开发了池炉模拟软件，并对指导实际生产、提高玻璃生产质量中的作用作了阐述。2 0 0 3 年，南京玻璃纤维研究设计院的吴嘉培应用模拟试验与电工理论，探讨了玻璃电熔窑多相供电时电极间的玻璃液内部电流走向与等效电路，并提出多种方法求解各电极间的等效电流。2 0 0 4 年，华东理工大学的孙承绪，刘勇，乐军对实际运行中的全电熔窑，以相似理论为依据，建立实体模型，对窑内玻璃熔制过程进行了仿真研究。等玻璃熔窑物理模型实验的研究已经涉及了液体流动、加热、鼓泡以及搅拌等各个方面，取得了许多有价值的研究成果。但是，纵观几十年来物理模拟方法的建立和发展，各国研究人员使用了不同的相似准则，但从最简单的到最严格的相似准则都无法实现与实际窑炉的完全相似。尽管许多研究人员作了很大努力，但至今相似准则也不能应用于尺寸类别相差很大的各类窑炉，也无法建立不需要特殊、特性的模拟液的模拟实验台1 2 5 】。1 3电极不同布置方式引发的电场分布在玻璃电熔炉中，用浸没式电极向玻璃液输入电能和传统的燃料炉有着本质区别。燃料炉是以传导方式在玻璃液上方提供热能熔化玻璃，而电熔炉是通过“冷元件”一电极向玻璃液馈入电能的方式产生高温来熔制玻璃，对于不同的玻璃，它们有不同的特性，故采用电熔技术来熔制玻璃时采用的电熔炉类型，电极形状、种类、布置位置都会不相同，这些都将影响玻璃电窑炉中的电场分布【2 6 1 。玻璃电熔窑窑形种类：方形、矩形、六角形、t 形、多边形。玻璃电炉中主要使用的电极种类：钼电极，氧化锡电极，石墨电极，铂电极电极的形状：棒状、板状1 3 1 几种常见电极的安装布置电极的布置方式：棒状的水平、垂直、倾斜、顶插等布置，板7第9 页东华大掌硕士掌位论文状水平布置皿口圈口电极垂直布置电极水平布置 电极斜插布置板状电极布置图1 3 电极布置的几种经典方式f i g1 3a r r a n g e m e n tm e t h o do fe l e c t r o d e s棒状电极的水平布置如果期望玻璃熔池水平面中温度升高的场合，最好采用水平安装的棒状电极。特点：电极或电极对相对布置，电流密度成层状分布。因此，所产生的热量在玻璃窑池中的分布更均匀，而这种形式分布的热量，在宽池窑中往往不够强。但是电极间距必要是足够大，以使电极的前区不致承受过高的电流密度。电极端部相互之间的自由间距应大于电极长度的两倍。缺点：水平布置的电极受到弯曲应力的作用，特别是密度大的钼电极在温度负荷高的情况下会向下弯曲，而且在极端情况下会折断，因此，长度与直径之比必须小于2 0 2 7 1 。在电极的顶部范围内形成了一个强大的玻璃液流。在电极下侧，玻璃液流极小。棒状电极的垂直布置用一组垂直电极可在玻璃熔池内的空间上得到很高的热负荷。因此，这种布置方法极其适合用于电助熔窑中形成一个热障。在电极周围以及池底范围，形成了强大的对流。电极短，就存在耐火材料承受高负载的危险。电极长，电极容易弯曲和折断。但是这种危险比是水平布置时耍小。电极间距大小的选择应考虑到即使在电极弯曲时也不会形成短路f 刎。安装池底电极需要具有比安装侧墙电极更丰富的经验，而且池第l o 页东华大学硕士学位论文底烧穿的危险更大。池底电极在全电熔窑中经常使用，而在电助熔窑中得到广泛地应用，因为后者接近池底，而且热量主要集中在玻璃熔池的深度上。板状电极布置板状电极总是垂直布置在侧墙上。这样可使电流密度和热量分布都极其均匀。电极的侵蚀很小。特别适用于与硼硅酸盐玻璃接触的钼电极，严重的缺点是运转期间电极不能更换。