卡脖与冷却部液流结构形态的分析(一)
作者：雷 强
分析了卡脖、冷却部液流的基本形态与速度矢量分布，讨论了影响液流结构的因素。
引言
正确认识熔窑内液流的结构形态及其变化规律，有助于我们改善生产条件，提高作业水平，节能降耗，提高玻璃质量。
卡脖、冷却部作为熔窑的重要组成部分，研究其内部液流特性，可以更好地了解其作业形态，改善其使用效果。
1 卡脖的液流结构
卡脖作为连接熔化部(澄清部)与冷却部的通道，其液流结构变化必然受前者的影响，并影响到后者。由于其自身结构的特性和一些重要辅助生产设备的使用，使得该部位的液流结构会发生重大变化，并根本性地影响到前、后两者。
1.1 卡脖液流结构的基本形态
卡脖的液流结构和速度矢量分布见图1。
由图1可见：(1)在未增加任何辅助设施时，卡脖液流主要由前行流和回流(合称直流)及其共同作用区组成。共同作用区与边部吸附层及角部不动层，将液流分为上部前行流区域和下部回流区域，前行流与回流互为逆向行进。
(2)由于卡脖的缩流作用，卡脖段的直流速度和前行流层厚度，分别高于各自在熔化部和冷却部区段的值。这样，由玻璃液横向温差造成的横流(实际上是与直流共同作用成为斜流)，由于流速较低，在较窄的卡脖内会变得不很明显。因而其与直流共同作用形成回旋流的机会，在卡脖较短且直流相对流动强度大的情况下，几乎不存在。同样的原因还造成共同作用区比熔化部、冷却部要低而薄一些。
(3)前行流的流速分布从中部到边部、由表面到深层递减；回流层流速则由于受边界因素的影响，由中部向四周递减。共同作用区处于紊流状态，根据连续性原则，可将其整体速度视为零，边、角部不动层不参与宏观流动，速度也视为零。
1.2 卡脖增加大水管或浅层水包
卡脖增加大水管或浅层水包的液流结构及速度变化见图2。
卡脖大水管或浅层水包一般是从卡脖胸墙的一侧穿到另一侧，由此造成的横向温差的加强作用，如果不仔细比较的话，对玻璃液宏观质量的影响是不易察觉的。穿上水管或水包后，在液流纵剖面上可以看出其结构受到了一定的影响。即由于水管或水包及其吸附层的作用，使得液流形态在该处发生了变化。主要表现为：
(1)前行流由表面流改为在水管或水包下“绕行”，浅层进入。
(2)共同作用区在该部位下移并变薄。
(3)下层回流也受到一定的影响。
1.3 卡脖穿深层水包的情况
卡脖穿深层水包的液流结构及流速变化见图3。
由图3可见，随卡脖穿水包深度的增加，对液流结构的影响发生了由量变到质变的过程。
(1)由于水包深度的增加，迫使前行流由浅层进入改为深层进入，直流空间大大减小。
(2)因直流层空间变小，为满足冷却部玻璃液补偿量的要求，使得直流流动的强度相对增大，流速进一步加快。
(3)前行流与回流在有限的高度内高速逆向行进，使得共同作用区变薄直至被割断，水包下方出现棒状共同作用区的可能性增大。
(4)在水包之后，温度较高的前行液流使得冷却部上层回流遇热被带回冷却部，成为前行流的一部分；在水包之前，温度较低的冷却部回流使得前行流中的下层遇冷受阻被带回澄清部，成为回流的一部分。
(5)随着水包深度的增加，水包前后出现小环流的可能性增大。
上述液流结构发生的最重要的变化是液流量的变化。其中冷却部回流(温度低)量的减少和前行流(温度高)回流量的增加，直接导致澄清部玻璃液温度的升高。这一点可从实践中澄清部池底温度的升高得到验证。这样深层水包体现出的直接作用之一，就是隔断回流的作用。另外就是降温的作用，在拉引量一定的情况下，冷却部、流道会因增加深层水包而使整体温度有所下降。
理论上讲，一定深度的水包是可以完全隔断冷却部回流的，此时熔化部和冷却部形成各自的环流。只是由于液位差的作用，前行流由水包下进入卡脖后部和冷却部，此时水包下部就类似于连通器之间的接口。这一点对于熔窑能耗的降低意义重大，即避免了大量的玻璃液在数百度的温度范围内循环加热所造成的能源浪费。实践表明，水包深度在100 mm左右时，隔断回流的作用并不明显；但当水包深度增加到250 mm时，效果就会明显起来。实际生产中，在燃烧条件、配合料成分、生熟料比基本不变的情况下，可使油耗明显降低。目前，400 mm以上的水包已在国内一些厂家使用，效果较好。
1.4 搅拌的作用
搅拌可使流层来源不同及存在温度、粘度差异的玻璃液，以较为均匀的形式进行重新分配后，进入冷却部。
实际情况表明，搅拌对玻璃液的均化作用是较为明显的。一般情况下，入射角会有不同程度的提高。但由于它是将局部玻璃液搅匀、再分配的过程，所以，只能对冷却部原有液流结构产生一定的影响，对整体液流的情况影响不大。并且从实际效果来看，不同类型的搅拌，其情况也是大同小异的。
需要说明的是，如果搅拌是同向旋转，则会在冷却部两侧造成一定的不平衡。生产中经常遇到的板面两侧质量差异，或是液流受到影响发生变化时，板面单侧常出现较多光畸点或间断性小夹杂物带等现象，均与搅拌的同向转动有一定的关系。
(待续)
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