книги из ГПНТБ / Производство стеклянных волокон и тканей

В сосудах, работающих при малом уровне ( < 5 0 мм), темпе­ ратура стекломассы, поступающей из зоны плавления, не успевает усредниться с температурой основной массы стекла, в результате чего наблюдается повышенная обрывность волокон. Работы, свя­ занные с устранением обрывности волокон, привели к созданию современной конструкции стеклоплавильного сосуда с увеличенной до 150 мм высотой корпуса, экранами под загрузочными трубками,

)

(

шиши иишіии шиш шчл—UUUUUU

Рис. 8.2. Схема распределения потоков стекломассы в стеклоплавильном сосуде.

Рис. 8.3. Стеклоплавильный сосуд с Ѵ-образным	экраном:
/ — боковая стенка; 2— крышка; 3— загрузочная трубка;	4—уровнемерная

трубка; 5 — Ѵ - образный экран; 6 — токоподвод; 7 — торцевая	стенка;	8 — филь-
ерная пластина; 9 — фильера; 10 — фильтрующая	сетка.

на которых задерживаются попадающие в сосуд холодные стеклян­ ные шарики, и фильтрующей сеткой, которая «расчесывает» дви­ жущиеся вниз струйки стекла, усредняя тем самым температуру и увеличивая однородность стекломассы в сосуде.

Дальнейшим шагом в этом направлении явилось создание сосу­ дов, в которых зона плавления стеклянных шариков отделена от

остального объема стекломассы	в сосуде (рис. 8.3). В этих сосу­
дах Ѵ-образный экран, приваренный к торцевым стенкам, проходит
по всей длине сосуда. В верхней	части экран имеет отверстия для

выхода воздуха	из сосуда при заполнении его стекломассой,
в нижней — для	прохода стекломассы из зоны плавления в зону

подготовки к формованию. Высота экрана, его форма, расположе­ ние и площадь отверстий определяют направление движения стек­ ломассы к выработочной зоне и термическое поле сосуда. В сосу-

120

дах с отделенной зоной плавления стеклянных шариков получают термически более однородную стекломассу при значительно мень­ ших размерах сосуда. На работу стеклоплавильных сосудов поло­ жительно влияет переход на непрерывную подачу стеклянных ша­ риков. Достигаемый при этом рост уровня стекломассы в сосуде дает возможность повысить его производительность на 5—10%.

Еще более высокая степень термической и химической однород­ ности стекломассы достигается при подаче в сосуд вместо стек­ лянных шариков расплавленной стекломассы, полученной по одно­ стадийному способу непосредственно из шихты или в устройствах для предварительного плавления стекла.

Плавление стеклянных шариков в стеклоплавильном сосуде происходит в интервале температур, ограниченном температурой верхнего предела кристаллизации стекла и температурой вспени­ вания стекломассы. Чем выше температура стекломассы, в которую' попадают стеклянные шарики, тем быстрее они плавятся; кроме того, при высокой температуре изменение уровня стекломассы в сосуде происходит более резко, и четкость работы системы за­ грузки повышается. Поэтому температура стекломассы в зоне плав­ ления шариков ів сосудах с дозированной загрузкой должна быть. 1300—1350 °С, но всегда ниже температуры ее вспенивания.

Необходимая температура стекломассы в верхней части сосуда достигается при правильном соотношении его плавильной способ­ ности и съема стекломассы. Рассмотрим это положение на примере работы 200-фильерного сосуда с высоким уровнем. Нагрев стекло­ массы в нем происходит главным образом за счет тепла, выделяе­ мого крышкой, боковыми и торцевыми стенками сосуда. Макси­ мальный съем стекломассы составляет около 130 кг/'сутки при выработке волокна диаметром 9—11 мкм. Предположим, что мы дополнительно увеличили съем стекломассы, сохранив неизменной температуру верхней части сосуда. Этого можно достигнуть, уве1 личив диаметр или количество фильер; одновременно возрастет частота поступления стеклянных шариков и температура стекло­ массы начнет снижаться. Последующие порции стеклянных шари­ ков, попадая в холодную стекломассу, не будут успевать плавиться; они будут накапливаться и забивать загрузочные трубки. Уровень стекломассы снизится. Поддерживать нормальный процесс фор­ мования в таком сосуде уже невозможно. С описанным режимом иногда приходится сталкиваться при испытании новых типов сосу­ дов.

