玻璃电熔窑熔化机理研究1

1 复合电场和高温低速玻璃流场

      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。

1.1 复合电场

      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。

1.2 玻璃流场

      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。

     （1）足够高的温度支持完成配合料的化学反应，形成玻璃。

     （2）足够长的时间使化学反应完全，形成合格玻璃。

      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。