УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВАРКИ И ВЫРАБОТКИ СТЕКЛА

Полезная модель относится к конструктивным элементам тигельных и горшковых печей, а именно: к устройствам для нагрева, высокотемпературной выдержки и выпуска расплава высокотемпературных оксидных материалов, и может применяться в разных областях техники при варке тугоплавких и химически активных стеклообразных и минералоподобных материалов, а более конкретно - для варки и выработки стекла.
Известно, что такие устройства обычно работают в условиях коррозионных сред, высоких температур и термомеханических знакопеременных нагрузок. Это особенно проявляется при периодической варке и периодической выработке стекла в условиях повышения температуры стекломассы в тигле варочных устройств в начале процесса варки стекла и понижения температуры и уровня стекломассы в конце цикла получения стекла - его выработке.
В начале процесса при расплавлении шихты и увеличении плотности стекломассы ее гидравлическое давление на боковые стенки и дно тигля возрастает. В конце же цикла при выпуске жидкого стекла и уменьшении стекломассы в тигле ее давление резко понижается. В сливном патрубке также давление возрастает в начале цикли при замораживании в нем стекла и резко уменьшается в конце цикла при его выпуске.
Одной из основных задач, решаемых для обеспечения эксплуатационной надежности устройств, является создание конструкций и материалов, приспособленных для длительной работы в условиях циклических термомеханических знакопеременных воздействий и коррозионных сред.
Известны устройства для варки и выработки стекла, тигель и сливной патрубок которых целиком выполнены из платины (а.с. СССР №1717561,
С03В 5/18, oп. 07.03.1992, п. РФ №2225370, С03В 5/08, oп. 10.03.2004) и обладают большой стойкостью к коррозии в среде расплавленных оксидов.
Однако, недостатком известных устройств является склонность их конструктивных элементов к деформации, связанная с проявлением высокотемпературной ползучести платины, а также возникновение трещин за счет сегрегации примесей по границам зерен в рекристаллизованной структуре платины при высокой температуре эксплуатации, в результате чего устройства быстро становятся неработоспособными.
Для сохранения формы тиглей со сливным патрубком в известных устройствах необходимо увеличение толщины стенок этих конструктивных элементов, что приводит к повышению расхода дорогой и дефицитной платины.
Известны также устройства для варки и выработки стекла, содержащие тигель и сливной патрубок, в которых тигель имеет выполненный из платины внутренний рабочий слой, а также внешний поддерживающий и термопоглощающий слой.
Однако, выполнение внешнего слоя тигля либо с помощью сферического наполнителя из оксида алюминия (п. США №4983198, С03В 5/08, oп. 08.01.1991), либо за счет нанесения на внутренний слой кварцевых частиц экструзией (в.з. Японии, №60-137833, С03В 5/08, оп. 22.07.1985), не позволяет осуществить жесткое соединение слоев тигля, создать прочную конструкцию тигля и всего устройства в целом.
В условиях эксплуатации при знакопеременных термомеханических нагрузках это приводит к уменьшению срока службы устройств, а из-за невысокой плотности материалов внешних слоев тиглей происходит возгонка платины, что приводит к ее значительным потерям.
Имеется также устройство для варки и выработки стекла, включающее тигель со сливным патрубком, тигель которого имеет внутренний слой из платины и соединенный с ним слой из порошка алюминия. Кроме того, тигель выполнен еще с одним слоем из платины, контактирующим со слоем
порошка алюминия по его наружной поверхности (п. ФРГ №4036282, С03В 5/02, oп. 20.06.1991).
Однако, данная трехслойная конструкция, имея практически гладкую поверхность соединения слоев, не обеспечивает надежных эксплуатационных качеств тигля в условиях длительных циклических знакопеременных нагрузок. Дополнительный наружный платиновый слой в определенной степени увеличивает жесткость конструкции, но одновременно повышает расход дорогой и дефицитной платины при изготовлении тигля. Кроме того, наличие платинового слоя по всей поверхности тигля увеличивает ее потери в возгоны при эксплуатации устройства.
