首页“『大摩注册』 顺盈电脑挂机下载电熔窑是以电能为热能来源，利用玻璃液本身作为电阻发热体，通过电极将电流引入玻璃液中，通电后使其内部发热而熔化玻璃的熔窑。电熔窑与火焰窑相比具有下列特点：1）热效率高；2）熔化温度高，挥发少，玻璃质量稳定；3）窑体温度低，耐火材料侵蚀小；4）结构简单，控制方便，劳动条件好。电熔技术也可广泛应用于火焰窑的辅助加热和料道加热。

　　目前，国内外玻璃窑炉设计仍然采用简单的数字模拟手段，利用积累的设计经验和数据作为设计熔窑的主要依据。玻璃窑炉的玻璃物理场主要由热流场、电场和结构场组成。通常能源是由电极提供的电能和窑炉上部空间的燃气燃烧能提供，窑炉结构主要是由各种不同的耐火材料和支撑钢结构组成。整个窑炉多种物理场的耦合过程非常复杂。

　　正常工作的电熔窑是一个从加料口投入配合料一直到流液洞出口流出熔化好的玻璃液体的容器。一个配合料单元从进入熔窑到流出的时间，根据不同窑炉设计和玻璃成品质量的不同而不同。整个熔制过程中，熔窑是一个复杂的流体，是一个非均匀分布的电场，非均匀分布温度和质量玻璃液体的流动模态，其多样性并随时间变化，非常复杂。因此对一个熔窑的电场描述、热/电场描述和流场描述是一项非常复杂和困难的工作。由于玻璃液的高温，致使几乎所有现有的测量工具和手段都不太有效。这正是电熔玻璃窑炉设计中的最大难题。

　　现有国内外研究开发的描述熔窑内部的数学模拟软件都处于数字和经验模拟结合的结果形态，大量的描述玻璃流场和电场图像与实际结果有相当大的差别。窑炉设计仍然大量依据于经验和假设，因此几乎所有的窑炉的发展周期都很长，而且也难以估计可以达到的效率。

　　电熔窑炉是一个复合电场，熔化的玻璃是导电体，加热用的电极是电源体，通常电熔窑的电极由几支到几十支不等。常用电熔窑的平面形状一般为六角形、八角形等多边形。大型电熔窑的平面面积可以有一百几十平方米以上，或更大，通常是矩形平面。

　　加热用电极布置有垂直于炉侧壁，垂直于炉底平面或倾斜于炉底部，个别采用从窑炉上部顶插式电极，用于较小型的玻璃窑炉。

　　图1 所示4万t/a产量泡沫玻璃的熔窑。图2 所示14万t/a产量的熔窑，插入电极8排，每排6支，共48支。根据电炉的边界条件不同，每排电极插入深度是不相同的。在每支电极上施加的电功率也各不相同，因此，每排电极上的总功率是可以不相同的。

　　边界条件包括电熔炉上部空间加热用燃烧器的布局，燃烧能量的不同。也包括各种不同的燃烧器种类，例如侧烧式、顶烧式和复合式燃烧器布局。不同的燃烧器，例如空气助燃、全氧燃烧等；鼓风机的分布口和风量、流速等不同边界条件。

　　一个高效率的电加热系统的底插式电极系统不会是电极插入深度相同的系统。每个电极上的施加的电功率也是不会相同的。电极插入深度和施加的功率是一个由复杂设计的符合高效、节能、低排的系统。见图3、图4、图5、图6、图7。

　　无论采用何种平面形式的窑炉或者不同装置的电极布局，所有玻璃窑炉都是由熔化的玻璃液为电导介质，电极为加载电能的电源点。电极电源可以是三相，也可以是二相或单相。所施加的电压因各物理化学参数的不同而各不相同，一般为了安全起见，建议电压低于120~180V。这是一个玻璃和电极形成的复合电场。

