平板玻璃大型熔窯碹頂結(jié)構(gòu)受力仿真分析

趙智均 高博文 宋清超 張志勇 劉世民1, 許世清1,

（1.沙河市安全實業(yè)有限公司創(chuàng)新研發(fā)中心 沙河 054100；2.望美實業(yè)集團有限公司 沙河 054100；3.燕山大學(xué) 秦皇島 066004）

0 引言

隨著平板玻璃行業(yè)節(jié)能減排的要求越來越高，浮法玻璃生產(chǎn)技術(shù)水平也在不斷提升，很多企業(yè)在技術(shù)改造中，通過改建大型熔窯生產(chǎn)線來降低能耗的同時提高產(chǎn)量，以追求更高的經(jīng)濟效益。浮法玻璃熔窯一般為橫火焰池窯，熔化部分因熔化能力決定玻璃生產(chǎn)線的產(chǎn)能，玻璃熔窯的噸位受熔化面積和熔化率控制。熔化率反映了熔窯熔化能力的大小，玻璃窯爐設(shè)計過程中先選定好熔化率，可進行窯池的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在熔窯設(shè)計過程中，推導(dǎo)計算熔化部尺寸與熔化率的關(guān)系有一定的 “經(jīng)驗公式”［1］可以使用，根據(jù)公式可計算出最高1000 t/d典型浮法玻璃熔窯熔化部的主要數(shù)據(jù)，但更大噸位下的窯池寬數(shù)據(jù)是否可靠，需要進一步進行科學(xué)探討。大噸位玻璃熔窯所需的窯池寬度越大，相應(yīng)的大碹跨度也會增加，為保證熔化部溫度、氣氛等穩(wěn)定，大跨度大碹的中心角也偏大，其碹弧彎曲度會較大形成更高碹頂?shù)膯栴}，增加大碹的跨度還會導(dǎo)致大碹的自重增加，加大碹磚之間的應(yīng)力不均問題，而且對碹碴和胸墻的壓力也會增大，會影響到整個熔窯的窯齡。熔化部大碹的使用從理論計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計上有很多可供參考的力學(xué)體系和工藝參數(shù)，但在實際砌筑過程中還需要安裝施工人員保證預(yù)組裝、組裝碹胎的可靠性和穩(wěn)定性。本文就利用工程仿真技術(shù)對平板玻璃大型熔窯碹頂結(jié)構(gòu)的受力情況進行仿真分析，評估碹頂在大跨度下應(yīng)力、變形方面的情況，為后續(xù)大噸位玻璃熔窯的設(shè)計提供參考。

1 模型建立與仿真模擬分析

1.1 熔化部碹頂模型

浮法玻璃熔窯大碹結(jié)構(gòu)由碹頂、保溫層以及力傳導(dǎo)的鋼結(jié)構(gòu)、拉條、胸墻等組成，熔化部碹頂模型見圖1。碹頂?shù)淖饔檬桥c胸墻、前臉墻組成火焰空間，還可以吸收燃料燃燒時釋放的熱量，再輻射到玻璃液面上，熔化部的碹頂是由楔形優(yōu)質(zhì)硅磚采用錯縫磚砌的方式排列組合，磚縫按照砌筑砂漿的標(biāo)準(zhǔn)進行確定。大碹的長度方向需要進行分節(jié)，一般至少為三節(jié)以上［2］。砌筑時碹間預(yù)留100～120 mm的膨脹縫，前后山墻處的碹頂膨脹縫可以多預(yù)留一些。

