1 引言
熔窯中進行著復雜的高溫物理化學變化過程，完成著從配合料到合格玻璃液的熔制過程。因為高溫，人們無法直接觀測到玻璃液內部的流動狀況，無法測定玻璃液內部的溫度分布和流動速度分布，因而無法了解澄清惡化，夾雜物產生，大量波筋以及析晶等熔制故障是如何產生的。運行中的玻璃熔窯猶如鮮活的人體，熔窯內玻璃液熔制工況出了毛病，也需要有熔窯醫生進行診斷，通過望、聞、問、診，采用診斷工具類似X照片，CT掃描等方法，找到熔窯工況毛病所在，才能確定改善熔窯的技術措施，達到治病救窯的目的。有哪些方法可以用來診斷熔制故障呢？經過工程技術人員和研究人員多年的努力，主要發展了如下三種方法用于玻璃熔窯的診斷和偵測。
2 熱工實測
在實測方法中，比較成熟的是玻璃熔窯的全窯熱工測定和熱平衡計算。該項測量任務有如醫院進行的身體全面體檢。在溫度測量項目中，可以測量熔窯表面各處的溫度，借以判定散熱強度大小，測量數據不但可以提供窯爐節能依據，也可以間接判斷熔窯內部玻璃液流動形態工況。全面的熱工標定可由中國國 際玻璃工程有限公司下屬的測試中心來完成。下面是間接判斷熔窯內部玻璃液流動形態工況的表面溫度測試診斷實例之一。同濟大學材料學院楊志強等人為昆明玻璃股份有限公司的日產450噸浮法玻璃熔窯夾雜物熔制工藝問題所作的診斷研究中，采用了池底外表面溫度分布的測量方法，通過外表面溫度分布可以間接推測池底玻璃液的溫度分布，進而判斷內部玻璃液兩個對流環流的底部平衡點位置，為熔制工藝問題診斷提供了有力的一手數據支持；實踐證明這是一個很好的方法。
熔窯玻璃液停產卸空后，求證玻璃液流的流動形態還可以通過觀察在玻璃熔窯底部以及池壁耐火材料上的玻璃液沖刷痕跡，判斷該熔窯在運行過程中玻璃液流形態的大致情況，為分析和制訂熔窯進一步改進方向提供依據。同濟大學材料學院在浮法玻璃熔窯工藝診斷中使用了這種方法，用以證明數值模擬和物理模擬與實際熔窯工況的一致性，強化了對熔窯內玻璃液流動規律的認知。
實際熔窯玻璃液流中玻璃液質點的流動軌跡可以通過同位素追蹤方法來確定。首先在配合料中投入同位素質點，在熔窯周圍布置檢測裝置來定位同位素質點的運動過程，跟蹤同位素質點運動軌跡。這種方法技術要求高，實現困難，實際工程中很少采用。另外一種方法是造影法，在投料中脈沖法加入造影劑，在玻璃窯池壁一側設有伽瑪射線發射裝置，另一側設有同步接受裝置，兩側同步掃描玻璃熔窯的玻璃液，由于造影元素的吸收伽瑪射線能力很強，因此可以獲得熔窯二維電子圖像，通過影像分析得到玻璃液中的換料動態濃度分布信息。
如果使用紅外攝像機來拍攝熔窯大碹的外表面溫度分布，也可以通過紅外圖像分析得到大碹溫度分布特征，進而判斷內部工藝狀況是否合理。該技術是實用可行的測試技術之一，紅外圖像還可以用來支持驗證數值模擬獲得的大碹外表面溫度分布計算結果。
實際操作中，可以通過不同部位觀察孔用光學高溫計測量熔窯內部指定點溫度，間接獲得大型浮法玻璃熔窯中玻璃熔制工況的信息。使用這種方法有時可以獲得較好的效果。
3 物理模擬
由于實際測量的困難以及獲得信息的有限性，大多數情況下，實際測量數據還不足以用來診斷玻璃熔窯熔制工況，不足以用來確診問題所在并為熔窯改造提供依據。除了對正在運行的熔窯進行診斷分析，有時還要對新窯型以及熔窯技術改造新方案進行論證，物理模擬和數值模擬方法將是另外兩個十分有效的方法。
物理模擬方法是再現玻璃熔窯中玻璃液流動工況的有效方法之一。在流體力學領域大量使用模型實驗來研究工程問題。例如研究飛機飛行中的浮力和阻力等動力學數據，不可能在天空上直接測量，只能采用相對運動原理，通過模型試驗測試飛行中空氣動力學數據并進行改進工作；研究水利工程中大壩和水與泥沙的相互作用，模型試驗也是非常有力的工具。熔窯中玻璃液流運動規律也可以通過模擬試驗的方法來進行研究。
物理模擬以流體力學的相似定律為指導，建立對應熔窯玻璃液的模擬液運動模型，在相似的邊界條件作用下，可以觀察、測量和拍攝模擬的流動形態和溫度分布，通過改變方案，研究模擬的玻璃液變化規律，幫助診斷窯型變化以及其它工藝參數變化引起的玻璃液流動形態變化，確定相應流動形態對玻璃液熔制工藝的影響。
除了對大型熔窯內玻璃液流場和溫度場進行物理模擬之外，對全電熔窯進行電場分布的物理模擬也是十分有效的，依據物理模擬可以獲得電極布置、供電方式、供電參數，玻璃液對流狀態以及溫度分布等等多種信息，用于指導全電熔窯的設計和解決熔制障礙的依據。這種比例模型預演了全電熔玻璃窯地運行工況，在直觀、感性和電器參數的可靠性上，比全電熔數值模擬更加優越。