　　电熔炉中电极的布置影响整个复合电场的状态。插入玻璃液中的电极相对比较长，以底插式为例，当池深为1.2m左右，插入玻璃电极顶端距玻璃液面距离为150~180mm。插入深度根据在电极上施加功率的大小而不同（如图3，图4所示）。熔化玻璃的温度分布和流动比较复杂，并且电极电导率随长度变化有比较多的模态。沿着电极长度方向的电压影响相应位置附近玻璃的电流变化，所以复合电场的电压、电流和温度也是一个沿电极长度方向的变量。

　　窑炉电场中任何一点的电性质（电压V，电流A，温度T）的变化将影响整个电场中其他所有点的电场性质。玻璃窑炉中的玻璃是一个流动体，一座15万t/a的熔窑，每天流量约420t/d。所以，平均横向流动速度0.8~1.0m/h，很慢的流速。这个流速随玻璃产量的不同而变化。实际上这个横向玻璃流动是一个由多种流动模式综合的结果，实际玻璃液在窑炉内的运动是非常复杂的。如图5至图9所示，玻璃窑炉内的玻璃由于温度差别而产生的热力推动造成复杂的多方向的干扰性流动。流动速度随位置而变化。在温差大的区域的流动速度应当很可观。

　　如图10所示，配合料单元在流动过程中配合料熔制成合格玻璃的两个充分必要条件：

　　这里玻璃生成过程中的能量由电场电能和玻璃配合料化学反应产生的热能的总和，这是完成以上两个过程的能量基础。

　　合理控制玻璃能量场和高温热玻璃流动是玻璃电加热熔制的关键技术。窑炉设计的第一步应当是完成能量控制和流动控制设计。

　　玻璃电熔窑既是一个随时间变化的复合电场，又是一个随时间而变化的热力场。热力场是高度非线性变化的物理场。

　　熔化玻璃的主要热能来自导电玻璃液的电阻发热而自身加热。一小部分是由于电极自身的电阻在电场内产生的热能。因此，随着电场各处不同的电压、电流产生不同数量的热能形成玻璃窑炉中温度变化的热力场。

　　熔融玻璃液是流动液体，由于热胀冷缩和重力作用，以及热力推动，玻璃流场成为一个复杂的热流动的热力场。

　　热能是由高能量向低能量传递。玻璃液的流动不仅是按当地温度的高低来流动的。即不仅是较高温度的热玻璃流向较低温度的玻璃区域，例如热对流。由于玻璃在高温区的体积比在低温区要大，因此可以克服类似重力、摩擦力等外力，上部的较高温度的玻璃下行运动，推动驱使下部较低温度玻璃向较高温度区上升流动，这是不同于液体通常成为热对流的运动。是一种热力推动流动。

　　如图11和图12 所示，上部较高温度玻璃向下部流动，挤压下部温度低的玻璃向上运动，到达高温区后被加热。这是一个不同于热对流的逆向流动模式。根据这个原理，加大上部区域内吸收更多热能是在窑炉中施加更大的电功率的一个重要途径。从传统由西方引进到中国的电熔炉的电极插入玻璃液中深度约600~700 mm（玻璃液深度1.2m时）。我司在2014年在玻纤窑内首先开始采用钼电极顶部插入距离液面仅150 ~200mm，插入深度为1m左右的实践后，西方的传统的中国被改变了。现在一台熔化面积约140m2的玻纤窑产量达14万~16万t/a以上，电加热的安装电功率高达6000~7000 kW的高产、高成品率熔窑。

　　进一步的改进是要增大在一支电极周围可以吸收更多热能的玻璃体积。使玻璃窑可以充分采用更大电功率，使单位体积玻璃吸收更多的电能，提高熔化功率，提高更多产量。见图13原理图。

　　采用热力推动流动原理的另一个重要的好处是增大了熔化玻璃的流动性运动的范围，减少了玻璃窑炉内玻璃流动的死角。熔化玻璃流动性运动的加大，很大程度上均匀化了熔窑的温度分布，即优化了热能分布的均匀度。这是提高热效率的重要作用。

