CN120097610B 一种全电浮法玻璃熔窑的制造方法 （上海吉驰建材科技有限公司）

(12)发明专利(72)发明人李绍丰韩兆信郭保明徐鸿文施占国(普通合伙)31434CO3B5/16(200审查员张玲榕本发明公开了一种全电浮法玻璃熔窑的制传统熔窑降低能耗40%以上，吨玻璃电耗≤1200kWh;温度控制精度达±2℃,气泡缺陷率降定值30%;采用玻璃珠模拟料进行流场可视化测试；21.一种全电浮法玻璃熔窑的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、熔窑结构模块化预制：采用氮化硅结合碳化硅材料预制熔窑底部模块，模块间预留电极安装槽道；在侧墙模块预埋水冷铜电极套管，套管呈15°倾斜角布置；顶部模块集成辐射测温窗口和废气回收通道；S2、多级电极系统装配：在熔化区布置钼电极矩阵，采用三相六点式星形排列；在澄清区设置氧化锡电极对，电极间距梯度递减；在工作区配置可升降锆电极组，实现液面高度自适应调节；S3、智能温控系统集成：安装分布式光纤测温网络，测量点密度达5个/平方米；部署多变量PID控制器，建立温度-功率耦合控制模型；通过熔窑数字孪生系统，实现温度场实时仿真预测；S4、熔窑调试与优化：分段通电老化，初始功率控制在额定值30%;采用玻璃珠模拟料进行流场可视化测试；通过光谱分析优化电极电流相位分配。2.根据权利要求1所述的一种全电浮法玻璃熔窑的制造方法，其特征在于：所述熔窑底部模块预制，包括：以质量百分比计，采用氮化硅60%+碳化硅40%作为烧结助剂；模块尺寸设计为1.5m×1.2m×0.3m,采用CNC加工中心铣削电极槽道，槽宽80±0.1mm,槽道内表面粗糙度Ra≤1.6μm;分段烧结，烧结气氛为氮气保护，纯度≥99.99%。3.根据权利要求2所述的一种全电浮法玻璃熔窑的制造方法，其特征在于：所述侧墙模质莫来石砖和不锈钢壳体组成。4.根据权利要求3所述的一种全电浮法玻璃熔窑的制造方法，其特征在于：所述顶部模5.根据权利要求1所述的一种全电浮法玻璃熔窑的制造方法，其特征在于：所述在熔化区布置钼电极矩阵，采用三相六点式星形排列，具体包括：钼电极直径Φ80±0.05mm,纯度≥99.95%;相邻电极中心距500mm,插入深度300-400mm可调，电流密度控制范围0.8-1.2A/6.根据权利要求5所述的一种全电浮法玻璃熔窑的制造方法，其特征在于：所述在澄清区设置氧化锡电极对，电极间距梯度递减，具体包括：电极间距梯度递减，第一组800mm,第二组600mm,第三组400mm;电极直径φ60mm,表面镀铂层厚度5μm;供电方式为直流脉冲供电，频率50Hz,电压梯度从前区220V到后区150V。7.根据权利要求6所述的一种全电浮法玻璃熔窑的制造方法，其特征在于：所述在工作区配置可升降锆电极组，实现液面高度自适应调节，具体包括：伺服电机驱动，行程200m位置反馈精度±0.05mm;锆电极经过氧化锆稳定化处理，工作端锥角45°,表面抛光Ra≤0.88.根据权利要求7所述的一种全电浮法玻璃熔窑的制造方法，其特征在于：所述安装分布式光纤测温网络，测量点密度达5个/平方米，具体包括：采用铠装光纤，耐温1600℃,纵向9.根据权利要求8所述的一种全电浮法玻璃熔窑的制造方法，其特征在于：所述部署多变量PID控制器，建立温度-功率耦合控制模型，具体包括：建立16输入×12输出矩阵，耦合3系数通过正交试验确定；比例带2-5%,积分时间30-60s,微分时间5-10s;通过熔窑数字孪生系统，实现温度场实时仿真预测，包括：网格划分尺寸≤50mm,包含热-电-流多物理场耦合；更新周期1分钟，电极寿命预测误差≤5%。