JP4548040B2 - Furnace material erosion amount calculation method and furnace material erosion amount calculation program - Google Patents

Furnace material erosion amount calculation method and furnace material erosion amount calculation program Download PDF

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本発明は、溶融ガラスによるガラス溶融炉の炉材の侵食量を数学シミュレーションにより算出する炉材侵食量算出方法に関する。   The present invention relates to a furnace material erosion amount calculation method for calculating an erosion amount of a furnace material of a glass melting furnace by molten glass by a mathematical simulation.

ガラスを溶融するために用いられるガラス溶融炉は一般にレンガ等の炉材で形成されている。この炉材は、ガラスを溶融していくにしたがって侵食される。ガラス溶融炉をどのくらいの期間稼動させると、炉材がどのくらい侵食されるのかを知ることは、ガラス溶融炉の設計やガラスの品質管理において重要なことである。   A glass melting furnace used for melting glass is generally formed of a furnace material such as brick. This furnace material is eroded as the glass is melted. Knowing how long the glass melting furnace is operated and how much the furnace material is eroded is important in designing the glass melting furnace and controlling the quality of the glass.

従来、炉材侵食量を求めるために、容器内に溶融ガラスを入れて、その溶融ガラスに炉材を浸し、所定時間毎にその炉材を取り出して炉材侵食量を物差し等で測るといったことが行われている(例えば、非特許文献1参照)。   Conventionally, in order to obtain the amount of erosion of the furnace material, molten glass is put in a container, the furnace material is immersed in the molten glass, the furnace material is taken out every predetermined time, and the amount of erosion of the furnace material is measured with a ruler or the like. (For example, refer nonpatent literature 1).

E.A Thomas,”33rdAnnual Conference on Glass Problems”,1972年E.A Thomas, “33rdAnnual Conference on Glass Problems”, 1972

上記従来の炉材侵食量を求める方法によれば、炉材侵食量を定量的に求めることはできるが、その作業に時間がかかってしまう。又、従来の方法では、ガラス溶融炉の寿命に近い長期的(例えば10年)な炉材侵食量を定量的に求めることはできない。そこで、炉材侵食量を特別な道具を用いることなく求めることが必要とされていた。   According to the conventional method for determining the amount of erosion of the furnace material, the amount of erosion of the furnace material can be quantitatively determined, but the work takes time. Further, the conventional method cannot quantitatively determine the furnace material erosion amount in the long term (for example, 10 years) near the life of the glass melting furnace. Therefore, it was necessary to determine the amount of furnace material erosion without using a special tool.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、溶融ガラスによるガラス溶融炉の炉材の侵食量を数学シミュレーションにより算出することが可能な炉材侵食量算出方法及び炉材侵食量算出プログラムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and a furnace material erosion amount calculation method and a furnace material erosion amount calculation program capable of calculating the erosion amount of a glass melting furnace by molten glass by mathematical simulation. The purpose is to provide.

本発明の炉材侵食量算出方法は、溶融ガラスによるガラス溶融炉の炉材の侵食量を数学シミュレーションにより算出する炉材侵食量算出方法であって、前記ガラス溶融炉のモデルにおける前記溶融ガラス及び前記炉材の厚みを示す構造データ、前記炉材と前記溶融ガラスの表面とが接触する部分の真上の位置での炉材表面部分の温度や前記炉材の冷却条件を示す前記ガラス溶融炉の操業データ、並びに、前記溶融ガラス及び前記炉材の物性データを入力する入力ステップと、前記構造データ、前記操業データ、及び前記物性データを基に、非定常熱伝導方程式を利用して、前記炉材が侵食されないと仮定した状況下で時間経過に伴う前記境界温度の温度変化を求め、前記温度変化を加算して前記境界温度を更新する処理を繰り返し、前記温度変化が所定値未満に低下したときの定常状態の前記境界温度(以下、定常境界温度という)を算出する境界温度算出ステップと、予め実験的に求めた炉材侵食速度データを用いて炉材の物質移動流束を温度の関数として求め、前記温度に前記定常境界温度を代入して、所定時間後の前記炉材の侵食量を求める炉材侵食量算出ステップとを含む。
The furnace material erosion amount calculation method of the present invention is a furnace material erosion amount calculation method for calculating the erosion amount of a glass melting furnace furnace material by molten glass by mathematical simulation, wherein the molten glass in the glass melting furnace model and The glass melting furnace showing the structural data indicating the thickness of the furnace material, the temperature of the furnace material surface portion at a position directly above the portion where the furnace material and the surface of the molten glass are in contact, and the cooling condition of the furnace material Based on the operation data, and the input step of inputting the physical properties data of the molten glass and the furnace material, the structure data, the operation data, and the physical property data, using the unsteady heat conduction equation, Find the temperature change of the boundary temperature over time under the assumption that the furnace material is not eroded, repeat the process of adding the temperature change and updating the boundary temperature, the temperature The boundary temperature calculation step for calculating the boundary temperature in the steady state (hereinafter referred to as the steady boundary temperature) when the crystallization is reduced below a predetermined value, and the furnace material erosion rate data obtained in advance experimentally, A furnace material erosion amount calculating step of obtaining a mass transfer flux as a function of temperature, substituting the steady boundary temperature into the temperature, and obtaining an erosion amount of the furnace material after a predetermined time.

この方法により、溶融ガラスによるガラス溶融炉の炉材の侵食量を定量的に算出することが可能となる。   By this method, it becomes possible to quantitatively calculate the amount of erosion of the furnace material of the glass melting furnace by molten glass.

本発明の炉材侵食量算出方法は、前記炉材侵食量算出ステップで求めた前記炉材の侵食量に基づいて前記構造データを更新する更新ステップを含み、所定条件を満たすまで、前記更新ステップ、前記境界温度算出ステップ、及び前記炉材侵食量算出ステップをこの順に繰り返し行う。 The furnace material erosion amount calculation method of the present invention includes an update step of updating the structure data based on the erosion amount of the furnace material obtained in the furnace material erosion amount calculation step, and the update step until the predetermined condition is satisfied. The boundary temperature calculation step and the furnace material erosion amount calculation step are repeated in this order.

この方法により、長期間にわたって侵食される炉材の侵食量を定量的に算出することが可能となる。   By this method, it becomes possible to quantitatively calculate the erosion amount of the furnace material eroded over a long period of time.

本発明の炉材侵食量算出方法は前記モデルは1次元モデルであり、前記境界温度算出ステップでは、前記構造データ、前記物性データ、及び前記操業データと、1次元非定常熱伝導方程式を離散化して得られる差分方程式とを用いて、前記定常境界温度を算出するIn the furnace material erosion amount calculation method of the present invention, the model is a one-dimensional model. In the boundary temperature calculation step, the structure data, the physical property data, the operation data, and the one-dimensional unsteady heat conduction equation are discretely obtained. by using the is turned into obtain differential equations, and calculates the steady boundary temperature.

本発明の炉材侵食量算出方法は、前記境界温度算出ステップに先立って、前記溶融ガラス及び前記炉材の少なくとも一方を複数のグリッドに分割する分割ステップを含み、前記境界温度算出ステップでは、前記構造データ、前記物性データ、及び前記操業データと前記差分方程式とを用いて、前記炉材が侵食されないと仮定した状況で、ある時間が経過したときの前記グリッド同士の境界温度も求め、当該境界温度も用いて、前記定常境界温度を求める。 The furnace material erosion amount calculation method of the present invention includes a division step of dividing at least one of the molten glass and the furnace material into a plurality of grids prior to the boundary temperature calculation step, and in the boundary temperature calculation step, Using the structure data, the physical property data, and the operation data and the difference equation, in a situation where the furnace material is assumed not to be eroded, the boundary temperature between the grids when a certain time has passed is obtained, and the boundary The steady boundary temperature is determined using the temperature.

この方法により、溶融ガラスによるガラス溶融炉の炉材の侵食量の算出精度を向上させることができる。   By this method, the calculation accuracy of the amount of erosion of the furnace material of the glass melting furnace by molten glass can be improved.

本発明の炉材侵食量算出方法は、前記境界温度算出ステップが、前記溶融ガラスの物性データから前記溶融ガラスの単色吸収係数を求める単色吸収係数算出ステップと、前記単色吸収係数及びふく射輸送方程式に基づいて、前記差分方程式で用いるふく射による発熱量を求める発熱量算出ステップとを含む。   In the furnace material erosion amount calculation method of the present invention, the boundary temperature calculation step includes a monochrome absorption coefficient calculation step for obtaining a monochrome absorption coefficient of the molten glass from the physical property data of the molten glass, and the monochrome absorption coefficient and radiation transport equation. And a calorific value calculation step for obtaining a calorific value due to radiation used in the difference equation.