　　提高熔化功率是有限度的。在较大熔化功率下，上部玻璃的温度也相应增高，过高的玻璃温度将加大热量向上部空间的发散损失。向下流动的高温玻璃的流量同样增大，更多的热量流向窑底部，致使窑底部温度提高。窑底耐火材料的抗高温能力达到一定程度时，这就是可以增加电功率的限度。

　　对于池深为1.2m的玻璃纤维窑，电极插入深度要略为减少，原来电极顶端距离液面150~180mm，可以增大到200~250mm，使可加热玻璃体积进一步增加，提高用于熔化玻璃的电功率，从而在不增加熔窑体积的情况下，加大产量。

　　原则上玻璃加热的温度限制是使高温玻璃的热量不会大幅度散失到窑炉上部空间, 因此高温玻璃区的温度不大于玻璃熔化温度。加热区玻璃电功率加大的另一个限制是由于高温区玻璃向下流动，使炉底温度升高，这个炉底温度必须不大于耐火材料允许使用温度,一般不超过1200~1400℃。

　　由此可见，玻璃电熔窑中的电场和热力场是相互影响，相互依托而存在。相同电压下，温度高的区域玻璃中的电阻较小，电流较大，运行功率高、热效率高。反之，玻璃温度低的区域熔化效率较低。解决这个热效率的办法是增加玻璃流的流动量。同时，带来的好处是使玻璃熔窑中的温度分布更为均匀，从而不仅提高了产量，同时又提高了质量。这在国内玻纤厂的实践中得到证实。熔制玻璃的单位产品综合能耗从1200 kcal/kg下降到800~850kcal/kg，能耗值下降了33.33%~29.17%，满筒率达到97%左右，远超西方的工艺技术水平。

　　十分明显，在正确理解了电功率和热力流场关系的基本理论，可以在调节窑炉中经过详细分析，制订严密的对电极组加载过程来控制玻璃液的流动，达到优化的目标。实践证明对提高熔制效率和维持窑炉生产的稳定性是确实可行的。

　　电熔窑炉是一个三种不同物理场形成的综合体（这里没有计入窑炉的耐火材料结构），不同的三个物理场间的耦合作用和干扰作用形成复杂变化的玻璃流场、能量分布和能量流的能量场。

　　正确分析这种变动的物理耦合场的特性和把它的优化用于玻璃熔化控制技术是现代玻璃熔窑优化设计和生产的理论实践基础。

　　玻璃窑炉内无论是底插电极、横插电极或顶插电极，任何一支电极的电压、电流、输入功率的变化将会对整个电场产生影响。首先是电场内电极间的相互感应作用，二是对玻璃液各处的电压分布的影响。越是靠近变化电极近的部分受影响最大，随距离的加大而减弱。所有这些变化都是非线）熔化玻璃热力场

　　熔窑内玻璃的温度不同，化学成分不同，玻璃密度不同，运动速度和方向也各不相同。显然导电率也不相同，所有这个物理场的分布变化是高度非线）熔化的玻璃和未熔化的固体配合料混合物电场

　　熔化的玻璃和未熔化的固体配合料形成一个液/固混合体，其物理特性也是随时间和地点发生变化的复杂的非线性物理场。目前，尚未见到对这样高温、带电的玻璃流物理场详细的描述和控制技术的论述，但是已经有比较广泛的应用

　　有限元素法来初步描述多物理场之间的耦合理论，利用有限元素法分析理论已经给玻璃工业带来革命性的作用。原始的玻璃分析的模拟法逐步走向先进的场分析技术。3.3 三种玻璃控制模式（1）优化设计电熔炉设置和升温程序

　　2）配合料可以在熔窑内有足够的滞留时间，吸收足够多的热能完成充分的化学反应，形成合格玻璃。

　　3）要求配合料在熔窑中滞留在尽量短的时间内形成合格玻璃，以提高窑炉的生产量，提高熔制玻璃效率。这是一个优化过程，不是一个简单的电加热过程，要求对所有电极的功率提升有合理的时间/功率（T/P曲线）程序，缩短熔窑点火时间和运行调节时间。

