浮法錫槽內(nèi)錫液流動(dòng)模擬及深度優(yōu)化

曾紅杰，張 綱，王川申，齊 帥，周文彩，李紅強(qiáng)

(中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司，上海 200063)

作為目前世界范圍內(nèi)應(yīng)用最普遍、最成熟的平板玻璃生產(chǎn)工藝，浮法玻璃生產(chǎn)工藝是將熔融的玻璃液漂浮在重金屬液面上(通常為錫)，借助玻璃液、保護(hù)氣和金屬錫液的表面張力及重力作用，使玻璃液獲得拋光、成形的一種生產(chǎn)工藝[1-3]。錫槽是生產(chǎn)浮法玻璃的三大主要熱工設(shè)備之一，是浮法成型工藝的核心設(shè)備。玻璃液在錫槽內(nèi)完成由液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變，錫槽內(nèi)錫液的流動(dòng)特性對(duì)浮法玻璃成形質(zhì)量起重要作用[4,5]。在現(xiàn)有的浮法玻璃生產(chǎn)中，為了利于錫液對(duì)流，錫槽內(nèi)錫液的深度一般較大。但是，較大的錫液深度會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的問(wèn)題，導(dǎo)致錫液用量增大，生產(chǎn)成本提高，加熱和冷卻錫液耗費(fèi)更多的能量和資源。此外，錫液對(duì)流會(huì)隨深度加劇，嚴(yán)重影響玻璃成形質(zhì)量和生產(chǎn)安全[6-8]。

錫槽內(nèi)錫液是浮法玻璃生產(chǎn)過(guò)程中玻璃液成形的重要載體，其流動(dòng)特性對(duì)浮法玻璃產(chǎn)品成形質(zhì)量影響顯著。采用有限體積法，模擬了浮法錫槽內(nèi)錫液流動(dòng)特性隨深度的變化規(guī)律，分析了不同流動(dòng)形式對(duì)玻璃產(chǎn)品成形質(zhì)量的影響并對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中錫槽內(nèi)錫液深度進(jìn)行了優(yōu)化。

1 流動(dòng)計(jì)算

1.1 錫槽幾何構(gòu)型

錫槽幾何構(gòu)型見(jiàn)圖1。

1.2 邊界條件

錫槽內(nèi)錫液流動(dòng)模擬工況參數(shù)、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)參數(shù)設(shè)定分別如表1～表3所示。

表1 工況參數(shù)設(shè)置

表2 速度場(chǎng)設(shè)定

表3 溫度場(chǎng)設(shè)定

1.3 物性條件

錫槽耐火磚導(dǎo)熱系數(shù)為1 W/(m·K)，錫液密度、導(dǎo)熱系數(shù)和粘度隨溫度變化曲線(xiàn)如圖2所示。

2 白板錫槽內(nèi)錫液流動(dòng)模擬與討論

采用有限體積法，獲得浮法錫槽內(nèi)不同深度錫液的流動(dòng)特性，對(duì)槽內(nèi)錫液對(duì)流進(jìn)行分析，以期減少浮法玻璃生產(chǎn)過(guò)程中錫液的有害流動(dòng)，改善浮法玻璃成形質(zhì)量。錫液流動(dòng)模擬深度分別為液面(錫液)下5 mm、15 mm、25 mm、35 mm、45 mm和55 mm。

