СОСУД ДЛЯ ВЫРАБОТКИ СТЕКЛЯННОГО ВОЛОКНА

Изобретение относится к производству строительных материалов, в частности к оборудованию заводов, производящих стеклянное волокно.
В известных на сегодняшний день сосудах для выработки стеклянного волокна корпус изготавливается из сплавов благородных металлов. Однако в таких сосудах вследствие потерь благородных металлов в процессе эксплуатации корпус без защитного слоя недолговечен.
2
2
Известны также сосуды для выработки стеклянного волокна, изготовленные из сплавов благородных металлов, снабженные внешним огнеупорным слоем из HfO (авторское свидетельство СССР №609432, МПК С 03 В 37/00, опубликован 1976), или ZrO (патент США №3685978, кл. 65-1, опубликован 1972.).
2
2
2
Недостатком первого сосуда являются относительно высокие общие потери благородных металлов, обусловленные значительной пористостью огнеупорного слоя из НfO. Кроме того, материал НfO является дорогостоящим и дефицитным. При эксплуатации сосуда, содержащего ZrO, в условиях высоких температур и неоднократном отключении огнеупорный слой разрушается из-за распада твердых растворов, полиморфных превращений, химического взаимодействия и пр. и нарушения сцепления между слоем и корпусом. В результате потери благородных металлов остаются высокими.
Известен стеклоплавильный сосуд (авторское свидетельство СССР №854900, МПК С 03 В 37/09, опубликован 1981), включающий корпус, выполненный из наружных и внутренних металлических слоев, разделенных зонами воздушных полостей, снабженный, по крайней мере, одним керамическим слоем. Недостатками данного сосуда являются сложность его изготовления, большой расход благородных металлов, пониженный срок службы вследствие отслаивания керамического слоя и высокотемпературной коррозии в местах сварки.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является сосуд для выработки стеклянного волокна, включающий корпус и крышку из сплава благородных металлов с внешним защитным покрытием (авторское свидетельство СССР №910538, МПК С 03 В 37/09, опубликован 1982). Корпус содержит стенки и соединенное с ними днище. Защитное покрытие нанесено на стенки и крышку.
2
2
3
Однако при эксплуатации сосуда в условиях высоких температур слой защитного покрытия, выполненный из смеси ZrO с YО, отстает от металлического корпуса из-за напряжений, возникающих вследствие большой разницы в коэффициентах термического расширения покрытия и стенки корпуса. В связи с этим потери благородных металлов при эксплуатации сосуда остаются значительными, а срок его службы небольшим. Процесс нанесения защитного покрытия является достаточно технологически сложным, энергоемким, требующим специального технологического оборудования.
Используемые в настоящее время стеклоплавильные сосуды изготавливаются в виде сварного короба в форме параллелепипеда путем сварки листов платиновых сплавов. Это приводит к возникновению значительных напряжений в сварных швах, что неблагоприятным образом сказывается на ресурсе работы. Нагрев сосуда в стеклоплавильном устройстве осуществляется путем пропускания электрического тока через платиновый сосуд; для осуществления нагрева к сосуду привариваются два мощных платиносодержащих электрода, что резко увеличивает массу стеклоплавильного устройства в целом. При эксплуатации известного сосуда возникают значительные магнитные поля, оказывающие неблагоприятное воздействие на обслуживающий персонал. Так как известные сосуды имеют форму параллелепипеда, не всегда удается достичь равномерности прогрева стекломассы, что приводит к потерям тепловой энергии; кроме того, углы параллелепипеда являются концентраторами напряжений.
Известные сосуды часто бывают выполнены расширяющимися кверху по всей высоте корпуса с плотно прилегающей к ним теплоизоляцией. Такое
конструктивное решение помогает избежать выпадения сосуда из теплоизоляции.
Кроме того, в известных стеклоплавильных сосудах в верхней части корпуса устанавливается металлическая сетка и/или экран с отверстиями, которые служат для накопления, предварительного расплавления и, в конечном итоге, гомогенизации стекломассы. Использование в качестве материала сетки и экрана благородных металлов увеличивает их расход и приводит к сокращению срока службы стеклоплавильного устройства.
Перед авторами стояла задача устранить указанные недостатки и получить технологически простым способом сосуд для выработки стеклянного волокна, обладающий повышенным ресурсом работы, а также исключить использование благородных металлов, снизить массу стеклоплавильного устройства, энергопотребление и улучшить условия работы персонала, обслуживающего стеклоплавильное устройство.
Для решения поставленной задачи авторами предлагается вариант сосуда для выработки стеклянного волокна, в котором корпус, крышка и экран изготовлены из керамического материала, в качестве которого можно использовать керамику на основе нитрида кремния.
