книги из ГПНТБ / Производство стеклянных волокон и тканей

го стекла марки 7-А. Включения «руха» представляют собой мел­ кие частицы белого цвета, округленной формы, распределенные по всему объему стеклянного шарика. Иногда размеры таких включений настолько малы, что их можно спутать с участками глушеного стекла. Выявление «руха» в стеклянных шариках тре­

бует от	сортировщиц определенного	опыта.	Появление		«руха»
в стекломассе и стеклянных шариках		обусловлено		нарушением
теплового	режима ванной печи, особенно на		фидере.	Для	предот­

вращения кристаллизации стекла в фидере его дополнительно нагревают и применяют чаши, обеспечивающие постоянный пол­ ный обмен стекломассы во всем объеме фидера.

3.Газовые пузыри, или «мошка»; количество их в отдельных стеклянных шариках колеблется от 1—2 до нескольких десятков. Наличие пузырьков газа в стеклянных шариках можно объяснить плохой дегазацией стекломассы в ванной печи, а также вторичным появлением их в стекломассе вследствие перегрева стекла в рабо­ чей части ванной печи или контакта стекломассы с металличе­ скими включениями в фидере. Газовые включения в стеклянных ша­ риках легко просматриваются, поэтому отбраковка их не пред­ ставляет особых затруднений.

4.Заусенцы и следы отреза ножниц на стеклянных шариках являются следствием нарушения режима работы автомата АСШ (низкая температура стекломассы). Эти пороки стеклянных шари­

ков	легко обнаруживаются	при сортировке.
5.	Масляные включения	на поверхности стеклянных шариков

появляются при неправильной эксплуатации автомата АСШ. Этот порок легко устраняется после удаления нагара с внутренней по­ верхности приемной воронки отрезного устройства и масла с по­ верхности обкатывающих барабанов.

В соответствии с техническими требованиями при наличии любого из перечисленных пороков, кроме газовых включений, стеклянные шарики бракуются; допускается редко расположенная «мошка» и 2—3 газовых пузыря размером не более 1 мм.

Методы определения качества стеклянных шариков

Соответствие стеклянных шариков требованиям технических условий не всегда обеспечивает стабильность технологического процесса получения из них непрерывного стеклянного волокна. Часто при переработке в волокно стеклянных шариков, в которых

отсутствуют видимые		пороки,	наблюдается высокая обрывность
нити и	«вспенивание»	стекломассы в стеклоплавильных сосудах.
Для	полной характеристики		качества стеклянных шариков (оп­

ределения их технологических свойств) на заводах дополнительно периодически определяют однородность стекла, температуру вспе­ нивания, плотность стекла. Для исследования причин низкого ка­ чества стеклянных шариков может быть также использован метод

качественного и количественного определения газов,	содержащих­
ся в стекле; химический анализ газов проводится в	лаборатории.

80

Определение однородности стекла. Метод* основан на способ­ ности химически неоднородного стеклянного порошка расслаивать­ ся в зависимости от плотности в смеси органических жидкостей, плотность которых сильно изменяется с изменением температуры.

Полученный из стеклянных шариков порошок с величиной зерен 0,07—0,08 мм неоднороден по химическому составу. Отдельные зерна могут состоять из основного стекла, свили или стекла про­ межуточного состава. Плотность таких частиц неодинакова, поэто­ му разные частицы с изменением плотности жидкости при различ­ ных температурах опускаются или всплывают в ней. Изменяя температуру жидкости, можно установить температурный интер­

вал, в пределах	которого	плотность жидкости изменяется			так, что
все самые тяжелые и самые легкие частицы оседают				на дно. При
последующем изменении		температуры жидкости	она	приобретает
в определенный	момент	такую плотность, при	которой		частицы

стеклянного порошка начинают подниматься кверху. Сначала это будут легкие частицы, затем все более тяжелые, и наконец насту­ пит момент, когда все частицы поднимутся кверху. Интервал изме­ нения температур жидкости, который соответствует началу и концу подъема частиц, принимается за критерий неоднородности стекла.

