輥道窯內(nèi)陶瓷制品燒成過(guò)程動(dòng)態(tài)熱響應(yīng)特性的數(shù)值模擬

張任平，孫 健，汪和平，馮 青

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西省先進(jìn)陶瓷材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

輥道窯內(nèi)陶瓷制品燒成過(guò)程動(dòng)態(tài)熱響應(yīng)特性的數(shù)值模擬

張任平，孫 健，汪和平，馮 青

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西省先進(jìn)陶瓷材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

陶瓷制品在輥道窯的燒成過(guò)程的溫度變化直接影響到出窯的產(chǎn)品質(zhì)量。本文建立了陶瓷制品燒成過(guò)程的流體動(dòng)力學(xué)和傳熱特性的理論模型，基于CFD商用軟件Fluent的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行了數(shù)值求解，得到了陶瓷制品燒成過(guò)程的動(dòng)態(tài)熱響應(yīng)特性。研究表明：陶瓷制品在燒成帶加熱的初期，溫度在不斷升高，制品前部溫度變化快于制品后部的溫度變化。隨著時(shí)間的推移，制品本身的溫度差別越來(lái)越小。燃燒器噴出煙氣的速度越大，制品被加熱的速度越快，制品受熱引起的溫度不均勻性越小。

陶瓷制品；燒成；輥道窯；熱響應(yīng)

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2015.02.012

0　引 言

輥道窯是近幾十年發(fā)展起來(lái)的新型快燒連續(xù)式工業(yè)窯爐，窯斷面一般呈扁平形，燒制建筑陶瓷制品時(shí)一般為單層焙燒，輥上下能同時(shí)加熱制品，煙氣和窯爐內(nèi)壁面與制品的傳熱速度非常快，窯內(nèi)斷面溫度比較均勻，燒成周期相對(duì)較短，比較容易實(shí)現(xiàn)快速燒成。輥道窯普遍采用新型輕質(zhì)耐火材料，同時(shí)取消了窯車和匣體，使得能耗大為降低。輥道窯是當(dāng)前陶瓷工業(yè)中優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗的先進(jìn)窯型，在我國(guó)釉面磚、墻地磚、彩釉磚等建筑陶瓷的工業(yè)生產(chǎn)中已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

在輥道窯廣泛應(yīng)用于陶瓷工業(yè)的同時(shí).相關(guān)的研究也相繼開展起來(lái)，如曾慧等［1］對(duì)陶瓷的最佳燒成曲線進(jìn)行了探討，張任平等［2］對(duì)輥道窯煙氣余熱回收利用的熱管換熱器進(jìn)行了研究，李萍等［3］分析了有關(guān)陶瓷輥道窯熱平衡的測(cè)定方法，文獻(xiàn)［4-9］數(shù)值模擬了輥道窯的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)。從以上對(duì)輥道窯的研究可以看出，幾乎沒(méi)有涉及到陶瓷制品在輥道窯燒成過(guò)程中制品本身的溫度變化過(guò)程的研究。而制品本身的溫度變化會(huì)影響到制品在燒成過(guò)程中是否會(huì)形成許多燒成缺陷（如：制品的局部生燒、過(guò)燒、變形、色差、成品尺寸不一致等）。由此，本文基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的基本理論，建立陶瓷制品在窯爐燒成過(guò)程的動(dòng)態(tài)理論模型，借助CFD商用軟件FLUENT的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行求解，得到了陶瓷制品在燒成過(guò)程的不同時(shí)刻的瞬態(tài)熱響應(yīng)特性。

1　物理模型及網(wǎng)格劃分

1.1物理模型建立

輥道窯各帶的劃分依據(jù)不同的溫度區(qū)間，把室溫-700 ℃這一段稱為預(yù)熱帶，700 ℃-最高溫度這一段稱為燒成帶，急冷溫度-出窯溫度這一段稱為冷卻帶。燒成帶主要完成坯料的燒成過(guò)程，為制品在整個(gè)燒成過(guò)程中溫度最高的一部分，和其它兩帶一樣，對(duì)制品最后的燒成質(zhì)量有著很重要的作用。由于制品的許多重要物化反應(yīng)都在這一溫度段進(jìn)行，所以燒成帶內(nèi)煙氣溫度、壓力等熱工參數(shù)的控制不當(dāng)會(huì)使制品在燒成過(guò)程中形成許多燒成缺陷。鑒于數(shù)值模擬分析的特征，受到計(jì)算機(jī)資源的限制，本文僅選取陶瓷輥道窯燒成帶一段作為研究對(duì)象。

