玻璃熔窑碹顶耐火材料的侵蚀计算与验证性研究

　　1.1研究背景玻璃熔窑是能耗极高的一种热工设备，玻璃熔窑的碹顶，又叫大碹，是整个窑体中热量散失和能量损耗最主要的部位，同时也是承受温度最高、烧损最严重的部位。当碹顶内壁侧耐火材料受到侵蚀的时候，不仅会造成能量的额外耗散，严重时还会产生漏火，甚至导致大碹的变形。我国曾经有过多次玻璃熔窑大碹变形的记录，轻则导致企业被迫停产进行检修，重则整座玻璃窑直接垮塌，对企业造成不可估量的损失。

　　(1)大碹内壁侧受侵蚀而减薄的部位是随机的，加上窑炉外侧表面积很大，监测难度和工作量也极大;

　　(2)典型碹顶由内侧的耐火层和外侧的保温层堆砌构成，厚度在800mm以上，常规的利用射线进行透射分析的方法难以实现;

　　(3)玻璃窑碹顶的耐火层和保温层一般使用不同的耐火材料，各层材料不同的物理化学特性也给厚度的测量带来了困难;

　　(4)工业中传统的测厚方法是人工使用肉眼观察外壁砖的发红和炸裂情况。由于熔窑外侧属于高温环境，条件恶劣，无法长时间进行人工作业，而且人工观察的结果依赖于技术人员自身的视觉和经验，注定无法成为一种科学可靠的检测方法。

　　本课题希望通过工业化环境的窑炉外部检测技术与耐火材料传热仿真相结合的方法，建立实际工况中的碹顶外表面温度与耐火材料厚度的响应关系，在无法精确检测耐火材料侵蚀状态的条件下，通过红外成像的手段采取非接触式测温的方式得到碹顶外壁侧的温度数据，根据实际测出的碹顶外侧温度热像图，将温度数据转换成碹顶厚度，进而分析其内部的侵蚀情况，帮助企业检测窑炉内部信息。一旦发现有能耗异常的情况，便可以及时维护。

　　(1)通过红外成像测量碹顶外表面的温度数据，测量范围广且温度数据易于数值化分析，可以全面准确地监测碹顶侵蚀程度;

　　此项技术不仅能使企业在安全生产方面获得保障，对企业减少能耗、降低成本也有帮助。利用数值传热学原理，计算碹顶侵蚀区厚度的研究与推广将为企业提供一种科学且行之有效的方法。

　　利用数值传热学对浮法玻璃窑碹顶侵蚀区域厚度的计算方法展开研究具有技术上的可行性和很广的应用背景，主要研究内容有以下三个方面：

　　(1)研究碹顶硅砖材料在三种传热方式(导热、对流换热以及辐射换热)共同作用下的复杂传热过程中，参数设定对计算结果的影响;

　　(2)建立出一个参照迭代初始模型，并参照实测数据对迭代初始模型的各项参数进行修正优化，直至满足误差要求;

　　(3)建立侵蚀区域的参数化模型，利用协同优化软件Isight将所用到的各CFD软件集成串联，实现侵蚀区域模型的自动建立与仿真计算。

　　本文欲研究玻璃熔窑碹顶部分的传热行为及机制，首先，根据企业提供的窑炉结构图，可将整个剖面看作是轴对称图形，因此绘图时只需绘制出对称部分之一，这样可以减少计算成本;同时对胸墙、池壁等无关位置的结构进行简化，便于网格的划分，最后使用建模软件Inventor2016绘制出熔窑剖面的二维模型，如图1。

　　网格划分与边界条件的定义是仿真计算的前处理工作，划分出的网格的质量和精度决定了接下来仿真计算结果的准确性，是仿真计算的关键环节。本课题使用Gambit软件对几何模型进行网格划分与边界条件的定义工作，如图2，图3。

　　考虑到窑内和窑外空气域的形状不规则，因此在划分网格的时候把这两个区域分割成了相对规则的小区域，这样也便于区分网格的疏密。最终绘制的网格总数133064个，最大畸变率0.531873，网格质量满足计算要求。边界条件的设置方面，左侧为对称边界，下方为压力入口边界，上方为压力出口边界;设定碹顶内壁面为固定热源1500℃，胸墙内壁面为固定热源1350℃，池壁内壁面与玻璃液接触面为固定热源1400℃，其他壁面均为耦合面。

　　IsightIsight是目前国际上最先进的基于参数的多学科设计优化软件之一，被称为“软件机器人”[4]。利用该软件的DOE模块，将Gambit、Fluent集成到一起[5]，搭建起自动计算平台，如图4所示。将模型网格绘制的jou文件导入GOGambit模块，然后将模型的mesh文件和Flunet的jou文件导入GoFluent模块。利用DOE模块，将不同侵蚀深度设置为输入参数，碹顶外壁面计算温度设置为输出参数，以此构建温度和厚度之间的联系。本文中共设置了50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm共6组不同的侵蚀深度模型，并由搭建的平台自动计算并导出结果。

　　图5是某玻璃企业的一条浮法玻璃生产线在烤窑时期的碹顶外壁面温度热像图，图中显示平均温度为120℃。由于烤窑时期玻璃窑尚未投入使用，可视作尚未发生侵蚀，因此可作为标准参照值。将此时的温度数据纵向划分为12个区间，以每个区间的温度均值作为参照温度值对迭代初始模型进行修正。

　　由图8可看出，计算结果和实测结果吻合的比较好，因此该模型可以作为迭代的初始模型。

　　本文设置了50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm共6组不同的最大侵蚀深度的模型，计算温度云图见图9，外壁面计算结果见图10。

　　可以看出，随着侵蚀程度的增加，对应侵蚀区外壁面温度也逐渐升高，这符合传热学基本原理和常识。可以看出，随着侵蚀程度的增加，对应侵蚀区外壁面温度也逐渐升高，周围区域因热量传递温度也有升高，这符合传热学基本原理和常识。

　　基于迭代初始模型参数设置下的侵蚀计算结果展现出了合理的变化趋势，但计算结果的准确性仍有待验证。

　　仿真计算的结果不是精确的解析解，而是一定误差范围内的数值解，要想真正能够应用于生产，就要对计算误差加以分析。而说到误差，就需要有一个参照，即实际中碹顶耐火硅砖侵蚀情况和相应区域外壁面温度的关系模型。

　　基于这一真实侵蚀数据构建对照组，通过上述方法使用Isight平台在这一状态附近构建出不同侵蚀深度和侵蚀形状的实验组，随后将每一组计算结果与对照组进行比较，计算二者的相对误差和相关系数，相关系数越大，则说明该实验组侵蚀模型与实际越接近。

　　记录下此实验组的侵蚀情况和材料厚度，我们就能自由设定误差范围，预测出满足该精度条件的耐火材料厚度区间。如图11。

　　本文通过传热仿真的方法模拟玻璃熔窑碹顶的工作环境，使用Isight软件集成CFD软件搭建自动计算平台，对侵蚀区计算结果的验证方法加以研究。得到结论如下：

　　(1)基于玻璃熔窑实际服役环境，在Fluent软件中对各项计算参数进行调试，最终得到的模型在无侵蚀条件下计算结果与实测数据有很好的吻合，能够模拟实际工况;

　　(2)通过Isight软件集成CFD仿真软件Gambit、Fluent，实现侵蚀对照组的自动建模与仿真计算，将人力从机械重复的工作中解放出来，缩短了前处理的时间，大大提高了工作效率;

　　(3)提出了一种验证侵蚀计算结果的方法。该方法有着理论上的可行性，难点在于真实数据的获取。