李博 趙寶盛 武林雨 佟連杰 許世清,

（1. 河北省超白功能玻璃材料技術創(chuàng)新中心 廊坊 065600；2. 河北南玻玻璃有限公司 廊坊 065600；3. 燕山大學材料科學與工程學院 秦皇島 066004）

0 引言

在浮法玻璃的成形過程中，錫液是玻璃液成形的浮拋介質。為了提升玻璃的成形質量，需要對浮拋錫液的溫度分布及其流動狀態(tài)進行精密控制［1］。然而，由于諸多原因，浮法玻璃在成形過程中會出現(xiàn)厚度不均、翹曲等問題，造成玻璃質量下降和生產(chǎn)不穩(wěn)定，進而影響浮法玻璃原片的成品率，甚至對玻璃的后續(xù)深加工帶來不利影響。

石墨擋坎和直線電機是用于控制錫液流狀態(tài)的專用設備。但玻璃生產(chǎn)的工藝要求和錫槽結構特點，阻礙了在實際生產(chǎn)中對石墨擋坎和直線電機等錫流調控裝置的深入研究。

隨著計算機技術的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬已成為一種既方便快捷又實用高效的研究方法。利用計算機對玻璃生產(chǎn)過程進行數(shù)值模擬，使玻璃工業(yè)中新產(chǎn)品開發(fā)和技術創(chuàng)新等更具科學性［2,3］。ANSYS軟件正是結合結構、熱、流體、電磁等于一體的大型通用有限元分析軟件［4］，可以實現(xiàn)對實際生產(chǎn)過程的模擬研究。

1 數(shù)學模型及邊界條件

1.1 數(shù)學模型

參考某600 t/d浮法玻璃生產(chǎn)線的錫槽，根據(jù)該錫槽的尺寸，將耐火磚的厚度去除，以得到槽內(nèi)錫液空間，進而得到模擬時計算區(qū)域的模型圖，如圖1所示（虛線為玻璃帶的輪廓，單位：m）。

考慮到不同成形厚度的玻璃帶浸潤到錫液中的深度大小會影響錫液的流動和熱傳遞，所以在建立模型時，需要把浸潤到錫液的玻璃帶深度去除。表1給出了3 mm、5 mm、10 mm和15 mm的成形玻璃浸潤到錫液中的深度與厚度的關系。

表1 玻璃帶浸潤深度與厚度的關系 單位：mm

另外，使用石墨擋坎、直線電機等調控裝置對各種厚度玻璃的成形過程進行調控，以調節(jié)錫槽內(nèi)錫液的流動及溫度分布。

考慮以上因素并結合所選計算區(qū)域的尺寸，選取錫槽中心截面上前端左下角為坐標原點，沿錫槽長度方向為x軸，寬度方向y軸，高度方向為z軸，建立三維數(shù)值模型并進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

1.2 邊界條件設定

（1）玻璃帶與錫液分界面的邊界條件采用剛性無滑移假設：與玻璃帶接觸的錫液速度在錫槽長度方向上與玻璃帶前進的速度一致，為窯長方向x的函數(shù)（圖3），而錫槽寬段和深度方向錫液的速度均為0。

（2）壁面處采用固壁邊界條件：與錫槽墻體接觸錫液的邊界速度為u＝v＝w＝0。

（3）兩側裸露錫液在槽深方向的邊界速度w＝0。

（4）與玻璃帶接觸的錫液溫度，按照徐冷工藝的玻璃成形溫度制度確定。與連續(xù)玻璃帶接觸的錫液上表面的溫度曲線如圖4所示。

（5）側壁及槽底獲得的熱輻射較少，并伴有絕熱保護，可近似認為是絕熱面，按絕熱邊界條件處理。

2 模擬結果與分析

2.1 生產(chǎn)5 mm玻璃無調控錫液的模擬結果

生產(chǎn)5 mm玻璃無調控錫液的速度場分布呈現(xiàn)顯著的三維流動。圖5給出了y＝0截面上錫液的速度矢量圖。

從圖5（a）中可以看出，y＝0截面上的錫液主要沿著玻璃帶運動方向流向錫槽出口端，其中上層與玻璃帶接觸的錫液的流動速度與玻璃帶前進的速度幾乎相同。這主要是由于玻璃液進入和離開錫槽的溫差約450 ℃，巨大的溫差使錫液產(chǎn)生明顯的縱向對流，即上層的熱錫液向后流動，而下層的冷錫液向前流動，而且從前向后運動的玻璃帶引起黏度較低的錫液也跟著向后流動，從而加劇了這種回流。另外，錫液在錫槽拋光區(qū)和冷卻二區(qū)的流動比較劇烈，從圖5（b）和（c）、（d）和（e）中可以看出，這兩個區(qū)域的錫液運動呈現(xiàn)明顯的回流。拋光區(qū)的回流主要是由壁面對前進中的錫液的阻擋以及錫槽深度發(fā)生變化對次生流的影響造成的。冷卻二區(qū)的回流是因為錫液向前運動遇到槽體受阻而向相反方向運動，玻璃帶下部的錫液由于不受外界約束，也加入回流。

