Стеклоплавильные сосуды

1. Способы выработки стеклянных волокон

Способы выработки  стеклянных волокон классифицируют, исходя из двух основных принципов  формования стеклянных нитей: утонения³ струйки стекломассы и превращения ее в непрерывную нить; разделения и расчленения струи расплавленного стекла при одновременной вытяжке коротких нитей.

Из струйки  стекломассы нити вытягиваются механическим путем или с помощью воздуха  или пара. Каждый из этих способов может быть одностадийным или двухстадийным.

При двухстадийном  процессе стеклянные нити вырабатываются из стеклоплавильных сосудов или  печей, питаемых стеклянными шариками, штабиками или гранулятом.

При одностадийном процессе-из стекловаренных печей, питаемых шихтой.

Для механической вытяжки нити используют барабаны, съемные бобины, вытяжные влики, колеса или прядильные головки; вытяжка  воздухом или паром проводится с  помощью дутьевой головки.

Разделение струи расплавленного стекла условно делят на три группы способов:

-способы раздува,

-центробежные,

- комбинированные.

К первой группе относятся способы вертикального  и горизонтального раздува паром, воздухом или горячими газами; ко второй-центробежный горизонтальный (дисковый) и центробежный вертикальный (многовалковый); к третье - способ получения

ультра- и супертонких  нитей, способ центрифугально-дутьевой и центробежно-дутьевой.

В отечественной промышленности стеклянную комплексную нить получают главным образом двухстадийным способом.

Стеклянные шарики из бункера 1 автоматически подаются в стеклоплавильньхй сосуд 3 и

расплавляются в нем. В дне сосуда — фильерной  пластине- вварены короткие насадки (фильеры). Стекломасса, вытекаюшая из фильер, вытягивается в нити при помощи наматывающего механизма 7. Стеклянные нити собираются в комплексную нить в замасливающем устройстве 4 и наматываются с большой скоростью на съемную бобину 6.

Этим способом получают комплексную нить, состоящую из элементарных нитей диаметром 3-14 мкм.

Рис. 1. Схема агрегата СПА-Зс для получения непрерывного стеклянного волокна двухстадийным способом:

1-бункер; 2-дозирующее устройство; 3-стеклоплавильиый сосуд; 4-замасливающее устройство; 5-меканизм раскладки; 6-бобина; 7-наматывающий механизм; 8-электродвигатель.

Дозирование расплава стекла, вытекающего из фильер‚  производится путем регулирования температуры и уровня расплава в стеклоплавильном сосуде. Чем выше уровень расплава в сосуде, тем больше скорость вытекающей струи расплава, а чем выше его температура, тем меньше его вязкость и тем выше скорость течения его через отверстия фильер. Необходимо обеспечить непрерывное поступление стеклянных шариков в сосуд, чтобы компенсировать вытекание стекломассы через фильеры‚ и точно выдерживать температуру расплава при формовании нити.

Количество расплава стекла, вытекающего через отверстие фильеры, не зависит от скорости вытягивания нити, и поэтому, считая, что поперечное сечение нити круглое, а сама нить представляет собой цилиндр, определяют диаметр нити, сформованной при определенной скорости.

Объем, отрезка нити, полученной в течение 1 мин, будет равен объему стеклянной массы, вытекающей через фильеру в течение 1 мин.

В промышленных стеклоплавильных сосудах уровень  стекломассы поддерживается в пределах от 10 до 20 см (в зависимости от условий формования); длина фильер - от 0,3 до 0,6 см; диаметр фильер -от 0,08 до 0,35 см. Вязкость стекломассы на выходе из фильеры может изменяться от 10 до 300 Па*с в зависимости от интенсивности охлаждения стекломассы в подфильерной зоне.

Скорость вытягивания волокна достигает 60 м/с. Линейная плотность нити регулируется путем изменения температуры фильерной пластины и скорости вытягивания нити.

Промышленность  стеклянных волокон оснащена стеклопрядильными агрегатами СПА-6с и СПА-Зс, состоящими соответственно из 6 и 12 индивидуальных установок.