10.根据权利要求9所述的一种全电浮法玻璃熔窑的制造方法，其特征在于：所述分段通电老化，初始功率控制在额定值30%,具体包括：分段通电老化，初始功率控制在额定值30%;流场可视化测试采用玻璃珠模拟料，CCD相机拍摄频率25fps,PIV分析软件处理图像；光谱优化采用遗传算法迭代，目标函数为温度均匀性指数≥0.95。4一种全电浮法玻璃熔窑的制造方法技术领域[0001]本发明涉及玻璃制造技术领域，具体为一种全电浮法玻璃熔窑的制造方法。背景技术[0002]浮法玻璃生产工艺作为平板玻璃制造的主流技术，其熔窑系统长期依赖化石燃料加热。现有燃气熔窑存在火焰温度波动大(±15℃)、热点区域温度梯度明显等问题，导致玻璃液均化困难，影响成品质量。同时，燃烧过程产生的氮氧化物排放难以满足日益严格的环保要求。[0003]全电熔技术虽在特种玻璃领域有所应用，但在大规模浮法玻璃生产中面临三大技术瓶颈：1)大功率电极系统设计难题；2)熔窑纵向温度曲线精确控制；3)电极材料在高温玻璃液中的耐久性。发明内容[0004]本发明的目的在于提供一种全电浮法玻璃熔窑的制造方法，以解决上述背景技术中提出的问题。[0005]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：[0007]S1、熔窑结构模块化预制：采用氮化硅结合预留电极安装槽道；在侧墙模块预埋水冷铜电极套管，套管呈15°倾斜角布置；顶部模块集成辐射测温窗口和废气回收通道；[0008]S2、多级电极系统装配：在熔化区布置钼电极矩阵，采用三相六点式星形排列；在澄清区设置氧化锡电极对，电极间距梯度递减；在工作区配置可升降锆电极组，实现液面高度自适应调节；[0009]S3、智能温控系统集成：安装分布式光纤测温网络，测量点密度达5个/平方米；部署多变量PID控制器，建立温度-功率耦合控制模型；通过熔窑数字孪生系统，实现温度场实时仿真预测；[0010]S4、熔窑调试与优化：分段通电老化，初始功率控制在额定值30%;采用玻璃珠模拟料进行流场可视化测试；通过光谱分析优化电极电流相位分配。碳化硅(SiC)40%的复合配方，添加2%氧化钇(Y203)作为烧结助剂；模块尺寸设计为1.5m×1.2m×0.3m,采用CNC加工中心铣削电极槽道，槽宽80±0.1mm,槽道内表面粗[0012]优选的，所述侧墙模块预制，包括：套管采用无氧铜(C1020)套管，壁厚5mm,间距300mm;保温层由高纯氧化铝纤维板、轻质莫来石砖和不锈钢壳体组成。备自动清洁装置；废气回收系统采用多孔陶瓷过滤器，孔径0.5μm,引风机风量可调范围10-5[0014]优选的，所述在熔化区布置钼电极矩阵，采用三相六点式星形排列，具体包括：钼电极直径Φ80±0.05mm,纯度≥99.95%;相邻电极中心距500mm,插入深度300-400mm可调，电流密度控制范围0.8-1.2A/cm²。[0015]优选的，所述在澄清区设置氧化锡电极对，电极间距梯度递减，具体包括：电极间距梯度递减，第一组800mm,第二组600mm,第三组400mm;电极直径Φ60mm,表面镀铂层厚度5μm;供电方式为直流脉冲供电，频率50Hz,电压梯度从前区220V到后区150V。[0016]优选的，所述在工作区配置可升降锆电极组，实现液面高度自适应调节，具体包括：伺服电机驱动，行程200mm,位置反馈精度±0.05mm;锆电极经过氧化锆稳定化处理，工[0017]优选的，所述安装分布式光纤测温网络，测量点密度达5个/平方米，具体包括：采用铠装光纤，耐温1600℃,纵向间距500mm,横向间距200mm;信号处理采用FBG解调仪，分辨率0.1℃,采样频率10Hz。