圖1 熔化部碹頂模型示意圖

碹頂所使用的硅磚主要由鱗石英、方石英、少量殘余石英和玻璃相組成，優(yōu)質(zhì)硅磚的SiO2含量在96%以上，真密度為2.35～2.38 g/cm3，在高溫環(huán)境下也能保持較高的強度，在烤窯階段會有1.5%～2.2%的體積膨脹，可將硅磚之間的縫隙密合。硅磚的荷重軟化開始溫度為1680 ℃，正常窯內(nèi)使用不會出現(xiàn)問題［3］。硅磚屬于酸性材料，在加料過程中，堿性粉料或堿氣體及其揮發(fā)物在高溫狀態(tài)下會對酸性的硅磚進行侵蝕。這個過程中粉料在耐火材料表面冷凝形成熔體，熔體在硅磚表面磚縫、氣孔處積聚，降低磚的表面熔點，從而與磚內(nèi)組分發(fā)生反應(yīng)形成新的玻璃相。在溫度波動過大時碹頂內(nèi)側(cè)玻璃相會剝落，導(dǎo)致碹頂變薄變輕結(jié)構(gòu)強度降低，發(fā)生破頂塌陷或者斷磚而影響生產(chǎn)。

1.2 熔化部碹頂受力特點

熔化部碹頂在理想工作狀態(tài)時的受力情況如圖2所示。

圖2 碹頂受力情況示意圖

圖2中碹頂受到自身重力G，兩側(cè)碹碴對稱，受到與碹半徑R垂直的斜向支撐力FA和FB，F(xiàn)A和FB分 別可分解為垂直向上的托力FA2、FB2和水平推力FA1、FB1， 為 保 證 平 衡，碹 重 力G與FA2和FB2相抵，方向相反；FA1=FB1，方向相對，與拉條張力相關(guān)，進而平衡掉兩側(cè)碹碴的水平推力。單獨的每塊磚均受到三個外力的作用并相互平衡，將獨立硅磚的合力作用點相連，連線是作用在硅磚排放布置方向的多段折線，折線相連為一條近似圓弧線。碹頂上的每一列硅磚受的合力作用點都落在這條近似圓弧線上，這條近似圓弧線可以稱為碹頂?shù)摹案G碹推力作用線”［4］。

推力作用線合力作用在碹弧中心線的1/3碹厚范圍內(nèi)最為合理和安全，這樣才不會對碹頂產(chǎn)生過大的壓應(yīng)力，減少出現(xiàn)碹頂硅磚破碎等問題。冷態(tài)時碹頂通過圖紙設(shè)計和合理的施工布置，可以保證碹頂內(nèi)部推力作用線的穩(wěn)定；熱態(tài)時硅磚會出現(xiàn)受熱膨脹擠壓磚縫間砂漿，使得碹頂硅磚相互契合提高整體氣密性和結(jié)構(gòu)完整性。因為硅磚的溫差膨脹原因碹弧會發(fā)生變化，出現(xiàn)整體推力作用線上移現(xiàn)象。這種狀態(tài)下需要靠拉條張緊裝置控制拉條的松緊度，拉條在受熱過程中出現(xiàn)一定的松弛，需要松開一定量減少拉條的張力，平衡因硅磚受熱膨脹而出現(xiàn)的力。

1.3 仿真模擬分析

ANSYS Workbench數(shù)值模擬分析軟件可用來模擬復(fù)雜的多物理場環(huán)境的實際工程問題，它引入項目流程圖通過各分析系統(tǒng)間的連接，將分析過程結(jié)合在一起。分析系統(tǒng)一般需要簡化假定或真實的物理模型，將模型網(wǎng)格化分為有限元網(wǎng)格模型，再通過施加載荷和邊界條件后，運行求解得到分析結(jié)果。軟件具有強大的結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁及其相互耦合等分析功能，可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)熱分析和流體動力學(xué)等分析技術(shù)［5］。

碹頂模擬計算利用ANSYS Workbench軟件包括3個過程：前處理，創(chuàng)建幾何模型并劃分網(wǎng)格；加載和求解，施加材料載荷、邊界條件并求解計算；后處理，基本數(shù)據(jù)和導(dǎo)出數(shù)據(jù)［6］。

