玻璃瓶液熔制工况侦测与熔制工艺

1、引言

　　熔窑中进行着复杂的高温物理化学变化过程，完成着从配合料到合格玻璃液的熔制过程。因为高温，人们无法直接观测到玻璃液内部的流动状况，无法测定玻璃液内部的温度分布和流动速度分布，因而无法了解澄清恶化，夹杂物产生，大量波筋以及析晶等熔制故障是如何产生的。运行中的玻璃熔窑犹如鲜活的人体，熔窑内玻璃液熔制工况出了毛病，也需要有熔窑医生进行诊断，通过望、闻、问、诊，采用诊断工具类似X照片，CT扫描等方法，找到熔窑工况毛病所在，才能确定改善熔窑的技术措施，达到治病救窑的目的。有哪些方法可以用来诊断熔制故障呢？经过工程技术人员和研究人员多年的努力，主要发展了如下三种方法用于玻璃熔窑的诊断和侦测。

　　2、热工实测

　　在实测方法中，比较成熟的是玻璃熔窑的全窑热工测定和热平衡计算。该项测量任务有如医院进行的身体全面体检。在温度测量项目中，可以测量熔窑表面各处的温度，借以判定散热强度大小，测量数据不但可以提供窑炉节能依据，也可以间接判断熔窑内部玻璃液流动形态工况。全面的热工标定可由中国国际玻璃工程有限公司下属的测试中心来完成。下面是间接判断熔窑内部玻璃液流动形态工况的表面温度测试诊断实例之一。同济大学材料学院杨志强等人为昆明玻璃股份有限公司的日产450吨浮法玻璃熔窑夹杂物熔制工艺问题所作的诊断研究中，采用了池底外表面温度分布的测量方法，通过外表面温度分布可以间接推测池底玻璃液的温度分布，进而判断内部玻璃液两个对流环流的底部平衡点位置，为熔制工艺问题诊断提供了有力的一手数据支持；实践证明这是一个很好的方法。

　　熔窑玻璃液停产卸空后，求证玻璃液流的流动形态还可以通过观察在玻璃熔窑底部以及池壁耐火材料上的玻璃液冲刷痕迹，判断该熔窑在运行过程中玻璃液流形态的大致情况，为分析和制订熔窑进一步改进方向提供依据。同济大学材料学院在浮法玻璃熔窑工艺诊断中使用了这种方法，用以证明数值模拟和物理模拟与实际熔窑工况的一致性，强化了对熔窑内玻璃液流动规律的认知。

　　实际熔窑玻璃液流中玻璃液质点的流动轨迹可以通过同位素追踪方法来确定。首先在配合料中投入同位素质点，在熔窑周围布置检测装置来定位同位素质点的运动过程，跟踪同位素质点运动轨迹。这种方法技术要求高，实现困难，实际工程中很少采用。另外一种方法是造影法，在投料中脉冲法加入造影剂，在玻璃窑池壁一侧设有伽玛射线发射装置，另一侧设有同步接受装置，两侧同步扫描玻璃熔窑的玻璃液，由于造影元素的吸收伽玛射线能力很强，因此可以获得熔窑二维电子图像，通过影像分析得到玻璃液中的换料动态浓度分布信息。

　　如果使用红外摄像机来拍摄熔窑大碹的外表面温度分布，也可以通过红外图像分析得到大碹温度分布特征，进而判断内部工艺状况是否合理。该技术是实用可行的测试技术之一，红外图像还可以用来支持验证数值模拟获得的大碹外表面温度分布计算结果。

　　实际操作中，可以通过不同部位观察孔用光学高温计测量熔窑内部指定点温度，间接获得大型浮法玻璃熔窑中玻璃熔制工况的信息。使用这种方法有时可以获得较好的效果。

　　3、物理模拟

　　由于实际测量的困难以及获得信息的有限性，大多数情况下，实际测量数据还不足以用来诊断玻璃熔窑熔制工况，不足以用来确诊问题所在并为熔窑改造提供依据。除了对正在运行的熔窑进行诊断分析，有时还要对新窑型以及熔窑技术改造新方案进行论证，物理模拟和数值模拟方法将是另外两个十分有效的方法。

　　物理模拟方法是再现玻璃熔窑中玻璃液流动工况的有效方法之一。在流体力学领域大量使用模型实验来研究工程问题。例如研究飞机飞行中的浮力和阻力等动力学数据，不可能在天空上直接测量，只能采用相对运动原理，通过模型试验测试飞行中空气动力学数据并进行改进工作；研究水利工程中大坝和水与泥沙的相互作用，模型试验也是非常有力的工具。熔窑中玻璃液流运动规律也可以通过模拟试验的方法来进行研究。

　　物理模拟以流体力学的相似定律为指导，建立对应熔窑玻璃液的模拟液运动模型，在相似的边界条件作用下，可以观察、测量和拍摄模拟的流动形态和温度分布，通过改变方案，研究模拟的玻璃液变化规律，帮助诊断窑型变化以及其它工艺参数变化引起的玻璃液流动形态变化，确定相应流动形态对玻璃液熔制工艺的影响。

　　除了对大型熔窑内玻璃液流场和温度场进行物理模拟之外，对全电熔窑进行电场分布的物理模拟也是十分有效的，依据物理模拟可以获得电极布置、供电方式、供电参数，玻璃液对流状态以及温度分布等等多种信息，用于指导全电熔窑的设计和解决熔制障碍的依据。这种比例模型预演了全电熔玻璃窑地运行工况，在直观、感性和电器参数的可靠性上，比全电熔数值模拟更加优越。

　　同济大学材料学院的大型玻璃熔窑模拟实验室是在原国家建材局科技司的支持下建立起来的，十几年来为玻璃行业将近三十个厂家提供了物理模拟试验的服务，为揭示熔窑中玻璃液流运动规律提供了丰富的试验研究基础。

　　2006年同济大学材料学院的玻璃熔窑模拟实验室为昆明玻璃集团提供了玻璃熔窑夹杂物产生原因的诊断性研究服务，该问题困扰厂家一年半的时间，通过模拟试验研究诊断出了问题的关键所在，在诊断的基础上，厂家制订了合理解决方案，使熔制工艺障碍迅速好转。在长期的为玻璃行业提供技术服务基础上，同济大学材料学院的玻璃熔窑模拟实验室形成了自己特色的解释玻璃熔制工艺过程的工程理论假设，这些基于试验和实践的理论假设为大型熔窑中玻璃液熔制工艺问题提供了很好的分析基础。经过实践检验，依据部分理论假设的熔制工艺特性预报与实际工况有很好的符合度。