錫槽液面下5 mm處錫液流動(dòng)情況如圖3(a)所示。從圖中可以看出，表層錫液流動(dòng)基本以玻璃帶邊緣為界限，玻璃帶以下表層錫液流動(dòng)方向與玻璃帶運(yùn)動(dòng)主方向一致，錫槽寬段玻璃帶邊緣與錫槽壁之間錫液逐漸轉(zhuǎn)向沿錫槽壁面方向流動(dòng)。錫槽液面下15 mm錫液流動(dòng)情況如圖3(b)所示。從圖中可以看出，玻璃帶下錫液流動(dòng)方向與玻璃帶前進(jìn)方向一致。但是，與圖3(a)中玻璃帶以下表層錫液流動(dòng)趨勢(shì)相比，液面下15 mm處錫液流動(dòng)趨勢(shì)有所減弱。錫槽邊壁處錫液出現(xiàn)下沉流動(dòng)現(xiàn)象。液面下25 mm處錫液流動(dòng)情況如圖3(c)所示，從圖中可以看出，玻璃帶下方25 mm處錫液流動(dòng)趨勢(shì)相較于上層錫液流動(dòng)進(jìn)一步減弱，錫槽寬段玻璃帶邊緣至錫槽壁之間錫液流動(dòng)方向逐漸平行于錫槽壁面，并與玻璃帶主運(yùn)動(dòng)方向相反，錫槽過(guò)渡段30～33 m處最為明顯。在窄段錫槽壁面處，錫液下沉。錫槽液面下35 mm處，玻璃帶邊緣至錫槽壁之間錫液回流增強(qiáng)，并逐步向錫槽中部回流聚集，玻璃帶下錫液沿玻璃帶主運(yùn)動(dòng)方向基本無(wú)流動(dòng)，如圖3(d)所示。

錫槽液面下45 mm處(如圖3(e)所示)，錫液流動(dòng)情況與35 mm處流動(dòng)特征相似，在玻璃帶下，錫液沿玻璃帶主流動(dòng)方向無(wú)流動(dòng)。玻璃帶邊緣至錫槽壁之間，錫液回流進(jìn)一步增強(qiáng)，錫槽過(guò)渡段回流最為明顯。從圖3(f)錫液流動(dòng)示意圖可以看出，在錫槽液面下55 mm處，隨著錫槽內(nèi)錫液深度的增加，錫液流動(dòng)方式發(fā)生顯著改變，玻璃帶下方錫液深層與錫液前進(jìn)流反向方向產(chǎn)生縱向深層回流。

在浮法玻璃生產(chǎn)過(guò)程中，錫槽內(nèi)錫液的流動(dòng)形式十分復(fù)雜，主要包括與玻璃帶運(yùn)動(dòng)方向一致的前進(jìn)流、玻璃帶邊緣與槽壁之間錫液的螺旋回流和玻璃帶下方深層錫液與玻璃帶前進(jìn)方向相反的深層回流。過(guò)多的錫液對(duì)流容易導(dǎo)致錫槽內(nèi)錫液的溫度、粘度不均，引起錫液橫向與縱向的溫度梯度變化，近而影響漂浮在錫液上的玻璃液，降低產(chǎn)品表面質(zhì)量。

從以上白板錫槽內(nèi)錫液的流動(dòng)模擬結(jié)果可以看出，錫槽內(nèi)錫液的流動(dòng)隨深度變化很大。當(dāng)錫液深度達(dá)到55 mm時(shí)，錫液縱向?qū)α骷觿?，容易?dǎo)致不同區(qū)域錫液溫差加大，影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全。另外，模擬結(jié)果顯示，在錫槽過(guò)渡段，錫液的流動(dòng)形式最為復(fù)雜，錫液回流量和渦流量很大。因此，在滿(mǎn)足生產(chǎn)需要的前提下，可適當(dāng)降低錫槽寬段錫液深度至小于55 mm，減少錫液的有害流動(dòng)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)錫槽時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)計(jì)階梯狀錫槽，將錫槽過(guò)渡段加深，減少部分深層回流錫液，減緩錫液因槽型變化造成的紊流，提高玻璃質(zhì)量。

3 結(jié) 論

a.在滿(mǎn)足生產(chǎn)需要的前提下，降低錫槽寬段錫液深度至55 mm以下，減少有害對(duì)流，降低生產(chǎn)成本。

b.設(shè)計(jì)階梯狀錫槽，添加擋坎、擋旗，減少錫液紊流，改善玻璃表面質(zhì)量。