玻璃电熔炉熔化机理研究3

3 控制理论

       电熔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。

3.1 物理场

三种主要物理场：

（1）由电极导入熔窑场的电场。

（2）熔化玻璃的热力场。

（3）由加料口进入熔窑的配合料的正在熔化物料和熔化玻璃混合物场。

影响熔炉的边界条件：

（1）上部空间燃烧气体形成的热气流场。

（2）窑炉周边炉渣和底部结构的温度场。

窑炉热熔化玻璃的流动：

（1）由于出料口流量产生的玻璃流动。

（2）熔窑内由于电/热耦合造成的玻璃流动。

3.2 三种物理场的耦合关系

（1）玻璃和电极的耦合电场

      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大，随距离的加大而减弱。所有这些变化都是非线性的。

（2）熔化玻璃热力场

       熔炉内玻璃的温度不同，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性。

（3）熔化的玻璃和未熔化的固体配合料混合物电场

       在加料口，由于配合料加入，造成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

     全电窑炉的正常优化的功率分布取决于3个条件：

    1）配合料可以在足够高的温度下完成充分化学反应形成合格玻璃。

    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，缩短熔炉点火时间和运行调节时间。

       因此，在熔炉设计时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，整个熔炉的电场和热力场、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，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。