浮法玻璃一窑两线数学模拟及生产应用

引言当前浮法玻璃生产线正在面临的问题：既要保证排放符合国家和地方的相关标准，同时还要满足目前多变的多品种市场需求。大吨位的浮法玻璃熔窑能够提高热量的利用率、节约能耗、降低排放，而一窑多线的生产方式则能够满足多品种的市场需求，因此，大型浮法玻璃熔窑的一窑多线生产是目前平板玻璃产业结构调整的一种优选方法。本文以窑内熔融玻璃液作为研究对象，采用三维多物理场耦合的工程仿真方式，对一窑两线浮法玻璃熔窑内玻璃液的流动规律进行分析，并对窑型结构及相关辅助设施进行优化，完成不同支线玻璃液的选择性分配和调控技术，从而实现了不同支线抽取不同品质的玻璃液用于成形，进而实现一窑多品种的生产。一窑两线特点一窑两线的生产方式并不陌生，大多使用在传统的垂直引上和压延玻璃的生产过程中。浮法工艺一窑两线的生产对液流的要求较高，同时还需要兼顾工程施工和操作的可行性。（1）一窑两线工艺优点。两条支线共用一个熔化澄清部，节省了再建熔化部的空间和资金。

通过对液流的合理分配和调控，可以实现不同支线生产不同厚度品种和等级的产品，柔性制造，且能够缩短过渡期。通过不同支线对玻璃液的分流，降低了工作部稀释风的用量，节约风机的载荷，降低了能耗。减少了废气排放的总量，减轻了脱硫脱硝的负担，解决了污染物排放问题。（2）一窑两线生产难点。窑型结构设计：因为两条支线共用一个熔化部，两条支线的液流互相制约，互相影响，设计不合理会影响所有支线。辅助设施匹配性：鼓泡、卡脖水包和搅拌器是浮法玻璃生产中常用的助熔与强制均化的辅助设施，如果各设施使用不当，轻则影响玻璃质量，重则影响窑炉寿命。支线结构设计：各支线之间的间距、长短、宽窄等因素不单影响着玻璃液的质量，还会对后续的成形、退火和冷加工造成一定影响。

