不同收縮段寬度條件下硼硅酸鹽玻璃全電熔窯的模擬研究

劉東昕 佟連杰 許世清 劉世民

（1. 山東魯玻玻璃科技有限公司 濟寧 272502；2. 燕山大學材料科學與工程學院 秦皇島 066004）

0 引言

硼硅酸鹽玻璃具有優(yōu)異的化學耐久性、氣密性和強度，是藥品包裝的理想材料［1］。利用全電熔窯的方式生產藥用包材可以減少硼揮發(fā)，提高熔窯效率，避免排放污染，在藥品包材生產中得到了廣泛應用。藥用管制瓶生產分兩步進行：玻璃原料被熔窯熔化，結合丹納法或維絡法成形為玻管，隨后冷卻到室溫狀態(tài)；再通過火焰重新加熱玻管，利用機械工具將玻管重塑為所需包材的種類及尺寸（西林瓶、注射器、安瓿瓶等）。因此，玻管質量直接影響藥用包材的質量。本研究采用有限元法對全電熔窯收縮段寬度對熔融玻璃液循環(huán)過程的影響作系統(tǒng)分析。

1 基本數學模型、生產工況及材料屬性

1.1 基本數學模型

研究對象為全電熔玻璃熔窯，其結構如圖1（a）所示。熔融玻璃液充滿熔窯，其中主熔化區(qū)的功能是熔化和均化玻璃液。收縮段的作用為均化和澄清玻璃液，也稱之為輔熔化區(qū)。主熔化區(qū)的熔化面積大于輔熔化區(qū)。在熔窯內布置有三層鉬電極，電極的位置是固定的，但每層的電功率可以調整。電極還安裝在流液洞、上升道和主路中，用于加熱玻璃液，以防其過度冷卻影響成形過程。熔窯壁面由耐火磚組成，以提供足夠的保溫功能，保溫層被設置為具有固定導熱系數的散熱面。玻璃的拉引量為21 t/d。雖然在實際生產過程中，熔窯的頂部是投料口，上覆蓋有一定厚度的玻璃生料，本研究簡化了生料對熔融玻璃液的影響，將生料與熔融玻璃的界面設置為質量流入口，質量流入口處熔融玻璃的溫度為1110 ℃。全電熔窯的網格劃分采用邊長為50 mm的四面體網格，網格數為1587658。圖1（b）為全電熔窯在不同收縮段寬度下的模型，收縮和擴大程度均在收縮段的外接圓直徑值基礎上進行改變。

圖1 全電熔玻璃熔窯結構圖（a）和不同收縮段寬度模型（b）

1.2 生產工況

熔化區(qū)的每一層電極都是對向成對供電方式，如圖2所示，其中一個電極組和其空間對向電極組是一個供電回路。在熔化區(qū)，中層電極功率最高，上層電極功率次之，底層電極功率最低。此外，圖2中還顯示了流液洞、上升道和主路電極的連接方式和功率參數。為保持熔融玻璃液在支線出口處的成形溫度，除電極加熱外，頂蓋磚也是主要熱源。頂蓋磚上方的硅碳棒加熱頂蓋磚，并通過熱電偶監(jiān)測頂蓋磚溫度，主路的頂蓋磚溫度為1350 ℃。

圖2 熔窯中電極連接方式、功率參數及頂蓋磚溫度

1.3 材料屬性

硼硅酸鹽玻璃成分如表1所示［2］。

表1 硼硅酸鹽玻璃成分

2 結果與分析

2.1 全電熔窯不同截面的溫度分布

圖3為熔窯中不同截面的溫度分布。圖3（a）為不同截面的空間位置，截取位置是圖3（b）一對電極組的中截面和圖3（c）相鄰電極對的中截面。

圖3 熔窯中不同截面的溫度分布

電極是熔窯的熱源，由于本研究的電極供電方式是空間對向電極成對供電，且熔化區(qū)的中層電極高于上層和下層電極。因此，在熔窯的深度方向玻璃液的溫度先升高后降低，且一對電極組所在截面的溫度明顯高于相鄰電極對的所在截面。此外，圖3（b）的高溫區(qū)位于上層電極上方，而圖3（c）的高溫區(qū)位于中層電極附近。上層電極的熔融玻璃液向上流動和相鄰電極對中間位置的玻璃液向下流動導致了這種溫度分布。