Естественно, что чем больше разброс плотностей частиц					стеклян­
ного порошка	(неоднородное стекло),	тем больше	этот		интервал.
Для однородного стекла этот интервал		температур	минимален.
Для ускорения процесса разделения порошка его центрифуги­
руют в органической жидкости; этим		методом можно		определить
степень неоднородности стекла с точностью до +0,0002					г/см3/град.
Для определения однородности стеклянных шариков					отбирают
из разных мест	партии 20 шариков и	растирают	их	в	порошок

с размером зерен 0,07—0,08 мм; порошок делят на три части. Ис­ следуют две пробы стекла, для которых берется средний критерий неоднородности. Для стеклянных шариков высокого качества кри­ терий неоднородности составляет обычно 1,5—2,0° С. Неоднород­ ность стеклянных шариков выше 4—5°С указывает на низкое качество стекла — его не следует использовать для производства непрерывного стеклянного волокна. При высокой неоднородности стекла необходимо принимать срочные меры для улучшения тех­ нологического процесса приготовления шихты и варки стекло­ массы.

Определение температуры вспенивания**. В основу метода по­ ложена способность всех стекол выделять газы при повторном нагревании в вакууме. При одинаковом разрежении газы из образ­ цов стекла одного и того же состава могут выделяться при раз­ личной температуре. В этом случае температура, при которой выделяются газы, зависит только от количества и вида рас­ творенных в стекле газов, т. е. от качества дегазации стекломассы.

*Разработан в Государственном институте стекла (ГИС).

**Метод разработан во ВНИИСПВ .

6—1277

81

Таким образом, при постоянном	разрежении		температура нача­
ла выделения газов из стекла одного и того же			состава указывает
на качество дегазации стекла; эта	температура			принимается		как
критерий оценки способности стекла	к вспениванию. Установка					для
определения температуры вспенивания		(рис. 4.3)		состоит из		ста­
нины 5, вакуумной нагревательной	печи	с вариатором			напряжения
РНО-250-10 6, съемного шлифа 2	с отверстием			для	наблюдения

за образцом, системы откачивания с вакуумным насосом 4, ртут­ ного манометра 3, переносного потенциометра 1.

Рис. 4.3. Установка для определения температуры вспенивания:

/ — потенциометр; 2 — съемный шлиф; 3 — ртутный манометр; 4 — вакуумный

. н а с о с ; 5 — станина; 6 — вариатор напряжения .

Образцы стекла (два стеклянных шарика) помещают	в	пла­
тиновые тигли и опускают на подвеске в вакуумную печь,	в	кото­
рой они нагреваются до определенной температуры. Затем		вклю­

чается система		откачивания	и над образцом создается давление
75 мм	рт. ст. Через съемный		шлиф ведется наблюдение за состоя­
нием	образца	(выделением	пузырьков газа). Если пузырьки газа

выделяются, то температура образца принимается за температуру вспенивания стеклянных шариков. При отсутствии выделения пу­ зырьков газа температуру в печи поднимают на 20 °С и операцию повторяют. Для правильного определения температуры вспенива­ ния образцов стеклянных шариков достаточно трех замеров.

Ниже приводятся минимальные допустимые температуры вспе­

нивания (в °С) для	различных стекол:
Бесщелочное		алюмоборосиликатное	1200
Щелочное	№	11	1140
Щелочное	№ 7-А		1180

Как правило, стеклянные шарики, вырабатываемые на заводах, имеют температуру вспенивания значительно (до 80°С) выше минимально допустимой; это позволяет полностью предотвратить вспенивание в стеклоплавильном сосуде.

82

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОИЗВОДСТВА СТЕКЛЯННЫХ ШАРИКОВ

Доля затрат на производство стеклянных шариков в себестои­ мости стекловолокнистых материалов значительна и составляет от 10 до 30% для различных материалов. Совершенствование техно­ логии вытягивания стеклянного волокна, снижение удельного рас­ хода драгоценных металлов, увеличение выпуска нетканых стек­ ловолокнистых материалов могут в ближайшие годы привести к тому, что затраты на производство стеклянных шариков будут еще более резко влиять на стоимость изделий из стеклянного во­ локна и стеклопластиков. Стоимость стеклянных шариков опре­ деляется главным образом затратами на сырье, особенно на бор­ ную кислоту. В себестоимости шариков из алюмоборосиликатного стекла затраты на сырье составляют 55%, а из щелочного стекла— только 25%. Даже небольшое снижение расхода борной кислоты при -использовании для производства шариков стекла с 8% В 2 0 3 приводит к значительному снижению стоимости стеклянных шари­ ков.