Стеклоплавильные  сосуды для выработки комплексной  стеклянной нити имеют от 50 до 800 фильер. Сосуды изготавливают из платинородиевого сплава. Срок службы стеклоплавильных сосудов 4-9 месяцев. После выхода сосудов из строя они заменяются новыми, а отработанный металл отправляется на переплавку и очистку от примесей (аффинаж). Стеклоплавильные сосуды разогреваются до рабочих температур (1250-1450°С) проходящим через них электрическим током силой 2000-6000 А  при напряжении 3-6 В. Такие параметры тока обеспечивают понижающие трансформаторы марки ТК12*06 и ТК 16*06. Электрическая мощность, потребляемая одной установкой, составляет в зависимости от производительности установки 10-25 кВт.

Для замасливания применяют валковые устройства, на которых замасливаются элементарные нити, которые затем соединяют в нить, или роликовые, на которых замасливание и образование нити происходит одновременно.

Наматывающий  механизм вытягивает элементарные нити из фильер путем намотки нити на вращающуюся бобину. Бобины устанавливают на двух бобинодержателях поворотного стола и приводят во вращение электродвигателем через клиноременную передачу со смежными шкивами.

Нить укладывается в паковку за счет одновременного вращения и продольного перемещения  щелевого раскладчика нити. При вращении раскладчика происходит послойно-крестовая раскладка нити, а при продольном перемещении раскладчика - укладка нити на конус. В зависимости от массы паковки и линейной плотности нити подбирается скорость продольного перемещения раскладчика для получения равновесной паковки. Производительность отдельной установки колеблется от 6 кг/сут для 100-фильерного сосуда при выработке нити диаметром 3,0 мкм (линейная плотность 1,8 текс⁴) до 300 кг/сут для 400-фильерного сосуда при выработке нити диаметром 10 мкм (линейная плотность 84 текс).

Оператор при  обслуживании установки следит за процессами формования элементарных нитей, замасливания и намотки нити на съемную бобину. При пуске установки оператор собирает в пучок грубые невытянутые элементарные нити‚ образующиеся на всех фильерах, укладывает пучок нитей в нитесборник замасливающего устройства, наматывает грубую нить на край бобины, включает наматывающий аппарат и после набора бобиной заданной скорости вводит нить в раскладчик, после чего начинается намотка нити в паковку, масса которой может достигать 1-5 кг. После завершения цикла намотки нити на бобину стол наматывающего аппарата поворачивается, бобинодержатель с запасной бобиной устанавливается в рабочее положение и на нее наматывается нить.

Бобина с намотанной нитью в это же время устанавливается  в холостое положение. Оператор снимает с бобинодержателя бобину с нитью и надевает на него пустую бобину. В случае обрыва элементарной нити у любой фильеры, или обрыва нити в замасливающем устройстве или раскладчике оператор останавливает работу наматывающего аппарата и повторяет сначала операции пуска установки. Один оператор одновременно обслуживает 3-4 установки.

Коэффициент полезного  времени работы установок составляет 0,75-0,9. От 10 до 25% стекла в виде грубой нити попадает в отходы, которые после измельчения вместе с шихтой загружаются в стекловаренную печь и используются для получения стеклянных шариков.

Разработка комплексной  нити проводится в соответствии с  заданной линейной плотностью, по качеству склейки элементарных‚ нитей и качеству намотки. Отклонения по линейной плотности стеклянной нити допускаются в пределах 15%. Для поддержания

постоянной линейной плотности нити используют регуляторы-температуры  типа ВРТ-2, обеспечивающие постоянную температуру фильерной пластины в пределах 1°С (при значениях температуры 1250-1350 °С).

Все элементарные нити должны быть склеены друг с  другом, в противном случае при размотке, крутке и текстильной переработке комплексной нити отдельные элементарные нити разрываются, нить получается ворсистой, физико-механические характеристики и внешний вид изделий из ворсистых нитей ухудшаются.

В качестве замасливателей применяют быстро застывающие эмульсии на основе парафина, водные растворы клеящих веществ, а также другие композиции, облегчающие вытягивание стеклянных нитей. Комплексная нить обычно содержит до 2—3% замасливателя. Бракованная нить срезается с бобин и в виде срезов отправляется потребителю.

Схема установки  для получения нити одностадийным способом показана на рис.2. Для получения стекломассы в ванную стекловаренную печь 1 загружают шихту в смеси со стеклянным боем.

