книги из ГПНТБ / Производство стеклянных волокон и тканей

БЫХ температур фильерной пластины и напоров стекломассы в со­ суде оказался > 4 . 'Величина его возрастает с увеличением напора и температуры стекломассы в сосуде, достигая при их максималь­ ных значениях 5,5. Следовательно, влияние диаметра фильер на расход стекломассы более значительное, чем можно было ожидать из уравнения Пуазейля. То обстоятельство, что п > 4 и зависит от параметров, входящих в уравнение Пуазейля, может быть объясне­ но наличием градиента температур между стенкой фильеры и стекломассой и повышением температуры стекломассы от перифе­ рии к центру в поперечных сечениях фильер; при этом фильеры меньшего диаметра имеют большую удельную поверхность стенок и стекломасса в них охлаждается сильнее, чем в фильерах боль­

стекломассы и проявится в пульсирующем характере истечения стекломассы из фильеры.

Влияние температуры фильерной пластины на расход стекло­ массы. Точные измерения температуры стекломассы в фильере до настоящего времени не проводились. Известно, что температура стенок фильер отличается от температуры стекломассы в филье­ рах. При введении термопары внутрь фильеры изменяется ско­

показать истинную температуру стекломассы. Поэтому температу­ ра стекломассы в фильере, как правило, характеризуется тем­ пературой фильерной пластины, измеренной либо термопарой, либо оптическим пирометром. Температура фильерной пластины всегда ниже температуры стекломассы в фильерах. Для промышленных стеклоплавильных сосудов установлено, что в рабочем интервале температур расход стекломассы прямо пропорционален темпера­ туре фильерной пластины. Это значит, что при изменении темпера­ туры фильерной пластины средняя температура стекломассы в фильере изменяется приблизительно на такую же величину; кро­ ме того, в небольшом диапазоне рабочего интервала выработки волокна изменение вязкости можно принять пропорциональным изменению температуры.

Таким образом, точный расчет расхода стекломассы по урав­ нению Пуазейля невозможен из-за отсутствия сведений о вязкости стекломассы в фильере, а также, что принципиально важно, вслед­

тировочных расчетов технологических параметров выработки не­ прерывного стеклянного волокна, и прежде всего диаметра фильер. При расчете за основу принимается фактический расход стекло-

•90

массы, полученный при фиксированных технологических парамет­ рах работы стеклоплавильного сосуда. Если подставить в уравне­ ние Пуазейля значения расхода стекломассы, диаметра, высоты фильер и полного напора стекломассы в сосуде, получим значение вязкости, которое называется «эффективной вязкостью» и обозна­ чается т)'. Зная величину ц', можно рассчитать требуемый диаметр, фильер с точностью до 0,05 мм для получения заданного расхода стекломассы или теоретической производительности сосуда. Осталь­ ные параметры и условия охлаждения стекломассы в подфильерной зоне принимаются неизменными. Эффективная вязкость всегда отличается от истинной вязкости стекломассы в фильере вследст­ вие расхождения между значениями параметров в уравнении Пуа­ зейля и их истинными значениями (например, между значениями полного напора стекломассы в сосуде и давления капли в фильере). Расчет по этому уравнению справедлив, «когда разница между эф­ фективной вязкостью и ее истинным значением изменяется незна­ чительно, т. е. когда конструкция сосуда (за исключением диаметра фильер), состав стекла и условия охлаждения сохраняются одина­ ковыми.

Влияние скорости вытягивания волокна на расход стекломас­ сы. Определение расхода стекломассы при вытягивании волокна- с разными скоростями показало, что при увеличении скорости вы­ тягивания от 1 до 70 м/сек расход стекломассы сохраняется прак­ тически неизменным (наблюдается возрастание его на несколько, процентов — в пределах ошибки опыта).

Таким образом, при формовании волокна не происходит вытя­

скорости воздушных потоков и, следовательно, скорости охлажде­ ния стекломассы при увеличении скорости вращения бобины.

Влияние режима истечения на расход стекломассы. При работе стеклоплавильных сосудов наблюдаются два режима истечения: свободное и принудительное. При свободном истечении периоди­ чески происходит образование и отрыв капель стекломассы от фильеры. При принудительном истечении стекломасса формуется в волокно под действием веса падающей капли вручную или с по­ мощью вытяжного устройства. Расход стекломассы при свободном режиме истечения всегда несколько ниже, чем при принудитель­ ном. Это объясняется тем, что при принудительном истечении силы поверхностного натяжения стекла, противодействующие гид­ ростатическому напору стекломассы в сосуде, почти полностью уравновешиваются усилиями, создаваемыми вытяжным устройст­ вом.

Разница в расходе стекломассы при описанных режимах тече­ ния пропорциональна доле сил поверхностного натяжения в урав­ нении (5.4), причем эта доля уменьшается с увеличением напора и с ростом температуры стекломассы.

91

Коэффициент К выражает кратность обмена стекломассы в луко­ вице в единицу времени и, в свою очередь, зависит от скорости

объема луковиц в процессе формования волокна представлено на рис. 5.6. На рисунке показаны периодические изменения объема луковиц во времени. Величина отклонений достигает 20—40% от

0,2 гц. Следовательно, процесс формования непрерывного стеклян­ ного волокна имеет пульсирующий характер. Периодические изме­ нения объема луковиц вызывают аналогичные изменения диаметра волокон и толщины нити по их длине. Изменение объема сопро­ вождается изменением энтальпии стекломассы в луковице, что вызывает колебания температуры окружающей среды, а это, в свою очередь, сказывается на величине и стабильности прочностных характеристик стеклянного волокна.