Другими известными аналогами являются устройства, в которых кроме тигля и сливного патрубка имеются термопары для измерения температуры стекломассы (п. США №6889527, С03В 5/08, oп. 10.05.2005 и в.з. Японии №63-008225, С03В 5/08, oп. 14.01.1988). Это позволяет регулировать и стабилизировать температуру стекла при его варке и выработке, и тем самым снижать термомеханические нагрузки на тигель и сливной патрубок, что в определенной мере дает возможность обеспечивать стабильность внутреннего слоя из платины и ее сохранность при эксплуатации устройства.
Однако, размещение термопары только у концов сливного патрубка позволяет измерять температуру стекломассы лишь в локальном объеме при выработке стекла и не дает возможности определять ее в полном объеме при варке стекла, что приводит к перегреву стекломассы, разрушению внутреннего слоя платины и ее безвозвратным потерям.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по совокупности существенных признаков является устройство для варки и выработки стекла (в.з. Японии №1-201033, Рис.2, С03В 5/42, 5/08, F27B 14/10, oп. 14.08.1989), включающее тигель со сливным патрубком и термопары. Тигель имеет боковую стенку и соединенное с ней дно, которое выполнено наклонным асимметрично относительно центральной продольной оси тигля. Сливной патрубок размещен в боковой стенке тигля и на части своей длины снабжен внешним
слоем из оксида алюминия и карбида кремния, т.е. выполненным с использованием оксида алюминия. Тигель и сливной патрубок содержат внешний слой, выполненный и соединенный с внутренним слоем с помощью плазменного напыления и состоящий у боковой стенки и дна тигля полностью из оксида алюминия. При этом отношение толщины внутреннего слоя к толщине внешнего слоя у тигля равно 1:6, а у сливного патрубка составляет 1:0,25. Все термопары устройства установлены в сливном патрубке.
Соединение внешнего слоя с внутренним платиновым слоем с помощью плазменного напыления оксидом алюминия приводит к механическому зацеплению его частиц за микрошероховатости платины, возникшие случайным образом в процессе напыления. Это обеспечивает требуемую величину и равномерность действия механических сил соединения слоев. Выполнение внешнего слоя с помощью плазменного напыления позволяет создать плотный и прочный слой.
Однако, такое соотношение толщин внутреннего и внешнего слоев не дает возможности иметь достаточно прочную и жесткую фиксацию формы тигля в течение времени эксплуатации устройства, что вызывает необходимость для тигля иметь специальную опору. Сливной патрубок тоже укреплен в стене, окружающей тигель печи.
Наличие в устройстве даже нескольких термопар, но только в сливном патрубке, не позволяет измерять температуру стекломассы в объеме тигля и определять ее усредненную температуру, что приводит к перегреву стекломассы и испарению платины, а в условиях микродеформации рекристаллизованных зерен платины также к трещинам слоев и разрушению тигля, что влечет за собой потерю платины.
Следует отметить, что размещенные в сливном патрубке термопары измеряют температуру атмосферы вокруг сливного патрубка, что говорит только о косвенном измерении температуры стекломассы и позволяет лишь приблизительно знать ее истинную температуру.
Кроме того, выполнение дна тигля наклонным - асимметрично относительно центральной продольной оси тигля и размещение сливного патрубка в боковой стенке тигля приводит к появлению в стекломассе застойных зон, в которых стекло получает возможность кристаллизоваться, деформируя и разрушая платиновый слой, что приводит к большим потерям дорогой и дефицитной платины.
Выполнение сливного патрубка с внешним слоем только на части длины приводит к возгонке платины в зоне его открытой поверхности, что приводит к ее безвозвратным потерям.
Наличие у сливного патрубка внешнего слоя, включающего карбид кремния, отрицательно сказывается на коррозионной стойкости платины: с кремнием платина образует интерметаллиды, которые охрупчивают платину и ведут к разрушению платинового слоя.
Кроме того, выполнение сливного патрубка значительной длины, превышающей наибольшую высоту тигля, влечет за собой значительный расход платины.
Соотношение толщин внутреннего и внешнего слоев у тигля, и тем более у сливного патрубка, свидетельствует о том, что при изготовлении известного устройства имеются значительные затраты дорогой и дефицитной платины.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является экономия платины при сохранении эксплуатационной надежности устройства.