同濟大學材料學院的大型玻璃熔窯模擬實驗室是在原國家建材局科技司的支持下建立起來的，十幾年來為玻璃行業將近三十個廠家提供了物理模擬試驗的服務，為揭示熔窯中玻璃液流運動規律提供了豐富的試驗研究基礎。
2006年同濟大學材料學院的玻璃熔窯模擬實驗室為昆明玻璃集團提供了玻璃熔窯夾雜物產生原因的診斷性研究服務，該問題困擾廠家一年半的時間，通過模擬試驗研究診斷出了問題的關鍵所在，在診斷的基礎上，廠家制訂了合理解決方案，使熔制工藝障礙迅速好轉。在長期的為玻璃行業提供技術服務基礎上，同濟大學材料學院的玻璃熔窯模擬實驗室形成了自己特色的解釋玻璃熔制工藝過程的工程理論假設，這些基于試驗和實踐的理論假設為大型熔窯中玻璃液熔制工藝問題提供了很好的分析基礎。經過實踐檢驗，依據部分理論假設的熔制工藝特性預報與實際工況有很好的符合度。
4 數值模擬
無論是實際測量和還是物理模擬都有其局限性，實際測量無法觀測玻璃液內流動工況，物理模擬可以觀測到模擬的玻璃液流動工況，但試驗條件受環境影響很大，測試環節要求很高，數據再現性和準確度都與試驗環境相關，況且部分工藝要素還無法實現物理模擬。
數值模擬方法依據流體動力學方程以及傳熱傳質方程。這些數學物理方程全部是微分方程。選定描述熔窯中玻璃液物理化學變化過程的數學物理方程，求出其在給定邊界條件下對于具體問題的特解，就是數值模擬的過程。求解這樣復雜的數學物理方程必需采用離散的方法，建立離散化的數值方程，利用計算機編程完成求解的過程。
與實測方法和物理模擬方法不同，數值模擬過程是計算過程，不是自然物質的運動過程。如果數學模型建立正確，計算正確，則計算結果能夠反映自然物質的運動過程。反之，可能數值模擬結果與實際情況相差甚遠，不符合自然界的流體運動規律。正確的做法是利用實測分析，物理模擬結果對數值模擬分析結果進行對比分析，如果來自三個方面的分析保持一致，則說明數值模擬的分析結果是比較可靠的。
可靠的數值模擬方法可以完成很多有效率的工作，對于同一方案，數值模擬結果重復性很強，不像實測數據和物理模擬數據那樣受實測工況的影響。因而，數值模擬方案對比分析更能保證改變給定工藝參數與所引起的流動形態和溫度分布改變之間的對應關系，對于建立量化對比分析十分有用。很多不能建立物理模型的問題，建立數值模型可能是十分方便的。
采用數值模擬方法分析玻璃熔窯的熔制工藝問題已有很多文獻報道。十年前，流行的方法是各大專院校研究生自己動手編制計算機程序，模擬計算專門的問題。近幾年，大量的流體力學商業軟件（CFD）也可以應用到玻璃熔制工藝問題上。比較有名的CFD軟件有PHOENICS,FLOW3D,FLUENT,ANSYS等等。
同濟大學材料學院的玻璃熔窯模擬實驗室不但使用實測和物理模擬方法來診斷玻璃熔窯中的問題，而且還長期使用自己編制的CFD軟件及商業CFD軟件來輔助研究熔窯中玻璃液的運動規律。該實驗室采用商業軟件建立的三維玻璃熔窯的數值模型可以很好描述玻璃液流運動規律，還可以用動畫的形式把火焰，粒子流動軌跡，溫度分布展現出來。同濟大學在與江蘇華爾潤集團的合作中，通過數值模擬、物理模擬等手段的相互配合研究，在日產600噸浮法熔窯的池底減淺，日產900/1000噸浮法玻璃熔窯玻璃液流工況分析等技術問題上取得了豐富的試驗數據，依據這些數據的研究報告為熔窯改造與設計方案討論提供了多角度的分析基礎。
5 結論
玻璃熔窯及其玻璃液熔制工藝是非常復雜的化學工藝之一，也是獨特的高溫化學反應工程。大型玻璃熔窯造價昂貴、運行費用很高、能耗很高、運行環境苛刻，這些特征限制了玻璃熔窯性能的技術革新進程，因為在大型熔窯上的些微失誤帶來的損失是巨大的。正因為如此，盡管工程技術人員每天維持著玻璃熔窯的正常運行，很少有人能夠完全解釋熔窯中發生的玻璃熔制工藝問題。在解決熔制工藝問題中也往往是病急亂投醫，或是冒險拍腦袋做嘗試，很多時候這種做法付出的代價是巨大的，當然這些冒險嘗試也是推動熔窯技術進步的一種途徑。
本文通過推介熔窯內玻璃液熔制工況的偵測方法及診斷應用實例，說明了解決熔窯玻璃液熔制工藝問題正確途徑。只有采用了正確的診斷工具，得到了準確的信息，才能在診斷數據的基礎上結合玻璃熔制工藝理論確診熔制障礙的關鍵所在。實踐證明，這種解決問題的途徑極大化解了技術風險，快速找到了關鍵問題，規避了熔制障礙造成的重大經濟損失。
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