Стеклоплавильные сосуды

4. Выбор сплава

1. Стеклоплавильные  сосуды

Стеклоплавильные  сосуды для выработки комплексной  стеклянной нити имеют от 50 до 800 фильер. Сосуды изготавливают из платинородиевого сплава.

 Стеклоплавильный  сосуд изготовляется из платино - родиевого сплава и имеет форму лодочки.

Стеклоплавильный  сосуд с прикрепленными к его токоподводам зажимами помещают в каркас электропечи и подключают к шинам понизительного трансформатора. Температуру сосуда повышают примерно до 1000 С, проверяя при этом равномерность разогрева фильерного поля. Одновременно констатируют отсутствие местных перекалов. В случае неравномерного разогрева необходимо выяснить и устранить его причину, используя, в первую очередь зажимную длину токоподводов. Равномерность разогрева фильерной пластины проверяют оптическим пирометром⁹; при этом отверстия всех трубок сосуда должны быть закрыты огнеупорными плитками. Если при контрольном разогреве обнаруживают местный перекал, вызванный плохой проваркой швов или другими причинами, сосуд направляют в ремонт.

 Стеклоплавильный  сосуд, заполненный стекломассой, ввиду небольшой массы ( - 10 кг) обладает малой тепловой инерцией. В связи с этим периодическая  загрузка в сосуд холодных  стекло-шариков, как известно, является  причиной образования в стекломассе  местных охлажденных участков и колебаний температуры.

Современные стеклоплавильные сосуды имеют 204 фильеры, что позволяет  одновременно вытягивать до 204 элементарных волокон, которые после прохождения  формирующего устройства объединяются в первичную нить. В зависимости  от того, сколько элементарных волокон  должно содержаться в первичной  нити, для получения того или иного  вида стекловолокнистого наполнителя  применяют сосуды, содержащие 51, 102 и 408 фильер.

 Современные  стеклоплавильные сосуды характеризуются  большой глубиной; загрузка стеклошариков  в них рассредоточена по трем  трубкам, что обеспечивает равномерное  распределение температур по  длине фильерного поля; сосуды  снабжены сеткой, гомогенизирующей¹⁰ стекломассу. Такая конструкция сосудов при хорошем качестве стеклошариков обеспечивает выработку волокна с обрывностью, не превышающей 1 - 2 обрыва на килограмм волокна.

 Разрабатывается  400-фильерный стеклоплавильный сосуд  повышенной производительности; при  его работе вытягивание нити  будет производиться двумя наматывающими механизмами.

Срок службы стеклоплавильного сосуда в значительной степени зависит от правильного  режима его эксплуатации и качества сплава, из которого он изготовлен. Недопустимыми  примесями для платинородиевых сплавов являются сурьма, селен, углерод и свинец.

 В капиталистических  странах стеклоплавильные сосуды  изготовляют из платинородиевого сплава, содержащего 90 % платины и 10 % родия.

Из фильер платинородиевого стеклоплавильного сосуда вытягивают первичные волокна диаметром 100 - 200 мк¹¹, которые через стеклопитатель подаются в высокотемператуный газовый поток, выходящий из сопла камеры сгорания со скоростью 250 - 300 м /сек. Под действием газового потока первичные волокна размягчаются и раздуваются в тонкие короткие волокна - 2 мк.

 Уровень же  стекломассы в стеклоплавильном  сосуде и скорость вытягивания  влияют на диаметр волокна в меньшей степени.

 В промышленности  стеклянного волокна применяют стеклоплавильные сосуды конструкции ВНИИСВ¹² и Гусевского завода стекловолокна. Вследствие высокой стеклостой кости материала исключается загрязнение стекломассы; очень малая смачиваемость материала предупреждает затекание фильерной пластины и фильер.

При понижении  уровня стекломассы в стеклоплавильном сосуде увеличивается влияние температурных  толчков при загрузке холодных стеклянных шариков и уменьшается тепловая инерция электропечи, что также  вызывает увеличение обрывности волокон.