本発明の炉材侵食量算出方法は、前記発熱量算出ステップが、前記単色吸収係数の所定波長領域の平均である平均吸収係数を求め、前記平均吸収係数及び前記ふく射輸送方程式を用いて、前記ふく射による発熱量を求める。   In the furnace material erosion amount calculation method of the present invention, the calorific value calculation step calculates an average absorption coefficient that is an average of a predetermined wavelength region of the monochromatic absorption coefficient, and uses the average absorption coefficient and the radiation transport equation, Find the amount of heat generated by radiation.

この方法により、炉材侵食量の算出に要する計算量を少なくすることができ、炉材侵食量の算出を高速化することができる。   By this method, the calculation amount required for calculating the furnace material erosion amount can be reduced, and the calculation of the furnace material erosion amount can be speeded up.

本発明の炉材侵食量算出方法は、前記所定波長領域が波長0.31μmから16.5μmの間の領域である。   In the furnace material erosion amount calculation method of the present invention, the predetermined wavelength region is a region between wavelengths of 0.31 μm and 16.5 μm.

本発明の炉材侵食量算出方法は、前記炉材侵食量算出ステップで前記炉材の侵食量を求める前記所定時間は1000時間以下である。 In the furnace material erosion amount calculation method of the present invention, the predetermined time for obtaining the erosion amount of the furnace material in the furnace material erosion amount calculation step is 1000 hours or less.

この方法により、炉材侵食量の算出精度を良好に維持することができる。   By this method, the calculation accuracy of the furnace material erosion amount can be maintained satisfactorily.

本発明の炉材侵食量算出プログラムは、前記炉材侵食量算出方法の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムである。   The furnace material erosion amount calculation program of the present invention is a program for causing a computer to execute each step of the furnace material erosion amount calculation method.

本発明によれば、溶融ガラスによるガラス溶融炉の炉材の侵食量を数学シミュレーションにより算出することが可能な炉材侵食量算出方法及び炉材侵食量算出プログラムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the furnace material erosion amount calculation method and furnace material erosion amount calculation program which can calculate the erosion amount of the furnace material of the glass melting furnace by molten glass by mathematical simulation can be provided.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
本発明の実施形態では、溶融ガラスによるガラス溶融炉の炉材の侵食量を数学シミュレーションを用いてコンピュータにより算出するための炉材侵食量算出プログラムについて説明する。尚、本発明に係る炉材侵食量算出方法は、上記プログラムによって動作するコンピュータの処理ステップと同様であるため、上記プログラムの処理の説明に含まれる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
In the embodiment of the present invention, a furnace material erosion amount calculation program for calculating the erosion amount of a glass melting furnace by a molten glass by a computer using a mathematical simulation will be described. The method for calculating the furnace erosion amount according to the present invention is the same as the processing steps of the computer operated by the program, and is included in the description of the processing of the program.

図1は、本発明の実施形態を説明するための炉材侵食量算出プログラムによって炉材の侵食量を求めるシミュレーション対象となるガラス溶融炉の概略構成を示す図である。
図1に示すように、レンガ等の炉材11で形成されたガラス溶融炉内には溶融ガラス12が存在する。一般に、ガラス溶融炉を操業する際、炉材11の侵食量を減速化させるためガラス溶融炉の外から空気13をあてて炉材11を冷却するといったことが行われる。ガラス溶融炉の性能は、様々な要因(操業条件や形状等)によって決定されるが、本実施形態では、計算を簡略化するために、炉材11の表面の一部である部分14の温度Tを、そのガラス溶融炉の操業条件を代表するデータとして扱う。上記部分14は、炉材11の表面の一部であれば特に限定されないが、侵食に最も影響を与え、且つ、実際のガラス溶融炉にて温度を測定しており、計算精度を確かめやすい点を考慮すると、部分14は、炉材11と溶融ガラス12の表面とが接触する部分の真上の点、具体的には、炉材11と溶融ガラス12の表面とが接触する部分よりも数mm上の炉材11の表面の部分であることが好ましい。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a glass melting furnace that is a simulation target for obtaining an erosion amount of a furnace material by a furnace material erosion amount calculation program for explaining an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, molten glass 12 exists in a glass melting furnace formed of a furnace material 11 such as brick. Generally, when operating the glass melting furnace, the furnace material 11 is cooled by applying air 13 from the outside of the glass melting furnace in order to reduce the erosion amount of the furnace material 11. The performance of the glass melting furnace is determined by various factors (operation conditions, shape, etc.). In this embodiment, in order to simplify the calculation, the temperature of the portion 14 that is a part of the surface of the furnace material 11 is used. the T 1, treated as data representing the operating conditions of the glass melting furnace. The part 14 is not particularly limited as long as it is a part of the surface of the furnace material 11, but it has the most influence on erosion, and the temperature is measured in an actual glass melting furnace, so that the calculation accuracy is easy to check. In consideration of the above, the portion 14 is a point directly above the portion where the furnace material 11 and the surface of the molten glass 12 are in contact, specifically, the portion 14 is more than the portion where the furnace material 11 and the surface of the molten glass 12 are in contact with each other. It is preferable that it is a part of the surface of the furnace material 11 on mm.

本実施形態の炉材侵食量算出プログラムでは、計算を簡略化するために、図1に示したガラス溶融炉を1次元モデル化している。図2は、図1に示すガラス溶融炉を1次元モデル化した図である。
図2に示すように、炉材11及び溶融ガラス12は、それぞれ図中のX方向に厚みを持った形で1次元モデル化されている。炉材11が溶融ガラス12によって侵食される大きな要因としては、炉材11と溶融ガラス12との境界の温度を挙げることができる。この温度以外にも要因はいくつかあるが、境界の温度が侵食に最も大きな影響を与えると考えられるため、本実施形態の炉材侵食量算出プログラムでは、図2に示す1次元モデルにおける境界の温度を基に、炉材11の侵食量を求めている。又、この境界の温度は、大きく分けて溶融ガラス12の対流、熱ふく射、及び熱伝導の3つの要因に影響されるが、本実施形態の炉材侵食量算出プログラムでは、このうち熱ふく射及び熱伝導を考慮することで、炉材の侵食量を定量的に算出することを可能としている。以下、炉材侵食量算出プログラムを実行するコンピュータの動作について説明する。
In the furnace material erosion amount calculation program of the present embodiment, the glass melting furnace shown in FIG. 1 is modeled as a one-dimensional model in order to simplify the calculation. FIG. 2 is a one-dimensional model of the glass melting furnace shown in FIG.
As shown in FIG. 2, the furnace material 11 and the molten glass 12 are one-dimensionally modeled with a thickness in the X direction in the figure. A major factor that causes the furnace material 11 to be eroded by the molten glass 12 is the temperature at the boundary between the furnace material 11 and the molten glass 12. There are several factors other than this temperature, but the temperature of the boundary is considered to have the greatest influence on the erosion. Therefore, in the furnace material erosion amount calculation program of this embodiment, the boundary of the boundary in the one-dimensional model shown in FIG. The amount of erosion of the furnace material 11 is obtained based on the temperature. Further, the temperature of this boundary is roughly affected by three factors of convection, thermal radiation, and heat conduction of the molten glass 12, but in the furnace material erosion amount calculation program of this embodiment, among these, thermal radiation and By considering heat conduction, it is possible to calculate the amount of erosion of the furnace material quantitatively. The operation of the computer that executes the furnace material erosion amount calculation program will be described below.

図3は、本発明の実施形態を説明するための炉材侵食量算出プログラムによって動作するコンピュータの処理フローを示す図である。
まず、炉材侵食量算出プログラムによって動作するコンピュータに、1次元モデルにおける炉材11及び溶融ガラス12の厚み等を示す構造データと、ガラス溶融炉の性能を決める温度T及び冷却条件等を示す操業データと、1次元モデルに使用する炉材11の物性データ(密度ρ、比熱c、熱伝導率k等)及び溶融ガラス12の物性データ(密度ρ、比熱c、単色屈折率、単色複素屈折率の虚部、熱伝導率k)とがユーザにより入力される(S1)。尚、以下の説明では、炉材11の厚みを250mm、溶融ガラス12の厚みを10mmとする。
FIG. 3 is a diagram showing a processing flow of a computer that is operated by a furnace material erosion amount calculation program for explaining an embodiment of the present invention.
First, the computer operating by the furnace material erosion amount calculation program shows the structural data indicating the thickness of the furnace material 11 and the molten glass 12 in the one-dimensional model, the temperature T 1 that determines the performance of the glass melting furnace, the cooling conditions, and the like. Operation data, physical property data (density ρ, specific heat c, thermal conductivity k, etc.) of the furnace material 11 used in the one-dimensional model, and physical property data (density ρ, specific heat c, monochromatic refractive index, monochromatic complex refraction) of the molten glass 12 The imaginary part of the rate, the thermal conductivity k) is input by the user (S1). In the following description, the thickness of the furnace material 11 is 250 mm, and the thickness of the molten glass 12 is 10 mm.