В производственных условиях съем стекломассы можно увели­ чить повышением температуры фильерной пластины, но только до определенных пределов; при слишком высоких температурах проис­ ходит обгорание волокон в подфильерной зоне или вспенивание стекломассы в верхней части сосуда.

Следует иметь в виду, что съем стекломассы с сосуда опреде­ ляет степень термической однородности стекломассы. С уменьше­ нием диаметра волокна требования к термической однородности

12 Г.

стекломассы повышаются. Если 200-фильерный сосуд при выра­ ботке волокна диаметром 10 мкм работает нормально со съемом 130 кг/сутки, то при таком же съеме и выработке волокна диамет­ ром 6 мкм наблюдается повышенная обрывность. И только при уменьшении съема примерно в 2 раза процесс формования проте­ кает устойчиво. При уменьшении диаметра вырабатываемого во­ локна следует либо уменьшить пропорционально съем стекломассы, либо, при сохранении съема, вносить изменения в конструкцию со­ суда, обеспечивающие повышение степени термической однород­ ности стекломассы.

Количество тепла, необходимое для плавления стеклянных ша­ риков, может регулироваться изменением температуры корпуса сосуда, а также введением внутрь сосуда дополнительных нагрева­ тельных элементов. Таким элементом является, в частности, Ѵ-образный экран, вваренный в торцевые стенки сосуда. Количе­ ство тепла, выделяемого нагревательными элементами, пропор­ ционально площади их поперечного сечения. Изменяя сечение нагревателей пропорционально съему стекломассы, достигают тем­ пературы стекломассы, необходимой для устойчивого процесса формования стеклянного волокна.

Отличительной особенностью сосудов с плавильной камерой яв­ ляется отсутствие непосредственной зависимости между съемом стекломассы с сосуда и интенсивностью загрузки стеклянных шари­ ков. Система загрузки обеспечивает постоянство уровня только в плавильной камере. Если через отверстия в экране проходит больше стекла, чем через фильеры, то объем сосуда под плавиль­ ной камерой будет заполнен стекломассой. Если пропускная спо­ собность камеры ниже съема с сосуда, то даже при нормально работающей системе загрузки стеклянных шариков уровень стек­ ломассы в выработочной части сосуда будет находиться ниже ка­ меры. Снижение уровня и, следовательно, расхода стекломассы происходит до тех пор, пока съем стекломассы не окажется равным количеству ее, поступающему из плавильной камеры. Для преду­ преждения подобных явлений пропускная способность плавильной камеры должна на 10—20% превышать съем стекломассы с сосуда.

При дозированной загрузке теми плавления стеклянных шари­ ков задается частотой их подачи в стеклоплавильный сосуд и уро­ вень стекломассы при исправном оборудовании определяется по­ ложением уровнемерной иглы. При непрерывной подаче стеклян­ ных шариков плавильная способность сосуда определяется главным образом его конструкцией и должна соответствовать съему стекло­ массы (допустимое отклонение ± 1 0 % ) . Когда плавильная способ­ ность сосуда существенно превышает съем, возможен перелив стек­ ломассы через загрузочные трубки или щели, что через неболь­ шой промежуток времени (3—15 дней) приводит к затеканию фильерной пластины стекломассой. В случае опасности перелива стекломассы уменьшают толщину изоляции в верхней части сосуда или подачу стеклянных шариков в зону плавления.

122

Создание небольших по размерам сосудов и экономия платино-

родиевого сплава возможны при	уплотненном	расположении
фильер. Однако при уменьшении	расстояния между фильерами

наблюдаются следующие отрицательные явления: 1) образующиеся на фильерах капли, диаметр которых больше диаметра фильер,

сливаются, и это затрудняет заправку					волокон; 2) повышается тем­
пература	стенок	фильер		и одновременно		опасность	затекания
фильер	стекломассой;		3)	становится	неравномерным		разогрев
фильер — температура			их	увеличивается от краев к центру, что
влечет за	собой	существенную разницу				в расходе стекломассы;,
4) возрастает обрывность				волокон вследствие их обгорания.

