平板玻璃大型熔窑碹顶结构受力仿真分析.pdf

研究与综述平板玻璃大型熔窑喧顶结构受力仿真分析赵智均12高博文宋清超12张志勇12刘世民13许世清13（1.沙河市安全实业有限公司创新研发中心沙河0 5 410 0;2.望美实业集团有限公司沙河0 5 410 0；3.燕山大学秦皇岛0 6 6 0 0 4）摘要利用仿真分析方法对大型玻璃熔窑殖顶结构进行模拟，探究顶结构的受力稳定性，并对不同尺寸的顶在冷态和热态工作环境下的变形和应力进行分析。结果表明，不同跨度的总变形量随跨度的增加最大变形量数值逐渐增大，而且中部变形量大的区域向两侧逐渐增加；碴顶最大应力值位置主要集中在喧顶中部碴厚的2/3和喧角位置，角位置应力集中情况严重，要合理选择殖角耐火材料；大跨度熔窑碴顶会因顶角部耐火材料性能和拉条拉力不足等情况出现风险，在合理的结构设计下对施工、硅砖质量以及熔化的燃烧制度等提出更高要求。关键词玻璃熔窑；顶；硅砖；仿真分析中图分类号：TQ171文献标识码：A文章编号：10 0 3-19 8 7（2 0 2 4）0 3-0 0 0 1-0 7Formation Mechanism Analysis of Siliceous Defects in Flat GlassZHAO Zhjun,GAO Bowen,SONG Qingchao,ZHANG Zhiyong,LIU Shimin,XU Shiqing1,3(1.Shahe Safety Industrial Co.,LTD.Innovation Research and Development Center,Shahe 054100,China;2.Wangmei Industrial Group Co.,LTD.,Shahe 054100,China;3.Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China)Abstract:The arch roof structure of large glass melting kiln was simulated by the method of simulationanalysis,the stress stability of arch roof structure was investigated,and the deformation and stress of archroof of different sizes were analyzed under cold and hot working conditions.The results show that the totaldeformation of different spans increases gradually with the increase of span width,and the region withlarge deformation in the middle increases gradually to both sides.The maximum stress value of crown ismainly concentrated in the middle part of crown and the corner position.The stress concentration of crowncorner position is serious.The arch top of the long-span melting kiln will be at risk due to the lack ofrefractory material properties at the corner of the arch top and the tension of the drawing rod.Underreasonable structural design,higher requirements are put forward for construction,silicon brick quality andmelting combustion system.Key Words:glass furnace,crown arch,siliceous brick,simulation analysis力决定玻璃生产线的产能，玻璃熔窑的吨位受熔化0引言面积和熔化率控制。