池窑不得不停火，并在高温状态下排出玻璃液。池墙砖的蚀损极小。采用钼电极的熔池，在加热和降温时，必须采取保护措施，使电极不与空气中的氧气接触。在玻璃熔池中，不论是采用那种安装方式，电流总是以在空间上延伸的方式从一个电极流向另一个电极，不同区域的电流密度可能相差很大，形成很复杂的电场分布，许多专家，科研人员也对此进行了研究。他们主要是运用了相似理论，建立了数学模型，大部分都是采用下列的方法，根据电流场和静电场十分相似，找出他们之间对应的关系，然后直接套用静电场的数学分析结论。电流场和静电场之间的相似关系5 】电流场静电场场强e场强e电流密度j电感应量0电导率y = 1 p介电常数( e = e 。，)线电流密度t线电荷密度t能量密度w位能w电压v电压v电流i电流i电阻r - 导电容吉= 吾lco假设两支电极棒为直流电源的正极和负极，根据静电学和电动力学的基本定律，形成电力线和等势线场的条件如下：第1 l 页东华大掌硕士学位论文i 。电力线的起点和终点都垂直于电极表面。2 电力线间距与恒定电流流过的面积相一致。3 等势线垂直切割电力线。可以得出如下的电场分布图形：图1 4 电力线与等势线分布图【5 1f i g1 4e l e c t r i cp o w e rd i s t r i b u t i o na 在理想的溶池内b 板状电极很小的情况c 棒状电极垂直布置的情况d 棒状电极与池壁垂直布置的情况从能量分布来看，电极周围能量释放最大。用单位体积内玻璃液单位体积所接受热量的热功率密度来表示能量的分布即：d 矿2 署锄+ 詈刃+ 詈舻9 l ( 1 t )式中一热功率密度( c a l s c m 3 * s )i 一流经截面的电流( a )s 一垂直于电流通过的截面积( c m 2 )q j 一电阻率( qc m )从式中不难看出，热功率密度于通过其体积截面的电流密度有关。电极将电能馈入玻璃液中，同它四周玻璃液体积相比，表面积最小，电流密度最大。假设电极将能量以平行于电极长度的方向向外传递，那么离电极越远，表面积越大，电流密度就越小，能量就越低。第1 2 页东华大学硕士学位论文1 3 3 电极的不同布置对玻璃液温度场和流体场的关系电极附近的小区域是高能密区，它使得附近的玻璃液体获得的能量大，温升快，导致会引起电极附近单位质量的玻璃温度升高很快，密度比周围玻璃液体的轻，这样由于温度的不同会引起密度上的差异，从而导致了玻璃熔体局部地区产生的强化了的热对流。温度场的变化进而影响玻璃液流体场的变化。下面是j s t a n e k 做的模拟实验，它揭示了不同的电极布置通电后通过周围形成的电场对玻璃液温度场和流体场的关系。图1 5电极垂直布置的模拟液流【3 0 jf i g1 5s k e t c hm a pt h a tm o d e ll i q u i df l o w s图1 6电极水平布置的模拟液流【3 0 】f i g1 6s k e t c hm yt h a tm o d e ll i q u i df l o v s第1 3 页东华大学硕士掌位论文图1 7电极斜插布置的模拟液流”wf i g1 7s k e t c hm a pt h a tm o d e ll i q u i df l o v s图1 5 反映的是一对电极垂直布置时模拟液流动的情况，从图中可以看出：它形成了两个环流，一个是两电极之间玻璃液形成的对流，称之为内环流，另一个是在电极与池壁之间玻璃液形成的对流，称之为外环流。