При уплотненном расположении фильер, так же как в случае увеличения расхода стекломассы через фильеры, возрастает коли­

чество	тепла,	вносимое	фильерами и стекломассой в единицу
объема	зоны	формования.	Если способ охлаждения стекломассы

сохраняется неизменным, то интенсивность охлаждения каждой от­ дельной луковицы снижается и проявляются отмеченные выше от­ рицательные явления. Чтобы избежать их, необходимо либо сни­ зить температуру стекломассы, либо предусмотреть отбор избытка тепла. Нормальная заправка волокон достигается при снижении температуры стекломассы на 30—40 °С, расход стекломассы при этом значительно уменьшается и эффект повышения съема стек­ ломассы с единицы площади фильерной пластины от уплотненного расположения фильер становится менее существенным. Кроме того,

снижение верхнего	предела	рабочей температуры	выработки
сужает весь рабочий	интервал	температур и усложняет	стабилиза­

цию процесса. Таким образом, уплотнение фильер без дополнитель­ ного отбора тепла рационально только до тех пор, пока экономи­ ческий эффект от уменьшения площади сосуда и сокращения расхода платинородиевого сплава не подавляется снижением производительности электропечи.

Фильеры на фильерной пластине группируются в продольные и поперечные ряды. Поскольку сосуды имеют удлиненную форму, без дополнительных охлаждающих устройств наиболее рациональ­ но размещать их в продольные ряды. Исходя из симметрии и ин­ тенсивности охлаждения, наилучшим следует считать расположе­ ние фильер в один ряд. Если при двух продольных рядах фильер они одинаково несимметрично разогреваются, то уже при трех ря­ дах центральный ряд фильер разогревается несколько больше.

Рассмотрим влияние условий охлаждения стекломассы в подфильерной зоне на производительность установок, коэффициент полезного времени Кл. в их работы и обрывность волокон для

400-фильерных стеклоплавильных сосудов различных	конструкций
и 200-фильерного стандартного сосуда с трехрядным	расположе­
нием фильер.

Интенсивность охлаждения стекломассы в зоне формования оценивалась по расходу стекломассы через одну фильеру при тех­ нологических режимах работы установки, обеспечивающих ее мак-

123

симальную производительность.

С о с уд			Относительная	Относительная		Коэффициент		Обрывность
			интенсивность	производи-		полезного		на	1 кг
			охлаждения	тельность		времени		нити
200-фильерный	3-рядный .		1,0		1,0	0,86		1,62
400-фильерный	4-рядный . .		0,77		1,53	0,87		0,42
400-фильерный	8-рядный .		0,68		0,92	0,58		6,0
400-фильерный 5-рядный с
фильерами разной		длины .	0,85		1,69	0,85		1,0
400-фильерный 8-рядный с
пластинчатым		охлаждаю­
щим устройством		. . . .	0,96		1,84	0,83		0,41
При увеличении числа фильер в поперечном направлении с трех
до четырех	(рис. 8.4)		интенсивность		охлаждения		снижается		на
23°/о, а при увеличении до восьми — на 32%.						Без дополнительного
охлаждения	стекломассы экономически				оправдана		максимально
4-рядная планировка фильер. Уже при 5-рядном							расположении
фильер становится заметной'(по скорости образования капель)									раз­
ница температур стекломассы в центральных						и крайних		фильерах.

Температура стекломассы на выходе из фильер может быть выравнена при уменьшении длины фильер в поперечных рядах от центра к краям, при этом интенсивность охлаждения стекломассы и производительность установки возрастают.

г

Рис. 8.4. Стеклоплавильный сосуд с 4-рядным расположением фильер:

/ — фильерная пластина; 2 — фильера.

В некоторой степени выравнивает разогрев стекломассы увели­ чение расстояния между поперечными рядами.

Если фильеры располагают в шесть и более рядов, то наиболее рациональной оказывается группировка их в поперечные одиноч­ ные или сдвоенные ряды с размещением между ними охлаждаю­ щих ребер-экранов (рис. 8.5). В этом случае интенсивность охлаж­ дения стекломассы становится равной интенсивности ее охлажде­ ния на 3-рядных сосудах, а производительность 400-фильерного сосуда возрастает в 1,7—1,9 раза по сравнению с производитель­ ностью 200-фильерных сосудов без дополнительного охлаждения.