При производстве стеклянных шариков относительно большая доля затрат приходится на топливо и эксплуатацию оборудования. Эти затраты могут быть резко снижены при увеличении мощности стекловаренных ванных печей и их производительности. Так, на­ пример, увеличение мощностей ванных стекловаренных печей с 10 до 40—50 т/сутки, даже без увеличения их производительности, даст возможность уменьшить эксплуатационные расходы и повы­ сить в 2—3 раза производительность труда. Большое значение для повышения качества стеклянных шариков, увеличения производи­ тельности стекловаренных печей, снижения себестоимости шариков имеет качество сырья и шихты. Тонкий помол сырья, гранулирова­ ние шихты, применение комплексного сырья (нефелиновый кон­ центрат, каолин, борат кальция) способствуют удешевлению про­ изводства стеклянных шариков и одновременно улучшению их качества.

6*

Р А З Д Е Л I I

П Р О И З В О Д С Т ВО НЕПРЕРЫВНОГО СТЕКЛЯННОГО ВОЛОКНА

При производстве непрерывного стеклянного волокна в единый комплекс входят различные процессы и операции: подготовка и подача стеклянных шариков в стеклоплавильный сосуд, плавление шариков и подготовка стекломассы к формованию, формование стеклянных волокон, охлаждение волокон, нанесение на них замасливателя и соединение их в нить, раскладка и намотка нити на бобину.

Каждая операция не только определяет последующую, но и зависит от нее. Основной и наиболее сложной операцией техноло­ гического процесса является формование волокна.

Г Л А В А 5

МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА ФОРМОВАНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО СТЕКЛЯННОГО ВОЛОКНА

Процесс формования непрерывного стеклянного волокна вклю­ чает две стадии: течение стекломассы через фильеру и утонение стекломассы в зоне формования. Первая стадия определяет коли­ чество стекломассы, вытекающей из фильеры в единицу времени, и теоретическую производительность установки, вторая — устойчи­ вость процесса и качество волокна.

ТЕЧЕНИЕ СТЕКЛОМАССЫ ЧЕРЕЗ ФИЛЬЕРУ

Фильеры представляют собой короткие (3—6 мм) тонкостенные

(толщина	0,4—1 мм) трубочки с внутренним диаметром 0,8—3			мм,
вваренные	с одного конца в фильерную	пластину стеклоплавиль­
ного сосуда.
Стекломасса, находящаяся в сосуде, вытекает из			фильер	под
действием	собственного веса. Давление Р	(в дин/см2),	создаваемое

84

стекломассой в сосуде, измеряется силой, действующей на единицу площади фильерной пластины вдоль оси фильер:

P*=pgh		( 5 . 1 )
где р — плотность стекломассы в сосуде, г/см3;	g	— ускорение свободного па­
дения, см/сек2; h — высота уровня стекломассы	в	сосуде, см.

Встекломассе, как и в других жидкостях, при движении одних

ееслоев относительно других возникают силы трения. Известно, что при движении жидкости в трубе пристеночный слой обычно неподвижен, остальные слои скользят относительно друг друга. Наибольшая скорость наблюдается по оси трубы. Объем жидкос­ ти, Q (в см3/сек), вытекающей в единицу времени из трубы диа­ метром D и длиной L при поддержании на ее концах разности давлений АР, равен

Q =

128T)L

( 5 ' 2 >

где г| — коэффициент вязкости (в пз), характеризующий меру сопротивления жидких тел течению.

Уравнение (5.2) называется уравнением Пуазейля. Оно спра­ ведливо при определенных условиях:

1) жидкость подчиняется уравнению Ньютона

F = i\S	У	( 5 . 3 >
	1

где F — сила, необходимая для поддержания постоянного градиента (разности)' скорости (ѵг — ѵ2) между двумя движущимися параллельными слоями с общей поверхностью площадью S, находящимися на неизменном расстоянии х, и про­ порциональная вязкости г);

2)температура и, следовательно, вязкость жидкости в трубе постоянны;

3)скорость движения жидкости в пристеночном слое трубы равна нулю.