圖1　輥道窯計(jì)算模型圖Fig.1 Computational model diagram of roller hearth kiln

圖2　模型詳細(xì)尺寸圖 （單位： dm）Fig.2 Detailed size diagram of model （unit： dm）

在陶瓷輥道窯燒成帶，窯內(nèi)輥道平面將窯內(nèi)空間分為輥上通道和輥下通道，燒嘴在窯墻兩側(cè)的輥上、輥下交錯(cuò)布置。輥道窯本身非常復(fù)雜，所以在建立模型時(shí)需要進(jìn)行一些簡(jiǎn)化。首先，由于本文模擬陶瓷制品在燒成帶燒成過(guò)程的動(dòng)態(tài)溫度變化過(guò)程，模擬的是一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程，受計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量的限制，無(wú)法通過(guò)建立三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬；其次，建立模型時(shí)認(rèn)為燃燒后的高溫?zé)煔庵苯油ㄟ^(guò)窯墻進(jìn)入到窯爐的內(nèi)部空間，忽略了燃燒過(guò)程模型的計(jì)算；再次，沒(méi)有考慮輥棒在窯爐的吸熱量和輥棒與陶瓷制品之間的熱傳遞。簡(jiǎn)化后的輥道窯的計(jì)算模型如圖1所示，模型的詳細(xì)尺寸如圖2所示。

圖3　基于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)不同時(shí)刻模型計(jì)算網(wǎng)格示意圖Fig.3 Computational grid schematic diagram of different moment based on dynamic mesh technique

1.2網(wǎng)格劃分

通過(guò)Fluent前處理軟件Gambit建立簡(jiǎn)化的物理模型，采用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，也就是進(jìn)行計(jì)算區(qū)域的離散化。劃分網(wǎng)格時(shí)利用Pave方法劃分四邊形/三角形混合網(wǎng)格（Quad/Tri Pave）。初始時(shí)刻（t=0 s）的計(jì)算網(wǎng)格如圖3（a）所示。由于本文是基于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，隨著陶瓷制品在窯爐中的運(yùn)動(dòng)，網(wǎng)格通過(guò)彈簧光順模型、動(dòng)態(tài)分層模型和局部網(wǎng)格重構(gòu)模型進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整重構(gòu)，計(jì)算時(shí)刻為0.85 s、1.7 s、2.55 s和3.45 s的網(wǎng)格分別如圖3（b）、（c）、（d）和（e）所示。

2　數(shù)學(xué)模型

2.1控制方程

對(duì)于邊界移動(dòng)的任意控制體積V上的一般標(biāo)量Φ的守恒型方程可表示為［10］：

式（1）中時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)用一階向后差分公式可得：

式中，上標(biāo)n和n+1代表當(dāng)前和下一個(gè)時(shí)間步。

第（n+1）個(gè)時(shí)間步控制體積Vn+1由下式得到：

式中，nf是控制體積上面的數(shù)目，Aj→是第j面積向量。每個(gè)控制體積的面上的點(diǎn)積可由下式計(jì)算得到：

計(jì)算湍流時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流計(jì)算模型，輻射傳熱選用計(jì)算量小而精度適當(dāng)?shù)腜-1輻射模型。相關(guān)的控制方程可以表示如下：

湍動(dòng)能方程（k方程）：

耗散方程（ε方程）：

P-1模型方程為：

2.2邊界條件

輥道窯的窯墻一般進(jìn)行了保溫隔熱處理，通過(guò)窯墻外表面自然對(duì)流和輻射散失的熱量比較小，可認(rèn)為是絕熱邊界條件；由于本文是首次采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬制品在輥道窯燒成過(guò)程溫度的動(dòng)態(tài)變化，考慮計(jì)算機(jī)資源的限制（瞬態(tài)計(jì)算時(shí)間區(qū)域不能太長(zhǎng)），制品的運(yùn)動(dòng)速度取值為1 m/s，煙氣流動(dòng)速度為2 m/s，溫度為1300 K；輥道窯煙氣流出端為壓力出口邊界條件，設(shè)置回流溫度為1300 K，湍流強(qiáng)度為5%；設(shè)置輻射邊界條件是認(rèn)為煙氣的發(fā)射率為0.19，吸收率為0.2，固體壁面的發(fā)射率為0.9；制品和煙氣接觸界面采用流固耦合邊界條件；陶瓷制品在窯爐中運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，通過(guò)Fluent邊界profile文件進(jìn)行指定。

