玻璃纖維成形通路出料口分析研究

韓大河

（淄博中材金晶玻纖有限公司，淄博 255086）

0 前言

玻璃纖維池窯拉絲通路的作用，是將窯爐中熔制好的玻璃液進(jìn)一步的澄清、溫度調(diào)理和玻璃液分配。根據(jù)在玻璃纖維制造中的不同作用，可將通路分為澄清通路、分配通路、成形通路。成形通路的作用，是將前道工序基本調(diào)理好的玻璃液，根據(jù)整體成形工藝布置特點(diǎn)和單個(gè)成形工位的工藝要求，對(duì)玻璃液溫度進(jìn)行微調(diào)后送入拉絲漏板，以形成連續(xù)穩(wěn)定的玻璃纖維［1］。成形通路中玻璃液的液面穩(wěn)定性［2］、玻璃液的溫度和分布均勻性［3］、 沿成形通路各工位流量分布、成形通路中燃燒空間氣體的壓力和氣氛［4］，各工位出料口排布方式和出料口形狀對(duì)玻璃纖維成形的效率和產(chǎn)量有重要影響。

玻璃纖維出料口位置處于通路底部，其結(jié)構(gòu)中拐角部分較多，用常規(guī)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法和物理模擬法獲取充分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行分析的難度較大，隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)數(shù)值模 擬［5，6］成為分析玻璃纖維窯爐、通路內(nèi)部狀況，優(yōu)化工藝參數(shù)的重要方法。本文采用數(shù)值模擬法對(duì)成形通路中玻璃液進(jìn)行三維模擬，重點(diǎn)研究出料口排布方式和不同出料口結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)進(jìn)入漏板前的玻璃液的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響規(guī)律，詳細(xì)分析了不同條件下的玻璃液流分布并與實(shí)際情況進(jìn)行了比較。

1 建立數(shù)值模擬模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

為了便于數(shù)學(xué)處理，需要將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，先將模型進(jìn)行假設(shè)：通路內(nèi)的玻璃液為均勻不可壓縮牛頓粘性流體；玻璃液為穩(wěn)定的熱傳遞和流動(dòng)狀態(tài)；玻璃液的膨脹系數(shù)、比熱容設(shè)定為常數(shù)；通路池壁耐火材料對(duì)玻璃液無(wú)影響，設(shè)為固定的導(dǎo)熱系數(shù)散熱。

通路中的玻璃液流動(dòng)須滿足質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量方程、能量守恒方程等流體力學(xué)基本方程。

質(zhì)量守恒方程即連續(xù)性方程，其方程為：

式中：

ρ——密度，kg/m3；

t ——時(shí)間，s；

Vi——速度矢量，m/s。

動(dòng)量方程是為了滿足牛頓第二定律，其方程為：

式中：

gi——重力加速度在i方向的分量，m/s2；

P ——壓力，Pa；

Ri——分布阻力；

μe——湍流有效粘度，Pa·s。

能量方程是為了滿足熱力學(xué)第一定律，其方程為：

式中：

E ——流體微團(tuán)的總動(dòng)能，J/kg；

h ——焓，J/kg；

kdff——有效傳導(dǎo)系數(shù)，W/（m·K）；

hj——組分j的焓，J/kg；

jj——組分j的擴(kuò)散通量；

sh——包括了化學(xué)反應(yīng)熱及其他由用戶定義的體積熱源項(xiàng)。

本文對(duì)湍流方程的求解使用包含兩個(gè)方程的標(biāo)準(zhǔn)模型（Standard k-εModel）［7，8］，它由湍流動(dòng)能（k）方程、湍流動(dòng)能分散率（ε）方程構(gòu)成。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中的湍流動(dòng)能方程為：

式中：

k ——湍流動(dòng)能；

μt——湍流黏度，Pa·s；

σk——湍流動(dòng)能的施密特?cái)?shù)；

φ——黏度分散；

ε——湍流動(dòng)能分散率；

C4——常數(shù)；

β——熱膨脹系數(shù)，1/K；

T ——溫度，K。

標(biāo)準(zhǔn)模型中的湍流動(dòng)能分散率方程為：

式中：

σε——湍流動(dòng)能的施密特?cái)?shù)；

C1ε——常數(shù)；

C2——常數(shù)；

Cμ——湍流黏度的修正系數(shù)，常數(shù)；

C3——常數(shù)。

1.2 幾何模型

本文以成形通路作為研究對(duì)象，通路玻璃液出料口排布方式分別為與通路平行排布和與通路垂直排布，具體尺寸見(jiàn)圖1。每條通路有12個(gè)工位，每個(gè)工位日產(chǎn)能為1.92 t/d，通路內(nèi)部寬度為0.500 m，玻璃液深度為0.120 m，采用純氧燃燒橫火對(duì)玻璃液表面進(jìn)行加熱。

