張任平，孫 健，汪和平，馮 青

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西省先進(jìn)陶瓷材料重點實驗室，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

輥道窯內(nèi)陶瓷制品燒成過程動態(tài)熱響應(yīng)特性的數(shù)值模擬

張任平，孫 健，汪和平，馮 青

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西省先進(jìn)陶瓷材料重點實驗室，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

陶瓷制品在輥道窯的燒成過程的溫度變化直接影響到出窯的產(chǎn)品質(zhì)量。本文建立了陶瓷制品燒成過程的流體動力學(xué)和傳熱特性的理論模型，基于CFD商用軟件Fluent的動網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行了數(shù)值求解，得到了陶瓷制品燒成過程的動態(tài)熱響應(yīng)特性。研究表明：陶瓷制品在燒成帶加熱的初期，溫度在不斷升高，制品前部溫度變化快于制品后部的溫度變化。隨著時間的推移，制品本身的溫度差別越來越小。燃燒器噴出煙氣的速度越大，制品被加熱的速度越快，制品受熱引起的溫度不均勻性越小。

陶瓷制品；燒成；輥道窯；熱響應(yīng)

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2015.02.012

0　引 言

輥道窯是近幾十年發(fā)展起來的新型快燒連續(xù)式工業(yè)窯爐，窯斷面一般呈扁平形，燒制建筑陶瓷制品時一般為單層焙燒，輥上下能同時加熱制品，煙氣和窯爐內(nèi)壁面與制品的傳熱速度非?？?，窯內(nèi)斷面溫度比較均勻，燒成周期相對較短，比較容易實現(xiàn)快速燒成。輥道窯普遍采用新型輕質(zhì)耐火材料，同時取消了窯車和匣體，使得能耗大為降低。輥道窯是當(dāng)前陶瓷工業(yè)中優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗的先進(jìn)窯型，在我國釉面磚、墻地磚、彩釉磚等建筑陶瓷的工業(yè)生產(chǎn)中已得到越來越廣泛的應(yīng)用。

在輥道窯廣泛應(yīng)用于陶瓷工業(yè)的同時.相關(guān)的研究也相繼開展起來，如曾慧等［1］對陶瓷的最佳燒成曲線進(jìn)行了探討，張任平等［2］對輥道窯煙氣余熱回收利用的熱管換熱器進(jìn)行了研究，李萍等［3］分析了有關(guān)陶瓷輥道窯熱平衡的測定方法，文獻(xiàn)［4-9］數(shù)值模擬了輥道窯的溫度場和速度場。從以上對輥道窯的研究可以看出，幾乎沒有涉及到陶瓷制品在輥道窯燒成過程中制品本身的溫度變化過程的研究。而制品本身的溫度變化會影響到制品在燒成過程中是否會形成許多燒成缺陷（如：制品的局部生燒、過燒、變形、色差、成品尺寸不一致等）。由此，本文基于計算流體動力學(xué)的基本理論，建立陶瓷制品在窯爐燒成過程的動態(tài)理論模型，借助CFD商用軟件FLUENT的動網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行求解，得到了陶瓷制品在燒成過程的不同時刻的瞬態(tài)熱響應(yīng)特性。

1　物理模型及網(wǎng)格劃分

1.1物理模型建立

輥道窯各帶的劃分依據(jù)不同的溫度區(qū)間，把室溫-700 ℃這一段稱為預(yù)熱帶，700 ℃-最高溫度這一段稱為燒成帶，急冷溫度-出窯溫度這一段稱為冷卻帶。燒成帶主要完成坯料的燒成過程，為制品在整個燒成過程中溫度最高的一部分，和其它兩帶一樣，對制品最后的燒成質(zhì)量有著很重要的作用。由于制品的許多重要物化反應(yīng)都在這一溫度段進(jìn)行，所以燒成帶內(nèi)煙氣溫度、壓力等熱工參數(shù)的控制不當(dāng)會使制品在燒成過程中形成許多燒成缺陷。鑒于數(shù)值模擬分析的特征，受到計算機(jī)資源的限制，本文僅選取陶瓷輥道窯燒成帶一段作為研究對象。