熔化率反映了熔窑熔化能力的随着平板玻璃行业节能减排的要求越来越高，浮法玻璃生产技术水平也在不断提升，很多企业在技术改造中，通过改建大型熔窑生产线来降低能耗的同时提高产量，以追求更高的经济效益。浮法玻璃熔窑一般为横火焰池窑，熔化部分因熔化能大小，玻璃窑炉设计过程中先选定好熔化率，可进行窑池的结构设计。在熔窑设计过程中，推导计算熔化部尺寸与熔化率的关系有一定的“经验公式”【1可以使用，根据公式可计算出最高10 0 0td典型浮法玻璃熔窑熔化部的主要数据，但更大1全国性建材科技期刊一一玻璃吨位下的窑池宽数据是否可靠，需要进一步进行科学探讨。大吨位玻璃熔窑所需的窑池宽度越大，相应的大喧跨度也会增加，为保证熔化部温度、气氛等稳定，大跨度大的中心角也偏大，其弧弯曲度会较大形成更高喧顶的问题，增加大喧的跨度还会导致大喧的自重增加，加大碴砖之间的应力不均问题，而且对喧碴和胸墙的压力也会增大，会影响到整个熔窑的窑龄。熔化部大的使用从理论计算和结构设计上有很多可供参考的力学体系和工艺参数，但在实际砌筑过程中还需要安装施工人员保证预组装、组装胎的可靠性和稳定性。本文就利用工程仿真技术对平板玻璃大型熔窑顶结构的受力情况进行仿真分析，评估顶在大跨度下应力、变形方面的情况，为后续大吨位玻璃熔窑的设计提供2024年第3期月总第39 0 期参考。1模型建立与仿真模拟分析1.1熔化部殖顶模型浮法玻璃熔窑大碴结构由喧顶、保温层以及力传导的钢结构、拉条、胸墙等组成，熔化部喧顶模型见图1。喧顶的作用是与胸墙、前脸墙组成火焰空间，还可以吸收燃料燃烧时释放的热量，再辐射到玻璃液面上，熔化部的碴顶是由楔形优质硅砖采用错缝砖砌的方式排列组合，砖缝按照砌筑砂浆的标准进行确定。大碴的长度方向需要进行分节，一般至少为三节以上【2】。砌筑时间预留10 0 12 0 mm的膨胀缝，前后山墙处的顶膨胀缝可以多预留一些。拉条顶保温层钢结构胸墙挂钩砖图1熔化部顶模型示意图顶所使用的硅砖主要由鳞石英、方石英、少量残余石英和玻璃相组成，优质硅砖的SiO,含量在9 6%以上，真密度为2.35 2.38 g/cm，在高温环境下也能保持较高的强度，在烤窑阶段会有1.5%2.2%的体积膨胀，可将硅砖之间的缝隙密合。硅砖的荷重软化开始温度为16 8 0，正常窑内使用不会出现问题【3。硅砖属于酸性材料，在加料过程中，碱性粉料或碱气体及其挥发物在高温状态下会对酸性的硅砖进行侵蚀。这个过程中粉料在耐火材料表面冷凝形成熔体，熔体在硅砖表面砖缝、气孔处积聚，降低砖的表面熔点，从而与砖内组分发生反应形成新的玻璃相。在温度波动过大时喧顶内侧玻璃相会剥落，导致喧顶变薄变轻结构强度降低，发生破顶塌陷或者断砖而2影响生产。1.2熔化部顶受力特点熔化部顶在理想工作状态时的受力情况如图2 所示。FFA2QVGS图2 喧顶受力情况示意图B2R研究与综述图2 中碴顶受到自身重力G，两侧碴对称，括3个过程：前处理，创建几何模型并划分网受到与半径R垂直的斜向支撑力F和FB，F和格；加载和求解，施加材料载荷、边界条件并求F分别可分解为垂直向上的托力FA2、F,和水平推解计算；后处理，基本数据和导出数据【6 。力FA1、FB1，为保证平衡，喧重力G与FA,和F,相本文在模型建立过程中进行了一定的简化假定，整体式3D几何模型如图3所示，假定砂浆弥抵，方向相反；FAr=FB1，方向相对，与拉条张力散于整个硅砖单元中，将碴顶简化为各项同性的相关，进而平衡掉两侧碴的水平推力。