Продолжительность плавления стеклошариков из-за большой  глубины стеклоплавильного сосуда и наличия в нем сетки значительно  меньше, чем в применявшихся ранее малогабаритных сосудах.

 Установлена  также зависимость обрывности  волокон от температуры стеклоплавильного сосуда.

Загрязнения на поверхности стеклошариков снижают  срок службы стеклоплавильных сосудов. Самые незначительные металлические  примеси, особенно железа, на поверхности  шариков вызывают рекристаллизацию платины, делают ее хрупкой, что неизбежно приводит к образованию трещин. Попадание в сосуд кусочков железа и других металлов вызывает немедленный выход его из строя.

 Диаметр вытягиваемых  волокон определяется уровнем  стекломассы в стеклоплавильном  сосуде, вязкостью стекла, диаметром  отверстий (фильер) и скоростью вытягивания.

Поэтому, чтобы  поддерживать температуру стекломассы  в стеклоплавильном сосуде на прежнем  уровне, с течением времени необходимо увеличивать напряжение на токоподводах. Такая корректировка периодически проводится на предприятиях.

 Огромная  скорость, сообщаемая стекломассе  при выходе из фильеров стеклоплавильного  сосуда, увеличение поверхности  стекла при образовании волокна  вызывают явление, аналогичное  закалке металлов на воздухе.  Продолжительность охлаждения стеклянных  волокон не превышает 10 - 4 секунды.  С уменьшением диаметра волокна  уменьшается и количество дефектов - внезапное замерзание препятствует их появлению.

Дозатор (автозагрузчик) служит для подачи определенной порции стеклошариков в стеклоплавильный сосуд. Неполадки, возникающие при работе дозатора, их причины и меры по устранению.

 К технологическим  причинам относятся: слишком низкая  и слишком высокая температура  стеклоплавильного сосуда; неоднородность  волокна по диаметру; перепад  температуры по длине фильерной  пластины; пониженный или повышенный  уровень стекломассы в сосуде  (менее и более 100 мм); увеличенная скорость вытягивания; неполная дегазация стекла в процессе стекловарения.

 Наибольшую  прочность композиции обеспечивает  параллельная укладка элементарных  волокон, вытягиваемых непосредственно  из фильер стеклоплавильного  сосуда, с одновременным нанесением на них связующего. Данный способ исключает применение замасливателей и текстильную переработку стеклянных волокон. Связующее защищает чистую поверхность только что вытянутых волокон от внешних воздействий и равномерно распределяется по поверхности каждого волокна, что в сочетании с ориентацией и натяжением волокон обеспечивает наиболее высокие показатели физико-механических свойств пластика. Такой способ изготовления применяют при производстве оболочек, имеющих форму тел вращения, из волокон большого диаметра (более 15 - 20 мкм), поскольку текстильная переработка таких волокон практически невозможна. Сравнительно низкая производительность существующих стеклоплавильных сосудов и необходимость прибегать к большим окружным скоростям намотки на формующую оправку ограничивают использование данного способа.

Отсортированные и промытые стеклошарики загружают в расходный бункер автозагрузчика, откуда они периодически направляются дозатором в стеклоплавильный сосуд электропечи. Автозагрузчик поддерживает постоянный уровень стекломассы в сосуде. Получив соответствующий импульс при понижении уровня стекломассы в сосуде, дозатор автозагрузчика, срабатывает и подает, в зависимости от настройки, один-три шарика, которые по наклонным лоткам скатываются в загрузочные трубки и падают на зеркало стекломассы в стеклоплавильном сосуде. Под действием высокой температуры ( 1350 - 1400 С) шарики нагреваются и затем плавятся.

 Дозирование  расплава стекла, вытекающего из  фильер, производится путем регулирования  температуры и уровня расплава в стеклоплавильном сосуде.

