新型熔融石英爐生產過程數(shù)值仿真研究

朱經緯

（中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇 南京 210001）

本文針對連云港現(xiàn)已投產熔融石英爐能耗過高的情況，創(chuàng)建一個新型可以連續(xù)工作出料的熔融石英爐模型，對整個工作過程進行數(shù)值仿真，并對爐體模型散熱量，工作耗能和原料石英砂在爐內熔化過程中整個模型的溫度分布情況進行分析，確定模型的節(jié)能效果。

1 物理模型

本文使用FLUENT軟件建立石墨載體里裝滿原料石英砂的新型熔融石英爐模型，仿真的目的是驗證熔融石英爐體模型本身的生產合理性以及保溫層在安全溫度下連續(xù)生產工作。基于以上目的，整個模型若干方面被簡化，簡化如下。

（1）組成模型的各種材料密度均勻。

（2）根據圓柱爐體自身的對稱性，選取剖面進行建模。

（3）熔融石英爐上方不斷地均勻加入原料石英砂來維持出口處熔融石英的穩(wěn)定下落速率，并假設石英原料在外界機械支持下均勻向下移動，石英砂熔融后與石墨載體接觸處形變所帶來的下落速度影響不予考慮。

（4）忽略實際過程中各類材料與熔融石英狀態(tài)后產生的反應與損失。

（5）忽略實際過程中爐體保溫材料在高溫下肉眼不可見的形變。

（6）假設爐體模型的出口處有一隔斷器，熔融石英流出爐口即與爐體（模型本身）分離。

文章模型如圖1所示。

本文爐體模型由以下材料組成：硅酸鋁保溫氈，高溫耐火磚，氧化鎂粉末，氮化硼粉末，石墨加熱元，石墨載體以及氧化鋯陶瓷。由于模型爐體出口處和空氣進行輻射換熱，氧化鋯陶瓷材料的熔點高達2700℃，用于模型爐體出口處能回避石墨載體在600℃環(huán)境以上直接燃燒的問題，材料本身導熱率低，并且熱膨脹系數(shù)小，硬度大，不會因為溫度驟變而破裂。

圖1 物理模型結構

2 模型網格劃分與參數(shù)設置

2.1 網格劃分

爐體模型建立后，用FLUENT軟件的功能對其劃分網格。

2.2 模型參數(shù)設置

軟件中各個材料參數(shù)如下設置，高溫耐火磚的屬性參數(shù)：密度取定壓比熱取導 熱系數(shù)取原 料 石 英 下落移動使 用MRF模型，速度為Y軸負方向，原料石英砂出口面在MRF模型取混合邊界層，Emissivity取0.9?？諝鈱?性 參 數(shù)：ρ 取 1.165kg/m3；cp取λ 取0.103W /(m ·K )；v取取0.0006452K-1，其余屬性默認。原料石英砂的屬性參數(shù)：ρ 取 2220kg/m3；cp隨 溫 度273 K- 2300K內 的 變化范圍是（） 7 53-1710 J /(k g·K)；λ 隨溫度內的變化范圍是(1.51- 4)W /(m ·K )；其余屬性默認。石墨屬性參數(shù)：ρ 取 2210kg/m3；cp隨溫度273 K- 2300K內的變化范 圍 是 (300-1020)J /(k g·K )；λ 隨 溫 度273 K- 2300K內的變化范圍是(800 - 87)W /(m ·K )；其余屬性默認。硅酸鋁保溫氈的屬性參數(shù)：ρ取 230kg/m3；cp取900 J /(k g·K )；λ 取 0.1W /(m ·K)； 氧 化 鎂 粉 末 屬 性參 數(shù)：ρ 取 3580kg/m3；cp取 252 J /(k g·K )；λ 取8.2W /(m·K )；其余屬性默認；氮化硼粉末屬性參數(shù)：ρ 取 2000kg/m3；cp隨溫 度273 K- 2300K內的 變化范圍 是(898-100)J /(k g·K )；λ 隨 溫 度273 K- 2300K內的變化范圍是(41.8 -140)W /(m ·K )；其余屬性默認。邊界條件設置：石墨加熱元作為熱源項在Source Terms里依據下文設計要求賦值，其余材料的外壁面邊界設為wall，對流傳熱邊界，流換熱系數(shù)設置為6.5，F(xiàn)ree Stream Temperature設為室外環(huán)境溫度290K，剖面處的邊界設為wall，絕熱處理。

本文數(shù)值仿真的過程為從第1天開始加熱，當爐體下段石墨載體里的石英砂中心溫度達到1800℃熔融狀態(tài)時，讓其向下流動，再持續(xù)加熱10h（連云港一天谷電時間10h，實際廠房生產電費最低）后停止工作。為了防止石墨載體被撐裂，按照設計速度讓溫度大于1200℃的熔融石英流出爐體，剩下原料在爐內等到第2天同一時刻加入新料，接著重復上述操作，模擬整個4天的生產情況。