[0018]优选的，所述部署多变量PID控制器，建立温度-功率耦合控制模型，具体包括：建立16输入×12输出矩阵，耦合系数通过正交试验确定；比例带2-5%,积分时间30-60s,微分时间5-10s;[0019]所述通过熔窑数字孪生系统，实现温度场实时仿真预测，包括：网格划分尺寸≤50mm,包含热-电-流多物理场耦合；更新周期1分钟，电极寿命预测误差≤5%。[0020]优选的，所述分段通电老化，初始功率控制在额定值30%,具体包括：分段通电老化，初始功率控制在额定值30%;流场可视化测试采用玻璃珠模拟料，CCD相机拍摄频率25fps,PIV分析软件处理图像；光谱优化采用遗传算法迭代，目标函数为温度均匀性指数≥[0021]与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明消除燃烧废气排放，实现零碳生产；相比传统熔窑降低能耗40%以上，吨玻璃电耗≤1200kWh;温度控制精度达±2℃,气泡缺陷率降低50%。模块化设计使电极更换时间缩短70%;数字孪生系统可预测窑龄周期内的性能衰减。附图说明[0022]图1为本发明实施例的方法流程图；[0023]图2为本发明实施例步骤S1的子流程图；[0024]图3为本发明实施例步骤S2的子流程图；[0025]图4为本发实施例步骤S3的子流程图；[0026]图5为本发明实施例步骤S4的子流程图。具体实施方式[0027]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他6[0028]请参阅图1,本发明提供一种技术方案：一种全电浮法玻璃熔窑的制造方法，包括如下步骤：[0029]S1、熔窑结构模块化预制：采用氮化硅结合碳化硅材料预制熔窑底部模块，模块间预留电极安装槽道；在侧墙模块预埋水冷铜电极套管，套管呈15°倾斜角布置；顶部模块集成辐射测温窗口和废气回收通道。[0030]S2、多级电极系统装配：在熔化区布置钼电极矩阵，采用三相六点式星形排列；在澄清区设置氧化锡电极对，电极间距梯度递减；在工作区配置可升降锆电极组，实现液面高度自适应调节。[0031]S3、智能温控系统集成：安装分布式光纤测温网络，测量点密度达5个/平方米；部署多变量PID控制器，建立温度-功率耦合控制模型；通过熔窑数字孪生系统，实现温度场实时仿真预测。[0032]S4、熔窑调试与优化：分段通电老化，初始功率控制在额定值30%;采用玻璃珠模拟料进行流场可视化测试；通过光谱分析优化电极电流相位分配。合配方，添加2%氧化钇(Y203)作为烧结助剂。[0035]S1.2模块加工：单模块尺寸设计为1.5m×1.2m×0.3m(长×宽×高),采用CNC加工中心铣削电极槽道，槽宽80±0.1mm,槽道内表面粗糙度Ra≤1.6μm。[0036]S1.3热处理：分段烧结，烧结气氛为氮气保护，纯度≥99[0037]在本发明的实施例中，步骤S1中熔窑中侧墙模块预制，步骤包括：温度控制在650±10℃,间距300mm;通过对预埋水冷套形成保温层，保温层构建：内层为[0039]在本实施例中，水冷铜电极套管选用无氧铜(C1020)材质，壁厚5mm,需确保其表焊接质量。对进场的每一批次套管和模块材料进行抽检，核对材质证明文件，确保材料质量稳定可靠。[0040]在本实施例中，激光焊接设备选用适合无氧铜焊接的焊接设备，如脉冲光纤激光焊接机。