книги из ГПНТБ / Рытвин Е.И. Платиновые металлы и сплавы в производстве стеклянного волокна [учеб. пособие]
.pdfучастки сосуда в сечении трубки с ограниченной пода чей шариков перегреваются, а другие участки, вблизи зоны их наиболее интенсивной подачи, имеют понижен ную температуру. В результате возникает существенно неравномерное распределение температур по корпусу стеклоплавильного сосуда; в этих условиях возрастает опасность его ускоренного разрушения.
Температура стеклоплавильного сосуда существенно зависит от качества стеклянных шариков. Исследования* показали, что в зависимости от качества исходного стек ла, в частности от содержания в нем газов, должна изме няться температура расплава и соответственно корпуса сосуда при эквивалентных параметрах технологическо го процесса формования волокна. Чем больше содер жится газов в исходном стекле, тем выше должна быть температура расплава для нормального процесса волокнообразоваиия. Практически в зависимости от реального качества исходного стекла максимальная температура корпуса сосуда при непрерывной рассредоточенной за грузке шариков может изменяться от 1320—1350 до
1370—1400 °С.
Приведенный анализ показывает, что для уменьше ния тепловых напряжений стеклоплавильного сосуда не обходимо снизить максимальные температуры, умень шить величину и частоту температурных перепадов во времени, снизить перепады температур по длине сосуда. Для этого необходимо улучшать качество стекла, осу ществлять непрерывную загрузку стеклянных шариков, преимущественно рассредоточенную, исключать возник новение таких аварийных ситуаций в процессе эксплуа тации сосуда, при которых возможен его локальный или общий перегрев.
Глава II
КАЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СТЕКЛОПЛАВИЛЬНЫХ СОСУДОВ
К факторам, определяющим механические напряже ния стеклоплавильного сосуда (рис. 8), следует отнести: 1) собственный вес отдельных элементов конструкции, не
* Ш у л е Э. |
X., К у т у к о в С. С Р ы-т.и и.н ,."Е7 |
;-.J?"-яп |
|
||
Стекло и керамика, |
1971, № 6, с. 21—24. |
* |
• • • L)с Vупч; " У |
J |
|
|
|
|
|
2—2404 |
•17 |
имеющих жесткой опоры по всей площади (например, собственный вес узла перекрытия с загрузочными труб ками; собственный вес экрана и т. д.); 2) вес стекла; 3) вес керамических монтажных элементов (при опре деленных условиях монтажа или эксплуатации); 4) вес медных водоохлаждаемых токонесущих холодильников, прикрепляемых к токоподвода,м (при неудовлетворитель ном монтаже); 5) периодическое растрескивание стек лянных шариков и «бомбардировка» их осколками эле-
Рис. 8. Схема стеклоплавильного сосуда и его монтажа:
1 — экран; 2 — узел перекрытие — загрузочная трубка; 3 — подоохлаждаемые токонесущие холодильники; 4 — керамические монтажные элементы;
о — наклонная и вертикальная боковые стенки; 6 — фильерный узел; 7 —• узел токоподвод — торец.
ментов корпуса сосуда; 6) давление инструмента на трубки и экран при отладке системы загрузки обслужи вающим персоналом; 7) давление расплава стекла, ока зывающегося в аварийных случаях между обмуровкой (керамикой) и корпусом сосуда. Эти факторы условно можно разделить на постоянно действующие и слу чайные.
Напряжения в сосудах, возникающие под влиянием постоянно действующих факторов
Напряжения, создаваемые собственным весом эле ментов конструкции сосуда, относятся к постоянно дей ствующим. В зависимости от конструкции эти напряже ния могут менять характер и величину. При дозирован ной локальной загрузке стеклянных шариков на пере крытие действуют его собственный вес и вес трубок. При непрерывной локальной загрузке размер трубок
18
уменьшается, и напряжения, возникающие в перекры тии, соответственно понижаются. В конструкциях сосу дов с непрерывной рассредоточенной загрузкой стеклян ных шариков (типа «Домна») перекрытие и трубки во обще отсутствуют. Однако в этих сосудах могут воз никать аналогичные напряжения от действия собствен ного веса других элементов, например куполообразных экранов. Хотя напряжения, возникающие в результате действия собственного веса элементов конструкции, от носительно невелики, в условиях эксплуатации при тем пературах выше 0,8 Гпл они представляют реальную угрозу для ускоренного разрушения сосуда. Это объяс няется тем, что при указанных температурах даже при очень малых напряжениях может интенсивно развивать ся ползучесть металла.