Уравнение Пуазейля достаточно точно описывает поведение маловязких жидкостей и очень важно для понимания процесса формования стеклянного волокна и управления им. Действитель­ но, это уравнение, отнесенное к фильерам стеклоплавильного со­ суда, непосредственно или косвенно устанавливает связь между

основными технологическими параметрами процесса (диаметром и длиной фильер, уровнем стекломассы в сосуде, температурой фильерной пластины), а объемный расход стекломассы* опреде­ ляет теоретическую производительность одной фильеры. В соот­

ветствии	с уравнением увеличение диаметра фильер				и напора при­
водит к	росту	теоретической		производительности,	а увеличение
длины фильер		и вязкости	стекломассы (уменьшение температуры
фильерной пластины) — к			ее	снижению. Определяющим парамет-

* Расходом стекломассы через фильеру (расходом стекломассы) называется количество стекломассы, протекающей через фильеру в единицу времени.

85

ром является диаметр фильер, входящий в уравнение с показате­ лем степени, равным четырем. Влияние остальных параметров, вхо­ дящих в уравнение с показателем степени, равным единице, на производительность одинаково и определяется величиной измене­ ния этих параметров.

Первоначально уравнение Пуазейля без каких-либо оговорок было использовано для описания и расчета течения стекломассы через фильеры стеклоплавильного сосуда. Однако со временем бы­

ло обнаружено расхождение полученных		на	практике		данных
с теми, .которые можно было ожидать, исходя			из	уравнения Пуа­
зейля. Ввиду большой практической важности,				остановимся на
этом вопросе	подробнее.
Влияние	напора стекломассы в сосуде	на	ее	расход.	Рассмот­

рим связь уровня стекломассы в сосуде с разностью давлений на входе и выходе из фильеры и влияние изменения уровня на объемный расход стекломассы. Напор, создаваемый стекломассой

в сосуде, Р затрачивается на преодоление местных			гидравлических
сопротивлений внутри сосуда Рг	(фильтрующие сетки, отверстия
в перегородках и т. п.), сопротивлений на входе в			фильеру Рв,	сил
поверхностного натяжения стекломассы на выходе			из фильеры	Ру
и, главным образом, на продавливание		стекломассы через филье­
ру АР:
Р = РГ + Рв	+ Ру +	АР		(5.4)

Гидравлические сопротивления внутри сосуда определяются сум­ марной площадью отверстий и прорезей в перегородках и плот­

ностью сеток, перекрывающих эти	отверстия. Площади отверстий
и сечение сетки подбираются таким	образом, чтобы потери напора

на их преодоление не превышали 5% общего напора.

Скорость стекломассы, поступающей из сосуда в фильеру, мак­ симальна по оси входного отверстия и снижается по мере прибли­ жения к его кромке. Различия в скорости между смежными струя­ ми потока вызывают затрату напора на преодоление вязкого сопро­ тивления стекломассы на входе в фильеру.

Потери напора на входе в фильеру составляют

	РВ = А + - ^ .				( 5 . 5 )
где А — константа; т]в — вязкость стекломассы		на входе	в	фильеру;	R — ра­
диус	фильеры.
Из уравнения (5.5) видно, что потери		напора	на	входе в	филье­
ру	зависят от объемного расхода стекломассы,		радиуса		фильер

и вязкости стекломассы на входе в фильеру. По абсолютному зна­ чению Рв составляют 25—30% полного напора стекломассы в со­ суде.

Силы поверхностного натяжения стекломассы, вытекающей из фильер, стремятся уменьшить свободную поверхность капли или луковицы и противодействуют напору стекломассы в сосуде. В про­ мышленных стеклоплавильных сосудах потери напора на преодо-

«6

ление этих сил достигают 5—10% от общего напора стекломассы в начальный момент образования капли, когда ее радиус равен радиусу фильеры; они резко уменьшаются по мере роста капли и составляют доли процента от общего напора при вытягивании волокна.

Силы, затрачиваемые на продавливание стекломассы через фильеру, АР равны разности давлений на входе и выходе из филье­

ры;

эти силы

обусловливают

движение

стекломассы

по

/

фильере и составляют 60—70%

общего

напора

стекломассы в

сосуде.

Зависимость

расхода

стек­

ломассы от ее напора

в сосуде

для

фильер

различного

диа­

метра при температуре филь-

ерной

пластины

1220 °С

пред­

ставлена на

рис. 5.1, из

кото­

рого видно, что в области на­

поров

стекломассы

2—13

см

зависимость

эта может

быть

принята линейной;

при

увели­

3

чении напора в 2—3 раза рас­

ход стекломассы

растет

быст­

г

рее, чем напор, причем этот

эффект тем заметнее, чем боль­

/ \

ше

диаметр

фильер.