Существуют другие способы отвода избытка тепла из подфильерной зоны, которые по возрастанию эффективности можно

124

расположить в следующей последовательности: размещение пла­ стинчатых ребер-экранов между фильерами, размещение полых водопроточных элементов между фильерами, отсос воздуха из подфильерной зоны, подача воздуха в подфильерную зону.

-О-Н)-

- о - о -

-«>—о- <>--<>• -Ф-о-

<>—о •<>-<>• -ѳ-<>-

-ф—©-

0--0-

<>-

« г - > . / ,

Рис. 8.5. Фильерная пластина сосуда с 8-рядным расположением фильер и охлаждающим устройством:

1 — фильерная пластина; 2 — о х л а ж д а ю щ е е устройство.

Влияние интенсификации охлаждения стекломассы на произ­ водительность установок для выработки непрерывного стеклянного волокна проявляется в нескольких направлениях. Повышенная ско­ рость отбора тепла от луковицы приводит к снижению темпера­

туры ее поверхностного слоя, при этом	соответственно	повышаэт-
ся вязкость слоя и жесткость луковицы.	В результате	«проскоки»

стекла наблюдаются уже при более высоких температурах стекло­ массы (фильерной пластины). Рабочий интервал выработки сдви­ гается в сторону более высоких температур, которым соответствуют большие значения расхода стекломассы и, главное, уменьшение на­ пряжений, развивающихся в стекломассе под действием вытяги­ вающих усилий. А это приводит к значительному снижению обрыв­ ности волокон в зоне формования. Кроме того, интенсификация охлаждения стекломассы в зоне формования приводит к снижению

температуры	отдельных волокон и нити в целом. В результате
уменьшается	трение волокон в замасливающем устройстве. При

одновременном уменьшении натяжения волокон в зоне формова­ ния и нити в замасливающем устройстве повышается допустимая скорость вытягивания волокна. Таким образом, интенсификация ох­ лаждения стекломассы в зоне формования приводит к увеличению расхода стекломассы, повышению устойчивости процесса формо­ вания и соответствующему росту производительности установки.

Стеклоплавильные сосуды потребляют большое количество электроэнергии (в зависимости от размеров сосуда 7—25 кет). Выделяемое при нагреве тепло (~20% ) используется на плавле-

125

ние и нагрев стекла. Остальное количество тепла расходуется для поддержания необходимого распределения температур стекло­ массы в сосуде, на компенсацию потерь тепла в окружающую сре­ ду и в силовом оборудовании.

Для производства стеклянного волокна полезными являются за­ траты тепла на плавление и нагрев стекла до температуры формо­ вания стекломассы. Остальные статьи расхода тепла вызваны не­ совершенством процесса формования волокна. Доля их должна

снижаться по	мере	создания более	производительных сосудов
и установок для получения непрерывного стеклянного волокна.
Количество	тепла	Q (в ккал/ч),	выделяемого в различных эле­

ментах сосуда, можно в первом приближении рассчитать по фор­ муле

			Q = 0,24PR				(8.1)
где / — сила тока, a; R — сопротивление элемента				сосуда, ом.
Электрическое сопротивление элемента сосуда определяется по
уравнению
			R = P r g -				(8.2)
где Pt — удельное объемное		сопротивление (в ом-см)			сплава при	температуре
его работы; I — длина элемента, см; S — средняя площадь поперечного							сечения
элемента,	см1.
Распределение тока		по	элементам рассчитывается			по	закону
Ома с учетом особенности их соединения				в	электрической		схеме
сосуда	(рис. 8.6).
При сравнении расхода и количества выделяемого тепла отдель­
ными элементами сосуда обнаружено, что					наибольшая	неувязка
баланса	тепла наблюдается		для фильерной	пластины, для которой

потери тепла в окружающую среду значительно превышают егс поступление при нагреве. Недостающее тепло вносится стекломас­ сой, которая должна быть нагрета в большей степени, чем это необходимо для собственно процесса формования волокна. Неко­ торый перегрев стекломассы положительно влияет на ее термиче­ скую однородность.

Электрическая схема, используемая в расчетах стеклоплавиль­ ных сосудов, только грубо отражает действительное взаимодей­ ствие элементов сосуда, связанных в единое целое. Фактическое распределение токов заметно отличается от расчетных данных.