圖1　輥道窯計算模型圖Fig.1 Computational model diagram of roller hearth kiln

圖2　模型詳細(xì)尺寸圖 （單位： dm）Fig.2 Detailed size diagram of model （unit： dm）

在陶瓷輥道窯燒成帶，窯內(nèi)輥道平面將窯內(nèi)空間分為輥上通道和輥下通道，燒嘴在窯墻兩側(cè)的輥上、輥下交錯布置。輥道窯本身非常復(fù)雜，所以在建立模型時需要進(jìn)行一些簡化。首先，由于本文模擬陶瓷制品在燒成帶燒成過程的動態(tài)溫度變化過程，模擬的是一個瞬態(tài)過程，受計算機(jī)內(nèi)存容量的限制，無法通過建立三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬；其次，建立模型時認(rèn)為燃燒后的高溫?zé)煔庵苯油ㄟ^窯墻進(jìn)入到窯爐的內(nèi)部空間，忽略了燃燒過程模型的計算；再次，沒有考慮輥棒在窯爐的吸熱量和輥棒與陶瓷制品之間的熱傳遞。簡化后的輥道窯的計算模型如圖1所示，模型的詳細(xì)尺寸如圖2所示。

圖3　基于動網(wǎng)格技術(shù)不同時刻模型計算網(wǎng)格示意圖Fig.3 Computational grid schematic diagram of different moment based on dynamic mesh technique

1.2網(wǎng)格劃分

通過Fluent前處理軟件Gambit建立簡化的物理模型，采用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，也就是進(jìn)行計算區(qū)域的離散化。劃分網(wǎng)格時利用Pave方法劃分四邊形/三角形混合網(wǎng)格（Quad/Tri Pave）。初始時刻（t=0 s）的計算網(wǎng)格如圖3（a）所示。由于本文是基于動網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行數(shù)值計算，隨著陶瓷制品在窯爐中的運動，網(wǎng)格通過彈簧光順模型、動態(tài)分層模型和局部網(wǎng)格重構(gòu)模型進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整重構(gòu)，計算時刻為0.85 s、1.7 s、2.55 s和3.45 s的網(wǎng)格分別如圖3（b）、（c）、（d）和（e）所示。

2　數(shù)學(xué)模型

2.1控制方程

對于邊界移動的任意控制體積V上的一般標(biāo)量Φ的守恒型方程可表示為［10］：

式（1）中時間導(dǎo)數(shù)項用一階向后差分公式可得：

式中，上標(biāo)n和n+1代表當(dāng)前和下一個時間步。

第（n+1）個時間步控制體積Vn+1由下式得到：

式中，nf是控制體積上面的數(shù)目，Aj→是第j面積向量。每個控制體積的面上的點積可由下式計算得到：

計算湍流時采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流計算模型，輻射傳熱選用計算量小而精度適當(dāng)?shù)腜-1輻射模型。相關(guān)的控制方程可以表示如下：

湍動能方程（k方程）：

耗散方程（ε方程）：

P-1模型方程為：

2.2邊界條件

輥道窯的窯墻一般進(jìn)行了保溫隔熱處理，通過窯墻外表面自然對流和輻射散失的熱量比較小，可認(rèn)為是絕熱邊界條件；由于本文是首次采用動網(wǎng)格技術(shù)模擬制品在輥道窯燒成過程溫度的動態(tài)變化，考慮計算機(jī)資源的限制（瞬態(tài)計算時間區(qū)域不能太長），制品的運動速度取值為1 m/s，煙氣流動速度為2 m/s，溫度為1300 K；輥道窯煙氣流出端為壓力出口邊界條件，設(shè)置回流溫度為1300 K，湍流強度為5%；設(shè)置輻射邊界條件是認(rèn)為煙氣的發(fā)射率為0.19，吸收率為0.2，固體壁面的發(fā)射率為0.9；制品和煙氣接觸界面采用流固耦合邊界條件；陶瓷制品在窯爐中運動的過程，通過Fluent邊界profile文件進(jìn)行指定。

3　結(jié)果分析與討論

圖4給出了陶瓷制品在窯爐燒成過程中不同時刻的溫度分布，如圖所示，在陶瓷制品進(jìn)入輥道窯燒成段起始時刻，認(rèn)為陶瓷制品的溫度為800 K。隨著陶瓷制品在輥子向前運動，制品接收窯墻和煙氣的輻射熱量，同時還受到煙氣的對流傳熱，溫度在不斷升高，制品前部溫度升高的速度高于制品后部，但是隨著時間的推移，制品前后部的溫度差別越來越小。這主要是在制品加熱的初期，由于煙氣流動速度和擾動帶來的不均勻傳熱所致，當(dāng)制品在窯爐燒成段的時間越長，對流傳熱產(chǎn)生的影響越來越小，同時燃燒器送出的煙氣產(chǎn)生了一定的擾動，使得整個煙氣溫度場和速度場都趨于均勻。

圖4　制品燒制過程中溫度變化（溫度單位：K）Fig.4 Temperature variation of fring process （unit： K）

圖5　燃燒器煙氣噴出速度對制品動態(tài)溫度分布的影響（t=1.5s）（溫度單位：K）Fig.5 The effect of gas velocity on transient temperature （t=1.5s） （unit： K）