内环流是主要环流。一方面使玻璃液沿电极表面朝液面向上涌，然后向中心或较冷区域水平运动；另一个方面优于热膨胀，中心膨胀程度远大予边缘区域，使中心液面微微向上拱起，而池底各处静压基本不变，此时产生一由中心向四周扩散的压力差，在压力差作用下玻璃液从重心向四周流去。这种液流首先从表面开始，遇到电极顶端上涌的液流又使它改变速度和方向，甚至折回。中心液流运动时其总量下降，使池底压差发生变化，池底四周玻璃液向中心流入，这样就形成了循环对流。即内环流。外环流的运动轨迹较简单：它也是沿着电极表面上升至顶部，然后转向池墙，续而沿着池壁向炉底流动，最后顺着池底向电极根部缓慢靠拢。图1 6 反映的是一对电极水平布置时模拟液流动的情况，同理，它也形成两个环流，即内环流和外环流。内环流为主流，在两个电极之间形成了一个水平热障，使液流从顶部到底部再回流到顶部的环流。图1 7 反映的是一对电极斜插布置时模拟液流动的情况，同理，它也形成两个环流，即内环流和外环流。内环流为主流，在两个电极之间形成了一个热障，使液流从底部到顶部再回流到底部的环流。第1 4 页东华大掌硕士掌位论文1 4 本文研究的内容和难点在玻璃产品的制作中，几百年来由燃料的化学作用释放热量产生高温，使配合料受热形成玻璃液的熔制方法已经被广泛应用，许多专家权威对燃料玻璃窑炉已经有很深入地研究，也建立了丰富的理论体系。近一百年来，利用电能直接或者间接熔化玻璃的技术迅速发展起来，为熔制高品质玻璃创造了很好的条件。电力用于玻璃熔制不论是辅助电熔还是全电熔都在增加着。然而，由于电熔窑炉的工作状况完全不同于传统燃料窑炉，人们对电熔窑炉的研究还远远不够，特别是电力进入玻璃体后是如何传导，对应的温度场如何建立，以及形成的流体场，对电力场由何反作用筹许多需要进行深入地研究。到目前为止，国内还没有研究者对玻璃液电熔窑内电场分布对温度场与流体场的关系做过系统的研究。大多数研究者又都只是研究了很简单的一组( 一对) 电极对应的电场分布，及其对玻璃液温度场和流体场的关系，少数窑炉专家对多组电极会产生的电场干涉情况也只是做了定型的描述。国外对这方面的研究也不是很多，实际运行的电熔窑炉情况要复杂得多，一般都是用多组电极，并且插法各异，输电方式亦有很多种，使得很多理论无法应用到实际上去。本课题就是围绕这个方面展开，采用模拟技术的方法，以现在设计运行的一个窑炉为基础进行i 0 ：1 的比例缩小，电极采用紫铜材料，以甘油、糖浆、氯化锂的混合物为模拟液，对多组电极在玻璃窑炉内的电场分布、温度场分布、流体场分布进行模拟，同时结合实际运行窑炉中的实验数据为参考，互为补充，验证，找出电熔玻璃窑炉内电场分布对温度场和流体场的关系。通过模拟分析其优缺点，提供更为合理的优化方案。课题的研究将会给电熔技术带来很好的反馈，意义如下：在理论上丰富电力馈入的理论一电熔玻璃窑炉内电场分布对温度场和流体场的关系。通过模拟分析其优缺点，提供更合理的优化方案，带来巨第1 5 页东华大掌硕士掌位论文大的经济回报。在新池窑方案设计和改造旧窑炉时，为窑炉中电极的设计方案提供理论依据，使其最合理的利用电力资源。进一步发展玻璃电熔窑模拟理论本课题的难点在于：( 1 ) 能有效地找出最主要的相似条件来模拟出和实际运行窑炉相对应的各种物理参数。同时不降低精确度。( 2 ) 找出一个很精确的测量手段来测量电场的分布，即等电势体的分布。第1 6 页东华大学硕士掌位论文第二章模拟试验利用玻璃自身通电时产生热量来熔化玻璃，是目前许多国家生产玻璃所采用的先进技术。