圖1 通路出料口排布示意圖

使用ANSYS軟件中的前處理模塊對(duì)成形通路進(jìn)行三維實(shí)體建模、利用自帶網(wǎng)格劃分模塊對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分［9-11］。

1.3 物料性質(zhì)參數(shù)及邊界條件

本文所用玻璃液物性采用ECR玻璃配方，具體參數(shù)如表1所示。

表1 玻璃液物性參數(shù)

玻璃液入口流速簡(jiǎn)化為水平方向速度矢量相等，溫度沿玻璃液深度方向成比例下降；成形通路中空間對(duì)玻璃液傳熱和輻射均勻，將傳熱簡(jiǎn)化為對(duì)玻璃液表面直接施加溫度載荷。進(jìn)口、出口均設(shè)置為質(zhì)量條件。

2 結(jié)果分析

為分析出料口排布、出料口形狀和流量變化的影響，對(duì)表2中所示的不同工況下的通路進(jìn)行了數(shù)值模擬，各模型中玻璃液物料性質(zhì)參數(shù)、入口玻璃液溫度等保持不變。為便于對(duì)比，以下分析中統(tǒng)一選取6號(hào)工位進(jìn)行分析。

表2 通路模擬參數(shù)變化

2.1 平行排布出料口

實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)具體的成形工藝線要求，玻璃液出料口有平行排布和垂直排布2種方式，2種出料方式對(duì)于玻璃液溫度和流動(dòng)狀態(tài)有一定影響。一般認(rèn)為平行排布出料口會(huì)獲得通路中質(zhì)量較高的玻璃液。

圖2為平行排布出料口寬度方向溫度及垂直速度分布情況，a、b、c圖為沿通路玻璃液流動(dòng)方向的前、中、后溫度分布截面圖，d、e、f為沿通路玻璃液流動(dòng)方向的前、中、后垂直速度分布圖，可以看出沿通路玻璃液流動(dòng)方向，玻璃液溫度和垂直速度分布具有對(duì)稱性。由于出料口寬度較小，沿寬度方向的溫度分布和垂直方向的速度分布差異較??；出料口長(zhǎng)度方向玻璃液溫度分布和垂直方向的速度分布差異較大。

圖2 平行排布出料口寬度方向溫度及垂直速度云圖

圖3為平行排布出料口長(zhǎng)度方向溫度及垂直速度情況，圖3a中可以看到在80 kg/Hr的流量下，出料口中左右兩側(cè)玻璃液溫度存在明顯的差異，通路來(lái)料方向的一側(cè)玻璃液溫度較另一側(cè)高，這是由于通路來(lái)料一側(cè)的玻璃液先進(jìn)入流料磚內(nèi)，其在垂直方向上流動(dòng)速度快于另一側(cè)（圖3b），同時(shí)在水平方向上會(huì)產(chǎn)生占位補(bǔ)充，遠(yuǎn)離來(lái)料一側(cè)較少獲得來(lái)自上方的玻璃液。隨著出料口耐火材料的熱散失，兩側(cè)的玻璃液溫度出現(xiàn)明顯的差異，導(dǎo)致進(jìn)入漏板的玻璃液溫度不均勻，出現(xiàn)拉絲線密度、張力等指標(biāo)左右不平衡，出現(xiàn)難以調(diào)整的情況。出料口兩側(cè)玻璃液溫度在1274～1278 ℃，由于接近此玻璃配方的析晶溫度區(qū)間，在出料口保溫及其他措施不利的情況下，出料口兩端將會(huì)發(fā)生玻璃析晶，影響正常作業(yè)。