Поставленная задача решается за счет технического результата: повышение прочности внутреннего платинового и внешнего оксидного слоев при равенстве свойств стекла по всему объему.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве для варки и выработки стекла, включающем тигель со сливным патрубком и термопару, в котором тигель имеет боковую стенку и соединенное с ней дно, а тигель и сливной патрубок содержат внутренний слой из платины и внешний
слой, выполненный и соединенный с внутренним слоем с помощью плазменного напыления, причем у сливного патрубка внешний слой выполнен с использованием оксида алюминия, а у тигля полностью состоит из оксида алюминия, согласно полезной модели, дно тигля является симметричным относительно его центральной продольной оси, по которой расположен и размещенный в дне сливной патрубок, снабженный внешним слоем по всей длине, полностью состоящим из оксида алюминия, а термопара установлена в боковой стенке тигля через его внешний слой и приварена к внутреннему слою, а отношение толщин внутреннего слоя тигля и сливного патрубка к толщинам их внешних слоев составляет 1:7÷20.
Кроме того, тигель может иметь боковую стенку в форме полого цилиндра.
Кроме того, дно тигля может иметь выпуклую полусферическую форму. Кроме того, сливной патрубок может иметь длину, равную половине высоты тигля.
Кроме того, термопара может быть установлена в боковой стенке тигля на половине его высоты.
Кроме того, тигель и сливной патрубок могут иметь равные по толщине внутренние и внешние слои.
Предложенное устройство является конструкцией, в которой заявленное сочетание материалов его слоев, форма выполнения внешнего слоя, относительные размеры слоев по толщине и взаимное расположение элементов конструкции позволяют получить новое качественное изделие с тонким внутренним рабочим слоем из дефицитного и дорогостоящего металла - платины, с прочными слоями и сильным механическим сцеплением между ними, предназначенное для сложных термомеханических нагрузок при повторяющихся процессах варки и выпуска стекла с равными по объему свойствами.
Исходя из того, что одним из условий качественного функционирования устройства, включающего тигель и сливной патрубок слоистой формы, является близость коэффициентов термического расширения материалов сопряженных
слоев, в качестве материалов слоев, как у тигля, так и у сливного патрубка, были выбраны платина и оксид алюминия.
Диапазон соотношения толщин слоев обусловлен экспериментально найденными условиями достижения технического результата. Предложенный диапазон необходим и достаточен для качественного функционирования внутреннего рабочего слоя и обеспечения прочной и жесткой фиксации формы конструкции в течение всего процесса длительной эксплуатации.
При уменьшении толщины платины, выходящей за пределы заявляемого соотношения, в связи с уменьшением ее сечения, при индукционном нагреве в используемом диапазоне частот ее слой становится прозрачным или полупрозрачным для вихревых токов. Это приводит к отсутствию индукционного нагрева такого тигля.
При увеличении толщины внешнего слоя, выходящей за заявляемые пределы соотношения слоев, высокоплотный плазмокерамический слой может претерпевать трещинообразование из-за значительного температурного градиента по его толщине. Это является причиной разрушения конструкции устройства и потерь платины.
Указанное соотношение толщин слоев и снабжение сливного патрубка внешним слоем по всей его длине способствуют подавлению возгонки платины с наружной поверхности тигля и сливного патрубка, что способствует экономии платины при эксплуатации устройства.
Наличие дна, симметричного относительно центральной продольной оси тигля, и расположение сливного патрубка в дне тигля по этой же оси симметрии позволяет в процессе варки и выработки стекла избегать образования застойных зон стекломассы. Это приводит к равномерному нагреву стекла и его одинаковому тепловому воздействию на внутренний слой, при котором платина максимально сохраняет свои антикоррозионные свойства.
Следует отметить, что термопара, которая установлена в боковой стенке тигля, позволяет измерять температуру в основном объеме стекломассы, который находится в тигле. Термопара установлена из условия измерения усредненной
температуры стекломассы во всем устройстве. Это дает возможность регулировать температуру и создать равномерный прогрев при варке и выработке стекла во всем объеме стекломассы. Это приводит к равному воздействию стекломассы на внутренний платиновый слой, сохраняет его работоспособность и целостность при длительной эксплуатации, позволяет избежать преждевременного образования дефектов в платиновом слое и потерь платины.