Напряжения от действия собственного веса можно снизить, изменяя не только конструкцию сосуда, но и схему монтажа. Монтажная керамика, соединенная с элементами сосуда, поддерживает их, вследствие чего уменьшаются растягивающие напряжения от собствен ного веса. Наиболее радикальный путь снижения растя гивающих напряжений, возникающих под действием соб ственного веса, — это сочетание оптимальной схемы мон-
•тажа и малонапряженной конструкции, элементы кото рой преимущественно выполняют функции «прокладок» и работают на сжатие. Классическим примером такого сочетания является сосуд с наклонной боковой стенкой, которая при правильном монтаже как бы лежит на ке рамической опоре. При этом деформации под действием растягивающих напряжений почти исключены. Боковая стенка работает как «прокладка» между расплавом стекла (внутри сосуда) и керамическим брусом (сна
ружи) .
Вес стекла, загружаемого в сосуд, так же как собст венный вес элементов конструкции, создает преимущест венно растягивающие напряжения. Под действием веса стекла могут ускоренно деформироваться фильерная пластина (во всех типах сосудов, особенно в многоряд ных) или куполообразный экран (в сосудах типа «Дом на»). Для уменьшения отрицательного влияния постоян но возникающих напряжений от веса стекла необходи мо создавать системы опор. Применяемые керамические опоры фильерной пластины уменьшают ее деформацию
2* |
19 |
при ползучести. Точно так же уменьшается отрицатель ный эффект от действия веса стекла в ранее рассмотрен ном примере опоры боковой наклонной стенки на кера мический брус.
Уменьшение растягивающих напряжений снижает ' деформацию элементов сосуда при эксплуатации, повы шает его долговечность и снижает потери драгоценных металлов.
Напряжения, создаваемые за счет погрешностей монтажа и нарушений правил эксплуатации сосудов
Монтаж сосуда в керамические материалы преследу ет прежде всего обеспечение нормального разогрева. Однако не менее важно создать благоприятные условия эксплуатации сосуда. Монтаж следует выполнять по схе ме (см. рис. 8), практически исключающей давление ке рамики на сосуд и дающей возможность использовать керамику как поддерживающий или опорный элемент.
В реальных промышленных условиях с помощью мон тажа не всегда удается устранить механические напря жения в сосуде. Это может происходить по двум причи нам. Во-первых, до ввода в эксплуатацию сосуд иногда монтируют так, что керамические элементы могут непо средственно оказывать механическое воздействие на де тали сосуда (например, керамические трубки могут да вить на перекрытие сосуда). Во-вторых, при исходном монтаже, исключающем возникновение механических на пряжений, в процессе эксплуатации сосуда керамика мо жет растрескаться и расколоться, ее опорно-поддержи вающая функция нарушится, а отколовшиеся куски ке рамики явятся причиной возникновения механических напряжений.
Давление керамики на сосуд нельзя считать неизбеж ным явлением. Оно имеет место в тех случаях, когда монтажу сосудов не уделяют должного внимания. Нель зя также считать неизбежным напряжение, создаваемое Бодоохлаждаемыми холодильниками, прикрепленными к токоподводам сосуда. Если вес холодильника передает ся на токоподвод, то напряжения наиболее сильно про являются на участке соединения токоподвода с торце вой стенкой, а также на самой торцевой стенке. Напря
жения в указанных участках могут привести к отрыву токоподвода, к деформации и разрушению торцевой
20
стейки. Это же происходит, если сосуд оказывается «под вешенным» на токопроводах, т. е. если не имеется не обходимой керамической опоры.
В практике эксплуатации сосудов иногда наблюдает ся растрескивание загружаемых стеклянных шариков. По-видимому, это обусловлено внутренними напряже ниями стекла. Растрескивание стеклянных шариков мо жет сопровождаться отскакиванием осколков, «бом бардирующих» стенки сосуда. Процесс этот произволь ный и пока не регулируемый. Для уменьшения действия осколков стекла на стенки сосудов используют экраны. По предварительным наблюдениям, в условиях непре рывной загрузки стеклянных шариков их растрескивания почти не наблюдается.