次に、ユーザにより、構造データで設定された1次元モデルの炉材11及び溶融ガラス12のグリッド分割指示がなされると、コンピュータは、炉材11及び溶融ガラス12の少なくとも一方を指定されたように複数のグリッドに分割する(S2)。例えば、コンピュータは、炉材11を50mm単位のグリッドに均等に分割する。つまり、溶融ガラス12全体が1つのグリッドになり、炉材11は5個のグリッドに分割される。このように、炉材11及び溶融ガラス12は合計6個のグリッドに分割され、炉材侵食量算出のための準備が整う。尚、溶融ガラス12や炉材11は、計算の精度の点で、より多くのグリッドに分割しても良い。   Next, when the user gives an instruction for dividing the grid of the furnace material 11 and the molten glass 12 of the one-dimensional model set by the structure data, the computer seems to have specified at least one of the furnace material 11 and the molten glass 12. Is divided into a plurality of grids (S2). For example, the computer equally divides the furnace material 11 into a grid of 50 mm units. That is, the whole molten glass 12 becomes one grid, and the furnace material 11 is divided into five grids. Thus, the furnace material 11 and the molten glass 12 are divided into a total of 6 grids, and preparations for calculating the furnace material erosion amount are completed. The molten glass 12 and the furnace material 11 may be divided into more grids in terms of calculation accuracy.

このときのイメージを図4に示した。図4に示すように、ガラス溶融炉の1次元モデルは、溶融ガラス12側から順にグリッド1〜6に分割されている。この1次元モデルには、溶融ガラス12の左端に設定された原点Oから各グリッドの厚み方向にX座標が設定される。各グリッドにはS1で入力された物性データが設定される。グリッド1には溶融ガラス12の物性データが設定され、グリッド2〜6のそれぞれには炉材11の物性データが設定される。以下では、説明のために、原点の座標をX(=0mm)、グリッド1とグリッド2との境界の座標をX(=10mm)、グリッド2とグリッド3との境界の座標をX(=60mm)、グリッド3とグリッド4との境界の座標をX(=110mm)、グリッド4とグリッド5との境界の座標をX(=160mm)、グリッド5とグリッド6との境界の座標をX(=210mm)、グリッド6の右端の座標をX(=260mm)とする。又、i=2〜6とし、グリッドi−1とグリッドiとの境界Xの温度を境界温度Tとする。 The image at this time is shown in FIG. As shown in FIG. 4, the one-dimensional model of the glass melting furnace is divided into grids 1 to 6 in order from the molten glass 12 side. In this one-dimensional model, the X coordinate is set in the thickness direction of each grid from the origin O set at the left end of the molten glass 12. The physical property data input in S1 is set in each grid. The physical property data of the molten glass 12 is set in the grid 1, and the physical property data of the furnace material 11 is set in each of the grids 2 to 6. In the following, for the sake of explanation, the coordinates of the origin are X 1 (= 0 mm), the coordinates of the boundary between the grid 1 and the grid 2 are X 2 (= 10 mm), and the coordinates of the boundary between the grid 2 and the grid 3 are X 3. (= 60 mm), the coordinate of the boundary between the grid 3 and the grid 4 is X 4 (= 110 mm), the coordinate of the boundary between the grid 4 and the grid 5 is X 5 (= 160 mm), and the boundary between the grid 5 and the grid 6 The coordinate is X 6 (= 210 mm), and the coordinate of the right end of the grid 6 is X 7 (= 260 mm). Further, i = 2 to 6, and the temperature at the boundary X i between the grid i−1 and the grid i is defined as the boundary temperature T i .

S2の後、コンピュータは、S1で入力された構造データ、操業データ、及び物性データに基づいて、炉材11が侵食されないと仮定した状況で、ある時間が経過して定常状態となったときの溶融ガラス12と炉材11との境界温度T(定常境界温度)を算出する境界温度算出処理に移行する(S3)。 After S2, the computer assumes that the furnace material 11 is not eroded based on the structure data, operation data, and physical property data input in S1, and when a certain period of time has passed and a steady state is reached. The process proceeds to a boundary temperature calculation process for calculating a boundary temperature T 2 (steady boundary temperature) between the molten glass 12 and the furnace material 11 (S3).

次に、境界温度を算出する原理について説明する。
本実施形態の炉材侵食量算出プログラムでは、図4に示す1次元モデルにおける各グリッド同士の境界温度Tを求めるために、熱ふく射による熱輸送を考慮した以下の式1に示す1次元非定常熱伝導方程式を利用している。
Next, the principle of calculating the boundary temperature will be described.
The furnace material erosion quantity calculation program of the present embodiment, in order to determine the boundary temperature T i of each grid between the 1-dimensional model shown in FIG. 4, a one-dimensional non-illustrated heat transport by thermal radiation in Equation 1 below Considering A steady heat conduction equation is used.

Figure 0004548040
Figure 0004548040

ここで、c:比熱、ρ:密度、T:温度、t:時間、k:熱伝導率、x:座標、q:ふく射による発熱量である。 Here, c: specific heat, ρ: density, T: temperature, t: time, k: thermal conductivity, x: coordinates, q v : calorific value due to radiation.

式1のふく射による発熱量qは、以下の式2に示す、放射−吸収性媒体中の1次元平行平板系におけるふく射輸送方程式によって求めることができる。 Calorific value q v by radiation of formula 1, shown in Equation 2 below, the radiation - can be determined by the radiation transport equation in one dimension parallel plate system in the absorbent medium.

Figure 0004548040
Figure 0004548040

ここで、μ:天頂角、Iλ:単色ふく射強度、κλ:波長λにおける溶融ガラスの単色吸収係数、x:座標、Iλ(x,μ):座標xに天頂角μで入射してくる単色ふく射強度、Ibλ{T(x)}:座標xでのある温度T[K]における単色黒体放射強度である。 Here, μ: zenith angle, I λ : monochromatic radiation intensity, κ λ : monochromatic absorption coefficient of molten glass at wavelength λ, x: coordinate, I λ (x, μ): incident at coordinate zenith angle μ Coming monochrome radiation intensity, I {T (x)}: Monochromatic black body radiation intensity at a temperature T [K] at a coordinate x.

式2の単色吸収係数κλは、1次元モデルに用いる溶融ガラス12の物性データ(単色複素屈折率の虚部)を用いて、以下の式3により求めることができる。 The monochromatic absorption coefficient κ λ of Formula 2 can be obtained by the following Formula 3 using physical property data of the molten glass 12 used in the one-dimensional model (imaginary part of the monochromatic complex refractive index).

Figure 0004548040
Figure 0004548040

ここで、λ:波長、kλ:波長λにおける単色複素屈折率の虚部である。 Here, λ: wavelength, k λ : imaginary part of monochromatic complex refractive index at wavelength λ.

式3で求まるκλは、式2に示したふく射輸送方程式において用いるが、全ての波長について計算を行うと、計算負荷が高くなってしまうため、本プログラムでは、式3で求まる単色吸収係数κλを平均化した平均吸収係数κを算出し、これをふく射輸送方程式に用いる。平均吸収係数κは以下の式4により求めることができる。単色吸収係数κλの積分する波長領域(平均化する波長領域)は、ガラス溶融炉を運転する際に炉材の侵食が特に問題となる温度(上記T=700℃〜1700℃)における黒体放射能の99%以上を考慮するために、波長0.31μm〜16.5μmまでの領域としている。この領域内で単色吸収係数κλを平均化することにより、計算負荷を減らしながら、実務上用いる全てのガラス溶融炉において炉材の侵食量を算出することができるようになる。 Κ λ obtained by Equation 3 is used in the radiation transport equation shown in Equation 2, but if all wavelengths are calculated, the calculation load increases. Therefore, in this program, the monochromatic absorption coefficient κ obtained by Equation 3 is used. An average absorption coefficient κ i obtained by averaging λ is calculated and used for the radiation transport equation. The average absorption coefficient κ i can be obtained by the following equation 4. Integrating wavelength region of monochromatic absorption coefficient kappa lambda (wavelength region to be averaged) is black at a temperature (above T 1 = 700 ℃ ~1700 ℃) as the furnace material erosion is especially problematic in operating the glass melting furnace In order to consider 99% or more of the body radioactivity, the region has a wavelength of 0.31 μm to 16.5 μm. By averaging the monochromatic absorption coefficient κ λ within this region, it becomes possible to calculate the amount of erosion of the furnace material in all glass melting furnaces used in practice while reducing the calculation load.

Figure 0004548040
Figure 0004548040

ここで、Ibλ:ある温度T[K]における単色黒体放射強度、σ:ステファンボルツマン定数である。 Here, I : Monochromatic blackbody radiation intensity at a certain temperature T [K], σ: Stefan Boltzmann constant.

又、本プログラムでは、式2に示したふく射輸送方程式をそのまま使わず、平均吸収係数κを用いた灰色近似により、次の式5のように変形して用いる。 Also, in this program, the radiation transport equation shown in Equation 2 is not used as it is, but is transformed into the following Equation 5 by gray approximation using the average absorption coefficient κ i .