该设备具有能量密度高、焊接速度快、热影响区小等优点，能满足水冷铜电极套管高精度焊接需求。同时准备好辅助工具，如高精度的定位夹具，用于固定水冷铜电极套管和侧墙模块，保证焊接过程中两者相对位置准确；还需准备氩气保护装置，在焊接过程中提供惰性气体保护，防止铜在高温下氧化。[0041]在本实施例中，使用砂纸或机械打磨工具对水冷铜电极套管焊接部位和侧墙模块的焊接区域进行预处理。使用砂纸或机械打磨工具去除表面的氧化层、油污和杂质，使焊接表面露出金属光泽，以提高焊接接头的质量。打磨后，用无水乙醇或丙酮对焊接区域进行清洗，去除残留的打磨碎屑和清洗剂，保证焊接区域清洁干燥。[0042]在本实施例中，选用脉冲光纤激光焊接机进行水冷铜电极套管的预埋焊接。其波长通常在1064nm左右，能够被铜材料良好吸收，实现高效焊接。该设备具有以下优势：7[0043]在本实施例中，可以精确调节脉冲能量、脉冲宽度和频率等参数，根据水冷铜电极套管的壁厚和焊接要求，灵活调整焊接能量输入，确保焊接过程稳定，避免出现过焊或未焊透等缺陷。[0044]通过光纤传输激光束，能够实现高精度的聚焦，光斑直径可达到微米级，满足水冷铜电极套管中心线倾斜角15°、间距300mm的高精度焊接定位要求。[0045]配备自动化控制系统，可以实现焊接过程的自动化操作，提高焊接效率和一致性。操作人员只需设置好焊接参数，设备即可按照预设程序进行焊接，减少人为因素对焊接质量的影响。[0046]在本实施例中，利用高精度定位夹具将水冷铜电极套管准确固定在侧墙模块的预设位置，保证套管中心线倾斜角为15°,间距300mm。在焊接前，使用激光跟踪仪或全站仪等测量设备对定位精度进行检测，偏差超出允许范围时及时调整。焊接过程中，实时监测套管位置，防止焊接热变形导致位置偏移。[0047]在本实施例中，严格控制焊接温度在650±10℃,通过焊接设备的温度监测系统和红外测温仪对焊接区域温度进行实时监控。同时，密切关注焊接电流、电压、脉冲频率等参数，确保其稳定在设定范围内。如发现参数异常波动，立即停止焊接，检查设备和焊接工[0048]在本实施例中，焊接过程中，持续通入氩气作为保护气体，氩气纯度≥99.99%。调整氩气流量，在焊接起始阶段，适当增大流量以有效排除焊接区域的空气；焊接过程中，保持稳定的流量，一般为5-10L/min,确保焊接熔池处于惰性气体保护氛围中，防止铜在高温下氧化，保证焊接接头的质量。[0049]在本实施例中，焊接完成后，对每个焊接接头进行外观检查，观察焊缝表面是否光接接头内部质量进行检测，确保无未焊透、内部裂纹等缺陷。对于不合格的焊接接头，及时进行返工处理，重新焊接后再次进行质量检验，直至达到质量标准。[0050]在本发明的实施例中，步骤S1中熔窑中顶部模块集成，步骤包括：[0051]S1.5辐射测温窗口：采用蓝宝石观察窗，直径80mm,配备自动清洁装置，每2小时氮气吹扫一次。[0052]在一个具体的实施例中，自动清洁装置主要由氮气喷头、驱动电机、旋转臂和控制器组成。氮气喷头安装在旋转臂前端，旋转臂由驱动电机带动，可在蓝宝石观察窗表面360°旋转。控制器定时控制驱动电机启动，每2小时开启一次吹扫程序，此时驱动电机带动旋转臂缓慢旋转，氮气喷头以0.5MPa的压力喷出纯度≥99.99%的氮气，氮气呈扇形覆[0053]S1.6废气回收系统：采用多孔陶瓷过滤器，孔径0.5μm,引风机[0054]通过模块化预制，熔窑的制造和使用过程更加高效、稳定和可靠，能够更好地满足全电浮法玻璃熔窑的高精度、高效率和长寿命要求。