　　熔窑设计时必须要以优化的点火升温程序进行设计分析。例如：确定各不同点位处的电极插入玻璃深度，插入过程直至最终深度，此时窑炉会生产出最大流量的合格玻璃。这是一个优化设计。优化设计过程的基础就是对熔窑的三大物理场的反复迭代设计的过程。（2）优化处理生产过程中的变动，达到优化恢复生产过程在玻璃生产过程中，存在有许多种干扰正常生产的因素。例如，电加热系统中某支电极由于某种原因断裂、或供电电网的供电能力变化，甚至导致整个供电分区的失效。由于熔窑上部空间火焰燃烧器发生故障造成电熔局部或总体性的玻璃温度场的变化，使生产合格率下降等故障情况。

　　采用现有传统技术恢复到正常过程，包括控制软件，只是简单地把电极换成新电极或补充电极，然后把复原的电极或整个加载区电极的功率

　　重新加到设计指标，然后缓慢地等待熔窑恢复到合理状态，这个过程少则1~2天，多则3天以上。由于故障发生后，整个熔窑的电场和热力场、玻璃流场会因此发生相应改变，形成新的玻璃物理场。仅仅采取重新恢复修复电极并重新加载的方法是不合理的。因为重新简单加载是使已经因故障而改变形成的玻璃场又一次由于重新恢复加载而发生变化，这种变化不会立即恢复形成原来运行合理的玻璃物理场。整个需要新加载的电极功率而改变后的玻璃物理场需要多次相互干扰耦合的迭代，直到回到原来的合理设计的玻璃场。而这个过程耗费额外的电功、原材料、时间，则降低了成品率和增加了能耗。

　　加速这个恢复过程，缩短恢复调整时间，最有效的办法是根据玻璃场的三个物理场的分析，采取合理的重新加载的程序，同步对所有涉及的电极调整电载荷的直接合理的操作程序。这个过程首先对故障电极周边的物理场进行分析，了解重新恢复加载电功率过程中的整个玻璃电场和热力场的变化过程，确定相关电极间的耦合关系，设计和确定所有相关电极电功率的调整量，同步按符合电极的

　　耦合载荷情况，恢复到原设计的物理场。这种恢复程序不仅对排除故障有效，而且在整个窑炉生产玻璃的周期内起到作用，这是经过合理分析后的优化控制软件。这也是目前常规玻璃工程设计院和窑炉设计单位的简单的控制理论需要改进的方面，并设计新的有效的控制程序。采用多物理场耦合控制技术不仅加速了调节过程，并且提高了玻璃合格率，降低了能耗。这已经被实践证明。4 有限元素法应用于玻璃工业

　　对于多种物理场耦合设计中的对多个物理场的分析是一项很庞大复杂的工作，对于任何一个玻璃工程设计单位而言这都是一个艰巨的理论探讨、软件开发和实际应用的工程。首先是对于三个物理场的理解，然而是进行它们之间的耦合分析，最后是优化设计。如果采用目前国外某些常规的模拟法来做这项工作，至多也只是做到目前由西方引入中国的简单的模拟法流场分析。这些分析中比较好的结果和实际情况仍存在有非常大的误差，这种方法只是一种可以令玻璃生产者有似是而非的感觉，并不能作为实际的设计数据应用。

　　可以采用不同的有限元素来组成熔窑中玻璃体的数字模型。在玻璃生成或化学反应过程中组成玻璃场的有限元素法是一个高度非线性的数学模型。因为热变形、热胀冷缩、受流动能量的挤压，有限元素发生变形和

　　物理特性变化。所有元素的变形和物理特性变化组合描述出随着时间和位置变化的玻璃热流场、电场和结构场的变化过程。图14  有限元模型（假设的熔化玻璃场）

　　节点和其他元素相连，每个节点有6个自由度。每个元素的位置坐标和形状、变形，随受热、受力，包括各种物质的重力作用发生变形。因此，这些元素的物理特征和几何形状是随时间、空间而变化的。每个元素都是非线性的变化的数学模型。可见建立一座窑炉的玻璃物理场结构是一个非常复杂的过程。模型建立的优劣将决定窑炉设计的好坏。建立解析方程式，利用超级计算机解出整个玻璃的生成过程，包括流场、电场、热场。同时，显示出功率分布、电场分布、热场分布的动态变化过程。在迭代分析中，根据多种不同边界条件情况下计算结果的优劣，来改变窑炉尺寸、布局和功率施加方案，得到优化结果。它们将成为窑炉设计和运行操作的理论基础。4.2 多个物理场关联

