книги из ГПНТБ / Рытвин Е.И. Платиновые металлы и сплавы в производстве стеклянного волокна [учеб. пособие]

ПРЕДИСЛОВИЕ

Кинга написана в качестве учебного пособия для инженернотехнических работников предприятий промышленности стеклянного

курс лекций, читаемых автором в Московском институте повышения

витию химии, в нашей стране создана по существу новая отрасль народного хозяйства — промышленность стеклянного волокна. В со­ ответствии с Директивами XXIV съезда КПСС в девятой пятилетке промышленность стеклянного волокна получает дальнейшее разви­ тие. Специалисты этой отрасли повседневно сталкиваются с исполь­ зованием платиновых металлов и сплавов, так как именно из этих материалов изготавливается основной аппарат для выработки стек­ ловолокна — стеклоплавильный сосуд. Рациональное использование платиновых металлов, имеющих огромное народнохозяйственное значе­ ние, требует специальных знаний в области металловедения. Так как на предприятиях стеклянного волокна нет специалистов по ме­ талловедению платиновых металлов, выпуск предлагаемого учебно­ го пособия представляется необходимым. Издание такого пособия целесообразно и потому, что свойства платиновых металлов при высоких температурах сравнительно мало освещены в технической литературе.

Весьма полезные и интересные сведения о платиновых металлах содержатся п монографиях Савицкого, Поляковой и Тылкиной* и Джаффн с соавторами**. Однако в этих монографиях не рас­ сматриваются специфические свойства платиновых металлов, особо важные для использования в стеклоплавильных сосудах. Статьи, посвященные платиновым металлам и опубликованные в периодиче­

и тугоплавкие металлы платиновой группы. Пер. с англ. М., Издат-

инлит, 1963. 115 с.

7

В В Е Д Е Н И Е

Развитие мирового промышленного производства стеклянного волокна, насчитывающее около пяти десятилетий, неразрывно свя­ зано с платиновыми металлами. С увеличением объема производст­ ва стекловолокнистых материалов, особенно в послевоенный период, соответственно возрастало количество платиновых сплавов, приме­ няемых для изготовления стеклоплавильных сосудов и фильерных устройств.

Стеклоплавильный сосуд — основной аппарат в цепочке техно­ логического процесса получения стеклянного волокна. Сосуд одно­ временно выполняет две функции: электронагревателя, выделяющего тепло за счет прохождения через него тока, и емкости для плавле­ ния стекла и подготовки расплава к формованию волокна. Работа этого аппарата во многом определяет технико-экономические пока­ затели производства. В то же время условия эксплуатации стекло­ плавильных сосудов при 1200—1450° С определяют класс материа­ лов, пригодных для их изготовления. Уровень тепловых напряжений стеклоплавильного сосуда чрезвычайно высок, поэтому многочис­ ленные попытки использовать неблагородные металлы и неметалли­ ческие материалы закончились безрезультатно.

При изготовлении сосудов из лучших высоколегированных ста­ лей они быстро, через десятки часов, разрушались, не выдерживая нагрева выше 1300 °С. Взаимодействие материала сосуда с рас­ плавом стекла ухудшало показатели процесса получения стеклян­ ного волокна II ускоряло высокотемпературное разрушение металла.

Стеклоплавильные сосуды, изготовленные из вольфрама, молиб­ дена, совершенно не работоспособны в атмосфере воздуха из-за их сильного окисления, а эксплуатация таких сосудов в защитной атмосфере чрезвычайно сложна п экономически нерациональна.

за низкой термостойкости или малой стеклостойкости этих материа­ лов, а в ряде случаев вследствие специфических особенностей техно­ логического процесса производства стеклянного волокна (например, условия нагрева стекла, работа формующего узла и т. д.).

Традиционным материалом для изготовления стеклоплавильных сосудов в течение многих лет был сплав платины с 7 или 10% ро­ дня. Этот сплав способен длительно, тысячи часов, выдерживать на-

9

грев до 1300—1450 °С в условиях частых теилосмсп и воздействия расплава стекла. Однако вследствие дефицитности платины во всем мире решается проблема максимальной экономии этого металла за счет уменьшения массы сосудов, повышения срока их службы и увеличения производительности. Одновременно в ряде стран ве­ дутся работы, цель которых — частичная замена платины более де­ шевым и менее дефицитным благородным металлом палладием. Сплавы платины и палладия с другими элементами платиновой груп­ пы были предложены для использования в качестве электронагре­ вателей в 1945 г. в США. В 1967 г. в английском патенте предло­

тент на легированный палладийплатпновый сплав для выработки стекла. Сведения о практическом опробовании палладийсодержащих сплавов в фильерных устройствах для выработки стеклянного волокна были опубликованы в 1969 г. в СССР М. Г. Черняком* с соавторами, а в 1971 г. — в ФРГ Г. Рейнахером**.

В промыштемности стеклянного волокна были проведены иссле­ дования с целью экономии платины за счет совершенствования кон­ струкции и повышения производительности, однако они не привели к существенному увеличению сроков службы стеклоплавильных со­ судов. Средняя продолжительность работы сосудов не превышает 150—200 суток; часты случаи аварийного выхода их из строя. Ос­ новными причинами досрочного разрушения сосудов ныне приня­ тых конструкций являются невысокое качество изготовления, несо­ вершенство монтажа и нарушение установленного режима эксплуа­ тации. Устранение этих недостатков будет способствовать повы­ шению среднего срока службы. Срок службы сосудов может быть также повышен путем улучшения структуры и свойств платиновых сплавов. Для этого необходимо разработать и внедрить оптималь­ ные режимы технологических процессов плавки, кристаллизации, деформации, сварки и термообработки, снизить содержание вредных примесей в сплавах, рационально использовать анизотропию свойств. Большой вклад в повышение долговечности сосудов может внести снижение тепловых и механических напряжений при эксплуатации. Одновременно будут уменьшены безвозвратные потери платиновых

метр фильер, их число, плотность расположения на фильерном поле. С учетом указанных требований, а также принимая во внимание реальное качество стекла рассчи­ тываются плавильная мощность стеклоплавиль­ ного сосуда и темпера­

температура по длине и высоте его корпуса и амплитуда температурных колебаний, возникающих при загрузке стеклянных шариков.