单独的均匀整体，整体式模型的各种应力状态体现在结每块砖均受到三个外力的作用并相互平衡，将独构主轴上，图4为几何模型自动网格划分示意立硅砖的合力作用点相连，连线是作用在硅砖排图。为比较大型熔窑碴顶结构差异化，建立了中放布置方向的多段折线，折线相连为一条近似圆心角6 0、厚5 0 0 mm、跨度14、15 和16 m的三弧线。喧顶上的每一列硅砖受的合力作用点都落个尺寸的局部顶模型并分别进行计算。在这条近似圆弧线上，这条近似圆弧线可以称为顶的“窑推力作用线”【4。O推力作用线合力作用在喧弧中心线的1/3喧厚范围内最为合理和安全，这样才不会对喧顶产生过大的压应力，减少出现喧顶硅砖破碎等问题。冷态时喧顶通过图纸设计和合理的施工布置，可以保证顶内部推力作用线的稳定；热态时硅砖会出现受热膨胀挤压砖缝间砂浆，使得顶硅砖相互契合提高整体气密性和结构完整性。因为硅砖的温差膨胀原因喧弧会发生变化，出现整体推力作用线上移现象。这种状态下需要靠拉条张紧装置控制拉条的松紧度，拉条在受热过程中出现一定的松弛，需要松开一定量减少拉条的张力，平衡因硅砖受热膨胀而出现的力。1.3仿真模拟分析ANSYSWorkbench数值模拟分析软件可用来模拟复杂的多物理场环境的实际工程问题，它引人项目流程图通过各分析系统间的连接，将分析过程结合在一起。分析系统一般需要简化假定或真实的物理模型，将模型网格化分为有限元网格模型，再通过施加载荷和边界条件后，运行求解得到分析结果。软件具有强大的结构、流体、热、电磁及其相互耦合等分析功能，可以实现结构静力分析、结构动力学分析、结构热分析和流体动力学等分析技术 5 碴顶模拟计算利用ANSYSWorkbench软件包0.0001.250图3几何模型图0.0002.5001.2503.750图4几何模型自动网格划分示意图加载和求解部分先确定喧顶硅砖参数，如弹性模量、泊松比、密度、膨胀系数和比热等材料特性再进行计算。对喧顶力的加载按照1.2 中提到的喧顶斜向支撑力F和F的分力方向进行施加。温度通过以施工时的冷态温度和工作热态温度两种状态进行控制。后处理部分对不同尺寸的喧顶结构进行总变形和等效应力的数据采集和导出，进而讨论分析。2结果与讨论2.1殖顶总变形分析2.1.1冷态殖顶总变形情况分析图5 中（a）（c）是冷态2 2 时跨度分别为14、15 和16 m的喧顶总变形变化情况云图。32.5003.7505.000(m)5.000(m)ZXZ全国性建材科技期刊一一玻璃2024年第3期月总第39 0 期A：静态结构总变形类型：总变形单位：m时间：1s(a)跨度14m(b)跨度15 m(c)跨度16 mY0.0003.0001.5004.500图5 冷态时不同跨度顶总变形图云图显示变形量从中部向两侧对称性的逐渐变形量区域，可以找出不同跨度此区域的节点数减少，最大的变形情况出现在喧顶的中间位置，量分别为2 10 41、5 332 7 和6 7 32 1。随跨度的增大最大变形量数值分别为1.8 7 2 1em、3.7 6 7 7 e m、变形量区域逐渐增加，变形量区域占整体结构区5.925em，跨度增加最大变形量数值也逐渐增域比例分别为2 3.2%、5 5.1%和6 5.4%，最大变形大，说明跨度的增加导致喧顶更容易出现因自重量随跨度的增大会增加约2.0 2 em，增大顶结加大而产生变形的情况。最小变形量出现在碴碴构变形的风险。支撑的位置，主要是平衡水平推力和自重较为稳2.1.2热态顶总变形情况分析定，所以变形量小。图6 中（a）（c）是热态16 0 0 时跨度分别按照最大变形量到1.6 5 em变形量区间划定6.000(m)为14、15 和16 m的喧顶总变形变化情况云图。