玻璃纖維成形通路出料口分析研究

韓大河

（淄博中材金晶玻纖有限公司，淄博 255086）

0 前言

玻璃纖維池窯拉絲通路的作用，是將窯爐中熔制好的玻璃液進一步的澄清、溫度調理和玻璃液分配。根據在玻璃纖維制造中的不同作用，可將通路分為澄清通路、分配通路、成形通路。成形通路的作用，是將前道工序基本調理好的玻璃液，根據整體成形工藝布置特點和單個成形工位的工藝要求，對玻璃液溫度進行微調后送入拉絲漏板，以形成連續穩定的玻璃纖維［1］。成形通路中玻璃液的液面穩定性［2］、玻璃液的溫度和分布均勻性［3］、 沿成形通路各工位流量分布、成形通路中燃燒空間氣體的壓力和氣氛［4］，各工位出料口排布方式和出料口形狀對玻璃纖維成形的效率和產量有重要影響。

玻璃纖維出料口位置處于通路底部，其結構中拐角部分較多，用常規的現場實測法和物理模擬法獲取充分數據對其進行分析的難度較大，隨著計算機軟、硬件技術的進步，計算機數值模 擬［5，6］成為分析玻璃纖維窯爐、通路內部狀況，優化工藝參數的重要方法。本文采用數值模擬法對成形通路中玻璃液進行三維模擬，重點研究出料口排布方式和不同出料口結構尺寸對進入漏板前的玻璃液的溫度場和流場的影響規律，詳細分析了不同條件下的玻璃液流分布并與實際情況進行了比較。

1 建立數值模擬模型

1.1 數學模型

為了便于數學處理，需要將模型進行簡化，先將模型進行假設：通路內的玻璃液為均勻不可壓縮牛頓粘性流體；玻璃液為穩定的熱傳遞和流動狀態；玻璃液的膨脹系數、比熱容設定為常數；通路池壁耐火材料對玻璃液無影響，設為固定的導熱系數散熱。

通路中的玻璃液流動須滿足質量守恒方程、動量方程、能量守恒方程等流體力學基本方程。

質量守恒方程即連續性方程，其方程為：

式中：

ρ——密度，kg/m3；

t ——時間，s；

Vi——速度矢量，m/s。

動量方程是為了滿足牛頓第二定律，其方程為：

式中：

gi——重力加速度在i方向的分量，m/s2；

P ——壓力，Pa；

Ri——分布阻力；

μe——湍流有效粘度，Pa·s。

能量方程是為了滿足熱力學第一定律，其方程為：

式中：

E ——流體微團的總動能，J/kg；

h ——焓，J/kg；

kdff——有效傳導系數，W/（m·K）；

hj——組分j的焓，J/kg；

jj——組分j的擴散通量；

sh——包括了化學反應熱及其他由用戶定義的體積熱源項。

本文對湍流方程的求解使用包含兩個方程的標準模型（Standard k-εModel）［7，8］，它由湍流動能（k）方程、湍流動能分散率（ε）方程構成。標準k-ε模型中的湍流動能方程為：

式中：

k ——湍流動能；

μt——湍流黏度，Pa·s；

σk——湍流動能的施密特數；

φ——黏度分散；

ε——湍流動能分散率；

C4——常數；

β——熱膨脹系數，1/K；

T ——溫度，K。

標準模型中的湍流動能分散率方程為：

式中：

σε——湍流動能的施密特數；

C1ε——常數；

C2——常數；

Cμ——湍流黏度的修正系數，常數；

C3——常數。

1.2 幾何模型

本文以成形通路作為研究對象，通路玻璃液出料口排布方式分別為與通路平行排布和與通路垂直排布，具體尺寸見圖1。每條通路有12個工位，每個工位日產能為1.92 t/d，通路內部寬度為0.500 m，玻璃液深度為0.120 m，采用純氧燃燒橫火對玻璃液表面進行加熱。

圖1 通路出料口排布示意圖

使用ANSYS軟件中的前處理模塊對成形通路進行三維實體建模、利用自帶網格劃分模塊對模型進行網格劃分［9-11］。

1.3 物料性質參數及邊界條件

本文所用玻璃液物性采用ECR玻璃配方，具體參數如表1所示。

表1 玻璃液物性參數

玻璃液入口流速簡化為水平方向速度矢量相等，溫度沿玻璃液深度方向成比例下降；成形通路中空間對玻璃液傳熱和輻射均勻，將傳熱簡化為對玻璃液表面直接施加溫度載荷。進口、出口均設置為質量條件。

2 結果分析

為分析出料口排布、出料口形狀和流量變化的影響，對表2中所示的不同工況下的通路進行了數值模擬，各模型中玻璃液物料性質參數、入口玻璃液溫度等保持不變。為便于對比，以下分析中統一選取6號工位進行分析。