本文在模型建立過程中進行了一定的簡化假定，整體式3D幾何模型如圖3所示，假定砂漿彌散于整個硅磚單元中，將碹頂簡化為各項同性的均勻整體，整體式模型的各種應(yīng)力狀態(tài)體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)主軸上，圖4為幾何模型自動網(wǎng)格劃分示意圖。為比較大型熔窯碹頂結(jié)構(gòu)差異化，建立了中心角60° 、碹厚500 mm、跨度14、15和16 m的三個尺寸的局部碹頂模型并分別進行計算。

圖3 幾何模型圖

圖4 幾何模型自動網(wǎng)格劃分示意圖

加載和求解部分先確定碹頂硅磚參數(shù)，如彈性模量、泊松比、密度、膨脹系數(shù)和比熱等材料特性再進行計算。對碹頂力的加載按照1.2中提到的碹頂斜向支撐力FA和FB的分力方向進行施加。溫度通過以施工時的冷態(tài)溫度和工作熱態(tài)溫度兩種狀態(tài)進行控制。后處理部分對不同尺寸的碹頂結(jié)構(gòu)進行總變形和等效應(yīng)力的數(shù)據(jù)采集和導(dǎo)出，進而討論分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 碹頂總變形分析

2.1.1 冷態(tài)碹頂總變形情況分析

圖5中（a）～（c）是冷態(tài)22 ℃時跨度分別為14、15和16 m的碹頂總變形變化情況云圖。

圖5 冷態(tài)時不同跨度碹頂總變形圖

云圖顯示變形量從中部向兩側(cè)對稱性的逐漸減少，最大的變形情況出現(xiàn)在碹頂?shù)闹虚g位置，最大變形量數(shù)值分別為1.8721e-5m、3.7677e-5m、5.925e-5m，跨度增加最大變形量數(shù)值也逐漸增大，說明跨度的增加導(dǎo)致碹頂更容易出現(xiàn)因自重加大而產(chǎn)生變形的情況。最小變形量出現(xiàn)在碹碴支撐的位置，主要是平衡水平推力和自重較為穩(wěn)定，所以變形量小。

按照最大變形量到1.65e-5m變形量區(qū)間劃定變形量區(qū)域，可以找出不同跨度此區(qū)域的節(jié)點數(shù)量分別為21041、53327和67321。隨跨度的增大變形量區(qū)域逐漸增加，變形量區(qū)域占整體結(jié)構(gòu)區(qū)域比例分別為23.2%、55.1%和65.4%，最大變形量隨跨度的增大會增加約2.02e-5m，增大碹頂結(jié)構(gòu)變形的風(fēng)險。

2.1.2 熱態(tài)碹頂總變形情況分析

圖6中（a）～（c）是熱態(tài)1600 ℃時跨度分別為14、15和16 m的碹頂總變形變化情況云圖。

圖6 熱態(tài)時不同跨度碹頂總變形圖

云圖顯示變形量與冷態(tài)碹頂變形量分布趨勢相同，均是從中部向兩側(cè)對稱性的逐漸減少，最大的變形情況出現(xiàn)在碹頂?shù)闹虚g位置，隨著跨度的增加最大變形量數(shù)值逐漸增大，最小變形量還是出現(xiàn)在碹碴支撐的位置。但與冷態(tài)對比，在模擬玻璃熔窯內(nèi)高溫條件下，最大變形量較冷態(tài)提高了5個數(shù)量級，碹頂受熱膨脹從而形成了更大程度的變形，這與實際溫度情況時碹頂中部的鎖磚位置有較大抬升的情況相符。按照最大變形量到0.46 m變形量區(qū)間劃定變形量區(qū)域，可以找出不同跨度此區(qū)域節(jié)點數(shù)量分別為21001、28563和35219，此區(qū)域占整體結(jié)構(gòu)區(qū)域比例分別為23.2%、29.5%和34.2%，最大變形量隨跨度的增大會增加約0.037 m，碹頂會出現(xiàn)更大面積的內(nèi)部硅磚相互擠壓問題，硅磚更易出現(xiàn)裂紋或破碎，從而危害到整體碹頂?shù)膲勖?/p>