Предлагаемый сосуд может иметь форму цилиндра, в таком случае экран будет иметь форму конуса. Верхнюю часть корпуса сосуда целесообразно выполнить расширяющейся, при этом угол раскрытия расширяющейся части может составлять от 30 до 90°. Возможны варианты изготовления сосуда разборным или склеенным; для склеивания целесообразно использовать высокотемпературный клей. Для улучшения процесса формования волокна дно сосуда может быть снабжено фильерами.
Использование в качестве материала сосуда керамики, в частном случае, на основе нитрида кремния, вследствие высоких эксплуатационных характеристик (высокая стойкость к расплаву стекла, высокая прочность при температурах до 1600°С) позволяет использовать сосуд многократно. При этом исключается необходимость в операции сварки стеклоплавильного сосуда. Кроме того,
керамика на основе нитрида кремния имеет гораздо более низкую стоимость, чем платиновый сплав.
Так как нагреватели и теплоизоляция устройства в котором используется предлагаемый сосуд вынесены на некоторое расстояние от сосуда, создается определенная проблема при креплении сосуда в стеклоплавильном устройстве. Для решения этой проблемы предлагается выполнить расширяющейся только верхнюю часть корпуса; эта часть будет упираться в теплоизоляцию, обеспечивая необходимое крепление. При таком конструктивном варианте между остальной частью корпуса и теплоизоляцией сохраняется зазор, необходимый для создания зоны прогрева.
Как известно, на напряжения, возникающие в материале в процессе эксплуатации, влияет также форма изделия. Использование более симметричной цилиндрической формы позволит значительно снизить уровень напряжений. Кроме того, сосуд цилиндрической формы имеет меньшие габариты по сравнению с сосудом в форме параллелепипеда аналогичного назначения, что приводит к уменьшению затрат электроэнергии, необходимой для нагрева сосуда.
Сосуд может быть изготовлен как разборным (состоящим из 3-х деталей указанных на фиг.1), так и склеенным. В случае разборного варианта в процессе эксплуатации возникают меньшие напряжения, но при этом не допускается эксплуатация с уровнем расплава стекломассы выше, чем зона сопряжения сосуда с конусом.
Техническим результатом изобретения является повышение прочности и химической стойкости сосуда при повышенной температуре, снижение уровня термических напряжений, возникающих в материале сосуда в процессе эксплуатации и уменьшение магнитных полей.
На чертеже представлен общий вид сосуда - фиг.1.
Сосуд состоит из корпуса 1, в частном случае, цилиндрического, крышки 2 и экрана с отверстиями 3. Экран может иметь форму конуса. Все детали выполнены из керамического материала, в частном случае, на основе нитрида
кремния марки ОТМ-904 (реакционносвязанный нитрид кремния, модифицированный никелем, разработанный в ОНПП «Технология»). Сосуд для выработки стеклянного волокна собирают следующим образом:
Экран устанавливают внутри сосуда, сверху помещается крышка, затем сосуд закрепляется в крепежном узле стеклоплавильного устройства (фиг.2): сосуд стеклоплавильный - 1, нагреватели - 2, керамическая теплоизоляция - 3.
В таблице показаны сравнительные характеристики предлагаемого и известного сосуда (прототипа).
Показатели
Характеристики сосуда
Известный сосуд
Предлагаемый сосуд
Ресурс работы
1
1,25
Масса стеклоплавильного сосуда
1
0,3
Величина магнитного поля
1
0,1
Стоимость сосуда
150
1
Примечание: данные в таблице приведены в относительных единицах.
Предлагаемый сосуд работает следующим образом:
Через отверстие в керамической крышке 2 (фиг.1) стеклянные шары попадают в экран с отверстиями 3 (фиг.1), где они первоначально накаливаются и расплавляются. Расплавленные в стекломассу шары проходят через отверстия в конусе и попадают в корпус 1 (фиг.1); затем выливаются через перфорированное дно сосуда, застывая в атмосфере в виде стекловолокна.
Разогрев стекломассы осуществляется за счет передачи тепла от нагревателей 2 (фиг.2). При пропускании электрического тока через нагреватели они разогреваются и нагревают керамический сосуд 1 (фиг.2). Для уменьшения потерь тепла и увеличения КПД вся конструкция окружена керамической теплоизоляцией 3 (фиг.2).
Из приведенной таблицы видно, что магнитные поля в зоне работы сосуда уменьшаются на порядок при использовании предлагаемого сосуда.
Предлагаемый сосуд прост в изготовлении; использование изобретения позволит увеличить ресурс работы стеклоплавильного устройства на 25%, значительно снизить его массу и стоимость.
При использовании сосуда цилиндрической формы уменьшение энергопотребления достигает 2%.