傳統(tǒng)熔融石英爐從入口到出口依次經過三個溫度段：預熱段，加熱段，均熱段。三段對熱量需求比例為12:10:3，現(xiàn)工廠一臺熔融石英爐在30kW輸出電源功率下工作，所以爐體模型中加熱元件的最大輸出功率是30kW，依照傳統(tǒng)各溫度段所需求的熱量，可得模型中加熱元件依次從上往下功率分別為30kW，25kW，7.5kW，總功率為62.5kW。在建立的模型所假設的加熱階段，為了使加熱段和均熱段的石墨載體內的石英砂中心處迅速達到1800℃的熔融溫度，考慮到最高輸出功率限制，本文設計模型中三段加熱源的功率分別為2.5kW，30kW，30kW。

3 熔融石英爐的數(shù)值仿真

3.1 熔融石英爐中石英下落速率設計計算

模型爐體總功率已經確定，但是熔融石英爐的出料下落速度未知，在保證爐體出口處石英原料達到熔融溫度的情況下并且提高速度提高熔融石英產量，根據下式：

S：出口處截面積，2m；

ρ：石英砂的密度， kg/m3；

ν：生產速率，m/s；

cp：石英砂比熱容， J /(k g·K )；

Δ T：石英砂從室溫到熔融狀態(tài)下升高的溫度，℃。

如果總能耗全部被石英吸收，可得理論極限石英砂工作時的下落速度，把P=62.5kW帶入，可得理論極限下落速度 v = 1m m/s。以極限速度為基礎，逐漸調整模型的石英生產時的下落速度，選出3個典型速度的工況，熔融石英爐在典型工況下穩(wěn)定后溫度分布如圖2所示，本文所有數(shù)值仿真溫度圖中的溫度單位為開爾文。

圖2 從左到右石英砂速度分別為1mm/s，0.8mm/s 0.6mm/s爐體模型剖面溫度云圖

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，當生產速率為0.6mm/s時，出口處熔融石英達到了1800℃。所以選取0.6mm/s的石英砂生產速率作為谷電時段的出料速率進行計算。

3.2 熔融石英爐的溫度分布

圖3 從左往右分別為熔融石英爐3.5h，5h，9h，10h后爐體模型剖面溫度云圖

從圖3上可以看出，從起始過了3.5h后在加熱段與均熱段部分里的石墨載體中的石英原料的中心點已到達熔融狀態(tài)溫度。此時讓石英砂模型以此前計算出的速率往下移動，爐體在運行5h后，熔融石英爐在出口處的石英砂可以達到熔融狀態(tài)的溫度，鑒于1天工作時間是連續(xù)10個小時保持設計的功率不變，讓爐體模型持續(xù)數(shù)值仿真模擬工作9h后與10h后的工況以驗證其合理性，圖上可以發(fā)現(xiàn)爐內溫度分布隨著時間推移趨于穩(wěn)定，得出以下結論：本文模型采用的三段加熱方式適合熔融石英下落速率為0.6mm/s的工況。從圖4中可以看出，在1天的結束第24h時刻，爐內最高溫度不超過680℃，且熱量主要集中在均熱段。

分析后3天的工況，從圖4可以發(fā)現(xiàn)，在第25h石英砂開始熔融，整個初始加熱到熔融一共用了1h，比第一天減少了2.5h，這是因為第1天加熱結束后，爐內因保溫層保溫了一定熱量，熔融石英爐有初始熱量，所以初始加熱時間減少，第2天第34h時刻爐口石英砂到達熔融狀態(tài)溫度，第48h后的爐內溫度分布與24h爐內工況基本一致。觀察第3天49h，58h，72h時刻處的爐內溫度分布，從圖5可以發(fā)現(xiàn)爐內溫度工況與第2天基本相同。觀察第4天73h，82h，96h時刻處的爐內溫度工況，從圖6可以發(fā)現(xiàn)爐內的溫度工況與第2，3天基本相同。得出結論：本文設計的新型熔融石英爐通過加熱—保溫的生產方式，使溫度保持平衡，可以進行持續(xù)性的熔融石英生產。

圖4 從左往右分別為熔融石英爐24h，25h，34h，48h后爐體模型剖面溫度云圖

圖5 從左往右分別為熔融石英爐49h，58h，72h后爐體模型剖面溫度云圖

圖6 從左往右分別為熔融石英爐73h，82h，96h后爐體模型剖面溫度云圖

4 熔融爐節(jié)能功率和耗能

整個熔融石英爐的節(jié)能指標是每天工作的總能耗，圖7是整個連續(xù)熔融石英爐的5天內對外界的散熱量，表1是每天最后時刻的散熱量增幅對比。

從圖7中可以看出，熔融石英爐在每天的工作時間段的散熱量會上升，特別是第一天，一天內不工作的其余14小時內對環(huán)境的散熱量會先升再降，從表1可以看出，雖然石英爐對環(huán)境的散熱量每天都在增加，但是總體增幅在逐漸降低，可視為每天的散熱量數(shù)值逐漸趨于穩(wěn)定。從數(shù)值仿真的結果看，新型熔融石英爐總能耗為0.868kW·h/kg，現(xiàn)在投產的連云港熔融石英爐中，耗電量為1.786kW·h/kg，節(jié)能達到51%。

表1 每天最后一刻的散熱量增幅對比

圖7 熔融石英爐120h后對大環(huán)境散熱量圖