2.2 碹頂?shù)刃?yīng)力分析

2.2.1 冷態(tài)碹頂?shù)刃?yīng)力情況分析

圖7中（a）～（c）是冷態(tài)22 ℃時跨度分別為14、15和16 m的碹頂?shù)刃?yīng)力變化情況云圖。

圖7 冷態(tài)時不同跨度碹頂?shù)刃?yīng)力圖

云圖顯示整個碹頂結(jié)構(gòu)積聚的應(yīng)力主要為正值的壓應(yīng)力，較小的壓應(yīng)力主要集中在碹厚的中部下表面及其兩側(cè)上表面；較大的壓應(yīng)力主要集中在碹頂中部碹厚的2/3和碹角位置。隨著跨度的增加，最大應(yīng)力值和最小應(yīng)力值都逐漸增大，說明自重增加時，拉條的水平推力平衡分力作用減弱，使得壓應(yīng)力集中位置下移至碹角位置。

圖8顯示的是冷態(tài)碹頂?shù)撞康刃?yīng)力局部分布情況云圖。

圖8 冷態(tài)碹頂?shù)撞康刃?yīng)力局部放大圖

圖中顯示出碹頂?shù)膽?yīng)力集中在位于碹頂兩側(cè)的底部以及下表面，碹角位置的最大應(yīng)力值隨跨度增加分別為1.3827e5Pa、2.3837e5Pa和3.3191e5Pa，本研究模型建立碹角磚使用鋯英石磚，為中性耐火磚，常溫耐壓強度可達到100 MPa。碹頂頂部的應(yīng)力值分布隨跨度增加分別為71332 Pa、1.2893e5Pa和1.8638e5Pa，此位置的優(yōu)質(zhì)硅磚常溫耐壓強度為34 ～ 40 MPa，綜合數(shù)據(jù)可以看出碹頂用磚可以滿足條件。下表面壓應(yīng)力的集中會導(dǎo)致硅磚之間擠壓程度變大，在升溫過程會出現(xiàn)倒“V”字形裂縫。通過對比不同碹頂?shù)膽?yīng)力變化情況，可以發(fā)現(xiàn)隨跨度的增加，下表面壓應(yīng)力集中區(qū)域向碹頂兩側(cè)的底部靠近，出現(xiàn)中部支撐力減少，底部應(yīng)力過于集中現(xiàn)象。在這種現(xiàn)象下出現(xiàn)裂縫的位置也會逐漸集中在碹頂兩側(cè)的底部，如果施工過程控制不當(dāng)，以及碹頂跨度增加自重變大等問題，碹頂?shù)姆€(wěn)定性就會受到影響，從而出現(xiàn)垮塌的危險。

2.2.2 熱態(tài)碹頂?shù)刃?yīng)力情況分析

圖9中（a）～（c）是熱態(tài)1600 ℃時跨度分別為14、15和16 m的碹頂?shù)刃?yīng)力變化情況云圖。

圖9 熱態(tài)時不同跨度碹頂?shù)刃?yīng)力圖

云圖顯示整個碹頂結(jié)構(gòu)積聚的應(yīng)力主要為正值的壓應(yīng)力，較小的壓應(yīng)力主要集中在碹厚的中間位置；較大的壓應(yīng)力主要集中在碹角兩側(cè)底部。在工作溫度下碹頂硅磚受熱膨脹，使硅磚之間的砌筑更加緊密，整體應(yīng)力值分布也變得均勻。碹頂?shù)膽?yīng)力集中在位于碹頂兩側(cè)的底部，對碹角磚及立柱的推力方向呈傾斜向下，此時碹角頂鐵與碹角磚的接觸面是斜面向上形狀。集中在碹厚中部的應(yīng)力值隨跨度增加分別為4.5999e5Pa、8.7099e5Pa和1.2737e6Pa，仍然在硅磚的應(yīng)力范圍（34 MPa）內(nèi)。