[0055]在本发明的实施例中，步骤S2中的在熔化区布置钼电极矩阵，采用三相六点式星[0056]S2.1钼电极安装：电极直径Φ80±0.05mm,纯度≥99.95%,采用液压推进机构，推8[0057]S2.2星形排列参数：相邻电极中心距500mm,插入深度300-400mm可调，电流密度控制范围0.8-1.2A/cm²。[0058]在本发明的实施例中，步骤S2中的在澄清区设置氧化锡电极对，电极间距梯度递[0060]S2.4供电方式：直流脉冲供电，频率50Hz,电压梯度从前区220V到后区150V。[0061]在本发明的实施例中，步骤S2中在工作区配置可升降锆电极组，实现液面高度自[0063]S2.6锆电极处理：氧化锆稳定化处理(添加8%Y203),工作端锥角45°,表面抛光Ra[0064]在本发明的实施例中，步骤S3中安装分布式光纤测温网络，测量点密度达5个/平[0065]S3.1光纤布置：采用铠装光纤，耐温1600℃.纵向间距500mm.横向间距200mm。[0067]在本发明的实施例中，步骤S3中部署多变量PID控制器，建立温度-功率耦合控制[0068]S3.3控制模型：建立16输入(温度点)×12输出(电极组)矩阵，耦合系数通过正交试验确定。[0069]S3.4参数整定：比例带2-5%,积分时间30-60s,微分时间5-10s。[0070]在本发明的实施例中，步骤S3中通过熔窑数字孪生系统，实现温度场实时仿真预[0071]S3.5建模要素：网格划分尺寸≤50mm,包含热-电-流多物理场耦合。[0073]在本发明的实施例中，步骤S4分段通电老化，初始功率控制在额定值30%,具体包[0074]S4.1启动程序：0-24h:20%额定功率；24-48h:40%额定功率；48-72h:60%额定功[0075]S4.2老化监测：电极接触电阻变化率≤1%/h,模块膨胀缝变化≤0.2mm。[0076]在本发明的实施例中，为了观察和分析玻璃熔窑内的流场分布情况，以便优化工艺参数，进行以下流场可视化测试，即步骤S4.具体来说，步骤S4中流场可视化测试采用玻璃珠模拟料，CCD相机拍摄频率25fps,PIV[0077]S4.3模拟料配置：玻璃珠粒[0078]在本实施例中，玻璃珠粒径范围为0.5-2mm,呈正态分布，平均粒径为1.2mm。合理的粒径分布确保玻璃珠在玻璃液中能够均匀分散，且运动特性与玻璃液相近，保证模拟结果的准确性。[0079]玻璃珠形状近似球形，球形度≥0.95。球形结构可减少在流动过程中的阻力和不9规则运动，使其更真实地模拟玻璃液的层流和湍流状态。[0080]密度为2.5g/cm³,与玻璃液在工作温度下的密度相近(一般玻璃液密度在2.3-2.7g/cm³),确保玻璃珠能够悬浮在玻璃液中，跟随玻璃液的流动而运动，不会因密度差异过大而沉底或上浮，影响流场观察。[0081]玻璃珠化学性质稳定，在熔窑工作温度(1200-1600℃)范围内不与玻璃液发生化学反应，也不会对熔窑内衬材料造成侵蚀，保证测试过程中不会引入额外干扰因素，确保测试结果的可靠性。[0082]添加1%荧光粉(YAG:Ce),在特定波长的光源(如波长为520nm的绿光)激发下，玻璃珠能够发出明亮的荧光，便于在CCD相机拍摄时突出显示玻璃珠的位置，提高图像对比度，使PIV分析软件更准确地识别和追踪玻璃珠的运动轨迹。[0083]S4.4测试方法：CCD相机拍摄频率25fps,PIV分析软件处理图像从而进行识别和追踪玻璃珠的运动轨迹。[0084]在本发明的实施例中，本步骤中光谱优化采用遗传算法迭代，目标函数为温度均匀性指数≥0.95,具体包括：[0085]S4.5测试点布置：每区设置3个光谱探头，采集波长范围380-780nm。