ZA：静态结构总变形类型：总变形单位：m时间：1s0.542840.60.482310.42290.366720.305170.187640.244370.125640.061027(a)跨度14m(b)跨度15 m(c)跨度16 mZ0.0001.500图6 热态时不同跨度顶总变形图云图显示变形量与冷态喧顶变形量分布趋势拟玻璃熔窑内高温条件下，最大变形量较冷态提相同，均是从中部向两侧对称性的逐渐减少，最高了5 个数量级，喧顶受热膨胀从而形成了更大大的变形情况出现在喧顶的中间位置，随着跨度程度的变形，这与实际温度情况时喧顶中部的锁的增加最大变形量数值逐渐增大，最小变形量还砖位置有较大抬升的情况相符。按照最大变形量是出现在碴碴支撑的位置。但与冷态对比，在模到0.46 m变形量区间划定变形量区域，可以找出43.0004.5006.000(m)研究与综述不同跨度此区域节点数量分别为2 10 0 1、2 8 5 6 3从而危害到整体喧顶的寿命。和35 2 19，此区域占整体结构区域比例分别为2.2殖顶等效应力分析23.2%、2 9.5%和34.2%，最大变形量随跨度的增2.2.1冷态殖顶等效应力情况分析大会增加约0.0 37 m，喧顶会出现更大面积的内部图7 中（a）（c）是冷态2 2 时跨度分别为硅砖相互挤压问题，硅砖更易出现裂纹或破碎，14、15 和16 m的喧顶等效应力变化情况云图。A：静态结构等效应力类型：等效（Von-Mises）应力单位：Pa时间：183.165e3.5e2.495e2.83e2.16e8251.155e1.49元150008200048500(a)跨度14m(b)跨度15 m(c)跨度16 mX0.0001.500图7 冷态时不同跨度顶等效应力图云图显示整个碴顶结构积聚的应力主要为正值的压应力，较小的压应力主要集中在厚的中部下表面及其两侧上表面；较大的压应力主要集中在喧顶中部喧厚的2/3和碴角位置。随着跨度的增加，最大应力值和最小应力值都逐渐增大，说明自重增加时，拉条的水平推力平衡分力作用减弱，使得压应力集中位置下移至角位置图8 显示的是冷态喧顶底部等效应力局部分布情况云图。0.5000(m)图8 冷态顶底部等效应力局部放大图3.0004.500的底部以及下表面，喧角位置的最大应力值随跨度增加分别为1.38 2 7 ePa、2.38 37 e Pa 和3.319 1e?Pa，本研究模型建立角砖使用锆英石砖，为中性耐火砖，常温耐压强度可达到10 0 MPa。碴顶顶部的应力值分布随跨度增加分别为7 1332 Pa、1.2 8 9 3ePa和1.8 6 38 ePa，此位置的优质硅砖常温耐压强度为3440 MPa，综合数据可以看出喧顶用砖可以满足条件。下表面压应力的集中会导致硅砖之间挤压程度变大，在升温过程会出现倒“V”字形裂缝。通过对比不同顶的应力变化情况，可以发现随跨度的增加，下表面压应力集中区域向喧顶两侧的底部靠近，出现中部支撑力减少，底部应力过于集中现象。在这种现象下出现裂缝的位置也会逐渐集中在喧顶两侧的底部，如果施工过程控制不当，以及碴顶跨度增加自重变大等问题，顶的稳定性就会受到影响，从而出现垮塌的危险。2.2.2热态顶等效应力情况分析YZX6.000(m)图中显示出顶的应力集中在位于碴顶两侧图9 中（a）（c）是热态16 0 0 时跨度分别为14、15 和16 m的喧顶等效应力变化情况云图。5全国性建材科技期刊一一玻璃2024年第3期总第39 0 期A：静态结构等效应力类型：等效（Von-Miscs）应力单位：Pa时间：1s7.5c6.28985.0797e3.8695起1.4492065941.1595e5.7996c8.6972g2.902104.5c(a)跨度14m(b)跨度15 m(c)跨度16 mY0.0003.0001.5004.500图9 热态时不同跨度顶等效应力图云图显示整个碴顶结构积聚的应力主要为正值的压应力，较小的压应力主要集中在喧厚的中间位置；较大的压应力主要集中在喧角两侧底部。在工作温度下喧顶硅砖受热膨胀，使硅砖之间的砌筑更加紧密，整体应力值分布也变得均匀。