Сваренная стекломасса  поступает в фидер 2, в дне которого размещены заборные устройства (струйные трубки) 3, подводящие стеклянную массу к фильерным питателям 4. Стекломасса вытекает из фильер, растягивается в элементарные нити, которые собираются в нитесборнике 5, образуя комплексную нить 6. Нить вытягивается валковым устройством 7, валки которого вращаются навстречу друг другу. Далее с помощью раскладчика 8 (эжекторного типа⁵) нить раскладывается на движущейся сетке конвейера 9. Получающиеся слои нитей 10, линейная плотность которых определяется скоростью движения ленты конвейера, пропитываются клеящим составом и поступают на другой конвейер ссушильной камерой. После сушки получают стеклянный холст 12, служащий армирующим материалом для стеклопластиков.

Одностадийным способом получают нити диаметром 9-20 мкм.

Рис.2. Схема установки для получения нити одностадийным способом

1- стекловаренная печь; 2-фидер; 3-струйная трубка; 4-фильерный питатель; 5-ните-сборник; 6-нить; 7-валковое устройство; 8-раскладчик; 9-конвейер; 10-жгут; 11-сушильная камера; 12-стеклянный холст.

2. Получение ультра- (УТВ) и супертонкого (СТВ) волокон.

 Процесс получения УТВ и СТВ-двухстадийный (рис.3); он основан на раздуве непрерывных стеклянных нитей потоком раскаленных газов. Из электропечи 1, питаемой стеклянными шариками, валками 5 вытягиваются нити диаметром 100-200 мкм и подаются в поток раскаленных газов 6, выходящих из сопел камеры сгорания 7 с большой скоростью. Под действием высокой температуры и кинетической энергии газового потока происходит расплавление и расчленение нитей на отдельные элементы, которые вытягиваются в тончайшие волокна. Эти волокна уносятся газами в диффузор и оседают на движущейся сетке приемного конвейера. Получающийся холстик сматывается в рулон. При изготовлении ультра- и супертонкое волокно, покрытое связующим подвергают термической обработке в камере сушки и отверждения, а затем маты склеивают алюминиевой фольгой или синтетической пленкой.

Рис. 3. Схема получения ультра- и супертонкого волокна:

1-электропечь;2-стекломасса; 3-фильера; 4-грубое волокно; 5-вращающиеся валки; 6-поток газов; 7-камера сгорания. 
 

3. Физико-механические свойства и области применения стеклянных волокон.

Ниже приводятся основные физико-механические характеристики стеклянных нитей:

Изделия из стеклянных волокон имеют низкую устойчивость к многократным изгибу и истиранию, однако эти показатели могут быть значительно улучшены после пропитки материалов лаками и смолами.

Стеклянные волокна  из бесщелочного стекла обладают высокой  стойкостью к горячей воде и пару. В кислотных средах хорошо работают стекловолокнистые материалы из кварцевого и каолинового⁶ стекла; в щелочных средах-щелочесодержащие стекловолокнистые материалы.

Адгезия⁷ лаков и смол к стеклянным нитям повышается при обработке их поверхности гидрофобными веществами на основе кремнийорганических соединений.

Электроизоляционные материалы из стеклянных волокон применяются в виде нитей, пряжи, лент, тканей и сеток. По своим электроизоляционным и механическим свойствам они превосходят все материалы из органических волокон и могут применяться в условиях повышенной влажности и температуры.

Фильтровальные  материалы, выпускаемые в виде тканей и сеток, ваты, однонаправленных нитей и холстов, отличаются стойкостью к действию агрессивных жидкостей и газов, расплавов ряда солей и металлов в широком интервале температур.

Стеклянные ткани бытового назначения применяются там, где требуется негорючесть, биостойкость⁸, повышенная прочность при растяжении. Их можно использовать для изготовления занавесей, портьер, панно, для обивки мебели, отделки интерьеров помещений, вагонов, самолетов, судов и т. д.

Световоды из стеклянных волокон нашли применение для передачи световой энергии или изображения по прямолинейному или криволинейному пути в военной технике, медицине, кинематографии, электронике. На основе световодов создаются принципиально новые сложнейшие приборы для различного рода научных исследований.

Изоляционные  изделия из стеклянных волокон благодаря  высокопористой структуре обладают повышенными тепло- и звукоизоляционными свойствами.

Стеклопластики-материалы на основе комбинаций различных стекловолокнистых наполнителей (нити, жгуты, ткани, вата и т. д.) и полимерных связующих. Наполнители воспринимают основные нагрузки при работе стеклопластиков, связующее обеспечивает склеивание отдельных нитей и способствует равномерному распределению нагрузки.