Figure 0004548040
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式5において、qは、式1のqに相当するものであり、座標Xでのふく射による発熱量である。I(T)は、単色黒体放射強度Ibλ{T(x)}を波長領域0.31μm〜16.5μmの範囲で波長について積分して得られる黒体放射強度であり、境界温度Tによって決まる値である。Ii−1は、Xi−1から境界Xに入射するふく射強度であり、Ii+1は、Xi+1から境界Xに入射するふく射強度である。κi−1は、境界温度Ti−1での平均吸収係数であり、κは、境界温度Tでの平均吸収係数である。 In Equation 5, q i corresponds to q v in Equation 1, and is the amount of heat generated by radiation at the coordinate X i . I b (T i ) is the black body radiation intensity obtained by integrating the monochromatic black body radiation intensity I {T (x)} with respect to the wavelength in the wavelength range of 0.31 μm to 16.5 μm, and the boundary temperature The value is determined by T i . I i−1 is the radiation intensity incident on the boundary X i from X i−1 , and I i + 1 is the radiation intensity incident on the boundary X i from X i + 1 . κ i-1 is an average absorption coefficient at the boundary temperature T i-1 , and κ i is an average absorption coefficient at the boundary temperature T i .

式5によれば、座標Xでのふく射による発熱量qを境界温度Tを含めた式として求めることができる。 According to Equation 5, the calorific value q i due to radiation at the coordinate X i can be obtained as an equation including the boundary temperature T i .

式1に示した1次元非定常熱伝導方程式は、時間経過に伴う温度変化を求めることが可能な式であるが、このままの形では、図4に示す各グリッド同士の境界温度Tを求めることはできないため、本プログラムでは、1次元非定常熱伝導方程式を前進差分法により離散化して用いる。1次元非定常熱伝導方程式を前進差分法により差分方程式に近似すると、以下の式6のようになる。 1 dimensional unsteady heat conduction equation shown in Equation 1 is an equation which can obtain the temperature change over time, in the form of this state, obtains the boundary temperature T i of each grid each other shown in FIG. 4 In this program, the one-dimensional unsteady heat conduction equation is discretized by the forward difference method and used. When the one-dimensional unsteady heat conduction equation is approximated to the difference equation by the forward difference method, the following equation 6 is obtained.

Figure 0004548040
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ここで、ci−1:グリッドi−1に設定された材料の比熱、ρi−1:グリッドi−1に設定された材料の密度、ki−1:グリッドi−1に設定された材料の熱伝導率、c:グリッドiに設定された材料の比熱、ρ:グリッドiに設定された材料の密度、k:グリッドiに設定された材料の熱伝導率である。 Here, c i-1 : specific heat of the material set on the grid i-1, ρ i-1 : density of the material set on the grid i-1, k i-1 : set on the grid i-1 The thermal conductivity of the material, c i : the specific heat of the material set in the grid i, ρ i : the density of the material set in the grid i, k i : the thermal conductivity of the material set in the grid i.

温度Tは、上述したように操業データで決まる固定の値であり、温度Tは操業データの冷却条件で決まる固定の値である。又、グリッド同士の境界温度T(i=2〜6)は、ガラス溶融炉が稼動していない状態(以下、初期状態)では、固定値(以下、初期値という)となっている。この初期値は、任意の値に設定することができる。例えば、常温に設定しても良いし、入力された操業データである温度Tと同じ温度に設定しても良い。本実施形態では、境界温度Tの初期値を温度Tと同じ値とする。このため、溶融ガラス12及び炉材11の物性データと、ガラス溶融炉の操業データと、ガラス溶融炉の構造データとがあれば、炉材11が侵食されないと仮定した状況下において、ガラス溶融炉を稼動させてから時間Δt(例えば1/100秒)経過後の境界温度Tの温度変化ΔTを式6を用いて求めることができるようになる。ΔTを求めた後は、境界温度T(初期状態での固定値)にΔTを加算して境界温度Tを更新し、更新後の境界温度Tを用いて、更にΔt経過後の温度変化ΔTを求めて境界温度Tを更新するといった演算を繰り返すことで、図2に示す1次元モデルのX方向の温度分布を求めることができる。境界温度Tは、炉材11が侵食されないと仮定した状況下では、ある程度の時間が経過したときにほとんど変化しなくなる定常状態となる。本プログラムでは、この定常状態の境界温度Tを用いて炉材11の侵食量を求める。このため、境界温度Tを求める際、ΔT<0.000001となるまで演算を繰り返し、ΔT<0.000001となった時点の境界温度Tを、定常状態の境界温度Tとして扱うことにする。 Temperatures T 1 is a fixed value determined by the operational data as described above, the temperature T 7 is a fixed value determined by the cooling conditions of operation data. Further, the boundary temperature T i (i = 2 to 6) between the grids is a fixed value (hereinafter referred to as an initial value) in a state where the glass melting furnace is not operating (hereinafter referred to as an initial state). This initial value can be set to an arbitrary value. For example, it may be set to room temperature, it may be set to the same temperature as the temperature T 1 of a input operation data. In the present embodiment, the initial value of the boundary temperature T i is set to the same value as the temperature T 1 . For this reason, if there is physical property data of the molten glass 12 and the furnace material 11, operation data of the glass melting furnace, and structural data of the glass melting furnace, the glass melting furnace is assumed under the condition that the furnace material 11 is not eroded. The temperature change ΔT i of the boundary temperature T i after elapse of time Δt (for example, 1/100 second) from the operation of can be obtained using Equation 6. After determining the [Delta] T i updates the boundary temperature T i by adding the boundary temperature T i to (a fixed value in the initial state) [Delta] T i, using the boundary temperature T i of the updated, after further Δt of by repeating the operations such updates boundary temperature T i seeking temperature change [Delta] T i, can be determined the temperature distribution in the X-direction of the one-dimensional model shown in FIG. The boundary temperature T i is in a steady state that hardly changes when a certain amount of time has passed under the condition that the furnace material 11 is not eroded. This program calculates the amount of erosion of the refractory lining 11 with boundary temperature T i of the steady state. Therefore, when determining the boundary temperature T i, repeated operation until [Delta] T i <0.000001, the boundary temperature T 2 at the time of a [Delta] T i <0.000001, treated as boundary temperature T 2 of the steady-state I will decide.

図5は、コンピュータによる境界温度算出処理の流れを説明するためのフローチャートである。
コンピュータは、S1で入力された溶融ガラス12の単色複素屈折率の虚部と、式3とを用いて単色吸収係数κλを算出し(S31)、算出した単色吸収係数κλの平均である平均吸収係数κを式4を用いて算出する(S32)。式4の境界温度Tに代入する値としては初期値を用いる。S32の処理によって、平均吸収係数κ〜κが算出される。
FIG. 5 is a flowchart for explaining the flow of the boundary temperature calculation process by the computer.
Computer is the mean of monochromatic absorption coefficient to calculate the kappa lambda (S31), the calculated monochromatic absorption coefficient kappa lambda using the imaginary part of the single-color complex refractive index of the molten glass 12 that is input in S1, the formula 3 The average absorption coefficient κ i is calculated using Equation 4 (S32). An initial value is used as a value to be substituted for the boundary temperature T i in Equation 4. The average absorption coefficients κ 2 to κ 6 are calculated by the process of S32.

次に、コンピュータは、算出した平均吸収係数κ〜κと、入力された構造データに基づく座標データと、ふく射輸送方程式(式5)とを用いて、座標Xでのふく射による発熱量qを算出する(S33)。式5の境界温度Tに代入する値としては初期値を用いる。S32の処理によって、発熱量q〜qが算出される。 Next, the computer uses the calculated average absorption coefficients κ 2 to κ 6 , the coordinate data based on the input structure data, and the radiation transport equation (Equation 5) to generate the heat generated by the radiation at the coordinates X i. q i is calculated (S33). An initial value is used as a value to be substituted for the boundary temperature T i in Equation 5. By treatment S32, the heating value q 2 to q 6 are calculated.

次に、コンピュータは、物性データと、座標データと、操業データ(T、T)と、算出した発熱量q〜qと、式6とを用いて、炉材11が侵食されないと仮定した状況での時間Δt経過後のΔTを算出し、算出したΔTを境界温度Tの初期値に加えて、時間Δt経過後の境界温度Tを算出する(S34)。式6の境界温度T〜Tに代入する値としては初期値を用いる。S34の処理によって、時間Δt経過後の境界温度T〜Tが算出される。 Next, the computer uses the physical property data, the coordinate data, the operation data (T 1 , T 7 ), the calculated calorific value q 2 to q 6 , and Equation 6 so that the furnace material 11 is not eroded. calculating a [Delta] T i after time Δt has elapsed in assumed circumstances, the addition of calculated [Delta] T i to the initial value of the boundary temperature T i, and calculates the boundary temperature T i after time Δt has elapsed (S34). An initial value is used as a value to be substituted for the boundary temperatures T 2 to T 6 in Equation 6 . By the process of S34, the boundary temperatures T 2 to T 6 after the lapse of time Δt are calculated.