圖3 平行排布出料口長(zhǎng)度方向溫度及垂直速度云圖

圖3c可以看出在流量增加到120 kg/Hr后，盡管流料口左右兩側(cè)的玻璃液溫度仍然不均勻，但較80 kg/Hr流量工況下有明顯的改善（圖3a），說(shuō)明提高流量對(duì)進(jìn)入漏板的玻璃液的溫度均勻性以及改善拉絲作業(yè)條件有著積極的作用。由于出料口的橫截面積不變，流量增大后玻璃液的流動(dòng)速度增加，單位時(shí)間內(nèi)帶入的熱量增多，出料口散熱速率恒定，流槽內(nèi)的玻璃液易于流動(dòng)，進(jìn)入漏板的玻璃液溫度更為均勻。在其他方法改善工況不對(duì)稱能力有限的情況下，適當(dāng)增加拉絲流量不失為一種可行的選擇。

通過(guò)后期生產(chǎn)線冷修實(shí)際情況可以看出（圖4），平行排布出料口兩側(cè)玻璃液均勻性差異較為明顯，同時(shí)驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

圖4 平行排布出料口圖

2.2 垂直排布出料口

圖5為垂直排布出料口寬度方向溫度及垂直速度分布情況，5a、5b、5c圖為左、中、右位置的溫度分布截面圖，5d、5e、5f圖為左、中、右位置的垂直速度分布截面圖，可以看出同平行排布相同，垂直排布在沿通路方向上玻璃液溫度和垂直方向速度分布也具有對(duì)稱性。由于出料口寬度較小，沿寬度方向的溫度分布和垂直方向的速度分布差異較小。

圖5 垂直排布出料口寬度方向溫度及垂直速度云圖

圖6所示為垂直排布出料口的溫度和垂直速度云圖，出料口寬度與通路寬度相同，a圖、b圖為80 kg/Hr流量設(shè)定，c圖、d圖為120 kg/Hr流量設(shè)定。圖中顯示垂直排布下的出料口玻璃液溫度由于流料磚、漏板磚等耐火材料熱損失的存在和成形通路中兩側(cè)與中間玻璃液溫度的差異，其均勻性同樣具有明顯的差異（圖6a），但由于垂直排布的流料口獲取成形通路中的玻璃液的時(shí)間基本相同，玻璃液垂直方向的流動(dòng)速度差異較小 （圖6b）。

圖6 垂直排布出料口長(zhǎng)度方向溫度及垂直速度云圖

增加流量對(duì)垂直排布的出料口工況同樣具有改善作用（圖6d），其使進(jìn)入出料口的玻璃液流速更加均勻，熱交換更加充分。盡管出料口兩側(cè)的玻璃液溫度仍然較低，但進(jìn)入漏板的玻璃液溫度均勻性有較大改善。實(shí)際驗(yàn)證垂直排布出料口玻璃液均勻性與模擬結(jié)果吻合（圖7）。

圖7 垂直排布出料口圖

相同長(zhǎng)度的成形通路，在拉絲工藝線允許的條件下，垂直排布出料口可以設(shè)置更多的工位，增加產(chǎn)能，節(jié)約投資。另一方面，由于垂直分布出料口兩側(cè)距離成形通路池壁直角較近，部分觀點(diǎn)認(rèn)為邊部玻璃液質(zhì)量不高，獲取此處玻璃液對(duì)作業(yè)穩(wěn)定性有較大影響。

2.3 出料口形狀

圖8為相同條件的不同出料口形狀溫度及垂直速度云圖，此方案的優(yōu)勢(shì)為盡量減少通路兩側(cè)直角低質(zhì)量玻璃進(jìn)入出料口，改善作業(yè)穩(wěn)定性，圖8a、圖8b顯示對(duì)稱結(jié)構(gòu)的出料口中玻璃液溫度場(chǎng)和流動(dòng)場(chǎng)均為對(duì)稱特征，在出料口末端位置，兩側(cè)都因流槽耐火材料熱損失出現(xiàn)溫度降低幅度較大，采用末端擴(kuò)口圖8c的結(jié)構(gòu)，進(jìn)入漏板前的玻璃液溫度場(chǎng)和垂直方向的速度更為均勻，并且由于擴(kuò)口的反傾角，玻璃液對(duì)于耐火材料的附著能力減弱，兩側(cè)的玻璃液流動(dòng)性改善。另一方面，由于橫截面積的增大和表面積的增加，使玻璃液流動(dòng)速度降低，熱損失增加，進(jìn)入漏板前玻璃液平均溫度較垂直出口低。