Наличие термопары, приваренной к внутреннему слою тигля, позволяет измерять температуру стекломассы прямым способом, который является более точным. Это дает возможность с большой степенью точности регулировать температуру стекломассы, исключает ее перегрев и негативное влияние на внутренний слой, что способствует сохранности платины.
Установка термопары через внешний слой тигля позволяет осуществить ее изоляцию: огнеупорная масса плазмокерамического слоя из оксида алюминия плотно заполняет зазоры вокруг термопары и замуровывает ее во внешнем слое. Это способствует исключению возгонов платины из внутреннего слоя наружу тигля. Механическая прочность внешнего слоя тигля при этом не уменьшается.
Отличительные от наиболее близкого аналога признаки заявляемой полезной модели являются существенными, т.к. влияют на достижение технического результата.
Совокупность всех существенных признаков полезной модели не известна из уровня техники, следовательно, она является новой.
На чертеже представлено предлагаемое устройство: вид устройства спереди, совмещенный с разрезом по его центральной продольной оси, где
1 - тигель,
2 - сливной патрубок,
3 - термопара,
4 - боковая стенка тигля,
5 - дно тигля,
6 - внутренний слой тигля и сливного патрубка,
7 - внешний слой тигля и сливного патрубка.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели с получением вышеуказанного результата, заключаются в описании устройства в статике и приведении способа его использования.
Устройство для варки и выработки стекла включает тигель 1 со сливным патрубком 2 и термопару 3. Тигель 1 имеет боковую стенку 4 в виде полого цилиндра и соединенное с ней дно 5 выпуклой полусферической формы, причем тигель 1 и сливной патрубок 2 содержат внутренний слой 6 из платины и внешний слой 7, выполненный и соединенный с внутренним слоем 6 с помощью плазменного напыления и состоящий из оксида алюминия.
Дно 5 тигля 1 является симметричным относительно его центральной продольной оси, по которой также расположен размещенный в дне 5 сливной патрубок 2 с длиной, равной половине высоты тигля, и снабженный внешним слоем 7 по всей длине.
Термопара 3 установлена в боковой стенке 4 тигля 1 на половине его высоты через его внешний слой 7 и приварена к внутреннему слою 6 тигля 1. Отношение толщины внутреннего слоя тигля 1 и сливного патрубка 2 к толщине их внешнего слоя 7 составляет 1:10. Тигель 1 и сливной патрубок 2 имеют внутренний слой 6, так же как и внешний слой 7, одинаковой толщины.
Для получения заявляемого устройства изготавливали тигель 1 из платины чистотой 99,9 марки Пл 99,9. Для этого производили раскрой листовых заготовок из платины указанной марки и последующую формовку боковой стенки 4 в виде полого цилиндра, а также дна 5 тигля 1 полусферической формы и сливного патрубка 2 в форме трубы, длина которого выбиралась из условий обеспечения замораживания в нем оптимального объема бросового стекла во время варки и выпускаемого перед выработкой стекла и выполнялась равной половине высоты тигля, а именно: равной половине высоты боковой стенки 4 и полу сферического дна 5.
Затем дно 5 тигля 1 соединяли с боковой стенкой 4 так, что оно устанавливалось выпуклым и симметричным относительно центральной продольной оси тигля 1.
Сливной патрубок 2 размещен в дне 5 тигля 1 по этой же оси. Собранные таким образом боковую стенку 4, дно тигля 5 и сливной патрубок 2 соединяли сваркой.
После этого осуществляли окончательное формообразование изделия путем ручной давки на токарном станке.
Затем замеряли толщину платиновой формовки, которая составила как у тигля так и у сливного патрубка 0,5 мм.
Вслед за этим в боковой стенке 4 тигля 1 на половине высоты тигля 1 устанавливали термопару 3 марки ТПP 6/30. Для этого просверливали внутренний слой 6, вставляли в отверстие термопару 3 и приваривали ее к внутреннему слою 6.
После этого на тигель 1 и сливной патрубок 2 с внешней стороны наносили с помощью плазменного напыления оксид алюминия с использованием известных средств и методов.