2. Влияние легирования на жаропрочность  платиновых сплавов

     Влияние легирующих элементов на свойства сплавов, используемых в конструкциях стеклоплавильных устройств для производства стеклянного  волокна, обычно оценивается по пяти основным параметрам:

1. Жаростойкость и стеклостойкость – способность противостоять химическому разрушению поверхности под действием воздуха и стекла при высоких температурах.

2. Жаропрочность - способность материалов работать под напряжением в условиях повышенных температур.
3. Термостойкость - способность противостоять термическим напряжениям, вызванными теплосменами.
4. Технологичность – комплекс свойств материалов, которые определяют методы обработки материалов на всех технологических переделах, включая свариваемость.
5. Смачиваемость расплавами – важный фактор в процессе формования волокон из оксидных расплавов, обычно оценивается по краевому углу смачивания: чем он меньше, тем выше склонность расплава к затеканию фильер.

     Условия изготовления и эксплуатации изделий  из платиновых сплавов накладывает  ряд ограничений на способы и  степень их упрочнения. Использование  многофазных сплавов неприемлемо  из-за неизбежного в этом случае падения химической стойкости и  технологичности, неблагородные элементы могут использоваться как микродобавки (до 0,1 %), поскольку при больших  концентрациях существенно падает стеклостойкость сплавов. Поэтому, практический круг возможных легирующих элементов платины ограничен  несколькими металлами платиновой группы и золотом. 
 

Таблица 1. Физические свойства платиновых металлов и золота

     Указанные в табл.1 легирующие элементы, в пределах их растворимости, образуют с платиной твердые растворы замещения, и эффект упрочнения определяется степенью искажения  кристаллической решетки металла-основы, который может быть оценен по различиям  в атомных радиусах элементов. Эти  соображения справедливы при  сравнительно низких температурах, а  при более высоких температурах, соответствующих температурам эксплуатации оборудования для получения стеклянных волокон, необходимо учитывать влияние  легирующих элементов на температуру  плавления.

     Легирование более тугоплавкими металлами предпочтительнее, поскольку, чем выше будет температура  плавления сплава, тем больше прочность  межатомных связей, тем меньше подвижность  атомов и, следовательно, выше при той  же температуре жаропрочность. Если температура плавления сплава ниже, чем металла – основы, то при  высоких температурах чистый металл может оказаться прочнее сплава.

     Например, палладий и особенно золото при комнатой температуре упрочняют  платину, а уже при температурах выше 1350 °С прочность соответствующих сплавов  не превышает прочности чистой платины. Недостатком платино-палладиевых  сплавов является их относительно низкая стеклостойкость, а в платино-золототых  сплавах  уже при температурах выше 1200 °С наблюдается интенсивная  возгонка ¹³легирующего элемента.

     Иридий  является эффективным упрочнителем платины, практически не снижающим  ее стеклостойкость, однако использование  платиноиридиевых сплавов в воздушной  среде при температурах выше 1000 °С сопряжено с избирательным окислением иридия с образованием летучих оксидов  и, как следствие, значительными  потерями металла.

     Наибольший  практический интерес имеют платинородиевые сплавы. Родий существенно повышает жаропрочность платины, при этом заметно не снижает жаро- и стеклостойкость. Повышение содержания родия в сплаве ведет к снижению смачиваемости расплавом стекла, однако при этом снижаются показатели технологической пластичности, свариваемости, высокотемпературной пластичности и термостойкости.

     Промышленные  платинородиевые сплавы (таблица 2) содержат до 40 % родия, но с точки  зрения выбора сочетания характеристик  жаропрочности и технологичности  оптимальным для применения в одностадийном способе получения стеклянных волокон является сплав ПлРд20, для двустадийного производства стекловолокна, где неизбежны частые теплосмены в районе загрузочных элементов СПА, подходит более термостойкий сплав платины с 10 % родия. Для выработки особотугоплавких стеклянных волокон с эксплуатационными температурами до    1700 °С применяются сплавы с 30-35 % родия.