　　热分析:可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟

　　配合料固体材料和玻璃熔化混合体的熔化过程的相变分析能力, 以及模拟热与结构应力之间的热/结构耦合分析能力。这里配合料固体材料和玻璃熔化混合体的物理特征和随温度和时间变化的有限元素的建立，需要通过理论和实验来确定。不同配合料固体材料玻璃熔化混合体有不同的非线性特性。电磁场和温度分析:主要用于在玻璃电场中电极间电磁场的分析,如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。玻璃的电场变化产生玻璃的温度场变化，玻璃温度的变化使玻璃的比重和体积发生变化并生成流动运动。所以电磁和温度的相互作用是我们研究中最重要的部分。流体动力学分析:流体单元的有限元素法能进行流体动力学分析,分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流动速率,并且可以利用后处理功能产生压力、流动速率和温度分布的静动态的图形显示。另外,还可以使用三维表面效应单元和热-管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。可以应用于电极和玻璃间相互干扰的流场分析。

　　）典型工程问题的多场耦合特征多物理场耦合是由两个或两个以上的物理场相互作用而形成的物理现象，已经在客观世界和工程应用中广泛存在。常见的

　　耦合问题有热/结构耦合、流动/电耦合、热/电耦合、电/结构耦合等，一般可根据物理范围、耦合界面特征、数学方程特征等多维度进行分类。玻璃窑炉

　　中主要的物理场是高温熔化玻璃的热场和供电的电极，以及玻璃熔炉的耐火材料结构形成的电场、热流场、温度场。三种物理场的多物理场的耦合特性确定了玻璃窑炉的特性，见表1。表1   多场耦合分类及典型工程案例

　　）质量守恒方程质量守恒是指一个特定的时间段内加入窑炉的可以生成合格玻璃的配合料总量和最终生成玻璃总质量及挥发物质量是相同的。

　　）能量守恒方程玻璃窑炉中能量守恒是窑炉设计中最重要的原理。玻璃窑炉的能量守恒是非常复杂的问题。由于在整个生成玻璃的过程中不仅是输入的电能量和生成玻璃所需要的能量的平衡，以及在整个过程中由于热能在热交换和热能/电能转换过程中的损失，并且由于玻璃

　　窑炉内在生成玻璃过程中同时存在大量复杂的运动，这些运动还包含了不同运动速度玻璃和窑炉结构，和电极间的摩擦能，以及不同运动速度和运动方向的玻璃间摩擦能。而且更为复杂的存在是电能、化学能、热能间的转换。对于气/电混合窑炉，输入能量还包括

　　上部空间的燃气燃烧能，同时较高温度的玻璃液面向上部以辐射方式释放热能。这样两种热能转移过程的介质是气体。上部空间的气流数学描述模型过于复杂，但是对玻璃的生成影响有限，可以只计入玻璃液面的温度控制，而忽略上部气体流动的影响。建立能量守恒方程，就是建立有限元素方程组的本构方程。（3）状态方程

　　的温度T/密度P /导电率D /电阻R关系方程。（4）黏性流体流动模型熔化玻璃的黏性比较大，虽然流速不大，但是玻璃间的摩擦系数很大，因此在建立物理场数学模型时的流场不会有分离现象。

　　传导基本方程忽略玻璃流动运动对温度的影响（因为总的流动速度比较小），因此热传导的物理方程比较简单。（6）电/热方程

　　建立电极在玻璃的电/热物理场内的电磁感应关系方程和对玻璃电场的对应关系，建立电/玻璃热关系，形成电和玻璃温度变化方程，这是建立最基本的物理场的麦克斯韦尔方程数学模型。