基板玻璃窯爐關(guān)鍵位置流場(chǎng)仿真研究

楊國洪 趙龍江 王答成 楊威 徐劍 王剛

（彩虹顯示器件股份有限公司 咸陽 712000）

0 引言

通常制約高世代基板玻璃氣電混合窯爐壽命的關(guān)鍵在于電極與池壁的消耗、后池壁流液洞耐火材料的侵蝕消耗，對(duì)大引出量氣電混合窯爐局部結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是改進(jìn)窯爐關(guān)鍵材料受玻璃液沖刷侵蝕和玻璃液流態(tài)的有效方案［1］。流液洞通常設(shè)計(jì)在后池壁窯爐底部位置，在玻璃熔化過程中可以阻擋上層未完全高效熔化的玻璃液流入到鉑金料道，因此在空間上起到了阻隔窯爐熔化池和鉑金料道的作用，使窯爐熔化池和鉑金料道的澄清均化工藝受控［2-4］，但是喉管流液洞的插入深度直接影響流液洞外圍耐火材料的侵蝕消耗速率［5］。電極與池壁的相對(duì)位置直接影響玻璃液流場(chǎng)分布和電極周圍焦耳熱的分布，所以探究一種最佳的高世代大引出量基板玻璃氣電混合窯爐局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式，是延長(zhǎng)基板玻璃窯爐壽命的關(guān)鍵措施。

本文采用GFM（Glass Furnace Model）軟件模擬仿真方式輔助對(duì)氣電混合窯爐的關(guān)鍵位置進(jìn)行溫度場(chǎng)及流場(chǎng)的模擬，研究電極與池壁的最佳相對(duì)位置及最佳的喉管插入深度對(duì)基板玻璃窯爐壽命的影響。

1 電極與池壁相對(duì)位置模擬

為了研究池壁和電極的相對(duì)位置對(duì)窯爐玻璃液流場(chǎng)和電極周圍焦耳熱分布的影響，分析電極與池壁的消耗問題，建立了4種池壁和電極相對(duì)位置的模型進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)模擬，如圖1、圖2所示，流場(chǎng)模擬結(jié)果見表1。

圖1 池壁與電極不同相對(duì)位置流場(chǎng)模擬

圖2 電極底部、中部位置溫度模擬

表1 電極底部、中部位置模擬結(jié)果

從表1可以看出，電極凸出5～20 mm和電極與池壁平齊兩種相對(duì)位置的溫度場(chǎng)分布要比電極內(nèi)縮30～50 mm和池壁消耗10～20 mm的底部和中部溫度場(chǎng)低30～150 ℃。電極凸出5～20 mm和電極與池壁平齊兩種相對(duì)位置的溫度場(chǎng)分布要比電極內(nèi)縮30～50 mm和池壁消耗10～20 mm的中部產(chǎn)生的焦耳熱低165～300 J。通常情況下，隨著窯爐熱點(diǎn)溫度的上升，電極的消耗速率也在隨之增加，熱點(diǎn)溫度的升高，增加了窯爐熱點(diǎn)附近電極的消耗，如果不及時(shí)推進(jìn)電極就會(huì)造成電極內(nèi)縮，造成池壁消耗加劇。此狀態(tài)下電極中底部溫度升高、焦耳熱也隨之升高，循環(huán)加速電極的消耗，從而持續(xù)影響窯爐的運(yùn)行壽命。

2 喉管插入深度模擬研究

為了研究窯爐出料口喉管的插入深度是否對(duì)玻璃液的流動(dòng)狀態(tài)和流速產(chǎn)生影響，分析玻璃液對(duì)后池壁沖刷的問題，建立分析模型對(duì)喉管不同的插入深度分別做了計(jì)算，將玻璃考慮為牛頓流體，并做穩(wěn)態(tài)計(jì)算，同時(shí)將玻璃考慮為純電阻發(fā)熱也不考慮電磁場(chǎng)對(duì)玻璃液流動(dòng)的影響。喉管插入深度設(shè)計(jì)為0 mm、30 mm、60 mm和90 mm四組，建立模型，如圖3所示。

圖3 喉管不同插入深度分析模型

以玻璃液出料量410 kg/h為計(jì)算模型，輸入模擬邊界條件一致，包括電功率、電極電壓、玻璃液引出量等模擬參數(shù)。喉管的插入深度依次為0 mm、30 mm、60 mm和90 mm，玻璃液整體的流動(dòng)示意圖如圖4所示。

圖4 玻璃液流動(dòng)示意圖

從玻璃液流動(dòng)軌跡的流速分布分析，玻璃液在后循環(huán)的軌跡有較為明顯的變化，如圖5所示。喉管不同插入深度后循環(huán)玻璃液流速明顯不同。

圖5 玻璃液后循環(huán)示意圖

在玻璃窯爐中心軸線上，沿后池壁分別在每個(gè)單元格獲取玻璃液流動(dòng)速度，將喉管不同插入深度的玻璃液流速對(duì)比，如圖6所示。

圖6 沿后池壁軸線上的玻璃液流速

從玻璃液后循環(huán)仿真結(jié)果來看，不同的喉管插入深度，玻璃液后循環(huán)流速對(duì)喉管的沖刷侵蝕速率明顯不同，從玻璃液流動(dòng)狀態(tài)模擬結(jié)果分析，喉管的插入深度造成玻璃液后循環(huán)發(fā)生改變。通過對(duì)后池壁的玻璃液流速變化分析，當(dāng)喉管的插入深度為60 mm時(shí)，玻璃液沿后池壁的流速較慢，當(dāng)喉管的插入深度為90 mm和30 mm時(shí)，玻璃液沿后池壁的流速均大于插入深度60 mm狀態(tài)的流速。在喉管插入深度為0 mm時(shí)，當(dāng)液面深度在650 mm左右時(shí)流液洞位置玻璃液流速急劇增大，出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)論

（1）電極與池壁凸出5～20 mm和電極與池壁平齊兩種相對(duì)位置的中底部溫度場(chǎng)分布和焦耳熱要比電極內(nèi)縮30～50 mm和池壁消耗10～20 mm的溫度低30～150 ℃，焦耳熱低165～300 J。因此，要延長(zhǎng)窯爐壽命必須保持電極與池壁平齊或凸出為最佳的位置關(guān)系，這種分布方式可以降低電極和池壁的消耗速率。

（2）通過對(duì)后池壁的玻璃液流速變化分析，當(dāng)喉管的插入深度為60 mm時(shí)，玻璃液沿后池壁的流速較慢，對(duì)后池壁喉管流液洞磚的沖刷侵蝕量最小。