Платинородиевые стеклоплавильные сосуды обладают сопротив­ лением порядка Ю"3—Ю-4 ом, которое увеличивается с возраста­ нием температуры. Столь низкое сопротивление приводит к необхо­ димости работать при высокой силе тока, причем плотность тока приближается к предельно допустимым значениям для платиноро-

диевого сплава при температуре более 1000 °С (20—25	а/мм2).
При конструировании сосудов в основу должно	быть поло^

жено достижение заданных технологических параметров работы сосуда при минимальном расходе платинородиевого сплава, стои-

126

мость которого составляет значительную часть себестоимости стек­ лянного волокна. Поэтому в расчетах сечение элементов прини­ мается минимально возможным с точки зрения механической и электрической прочности конструкции (электрической — при оп­ ределении толщины токоподводов и торцевых стенок, механиче­ ской— при расчете продольных элементов сосуда).

Количество тепла, выделяемого отдельными элементами сосуда, расположенными параллельно, —• фильерной пластиной, боковыми стенками, экраном, крышкой (см. рис. 8.6), определяется не абсо­ лютной величиной их площади сечения, а соотношением площадей.

Рис. 8.6. Электрическая схема стеклоплавильного сосуда:

Ді — сопротивление токоподвода; Л 2	— сопротивление торцевой стенки; Л 3	— сопротивление
крышки; Rt — сопротивление экрана;	Л 5 — сопротивление боковой стенки;	Л 6 — сопротивле­
ние	фильерной пластины.

Изменяя эти соотношения, достигают желаемой кривой распреде­

ления температур по высоте		сосуда и соответствия	плавильной
и пропускной	способности сосуда.
При конструировании отдельных элементов сосуда учитывают
специфику их	работы. Так,	минимальный диаметр	загрузочных

трубок определяется необходимостью одновременного прохождения двух стеклянных шариков, высота трубок — возможностью вспени­ вания стекломассы и схемой монтажа электропечи. Основания за­ грузочных трубок вместе с прилегающими участками крышки вы­ держивают многочисленные температурные толчки при загрузке холодных стеклянных шариков, а также механические удары мел­ ких кусочков стекла, отлетающих от поверхности шариков. Для увеличения срока службы сосудов эти участки трубок и крышек изготовляют большей толщины, чем требуется для обеспечения плавильной способности сосуда.

Соотношения площадей сечения элементов изменяют при раз­ работке новых конструкций сосудов. В производственных усло­ виях для регулирования соотношения количества тепла (и, сле­ довательно, разогрева), выделяемого в различных частях стекло­ плавильного сосуда, применяют различные схемы его монтажа. Например, увеличивают отбор тепла от фильерной пластины, из­ меняя выпуск ее из керамической изоляции, внося охлаждающие элементы в подфильерную зону или обдувая ее холодным возду­ хом; при этом фильерная пластина будет иметь более низкую тем-

127

пературу при незначительном снижении температуры верхней части сосуда. Затем температуру фильерной пластины доводят до преж­ него уровня, увеличивая рабочий ток сосуда, в результате чего температура в верхней части сосуда повышается. Таким образом достигается изменение соотношения разогрева верхней и нижней части сосуда. Аналогичный эффект может быть получен при усиле­ нии изоляции верхней части сосуда. Если требуется снизить темпе­ ратуру верхней части сосуда, не меняя температуру фильерной пластины, то, наоборот, усиливают изоляцию (снижают потери теп­ ла) фильерной пластины или отбор тепла от верхней части сосуда. Рабочий ток сосуда при этом уменьшается.

Разогрев фильерной пластины по длине сосуда до некоторой степени регулируется изменением расстояния от торцов охлаждае­ мых водой зажимов токоподводов до торцевых стенок сосуда. При уменьшении этого расстояния температура на краях сосуда сни­

жается, а в центральной части сосуда	сохраняется	неизменной;
с увеличением расстояния температура	на краях сосуда	возрастает.

Этот эффект вызван двумя причинами. При приближении холодных токоподводов увеличивается отдача тепла торцевыми стенками со­ суда, в том числе и фильерной пластиной. Сопротивление элемен­ тов сосуда снижается, что при постоянной силе тока обусловливает уменьшение отдачи тепла торцевой стенкой и краями пластины и дополнительное снижение их температуры при одновременном повышении температуры средней части сосуда.