圖10顯示的是熱態(tài)碹頂?shù)撞康刃?yīng)力局部分布情況云圖。

圖10 熱態(tài)碹頂?shù)撞康刃?yīng)力局部放大圖

為研究極端情況，溫度設(shè)置接近硅磚的荷重軟化溫度1680 ℃，發(fā)現(xiàn)碹角底部的應(yīng)力值在5.30e9Pa以上，超過底部碹角的鋯英石磚耐壓強度，就會出現(xiàn)碹角磚的碎裂失效，導(dǎo)致碹頂坍塌，但浮法玻璃熔窯內(nèi)部溫度通常不會達到這個溫度，但極端實驗也得出要注意碹頂兩側(cè)底部的耐火材料選用，而且烤窯過程中的升溫也需要對拉條進行放松操作，減少碹角頂鐵和碹角磚契合位置發(fā)生較大移動導(dǎo)致應(yīng)力過于集中的問題。隨著跨度的增加中部的下表面應(yīng)力集中面積逐漸增大，而且中部位置受到窯內(nèi)溫度和堿性粉料的侵蝕可能性也更大，更易出現(xiàn)損壞。

2.3 碹頂極端情況分析

為研究碹頂因為受力的不平衡而出現(xiàn)坍塌的問題，設(shè)置跨度14 m和16 m碹頂?shù)撞坷瓧l力減少，碹頂中部因自重向下坍塌的模型，并進行對比分析討論。

圖11和圖12是冷態(tài)22 ℃時跨度分別為14 m和16 m的碹頂總變形和等效應(yīng)力變化情況對比云圖，拉條的水平推力減少80%時，碹頂出現(xiàn)坍塌的位置分別從總變形2.21e-6m和3.60e-6m位置開始，此位置的等效應(yīng)力值分別為16872 Pa和22749 Pa，出現(xiàn)坍塌的范圍為整個碹頂結(jié)構(gòu)的90.3%和95.5%。在拉條松開水平推力同時減少的情況下，跨度增加2 m時，坍塌程度增加了5%左右，說明在碹頂砌筑過程中拉條的張緊控制要隨跨度的增加而增大，而且拉條力不足時會出現(xiàn)碹頂坍塌問題。

圖11 冷態(tài)時跨度14 m與跨度16 m碹頂總變形圖

圖12 冷態(tài)時跨度14 m與跨度16 m碹頂?shù)刃?yīng)力圖

3 結(jié)語

（1）總變形結(jié)果顯示，碹頂變形量從中部向兩側(cè)對稱性的逐漸減少。對比冷態(tài)22 ℃與熱態(tài)1600 ℃的總變形量，熱態(tài)碹頂受熱膨脹形成了更大程度的變形，冷態(tài)時跨度每增加1 m最大變形量增加約2.02e-5m，熱態(tài)時增加約0.37 m。

（2）碹頂內(nèi)部應(yīng)力結(jié)果顯示，最大應(yīng)力值位置主要集中在碹頂中部碹厚的2/3和兩側(cè)底部位置，隨著跨度的增加，最大應(yīng)力值增加。在熔窯設(shè)計過程要注意碹頂兩側(cè)底部耐火材料的選用，而且烤窯過程中的升溫也需要對拉條進行放松操作，減少碹角頂鐵和碹角磚契合位置發(fā)生較大移動應(yīng)力過于集中的問題。

（3）在雙碳目標(biāo)的政策下，大跨度的浮法玻璃熔窯生產(chǎn)線要考慮熔化面積和成本的投入，實際結(jié)構(gòu)設(shè)計時碹厚和碹頂中心角都應(yīng)該與跨度相匹配，在合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計下對施工、硅磚質(zhì)量以及熔化的燃燒制度等提出更高要求。