表2 通路模擬參數變化

2.1 平行排布出料口

實際生產中根據具體的成形工藝線要求，玻璃液出料口有平行排布和垂直排布2種方式，2種出料方式對于玻璃液溫度和流動狀態有一定影響。一般認為平行排布出料口會獲得通路中質量較高的玻璃液。

圖2為平行排布出料口寬度方向溫度及垂直速度分布情況，a、b、c圖為沿通路玻璃液流動方向的前、中、后溫度分布截面圖，d、e、f為沿通路玻璃液流動方向的前、中、后垂直速度分布圖，可以看出沿通路玻璃液流動方向，玻璃液溫度和垂直速度分布具有對稱性。由于出料口寬度較小，沿寬度方向的溫度分布和垂直方向的速度分布差異較小；出料口長度方向玻璃液溫度分布和垂直方向的速度分布差異較大。

圖2 平行排布出料口寬度方向溫度及垂直速度云圖

圖3為平行排布出料口長度方向溫度及垂直速度情況，圖3a中可以看到在80 kg/Hr的流量下，出料口中左右兩側玻璃液溫度存在明顯的差異，通路來料方向的一側玻璃液溫度較另一側高，這是由于通路來料一側的玻璃液先進入流料磚內，其在垂直方向上流動速度快于另一側（圖3b），同時在水平方向上會產生占位補充，遠離來料一側較少獲得來自上方的玻璃液。隨著出料口耐火材料的熱散失，兩側的玻璃液溫度出現明顯的差異，導致進入漏板的玻璃液溫度不均勻，出現拉絲線密度、張力等指標左右不平衡，出現難以調整的情況。出料口兩側玻璃液溫度在1274～1278 ℃，由于接近此玻璃配方的析晶溫度區間，在出料口保溫及其他措施不利的情況下，出料口兩端將會發生玻璃析晶，影響正常作業。

圖3 平行排布出料口長度方向溫度及垂直速度云圖

圖3c可以看出在流量增加到120 kg/Hr后，盡管流料口左右兩側的玻璃液溫度仍然不均勻，但較80 kg/Hr流量工況下有明顯的改善（圖3a），說明提高流量對進入漏板的玻璃液的溫度均勻性以及改善拉絲作業條件有著積極的作用。由于出料口的橫截面積不變，流量增大后玻璃液的流動速度增加，單位時間內帶入的熱量增多，出料口散熱速率恒定，流槽內的玻璃液易于流動，進入漏板的玻璃液溫度更為均勻。在其他方法改善工況不對稱能力有限的情況下，適當增加拉絲流量不失為一種可行的選擇。

通過后期生產線冷修實際情況可以看出（圖4），平行排布出料口兩側玻璃液均勻性差異較為明顯，同時驗證了數值模擬結果的可靠性。

圖4 平行排布出料口圖

2.2 垂直排布出料口

圖5為垂直排布出料口寬度方向溫度及垂直速度分布情況，5a、5b、5c圖為左、中、右位置的溫度分布截面圖，5d、5e、5f圖為左、中、右位置的垂直速度分布截面圖，可以看出同平行排布相同，垂直排布在沿通路方向上玻璃液溫度和垂直方向速度分布也具有對稱性。由于出料口寬度較小，沿寬度方向的溫度分布和垂直方向的速度分布差異較小。

圖5 垂直排布出料口寬度方向溫度及垂直速度云圖

圖6所示為垂直排布出料口的溫度和垂直速度云圖，出料口寬度與通路寬度相同，a圖、b圖為80 kg/Hr流量設定，c圖、d圖為120 kg/Hr流量設定。圖中顯示垂直排布下的出料口玻璃液溫度由于流料磚、漏板磚等耐火材料熱損失的存在和成形通路中兩側與中間玻璃液溫度的差異，其均勻性同樣具有明顯的差異（圖6a），但由于垂直排布的流料口獲取成形通路中的玻璃液的時間基本相同，玻璃液垂直方向的流動速度差異較小 （圖6b）。

圖6 垂直排布出料口長度方向溫度及垂直速度云圖

增加流量對垂直排布的出料口工況同樣具有改善作用（圖6d），其使進入出料口的玻璃液流速更加均勻，熱交換更加充分。盡管出料口兩側的玻璃液溫度仍然較低，但進入漏板的玻璃液溫度均勻性有較大改善。實際驗證垂直排布出料口玻璃液均勻性與模擬結果吻合（圖7）。