Вытягивающее усилие, или натяжение FH, которое необходимо приложить к волокну в процессе формования, составляет 0,1 — 0,5 гс. Это усилие затрачивается на преодоление сил внутреннего

93

Натяжение в любом сечении луковицы можно считать постоян­ ным, в то время как соотношение остальных сил изменяется по ее высоте: F^, F&, Fw и Fa возрастают, a Fy уменьшается по мере удаления от среза фильеры. Схематично изменение сил, действую­ щих в зоне формования, по длине луковицы и их соотношение пред­

локна возрастает от 0,17 до 0,55 гс, причем в области низких тем­ ператур эта зависимость проявляется сильнее, чем в области вы­ соких температур. Натяжение прямо пропорционально квадрату диаметра фильер, несколько возрастает с увеличением напора стекломассы и скорости вытягивания волокна.

Среднее напряжение в поперечном сечении луковицы, испы­ тываемое стекломассой при формовании, определяется по урав­ нению

где R — радиус поперечного сечения луковицы .

Максимальное напряжение стекломасса испытывает на завер­ шающей стадии формования, а минимальное—в начальном сечении

94

луковицы. Для начального и конечного участков луковицы при формовании волокна диаметром б мкм напряжение составляет со­ ответственно 0,0002 и 14,0 кгс/мм2. В зависимости от условий фор­ мования и диаметра волокна величина максимального напряжения изменяется от 2 до 20 кгс/мм2. При увеличении вязкости стекло­ массы, диаметра фильер и уровня стекломассы напряжение воз­ растает, а в случае изменения скорости вытягивания напряжение не изменяется (на начальном участке луковицы).

Расход стекломассы, средний объем и конфигурация луковицы являются объективными характеристиками процесса формования. Они позволяют с достаточной степенью точности рассчитать сред­ нюю скорость движения стекломассы и среднее ускорение в различ­ ных сечениях по высоте луковицы. На рис. 5.8 приведены зависи-

95

мости логарифмов средней скорости движения стекломассы (кри­ вые /, 2) и среднего ускорения (кривые 3, 4) в процессе формова­ ния трехмикронного (кривые 1, 3) и 'семимикронного (кривые 2, 4) волокна от продолжительности формования. На основании анализа полученных зависимостей следует отметить особенности процесса формования.

Продолжительность формования в зависимости от объема лу­

момент съемки, главным образом за воздушными пузырями, позво­ лило определить продолжительность и скорость их движения на отдельных участках луковицы. Сечение луковицы было разбито на три слоя: центральный, средний и поверхностный. Изменение ско­

части луковицы в ее поперечном сечении имеется градиент скоро­ стей, причем скорость уменьшается от центра к периферии и дости­ гает минимального значения на поверхности луковицы. Наиболь­ ший относительный градиент скоростей наблюдается в выходном сечении фильеры; при дальнейшем движении стекломассы по дли­ не луковицы он постепенно уменьшается и достигает наименьшего значения на заключительной стадии процесса формования.

96

Наблюдения за движением включений показали, что отдельныеслои стекломассы движутся в луковице параллельно друг другу.

Охлаждение стекломассы в луковице, как и любого нагретого сплошного тела, происходит с поверхности за счет излучения и конвекции. Интенсивность теплоотдачи определяется геометрией и объемом луковицы, градиентом температуры стекломассы и ок­ ружающей воздушной среды, скоростью движения воздуха вдоль

П00

ОООЧ.

-V 4

зоны формования. Регулируя эти факторы, можно управлять в оп­ ределенной степени скоростью охлаждения стекломассы в зоне формования.

Температурное поле луковицы было определено расчетным пу­ тем, причем разные методы расчета дают существенно различные результаты. Методы измерения распределения температур малых:

а затем постепенно убывает. Температуры, при которых происхо­ дит резкое охлаждение и наблюдается значительная разница тем­ ператур стекломассы между центром и поверхностью луковицы^

близки к температуре стеклования. При этом допускается обра­ зование хрупкого слоя на поверхности при вязком внутреннем слое, что должно приводить к значительным градиентам скорости дви­ жения стекломассы в луковице. Согласно представлениям, поло­ женным в основу расчета температурного поля, и по результатам этого расчета температурному полю луковицы свойственны следую­ щие особенности.

1.Температурное поле в начальном сечении луковицы можно считать изотермичным.

2.Стекломасса, вытекающая из фильер, имеет температуру ~1200°С (для стандартного бесщелочного стекла). В луковице

происходит быстрое нарастание вязкости стекломассы от 103 , 5 до 1013 пз и соответствующее понижение температуры стекломассы на 300—400°С до температуры стеклования Tg (при этой температуре стекломасса перестает изменять форму).

3.Линия температурных максимумов совпадает с осью луко­ вицы, вследствие чего в любом горизонтальном сечении зоны фор­ мования температура понижается от центра луковицы к поверх­

ности.

4.При удалении от начального сечения луковицы градиент температур в горизонтальных сечениях сначала возрастает, а затем уменьшается и становится весьма малым в сечении, где заканчи­ вается зона формования.

Всоответствии с другими представлениями о характере охлаж­ дения стекломассы в зоне формования при прохождении зоны формования стекломасса охлаждается незначительно, всего на 50— 100°С. В нижней части луковицы, где фиксируется окончательный диаметр волокна, она имеет температуру ~1100°С . Температур­ ное поле стекломассы в луковице принимается значительно более однородным, без больших градиентов температур в поперечных сечениях луковицы.

рис. 5.11. Из рисунка видно, что вязкость стекломассы на заклю­ чительной стадии формования составляет ~ 106 пз, а температура ~ 9 0 0 ° С .

Низкие значения вязкости стекломассы в зоне формования (менее ІО8 пз) подтверждаются способностью стекломассы уто-

98