圖6　制品燒制過程中不同時刻煙氣速度分布（速度單位： m/s）Fig.6 The velocity distribution of fue gas in the process of fring （unit： m/s）

燃料燃燒后產(chǎn)生煙氣的噴出速度對制品動態(tài)溫度分布的影響如圖5所示，從圖中可以看出，在不同的煙氣噴出速度工況下，當(dāng)陶瓷制品在輥道窯中加熱到1.5 s時，煙氣的噴出速度越大，制品的溫度越高，同時制品的溫度不均勻性也越小。由此可知，陶瓷制品在輥道窯（尤其是現(xiàn)在重點發(fā)展的寬體窯）的燒成過程中，需要保證燃燒器燃燒后的煙氣具有一定的噴出速度，這樣有利于制品在燒成過程的均勻受熱。

圖7 制品燒制過程中不同時刻煙氣壓力分布（壓力單位：Pa）Fig.7 The pressure distribution of fue gas in the process of fring （unit： Pa）

圖6給出了制品燒制過程中制品周圍煙氣速度在不同時刻的分布，如圖所示，在窯墻壁面處煙氣的速度最小，基本接近與零。制品上下的速度高于制品前后的速度。隨著制品在輥道窯燒成段的運動，整個流場的最高速度在逐漸增大，同時發(fā)現(xiàn)當(dāng)制品運動到輥道窯出口附近，煙氣產(chǎn)生了一定程度的回流。制品燒制過程中不同時刻的壓力分布如圖7所示，由于在模擬過程中沒有考慮煙囪的抽力而引起窯內(nèi)壓力的分布及變化，因此從整體趨勢來看，制品前部的煙氣壓力較大，制品后部的煙氣壓力較小。同速度的變化正好相反，隨著制品的向前運動，整個壓力場的煙氣最高壓力在逐漸減小。

4　結(jié) 論

本文基于計算流體動力學(xué)的基本理論，建立陶瓷制品在窯爐燒成過程的動態(tài)理論模型，借助CFD軟件FLUENT的動網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行求解，得到了陶瓷制品在燒成過程的不同時刻的瞬態(tài)熱響應(yīng)特性。所得主要結(jié)論如下：

（1）陶瓷制品在輥道窯燒成帶跟隨輥子運動的同時，溫度在不斷升高，制品前部溫度變化快于制品后部的溫度變化。隨著時間的推移，制品本身的溫度差別越來越小。燃燒器噴出煙氣的速度越大，制品加熱的速度越快，制品受熱的不均勻性越小。

（2）在窯墻壁面處煙氣的速度最小，基本接近與零。制品上下的速度高于制品前后的速度。隨著制品在輥道窯燒成段的運動，整個流場的最高速度在逐漸增大，同時發(fā)現(xiàn)當(dāng)制品運動到輥道窯出口附近，煙氣產(chǎn)生了一定程度的回流。

（3）從整體趨勢來看，制品前部的煙氣壓力較大，制品后部的煙氣壓力較小。同速度的變化正好相反，隨著制品的向前運動，整個壓力場的煙氣最高壓力在逐漸減小。

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Numerical Simulation of Dynamic Thermal Response of Firing Process of Ceramic Ware in Roller Hearth Kiln

ZHANG Renping， SUN Jian， WANG Heping， FENG Qing
（Key Laboratory of Advanced Ceramics of Jiangxi Province， School of Materials Science and Engineering， Jingdezhen Ceramic Institute， Jingdezhen 333001， Jiangxi， China）

The temperature variation of ceramic firing process in roller hearth kiln has an important influence on product quality. The theoretical model is developed for predicting the fuid dynamics and heat transfer characteristics of ceramic fring process in the roller kiln， the software to be called Fluent of CFD is used to solve the control equations numerically based on dynamic mesh technique， dynamic thermal response of ceramic ware is obtained in the process of fring. It is indicated that temperature of ceramic ware rises gradually in the initial heating period of fring zone， the front temperature of ceramic ware is faster than the rear temperature. Temperature difference of ceramic ware becomes smaller and smaller as time goes by. The temperature of ceramic ware shows more quick variation with an increase of the velocity of fue gas that is sprayed from the burner， temperature nonuniformity during heating is unconspicuous.

ceramic ware， fring， roller kiln， thermal response

date: 2014-11-18. Revised date: 2014-12-07.

TQ174.6

A

1000-2278（2015）02-0172-06

2014-11-18。

2014-12-07。

江西省對外合作項目（編號：2014BDH80024）。

通信聯(lián)系人：張任平（1979-），男，博士，講師。

Correspondent author:ZHANG Renping（1979-）， male， Doc.， Lecturer.

E-mail:rpzhang@126.com