圖6為無調控的錫液在x－y平面不同截面處的溫度分布圖。

從圖6可以看出，生產(chǎn)5 mm玻璃無調控裝置的錫液在各截面上的溫度分布趨勢是一樣的，都是錫槽前端溫度較高，尾端溫度較低，而且越靠近錫槽底端，相應位置的錫液溫度越高。另外，受錫液流動的影響，在錫槽拉薄區(qū)和冷卻一區(qū)前半部，玻璃帶覆蓋區(qū)域下錫液的溫度要低于未被玻璃帶覆蓋區(qū)域下的溫度，而在冷卻一區(qū)后半部和冷卻二區(qū)，玻璃帶覆蓋區(qū)域下錫液的溫度要高于未被玻璃帶覆蓋區(qū)域下的溫度。

2.2 生產(chǎn)5 mm玻璃有擋坎錫液的模擬結果

在使用石墨擋坎進行調控時，擋坎貫穿整個錫槽內(nèi)寬，通過一個狹窄的通道插入到錫槽底部耐火磚中。本文分析了擋坎在距錫槽前端28.9 m、29.9 m及30.9 m處三種情況，具體如圖7所示。

從圖7可以看出，在錫槽內(nèi)加上石墨擋坎后，錫槽玻璃帶覆蓋區(qū)域下的錫液流動速度變小，而兩側未被玻璃帶覆蓋區(qū)域下錫液的回流減弱，且回流主要出現(xiàn)在擋坎位置前面。另外，隨著擋坎位置遠離錫槽前端，擋坎前玻璃帶覆蓋區(qū)域下的錫液流動速度與未加擋坎前同一位置錫液流動速度之差先變小后變大，而擋坎后玻璃帶覆蓋區(qū)域下的錫液流動速度與未加擋坎前同一位置錫液流動速度之差越來越大。

從玻璃帶成形對溫度分布、錫槽空間條件的要求以及石墨擋坎對錫液縱向流動的阻擋效果來看，擋坎位置不能距錫槽前端太遠。生產(chǎn)5 mm玻璃錫液擋坎前前進流及回流速度平均值見表2。從表2可以看出，擋坎在29.9 m處時錫液的速度分布較合理。

表2 生產(chǎn)5 mm玻璃錫液擋坎前前進流及回流速度v x平 均值

圖8為生產(chǎn)5 mm玻璃有擋坎錫液流動的示意圖，灰色實線為上層錫液的流動情況，黑色實線為下層錫液的流動情況。另外，在實際生產(chǎn)中，可以在錫槽拉薄成形區(qū)內(nèi)的不同位置使用多個石墨擋坎來調整錫液的縱向流動，使錫液在錫槽內(nèi)形成多個回流循環(huán)，從而更好地改善錫液的熱交換。

2.3 生產(chǎn)5 mm玻璃有擋坎和直線電機錫液的模擬結果

在生產(chǎn)5 mm玻璃時，從石墨擋坎對錫液的縱向調控效果來看，錫槽內(nèi)各工藝分區(qū)的溫度分布變得有利于玻璃帶在錫液上浮拋成形 ，但也帶來了一些問題：擋坎的右上方錫液速度局部變大，擋坎后回流范圍較小等。為解決這些問題，在錫槽擋坎位置右側附近及錫槽出口端，使用直線電機對錫液的橫向流動進行調節(jié)。

在實際使用過程中，直線電機頭部從操作孔伸入錫槽內(nèi)，根據(jù)工藝要求調整電機高度，將電能轉換成下部錫液的直線運動，通過調節(jié)直線電機距離錫液面的高度等參數(shù)即可改變錫液驅動速度的大小［5-7］。本文主要討論直線電機橫向作用位置在30.4～30.6 m，驅動速度大小均為0.05 m·s-1的情形，驅動速度的方向由里向外，即直線電機作用面上的速度邊界為u＝w＝0，v＝±0.05 m·s-1。

圖9為生產(chǎn)5 mm玻璃時錫液在y＝2.5 m截面擋坎附近的速度Vx分布圖。從模擬結果來看，使用直線電機后，錫槽內(nèi)y－z平面的錫液呈現(xiàn)顯著的橫向回流，有效地改善了錫液的橫向速度場分布。在30.5 m處使用直線電機能解決僅使用石墨擋坎帶來的槽內(nèi)局部速度較大的問題，其中，錫液位于玻璃帶覆蓋區(qū)域下，在石墨擋坎右側使用直線電機后，擋坎上方及右側的錫液速度明顯減慢，尤其是直線電機下方錫液的速度，由0.06 m·s-1左右減小到0.01 m·s-1左右，有效地改善了單使用石墨擋坎時錫槽內(nèi)局部速度過快的現(xiàn)象。另外，使用直線電機后，擋坎后回流的速度變大，局部大于0.01 m·s-1，且回流錫液增多，能加快擋坎后局部區(qū)域錫液的熱交換。