Значительные механические напряжения возникают при вмешательстве обслуживающего персонала в рабо ту системы загрузки стеклянных шариков, которое про является в проталкивании или извлечении шариков, за стрявших в загрузочном узле стеклоплавильного сосу да. При этом оказывается непосредственное давление не только на загрузочную трубку сосуда, но и на другие элементы—- экран, перекрытие и т. д. Результатом тако го воздействия часто является деформация и разруше ние верхней части стеклоплавильного сосуда.
На практике при демонтаже стеклоплавильных сосу дов иногда можно видеть, что боковые стенки демонти рованного сосуда оказываются вогнутыми, в результате чего его объем может уменьшиться на 20—25%. Как правило, это происходит при использовании для монта жа жестких керамических блоков. Предполагают, что при нарушении целостности сосуда или в силу других причин (например, при переливе через трубку) расплав стекла скапливается между стенками корпуса и жестким керамическим блоком. Не исключено, что стекло, оказы вая давление на стенки сосуда, может деформировать их внутрь на участках выше уровня расплава в сосуде.
Глава III
РОЛЬ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СТЕКЛОПЛАВИЛЬНЫХ СОСУДОВ
В процессе эксплуатации стеклоплавильный сосуд снаружи окружен воздухом, а значительная часть внут ренней поверхности корпуса соприкасается со стеклом.
21
Почто вся наружная поверхность сосуда (кроме фильерного узла и прилегающих к торцевым стенкам участков токоподвода) защищена теплоизолирующим керамиче ским слоем. Крайние участки токоподводов соединены с медными водоохлаждаемыми холодильниками. При эксплуатации сосуда рабочей средой, находящейся в со прикосновении с конструкцией из благородных металлов, следует считать воздух, стекло, керамику и медь (мед ный сплав). Однако контакт благородных металлов с медью холодильника имеет место при температурах ни же 100° С, когда никакого взаимодействия платиновых металлов и меди практически не происходит; взаимо действие платиновых металлов и меди возможно только при перегреве холодильника из-за отсутствия воды или при неудовлетворительном контакте холодильника и то коподвода. В аварийных ситуациях возможно взаимо действие благородного металла сосуда с другими эле ментами при проталкивании или извлечении стеклянных шариков металлическим инструментом, попадании по сторонних предметов через загрузочные трубки, прикос новении подфнльерных холодильников к фильерному узлу, загрязнении стекла н керамики различными при месями и включениями.
Влияние воздушной атмосферы на поведение платиновых металлов при эксплуатации сосудов
При взаимодействии воздушной атмосферы с плати новыми металлами в условиях высокотемпературного нагрева возможна адсорбция кислорода на поверхности металла и последующее образование твердого или газо образного окисла. При температурах выше 1000 °С взаимодействие кислорода воздуха с платиновыми ме таллами не приводит к интенсивному образованию окис лов, резко изменяющих поверхностные свойства метал лов и исключающих возможность их применения. В этом одно из главных преимуществ платиновых металлов перед редкими металлами, например молибденом и вольфрамом. Основным практически важным результа том взаимодействия кислорода воздуха с платиновыми металлами при температурах выше 1000 °С следует счи тать их возгонку в результате образования летучих окислов. Этот процесс вносит значительный вклад в ве-
22
личину безвозвратных потерь платиновых металлов при эксплуатации стеклоплавильных сосудов. Кроме того, в некоторых сплавах, например в сплавах системы пла тина — рутений, интенсивное образование летучего окисла, в частности Ru03, может вызвать нежелательные изменения структуры и свойств на поверхности металла. Интенсивность возгонки платиновых металлов в сильной степени зависит от природы металла, температуры и деи ствующих иапряжений.
Насыщение воздуха другими составляющими (поми мо кислорода и азота), например водяным паром или окисью углерода, значительно усложняет механизм взаимодействия газовой среды с платиновыми металла ми. Водяной пар легко адсорбируется на поверхности платиновых металлов. Диссоциация адсорбированного водяного пара в некоторых случаях может привести к поглощению водорода металлом и способствовать его более быстрому разрушению. Это в принципе возможно при насыщении палладия водородом.
Водяной пар и окись углерода, содержащиеся в воз духе, создают благоприятные условия для восстановле ния окислов неблагородных элементов. Это особенно опасно тогда, когда происходит восстановление окислов различных элементов в керамической обмуровке или окислов примесных элементов платиновых металлов. Восстановленные неблагородные элементы вступают во взаимодействие с платиновыми металлами и вызывают их быстрое разрушение.