При этом, брали оксид алюминия в виде технически чистого порошка фракции 63 мкм марки 2 5 А и использовали установку плазменного напыления УМП-6, совмещенную с полуавтоматом для плазменного напыления марки 15 В-Б. В качестве плазмообразующего газа использовали воздух и режим напыления осуществляли при необходимых и достаточных значениях тока и напряжения.
Для толщины полученного внутреннего платинового слоя 6, равной 0,5 мм, выполняли внешний слой 7 на боковой стенке 4, дне 5 и сливном патрубке 2 полностью из оксида алюминия толщиной 5 мм, равной для всех указанных элементов устройства. При этом выполнялось соотношение толщин слоев: внутреннего к внешнему, равное 1:10, и осуществлялось соединение слоев плазменным напылением. Таким образом получали заявляемое устройство с внутренними размерами тигля: диаметром 180 мм и высотой 220 мм.
Устройство для варки и выработки стекла работает следующим образом.
Предварительно подготавливают исходный материал (шихту), которая по составу соответствует составу получаемого оптического стекла марки БК 10.
Устройство для варки и выработки стекла помещают в печь (не показана) и при открытой камере печи порционно засыпают в тигель устройства подготовленную шихту. Затем производят нагрев шихты до 1480°С, постепенно расплавляя ее и наплавляя до необходимого количества 10 кг.
Затем в тигель со стекломассой опускают мешалку (не показана) и стекломассу перемешивают. После этого закрывают камеру печи и медленно понижают давление газа в печи для дегазации расплава стекла. Вслед за этим нагрев печи прекращают, камеру печи разгерметизируют, увеличивают давление газа в печи до атмосферного и производят выпуск и разлив стекломассы.
Температуру стекломассы в процессе варки и выработки стекла измеряют прямым способом термопарой. В процессе выработки стекломассы уровень высокотемпературного расплава стекла в тигле понижается, и тигель испытывает термические нагрузки. Однако, наружный керамический слой, плотно скрепленный с внутренним платиновым слоем, не позволяет измениться геометрии тигля.
В таблице приведены сравнительные данные для заявляемого и известных устройств (тиглей): согласно в.з. Японии №1-201033, Рис.1, и устройства, применяемого на индукционной установке «Кристалл» в условиях ОАО «Лыткаринский завод оптического стекла».
Из таблицы видно, что заявляемое устройство имеет высокую эксплуатационную надежность: количество плавок стекла до разрушения тигля заявляемого устройства находится на том же высоком уровне, что и у тиглей известных устройств сходного рабочего объема. При этом предлагаемое устройство обеспечивает экономию дорогостоящей и дефицитной платины:
- при изготовлении тигля заявляемого устройства расход платины на его внутренний слой в 1,6 раза меньше, чем для тигля аналогичного устройства, имеющего внутренний слой из платины и внешний слой из оксида алюминия, выполненный и соединенный с внутренним слоем с помощью плазменного напыления, согласно в.з. Японии №1-201033, Рис.1. С учетом значительно меньшей длины сливного патрубка, в заявляемом устройстве, чем в указанном, экономия платины в нем еще более велика.
- при сравнении тигля заявляемого устройства с тиглем аналогичного устройства, используемого на производстве в ОАО «Лыткаринский завод оптического стекла» и целиком выполненного из платины, можно отметить, что в тигле заявляемого устройства при его изготовлении платины расходуется в 4 раза меньше. Кроме того, при работе устройства с новым тиглем на 30% меньше расходуется электроэнергии и снижаются безвозвратные потери платины.
Сравнительные данные заявляемого и известных устройств для варки и выработки стекла.Таблица
№ п/п
Характеристика тигля
Показатели тигля
1.
Известные
Внутренний диаметр, мм
Высота по Внутренней части, мм
Толщина слоев, мм
Кол-во плавок стекла до разрушения тигля
Отношение толщин внутренних слоев пластины в известном и заявляемом тиглях
Платины (внутренний слой)
Оксиды алюминия (внешний слой)
140
150
0,8
5,0
50
1,6
2.
-
-
2
-
50
4
3.
Заявляемый
180
220
0,5
5,0
50
1
Примечания: пример 1: в.з Японии №1-201033, Рис.1пример 2: используемый в ОАО «Лыткаринский завад оптического стекла.»