コンピュータは、S34で算出したΔT〜ΔTの各々が0.000001よりも小さくなるまで(S35:YES)、S32〜S34の処理を繰り返し行い、ある時間が経過して定常状態になったときの境界温度Tを算出する(S36)。ただし、2回目以降のS32〜S34の処理では、式4、5、6の境界温度Tに代入する値として、初期値の代わりに、S34で新たに算出した最新の境界温度Tを用いる。又、2回目以降のS34の処理では、算出したΔTを境界温度Tの初期値に加えるのではなく、算出したΔTを最新の境界温度Tに加えて、時間Δt経過後の境界温度Tを算出する。 The computer repeats the processing of S32 to S34 until each of ΔT 2 to ΔT 6 calculated in S34 becomes smaller than 0.000001 (S35: YES), and when a certain period of time has elapsed and the steady state is reached. calculating the boundary temperature T 2 (S36). However, in the second and subsequent processing of S32 to S34, the latest boundary temperature T i newly calculated in S34 is used instead of the initial value as the value to be substituted for the boundary temperature T i in the equations 4, 5, and 6. . In the second and subsequent processing of S34, the calculated ΔT i is not added to the initial value of the boundary temperature T i , but the calculated ΔT i is added to the latest boundary temperature T i and the boundary after the time Δt has elapsed. to calculate the temperature T i.

次に、コンピュータは、S36で算出した定常状態の境界温度Tに基づいて、所定時間(例えば500時間とする)後の炉材11の侵食量を算出する炉材侵食量算出処理に移行する(S4)。 Next, the computer based on the boundary temperature T 2 of the calculated steady-state S36, the transition to furnace material erosion quantity calculation processing for calculating the amount of erosion of the furnace material 11 after a predetermined time (eg, 500 hours) (S4).

ここで、炉材侵食量を算出する原理について説明する。
炉材11の侵食量を算出するためには、炉材11の物質移動流束F(単位時間あたりに単位面積を通過する物質量)を求めておく。物質移動流束Fは炉材11の物性によって決まる。炉材11の拡散定数Dは、以下の式7で表わされる。
Here, the principle of calculating the furnace material erosion amount will be described.
In order to calculate the amount of erosion of the furnace material 11, the mass transfer flux F of the furnace material 11 (the amount of material that passes through the unit area per unit time) is obtained. The mass transfer flux F is determined by the physical properties of the furnace material 11. The diffusion constant D of the furnace material 11 is expressed by the following formula 7.

Figure 0004548040
Figure 0004548040

ここで、A:拡散の頻度因子、ΔE:活性化エネルギー、R:気体定数、T:温度である。   Here, A: diffusion frequency factor, ΔE: activation energy, R: gas constant, and T: temperature.

又、物質移動流束Fは、拡散定数Dを用いて以下の式8で表わされる。   Further, the mass transfer flux F is expressed by the following formula 8 using the diffusion constant D.

Figure 0004548040
Figure 0004548040

ここで、c:炉材が溶解している位置での溶解した炉材の濃度、c:炉材が溶解している位置から十分離れた位置での溶解した炉材の濃度、δc:濃度境界層厚さである。 Here, c: concentration of the dissolved furnace material at the position where the furnace material is dissolved, c : concentration of the dissolved furnace material at a position sufficiently away from the position where the furnace material is dissolved, δc: concentration The boundary layer thickness.

式8の両辺の対数をとると、以下の式9が得られる。   Taking the logarithm of both sides of Equation 8, the following Equation 9 is obtained.

Figure 0004548040
Figure 0004548040

式9によれば、ある温度Tにおいて、炉材11が単位時間当たりどのくらいの量が溶けでていくのかを求めることができる。ただし、S1で入力された物性データから式9の右辺の値(A、ΔE、R、c、c、δc)を求めることはできないため、コンピュータは、予め実験的に求められた炉材侵食速度データを用いて、上記値を求める。炉材侵食速度データは、炉材がある温度Tにおいて単位時間(例えば100時間とする)当たりどのくらい侵食されるかを示す実験データであり、図6に示すようなグラフで表わされる。図6に示すグラフにおいて、縦軸の値の対数をとり、横軸の値の逆数をとったグラフを作成すると、図7に示すようなグラフとなる。図7に示すグラフは、式9で表わされる関数と同じ形になっている。これにより、炉材の物質移動流束Fが実際の炉材侵食速度と等しい値になることが分かる。このため、図7のグラフから上記値を求めることで、物質移動流束Fが求まる。言い換えると、炉材侵食速度データを用いることにより、炉材の物質移動流束Fを温度の関数として求めることができる。尚、炉材侵食速度データは、本プログラムのインストール時、炉材の種類(物性)毎にコンピュータ内のメモリに記憶される。 According to Expression 9, it is possible to determine how much the furnace material 11 melts per unit time at a certain temperature T. However, since the values (A, ΔE, R, c, c , δc) on the right side of Equation 9 cannot be obtained from the physical property data input in S1, the computer eroded the furnace material obtained experimentally in advance. The above value is obtained using the speed data. The furnace material erosion rate data is experimental data indicating how much the furnace material is eroded per unit time (for example, 100 hours) at a certain temperature T, and is represented by a graph as shown in FIG. In the graph shown in FIG. 6, when a logarithm of the value on the vertical axis is taken and the reciprocal of the value on the horizontal axis is taken, a graph as shown in FIG. 7 is obtained. The graph shown in FIG. 7 has the same form as the function represented by Expression 9. Thereby, it turns out that the mass transfer flux F of a furnace material becomes a value equal to an actual furnace material erosion rate. Therefore, the mass transfer flux F is obtained by obtaining the above value from the graph of FIG. In other words, the mass transfer flux F of the furnace material can be obtained as a function of temperature by using the furnace material erosion rate data. The furnace material erosion rate data is stored in the memory in the computer for each type (physical property) of the furnace material when this program is installed.

図8は、コンピュータによる炉材侵食量算出処理の流れを説明するためのフローチャートである。
コンピュータは、S1で入力された炉材11の物性データに基づき、炉材11の種類に対応する炉材侵食速度データをメモリから読み出し、この炉材侵食速度データを用いて、炉材11の物質移動流束Fを温度Tの関数として求める(S41)。次に、コンピュータは、S36で算出された定常状態での境界温度Tを上記求めた関数の温度に代入して、単位時間(100時間)当たりの炉材侵食量を算出し(S42)、計算精度を維持しつつ、計算を高速化するために、この炉材侵食量を5倍して500時間後の炉材侵食量を算出する(S43)。
FIG. 8 is a flowchart for explaining the flow of the furnace material erosion amount calculation processing by the computer.
The computer reads out the furnace material erosion rate data corresponding to the type of the furnace material 11 from the memory based on the physical property data of the furnace material 11 input in S1, and uses the furnace material erosion rate data to determine the material of the furnace material 11 The moving flux F is obtained as a function of the temperature T (S41). The computer then, a boundary temperature T 2 in the steady state that is calculated in S36 is substituted into a function of temperature determined above, the unit time (100 hours) to calculate the furnace material erosion per (S42), In order to speed up the calculation while maintaining the calculation accuracy, the furnace material erosion amount is multiplied by 5 to calculate the furnace material erosion amount after 500 hours (S43).

コンピュータは、500時間後の炉材侵食量を算出後、この炉材侵食量に基づいて、S1で入力された構造データを更新する(S5)。具体的には、図2に示した1次元モデルの溶融ガラス12の厚さを炉材11が侵食された分増やし、炉材11の厚さを侵食された分減らして、構造データを更新する。そして、コンピュータは、所定条件が満たされているか否かを判定する(S6)。所定条件とは、例えば、ユーザにより設定された炉材侵食量を求めるべきガラス溶融炉の稼動時間や、炉材11の残りの厚み等の条件である。ユーザにより設定された稼動時間後の炉材侵食量をまだ算出していない場合や、炉材11の残りの厚みが閾値を上回っていた場合、コンピュータは、所定条件が満たされてないと判定し(S6:NO)、S2に処理を移行する。尚、S2におけるグリッドの分割方法については、最初に設定された方法(炉材11のみを均等に5分割にする)が繰り返し適用される。構造データが更新されることで、境界温度Tは変化してしまうため、コンピュータは所定条件を満たすまで、S5、S2、S3、S4をこの順に繰り返し行って、炉材侵食量を求める。尚、この繰り返しは、構造データのみが更新されるものであるため、構造データに影響されないS31及びS41の処理は2回目以降は省略しても良い。一方、ユーザにより設定された稼働時間後の炉材侵食量を算出し終わった場合や、炉材11の残りの厚みが閾値を下回っていた場合、コンピュータは、所定条件が満たされたと判定し(S6:YES)、本プログラムによる演算で求められた各種データを出力して(S7)、処理を終了する。 After calculating the furnace material erosion amount after 500 hours, the computer updates the structure data input in S1 based on the furnace material erosion amount (S5). Specifically, the thickness of the molten glass 12 of the one-dimensional model shown in FIG. 2 is increased by the amount of erosion of the furnace material 11, and the thickness of the furnace material 11 is decreased by the amount of erosion, thereby updating the structure data. . Then, the computer determines whether or not a predetermined condition is satisfied (S6). The predetermined conditions are, for example, conditions such as the operating time of the glass melting furnace for which the furnace material erosion amount set by the user is to be obtained and the remaining thickness of the furnace material 11. When the furnace material erosion amount after the operating time set by the user has not been calculated yet, or when the remaining thickness of the furnace material 11 exceeds the threshold value, the computer determines that the predetermined condition is not satisfied. (S6: NO), the process proceeds to S2. As the grid dividing method in S2, the method set first (only the furnace material 11 is equally divided into five) is repeatedly applied. By structural data is updated, since the boundary temperature T i varies, the computer until a predetermined condition is satisfied, S5, S2, S3, S4 and by repeating in this order, obtains the furnace material erosion amount. Note that since this repetition is for updating only the structure data, the processes of S31 and S41 that are not affected by the structure data may be omitted after the second time. On the other hand, when the calculation of the furnace material erosion amount after the operating time set by the user is completed, or when the remaining thickness of the furnace material 11 is less than the threshold value, the computer determines that the predetermined condition is satisfied ( (S6: YES), various data obtained by the calculation by this program are output (S7), and the process is terminated.