2.2 全電熔窯不同截面的速度矢量分布

圖4顯示了熔窯中不同截面的速度矢量分布。圖4（a）是截面的空間位置，（b）、（c）、（d）顯示了在不同方向觀察到的截面速度矢量分布。

圖4 熔窯中不同截面的速度矢量分布

如圖4（b）所示，其為Y方向（熔窯深度方向）的分速度矢量圖，Y軸正方向為正值，負方向為負值。在電極組正上方空間為上升流，中心位置為下降流，相鄰電極組的空隙位置為下降流。圖4（c）和（d）為相鄰電極組中截面和電極組所在中截面的速度矢量圖，在中心附近投入的玻璃物料粒子會聚到主熔化區(qū)中心，并流向Y軸的負方向。到達收縮段后，開始向X軸的正方向和負方向流動，一部分液流沿左右側壁面向Y軸的正方向流動。向上流動的玻璃液在收縮段和中層電極附近位置與向下流動的玻璃液匯聚（圖4（c）中的方框）。其匯聚后沿著Z軸的正方向或負方向流動。另外一部分液流在收縮段形成底部環(huán)流。通過電極組所在中截面的速度矢量圖（圖4（d））可看出，在該截面存在明顯的窯內環(huán)流，玻璃液隨著該環(huán)流在電極正上方位置向上流動，混雜著剛剛投入的玻璃生料向中心匯聚并向收縮段流動，進而形成了窯內上下大環(huán)流。綜上所述，電熔窯內共存在三個環(huán)流，分別為電極處螺旋循環(huán)、收縮段底部循環(huán)和熔窯上下循環(huán)［2-3］。

2.3 全電熔窯的流線特點

圖5顯示了不同方向觀察遠離流液洞位置投入玻璃物料的流線特點。如圖5（a）所示，靠近壁面的部分物料先參與電極處螺旋循環(huán)之后參與熔窯上下循環(huán)和收縮段底部循環(huán)，最后經過流液洞流出熔窯；靠近中心附近投入的物料先通過熔窯上下循環(huán)流動到電極附近位置參與電極處螺旋循環(huán)，之后參與熔窯上下循環(huán)和收縮段底部循環(huán)后流出熔窯。其中主熔區(qū)的循環(huán)流動（電極處螺旋循環(huán)和熔窯上下循環(huán)）速度較快，在收縮段的循環(huán)速度較慢，主熔區(qū)的循環(huán)速度是收縮段循環(huán)的約100倍。如圖5（b）所示，收縮段循環(huán)主要由兩種循環(huán)組成，分別為收縮段壁面環(huán)流和收縮段底部直流。

圖5 不同方向觀察遠離流液洞位置投入玻璃物料的流線特點

2.4 不同收縮段寬度的全電熔窯循環(huán)特點

圖6顯示了不同收縮段寬度的全電熔窯循環(huán)特點。

圖6 不同收縮段寬度的全電熔窯循環(huán)特點

從圖6中方框位置可看出，隨著收縮段寬度逐漸減小，收縮段壁面環(huán)流逐漸減弱，而收縮段底部直流逐漸增強，當底部收縮段縮小400 mm時，收縮段壁面環(huán)流幾乎消失，收縮段環(huán)流僅存在收縮段底部直流。收縮段壁面環(huán)流的循環(huán)路徑明顯長于底部直流，且玻璃液循環(huán)速度相近，收縮段壁面環(huán)流的均化及澄清時間明顯長于底部直流［4］。

3 結論

本研究采用有限元法對全電熔窯在不同收縮段寬度下的熔化過程進行了系統(tǒng)分析，具體直觀地展示了全電熔窯內熔融玻璃液的溫度分布及循環(huán)方式，結果表明，全電熔窯的主熔化區(qū)玻璃液循環(huán)方式為：電極處螺旋循環(huán)和熔窯上下大循環(huán)，輔熔化區(qū)玻璃液主要為兩種循環(huán)模式：收縮段壁面環(huán)流和收縮段底部直流。同時，隨著收縮段寬度的逐漸減小，收縮段壁面環(huán)流將會逐漸減弱，而收縮段底部直流會逐漸增強。本項工作能夠為全電熔窯液流的優(yōu)化提供參考，同時也能夠為熔窯的結構提供設計優(yōu)化指導。