喧顶的应力集中在位于顶两侧的底部，对角砖及立柱的推力方向呈倾斜向下，此时喧角顶铁与碴角砖的接触面是斜面向上形状。集中在厚中部的应力值随跨度增加分别为4.5 9 9 9 ePa、8.7 0 9 9 e Pa 和1.2 7 37 ePa，仍然在硅砖的应力范围（34MPa）内。图10 显示的是热态顶底部等效应力局部分布情况云图。0.5000(m)图10 热态殖顶底部等效应力局部放大图66.000(m)为研究极端情况，温度设置接近硅砖的荷重软化温度16 8 0，发现喧角底部的应力值在5.30ePa以上，超过底部碴角的锆英石砖耐压强度，就会出现碴角砖的碎裂失效，导致喧顶塌，但浮法玻璃熔窑内部温度通常不会达到这个温度，但极端实验也得出要注意喧顶两侧底部的耐火材料选用，而且烤窑过程中的升温也需要对拉条进行放松操作，减少喧角顶铁和碴角砖契合位置发生较大移动导致应力过于集中的问题。随着跨度的增加中部的下表面应力集中面积逐渐增大，而且中部位置受到窑内温度和碱性粉料的侵蚀可能性也更大，更易出现损坏。2.3碴顶极端情况分析为研究顶因为受力的不平衡而出现塌的问题，设置跨度14m和16 m喧顶底部拉条力减少，碴顶中部因自重向下塌的模型，并进行对比分析讨论。图11和图12 是冷态2 2 时跨度分别为14m和16m的碴顶总变形和等效应力变化情况对比云图，拉条的水平推力减少8 0%时，喧顶出现塌的位置分别从总变形2.2 1em和3.6 0 em位置开始，此位置的等效应力值分别为16 8 7 2 Pa和2 2 7 49Pa，出现塌的范围为整个顶结构的9 0.3%和95.5%。在拉条松开水平推力同时减少的情况下，跨度增加2 m时，塌程度增加了5%左右，Z研究与综述说明在喧顶砌筑过程中拉条的张紧控制要随跨度塌问题。的增加而增大，而且拉条力不足时会出现喧顶A：静态结构总变形类型：总变形单位：m时间：16.8-6.12e65.44e-4.76e3.404.081.360(a)跨度14m(b)跨度16 mX0.0001.500图11冷态时跨度14m与跨度16 m殖顶总变形图A：静态结构等效应力类型：等效（Von-Mises）应力单位：Pa时间：1520260228401510017680125203结语（1）总变形结果显示，喧顶变形量从中部向两侧对称性的逐渐减少。对比冷态2 2 与热态1600的总变形量，热态碴顶受热膨胀形成了更大程度的变形，冷态时跨度每增加1m最大变形量增加约2.0 2 em，热态时增加约0.37 m。（2）喧顶内部应力结果显示，最大应力值位置主要集中在顶中部喧厚的2/3和两侧底部位置，随着跨度的增加，最大应力值增加。在熔窑设计过程要注意喧顶两侧底部耐火材料的选用，而且烤窑过程中的升温也需要对拉条进行放松操作，减少碴角顶铁和角砖契合位置发生较大移动应力过于集中的问题。（3）在双碳目标的政策下，大跨度的浮法玻璃熔窑生产线要考虑熔化面积和成本的投人，3.0004.5000.0003.0001.5004.500图12 冷态时跨度14m与跨度16 m殖顶等效应力图实际结构设计时喧厚和喧顶中心角都应该与跨度相匹配，在合理的结构设计下对施工、硅砖质量以及熔化的燃烧制度等提出更高要求。参考文献1 唐福恒，赵世博，盛立军.浮法玻璃熔窑熔化部计算公式的探讨 .玻璃,2 0 0 6（0 4）:7-11.【2 陈国平，毕洁等.玻璃工业热工设备 M.北京：化学工业出版社,2 0 0 6.3沃尔夫冈特里尔.玻璃熔窑一构造与运行特性 M.沈慕江，王中俭，吴辉金，译.上海：全国玻璃瓷工业科技情报站,19 8 9.【4唐福恒.窑结构的推力作用线 J.玻璃，2 0 16,43（0 2）：25-31.5】刘成柱ANSYSWorkbench17.0热力学分析实例演练 M.北京：机械工业出版社，2 0 17.6 王冬雪.基于ANSYS的热分析与耦合过程 J.机械工程师,2016（8):5 9-6 0.76.000(m)6.000(m)(a)跨度14m(b)跨度16 mX