S7で出力することのできる各種データとしては、例えば、ある時期における炉材11の侵食量、ある時期における炉材11の残り厚さ、ある時期における座標Xでの温度、ある時期における炉材11の物質移動流束F等がある。又、本プログラムの演算によって得られたデータを用いることで、熱流束や炉材外壁からの放熱量を求めることも可能である。又、平均吸収係数κを用いることで、ふく射物性値を求めることも可能である。 Various data that can be output in S7 include, for example, the amount of erosion of the furnace material 11 at a certain time, the remaining thickness of the furnace material 11 at a certain time, the temperature at a coordinate X i at a certain time, and the furnace material at a certain time 11 mass transfer fluxes F and the like. It is also possible to obtain the heat flux and the amount of heat released from the outer wall of the furnace material by using the data obtained by the calculation of this program. Further, by using the average absorption coefficient κ, the radiation property value can be obtained.

以下、コンピュータから出力されるデータ(グラフ)の一例を示す。
図9は、ガラス溶融炉の稼働時間と境界温度Tとの関係を示すグラフであり、横軸が稼働時間、縦軸が境界温度Tとなっている。図9には、ガラス溶融炉の性能を決定する温度Tを8種類の値にかえてシミュレーションしたときの結果を示してある。図9に示すように、稼働時間が0のとき、つまり初期状態では、境界温度Tはそれぞれ初期値(1300℃〜1600℃)となっており、時間が経過するにつれて、その値が変化している状態を確認することができる。このグラフによれば、温度Tをどの値にすれば境界温度Tが下がりやすいのかを知ることができ、ガラス溶融炉の設計に役立てることができる。
Hereinafter, an example of data (graph) output from the computer is shown.
Figure 9 is a graph showing the relationship between the operating time and the boundary temperature T 2 of the glass melting furnace, the horizontal axis running time and the vertical axis represents the boundary temperature T 2. In FIG. 9 shows the results when a simulation by changing the temperature T 1 of determining the performance of a glass melting furnace to eight values. As shown in FIG. 9, when the operating time is 0, that is, in the initial state, as the boundary temperature T 2 has become the initial value (1300 ° C. to 1600 ° C.), respectively, the time has passed, the value is changed You can check the status. According to this graph, it is possible to know what value the temperature T 1 should be used to decrease the boundary temperature T 2 , which can be used for designing a glass melting furnace.

図10は、ガラス溶融炉の稼働時間と炉材11の残り厚みとの関係を示すグラフであり、横軸が稼働時間、縦軸が残り厚みとなっている。図10には、同じガラス溶融炉において、炉材11の初期の厚みを250mmにした場合と、炉材11の初期の厚みを300mmにした場合と、炉材11の初期の厚みを250mmにして途中で50mmの炉材を当瓦した場合との3つの場合についてシミュレーションした結果を示してある。図10に示すように、最初から250mmの炉材を用いた場合と、最初から300mmの炉材を用いた場合とでは、残り厚みが50mmとなるまでの期間に1年もの差があり、最初から厚みの大きい炉材を用いた方が、炉材の寿命を長くできることが分かる。又、最初から300mmの炉材を使うよりも、250mmの炉材を使って、後から当瓦をした方が、寿命を延ばせることも分かる。このため、図10に示すデータをガラス溶融炉の設計に役立てることができると共に、当瓦の時期を適格に判断することができる。   FIG. 10 is a graph showing the relationship between the operating time of the glass melting furnace and the remaining thickness of the furnace material 11, where the horizontal axis is the operating time and the vertical axis is the remaining thickness. In FIG. 10, in the same glass melting furnace, the initial thickness of the furnace material 11 is 250 mm, the initial thickness of the furnace material 11 is 300 mm, and the initial thickness of the furnace material 11 is 250 mm. The simulation results are shown for three cases, that is, when a 50 mm furnace material is laid on the way. As shown in FIG. 10, there is a difference of one year in the period until the remaining thickness reaches 50 mm between the case of using the furnace material of 250 mm from the beginning and the case of using the furnace material of 300 mm from the beginning. From this, it can be seen that the life of the furnace material can be extended by using the furnace material having a large thickness. It can also be seen that using a 250 mm furnace material and then applying the roof tile later will extend the life rather than using a 300 mm furnace material from the beginning. For this reason, the data shown in FIG. 10 can be used for the design of the glass melting furnace, and the timing of the roof tile can be determined appropriately.

以上のように、本プログラムによれば、炉材侵食量を定量的に求めることができ、ガラス溶融炉の設計やガラスの品質管理に役立てることができる。又、本プログラムでは、シミュレーション対象となるガラス溶融炉を1次元モデル化して各種計算を行っているため、コンピュータの計算負荷を少なくすることができ、高速な処理が可能となる。又、熱ふく射及び熱伝導による影響を考慮して境界温度Tを求める処理を行っているため、ガラス溶融炉を1次元モデル化しているにも関わらず、炉材侵食量の算出精度を維持することができる。 As described above, according to this program, the amount of erosion of the furnace material can be obtained quantitatively, which can be used for designing a glass melting furnace and controlling the quality of glass. Further, in this program, since the glass melting furnace to be simulated is converted into a one-dimensional model and various calculations are performed, the calculation load on the computer can be reduced and high-speed processing can be performed. Moreover, maintenance because they perform processing in consideration of the influence of heat radiation and heat conduction Request boundary temperature T i, in spite of the one-dimensional model of a glass melting furnace, the calculation accuracy of the furnace material erosion rate can do.

又、本プログラムによれば、従来不可能であった長期に渡る炉材侵食量の予測を定量的に行うことができる。例えば、図3のS2〜S6の処理を繰り返して15年後の炉材侵食量を求めることもでき、長期的な侵食量の予測に適していると共に、ガラス溶融炉の寿命を知ることができる。   In addition, according to this program, it is possible to quantitatively predict the furnace material erosion amount over a long period of time, which was impossible in the past. For example, the process of S2 to S6 in FIG. 3 can be repeated to obtain the furnace material erosion amount after 15 years, which is suitable for prediction of the long-term erosion quantity and can know the life of the glass melting furnace. .

尚、上記では、図4に示すように、1次元モデルの溶融ガラス12及び炉材11の少なくとも一方を複数のグリッドに分割してから、炉材侵食量を算出しているが、溶融ガラス12及び炉材11のいずれもグリッドに分割しないで炉材侵食量の算出を行っても良い。つまり、溶融ガラス12全体をグリッド1とし、炉材11全体をグリッド2として計算を行えば良い。この場合は、座標XをXとし、温度Tを温度Tとして計算を行うことで、上述したように、炉材侵食量を定量的に求めることができ、処理をより高速に行うことも可能である。溶融ガラス12及び炉材11の少なくとも一方を複数のグリッドに分割した場合には、処理が多少遅くなるが、溶融ガラス12や炉材11の内部温度を細かく考慮することができるため、炉材侵食量の算出精度を向上させることができるという利点がある。 In the above, as shown in FIG. 4, the furnace material erosion amount is calculated after dividing at least one of the molten glass 12 and the furnace material 11 of the one-dimensional model into a plurality of grids. The furnace material erosion amount may be calculated without dividing the furnace material 11 into the grid. That is, the calculation may be performed with the entire molten glass 12 as the grid 1 and the entire furnace material 11 as the grid 2. In this case, by calculating with the coordinate X 7 as X 3 and the temperature T 7 as temperature T 3 , the amount of erosion of the furnace material can be quantitatively obtained as described above, and the processing is performed at higher speed. It is also possible. When at least one of the molten glass 12 and the furnace material 11 is divided into a plurality of grids, the processing is somewhat slow, but the internal temperature of the molten glass 12 and the furnace material 11 can be taken into account finely. There is an advantage that the calculation accuracy of the quantity can be improved.