Таким образом, при изменении съема стекломассы со стекло­ плавильного сосуда, состава стекла, схемы монтажа, параметров работы сосуда требуется корректировка не только диаметра фильер, но и параметров других элементов сосуда. Поскольку на практике изменяется только диаметр фильер, максимальная эффек­ тивность работы унифицированных стеклоплавильных сосудов до­ стигается при выработке нити только определенной толщины.

При наладке режима работы сосуда с целью снижения обрыв­ ности волокон и повышения производительности электропечи сле­ дует учитывать не только влияние изменения технологических па­ раметров или состава стекла на расход стекломассы, но и соотно­ шение расхода стекломассы и степени разогрева плавильной и выработочной зон стеклоплавильного сосуда.

ОХЛАЖДЕНИЕ СТЕКЛОМАССЫ В ПОДФИЛЬЕРНОЙ ЗОНЕ

Интенсивность охлаждения стекломассы в подфильерной зоне определяется состоянием воздушной среды в ней, конструкцией фильер и охлаждающих устройств. Распределение температуры и характер движения воздушной среды в подфильерной зоне в зна­ чительной степени влияют на степень охлаждения стекломассы, диаметр и обрывность волокна в зоне формования. Наблюдения за движением задымленных потоков и тонких ниточек из стеклянного волокна, закрепленных с одного конца, позволили определить

128

направление и интенсивность движения воздушных потоков в подфильерной зоне стандартной промышленной установки. В условиях, когда вытягивания волокна не происходит (рис. 8,7, а), имеются три воздушных потока: восходящий, направленный перпендикуляр­ но к пластине поток холодного воздуха, и два отходящих горизон­ тальных потока нагретого воздуха по обеим сторонам фильерной пластины (левый — от установки и правый — к установке). Левый поток, направленный в зону более низких температур, мощнее пра­ вого. В процессе вытягивания (рис. 8.7, б) движущиеся волокна увлекают за собой находящиеся между их рядами соседние слои воздуха, что приводит к образованию интенсивного потока возду­ ха в направлении движения волокон. Питание воздушного потока

происходит в основном за счет воздуха, движущегося	перпендику­
лярно волокнам со стороны каркаса установки. С другой сторо­
ны пучка волокон прилегающие к нему слои воздуха	отбрасывают­

ся выработочным воздушным потоком, и только небольшое количе­ ство воздуха увлекается этим потоком около самой фильерной пластины.

Движущийся с волокнами воздушный поток разбивается за­ масливающим устройством и частично изменяет направление, дви­ гаясь кверху; между каркасом установки и пучком волокон обра­ зуется циркулирующий поток, в который вовлекаются окружаю­ щие слои воздуха. Отходящие горизонтальные потоки нагретого воздуха при этом сохраняются. Основная часть выработочного по­ тока движется по инерции вниз или увлекается нитью к бобине.

Таким образом, в подфильерной зоне имеются постоянные по направлению воздушные потоки. Наблюдения за задымленными струйками воздуха свидетельствуют об их турбулентности. Филье­ ры и луковицы находятся на границе движущихся в различных на­ правлениях выработочного и тепловых воздушных потоков, т. е. в области наибольших завихрений, приводящих к неустойчивости состояния и температуры воздушной среды. Внешние воздушные потоки, которые возникают в цехе выработки вследствие сквозня­ ков и других причин, усиливают эти явления.

Для установления влияния воздушных потоков на процесс фор­ мования, обрывность волокон и колебание их диаметра искус­ ственно усиливали воздушные потоки в зоне формования или ос­ лабляли их в этой зоне. В качестве источника воздушных потоков применялся настольный вентилятор с регулируемой скоростью вра­ щения. Было обнаружено, что воздействие слабых потоков приво­ дит к заметной вибрации волокон, а после достижения потоками критической скорости начинаются обрывы отдельных волокон. Ско­ рость воздушных потоков предварительно тарировалась при помо­ щи высокочувствительного крыльчатого анемометра. Критическая скорость воздушных потоков, при которой наступают обрывы во­ локон, для стеклоплавильных сосудов с числом фильер 100, 140 и 200 представлена на рис. 8.8. Из рисунка видно, что допустимая скорость воздушных потоков, направленных к фильерной пластине,

9—1277

129