电熔窑热效率高，生产能力大、产品质量好、窑体结构简单、易操作控制且污染小，从能源利用和环境保护的方面看，电熔窑极具发展前途。本试验所要研究的对象是四川某厂3 # 炉，它所生产的玻璃种类为硼硅酸盐玻璃，熔制该玻璃有如下特性：1 熔制温度高，从高硼玻璃的粘度的粘度温度曲线看，1 0 1 5 1 0 2 p 时，温度为1 6 5 0 1 6 8 0 c 。如果达不到该温度，就要延长熔制时间【3 l 】。2 玻璃粘度大。由于硅氧四面体以硼氧四面体连接，故粘度大、减慢了s i 0 2 颗粒的扩散口羽。3 b 2 0 3 挥发大，在熔化、澄清和均化过程中，b 2 0 3 都会挥发，尤其是在工作池和供料道。b 2 0 3 与n a 0 2 共同挥发，导致液面形成硼高硅的变质层。容易析晶，造成缺陷嘲。4 电熔窑内热不稳定性大。随着玻璃温度升高，其电阻率降低，供给功率就增大，如不采用有效控制，玻璃液温度就会迅速升高。该厂采用的是正方形全电熔窑，并用三相供电。采用全电熔窑来熔化该种玻璃是比较理想的，因为它容易达到较高的温度，由于加热是在配合料内部进行，并始终保持冷炉顶，硼挥发少，不宜分层，能耗低。我们按照1 1 0 的比例缩小来进行模拟。下文主要详细介绍了模拟试验的过程和现象。2 1 模拟试验理论模拟是指不直接研究现象或过程的本身而用这些现象或过程相似的模型来进行研究的一种方法【1 0 1 。在解决工程问题时，模拟立足于科学，而非单纯的经验。它充分利用基础理论的成果，为分析第1 7 页东华大掌硕士学位论文和研究复杂的问题开辟了广阔的道路。对于正在开发的工艺过程，通过模拟可以在实际过程建成之前取得近似于实际过程的信息，以便估价过程的可行性；对于现有的工艺过程，通过模拟可以对过程及各有关关键性参量之间的相互关系有一个总的了解，可以分析过程的故障和探索改变过程参量的效果，从而为过程优化提供一种手段f 】o 】。模拟可分为数学模拟和物理模拟。数学模拟是指用数学模型来表征一个物理或化学过程或描述一个物理或化学过程的某些特点。数学模型可以是一系列代数式或微分或积分方程，也可以简化为一个关系式。数学模拟由于其高效、低成本，在工艺过程现代化和最优化以及新产品、新工艺的研究和探索中已逐渐成为必不可少的研究工具l l ，】。然而，数学模型要能真正描述一个过程或一个过程的某些特点，先决条件是对过程关键参数之间的相互作用的规律有个明确的物理概念，否则就难以用数学语言来表达这些关系，建立合适的数学模型。在玻璃电熔炉熔化玻璃的过程中，对于建立一个精确的，甚至于半精确的数学模型，还是缺少足够的物理知识：数学模型的正确性、可靠性的检验还必须依靠物理模拟p 4 】。典型的例子如：描述溶液流动状态的数学模型的检验就地依靠物理模拟的观察和测定。因而，物理模拟在科学研究中也是必不可少的。物理模拟是指在不同规模上再现某一过程，分析其物理特性和线性尺度的影响，并对所研究过程进行直接实验【3 4 l 。物理模拟和数学模拟常常是相互配合，相互验证的。物理模型的理论依据是相似理论，即相似理论的三大定律【3 卯：定理一彼此相似的现象，同名相似准数必相等；定理二任何微分方程式都有相似准则函数形式的解；定理三凡单质条件相似，定型准则相等的现象必相似：根据相似理论，物理模型若能与实际反应器内过程( 原型) 保持相似，则由模型得到的规律可以推广应用到原型。