圖7 垂直排布出料口圖

相同長度的成形通路，在拉絲工藝線允許的條件下，垂直排布出料口可以設置更多的工位，增加產能，節約投資。另一方面，由于垂直分布出料口兩側距離成形通路池壁直角較近，部分觀點認為邊部玻璃液質量不高，獲取此處玻璃液對作業穩定性有較大影響。

2.3 出料口形狀

圖8為相同條件的不同出料口形狀溫度及垂直速度云圖，此方案的優勢為盡量減少通路兩側直角低質量玻璃進入出料口，改善作業穩定性，圖8a、圖8b顯示對稱結構的出料口中玻璃液溫度場和流動場均為對稱特征，在出料口末端位置，兩側都因流槽耐火材料熱損失出現溫度降低幅度較大，采用末端擴口圖8c的結構，進入漏板前的玻璃液溫度場和垂直方向的速度更為均勻，并且由于擴口的反傾角，玻璃液對于耐火材料的附著能力減弱，兩側的玻璃液流動性改善。另一方面，由于橫截面積的增大和表面積的增加，使玻璃液流動速度降低，熱損失增加，進入漏板前玻璃液平均溫度較垂直出口低。

圖8 改變出料口形狀溫度及垂直速度云圖

圖3、圖6、圖8均顯示出無論采用平行排布方式還是垂直排布方式，出料口末端兩側都存在因流槽耐火材料熱損失產生的玻璃液溫度較大幅度下降的情況，此區域玻璃液粘度變化較大。由于距離漏板較近，此區域內的玻璃液進入漏板后將對單束玻璃纖維直徑的均勻性有較大影響，甚至嚴重影響作業穩定性和漏板的使用壽命。

2.4 改變溫度與流量比較

玻璃纖維生產線投產后通路的出料口形狀基本確定，改善出料口玻璃液均勻性的主要方式為調整通路溫度、調整漏板流量或兩者相結合。圖9a、圖9b為通路玻璃液溫度升高5 ℃的溫度和垂直速度云圖，圖9c、圖9d為漏板流量由80 kg/Hr提升至120 kg/Hr的出料口玻璃液溫度和垂直方向速度云圖。

圖9 提高溫度和流量的出料口溫度及垂直速度云圖

從圖中可以看出，提高通路溫度和提升漏板流量均對改善出料口玻璃液質量有積極作用。對比圖8d和圖9b可以發現，相同漏板流量下，提高通路溫度對出料口內玻璃液流動特性影響較小，提高通路溫度的主要影響為整體提升出料口內的玻璃液溫度，使其遠離玻璃液的析晶區間。提升漏板流量可以使出料口內的玻璃液流動速度加快，提高玻璃液溫度，改善玻璃液的均勻性，但由于對出料口內的玻璃液溫度提升幅度不大，出料口末端兩側的玻璃液溫差較提升通路溫度大（圖9a、圖9c）。調整通路溫度可與調整漏板流量配合進行，以達到相互協調匹配，但由于生產玻璃纖維品種和其他條件的限制，有時兩種調整手段不能達到預期效果，還需要根據實際情況進行 處理。

2.5 增加導流板

理想的進入漏板的玻璃液質量需要在水平方向各點均勻，在通過調整玻璃液溫度和調整漏板流量改善玻璃液均勻性效果不理想的情況下，通過技術手段改變進入漏板的玻璃液流動分布可以起到較好的效果。

圖10為在出料口增加導流板的玻璃液溫度和垂直速度云圖。實施方式為在漏板濾網中間增加一定面積的盲板區，b圖中顯示相同條件下由于盲區的存在，流槽內兩側玻璃液垂直方向的流速明顯加快，兩側玻璃液物質交換和能量交換效率增加，使兩側與中間的玻璃液溫度差異減小，玻璃液質量均勻性有明顯的改善（圖10a）。調整中將通路溫度、漏板流量和導流板結合使用，可以大幅改善拉絲作業穩定性，提高成絲率、降低單位能耗。

圖10 加導流板出料口溫度及垂直速度云圖

3 結論

（1）通過使用三維數值模擬技術對玻璃纖維成形通路玻璃液出料口進行模擬，對平行排布和垂直排布的出料口玻璃液溫度場和垂直方向流動場進行分析，得出不同排布方式的玻璃液的流動特性，并與實際進行對比驗證，確定分析結果的可靠性。

（2）通過分析發現平行排布沿出料口長度方向玻璃液溫度場和速度場的非對稱特性。

（3）對垂直排布方式的漏板流量、玻璃液溫度和通過增加導流板影響玻璃液流動等方式進行對比，結果顯示上述方式均對進入漏板的玻璃液質量均勻性有積極影響。

通過改變漏板流量、玻璃液溫度和玻璃液流動等特性，對實際生產中改善拉絲作業穩定性、提高成絲率、降低單位能耗有一定指導意義。