根據(jù)上述條件作出生產(chǎn)5 mm玻璃有擋坎和直線電機錫液流動的示意圖，如圖10所示，灰色實線給出了上層錫液的流動情況，黑色實線為下層錫液的流動情況。

在錫槽出口端使用直線電機，借助直線電機對錫槽表層錫液的定向推力，可以將被污染錫液導入兩側小耳池中，將錫灰留在耳池中，干凈錫液則會流入錫槽內(nèi)，有效地清除滯留在錫槽出口端的錫灰。圖11為生產(chǎn)5 mm玻璃時錫液在x＝55.9 m截面的溫度分布圖。

從圖11可以看出，x＝55.9 m截面上玻璃帶覆蓋區(qū)域下的錫液溫度升高，而兩側未被玻璃帶覆蓋區(qū)域下上層錫液的溫度升高，下層的變低。玻璃帶在此時已完全固化準備進入退火窯，玻璃帶離開錫槽時的溫度最好為（600±5）℃，所以使用直線電機還能控制玻璃帶離開錫槽時的溫度。

2.4 生產(chǎn)不同厚度玻璃有擋坎和直線電機錫液的模擬結果

生產(chǎn)不同厚度玻璃時錫液的速度分布趨勢一致，但由于拉引速度和玻璃帶浸潤到錫液中的厚度不同而產(chǎn)生一些差異。圖12和圖13給出了生產(chǎn)不同厚度玻璃時有擋坎和直線電機的錫液沿錫槽長度方向上來流、回流平均速度曲線。

從圖12可以看出，生產(chǎn)3 mm、5 mm、10 mm和15 mm玻璃有擋坎和直線電機錫液沿錫槽長度方向上的來流速度曲線與圖3生產(chǎn)不同厚度玻璃時錫液上表面的速度曲線趨勢一致，但速度大小低于圖3中的相應數(shù)值，且在錫槽深度發(fā)生變化的位置錫液速度稍有降低。

從圖13可以看出，在錫槽拋光區(qū)和預冷區(qū)，生產(chǎn)不同厚度玻璃錫液的回流速度呈線性分布，速度沿著錫槽長度方向逐漸降低，且成形厚度越厚，回流速度越大。在錫槽冷卻一區(qū)和冷卻二區(qū)，生產(chǎn)不同厚度玻璃錫液的回流速度又顯著增大，成形厚度越薄，玻璃帶的拉引速度越大，相應玻璃帶對錫液的粘滯力作用越大，回流錫液的速度越大。同樣，在冷卻一區(qū)和冷卻二區(qū)的過渡位置，由于錫槽深度發(fā)生變化，回流錫液的速度發(fā)生顯著轉折。

為說明生產(chǎn)不同厚度玻璃在錫槽內(nèi)錫液的溫度分布的差異，計算出不同y-z截面上錫液的平均溫度并作出錫液沿錫槽長度方向的平均溫度曲線，如圖14所示。

從圖14可以看出，沿錫槽長度方向，生產(chǎn)為3 mm玻璃時錫液的溫度均低于5 mm時的錫液溫度，與此相反，生產(chǎn)10 mm和15 mm玻璃時的錫液溫度均高于5 mm時的錫液溫度。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因主要是：生產(chǎn)不同厚度玻璃時，玻璃帶的拉引速度不同，這樣，在玻璃帶從錫槽首端向尾端的運動過程中，對它的浮拋介質錫液的粘滯力作用將隨著玻璃帶的拉引速度越大而越大，將更多的熱端錫液帶向冷端。另外，玻璃帶的厚度越厚，玻璃帶所積聚的能量越多，且其拉引速度較慢，則將更多的能量傳遞給其下部的錫液。所以玻璃帶厚度越厚，錫液的溫度越高。

3 結論

（1）生產(chǎn)5 mm玻璃時，在錫槽拉薄成形區(qū)使用石墨擋坎能阻擋下層錫液的縱向流動，顯著降低錫液的回流量，有效地控制了槽內(nèi)的熱交換。比較石墨擋坎距錫槽首端28.9 m、29.9 m和30.9 m三種情形，當石墨擋坎位于29.9 m處時的調控效果較好。

（2）生產(chǎn)5 mm玻璃在使用石墨擋坎的同時，在石墨擋坎右側使用直線電機，能加快錫液表面的橫向流動，改善錫液的橫向溫度分布。在錫槽窄段出口端使用直線電機并配合扒渣耳池，能有效地清除錫灰，并能降低錫液的橫向溫差。

（3）將生產(chǎn)3 mm、5 mm、10 mm及15 mm玻璃時有石墨擋坎和直線電機錫液流動的模擬結果進行了比較，達到了使用石墨擋坎和直線電機優(yōu)化不同厚度浮法玻璃成形過程的目的。