工艺参数匹配性：各支线冷却部的稀释风量，若设计或调整不当，可能会引起玻璃液的流道温度偏差，造成生产困难。液流调控技术在一窑两线生产方式中的应用（1）一窑两线结构的选择。一窑两线，即一个熔窑对应两条生产线，在熔窑处产生分支，而分支的方式一般有两种，一种为对称型，另一种为非对称型，如图1所示。两种不同的生产方式，其液流的分配方式也各有特点。如图1（a）的对称型结构，在此结构下玻璃液在经过卡脖之后在横通路附近开始分流，并且以对称的分流方式分配给左右两条支线，这种生产方式在理想状态下，两支线的玻璃液品质相同，在生产中只能实现厚度的差异化，对于产品质量等级而言无太大差异，并且在实际生产过程中，如果在通路附近存在横向温差，便会引起左右两支线均匀性的波动，左侧的生产问题可能会在右侧的支线产品中体现，如果对窑内玻璃液的流动和分配方式了解不足，则很容易造成误判；而图1（b）的非对称型结构，主线（与熔窑在同一中心线）和支线（分支的一条线）玻璃液的分配方式不同，更容易实现不同支线不同等级产品的差异化生产。图1一窑两线生产方式示意图（2）一窑两线窑型液流规律分析。模型的X方向为熔窑的长度方向，Y方向为熔窑的宽度方向，Z方向为熔窑的高度方向。模型采用六面体网格进行划分，网格大小为100mm×100mm×50mm，总网格数量为：623865个。图2初始模型仿真计算结果分析从图2（a）中能够流出熔窑的玻璃液来源分析可以看出，一窑两线窑型下玻璃液的分配情况，主线和支线液流有明显的差别：对于主线，出口玻璃液的来源均由主体熔化部和卡脖的前进流直接提供，并且提供的区域近似属于主体熔窑和卡脖左侧（远离支线一侧），从熔窑内各循环的流动情况分析，该部分液流主要是由主体熔窑的第一和第二循环流提供。这两部分环流的液流均匀性相较好，因此对应主线的玻璃液均匀性较好。对于支线，出口玻璃液的来源为主体熔窑的卡脖一侧位置玻璃液的分流，并且该分流在偏转向通路结构再流向支线时，由于经过几次直角方向的反折，导致玻璃液流一部分沿通路和支线中心流向出口，该部分玻璃液均匀性与主线相近，均是由第一和第二环流提供，因此均匀性较好，而另一部分液流会紧贴通路和支线工作部的池壁流向出口，这部分液流由于长时间与通路和支线池壁接触，与池壁耐火材料之间有较长时间的交代反应，并且在支线工作部也会有部分螺旋流（第三循环流）参与流出，进而其均匀性相对较差。这样的流动是窑型结构所限定，因此整体支线流出熔窑的玻璃液均匀性与主线相比要差。从图2（b）各环流流量的分布可以看出，由于支线的分流作用，导致主线和支线存在不同的流量分配，主线的液流分配与单线的流量分配相似，而支线的液流分配可以明显看出，提供的液流基本都作为成形流流出熔窑。从流量分配情况可以看出，主线液流的稳定性要高于支线。（3）一窑两线窑型结构优化。由于一窑两线的结构与单线不同，在结构设计中要充分考虑工艺和工程等多方面的问题。图3为一窑两线工艺布置简图。图3中不同的字母代表着不同位置处的距离。其中L为主线和支线工作部中心线之间的间距，如果L过大，则由主线工作部分支的通路长度变长，玻璃液流向支线后的温降增大，导致支线玻璃液温度太低，不能满足后续的成形，或者需要额外增加加热装置来满足成形温度；如果L过小，虽然会降低支线玻璃液的温降，但后续成形过程中主线和支线锡槽的间距L3不足，则会影响相邻两锡槽一侧拉边机的操作空间，增加玻璃液成形难度。经过优化的玻璃窑炉内液流主线和支线各自液流的分配情况如图4所示。图3一窑两线工艺布置示意图图4窑内液流主线和支线各自液流的分配情况从图4中可以看出，能够流出主线出口的玻璃液主要来自于卡脖处的上层前进流层，还有一部分来源于主线工作部的螺旋式前进的第三循环流；能够流出支线出口处的玻璃液，主要分为两个部分：第一部分来源于熔窑左侧靠近卡脖胸墙处的部分玻璃液，这部分液流流至主线工作部后，经过多次的循环，最终到达支线流出熔窑，因此该部分玻璃液主要为第三循环液流；第二部分来源于熔窑右侧的部分上层和下层前进流，该部分液流中的上层前进流，经过一定程度的偏转后，能够直接流出支线出口，而下层前进流则会贴近卡脖、通路及支线工作部的壁面螺旋式的前进，最终流出支线出口。研究成果在浮法玻璃生产线上的应用与验证2015年，河北南玻玻璃有限公司对其900t/d单线进行一窑两线的技术改造。完成了该生产线的窑型结构及其相关辅助设施（水包、搅拌、鼓泡）的优化。生产线正式投产之后，将主线和支线生产出的玻璃产品阶段性取样，同时也为生产过程中出现的产品质量问题来源提供了准确的判断和定位，通过针对性地微调，实现了对工艺过程的监控和调整，保证稳定生产。图5为一窑两线主线和支线同时生产6mm普白品种玻璃时所采集到的条纹图像。图6为一窑两线主线生产2mm，支线生产15mm超白品种玻璃时所采集到的条纹图像。通过对比可以明显看出，主线的整体条纹要明显好于支线。主线条纹线条较少，并且整体规律均是在整个板宽方向上平行分布，只有下层的部分区域存在条纹紊乱区，但相对而言纹路较浅，且第一、第二环流对应的液流在流出玻璃液的总量中所占的比例较大，说明在该条纹采集时的这段时间内，主线整体的液流均匀性分布较好；支线条纹与主线相比纹路较乱，并且颜色较深，且第一、第二环流对应液流所占比例与第三环流相近，说明支线的均匀性和稳定性相对于主线要差。图5一窑两线主线和支线生产6mm玻璃产品的条纹图像图6一窑两线主线2mm和支线15mm玻璃产品的条纹图像该项目运用基于工程仿真的液流调控技术指导技改，在保证科学施工的条件下节省了大量经费，并且实现了产品升级目标。在厚度方面：主线玻璃产品厚度范围为1.3~6mm，支线玻璃产品厚度范围为3~20mm，通过主线和支线的相互配合，能够在大跨度的厚度范围区间灵活调整；在品种方面，通过对生产线的技术改造，实现差异化生产与市场竞争力提高，在原有建筑玻璃市场领域的基础上，进入电子玻璃领域，完成对家电面板、光学AG镀膜、安防及仪器仪表面板、汽车风挡、太阳能光伏、荧光屏等产业领域的布局，摆脱了常规建筑型浮法玻璃的制造困境，完成了战略性升级转型，经济效益显著提高。结语浮法熔窑内的玻璃液流是决定玻璃产品质量的关键环节，任何相关的辅助措施都是为玻璃液提供服务。采用基于三维工程仿真的液流调控技术，探明了一窑两线浮法熔窑熔制过程玻璃