新型熔融石英爐生產(chǎn)過程數(shù)值仿真研究

朱經(jīng)緯

（中國電子科技集團(tuán)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(chǎn)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(jìn)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(nèi)熔化過程中整個模型的溫度分布情況進(jìn)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(yàn)證熔融石英爐體模型本身的生產(chǎn)合理性以及保溫層在安全溫度下連續(xù)生產(chǎn)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(jù)圓柱爐體自身的對稱性，選取剖面進(jìn)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(shè)石英原料在外界機(jī)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(shí)際過程中各類材料與熔融石英狀態(tài)后產(chǎn)生的反應(yīng)與損失。

（5）忽略實(shí)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(shè)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(jìn)行輻射換熱，氧化鋯陶瓷材料的熔點(diǎn)高達(dá)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(dǎo)熱率低，并且熱膨脹系數(shù)小，硬度大，不會因?yàn)闇囟润E變而破裂。

圖1 物理模型結(jié)構(gòu)

2 模型網(wǎng)格劃分與參數(shù)設(shè)置

2.1 網(wǎng)格劃分

爐體模型建立后，用FLUENT軟件的功能對其劃分網(wǎng)格。

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

軟件中各個材料參數(shù)如下設(shè)置，高溫耐火磚的屬性參數(shù)：密度取定壓比熱取導(dǎo) 熱系數(shù)取原 料 石 英 下落移動使 用MRF模型，速度為Y軸負(fù)方向，原料石英砂出口面在MRF模型取混合邊界層，Emissivity取0.9。空氣屬 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(rèn)。原料石英砂的屬性參數(shù)：ρ 取 2220kg/m3；cp隨 溫 度273 K- 2300K內(nèi) 的 變化范圍是（） 7 53-1710 J /(k g·K)；λ 隨溫度內(nèi)的變化范圍是(1.51- 4)W /(m ·K )；其余屬性默認(rèn)。石墨屬性參數(shù)：ρ 取 2210kg/m3；cp隨溫度273 K- 2300K內(nèi)的變化范 圍 是 (300-1020)J /(k g·K )；λ 隨 溫 度273 K- 2300K內(nèi)的變化范圍是(800 - 87)W /(m ·K )；其余屬性默認(rèn)。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(rèn)；氮化硼粉末屬性參數(shù)：ρ 取 2000kg/m3；cp隨溫 度273 K- 2300K內(nèi)的 變化范圍 是(898-100)J /(k g·K )；λ 隨 溫 度273 K- 2300K內(nèi)的變化范圍是(41.8 -140)W /(m ·K )；其余屬性默認(rèn)。邊界條件設(shè)置：石墨加熱元作為熱源項(xiàng)在Source Terms里依據(jù)下文設(shè)計(jì)要求賦值，其余材料的外壁面邊界設(shè)為wall，對流傳熱邊界，流換熱系數(shù)設(shè)置為6.5，F(xiàn)ree Stream Temperature設(shè)為室外環(huán)境溫度290K，剖面處的邊界設(shè)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(dāng)爐體下段石墨載體里的石英砂中心溫度達(dá)到1800℃熔融狀態(tài)時(shí)，讓其向下流動，再持續(xù)加熱10h（連云港一天谷電時(shí)間10h，實(shí)際廠房生產(chǎn)電費(fèi)最低）后停止工作。為了防止石墨載體被撐裂，按照設(shè)計(jì)速度讓溫度大于1200℃的熔融石英流出爐體，剩下原料在爐內(nèi)等到第2天同一時(shí)刻加入新料，接著重復(fù)上述操作，模擬整個4天的生產(chǎn)情況。

傳統(tǒng)熔融石英爐從入口到出口依次經(jīng)過三個溫度段：預(yù)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(shè)的加熱階段，為了使加熱段和均熱段的石墨載體內(nèi)的石英砂中心處迅速達(dá)到1800℃的熔融溫度，考慮到最高輸出功率限制，本文設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)計(jì)算

模型爐體總功率已經(jīng)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(dá)到熔融溫度的情況下并且提高速度提高熔融石英產(chǎn)量，根據(jù)下式：

S：出口處截面積，2m；

ρ：石英砂的密度， kg/m3；

ν：生產(chǎn)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(shí)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(chǔ)，逐漸調(diào)整模型的石英生產(chǎn)時(shí)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(dāng)生產(chǎn)速率為0.6mm/s時(shí)，出口處熔融石英達(dá)到了1800℃。所以選取0.6mm/s的石英砂生產(chǎn)速率作為谷電時(shí)段的出料速率進(jìn)行計(jì)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(diǎn)已到達(dá)熔融狀態(tài)溫度。此時(shí)讓石英砂模型以此前計(jì)算出的速率往下移動，爐體在運(yùn)行5h后，熔融石英爐在出口處的石英砂可以達(dá)到熔融狀態(tài)的溫度，鑒于1天工作時(shí)間是連續(xù)10個小時(shí)保持設(shè)計(jì)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(yàn)證其合理性，圖上可以發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)溫度分布隨著時(shí)間推移趨于穩(wěn)定，得出以下結(jié)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(jié)束第24h時(shí)刻，爐內(nèi)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?yàn)榈?天加熱結(jié)束后，爐內(nèi)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(shí)間減少，第2天第34h時(shí)刻爐口石英砂到達(dá)熔融狀態(tài)溫度，第48h后的爐內(nèi)溫度分布與24h爐內(nèi)工況基本一致。觀察第3天49h，58h，72h時(shí)刻處的爐內(nèi)溫度分布，從圖5可以發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)溫度工況與第2天基本相同。觀察第4天73h，82h，96h時(shí)刻處的爐內(nèi)溫度工況，從圖6可以發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)的溫度工況與第2，3天基本相同。得出結(jié)論：本文設(shè)計(jì)的新型熔融石英爐通過加熱—保溫的生產(chǎn)方式，使溫度保持平衡，可以進(jìn)行持續(xù)性的熔融石英生產(chǎn)。

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(biāo)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(nèi)對外界的散熱量，表1是每天最后時(shí)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(shí)間段的散熱量會上升，特別是第一天，一天內(nèi)不工作的其余14小時(shí)內(nèi)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(jié)果看，新型熔融石英爐總能耗為0.868kW·h/kg，現(xiàn)在投產(chǎn)的連云港熔融石英爐中，耗電量為1.786kW·h/kg，節(jié)能達(dá)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