又、本プログラムでは、図3のS4において、一定となったときの境界温度Tを用いて所定時間後の炉材侵食量を求めている。実際には、境界温度Tは、炉材の侵食と共に変化してしまうため、一定の境界温度Tでは正確な炉材侵食量を求めることはできない。ところが、炉材の侵食は非常にゆっくり行われるため、本プログラムでは、ある程度の時間までは一定の境界温度Tを用いて炉材侵食量を求めることで、炉材侵食量の算出精度を保っている。この算出精度を保つためにも、上記ある程度の時間(上記所定時間)は、1000時間以下であることが好ましい。 Furthermore, in this program, in S4 of FIG. 3, seeking furnace material erosion amount after a predetermined time using a boundary temperature T 2 when it becomes constant. Actually, since the boundary temperature T 2 changes with the erosion of the furnace material, an accurate amount of the erosion of the furnace material cannot be obtained at the constant boundary temperature T 2 . However, since the erosion of the furnace material is very slowly performed, in this program, it is to a certain time by obtaining the furnace material erosion amount using a constant boundary temperature T 2, maintaining the calculation accuracy of the furnace material erosion rate ing. In order to maintain this calculation accuracy, the certain amount of time (the predetermined time) is preferably 1000 hours or less.

又、上記では、S32にて平均吸収係数κを数値として算出し、S33にて発熱量qを数値として算出し、これらの数値を式6に代入してΔTを算出しているが、式6に式3〜5を代入して得られる境界温度Tを含む式に、構造データ、物性データ、操業データ、及び境界温度Tの初期値を一斉に代入して、ΔTを算出するようにしても良い。 In the above, the average absorption coefficient κ i is calculated as a numerical value in S32, the calorific value q i is calculated as a numerical value in S33, and ΔT i is calculated by substituting these numerical values into Equation 6. Substituting structural data, physical property data, operation data, and initial values of the boundary temperature T i simultaneously into an equation including the boundary temperature T i obtained by substituting the equations 3 to 5 into the equation 6, and ΔT i It may be calculated.

以下、本プログラムによる効果を実施例によって証明する。   Hereinafter, the effect of this program will be proved by examples.

本実施例では、図1に示すガラス溶融炉をモデルとし、温度Tのみを8種類の値(1300℃〜1600℃)にかえて、実施形態で説明した炉材侵食量算出プログラムによりシミュレーションを行い、その結果を、稼働時間と炉材侵食量との関係を示すグラフ(図11)として出力させた。シミュレーションを行う上で設定した各種データは以下の通り。
<構造データ>
溶融ガラス12の厚み=10mm
炉材11(レンガとする)の厚み=250mm
溶融ガラス12のグリッド分割数=30
炉材11のグリッド分割数=10
<操業データ>
温度T:1300℃,1350℃,1400℃,1450℃,1500℃,1550℃,1580℃,1600℃の8種類
炉材11の冷却条件:温度30℃の風を使って風速10m/sで冷却
ガラス溶融炉の周りの雰囲気温度=30℃
<物性データ>
溶融ガラス12の熱伝導率k=1.2[W/m/K]
溶融ガラス12の密度ρ=2500[kg/m
溶融ガラス12の比熱c=1400[J/kg/K]
溶融ガラス12の単色複屈折率の虚部データ:文献「M.Rubin, Solar Energy Materials, 12, 275-288 (1985)」を参照
炉材11の熱伝導率k=4.1[W/m/K]
炉材の密度ρ=3600[kg/m
炉材の比熱c=1000[J/kg/K]
<その他の条件>
初期値=T
稼動期間(所定条件):3年又は炉材11の残り厚みが0.5mm未満となるまで
時間Δt=0.001[s]
境界温度Tの定常状態の温度を求める際の条件:|ΔT|<0.0000001[℃]
所定時間=500時間(単位時間100時間×5)
In this example, the glass melting furnace shown in FIG. 1 is used as a model, and only the temperature T 1 is changed to eight values (1300 ° C. to 1600 ° C.), and simulation is performed by the furnace material erosion amount calculation program described in the embodiment. The result was output as a graph (FIG. 11) showing the relationship between the operating time and the furnace material erosion amount. Various data set in the simulation are as follows.
<Structural data>
Thickness of molten glass 12 = 10 mm
Thickness of furnace material 11 (made brick) = 250 mm
Number of grid divisions of molten glass 12 = 30
Number of grid divisions of furnace material 11 = 10
<Operation data>
Temperature T 1 : 8 types of 1300 ° C, 1350 ° C, 1400 ° C, 1450 ° C, 1500 ° C, 1550 ° C, 1580 ° C, 1600 ° C Cooling condition of furnace material 11: Using wind of temperature 30 ° C, wind speed is 10m / s Ambient temperature around cooling glass melting furnace = 30 ° C
<Physical property data>
Thermal conductivity k of molten glass 12 = 1.2 [W / m / K]
Density of molten glass 12 ρ = 2500 [kg / m 3 ]
Specific heat c of molten glass 12 = 1400 [J / kg / K]
Imaginary part data of the monochromatic birefringence of the molten glass 12: see literature “M. Rubin, Solar Energy Materials, 12, 275-288 (1985)”. Thermal conductivity k of furnace material 11 = 4.1 [W / m / K]
Density of furnace material ρ = 3600 [kg / m 3 ]
Specific heat of furnace material c = 1000 [J / kg / K]
<Other conditions>
Initial value = T 1
Operation period (predetermined condition): 3 years or until the remaining thickness of the furnace material 11 is less than 0.5 mm Time Δt = 0.001 [s]
Conditions for obtaining the steady-state temperature of the boundary temperature T i : | ΔT i | <0.0000001 [° C.]
Predetermined time = 500 hours (unit time 100 hours x 5)

温度Tが1300℃のときのデータが実施例1、温度Tが1350℃のときのデータが実施例2、温度Tが1400℃のときのデータが実施例3、温度Tが1450℃のときのデータが実施例4、温度Tが1500℃のときのデータが実施例5、温度Tが1550℃のときのデータが実施例6、温度Tが1580℃のときのデータが実施例7、温度Tが1600℃のときのデータが実施例8である。又、参考例として、図1に示すガラス溶融炉と同様の構造を持つガラス溶融炉について稼働時間と炉材侵食量との関係を実際に計測して求めた曲線を図11のグラフに併せて示した。参考例1では、温度Tが1600℃であったガラス溶融炉(物性データ、構造データ、操業条件、その他の条件は全て上記と同一)の計測データを用い、参考例2では、温度Tが1560℃であったガラス溶融炉(物性データ、構造データ、操業条件、その他の条件は全て上記と同一)の計測データを用いた。 The data when the temperature T 1 is 1300 ° C. is Example 1, the data when the temperature T 1 is 1350 ° C. is Example 2, the data when the temperature T 1 is 1400 ° C. is Example 3, and the temperature T 1 is 1450 data of embodiment in case of ° C. 4, the data in example 5 when the temperature T 1 is the 1500 ° C., the data in example 6 when the temperature T 1 is the 1550 ° C., the data at the temperature T 1 is 1580 ° C. Is Example 7, and the data when the temperature T 1 is 1600 ° C. is Example 8. Further, as a reference example, a curve obtained by actually measuring the relationship between the operation time and the amount of erosion of the furnace material for a glass melting furnace having the same structure as the glass melting furnace shown in FIG. Indicated. In Reference Example 1, measurement data of a glass melting furnace (physical property data, structure data, operation conditions, and other conditions are all the same as described above) in which the temperature T 1 was 1600 ° C. was used. In Reference Example 2, the temperature T 1 Measurement data of a glass melting furnace having a temperature of 1560 ° C. (physical property data, structure data, operating conditions, and other conditions are all the same as above) were used.

図11から分かるように、実施例8と参考例1を比較すると、2つの曲線はほぼ同じとなっており、本プログラムによって炉材侵食量を定量的に算出できていることが分かった。又、実施例6と参考例2を比較すると、2つの曲線はほぼ同じとなっており、本プログラムによって炉材侵食量を定量的に算出できていることが分かった。   As can be seen from FIG. 11, when Example 8 and Reference Example 1 are compared, the two curves are almost the same, and it has been found that the amount of erosion of the furnace material can be quantitatively calculated by this program. Further, when Example 6 and Reference Example 2 were compared, the two curves were almost the same, and it was found that the amount of furnace material erosion could be calculated quantitatively by this program.