[0086]S4.6相位优化：采用遗传算法迭代，目标函数为温度均匀性指数≥0.95。[0087]在本实施例中，CCD相机拍摄频率25fps,每秒拍摄25帧图像，可有效捕捉玻璃珠在玻璃液中的运动轨迹，为后续分析提供连续的图像数据。[0088]CCD相机拍摄分辨率为5120×3840像素，高分辨率能够清晰呈现玻璃珠细节，使PIV分析软件更精准地识别和追踪玻璃珠，从而提高流场分析的准确性。[0089]CCD相机拍摄根据光源强度和玻璃珠的荧光亮度进行调整，一般在1/100-1/1000s之间。合理的曝光时间可确保玻璃珠的荧光在图像中呈现清晰，避免过曝或曝光不足影响图像质量。[0090]相机安装于熔窑侧面距离液面高度50cm处，镜头光轴与液面成45°夹角，确保拍摄视野覆盖整个测试区域(约1m×1m范围),全面捕捉玻璃珠在流场中的运动情况。[0091]在本实施例中，PIV分析软件处理图像从而进行识别和追踪玻璃珠的运动轨迹包[0092]通过粒子图像灰度阈值区分玻璃珠粒子与背景图像。若阈值设置过低，会将背景噪声误判为粒子，导致虚假矢量出现；设置过高则可能遗漏部分粒子，使分析结果不完整。一般需根据图像的整体灰度分布，通过多次试验，在软件中调整灰度阈值滑块，找到能清晰分离粒子与背景的数值，通常在100-200灰度值区间(具体数值依实际图像而定)。[0093]通过矢量有效性判断的条件验证参数，如最小相关系数、最大允许速度等。最小相关系数用于衡量相邻两帧图像中粒子匹配的可信度，通常取值在0.7-0.9之间，低于该值的矢量会被标记为无效；最大允许速度根据玻璃液在熔窑内的实际流速范围设定，若计算出的粒子速度超过该值，对应的矢量也会被视为异常而舍弃，防止因噪声或错误匹配导致的不合理结果。[0094]当计算出的矢量分布不均匀或存在缺失时，需使用插值算法进行补充。常见的插值方法有线性插值、双线性插值等，软件中可设置插值的网格大小、插值权重等参数。网格大小决定了插值的精细程度，较小的网格能提供更准确的插值结果，但会增加计算量；插值权重则影响相邻矢量对插值点的贡献程度，合理设置这些参数可使流场速度矢量图和流线[0095]输入时间间隔参数。由于CCD相机以25fps拍摄，间隔。在PIV分析软件中，需准确输入该时间间隔(对于25fps拍摄，时间间隔为0.04s),软件据此计算粒子在单位时间内的位移，进而得出速度。若时间间隔输入错误，会导致速度计算结果出现偏差。[0096]通过数据滤波参数为去除分析结果中的异常矢量和噪声，软件提供多种滤波方丢失流场细节；窗口过小则滤波效果不佳。一般根据流场的复杂程度和噪声水平，选择合适的滤波方式和窗口大小，通常滤波窗口大小在3×3-5×5像素之间。[0097]在本实施例中，利用遗传迭代算法优化PIV分析软件中的关键参数，以提高流场[0098]确定PIV分析软件关键参数及其取值范围，如interrogation窗口大小、重叠率等，在取值范围内随机生成多组参数组合，组成包含50-200个个体的初始种群；[0099]将初始种群的参数组合应用于PIV分析软件处理流场图像，依据目标函数计算[0100]从下一代种群中随机选两个个体为父代，以0.6-0.9的概率，通过单点交叉、多点交叉或均匀交叉等方式交换参数，生成子代个体；同时以0.01-0.1的概率对个体参数进行小幅度随机变异，增加种群多样性，探索更优参数组合；[0101]重复适应度评估、选择、交叉和变异操作，不断迭代更新种群。设定最大迭代次数(如500次)或目标函数收敛阈值等停止条件，当满足条件时，获取当前种群中适应度最高