圖8 改變出料口形狀溫度及垂直速度云圖

圖3、圖6、圖8均顯示出無(wú)論采用平行排布方式還是垂直排布方式，出料口末端兩側(cè)都存在因流槽耐火材料熱損失產(chǎn)生的玻璃液溫度較大幅度下降的情況，此區(qū)域玻璃液粘度變化較大。由于距離漏板較近，此區(qū)域內(nèi)的玻璃液進(jìn)入漏板后將對(duì)單束玻璃纖維直徑的均勻性有較大影響，甚至嚴(yán)重影響作業(yè)穩(wěn)定性和漏板的使用壽命。

2.4 改變溫度與流量比較

玻璃纖維生產(chǎn)線投產(chǎn)后通路的出料口形狀基本確定，改善出料口玻璃液均勻性的主要方式為調(diào)整通路溫度、調(diào)整漏板流量或兩者相結(jié)合。圖9a、圖9b為通路玻璃液溫度升高5 ℃的溫度和垂直速度云圖，圖9c、圖9d為漏板流量由80 kg/Hr提升至120 kg/Hr的出料口玻璃液溫度和垂直方向速度云圖。

圖9 提高溫度和流量的出料口溫度及垂直速度云圖

從圖中可以看出，提高通路溫度和提升漏板流量均對(duì)改善出料口玻璃液質(zhì)量有積極作用。對(duì)比圖8d和圖9b可以發(fā)現(xiàn)，相同漏板流量下，提高通路溫度對(duì)出料口內(nèi)玻璃液流動(dòng)特性影響較小，提高通路溫度的主要影響為整體提升出料口內(nèi)的玻璃液溫度，使其遠(yuǎn)離玻璃液的析晶區(qū)間。提升漏板流量可以使出料口內(nèi)的玻璃液流動(dòng)速度加快，提高玻璃液溫度，改善玻璃液的均勻性，但由于對(duì)出料口內(nèi)的玻璃液溫度提升幅度不大，出料口末端兩側(cè)的玻璃液溫差較提升通路溫度大（圖9a、圖9c）。調(diào)整通路溫度可與調(diào)整漏板流量配合進(jìn)行，以達(dá)到相互協(xié)調(diào)匹配，但由于生產(chǎn)玻璃纖維品種和其他條件的限制，有時(shí)兩種調(diào)整手段不能達(dá)到預(yù)期效果，還需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行 處理。

2.5 增加導(dǎo)流板

理想的進(jìn)入漏板的玻璃液質(zhì)量需要在水平方向各點(diǎn)均勻，在通過(guò)調(diào)整玻璃液溫度和調(diào)整漏板流量改善玻璃液均勻性效果不理想的情況下，通過(guò)技術(shù)手段改變進(jìn)入漏板的玻璃液流動(dòng)分布可以起到較好的效果。

圖10為在出料口增加導(dǎo)流板的玻璃液溫度和垂直速度云圖。實(shí)施方式為在漏板濾網(wǎng)中間增加一定面積的盲板區(qū)，b圖中顯示相同條件下由于盲區(qū)的存在，流槽內(nèi)兩側(cè)玻璃液垂直方向的流速明顯加快，兩側(cè)玻璃液物質(zhì)交換和能量交換效率增加，使兩側(cè)與中間的玻璃液溫度差異減小，玻璃液質(zhì)量均勻性有明顯的改善（圖10a）。調(diào)整中將通路溫度、漏板流量和導(dǎo)流板結(jié)合使用，可以大幅改善拉絲作業(yè)穩(wěn)定性，提高成絲率、降低單位能耗。

圖10 加導(dǎo)流板出料口溫度及垂直速度云圖

3 結(jié)論

（1）通過(guò)使用三維數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)玻璃纖維成形通路玻璃液出料口進(jìn)行模擬，對(duì)平行排布和垂直排布的出料口玻璃液溫度場(chǎng)和垂直方向流動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行分析，得出不同排布方式的玻璃液的流動(dòng)特性，并與實(shí)際進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，確定分析結(jié)果的可靠性。

（2）通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)平行排布沿出料口長(zhǎng)度方向玻璃液溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的非對(duì)稱特性。

（3）對(duì)垂直排布方式的漏板流量、玻璃液溫度和通過(guò)增加導(dǎo)流板影響玻璃液流動(dòng)等方式進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示上述方式均對(duì)進(jìn)入漏板的玻璃液質(zhì)量均勻性有積極影響。

通過(guò)改變漏板流量、玻璃液溫度和玻璃液流動(dòng)等特性，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中改善拉絲作業(yè)穩(wěn)定性、提高成絲率、降低單位能耗有一定指導(dǎo)意義。