本発明の実施形態を説明するための炉材侵食量算出プログラムによって炉材の侵食量を求める対象となるガラス溶融炉の概略構成を示す図The figure which shows schematic structure of the glass melting furnace used as the object which calculates | requires the amount of erosion of a furnace material with the furnace material erosion amount calculation program for describing embodiment of this invention 図1に示すガラス溶融炉を1次元モデル化した図A one-dimensional model of the glass melting furnace shown in FIG. 本発明の実施形態を説明するための炉材侵食量算出プログラムによって動作するコンピュータの処理フローを示す図The figure which shows the processing flow of the computer which operate | moves with the furnace material erosion amount calculation program for describing embodiment of this invention 図2に示す1次元モデルをグリッド分割したイメージAn image of the one-dimensional model shown in Fig. 2 divided into grids コンピュータによる境界温度算出処理の流れを説明するためのフローチャートFlowchart for explaining the flow of boundary temperature calculation processing by a computer 炉材侵食速度データを示すグラフGraph showing furnace material erosion rate data 図6に示すグラフの縦軸・横軸を変えてプロットし直したグラフGraph re-plotted by changing the vertical and horizontal axes of the graph shown in FIG. コンピュータによる炉材侵食量算出処理の流れを説明するためのフローチャートFlowchart for explaining the flow of furnace material erosion amount calculation processing by a computer 本発明の実施形態を説明するための炉材侵食量算出プログラムによって出力されるグラフの一例を示す図The figure which shows an example of the graph output by the furnace material erosion amount calculation program for demonstrating embodiment of this invention 本発明の実施形態を説明するための炉材侵食量算出プログラムによって出力されるグラフの一例を示す図The figure which shows an example of the graph output by the furnace material erosion amount calculation program for demonstrating embodiment of this invention 本発明の実施例を説明するための図The figure for demonstrating the Example of this invention

符号の説明Explanation of symbols

11 炉材
12 溶融ガラス
11 Furnace material 12 Molten glass

Claims (9)

溶融ガラスによるガラス溶融炉の炉材の侵食量を数学シミュレーションにより算出する炉材侵食量算出方法であって、
前記ガラス溶融炉のモデルにおける前記溶融ガラス及び前記炉材の厚みを示す構造データ、前記炉材と前記溶融ガラスの表面とが接触する部分の真上の位置での炉材表面部分の温度や前記炉材の冷却条件を示す前記ガラス溶融炉の操業データ、並びに、前記溶融ガラス及び前記炉材の物性データを入力する入力ステップと、
前記構造データ、前記操業データ、及び前記物性データを基に、非定常熱伝導方程式を利用して、前記炉材が侵食されないと仮定した状況下で時間経過に伴う前記境界温度の温度変化を求め、前記温度変化を加算して前記境界温度を更新する処理を繰り返し、前記温度変化が所定値未満に低下したときの定常状態の前記境界温度(以下、定常境界温度という)を算出する境界温度算出ステップと、
予め実験的に求めた炉材侵食速度データを用いて炉材の物質移動流束を温度の関数として求め、前記温度に前記定常境界温度を代入して、所定時間後の前記炉材の侵食量を求める炉材侵食量算出ステップとを含む炉材侵食量算出方法。
A furnace material erosion amount calculation method for calculating an erosion amount of a glass melting furnace material by molten glass by a mathematical simulation,
Structural data indicating the thickness of the molten glass and the furnace material in the model of the glass melting furnace, the temperature of the furnace material surface portion at a position directly above the portion where the furnace material and the surface of the molten glass are in contact, An input step for inputting operation data of the glass melting furnace indicating cooling conditions of the furnace material, and physical property data of the molten glass and the furnace material,
Based on the structural data, the operation data, and the physical property data, the temperature change of the boundary temperature with the passage of time is obtained under the condition that the furnace material is not eroded using an unsteady heat conduction equation. , Repeating the process of adding the temperature change and updating the boundary temperature to calculate the boundary temperature in the steady state (hereinafter referred to as the steady boundary temperature) when the temperature change falls below a predetermined value Steps,
Using the furnace material erosion rate data obtained experimentally in advance, the mass transfer flux of the furnace material is obtained as a function of temperature, and the steady boundary temperature is substituted for the temperature, and the amount of erosion of the furnace material after a predetermined time. A furnace material erosion amount calculation method including a furnace material erosion amount calculation step.
請求項1記載の炉材侵食量算出方法であって、
前記炉材侵食量算出ステップで求めた前記炉材の侵食量に基づいて前記構造データを更新する更新ステップを含み、
所定条件を満たすまで、前記更新ステップ、前記境界温度算出ステップ、及び前記炉材侵食量算出ステップをこの順に繰り返し行う炉材侵食量算出方法。
A furnace material erosion amount calculation method according to claim 1,
An update step of updating the structure data based on the erosion amount of the furnace material obtained in the furnace material erosion amount calculation step ,
A furnace material erosion amount calculation method in which the updating step, the boundary temperature calculation step, and the furnace material erosion amount calculation step are repeated in this order until a predetermined condition is satisfied.
請求項1又は2記載の炉材侵食量算出方法であって、
前記モデルは1次元モデルであり、
前記境界温度算出ステップでは、前記構造データ、前記物性データ、及び前記操業データと、1次元非定常熱伝導方程式を離散化して得られる差分方程式とを用いて、前記定常境界温度を算出する炉材侵食量算出方法。
A furnace material erosion amount calculation method according to claim 1 or 2,
The model is a one-dimensional model;
In the boundary temperature calculation step, a furnace material for calculating the steady boundary temperature using the structure data, the physical property data, the operation data, and a differential equation obtained by discretizing a one-dimensional unsteady heat conduction equation. Erosion amount calculation method.
請求項3記載の炉材侵食量算出方法であって、
前記境界温度算出ステップに先立って、前記溶融ガラス及び前記炉材の少なくとも一方を複数のグリッドに分割する分割ステップを含み、
前記境界温度算出ステップでは、前記構造データ、前記物性データ、及び前記操業データと前記差分方程式とを用いて、前記炉材が侵食されないと仮定した状況で、ある時間が経過したときの前記グリッド同士の境界温度も求め、当該境界温度も用いて、前記定常境界温度を求める炉材侵食量算出方法。
A furnace material erosion amount calculation method according to claim 3,
Prior to the boundary temperature calculating step, including a dividing step of dividing at least one of the molten glass and the furnace material into a plurality of grids,
In the boundary temperature calculation step, using the structure data, the physical property data, the operation data, and the difference equation, the grids when a certain period of time has passed, assuming that the furnace material is not eroded. The furnace material erosion amount calculation method for determining the steady boundary temperature using the boundary temperature.
請求項3又は4記載の炉材侵食量算出方法であって、
前記境界温度算出ステップは、
前記溶融ガラスの物性データから前記溶融ガラスの単色吸収係数を求める単色吸収係数算出ステップと、
前記単色吸収係数及びふく射輸送方程式に基づいて、前記差分方程式で用いるふく射による発熱量を求める発熱量算出ステップとを含む炉材侵食量算出方法。
A furnace material erosion amount calculation method according to claim 3 or 4,
The boundary temperature calculating step includes:
A monochrome absorption coefficient calculating step for obtaining a monochrome absorption coefficient of the molten glass from physical property data of the molten glass;
A furnace material erosion amount calculation method including a calorific value calculation step for obtaining a calorific value due to radiation used in the difference equation based on the monochromatic absorption coefficient and radiation transport equation.
請求項5記載の炉材侵食量算出方法であって、
前記発熱量算出ステップは、
前記単色吸収係数の所定波長領域の平均である平均吸収係数を求め、前記平均吸収係数及び前記ふく射輸送方程式を用いて、前記ふく射による発熱量を求める炉材侵食量算出方法。
A furnace material erosion amount calculation method according to claim 5,
The calorific value calculation step includes:
A furnace material erosion amount calculation method for obtaining an average absorption coefficient that is an average of a predetermined wavelength region of the monochromatic absorption coefficient and obtaining a heat generation amount due to the radiation using the average absorption coefficient and the radiation transport equation.
請求項6記載の炉材侵食量算出方法であって、
前記所定波長領域は、波長0.31μmから16.5μmの間の領域である炉材侵食量算出方法。
A furnace material erosion amount calculation method according to claim 6,
The furnace material erosion amount calculation method, wherein the predetermined wavelength region is a region between a wavelength of 0.31 μm and 16.5 μm.
請求項1〜7のいずれか記載の炉材侵食量算出方法であって、前記炉材侵食量算出ステップで前記炉材の侵食量を求める前記所定時間は1000時間以下である炉材侵食量算出方法。 The furnace material erosion amount calculation method according to any one of claims 1 to 7, wherein the predetermined time for obtaining the erosion amount of the furnace material in the furnace material erosion amount calculation step is 1000 hours or less. Method. 請求項1〜8のいずれか記載の炉材侵食量算出方法の各ステップをコンピュータに実行させるための炉材侵食量算出プログラム。   A furnace material erosion amount calculation program for causing a computer to execute each step of the furnace material erosion amount calculation method according to claim 1.
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