由相似理论出发，第1 8 页东华大掌硕士掌位论文可推得玻璃熔窑模拟试验常用相似准则如表2 1 【3 6 】表2 i ：常用相似准则及其物理意义t a b l e2 1r e s e m b l er u l ea n d i t ss i g n i f i c a n c e第1 9 页东华大学硕士掌位论文表2 1 ：常用相似准则及其物理意义( 续)t a b l e2 1r e s e m b l er u l ea n di t ss i g n i f i c a n c e ( c o n t i n u e )表中：a 导热系数m 2 s国速度m sj 特性尺寸mt 温度k动力粘度n s m 2r 温度差k仃表面张力咖2g 重力加速度m s 。c p 比热k j k g kp 压力m d旯壁导热系数w m kp 密度k g m s口对流换热系数舻k 占壁厚m口体积膨胀系数i kf 时间sy 运动粘度m 2 s从相似定理可以得知，要满足模型和实型充分相似，则要求模型和实型之间有如下关系：1 描述的方程相同2 几何相似3 物理特性相似4 边界条件相似5 起始条件相似第2 0 页东华大学硕士学位论文6 定性准则在数值上相等显然，在模拟试验中是很难满足上述所有条件的，甚至可以说是无法办到的。玻璃的形成过程和边界条件复杂。要实现上述六个方面完全相似是不可能的。因此，在模型试验中，应尽量满足对现象相似起主要决定性作用的影响因素，而近似满足或忽略那些次要的非决定性的影响因素。根据本试验研究对象的特点，我们主要采用了以下几个相似准则：一、几何相似：模型和实际窑炉必须成几何相似，满足( 2 1 )式中；m 一模型e 实际窑炉s 一模型比例常数1 一相应部位尺寸二、动力相似：即系统的力相似，当两系统在对应的时间和点上所受力之比为定值，则两系统间动力相似。玻璃电熔窑熔制玻璃的过程大多涉及到流体的各种性质，所以遵守动力相似可能是最重要的准则之。满足流体力学相似( 2 2 )g a 一胤= 鼠吲e m 蝴眨。，式中：g a 川a l i l e o 准数，表明因温度不同而密度不同引起的浮升力和惯性力之比。r 旷r e y n o l d 准数，表明流体流动情况，是惯性力和粘滞力之比。m 一模型e 一实际窑炉b 一流体的体积膨胀系数( 1 ) a t 一温度差( )g 一重力加速度( 斛s e c 。)v 运动粘度( # s e c “)第2 1 页怒东华大学硕士学位论文d 一流体流速( 1 n ：i s e c l )1 一相应部位尺寸( m )三、电力输入方式相似：我们研究的对象是玻璃电熔窑，所以在物理模拟试验中，电力的输入方式，模拟液和玻璃熔液的电性能都应该相似。具体应满足 等 ，= 矧。叫e m 亿a ， 铡。：吲。m眨s ，式中：m 一模型e 一实际窑炉p 。t 一电阻率t 温度( k )四、边界条件相似：模型和实际窑炉在进出口处的流量、速度分布、温度场等都必须保持相似。2 2 模型装置的建立要建立的物理模型要与原型形状相似，模型任一部分的尺寸与原型对应的尺寸之比值都相同。这是必须满足的最基本的要求。一般情况下模型较原型按比例缩小，保证模型关键部分的尺寸与原型相似，即各个部分的尺寸比例为同一相同的尺寸常数。模拟试验选取的比例尺寸一定要合适，如果太大，对模型的制作要求就比较高，要能承受模拟液重量和温度的变化，而且模拟液的用量很高，成本比较大；如果太小，内部现象反映不很明显，模拟的误差大。在条件允许的情况下，大一点好【3 7 l 。本试验模拟对象为四川某公司的3