3　結(jié)果分析與討論

圖4給出了陶瓷制品在窯爐燒成過(guò)程中不同時(shí)刻的溫度分布，如圖所示，在陶瓷制品進(jìn)入輥道窯燒成段起始時(shí)刻，認(rèn)為陶瓷制品的溫度為800 K。隨著陶瓷制品在輥?zhàn)酉蚯斑\(yùn)動(dòng)，制品接收窯墻和煙氣的輻射熱量，同時(shí)還受到煙氣的對(duì)流傳熱，溫度在不斷升高，制品前部溫度升高的速度高于制品后部，但是隨著時(shí)間的推移，制品前后部的溫度差別越來(lái)越小。這主要是在制品加熱的初期，由于煙氣流動(dòng)速度和擾動(dòng)帶來(lái)的不均勻傳熱所致，當(dāng)制品在窯爐燒成段的時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)流傳熱產(chǎn)生的影響越來(lái)越小，同時(shí)燃燒器送出的煙氣產(chǎn)生了一定的擾動(dòng)，使得整個(gè)煙氣溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)都趨于均勻。

圖4　制品燒制過(guò)程中溫度變化（溫度單位：K）Fig.4 Temperature variation of fring process （unit： K）

圖5　燃燒器煙氣噴出速度對(duì)制品動(dòng)態(tài)溫度分布的影響（t=1.5s）（溫度單位：K）Fig.5 The effect of gas velocity on transient temperature （t=1.5s） （unit： K）

圖6　制品燒制過(guò)程中不同時(shí)刻煙氣速度分布（速度單位： m/s）Fig.6 The velocity distribution of fue gas in the process of fring （unit： m/s）

燃料燃燒后產(chǎn)生煙氣的噴出速度對(duì)制品動(dòng)態(tài)溫度分布的影響如圖5所示，從圖中可以看出，在不同的煙氣噴出速度工況下，當(dāng)陶瓷制品在輥道窯中加熱到1.5 s時(shí)，煙氣的噴出速度越大，制品的溫度越高，同時(shí)制品的溫度不均勻性也越小。由此可知，陶瓷制品在輥道窯（尤其是現(xiàn)在重點(diǎn)發(fā)展的寬體窯）的燒成過(guò)程中，需要保證燃燒器燃燒后的煙氣具有一定的噴出速度，這樣有利于制品在燒成過(guò)程的均勻受熱。

圖7 制品燒制過(guò)程中不同時(shí)刻煙氣壓力分布（壓力單位：Pa）Fig.7 The pressure distribution of fue gas in the process of fring （unit： Pa）

圖6給出了制品燒制過(guò)程中制品周圍煙氣速度在不同時(shí)刻的分布，如圖所示，在窯墻壁面處煙氣的速度最小，基本接近與零。制品上下的速度高于制品前后的速度。隨著制品在輥道窯燒成段的運(yùn)動(dòng)，整個(gè)流場(chǎng)的最高速度在逐漸增大，同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)制品運(yùn)動(dòng)到輥道窯出口附近，煙氣產(chǎn)生了一定程度的回流。制品燒制過(guò)程中不同時(shí)刻的壓力分布如圖7所示，由于在模擬過(guò)程中沒(méi)有考慮煙囪的抽力而引起窯內(nèi)壓力的分布及變化，因此從整體趨勢(shì)來(lái)看，制品前部的煙氣壓力較大，制品后部的煙氣壓力較小。同速度的變化正好相反，隨著制品的向前運(yùn)動(dòng)，整個(gè)壓力場(chǎng)的煙氣最高壓力在逐漸減小。

4　結(jié) 論

本文基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的基本理論，建立陶瓷制品在窯爐燒成過(guò)程的動(dòng)態(tài)理論模型，借助CFD軟件FLUENT的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行求解，得到了陶瓷制品在燒成過(guò)程的不同時(shí)刻的瞬態(tài)熱響應(yīng)特性。所得主要結(jié)論如下：

（1）陶瓷制品在輥道窯燒成帶跟隨輥?zhàn)舆\(yùn)動(dòng)的同時(shí)，溫度在不斷升高，制品前部溫度變化快于制品后部的溫度變化。隨著時(shí)間的推移，制品本身的溫度差別越來(lái)越小。燃燒器噴出煙氣的速度越大，制品加熱的速度越快，制品受熱的不均勻性越小。

（2）在窯墻壁面處煙氣的速度最小，基本接近與零。制品上下的速度高于制品前后的速度。隨著制品在輥道窯燒成段的運(yùn)動(dòng)，整個(gè)流場(chǎng)的最高速度在逐漸增大，同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)制品運(yùn)動(dòng)到輥道窯出口附近，煙氣產(chǎn)生了一定程度的回流。

（3）從整體趨勢(shì)來(lái)看，制品前部的煙氣壓力較大，制品后部的煙氣壓力較小。同速度的變化正好相反，隨著制品的向前運(yùn)動(dòng)，整個(gè)壓力場(chǎng)的煙氣最高壓力在逐漸減小。

［1］ 曾慧， 吳建青， 尹虹， 曾令可， 等. 輥道窯最佳燒成曲線的研究與探討［J］. 中國(guó)陶瓷工業(yè)， 1997， 4： 14-16.