Уровень и характер тепловых напряжений стеклопла­ вильного сосуда весьма существенно зависит от метода подачи стеклянных шариков. В конце 60-х — начале 70-х годов применялись три схемы загрузки стеклянных шариков в сосуд (рис. I): с периодической дозированной локальной подачей через трубки (рис. 1,а ), с непрерыв-

12

ной локальной подачей через трубки (рис. 1,6), с не­

Термические напряжения в стеклоплавильных сосудах при дозированной локальной загрузке стеклянных шариков

На рис. 2 показано распределение температуры по высоте корпуса сосуда с дозированной локальной загруз­ кой. Вблизи фильерной пластины (у дна сосуда) темпе­ ратура корпуса в сечении уровнемерной и загрузочной трубок имеет близкие значения. С удалением от фильер­ ной пластины значения температуры корпуса в сечении уровнемерной трубки непрерывно возрастают, опережая соответствующие значения температур в сечении загру­ зочной трубки. Это объясняется тем, что верхняя часть корпуса сосуда в сечении загрузочных трубок охлаж­ дается периодически поступающими порциями стеклян­ ных шариков, причем с увеличением производительности сосуда возрастает охлаждение верхней части его корпу­ са в сечении загрузочной трубки (рис. 3).

На рис. 4 показано, что перепад температур вдоль корпуса стеклоплавильного сосуда, возрастающий с уве­ личением производительности, по мере приближения к фильерной пластине уменьшается. На расстоянии от фильерной пластины 70 мм перепад температур вдоль корпуса сосуда, обусловленный локальной загрузкой стеклянных шариков, достаточно велик; этот перепад на расстоянии 140 мм еще больше. Зависимость перепада температуры и частоты ее колебаний во времени от съе­ ма расплава при дозированной загрузке стеклянных ша­ риков приведена на рис. 5. С увеличением производи­ тельности сосуда возрастает частота и уменьшаются ко­ лебания температуры.

Термические напряжения могут быть определены по

формуле Тимошенко:

ЫЕа

а Ä X

где Д/ — перепад температуры; Е — модуль упругости; а — коэф­ фициент термического расширения; А, — теплопроводность.

Следует также иметь в виду, что решающим факто­ ром в накоплении остаточных деформаций и разруше­ нии металла при циклической термообработке может

13

ѣо

быть частота колебаний температуры. По-видимому, за­ кономерно, что с повышением производительности со­ судов при увеличении частоты колебаний температуры (несмотря на уменьшение ее перепадов) срок службы сосудов уменьшается.

Общий анализ рис. 2—5 показывает, что при перио­ дической локальной загрузке стеклянных шариков теп­ ловые напряжения стеклоплавильного сосуда характери­ зуются следующими особенностями: 1) чрезвычайно вы­ сокий температурный максимум, приближающийся к 1450°С; такой уровень рабочих температур, составляю­ щий ~ 0,8 Т„л и более для применяемых платиновых сплавов, является уникальным; обычно рабочие темпера­ туры лучших жаропрочных сплавов, применяемых в дру­ гих областях техники, не превышают 0,6—0,7 Тпл;

вспенивании расплава стекла. Резко (на десятки, иног­ да на сотни градусов) изменяется температура сосуда при перебоях в охлаждении токоподводов и других на­ рушениях режима эксплуатации. Тепловые напряжения стеклоплавильных сосудов в значительной мере опреде­ ляют срок их службы. Снижение максимальных темпера­ тур, уменьшение температурных перепадов, и особенно их частоты, исключение случаев аварийного повышения температуры способствуют увеличению долговечности стеклоплавильных сосудов.

Термические напряжения в стеклоплавильных сосудах при непрерывной локальной и рассредоточенной загрузке стеклянных шариков

Если непрерывная загрузка осуществляется локально (через трубки, см. рис. 1, й, б), перепад температур вдоль корпуса сосуда может достигать 80—100°С (рис. 6).

15

При рассредоточенной загрузке стеклянных шариков перепад температуры вдоль корпуса сосуда, как прави­ ло, не превышает 20—30 °С (рис. 7).

При непрерывной загрузке стеклянных шариков соз­ даются более благоприятные условия эксплуатации ма­ териала стеклоплавильного сосуда вследствие уменьше­ ния действия термоударов.

Непрерывная локальная подача стеклянных шариков в сосуд (по сравнению с дозированной) приводит к не-

1Ш

^1350

1300

которому снижению (на 20—50°С) общего уровня темпе­ ратуры в верхней части корпуса сосуда. При рассредо­ точенной непрерывной загрузке стеклянных шариков до­ стигается еще большее снижение температуры в верхней части сосуда (на 30—70 °С), так как отсутствуют высо­ котемпературные участки, удаленные от мест непосред­ ственной подачи стекла. При этом способе загрузки улучшаются тепловые условия эксплуатации металла сосуда.

При неудовлетворительном осуществлении непрерыв­ ной загрузки стеклянных шариков условия эксплуатации сосуда ухудшаются. Например, в случае нарушения ра­ боты системы локальной подачи стеклянные шарики по­ ступают в трубки сосуда с разными скоростями и не­ равномерно, т. е. непрерывность загрузки нарушается,

16