Зависи­

.—г

мость

расхода стекломассы

от

напора

в стеклоплавильном со­

Напор стекломассы,

см

суде во всем

рабочем

интерва­

ле

температур

выработки

во­

Рис. 5.1. Зависимость

расхода

стекло­

локна

имеет

аналогичный

ха­

массы от ее

напора

в

сосуде при

рактер.

температуре

фильерной

пластины

Влияние длины

фильер

на

1220 °С:

кривые 1—4 соответственно

д л я

фильер

расход

стекломассы. В соответ­

диаметром

1, 1,3,

1,6 и

1,9

мм.

ствии

с уравнением

Пуазейля

Q от обратной

зависимость

расхода

стекломассы

длины

фильер-

1/L имеет вид

(5.6>

где К = rD4 AP/128 ч\ — константа для серии опытов с переменной L .

Уравнение выражает прямую, проходящую через начало коор­ динат. Экспериментальные значения расхода стекломассы для двух типов фильер (рис. 5.2) в зависимости от их длины представлены на рис. 5.3. Длина внешнего участка стандартных фильер изменя­ лась от 2 до 8 мм. В утопленных фильерах (рис. 5.2, б) при одина-

87

новой длине внешнего участка длина внутреннего участка, заглуб­ ленного внутрь сосуда, изменялась также от 2 до 8 мм.

Из рис. 5.3 видно, что для утопленных фильер эксперименталь­ ные точки достаточно хорошо ложатся на прямые, проходящие через начало координат. Для стандартных фильер зависимость расхода стекломассы от обратной длины фильер не носит линей­ ный характер, причем степень отклонения (угол наклона кривых) возрастает по мере увеличения длины фильер.

Рис. 5.2. Типы фильер стеклоплавильного со­ суда:

.а — стандартная	филье­
ра; б — фильера,	утоп ­

ленная внутрь с о с у д а .

Рис. 5.3. Зависимость расхода стекломассы от длины и типа фильер:

кривые /—4 соответственно для температур фильерной плас­ тины 1180. 1200. 1220 и 1240 "С; сплошные линии — для стан­

дартных фильер, пунктирные — для утопленных.

Таким образом, если при изменении длины фильер температу­ ра стекломассы сохраняется неизменной или меняется незначитель­ но (утопленные фильеры) вследствие сравнительно малых измене­ ний температуры стекломассы по высоте сосуда, расход стекло­ массы прямо пропорционален обратной длине фильер. Уменьшение расхода стекломассы при увеличении длины стандартных фильер вызвано возрастанием вязкости стекломассы при ее движении в фильере из-за интенсивного охлаждения стенок фильер окружаю­ щей воздушной средой. Средняя температура стекломассы в попе­ речном сечении фильеры снижается по мере удаления ее от вход­ ного сечения и достигает наименьшего значения на выходе из фильеры.

Из сказанного следуют два важных вывода: 1) стекломасса охлаждается фильерной пластиной и стенками фильер; 2) понятие «вязкость стекломассы в фильере» имеет смысл только как усред-

•88

ненное значение вязкости по всему объему стекломассы внутри фильеры.

На основании данных о расходе стекломассы были рассчи­ таны изменения температуры стекломассы после прохождения че­

рез фильеры различной длины. Эти данные	представлены на
рис. 5.4, из которого видно, что стекломасса	после прохождения

,ѣо\

f

^ 130

I

Цгго

k

Щ/оо

i

I

so

1

Й soi

I

70

и

-г

S so

Э

«

5

В

7

8 9

Фильврная

Длит

фильер,

мм

I "пластина1

Рис. 5.4. Изменение температуры стекло­

массы после

прохождения через

филье­

ры

различной

длины:

кривые 1—4 соответственно

д л я

температур

фильерной пластины 1180, 1200, 1220

и 1240

°С.

через

фильеры стандартной длины

(3,6 мм)

охлаждается

примерно

на

20 °С.

Влияние диаметра фильер на расход стекломассы. Зависимость

расхода стекломассы Q от диаметра фильер D может быть выра­

жена

уравнением

Q = ADn

(5.7)

где Л и л — константы для серии опытов, в которых

переменным является толь­

ко

диаметр фильер.

При обработке экспериментальных данных установлено, что во

всех

опытах показатель степени

п

в

уравнении

(5.7) для

различ-

89