ZENG Hui， et al. China Ceramic Industry， 1997， 4： 14-16.

［2］ 張任平， 孫健， 汪和平， 等.結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)陶瓷窯爐余熱回收用熱管換熱器性能的影響［J］.陶瓷學(xué)報(bào)，2014，35（6）： 672-677.

ZHANG Renping， et al. Journal of Ceramics， 2014，35（6）： 672-677.

［3］ 李萍， 曾令可， 閻常峰， 等. 陶瓷輥道窯熱平衡測(cè)定與計(jì)算方法的若干問(wèn)題探討［J］. 陶瓷， 2012， （1）： 31-33.

LI Ping， et al. Ceramics， 2012，（1）：31-33.

［4］ 林依翰， 胡國(guó)林， 徐金文， 等. 輥道窯窯內(nèi)空間傳熱過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬［J］. 陶瓷學(xué)報(bào)， 2012， 33（1）： 85-89.

LIN Yihan， et al. Journal of ceramics， 2012， 33（1）： 85-89.

［5］ 潘小勇， 宮小龍， 馮青， 等. 基于輥道窯富氧燃燒計(jì)算與分析［J］. 陶瓷學(xué)報(bào)， 2010， 31（4）： 627-631.

PAN Xiaoyong， et al. Journal of ceramics， 2010，31（4）：627-631.

［6］ 涂福炳， 武薈芬， 張嶺，等. 徑向熱管換熱器殼程數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2012， 43（5）：1975-1983.

TU Fubing， et al. Journal of Central South University，2012，43（5）： 1975-1983.

［7］ 黎水平， 吳武輝. 基于數(shù)值方法的陶瓷輥道窯溫度場(chǎng)模擬研究［J］. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2008， 30（9）： 101-103， 142.LI Shuiping， et al. Journal of Wuhan University of Technology，2008，30（9）：101-103，142.

［8］ 何峰， 郭建東， 金明芳， 等. 輥道窯富氧燃燒的數(shù)值模擬研究［J］. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2014， 36（2）： 26-31.

HE Feng， et al. Journal of Wuhan University of Technology，2014，36（2）：26-31.

［9］ 程婧， 馮青， 黃啟鋒， 等. 超寬體輥道窯燒成帶平頂與半圓拱頂結(jié)構(gòu)分析［J］. 中國(guó)陶瓷， 2013， （6）： 40-43. CHENG Jing， et al. China Ceramics， 2013， 6： 40-43.

［10］ 隋洪濤， 李鵬飛， 馬世虎， 等. 精通CFD動(dòng)網(wǎng)格工程仿真與案例實(shí)戰(zhàn)［M］. 北京： 人民郵電出版社， 2013.

Numerical Simulation of Dynamic Thermal Response of Firing Process of Ceramic Ware in Roller Hearth Kiln

ZHANG Renping， SUN Jian， WANG Heping， FENG Qing
（Key Laboratory of Advanced Ceramics of Jiangxi Province， School of Materials Science and Engineering， Jingdezhen Ceramic Institute， Jingdezhen 333001， Jiangxi， China）

The temperature variation of ceramic firing process in roller hearth kiln has an important influence on product quality. The theoretical model is developed for predicting the fuid dynamics and heat transfer characteristics of ceramic fring process in the roller kiln， the software to be called Fluent of CFD is used to solve the control equations numerically based on dynamic mesh technique， dynamic thermal response of ceramic ware is obtained in the process of fring. It is indicated that temperature of ceramic ware rises gradually in the initial heating period of fring zone， the front temperature of ceramic ware is faster than the rear temperature. Temperature difference of ceramic ware becomes smaller and smaller as time goes by. The temperature of ceramic ware shows more quick variation with an increase of the velocity of fue gas that is sprayed from the burner， temperature nonuniformity during heating is unconspicuous.

ceramic ware， fring， roller kiln， thermal response

date: 2014-11-18. Revised date: 2014-12-07.

TQ174.6

A

1000-2278（2015）02-0172-06

2014-11-18。

2014-12-07。

江西省對(duì)外合作項(xiàng)目（編號(hào)：2014BDH80024）。

通信聯(lián)系人：張任平（1979-），男，博士，講師。

Correspondent author:ZHANG Renping（1979-）， male， Doc.， Lecturer.

E-mail:rpzhang@126.com