Роль стекла в условиях эксплуатации стеклоплавильных сосудов
При температурах выше 1000 °С стекло рассматрива ется как агрессивная среда по отношению к большинст ву металлических и тугоплавких неметаллических мате риалов. Стекло оказывает интенсивное коррозионное воздействие на различные конструкционные материалы и ухудшает их механические свойства. Наиболее стекло стойкими среди всех известных материалов являются металлы платиновой группы. Но и эти металлы взаимо действуют со стеклом — корродируют и растворяются в нем. Одновременно происходит изменение механических
23
свойств платиновых металлов. Степень воздействия стек ла на металлы платиновой группы сильно зависит от природы металла, от состава стекла, температуры и дей ствующих напряжений. Принципиально важно, что по падание в стекло черных и цветных металлов или метал лоидов делает его чрезвычайно агрессивным по отноше нию к платиновым металлам, и поэтому часто приводит к быстрому разрушению стеклоплавильного сосуда. Ско рость такого разрушительного взаимодействия зависит от природы и концентрации попадающих в стекло ино родных материалов, температуры и действующих напря жений. Другой важнейший результат взаимодействия стекла и платиновых металлов — необратимое растворе ние этих металлов в силикатном расплаве, что, естест венно, увеличивает безвозвратные потери.
Влияние керамической обмуровки на стойкость платиновых металлов при эксплуатации сосудов
Платиновые металлы при высокотемпературном на греве достаточно инертны к классическим керамическим материалам типа А120з, Sі02, Zr02 пли их смесям. Одна ко содержание в этих материалах примесей неблагород ных элементов, например железа, алюминия, меди, свин ца, серы, фосфора и других, делает керамику агрессив ной по отношению к платиновым металлам в условиях эксплуатации стеклоплавильных сосудов. Весьма опас но содержание в керамике окислов, легко восстанавли вающихся до металла в восстановительной атмосфере, например при наличии углерода в газовой фазе. Окислы некоторых элементов по своей природе агрессивны; аг рессивность окислов зависит от их вида. Так, закись железа FeO более агрессивна,, чем окись железа Fe20 3.
Для уменьшения вероятности взаимодействия приме сей, содержащихся в керамике, с платиновыми металла ми целесообразно использовать для монтажа сосудов только химически чистые материалы. При отсутствии таких материалов надо по возможности очищать кера мику от примесей магнитной сепарацией и кислот ной обработкой, а также не допускать образования восстановительной атмосферы при эксплуатации со судов.
24
** *
Рассмотренными условиями эксплуатации стекло плавильных сосудов определяются основные требования к материалам, применяемым для их изготовления.
Рациональное использование платиновых металлов в производстве стеклянного волокна может быть достиг нуто только при всестороннем изучении свойств благо родных металлов и их сплавов на воздухе и в стекле при температурах и напряжениях, приближающихся к реально существующим в стеклоплавильных сосудах.
Р А З Д Е Л В Т О Р О Й
ПЛАТИНОВЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
Платина и металлы платиновой группы наиболее ча сто используются в виде различных сплавов, свойства которых могут удовлетворять самым высоким техниче ским требованиям.
Сплавы для стеклоплавильных сосудов создаются, как правило, на основе платины и палладия. В зависи мости от условий использования этих сплавов в стекло плавильных сосудах они могут содержать в качестве легирующих элементов другие металлы платиновой груп пы и золото.
Влияние каждого из легирующих элементов на струк туру и характеристики платиновых сплавов во многом зависит от свойств этого элемента и металла-основы. Поэтому представляется целесообразным особо остано виться на свойствах каждого из рассматриваемых ме таллов платиновой группы.
К металлам платиновой группы относятся шесть эле ментов периодической системы: рутений, родий, палла дий, осмий, иридий и платина. Среди этих элементов пер вой была открыта платина в' 1557 г. Скаллингером при плавлении золота; она получила название, означающее в переводе с испанского, «белое золото». В чистом виде платина впервые была получена Волластоном только в 1803 г. В том же году Волластон получил чистый пал ладий и чистый родий. В 1804 г. Теннант открыл иридий и осмий. Последний в числе платиновых металлов — ру тений— был получен Клаусом в 1844 г. в России. Свое название рутений получил в честь России.
26